Die neuen CIS-Zellen machen Sonnenstrom erschwinglich. Solarstrom aus den üblichen Silizium-Modulen ist bislang zu teuer, um ohne staatliche Fördergelder mit Netzstrom zu konkurrieren. Stuttgarter Forscher sehen den Königsweg in neuartigen CIS-Zellen. Im weltweiten Wettbewerb liegen sie an der Spitze – Zeit für den Durchbruch zur industrienahen Pilotfertigung.
Im Reinraumlabor des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) herrscht “business as usual”. Weißbekittelte mit Zellstoffhäubchen stehen an ihren Geräten, beobachten Anzeigen, beugen sich prüfend über Materialproben. Böllerschuß, Fanfare und Glockengeläut muß der Besucher sich denken. Wenn doch etwas rauscht, ist es nicht Champagner, sondern die Klimaanlage.
Dabei gibt es Grund zum Feiern. Denn die zehnköpfige “Arbeitsgruppe Dünnschicht-Modulentwicklung” der Stuttgarter Forschungseinrichtung ist seit März 1998 Weltrekordlerin.
Seit drei Jahren fertigt das Team in einer Versuchsanlage Solarmodule aus dem neuartigen Material “CIS”. Der Wirkungsgrad – der Anteil, zu dem einfallendes Licht in Strom umgewandelt wird – und die Modulfläche wurden immer weiter gesteigert. Jetzt sind die Stuttgarter sogar an der konkurrierenden Arbeitsgruppe beim Photovoltaik-Weltmarktführer Siemens Solar Industries vorbeigezogen: mit 11,5 Prozent Wirkungsgrad, erzielt auf einem Modul mit der handelsnahen Größe von 30 mal 30 Zentimeter. Das ist Weltspitze.
Und dann soviel Nüchternheit? Gruppenleiter Bernhard Dimmler klärt auf. Er findet das Rekord-gekrönte 11,5-Prozent-Modul zwar “nicht schlecht” – bekanntlich das höchste Lob, das ein Schwabe zu vergeben hat. Doch wichtiger ist dem 43jährigen Elektroingenieur etwas anderes:
“Schon seit Monaten erzielen wir im statistischen Mittel mit unseren Modulen zehn Prozent Wirkungsgrad”, freut sich Dimmler, “mit steigender Tendenz. Damit haben wir jetzt volle zwei Prozent Vorsprung vor dem kommerziellen Konkurrenzmaterial: vor Modulen aus amorphem Silizium. Jetzt kommt es darauf an, mit einem industriellen Partner rasch eine CIS-Pilotfertigung mit ein bis zwei Megawatt Jahreskapazität aufzubauen. Es wäre eine ungenutzte Chance, damit nicht in den Markt zu gehen!”
Ein Lichtblick – nach dunklen Jahren für die Photovoltaik in Deutschland. 1994 waren die Fördermittel aus dem 1000-Dächer-Programm des Bundesforschungsministeriums ausgelaufen. 1996 sank die Stimmung der Solar-Enthusiasten auf den Tiefpunkt. 120 Watt, 430 Volt Spannung: Bernhard Dimmler (rechts) und Raymund Schäffler vom ZSW-Forschungszentrum in Stuttgart präsentieren das leistungsstärkste Dünnschicht-Großmodul der Welt – bestehend aus 15 CIS-Zellen.
Die letzte hiesige Serienfertigung von Solarmodulen der Firma ASE in Wedel wurde geschlossen. Doch 1998 sieht alles anders aus:
Das Bundesforschungsministerium fördert mit den Ländern Nordrhein-Westfalen und Bayern den Bau zweier Serienfertigungen für kristalline Silizium-Solarzellen. In Gelsenkirchen wird eine 25 Megawatt-Fabrik gebaut, betrieben von Pilkington Solar und der Deutschen Shell. Die andere, für 13 Megawatt, errichtet ASE in Alzenau. Bei Erfurt will jetzt die Firma Antec Solar mit Förderung des BMBF und des Freistaates Thüringen eine 10-Megawatt-Fabrik für Dünnschichtsolarzellen errichten. Seit Mitte vergangenen Jahres hat die Solar-Fabrik GmbH im baden-württembergischen Freiburg ihre Arbeit aufgenommen. Geschäftsführer Georg Salvamoser gewann private Geldgeber für den Bau einer auf sieben Megawatt ausgelegten Modul-Montagelinie.
Zu diesen positiven Signalen paßt die Rekordnachricht aus der Stuttgarter CIS-Versuchsfertigung. Noch vor wenigen Jahren ein Labor-Exote, klopft ein neues Material an die Pforte des Photovoltaik-Marktes. Hoch mit dem Wirkungsgrad, hoch mit der Modulfläche, herunter mit dem Preis – das sind die Ziele der CIS-Entwickler. Das kleine Team in der Schwabenmetropole konkurriert dabei mit Siemens Solar Industries, Showa Shell, Matsushita, Energy Photovoltaics und weiteren Firmen in USA und Japan.
Nicht Silizium dient hier als stromliefernder Halbleiter. Diese Rolle spielt eine mit ein bis zwei Mikrometer buchstäblich hauchdünne Schicht aus Kupfer-Indiumdiselenid (CuInSe2). Die Anfangsbuchstaben der drei chemischen Elemente ergeben das Kürzel.
Wissenschaftler am Institut für Physikalische Elektronik (IPE) der Universität Stuttgart, nur zwei S-Bahnstationen von den Rekordlern im Stuttgarter Stadtteil Vaihingen entfernt, schufen die Grundlagen für den heutigen Erfolg. Seit 1987 erforschten sie den neuen Solarzellen-Werkstoff und transferierten ihr Wissen an das Partnerinstitut ZSW, so daß dort in den neunziger Jahren das Entwicklungsprojekt einer Versuchsfertigung beginnen konnte.
Dr. Hans-Werner Schock, Leiter der IPE-Arbeitsgruppe Polykristalline Dünnschichten, zieht sein Fazit aus zehn Jahren Forschung: “Wir haben viele ähnlich zusammengesetzte Materialien untersucht. Aber das CIS ist durch seine physikalischen und elektrischen Eigenschaften mit Abstand das gutmütigste und vielversprechendste.”
Schock muß immer noch schmunzeln, wenn er an das Aha-Erlebnis denkt. “Zunächst hatten wir teures natriumarmes Spezialglas als Träger für die Beschichtung mit CIS verwendet – wir waren überzeugt, das sei nötig.” Doch eines Tages wanderte irrtümlicherweise eine Platte aus Fensterglas in die Beschichtungsanlage. Vor dem Wegwerfen wurde interessehalber gemessen – und siehe da: “Diese Zelle war deutlich besser als alle, die wir bisher gemacht hatten.”
Von da an sattelten die Stuttgarter auf natrium- und kalziumhaltiges, normales Fensterglas um. Später fanden sie heraus: Der Natriumgehalt erhöht die Anzahl der Ladungsträger im Halbleiter, wodurch der Wirkungsgrad steigt. Daß billiges Fensterglas für die Fertigung verwendet werden kann, verbessert heute die Marktperspektive.
Aus der Theorie vorhersagbar, so Schock, war hingegen: Die Dotierung von CIS mit ein wenig Gallium – wie Indium ein silbrig glänzendes Metall – müßte den Wirkungsgrad der Solarmodule weiter anheben. Das bestätigte sich in der Laborpraxis. In geduldiger Kleinarbeit schraubte das Team die Fähigkeit des Materials, Licht in Strom zu wandeln, in die Höhe. 1994 übernahm dann das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung die weitere Entwicklung einer Kleinfertigung auf zunächst 10 mal 10, dann auf immerhin 30 mal 30 Zentimeter großen Modulen – mit dem geschilderten Ergebnis.
Je größer die Fläche, desto schwieriger ist es, Schichtdicke und -qualität – als Vorbedingung für die elektrischen Eigenschaften – zu halten. Darum liegen die Wirkungsgrade für 1 mal 1-Zentimeter-Solarzellen, wie sie in den Forschungslabors üblich sind, stets höher als auf handelsüblichen Dimensionen. Auf fingernagelgroßen CIS-Labormodulen haben die Stuttgarter Universitätsphysiker 1997 bereits mehr als 17 Prozent Wirkungsgrad realisiert. Den Labormodul-Weltrekord hält die staatliche US-Forschungseinrichtung National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Golden, Colorado mit knapp 18 Prozent.
Was CIS-Solarzellen heute schon zu Hoffnungsträgern der Photovoltaik macht, ist ihr Fertigungsprinzip: Ebenso wie beispielsweise Solarzellen aus Kadmiumtellurid und aus amorphem (ungeordnetem, nicht-kristallinem) Silizium sind sie Produkte aus der “Dünnschicht-Technologie”. Die Grundprinzipien lauten:
preisgünstige Trägermaterialien wie Glas, Kunststoff- oder Metallfolie, sparsamer Verbrauch an photovoltaisch aktivem Material in Schichtdicken von wenigen Mikrometern, wesentlich geringerer Energieverbrauch bei der Herstellung als bei kristallinen Silizium-Zellen, automatisierte Beschichtung, Produktion “am laufenden Band” und auf großen Flächen, frei wählbare Zellengröße und -form und in den Herstellungsprozeß integrierte elektrische Verschaltung.
Weg vom Silizium-Sägen – das ist der langgehegte Wunsch vieler in der Solarbranche, die vom hohen Preisniveau der Photovoltaik herunterkommen wollen (siehe Kasten “Kristallines Silizium: In der Kostenklemme”, Seite 34). So setzten sie schon in den achtziger Jahren Hoffnungen auf den ersten Vertreter der Dünnschicht-Technik, das amorphe Silizium. Doch sie wurden grob ernüchtert (siehe Kasten unten). Ein anderes Dünnschichtprodukt, die Kadmiumtellurid-Zelle, versprach zwar fast so gute Wirkungsgrade wie CIS-Zellen – doch ihre Marktchancen werden durch die Giftigkeit des Kadmiums eingeschränkt.
Unter dem Strich heißt das: Gute Perspektiven für CIS-Zellen. “Ab zwölf Prozent Wirkungsgrad auf 30 mal 30 Zentimeter Fläche”, rechnet Bernhard Dimmler im Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung vor, “kann man bei einer zukünftigen CIS-Modul-Fertigung von 50 Megawatt jährlich einen Produktionspreis von 1 bis 1,50 Mark pro Watt erreichen. Das bedeutet – je nach Installationsart und Sonneneinstrahlung – Stromkosten von weniger als 50 Pfennigen pro Kilowattstunde.”
Der nächste Schritt ist erst einmal eine Pilotanlage mit ein bis zwei Megawatt Jahresausstoß. 20 bis 30 Millionen Mark in einem Zeitraum von etwa drei Jahren seien dafür zu investieren, schätzt er. Seine Versuchsfertigung im Untergeschoß des Stuttgarter Zentrums erlaubt bislang eine Jahreskapazität von 20 bis 40 Kilowatt – das entspricht einer Fläche von 200 beziehungsweise 400 Quadratmetern CIS-Modulen pro Jahr. Doch 30 Quadratmeter pro Tag sind sein Ziel in der nun anstehenden Pilotphase.
Zentrale Station des Fertigungsprozesses, der insgesamt acht Einzelschritte umfaßt (siehe Grafik “Schicht für Schicht entsteht das CIS-Solarmodul”, Seite 32), ist die zweite Generation einer im Zentrum entwickelten CIS-Beschichtungsanlage. Mehr als eine Million Mark kostete die rund sechs Meter lange und etwa mannshohe Installation mit Einlaß- und Auslaßschleuse. Sie kann über ein halbautomatisches Transportsystem gleichzeitig zehn 30 mal 30-Zentimeter-Platten aus Fensterglas durch die 500 Grad Celsius heiße Beschichtungskammer manövrieren.
Vakuumpumpen saugen minutenschnell die Luft aus dem Stahlbehälter: Hochvakuum muß herrschen, damit der Beschichtungsprozeß wie gewünscht funktioniert. Die Glasplatten, die zuvor mit einem Rückkontakt aus Molybdän versehen wurden, werden bis in die Nähe des Erweichungspunkts aufgeheizt. Aus hintereinander gestaffelten, röhrenförmigen “Verdampferquellen” an der Oberseite der Kammer strömt ein Dampfvorhang aus den Metallen Kupfer, Indium und Selen. Er schlägt sich gleichmäßig auf dem heißen Glas nieder. Nicht zu vergessen: eine Prise Gallium, die den Wirkungsgrad der Zellen nach oben treibt. Die unscheinbaren Verdampferquellen, deren jede einen Tiegel mit dem betreffenden Metall birgt, sind der Clou der CIS-Beschichtungsanlage. Mehr noch: Sie sind, so Dimmler, “der eigentliche Know-how-Vorsprung, den wir weltweit vor konkurrierenden Arbeitsgruppen haben, zum Beispiel vor Siemens Solar Industries.”
Auch die Siemens-Solar-Entwickler sind von den guten Aussichten der CIS-Dünnschicht-Solarzellen überzeugt und haben ihr früheres Engagement bei Zellen aus amorphem Silizium aufgegeben. Doch sie verfolgen einen anderen Fertigungsweg als das Stuttgarter Rekord-Team: Anstatt die Metalle, die sich zum Material CIS vereinigen müssen, im “Eintopfverfahren” in einem einzigen Arbeitsgang aufzudampfen, wählte Siemens Solar einen Drei-Schritt-Prozeß. Kupfer und Indium werden nacheinander als Metallschichten auf den Träger aufgebracht, dann wird das Material in einem nachträglichen “Selenisierungsschritt” zum CIS umgewandelt.
Der Vorteil der Siemens-Solar-Strategie: Die notwendigen Anlagenteile sind teilweise auf dem Markt erhältlich, während die Stuttgarter ihre Beschichtungsanlage selbst entwickeln und extra anfertigen lassen mußten. Der Nachteil: Die Siemens-Entwickler in München und Camarillo haben Probleme, die “Prise Gallium” in ihr Material einzubringen. “Der Siemens-Prozeß ist daher mit rund 15 Prozent Wirkungsgrad auf kleinen Laborzellen heute schon ziemlich ausgereizt, während wir mit Ein-Schritt-Prozeß und Gallium bereits über 17 Prozent liegen”, sagt Hans-Werner Schock.
Es war eine harte Nuß, verrät Bernhard Dimmler, den Metalldampf über 40 Zentimeter Distanz als linearen Vorhang auf die darunter durchlaufenden Platten zu zaubern. Nur durch eine besondere Geometrie der Verdampferquellen gelingt dies. So hütet Dimmler denn auch sorgsam das Geheimnis – und fiebert der Pilotfertigung entgegen.
“Bei CIS ist die Decke noch lange nicht erreicht”, urteilt Prof. Jürgen Werner, Leiter des Stuttgarter Instituts für Physikalische Elektronik.
Die Forscher sehen im Kupfer-Indium-diselenid das gleiche theoretische Potential zu hohen Wirkungsgraden wie im Silizium, womit maximal 24 Prozent realisiert wurden. Für eine großtechnische CIS-Massenproduktion halten sie 15 bis 18 Prozent mittelfristig für erreichbar, “bis in die Gegend von 20”, spekuliert CIS-Experte Schock.
Währenddessen haben die Universitäts-Physiker ein neues Kapitel aufgeschlagen. “Wir werden jetzt die Design-Regeln, die aus der gängigen Silizium-Photovoltaik hervorgegangen sind, auf die CIS-Zellen anwenden”, verrät Jürgen Werner. “Zum Beispiel: die Oberflächen passivieren, an der Rückseite Punktkontakte anstatt flächiger Kontakte anbringen und so weiter – das bringt alles einen Wirkungsgrad-Zuwachs.”
Parallel dazu proben die Stuttgarter Forscher den Auftritt der nächsten Werkstoff-Generation: Dünne Schichten aus kristallinem Silizium wollen Werner und Kollegen auf Glasträgern aufbringen. Ziel dieses Vorhabens sind nicht nur weiter verbesserte Solarzellen, sondern auch Dünnfilm-Transistoren für großflächige Anzeigetafeln und Bildschirme.
Vielleicht werden sie zum Zeitpunkt ihrer Realisierung ja bereits von Strom aus CIS-Solarmodulen gespeist.
Kristallines Silizium: In der Kostenklemme
Die gewohnten, blau schimmernden Solarmodule aus polykristallinem Silizium leiden an einem großen Handicap: ihrem Preis. Standard-Dachmodule liefern unter Idealbedingungen Strom für 1,20 Mark pro Kilowattstunde, fünfmal teurer als aus dem Netz. Die Herstellkosten der Module schlagen auf den Strompreis durch – sie liegen heute bei fünf bis sieben Mark pro installiertem Watt. Denn:
Silizium-Solarzellen müssen Scheibe für Scheibe gesägt und mit Lötkontakten versehen werden. Das ist, zumindest teilweise, handwerkliche Einzelfertigung. Der Silizium-Preis ist in den letzten Jahren ständig gestiegen – seit 1995 um 20 Prozent. Derzeit ist eine nur 10 mal 10-Zentimeter-Scheibe aus multikristallinem “Solar Grade”-Silizium nicht unter 3,80 Mark zu haben (1995: zirka 3 Mark). Der Grund für die Verteuerung: Durch neue Verfahren in der Chip-Fertigung entsteht immer weniger Silizium-Abfall – er war bislang der Rohstoff der Photovoltaik-Industrie. Mittlerweile ist kristallines Silizium so knapp, daß der Bayer-Konzern sich 1997 zur Gründung einer Silizium-Fabrik entschloß. Fertigungskapazität der Bayer Solar GmbH im sächsischen Freiberg für das Jahr 1998: 16 Millionen Siliziumscheiben. Ein Ausweg aus der Kostenklemme könnte darin liegen, polykristallines Silizium als Dünnschichtmaterial einzusetzen – in deutlich weniger als 50 Mikrometer starken Schichten. Am Institut für Physikalische Elektronik der Universität Stuttgart wird intensiv daran gearbeitet.
Amorphes Silizium: Stabilitätsprobleme
Die Solar-Szene war elektrisiert, als sich 1976 erstmals andeutete: Auch mit amorphem – also ungeordnetem, nicht-kristallinem – Silizium sind Solarzellen herstellbar. Statt der Fertigung aus 0,3 Millimeter dickem Kristallmaterial lassen sich wenige Mikrometer dünne Schichten auf Glas, Kunststoff- oder Metallfolie abscheiden – aus gasförmigen Silizium-Wasserstoff-Verbindungen. So groß wie die anfängliche Euphorie war dann die Enttäuschung. Trotz aller Anstrengungen haben die Anhänger des amorphen Siliziums akzeptieren müssen: Fabrikneue Module aus amorphem Silizium bringen derzeit nur etwa zehn Prozent Wirkungsgrad, der binnen des ersten Jahres auf stabile acht Prozent sinkt. Die Ursache: Licht-induzierte Umlagerungsprozesse in der Zelle.
Achselzuckend fanden sich die Manager der Photovoltaik-Firmen, die auf das graue Dünnschichtmaterial gesetzt haben, damit ab. 1997 begann der Bau dreier großer Fertigungsanlagen:
Zehn Megawatt Jahreskapazität, Firma Canon, Japan, Zehn Megawatt Jahreskapazität, Firma Solarex, USA, Fünf Megawatt Jahreskapazität, Joint Venture der Firmen Canon und USSC.
Die Strategie dahinter: “Acht Prozent reichen für Einsatzbereiche wie Hausdächer und Gebäudefassaden. Auch damit läßt sich fünf bis zehn Jahre lang Geld verdienen, bis das nächste Material – vielleicht CIS – in der Massenproduktion ist. Währenddessen sind die Entwicklungskosten und die Investitionen für den Fabrikbau abgeschrieben”, kommentiert Solartechnik-Experte Prof. Gerhard Schumm, der vor kurzem vom Stuttgarter Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung an die Fachhochschule Jena wechselte.
Thorwald Ewe
