Der Wettlauf um das effizienteste Solarmodul läuft auf Hochtouren. Pünktlich zum Auftakt der Branchenmesse SNEC in Shanghai vermeldet der Maschinenhersteller Manz aus dem schwäbischen Reutlingen einen neuen Effizienzrekord für Dünnschichtmodule mit Kupfer, Indium, Gallium und Diselenid – CIGS – als Halbleitermaterial. Die Schwaben schaffen es mit ihrem Equipment, den Modulwirkungsgrad auf 16 Prozent hochzutreiben. Das Unternehmen hat das Weltrekordmodul auf seinen Produktionslinien am Standort Schwäbisch Hall hergestellt. Manz betont, dass es sich dabei nicht etwa um eine Pilotlinie handelt, sondern um Equipment für die Massenfertigung von CIGS-Modulen.
Beschichtung verbessert
Im Herbst des vergangenen Jahres hat das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) einen CIGS-Zellwirkungsgrad von 21,7 Prozent gemessen. Um die Effizienz zu erhöhen, haben die Stuttgarter Wissenschaftler das Co-Verdampfungsverfahren genutzt. Das heißt, sie dampfen mehrere Halbleitermaterialien gleichzeitig auf. Außerdem haben die Stuttgarter die optischen Verluste drastisch reduziert, so dass mehr Licht zur Stromproduktion ins Modul gelangt und dort auch genutzt werden kann. Die kleine Rekordzelle mit einer Fläche von nur 0,5 Quadratzentimetern wurde auf den Maschinen der Reutlinger produziert.
Mit den neuen Werten stoße man in eine neue Dimension vor und schließe die bislang vorhandene Lücke beim Wirkungsgrad zu der aktuell noch vorherrschenden multikristallinen Photovoltaiktechnologie, betont Manz. Für den Unternehmensgründer und Geschäftsführer Dieter Manz sind die beiden Weltrekorde ein deutliches Zeichen, dass die Technologie gegenüber der kristallinen Photovoltaik enorme Vorteile hat. „Mit den deutlich geringeren Produktionskosten gegenüber kristallinen Solarzellen wird die CIGS-Technologie im kommenden Investitionszyklus der Photovoltaikbranche eine große Rolle spielen“, ist sich Dieter Manz sicher. Er argumentiert mit den geringeren Investitionssummen, die für die CIGS-Linien im Vergleich zur kristallinen Photovoltaik anfallen. Außerdem seien die Dünnschichtlinien viel schneller aufgebaut als die der kristallinen Konkurrenz. „So bieten schon heute CIGS-Module die geringsten Stromgestehungskosten im Vergleich zu der aktuell noch dominierenden kristallinen Siliziumtechnologie“, erklärt Dieter Manz. „Das weitere Potenzial der CIGS-Technologie ist enorm und wird zu weiteren Kostenreduzierungen führen“, prognostiziert er.
Effizienzverluste noch immer riesig
Dieses Potenzial müssen die Hersteller aber erst einmal heben. Immerhin zeigen die Zahlen, dass die Lücke zwischen Zellwirkungsgraden im Labor und den Effizienzen der späteren Module in der Massenfertigung noch riesig ist. Zwar haben die Wissenschaftler vom ZSW ihre kleine Rekordzelle 40 Mal reproduzieren können und daraus eine gute Übertragbarkeit in die Massenfertigung geschlossen. Doch die Zahlen sprechen eine andere Sprache. Beim Aufskalieren haben die Dünnschichthersteller immer noch ein Problem. Im Gegensatz dazu können die Hersteller von kristallinen Modulen ihre Zellwirkungsgrade inzwischen mit nur geringen Verlusten auch in die Massenfertigung von Modulen überführen. Dies hat der chinesische Hersteller Trina Solar gezeigt.
Die Entwickler in Trina State Key Laboratory in Changzhou, 200 Kilometer westlich von Shanghai, haben ein Modul mit einer Appreturfläche – der photovoltaisch aktiven Fläche eins Moduls – von 1,515 Quadratmetern und einem Wirkungsgrad von 19,14 Prozent vorgestellt. Der chinesische Branchenprimus hat 120 Halbzellen mit einem Wirkungsgrad von 20,53 Prozent zu einem Modul zusammengeschaltet und dabei nur wenig der Zelleffizienz verloren.
Forschung mit Zellen in Standardgröße
Die Zelle hat das Unternehmen erst im Herbst des vergangenen Jahres vorgestellt. Sie haben diese mit einer passivierten Rückseite versehen und lokal kontaktiert. Durch den zusätzlichen Einsatz von sogenannten Halbzellen, verringern die Entwickler in Changzhou zusätzlich die Widerstandsverluste, die beim Verschalten von ganzen Zellen auftreten. Diese Halbzellen werden hergestellt, indem eine Solarzelle in Standardgröße mit einer Kantenlänge von jeweils 156 Millimetern nochmals in der Mitte geteilt wird. Erst danach werden die Zellen kontaktiert. Dadurch verringern sich die Ströme in den Zellen und in den Zellverbindungen sowie die elektrischen Widerstandsverluste.
Der Vorteil, den die Entwickler in den Laboren der kristallinen Photovoltaik haben ist, dass sie die Zellen schon in Industriegröße herstellen. Damit geht nur durch das Verschalten von 60 Zellen zu einem Modul ein gewisser Anteil des Wirkungsgrades bei der Aufskalierung verloren, während die Entwickler von Dünnschichtmodulen schon bei der Herstellung der Zellen herbe Effizienzverluste verbuchen. Trotzdem ist sich Dieter Manz sicher, dass sein Unternehmen in absehbarer Zeit zusammen mit dem ZSW den Modulwirkungsgrad deutlich über 17 Prozent steigern kann. „Die dafür notwendigen Prozesse, zum Beispiel bei der Nachbehandlung der CIGS-Beschichtungen, beherrschen wir bereits im Labor“, erklärt Manz zuversichtlich. (Sven Ullrich)
