Wirkungsgrad von 20,4 % gleich Weltrekord: Solarzellen für CIGS-Dünnschichtzellen

Wirkungsgrad von 20,4 % gleich Weltrekord: Solarzellen für CIGS-Dünnschichtzellen (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) auf Polyimidfolie (Bild: Empa).

von Michaela Neuner

Die jüngsten Rekordmeldungen in Sachen Dünnschicht-Photovoltaik kommen aus dem Südwesten – aus Baden-Württemberg und aus der Schweiz: Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa meldete einen Wirkungsgrad-Weltrekord von 20,4 % für CIGS-Zellen auf Folie, das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) einen Wirkungsgrad von 20,8 % für CIGS-Zellen auf Glas.

CIGS steht für Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid. Es gehört zu den Halbleiter-Materialsystemen, die in der Dünnschicht-Photovoltaik bislang die höchste Stromausbeute liefern und schließt beim Wirkungsgrad nun auf zum Marktführer: „Seit knapp 30 Jahren haben die marktbeherrschenden multikristallinen Zellen ihren Vorsprung behauptet – jetzt hat das CIGS die Nase vorne“, freuten sich die Wissenschaftler des ZSW in Stuttgart, als sie ihren jüngsten Weltrekord bekannt gaben.

Der aktuelle Spitzenwert für multikristalline Siliziumzellen liegt laut Angaben des ZSW bei 20,4 %, monokristalline Siliziumzellen kommen auf rund 25 % und mit einer neuartigen Konzentrator-PV-Zelle wandelte ein deutsch-französisches Forscher-Team im Mai diesen Jahres 44,7 % des auftreffenden Sonnenlichts in Strom.

Allerdings ist Wirkungsgrad nicht gleich Wirkungsgrad: Die im Labor gemessenen Wirkungsgrade von Versuchszellen liegen in der Regel deutlich über den Werten, die industriell gefertigte Zellen erreichen, welcher wiederum höher ist als der Wirkungsgrad des Moduls. Weitere Einbußen ergeben sich bei der Installation. Je nach Güte der verwendeten Bauteile, deren Abstimmung aufeinander sowie die Ausrichtung der Module gehen Experten derzeit von einem durchschnittlichen Systemwirkungsgrad in der Größenordnung von 10% bis 12% aus.

Marktübliche CIGS-Module kom­men derzeit auf einen Modul-Wirkungsgrad von 14 bis 15 %. Mit dem optimierten Herstellungsprozess des ZSW könnte sich dieser Wert jedoch nach oben verschieben. Die Stuttgarter Wissenschaftler arbeiten bereits daran, das Verfahren für die Modulherstellung zu adaptieren. „Bis sich der höhere Wirkungsgrad auch in der Produktion niederschlägt, kann es noch ein wenig dauern“, bremst Powalla. Dennoch ist er sicher: „In den nächsten Jahren sind 16 bis 18 Prozent in kommerziellen Modulen möglich.“

Davon geht auch Dieter Manz, Gründer und CEO der Manz AG, aus. Gemeinsam mit dem ZSW hat sein Unternehmen das Verdampfungsverfahren, mit dem die Weltrekordzellen hergestellt wurden, weiterentwickelt und patentiert. „Manz hat die exklusiven Nutzungsrechte an dieser Weltrekordtechnologie und wird diese nun vom Labor in die Massenproduktion überführen“, kündigt er an und verspricht Kunden der Manz-Produktionslinie CIGSfab Modul-Wirkungsgradsteigerungen auf deutlich über 16 % innerhalb der nächsten vier Jahre. „Damit wird Strom aus CIGS-Dünnschichtmodulen nahezu überall auf der Welt wirtschaftlich und kostengünstig“, erwartet er.

Die neue Technologie habe das Potenzial, die Wende für die Solarbranche einzuläuten und auch der kristallinen PV den Rang abzulaufen: „CIGS-Dünnschicht ist bereits heute wesentlich günstiger in der Produktion und hat zudem das größte technologische Potenzial für weitere Wirkungsgradsteigerungen“, stellt Manz fest. Zudem sei der Fertigungsprozess im Vergleich zur Herstellung kristalliner Siliziummodule wesentlich einfacher, was unter anderem an seinem hohen Integrationsgrad liege.

Beispielsweise entfallen bei Dünnschichtmodulen auf Glassubstraten die aufwändige Herstellung von Siliziumwafern und die Verschaltung der einzelnen Zellen miteinander. Weitere Kostenvorteile ergeben sich dadurch, dass die Halbleiterschicht, die das Sonnenlicht absorbiert, zu großen Teilen aus Kupfer bestehen und dass diese Schicht lediglich zwei Mikrometer dick ist, was in etwa einem Prozent der Stärke einer kristallinen Solarzelle gleich kommt.
Die mikrometerdünnen Halbleiter lassen sich außerdem nicht nur auf Glas, sondern auch auf andere Träger aufbringen: etwa auf Stahlfolie, die leichter ist als Glas, oder auf flexible Kunststofffolie. Mit Folie als Trägermaterial können die flexiblen Lichtwandler auch im kostengünstigen Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden. Gleichzeitig eröffnet eine breitere Palette an Trägermaterialien neue Möglichkeiten bei der gebäude- und der fahrzeugintegrierten Photovoltaik oder bei portablen Klein-Anwendungen, beispielsweise Klei­dungs- oder Gepäckstücken.

aus Produktion Nr. 51-52, 2013