CIGS-Solarzelle

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Die CIGS-Solarzelle stellt einen Typ von Solarzelle dar, welche auf dem Werkstoff Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) basiert. CIGS-Solarzellen besitzen im Gegensatz zu kristallinen Silizium-Solarzellen einen Absorber mit einer direkten Bandlücke. Die CIGS-Schicht wird in Dünnschichttechnologie gefertigt und ist je nach Hersteller 1–2 µm dick, während Dickschicht-Solarzellen auf Siliziumbasis mindestens ca. 150 µm dick sind. Durch die geringe Dicke ist es möglich, deutlich weniger Halbleitermaterial zu verwenden.

Dünnschicht-CIGSe-Solarzelle auf Polyimid-Substrat

Da durch die geringen Schichtdicken die Wegstrecken der Photoladungsträger zwischen Erzeugung und Sammlung kürzer sind, sind die Anforderungen an das Absorbermaterial geringer als bei kristallinen Silizium-Solarzellen. Daher werden Dünnschichtsolarzellen aus polykristallinem CIGS hergestellt, was den notwendigen Energieaufwand und die Kosten gegenüber der Herstellung von monokristallinem Silizium reduziert. Durch die geringen Schichtdicken können bei entsprechender Substratwahl auch leichte und sogar flexible Solarmodule für Anwendungen im Bereich der Photovoltaik hergestellt werden. Des Weiteren können Module direkt in einer Produktionslinie hergestellt werden – ohne den Umweg über einzelne Solarzellen, die anschließend verschaltet werden.

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Durch die geringe Schichtdicke werden die Ressourcen geschont und bei entsprechender Stückzahl soll es zu einer kostengünstigeren Herstellung als bei der Dickschicht-Technik kommen. Die Produktionstechnik erlaubt zudem auch die Herstellung von semitransparenten Modulen. Einschränkungen bei der Massenproduktion von CIGS-Modulen könnte es geben, da der Rohstoff Indium relativ knapp ist und auch in anderen technologischen Produkten auf Halbleiterbasis (z. B. Flachbildschirme) Verwendung findet.[1] Jedoch werden nur sehr geringe Mengen an Indium für die Solarzellen-Herstellung benötigt, sodass eine Massenproduktion die Indium-Knappheit nicht deutlich verschärfen wird.

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schematischer Querschnitt einer Cu(In,Ga)Se2-Solarzelle

Die Grafik zeigt einen schematischen Querschnitt einer Cu(In,Ga)Se2-Solarzelle mit den entsprechenden Schichtdicken. Auch wenn flexible Substrate Vorteile bieten, wird bisher noch meist Glas als Substrat verwendet. Das Substrat wird mit Molybdän (Mo) beschichtet, das als Rückkontakt dient. Der p-n-Übergang ist ein Heteroübergang, das heißt, die p- und n-dotierten Schichten bestehen aus unterschiedlichen Halbleitern.

Der namensgebende Halbleiter Cu(In,Ga)Se2 wird auch als Absorber bezeichnet, da hier ein Großteil des eingestrahlten Lichts aufgenommen wird. Er ist durch intrinsische Defekte des Materials leicht p-dotiert. Als n-dotierte Schicht wird Zinkoxid (ZnO) mit Aluminium (Al) stark dotiert. Diese auch Aluminium-Zinkoxid (AZO) genannte Schicht bildet eine transparente leitfähige Oxidschicht. Bedingt durch die recht hohe Bandlücke des Zinkoxids (Eg,ZnO = 3,2 eV) ist diese Schicht für sichtbares Licht durchlässig. Daher wird sie auch als Fenster bezeichnet. Zwischen Fenster und Absorber befinden sich Pufferschichten aus Cadmiumsulfid (CdS) und undotiertem ZnO. Die Forschung beschäftigt sich wegen der Toxizität des Cadmiumsulfids und der Hoffnung auf Stromzugewinne auch mit alternativen Puffermaterialien (In2S3, Zn(O,S), (Zn,Mg)O u. a.). Die asymmetrische Dotierung der Schichten ergibt eine asymmetrische Raumladungszone, die sich tiefer in den Absorber erstreckt als in das ZnO.

Während die Mo- und ZnO-Schichten durch Sputterdeposition hergestellt werden und CdS in einem chemischen Bad abgeschieden (engl. chemical bath deposition, CBD) wird, gibt es verschiedene Varianten, den Absorber herzustellen. Am verbreitetsten sind die gleichzeitige thermische Verdampfung der Elemente bzw. das Abscheiden der Metalle (Cu, In, Ga) durch Elektroplattieren, Sputterdeposition oder andere Verfahren mit anschließender Erhitzung in einer Selen-Atmosphäre.

Wirkungsgrade[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Wirkungsgrad von Modulen liegt im Moment bei 11–14 %.[2] Der Wirkungsgradrekord für ein CIGS-Solarmodul wurde im Herbst 2015 von der Firma tsmc solar aufgestellt und beträgt 16,5 % gerechnet auf die Modulfläche (Stand: Feb 2016) [3]. Bei kleinen Laborzellen werden höhere Wirkungsgrade erreicht, die kontinuierlich und in immer kürzeren Abständen gesteigert wurden:

  • Mit 20,1 % (bei 0,5 cm²) wurde im Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) im April 2010 der bis dahin weltweit höchste Wert für Dünnschicht-Solarzellen erreicht. Zuvor hatte 16 Jahre lang den höchsten Wirkungsgrad das US-Forschungsinstitut NREL erzielt.[4]
  • Dieser Wert wurde an der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt im Januar 2013 von einer CIGS Solarzelle auf Plastikfolie mit 20,4 %[5] übertroffen.
  • Im Oktober 2013 steigerte ihn das ZSW auf 20,8%, also höher als den Wirkungsgrad kristalliner Solarzellen.[6]
  • Im Dezember 2015 veröffentlichte die Firma Solar Frontier einen Rekord von 22,3 % [7].
  • Bereits im Juni 2016 konnte dann wiederum das ZSW melden, mit 22,6 % einen neuen Weltbestwert aufgestellt zu haben [8].

Hersteller[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wie in der übrigen Photovoltaik, unterliegen auch die Hersteller von CIGS-Modulen einer starken Fluktuation. In den letzten Jahren haben viele Hersteller aufgegeben (z. B. CIS Solartechnik, Heliovolt, Nanosolar, Soltecture, Solyndra, tsmc-solar). Auf der anderen Seite sind neue Unternehmen erschienen. Große Hersteller sind unter anderem (Stand Feb 2016) [9] :

  • Avancis GmbH (DEU) (Tochter des chinesischen Baukonzerns CNBM)
  • Bosch Solar CISTech GmbH (DEU) (Tochter von Bosch)
  • Global Solar (USA) (Teil des chinesischen Energieversorgers Hanergy)
  • Manz CIGS Technology GmbH (DEU) (Teil der Manz AG, früher Würth Solar)
  • MiaSolé (USA) (Teil des chinesischen Energieversorgers Hanergy)
  • Solar Frontier K. K. (JPN) (größter CIGS-Hersteller mit mehr als 1000 MWp Jahreskapazität[10])
  • Solibro (SWE) (Teil des chinesischen Energieversorgers Hanergy)
  • Solopower (USA)
  • Stion (USA)

Flexible CIGS-Solarzellen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Neben der Abscheidung auf Glas-Substraten wird an der Markteinführung von flexiblen CIGS-Solarzellen und -Modulen gearbeitet. Als Substrate werden neben Metallfolien auch Hochtemperatur-Polymere wie zum Beispiel Polyimid eingesetzt. Auf Polyimidfolie wurden im Labor der EMPA in der Schweiz bereits 2011 Wirkungsgrade von 18,7 %[11] und 2013 von 20,4 % erreicht.[12] Zur Überführung dieser Technologie in die Massenproduktion haben verschiedene Firmen Pilotproduktionsanlagen aufgebaut und erreichten 2009 Wirkungsgrade von bis zu 13,4 %.[13]

Probleme[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Vergleich zu kristallinen Solarzellen ist die Entsorgung von CIGS-Solarzellen am Ende ihrer Lebenszeit deutlich aufwändiger, da das Materialgemisch toxisch ist. Daneben werden bei Bränden größere Mengen an toxischen Verbindungen freigesetzt.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Björn A. Andersson: Materials availability for large-scale thin-film photovoltaics. In: Progress in Photovoltaics: Research and Applications. Band 8, Nr. 1, 2000, S. 61–76, doi:10.1002/(SICI)1099-159X(200001/02)8:1%3C61::AID-PIP301%3E3.0.CO;2-6.
  2. pro-physik.de: CIGS erreicht erstmals Wirkungsgrad von multikristallinen Modulen
  3. tsmc-solar - Pressemitteilung: TSMC Solar Commercial-size Modules (1.09m2) Set CIGS 16.5% Efficiency Record
  4. zsw-bw.de
  5. media-release auf www.empa.ch
  6. ZSW: ZSW stellt CIGS-Rekordzelle her, Presseinformation vom 23. Oktober 2013.
  7. Solar Frontier Pressemitteilung: http://solar-frontier.com/eng/news/2015/C051171.html
  8. ZSW stellt neuen Weltrekord bei Dünnschicht-Solarzellen auf. In: www.zsw-bw.de. Abgerufen am 16. Juni 2016.
  9. [1]
  10. http://solar-frontier.com/eng/company/index.html
  11. Swiss researchers boost efficiency of flexible solar cells to new world record: Record efficiency of 18.7% for flexible CIGS solar cells on plastics. empa.ch. 19. Mai 2011. Abgerufen am 4. Juli 2012.
  12. Empa Wirkungsgrade im 2013
  13. Solarion AG (Hrsg.): Weltrekord: 13,4 Prozent Wirkungsgrad bei Solarzellen auf Kunststofffolie (PDF; 144 kB). (Pressemitteilung vom 7. Oktober 2009)