Nach mehr als 40 Jahren kommt Dieter Bonnet jetzt wohl doch noch ins Ziel. So lange arbeitet der Wissenschaftler nun schon daran, Dünnschichtmodule auf Basis von Cadmiumtellurid in Großserie zu fertigen. „Cadmiumtellurid ist physikalisch gesehen das beste Halbleiter-Material für die Dünnschichtphotovoltaik“, ist Bonnet überzeugt – daran hatte er in der langen Zeit seiner Tätigkeit in Forschungsinstituten und in der Privatwirtschaft nie einen Zweifel.
Dabei hätte er dazu allen Anlass gehabt. 1993 gründete er mit Michael Harr im thüringischen Arnstadt die Firma Antec Solar. Das war „die weltweit erste vollautomatische Fabrik für Cadmiumtellurid-Module“, sagt er. „Und zwar mit Taktzeiten, von denen andere Dünn schichttechnologien nur träumen können.“ Die Anlage kam auf einen Durchsatz von jährlich zehn Megawatt. „Da haben wir gezeigt, dass es geht“, sagt Bonnet. Doch gerade als sich das Unternehmen anschickte, den Markt aufzumischen, kam den Cadmiumtellurid-Pionieren ein Finanzproblem in die Quere: Die Banken zogen 2002 ihre Bürgschaften zurück, als einer der Gesellschafter in Geldnot kam. Dies bedeutete das Aus für Antec Solar.
Ganz anders verlief die Geschichte von First Solar. Das Unternehmen ist der Platzhirsch für Module aus Cadmiumtellurid und hat mit einem Marktanteil von über 90 Prozent fast eine Monopolstellung inne. Auch bezogen auf die gesamte Solarzellenproduktion – kristallin wie Dünnschicht – führt das Unternehmen den Markt mit großem Abstand an: Laut den Analysten von iSuppli kam First Solar 2009 mit einer Produktion von 1,1 Gigawatt auf einen Marktanteil von fast 13 Prozent. Dahinter folgen dicht gedrängt Suntech, Sharp und Q-Cells mit jeweils sechs bis sieben Prozent.
Die Erfolgsgeschichte von First Solar zeigt: Anders als die anderen Dünnschichttechnologien hat die Cadmiumtellurid-Technologie ihre Bewährungsprobe also schon bestanden; sie funktioniert, und die Produktion ist – zumindest im Prinzip – sehr kostengünstig. Manche Analysten sehen diese Module deshalb schon als Standardbauteile auch für kleinere Dächer. Umso schmerzhafter muss die Antec-Solar-Pleite für Bonnet gewesen sein. Doch jetzt mischt er indirekt wieder mit. Denn wo andere verzweifeln würden, fing er im stolzen Alter von 69 Jahren noch einmal neu an: Gemeinsam mit Harr gründete der promovierte Physiker 2007 die CTF Solar. Das Unternehmen sollte das fortsetzen, was mit der Insolvenz von Antec Solar ein jähes Ende fand. Im Februar 2009 wurde das neue Unternehmen dann vom Photovoltaikausrüster Roth & Rau übernommen.
Ein Glücksfall für Bonnet, wird der neue Eigner doch vollenden, was für den Physiker 1968 mit einem Projekt der Deutschen Gesellschaft für Weltraumforschung begann: Roth & Rau hat mit der Technologie und dem Know-how der CTF Solar – bei der Bonnet als Berater und Harr als Technischer Leiter an Bord geblieben sind – eine schlüsselfertige Cadmiumtellurid-Produktionsanlage mit einer Jahreskapazität von 80 Megawatt entwickelt. „Wir sind weltweit die Einzigen, die Cadmiumtellurid-Equipment anbieten können“, sagt Silvia Roth, Mitgründerin und Vice President des Unternehmens aus Ostdeutschland.
Solche Fabriken von der Stange gibt es für die siliziumbasierte Dünnschicht bereits seit einigen Jahren. Und mit Centrotherm hat ein Ausrüster jüngst auch eine Fertigungslinie für Kupfer-Indium-Dünnschichtmodule auf den Markt gebracht (siehe photovoltaik02/2010). Die Hersteller von Cadmiumtellurid- Modulen dagegen müssen ihre Anlagen bislang selbst entwickeln – ein zentraler Grund dafür, dass die Zahl der Produzenten heute sehr überschaubar ist. Es gibt bislang als einzigen nennenswerten Mitbewerber zu First Solar nur den US-amerikanischen Hersteller Abound Solar, der im letzten Jahr in Colorado eine 200-Megawatt-Fabrik in Betrieb genommen hat, sowie einige kleinere Player. Dazu zählen die Q-Cells-Tochter Calyxo sowie Prime Star Solar aus den USA. Eine Turnkey-Anlage ist für Investoren also besonders interessant. Daraus könnte First Solar nicht ein, sondern viele Wettbewerber entstehen.
Groß bedeutet günstig
Das Herzstück der Anlage von Roth & Rau ist die Abscheidekammer, in der das Cadmiumtellurid aufgetragen wird. Sie unterscheidet sich, laut Roth, technologisch kaum von der, die First Solar verwendet. Wie das US-Unternehmen lässt sich Roth & Rau beim Bau der Beschichtungssysteme vom Dresdener Anlagentechnikhersteller Von Ardenne unterstützen. Die Entwicklung lag jedoch vollständig bei Roth & Rau.
Wie auch First Solar hat sich Roth & Rau gegen das Abscheiden von Cadmiumtellurid auf das Substrat mittels Sputtern entschieden, das bei Kupfer-Indium-Zellen angewandt wird und bei dem das Material mit einem energiereichen Ionenstrahl aus einem Festkörper geschlagen wird. „Sputtern wäre technisch möglich, die Wachstumsraten sind jedoch außerordentlich klein, so dass der Prozess sehr lange dauern würde“, sagt Michael Harr von CTF Solar. „Das CSS-Verfahren, das wir gewählt haben, zeichnet sich dagegen durch eine hohe Abscheiderate aus.“ Bei diesem Verfahren wird Cadmiumtellurid erhitzt, so dass es verdampft und sich dann auf dem etwas kälteren Substrat niederschlägt. „Auf diese Weise können wir eine sehr gleichmäßige Schicht erzeugen“, sagt Harr.
Auch First Solar verwendet einen solchen Prozess, der sich im Detail jedoch ein klein wenig unterscheidet: „Sie nutzen ein Verfahren, bei dem das Material über einen Gasfluss auf die Scheiben gelenkt wird“, erläutert Harr. Möglicherweise waren es weniger technische als rechtliche Gründe, die dafür sorgten, dass First Solar nicht exakt das gleiche Vorgehen gewählt hat: „Als sich First Solar für ein Verfahren entscheiden musste, war unser Verfahren schon in der Patentierung. Aber ob dies tatsächlich der Grund war, weiß ich nicht“, erklärt Michael Harr.
So liegt der wichtigste Unterschied auch nicht in der Abscheidetechnologie, sondern in der Modulgröße: Die Produkte aus der Roth-&-Rau-Fabrik sind mit 1,20 mal 1,60 Metern mehr als doppelt so groß wie die von First Solar. Sie messen 1,20 mal 0,6 Meter. Eine Größe, die nach Meinung von Bolko von Roedern, Wissenschaftler am US-amerikanischen National Renewable Energy Laboratory (NREL), in der Fertigung sehr anspruchsvoll ist: „Eine Herausforderung liegt darin, dass die Halbleiterbeschichtung sehr homogen sein muss. Eine andere ist, die optimale Dicke für die Cadmiumsulfidschicht zu finden. Ist sie zu dick, gibt es einen Verlust auf der blauen Seite des Spektrums. Ist sie zu dünn, wird es schwierig, einen einheitlich guten Zellertrag zu erzielen.“ Zudem steige mit der Größe die Gefahr des Glasbruchs, so von Roedern. „Aber die Erfahrungen mit großformatigen Modulen auf Siliziumbasis zeigen: Die Probleme sind lösbar, wenn genug Ressourcen in deren Lösung investiert werden“, zeigt sich der Experte optimistisch.
Mit der Inbetriebnahme der Anlage soll der Wirkungsgrad der Module zunächst bei neun Prozent liegen. „Wir rechnen aber damit, dass wir nach der Ramp-up-Phase einen Wirkungsgrad von zehn Prozent erzielen werden“, sagt Roth. Damit käme der Anlagenbauer in die Nähe der First-Solar-Module, deren Flaggschiff laut aktueller Messungen des NREL einen Wirkungsgrad von elf Prozent erreicht. Von Roedern hält diese Ankündigung im Prinzip für realistisch: „Zehn Prozent sind grundsätzlich zu schaffen. Wie lange das dauert, hängt allerdings von den Ressourcen und von der Expertise ab, die dort hineingesteckt werden.“ Dirk Morbitzer, Managing Director des internationalen Analystenhauses Renewable Analytics, ist gleicher Meinung: „Ich sehe keinen Grund, warum Roth & Rau mit seiner Fabrik nicht einen ähnlichen Wirkungsgrad wie First Solar erzielen sollte.“ Morbitzer schränkt jedoch ein: „Allerdings darf man dabei nicht das einzelne Modul zugrunde legen, sondern muss die Stabilität der Produktion als Ganzes betrachten. Alle Module müssen gleiche Effizienzen aufweisen.“ Verglichen mit Kupfer-Indium-Dünnschichtprodukten sind zehn Prozent nicht allzu viel, diese liegen bei rund zwölf Prozent. Kristalline Module erzielen gar 13 bis 18 Prozent. Allerdings liefern die Cadmiumtellurid-Produkte auch bei diffuser Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen einen guten Ertrag. Und sie sind gemessen an der Leistung unschlagbar billig – zumindest in der Produktion von First Solar: Das Unternehmen konnte im vierten Quartal 2009 die Gesamtkosten pro Watt auf 0,84 Dollar reduzieren; im Vorjahresquartal betrugen sie noch 0,98 Dollar. First-Solar-Präsident Bruce Sohn geht davon aus, dass die Kosten bis 2014 sogar auf 0,53 bis 0,62 Dollar pro Watt sinken werden. Zum Vergleich: CIS/CIGS-Module wie auch kristalline Module liegen heute bei etwa 1,60 Dollar; siliziumbasierte Dünnschichtmodule sind etwas günstiger. Konkrete Zahlen zu den Wattkosten der eigenen Cadmiumtellurid-Module will Silvia Roth noch nicht nennen.
Messlatte First Solar
Das Ziel ist aber ambitioniert: „Unser Benchmark ist natürlich First Solar. Wir glauben, dass wir kostenseitig in diese Größenordnung kommen werden, wenn die Fabrik den Zieldurchsatz erreicht hat.“ Die Kunden sollen ihre Module auch bei einer Jahresproduktion von 80 Megawatt zu sehr niedrigen Kosten produzieren können. Endkunden sollen zudem von der XXL-Größe der Module profitieren: „Ein Benefit liegt auf der Installationsseite, denn mit größeren Modulen ist der Aufwand für die Installation und die Verkabelung geringer“, meint Roth.
Henning Wicht, Senior Director beim Analystenhaus iSuppli, bezweifelt allerdings, ob es Roth & Rau tatsächlich gelingt, in absehbarer Zeit bei den operativen Kosten mit First Solar mitzuhalten – vor allem, weil er nicht daran glaubt, dass sich der Ausrüster beim Wirkungsgrad schon bald mit First Solar wird messen können. „First Solar hat einen Vorsprung von etwa drei oder vier Jahren. Sie haben es geschafft, die Effizienz der Module jedes Jahr um ein halbes Prozent zu verbessern. Und diese Effizienzsteigerung sorgt natürlich für niedrigere Kosten pro Watt“, sagt Wicht in Bezug darauf, dass First Solar allein durch das Produktionsvolumen von mehr als einem Gigawatt Kostenvorteile erzielt. Auch Morbitzer hält den Umfang der Produktion für entscheidend für die Kosten pro Watt: „Mit einer einzelnen 80-Megawatt-Fertigungslinie ist das nicht zu schaffen.“ Grundsätzlich sei es aber schon möglich, Module zu ähnlich niedrigen Kosten wie First Solar herzustellen, betont der Analyst.
Zu welchem Preis die Roth-&-Rau-Fertigungslinie tatsächlich produzieren kann, wird eine Musterfabrik in Brandenburg zeigen, die demnächst errichtet werden soll. Auf 18 Monate ist die Ramp-up-Phase angesetzt. Für deren Bau und Betrieb wurde ein Partner aus China mit ins Boot geholt, der 51 Prozent an der Referenzlinie halten soll.
Erster Kunde aus China
Los geht es, sobald die letzten Genehmigungen vorliegen. Geplant ist, dass der Partner zusammen mit Roth & Rau Fertigungsstätten für Cadmiumtellurid-Module in China baut. An diesen kann sich der Photovoltaikausrüster dann mit 32 Prozent beteiligen. „Diese Partnerschaft ist für Roth & Rau eine gute Sache, weil sie zum einen zeigen können, dass sie bereits einen Kunden für ihre Fabrik gewonnen haben. Zum anderen können sie darüber den chinesischen Markt bedienen“, erklärt Wicht.
In China sollen in den nächsten Jahren zahlreiche Freiflächenanlagen entstehen, für die Cadmiumtellurid-Module wegen der niedrigen Kosten sehr gut geeignet sind. Der chinesische Partner ist Roth & Rau auch deswegen willkommen, weil er helfen soll, die Wattkosten zu drücken, denn: „Unser Partner kommt von der Materialseite“, sagt Roth. Als Rohstofflieferant soll er den Kostenvorteil wettmachen, den First Solar durch günstige Einkaufspreise erzielt. Denn das Beschaffungsvolumen des US-Herstellers ist sehr groß, so dass er sehr günstige Materialpreise aushandeln kann.
Unbekannte Größe
Und wer ist der Partner aus China? Möglicherweise der Rohstofflieferant Sichuan Apollo Solar aus dem zentralchinesischen Chengdu, der Abbaurechte für zwei große Tellurvorkommen in China besitzt und der zudem momentan daran arbeitet, eine eigene Cadmiumtellurid-Modulproduktion aufzubauen. Ende letzten Jahres hat das Unternehmen in Chengdu den Testbetrieb einer Fünf-Megawatt-Fabrik aufgenommen, deren Kapazität laut dem Informationsdienst Chinanews in den nächsten drei Jahren auf 500 Megawatt ausgebaut werden soll – immerhin fast die Hälfte dessen, was First Solar im vergangenen Jahr produziert hat. Um dieses überaus ehrgeizige Ziel zu erreichen, benötigt der Rohstofflieferant einen kompetenten, starken Technologie-Partner. Mit seiner Cadmiumtellurid-Fertigungslinie wäre Roth & Rau ein solcher für Sichuan Apollo Solar. Auch ein Vorgang aus dem Januar 2009 stützt die Vermutung: Damals unterzeichnete die einige Wochen später von Roth & Rau übernommene CTF Solar eine Absichtserklärung, nach der sich ein chinesisches Bergbauunternehmen im Zuge einer Kapitalerhöhung an dem Unternehmen beteiligen wolle. Zu der Beteiligung kam es dann aber nicht mehr. Dieses Bergbauunternehmen verfüge in China über eines der weltweit größten erschlossenen Vorkommen von Tellur, meldete CTF Solar damals. Da es kaum Tellur-Lagerstätten in China außer den beiden im Besitz von Sichuan Apollo Solar gibt, bestätigt die Erklärung die These, Sichuan Apollo Solar sei der Partner. Roth wollte sich zu den Spekulationen nicht äußern. Auch Sichuan Apollo Solar schwieg zu den Fragen der photovoltaiknach einer Beteiligung an dem Joint Venture.
Zum echten Modulhersteller will Roth & Rau mit der Beteiligung an Produktionsstätten in China allerdings nicht werden. „Das ist als Return unseres Investments gedacht. Irgendwann werden wir da sicher wieder aussteigen“, erklärt Roth. Das Kerngeschäft bleibt der Vertrieb der Fertigungslinien: „Es gibt keine Exklusivität mit dem Joint-Venture-Partner, wir wollen die Fabrik auch an andere verkaufen.“ Eine Chance für branchenfremde Investoren, auf dem Dünnschichtmarkt Fuß zu fassen – so wie vor einigen Jahren bei der siliziumbasierten Dünnschicht, als Ausrüster wie Applied Materials oder Oerlikon Solar mit Fertigungslinien auf den Markt kamen? Analyst Wicht hält dieses Szenario für Regionen mit viel Platz für Freiflächenanlagen und zugleich einer hohen Globalstrahlung durchaus für realistisch: „Wenn die Referenzlinie steht und die Zahlen stimmen, wird es beispielsweise in Nordafrika oder der Türkei sicher Firmen geben, die sagen: Das können wir auch.“ Rund 90 Millionen Euro müssen Unternehmen für die 80-Megawatt-Fertigungslinie auf den Tisch legen. Ein Preis, der Unternehmen den Eintritt in den Markt relativ einfach machen könnte, liegen die Investitionskosten damit um etwa 30 Prozent unter denen einer vergleichbaren Anlage für amorphes Silizium. Spezielles Cadmiumtellurid-Know-how ist für den Betrieb der Fabrik nicht zwingend nötig, meint Silvia Roth: „Je mehr erfahrene Leute ich habe, desto schneller bringe ich die Fabrik zum Laufen und desto früher stellt sich die Qualität ein. Aber prinzipiell kann ich auch als Neueinsteiger mit einer Turnkey-Linie in einer vernünftigen Zeit zum Ziel kommen, wie die Erfahrungen aus dem Siliziumbereich zeigen.“ Henning Wicht bestätigt das: „Das funktioniert im Grundsatz, weil Roth & Rau wie jeder andere Turnkey-Anbieter ja garantieren muss, dass die Anlage zum Zeitpunkt der Übergabe definierte Ziele bei Modulqualität, Durchsatz und Ausschuss erreicht.“
Was die Zukunft bringt
Ob es Roth & Rau mit seiner Fabrik gelingt, die Verhältnisse auf dem Cadmiumtellurid-Markt in den nächsten Jahren grundlegend zu verändern, ist jedoch zweifelhaft. „First Solar wird auch in vier Jahren noch zwischen 80 und 90 Prozent Marktanteil haben“, erwartet Wicht. Schon allein, weil die Investoren erst einmal die Erfahrungen aus der Musterfabrik in Brandenburg abwarten werden, so Wicht. Auch Silvia Roth hält den Ball flach: „Bevor sich die Leute entscheiden, schauen sie erst mal, ob wir dahin kommen, wo First Solar heute schon steht“, sagt die Unternehmerin. Angesichts einer Ramp-up-Phase von 18 Monaten wird es wohl mindestens drei Jahre dauern, bis andere Hersteller mit der Roth-&-Rau-Fabrik Cadmiumtellurid-Module in Großserie produzieren.
Auf längere Sicht könnte Roth & Rau mit seiner Fabrik durchaus am Thron von First Solar wackeln. Nicht nur, weil der Ausrüster anderen Solarunternehmen und branchenfremden Investoren den Weg in den Cadmiumtellurid-Markt ebnet. Sondern auch, weil Roth & Rau mit seiner Strategie ein Modell für andere Ausrüster sein könnte: „Es ist reine Spekulation – aber es wäre durchaus möglich, dass bei Calyxo oder Primestar Solar das Gleiche passiert wie bei CTF Solar: dass Anlagenhersteller, die etwas von Beschichtungen verstehen, das Know-how von Calyxo oder Primestar Solar kaufen, um dann selber Cadmiumtellurid-Turnkey-Anlagen zu bauen“, sagt Henning Wicht von iSupply.
Den Weg ebnen
Auch Renewable-Analytics-Chef Dirk Morbitzer glaubt, dass andere PV-Ausrüster diesen Weg einschlagen. Er sieht die Q-Cells-Tochter Calyxo als möglichen Übernahmekandidaten: „Angesichts der derzeitigen Situation bei Q-Cells halte ich es für nicht ausgeschlossen, dass ein anderer Anlagenhersteller das Vorgehen von Roth & Rau kopiert und Calyxo übernimmt, um eine eigene Fertigungslinie zu entwickeln.“ Allerdings ist nicht absehbar, ob Calyxo derzeit eher eine Belastung oder ein positiver Vermögenswert wäre. Das hängt davon ab, wie weit Calyxo von einer Marktreife entfernt ist.
Von dem Vorsprung von First Solar sollten sich die Wettbewerber keine Angst einjagen lassen, meint Cadmiumtellurid-Wegbereiter Dieter Bonnet. Der Photovoltaikmarkt biete ausreichend Platz für viele verschiedene Hersteller: „Das ist anders als beim Pferderennen, wo nur einer als Erster durch das Ziel gehen kann.“
