Nachteile der CIS-Dünnschichtphotovoltaik

Sofern es um starre Glasmodule geht, verfügt die CIS-Dünnschichtphotovoltaik im Vergleich mit den waferbasierten Technologien über keinen relevanten Vorteil. Anders als vielfach öffentlich verlautbart sind mehrere schwerwiegende Nachteile zu benennen:

Siliziumscheiben sind sehr dünn, jedoch immerhin so stark, dass sie sich von selbst tragen. Man kann sie in die Hand nehmen und verbiegen, wie etwa eine Aluminiumfolie. Praktisch beliebig viele Wafer können zu einem Solarmodul verschaltet werden. Dünnschichtzellen hingegen benötigen einen Träger wie Glas, Stahl oder Kunststoff. Man kann sie sich wie eine Rußschicht vorstellen die entsteht, wenn man Glas über ein Feuer hält.

Bisher wurden CIS-Solarmodule hauptsächlich in der sogenannten Glas-Glas-Bauweise angeboten, da die Prozesse teilweise bei Temperaturen bis über 500 ˚C ablaufen. Die Zellen werden auf der Modulrückseite, dem sogenannten Substrat, aufgebracht, dann versiegelt und schließlich mit dem Frontglas abgedeckt. Da das Modul mit den Zellen untrennbar verbunden ist, spricht man auch von einer monolithischen Bauweise.

In der Branche wird teilweise von "Glasveredelung" gesprochen, angeblich wird normales Fensterglas "bedampft" und verwandelt sich somit auf wundersame Art und Weise in ein Solarmodul. Allein das Vokabular beschreibt die tatsächlichen Schwierigkeiten einer Serienfertigung nicht annähernd zutreffen. Tatsächlich ist die Herstellung derartiger Halbleiter sowie weiterer benötigter Schichten auf größeren Flächen eine enorme Herausforderung. Man kann die monolithische Bauweise elegant finden, aus ökonomischer Sicht ist das Prinzip jedoch ein klarer Nachteil, da die Fertigung der Zellen und Module nicht getrennt voneinander optimiert werden können.

Damit die Produkte in immer gleicher Qualität hergestellt werden können, müssen industrielle Herstellungsverfahren genau definiert und qualifiziert sein. Erst wenn bekannt ist, welche Variablen wie zusammen wirken und die entscheidenden Variablen kontrolliert werden, kann ein bestimmtes Ergebnis garantiert werden. Schließlich muss ein Industriebetrieb eine immer gleiche Leistung täglich vielfach erbringen.

Entsprechend befassen sich ganze Berufgruppen mit den Problemen der Definition und Umsetzung von Herstellungsverfahren. Beteiligt sind beispielsweise Verfahrenstechniker, Chemieingenieure oder Statistiker für die laufende Prozesskontrolle. Dennoch kann nicht jeder Wunsch erfüllt werden. Nicht jedes Verfahren, das im Labor in Handarbeit zu bestimmten Ergebnissen führt, kann in die industrielle Praxis übertragen werden.

So war es auch mit den meisten Verfahren für CIS-Solarmodule. Ein entscheidendes Kriterium ist die sogenannte Robustheit der Prozesse. Ein Herstellungsverfahren ist tauglich, wenn unvermeidliche Schwankungen das Ergebnis nur unwesentlich beeinflussen. Bei empfindlichen Prozessen können schon Veränderungen der Raumtemperatur oder geringe Qualitätsminderungen der eingesetzten Materialien zu unbrauchbaren Ergebnissen führen.

Die Robustheit kann objektiv mit statistischen Verfahren, der sogenannten statistischen Prozesslenkung (SPC), festgestellt werden. Bei einem robusten Prozess sind wichtige Parameter, wie die Standardmodulleistung im Fall von Solarmodulen, "normal" verteilt. Prozesse, die ein nicht "normal" verteiltes Ergebnis liefern, sind in der Regel für den industriellen Einsatz nicht geeignet. Außerdem sollte die Schwankungsbreite, die gleichfalls statistisch messbar ist, möglichst gering sein.

Die Fertigung von Siliziumwafern beruht zum großen Teil auf bewährten Verfahren, die auch in der Halbleiterindustrie angewendet werden. Diese Verfahren sind robust und gut kontrollierbar.

Vorliegende Daten von Dünnschichtmodulherstellern zeigen hingegen, dass die Grundvoraussetzungen hinsichtlich der Kontrollierbarkeit der Prozesse im Fall von CIS-Modulen grundsätzlich nicht gegeben sind. Die Verteilungen sind unsymmetrisch und sehr breit. Schon die vorliegenden Laborergebnisse auf kleinen Flächen weisen deutlich darauf hin, dass die Verfahren nicht ausreichend kontrolliert werden können.

Das Problem wird bei der Betrachtung der Datenblätter unmittelbar ersichtlich. Alle Module werden einzeln geprüft und durchgemessen. Die jeweilige Nennleistung wird auch dem Etikett vermerkt. Am liebsten würde man natürlich nur Module mit maximaler Leistung anbieten. Das ist jedoch wie geschildert nicht möglich. Deshalb müssen Leistungsklassen gebildet werden, denen die einzelnen Module zuzuordnen sind. Entsprechend werden Dünnschichtmodule beispielsweise abgestuft in Klassen von 70 bis 90 Watt angeboten. Es kann nicht deutlich genug betont werden, dass diese Notlösung auf die komplexen und nicht ausreichend kontrollierbaren Prozesse zurückzuführen ist.

Die Schwierigkeiten der Prozesssteuerung sind auch in wissenschaftlichen Kreisen bekannt. Der Projektträger Jülich (PtJ) koordiniert und überwacht im Auftrag des Bundesumweltministeriums die Forschungsförderung. In mehreren Jahrbüchern wies der PtJ ausdrücklich darauf hin, dass die Herstellungsprozesse für CIS / CIGS - Module "anspruchsvoll" sind.

Ein weiterer Beleg für die Untauglichkeit der CIS-Verfahren sind die hohen Ausschussquoten. Soltecture behauptete seit 2005, über ein industrietaugliches Verfahren zu verfügen. Gleichzeitig wurden jedoch Ausschussquoten im Bereich von 50 bis über 80 Prozent ausgewiesen. Auch andere CIS-Modulhersteller berichten von Ausschussquoten im Bereich von mindestens 20 Prozent.

Die Daten verweisen auf einen eklatanten Widerspruch. Mit robusten Prozessen wird sicher gestellt, dass ein definiertes und verkaufsfähiges Ergebnis erzielt wird. Entsprechend liegen die Ausfallquoten industrieller Prozesse im Bereich von über 99 Prozent. Wenn 20 bis 80 Prozent der hergestellten Exemplare eines Produkts aussortiert werden müssen, ist dies ein sicherer Beleg dafür, dass der Herstellungsprozess eben nicht ausreichend kontrolliert werden kann.

Die ökonomischen Nachteile liegen außerdem auf der Hand. Durch hohe Ausschussquoten steigen die Kosten dramatisch bei gleichzeitig sinkendem Ausstoß. Weiter ist in dem Fall davon auszugehen, dass auch die Qualität der verkauften Solarmodule zweifelhaft ist und deshalb mit einer erhöhten Anzahl von Reklamationen gerechnet werden muss.

Der Wirkungsgrad von Solarmodulen kennzeichnet den Anteil des Lichts, der in Strom umgewandelt wird. Damit kann gleichzeit abgeschätzt werden, mit welchem Stromertrag an einem bestimmten Standort bei einer definierten Ausrichtung der Module gerechnet werden kann. Außerdem ist der Wirkungsgrad flächenunabhängig und macht damit alle Module vergleichbar.

Auf die breiten Streuungen der Nennleistungen wurde oben hingewiesen, entsprechend breit streuuen auch die Wirkungsgrade von Solarmodulen eines bestimmten Herstellers. Das ist unbedingt zu beachten, denn abgerechnet werden die Module nach Nennleistung bzw. Wirkungsgrad. Für die ökonomische Betrachtung ist also der mittlere Wirkungsgrad einer Fertigung entscheidend. In der Praxis wird jedoch häufig auf maximale Wirkungsgrade verwiesen. Das ist unseriös, denn Module mit maximaler Leistung werden nur selten gefertigt. Entsprechend berichtete die Fachzeitschrift photovoltaik:

In der Industrie zählt dieser Maximalwirkungsgrad nichts (photovoltaik, 2 / 2009).

Noch unseriöser ist die Argumentation mit Laborwerten. Laborwirkungsgrade sind ökonomisch nicht relevant, zumal in der Regel zweifelhaft ist, ob im Labor erzielte Werte in der industriellen Praxis widerholt werden können. Bei Dünnschichtsolarmodulen ist sogar schon lange erwiesen, dass ein Zusammenhang zwischen der Fläche und den erzielbaren Wirkungsgraden besteht. CIS-Module sind auch deshalb recht klein, weil mit zunehmender Fläche der Wirkungsgrad immer weiter absinkt.

Auch die notgedrungen kleinen Modulflächen verweisen deutlich auf die Nachteile der monolithischen Bauweise. Fast alle bisher angebotenen CIS-Module sind kleiner als ein Quadratmeter, obwohl eigentlich Flächen von mindestens 1,5 m² benötigt werden. Im Bereich der gebäudeintegrierten Photovoltaik (BIPV) werden sogar Modulgrößen bis 6 m² gewünscht bzw. benötigt. Es ist jedoch nicht möglich, derart große CIS-Module in Serie zu fertigen. Die Nachteile der monolithischen Bauweise stehen dem entgegen.

Entsprechend berichtete der Entwicklungsleiter Soltectures Axel Neisser:

Rapid thermal processing: lateral homogenous fast and pressure ramps at area > 1 m² still challenging, will require more R & D efforts (Axel Neisser, 22.11.2007)

Allerdings verschwieg Neisser, dass es sich bei dem Sachverhalt um ein grundsätzliches Problem handelte. Die eingesetzten Prozesse sind flächenabhängig, die Probleme können nicht durch Entwicklungsanstrengungen gelöst werden.

Durch die kleinen Module entstehen auch stückzahlabhängige Zusatzkosten, wie etwa höhere Montagekosten, was sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt. Für das BIPV-Segment sind die Module schon bedingt durch die kleinen Flächen grundsätzlich ungeeignet.

Praktisch alle relevanten Variablen sind nachteilig mit der Fläche korreliert. Mit zunehmender Fläche

• sinken die erzielbaren Wirkungsgrade
• sinkt die Kontrollierbarkeit der Herstellungsprozesse
• steigen die Ausschussquoten
• steigen die Anlagen- und Herstellungskosten dramatisch

Damit wird deutlich, dass die monolithische Bauweise zusammen mit weiteren Nachteilen der Dünnschichtphotovoltaik kein technologischer Fortschritt, sondern eine Sackgasse ist.

Gelegentlich wird die Bezeichnung "Dünnschicht" wohl auch mit einem geringerem Gewicht assoziiert. Teilweise wird sogar behauptet, dass Dünnschichtsolarmodule besonders leicht wären. Für Module der Glas-Glas-Bauweise trifft dies jedoch nicht zu. Im Gegenteil, derartige Module sind besonders schwer.

Waferbasierte Solarmodule haben in der Regel nur auf der Vorderseite eine Glasoberfläche. Die Rückseiten sind mit einer Folie abgedeckt. Damit hat die Bauweise auch noch einen erheblichen Gewichtsvorteil. Bezogen auf den erzielbaren Stromertrag wiegen Dünnschichtmodule ein Vielfaches. Das ist insbesondere auf Dächern mit begrenzter Tragfähigkeit ein Problem. Durch das Gewicht werden die Einsatzmöglichkeiten von Dünnschichtmodulen somit weiter eingeschränkt.

Offenbar kommt es gelegentlich auch zu Verspannungen zwischen den beiden Glasflächen, die im schlimmsten Fall zu einem Glasbruch führt. Von derartigen Fällen, die bei waferbasierten Modulen nicht auftreten können, wird immer wieder berichtet.

Die Qualität bzw. Dauerhaltbarkeit ist mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit ein wesentliches Kriterium zur Beurteilung von Solarmodulen. Eine Haltbarkeit von mindestens 20 Jahren ist möglich und gilt mittlerweile als Industriestandard.

Der unvermeidliche schleichende Leistungsverlust wird als Degradation bezeichnet und fällt bauart- und herstellungsbedingt sehr unterschiedlich aus. Bei waferbasierten Solarmodulen wird die jährliche Degradation allgemein als sehr gering eingeschätzt, die Zellen sind inhärent stabil. Im Gegensatz sind Dünnschichtzellen inhärent instabil, sie reagieren empfindlich auf Umwelteinflüsse wie etwa Feuchtigkeit. Entsprechend ist mit gravierenden und indiskutablen Degradationsraten zu rechnen.

2.7.2013 / Letzte Änderung: 16.10.2013