Die Solarbranche boomt. Seit Jahren verzeichnet der Solarmarkt weltweit überdurchschnittliche Zuwachsraten: Das durchschnittliche Jahresplus der Photovoltaikbranche beträgt fast 35 Prozent.
Die visuelle Prüfung eines CIS-Moduls bei Würth Solar. Die CIS-Technologie in der Anwendung bei einem Wohnhaus.
Die Nutzung der Sonnenenergie verspricht beste Zukunftschancen, denn die als Licht auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie ist fast 10.000 Mal höher als der Primärenergieverbrauch der Menschheit. Die Sonne sendet in 30 Minuten mehr Energie auf die Erde, als alle Menschen zusammen in einem Jahr verbrauchen. In Deutschland beträgt die eintreffende Strahlungsmenge jährlich 900 bis 1.200 Kilowattstunden pro Quadratmeter, was in etwa dem Brennwert von 100 Litern Heizöl entspricht.
Um die Sonnenenergie in Strom umzuwandeln bedarf es Solarzellen, die zu Solarmodulen verbunden werden. Jede Solarzelle besteht aus einem Grundmaterial, das durch Bearbeitung mit anderen Materialien, den so genannten Dotierungen, in zwei Gebiete mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften eingeteilt wird. Treffen darauf Sonnenstrahlen, entsteht zwischen den beiden unterschiedlich dotierten Schichten ein elektrisches Feld. Dabei spielen die Halbleiter eine entscheidende Rolle – und hierbei gibt es große Unterschiede.
Ein Überblick über die verschiedenen Solartechnologien Solarzellen, die die physikalischen Eigenschaften des indirekten Halbleiters Silizium nutzen, werden bereits seit Ende der 50er Jahre gebaut und verkauft. Im Laufe der Jahre haben sich unter verschiedenen Varianten zwei Formen durchgesetzt, die aktuell den Photovoltaikmarkt weitestgehend bestimmen:
51,6 Prozent aller Solarmodule weltweit arbeiten mit polykristallinem Silizium als Absorber (polykristallines Silizium besteht im Gegensatz zu monokristallinem Silizium aus Scheiben, die nicht überall die gleiche Kristallorientierung aufweisen), 36,4 Prozent mit monokristallinem Silizium (diese werden aus so genannten Wafern, also einkristallinen Siliziumscheiben hergestellt). Zusammen mit weiteren technologischen Varianten summiert sich der Anteil von Solarmodulen mit Siliziumbasis auf rund 90 Prozent des gesamten Photovoltaikmarktes. Solarmodule, die auf den Halbleiter Silizium setzen, sind technologisch aufgrund der jahrelangen Forschungsarbeit weitestgehend ausgereift: der Wirkungsgrad ist stabil, die Energieausbeute bringt befriedigende Ergebnisse. Solarmodule auf Siliziumbasis haben jedoch aufgrund des notwendigen hohen Ressourceneinsatzes bei der Herstellung kaum Potenzial, die Produktionskosten weiter zu senken.
Aktuell ist zudem die Nachfrage nach Solarmodulen sehr hoch und übersteigt das vorhandene Angebot deutlich. Verantwortlich dafür ist der derzeitige Mangel am teuren Rohstoff Silizium.
Die Alternative zu Siliziumsolarmodulen: die CIS-Technologie Aufgrund des Engpasses von Silizium rückt eine noch junge, alternative Technologie vermehrt in den Fokus der Aufmerksamkeit, da sie kein Silizium zur Stromgewinnung aus Sonnenlicht benötigt: die CIS-Technologie. Die Halbleiterfunktion des knappen Rohstoffes ersetzt dabei eine unterschiedlich dotierte Kupfer-Indium-Diselenid-Verbindung. Die Anfangsbuchstaben der Elemente ergeben den Namen der Technologie - CuInSe2. Im Gegensatz zu siliziumbasierten Solarzellen, die aufgrund des indirekten Halbleiters Silizium eine Schichtdicke von mindestens 120 µm und mehr aufweisen müssen, um Licht ausreichend stark zu absorbieren, reichen der CIS-Technologie 2 µm – also eine Schichtdicke, die 50-mal dünner ist als ein menschliches Haar. Möglich ist dies, da die Dreistoffverbindung der CIS-Technologie physikalisch betrachtet eine direkte Halbleiterverbindung ist. Die CIS-Technologie gehört aufgrund der sehr dünnen Halbleiterschicht zur so genannten Gruppe der Dünnschichttechnologien. Neben der CIS-Technologie gibt es weitere Dünnschicht-Varianten, die zum Teil auch Silizium als Halbleiter einsetzen, beispielsweise Solarzellen auf Basis von amorphem Silizium.
Viele Vorteile von CIS: Silizium-frei, geringer Ressourcenverbrauch, hoher Energieertrag Ein zentraler Vorteil der CIS-Technologie gegenüber den traditionellen Solarmodulen ist neben dem Verzicht auf Silizium ein wesentlich beschleunigter Herstellungsprozess, denn im Gegensatz zu Siliziumsolarmodulen wird bei der CIS-Technologie das Trägermaterial (aktuell Glas) mit der Dreistoffverbindung bedampft. Ähnlich dem Beschlagen einer Glasscheibe durch menschlichen Atem ist die so aufgetragene Halbleiterschicht beinahe verschwindend dünn. Ein weiterer Vorteil der CISTechnologie: im Gegensatz zur traditionellen Solarzelle fällt wesentlich weniger Energieaufwand in der Herstellungskette an. Neben den unsichtbaren, technischen Vorteilen bestechen CIS-Solarmodule auch optisch: Die einheitlich schwarze Farbe der CIS-Module mit ihrer modernen Nadelstreifenoptik zeigt neue ästhetische Horizonte. So werden CIS-Module nicht nur klassisch aufs Dach geschraubt, sondern auch in Gebäudefassaden integriert. Dabei eröffnen CIS-Module eine ganze Palette an architektonischen Anwendungsmöglichkeiten:
Variationen wie Semitransparenz oder Individualisierung der Module durch Bedruckung, beispielsweise mit Logos, bieten Architekten interessante Möglichkeiten in ihren Planungen. Auch in Sachen Energieertrag punkten CIS-Module, denn sie sind in der Lage, auch bei diffusem Licht – also beispielsweise bei schlechtem Wetter – gute Erträge zu erwirtschaften. Selbst bei teilweiser Abdunklung, zum Beispiel durch aufliegende Schneelast, erzeugen CIS-Module im Gegensatz zu Siliziumvarianten mit der freibleibenden Fläche des Moduls noch Strom.
Würth Solar: Weltweit erstmals Großserienproduktion mit CIS-Modulen Bisher liegt der weltweite Anteil der Dünnschichtmodule an den Solarmodulen noch deutlich unter zehn Prozent, CIS-Solarmodule machen dabei weniger als ein Prozent aus. Dies hat damit zu tun, dass die Technologie noch sehr jung ist und bisher meist nur in Pilotlinien gefertigt wurde. Branchenkreise sagen der CIS-Technologie, nicht zuletzt aufgrund der geschilderten Vorteile, eine verheißungsvolle Leistungssteigerung voraus und bezeichnen die CIS-Technologie als die „Technologie der Zukunft“.
Bei Würth Solar beginnt die Zukunft aber schon heute, denn das Unternehmen startet im Herbst 2006 als weltweit erstes Unternehmen mit der Serienproduktion von CIS-Modulen. Vor diesem Hintergrund geht Würth Solar davon aus, Mitte des nächsten Jahrzehnts rund drei bis fünf Prozent des Dünnschichtmarktes zu beherrschen.
Würth Solar ist weltweit das einzige Unternehmen, das alle drei Elemente in einem einzigen Arbeitsschritt auf das Trägermaterial aufdampfen kann. Die Grundlagen dieser Technologie wurden vor rund 30 Jahren in Deutschland zunächst vom Institut für Physikalische Elektronik (ipe) der Universität Stuttgart erforscht. Darauf aufbauend entwickelte das „Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg“ (ZSW) in Stuttgart die entsprechende Produktionstechnologie im Labormaßstab weiter. Würth Solar arbeitet seit der Gründung im Jahr 1999 intensiv an der CIS-Technologie selbst sowie der Qualifizierung der Produktionstechnologie bis hin zur Großserienreife. Um mit CIS-Modulen wettbewerbsfähig zu werden sind zwei Punkte von zentraler Bedeutung: ein hoher Wirkungsgrad der Module sowie eine hohe Prozessausbeute. Nach sieben Jahren intensiver, gemeinsamer Forschung mit dem ZSW erreichte die Pilotlinie von Würth Solar 2005 die Zielvorgaben, die einen Beginn einer Großserienproduktion wirtschaftlich wie technologisch rechtfertigen: der durchschnittliche Wirkungsgrad stabilisierte sich auf einem Niveau von über 11 Prozent und die Linienausbeute pendelte sich auf einem Wert von über 80 Prozent ein.
CIS-Solarmodule von Würth Solar sind hinsichtlich des Wirkungsgrades mit Silizium-Modulen vergleichbar und haben beim Thema Energieerträge sogar einen Mehrwert zu bieten. Rosige Aussichten, steht doch die CIS-Technologie gegenüber der Siliziumtechnologie erst am Anfang des Forschungszyklus.
Es ist davon auszugehen, dass sowohl der Wirkungsgrad als auch die Energieausbeute durch weitere Forschungserfolge verbessert und gleichzeitig die Herstellungskosten durch die Serienproduktion minimiert werden können. Damit haben CIS-Module die besten Voraussetzungen, die vom Markt vorgegebenen fünf Prozent Kosteneinsparungen pro Jahr auch auf lange Sicht umsetzen zu können. In der neu errichteten CISfab in Schwäbisch Hall geht Würth Solar als weltweit erstes Unternehmen der Solarbranche mit CIS-Modulen in die Großserienproduktion. Würth Solar geht davon aus, dass schon 2007 die geplante Jahreskapazität von 14,8 MW erreicht wird und 200.000 Module vom Band laufen werden.