Forscher des ZSW in Stuttgart haben mit 22,6 Prozent einen neuen Rekord für eine CIGS-Laborzelle erreicht. Sie haben dazu vor allem am Produktionsprozess selbst geschraubt. Zusammen mit Manz soll der Rekord jetzt in die Massenfertigung übertragen werden.
Forscher des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) haben einen neuen Laborrekord für CIGS-Dünnschichtsolarzellen aufgestellt. Die Stuttgarter erreichen mit ihrer neuen Zelle eine Effizienz von 22,6 Prozent auf einer Fläche von 0,5 Quadratzentimeter. Sie schaffen das mit Verbesserungen im Herstellungsverfahren. Zum einen haben sie die Halbleiterschichten in einer modernen Laborbeschichtungsanlage mit Hilde eines Ko-Verdampfungsverfahrens erreicht. Dabei werden jeweils zwei Halbleitermaterialien gleichzeitig aufgedampft. Dabei bildet sich ein Teppich aus den Halbleiterkristallen, die dadurch nur wenige Defekte aufweisen. Zum anderen haben die Stuttgarter Wissenschaftler den Prozess der Alkali-Nachbehandlung der CIGS-Oberfläche grundlegend optimiert, um so noch mehr aus der Zelle herauszuholen.
Effizienzsteigerung geht schneller
Mit dem neuen Wirkungsgrad holen die Forscher den Rekord wieder nach Stuttgart. Vor einem halben Jahr mussten sie ihn an ihre Kollegen vom japanischen Modulhersteller Solar Frontier abgeben, der 22,3 Prozent auf einer Laborzelle erreichte. Geht es in diesem Rhythmus weiter, werden die Forscher und Hersteller den Wirkungsgrad für CIGS-Dünnschichtzellen in wenigen Jahren bis auf 25 Prozent treiben. Schon jetzt kratzen sie an der Effizienz kristalliner Solarzellen, die aufgrund ihres hohen nominellen Wirkungsgrades bisher am weitesten verbreitet sind und den Photovoltaikmarkt dominieren. Die Stuttgarter stellen klar, dass die Wirkungsgrade der CIGS-Dünnschichtzellen in den letzten drei Jahren schneller gestiegen sind als in den 15 Jahren zuvor. Konnten die Forscher bis 2013 durchschnittlich die Wirkungsgrade jedes Jahr um 0,1 Prozent erhöhen, erreichen sie inzwischen 0,7 Prozent Wirkungsgradsteigerung pro Jahr.
15 Prozent in der Massenfertigung
Die Stuttgarter wollen aber auch in der Massenfertigung die kristalline Siliziumkonkurrenz schlagen. Noch immer ist der Wirkungsgradunterschied zwischen Laborzelle und großen Modul von der Produktionslinie hoch. Doch mit 15 Prozent kommen die besten CIGS-Module schon sehr nahe an die Wirkungsgrade der durchschnittlichen polykristallinen Siliziummodule mit einer Effizienz von etwa 17 Prozent. An der Umsetzung des jüngsten Rekords in der Produktion arbeiten die Forscher des ZSW jetzt mit dem Reutlinger Maschinenhersteller Manz zusammen.
Skalierungseffekte schon bei geringem Volumen
Bei den Produktionskosten haben sich beide Technologien bereits angeglichen und liegen derzeit bei etwa 40 Dollarcent pro Watt, betonen die Forscher vom ZSW. Die CIGS-Dünnschicht hat dabei mehrere Vorteile – sowohl in der Herstellung als auch bei der Stromproduktion. Den auf der einen Seite sind sie unempfindlicher gegenüber steigenden Außentemperaturen und kommen besser mit Schwachlicht zurecht. Das gleicht schon mal den gerignfügig niedrigeren Wirkungsgrad aus. Auf der anderen Seite sind die Kostensenkungen in der Produktion schneller zu erreichen als in der kristallinen Siliziumphotovoltaik. Denn die Skalierungseffekte stellen sich bereits bei einem geringeren Produktionsvolumen ein als in der Siliziumphotovoltaik. (Sven Ullrich)
