Besonderheiten von CIGS-Zellen & -Modulen

• Was sind CIGS-Module? CIGS-Dünnschichtsolarzellen bestehen aus nur wenige Mikrometer dünnen Schichten. Namensgebend ist die lichtabsorbierende Schicht aus dem Halbleiter Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, kurz CIGS.
• Vorteile CIGS-Module: CIGS-Dünnschichtmodule bieten hohe Leistung zu geringen Kosten, und ihre Herstellung benötigt wenig Energie. Außerdem erlauben CIGS-Module auch ästhetisch anspruchsvolle Gestaltungen in Gebäuden und Fahrzeugen. Damit hat CIGS erhebliche Vorteile gegenüber anderen Technologien.
• Aufbau CIGS: Die hauchdünnen Zellen bestehen aus einem Sandwich von vier Schichten: dem Trägermaterial 3 Millimeter Glas unten, einer Molybdänschicht von nur einem Mikrometer, der namensgebenden CIGS-Schicht von drei Mikrometern sowie einer Fensterschicht aus Zinkoxid von einem Mikrometer oben auf.
• Die großflächige CIGS-Schicht der Zelle muss für die Stromproduktion eine Struktur aus feinen Rillen, in der Regel durch mechanisches Ritzen (Scriben) bekommen, die die große CIGS-Fläche in ungefähr hundert einzelne Zellen unterteilen.
• CIGS Module im Winter: Wenn Ihr Strombedarf im Winter besonders hoch ist, empfiehlt es sich, eine spezielle Art von Solarmodulen zu wählen. CIGS-Module haben einen etwas niedrigeren Wirkungsgrad als Standardmodule, können bei diffuser Strahlung besonders hohe Erträge liefern. Vorraussetzung ist, Sie haben genügend Platz für die höhere Anzahl an Modulen pro kWp.
• Hersteller: Im Innovativen Berech der CIGS-PV-Module wechseln die Hersteller und Marktführer schnell. Hervorgetan hat sich in letzten Betrachtungen CIGS-Hersteller AVANCIS, Bosch, Global Solar, und Solar Frontier.
• Funktionsweise CIGS-Zellen: Wie Batterien, die seriell hintereinander verschaltet werden, erhöht sich so die circa ein Volt Spannung einer Zelle auf um die hundert Volt eines ganzen Zellen-Moduls. Die Molybdänschicht unter der CIGS-Schicht darf bei diesem Prozess jedoch nicht verletzt werden.

CIGS ist ein Halbleitermaterial aus den Elementen Kupfer, Indium, Gallium und Selen. Seine Eigenschaften sind bemerkenswert: Dünnschicht-Solarzellen auf CIGS-Basis übertreffen alle anderen Dünnschicht-PV-Technologien, mit einem Zell-Wirkungsgrad von 23,35 % auf der Zelle und 17,5 % auf der Modulebene.

Die Produktionskosten von CIGS sind im Vergleich zu anderen PV-Technologien in Bezug auf Investitionen und insbesondere auf die Betriebskosten sehr wettbewerbsfähig. Und unter gestalterischen Gesichtspunkten sind CIGS-Module sowohl in der rein schwarzen Standardform als auch in den farbigen oder gemusterten Varianten konventionellen Modulen weit überlegen.

Diese Eigenschaften ermöglichen den Einsatz von CIGS in einer Vielzahl von Anwendungen, für die andere Technologien ungeeignet wären. Neben Dach- oder Großflächen, bei denen CIGS mit anderen PV-Technologien konkurrenzfähig ist, eignet es sich besonders für die Integration in Gebäude, zum Beispiel als Fassaden-, Fenster- oder Dachmaterial. Beim Einsatz auf flexiblen Substraten wie Stahl oder Polyimid können leichte CIGS-Module auch problemlos auf dem Dach von Fahrzeugen, z.B. Elektroautos, Bussen, Lastwagen, Schiffen oder Zügen, angebracht werden.

In Bezug auf die Umweltauswirkungen schneidet CIGS auch im Vergleich mit anderen Solarzell-Technologien hervorragend ab. Der CO₂-Fußabdruck beträgt nur 12 bis 20 Gramm CO₂-Äquivalent pro Kilowattstunde, was deutlich unter dem von kristallinem Silizium (50 bis 60 g) und natürlich deutlich unter dem von fossilen Technologien (700 bis 1.000 g) liegt. Die energetische Amortisationszeit beträgt weniger als 12 Monate und ist damit ebenfalls deutlich geringer als bei kristallinem Silizium (12 bis 18 Monate). Darüber hinaus kann CIGS mit geringem Aufwand und in hoher Qualität recycelt werden, sodass die anstehenden End-of-Life-Normen in der Europäischen Union und anderen Ländern erfüllt werden können.

Die Bezeichnung von CIGS-Solarzellen bzw. CIGS-Solarmodulen bezieht sich auf den verwendeten Halbleiter:

• Cu steht für Cuprum (zu deutsch: "Kupfer")
• In steht für Indium
• Ga steht für Gallium
• Se steht für Selen
• S steht für Sulpur (zu deutsch: "Schwefel")

In der Anwendung werden verschiedene Kombinationen dieser Elemente verwendet: Die wichtigsten Beispiele sind Cu(In,Ga)Se₂ (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) oder CuInS₂ (Kupfer-Indium-Disulfid).

Der Halbleiter ist durch intrinsische Defekte des Materials leicht p-dotiert. Als n-dotierte Schicht wird Zinkoxid (ZnO) mit Aluminium (Al) stark dotiert. Diese auch Aluminium-Zinkoxid (AZO) genannte Schicht bildet eine transparente leitfähige Oxidschicht (TCO).

Bedingt durch die recht hohe Bandlücke des Zinkoxids (Eg,ZnO = 3,2 eV) ist diese Schicht für sichtbares Licht durchlässig. Daher wird sie auch als Fenster bezeichnet. Zwischen Fenster und Absorber befinden sich Pufferschichten aus Cadmiumsulfid (CdS) und undotiertem ZnO.

Der p-n-Übergang ist ein Heteroübergang, das heißt, die p- und n-dotierten Schichten bestehen aus unterschiedlichen Halbleitern. Die asymmetrische Dotierung der Schichten ergibt eine asymmetrische Raumladungszone, die sich tiefer in den Absorber erstreckt als in das ZnO.

Der Bandabstand für Kupfer-Indium-Diselenid beträgt 1,02 eV. Das teilweise Ersetzen von Indium durch Gallium und von Selen durch Schwefel erlaubt es, den Bandabstand zu vergrößern und für die Anwendung in der Photovoltaik zu optimieren.

Während die Mo- und ZnO-Schichten durch Sputterdeposition hergestellt werden und CdS zumeist in einem chemischen Bad abgeschieden (engl. chemical bath deposition, CBD) wird, gibt es verschiedene Varianten, den Absorber herzustellen. Am verbreitetsten sind die gleichzeitige thermische Verdampfung der Elemente bzw. das Abscheiden der Metalle (Cu, In, Ga) durch Elektroplattieren, Sputterdeposition oder andere Verfahren mit anschließender Erhitzung in einer Selen-Atmosphäre.

Die hauchdünnen Zellen bestehen aus einem Sandwich von vier Schichten:

• dem Trägermaterial 3 Millimeter Glas unten,
• einer Molybdänschicht von nur einem Mikrometer,
• der namensgebenden CIGS-Schicht von drei Mikrometern
• sowie einer Fensterschicht aus Zinkoxid von einem Mikrometer oben auf.

Die großflächige CIGS-Schicht der Zelle muss für die Stromproduktion eine Struktur aus feinen Rillen bekommen, die die große CIGS-Fläche in ungefähr hundert einzelne Zellen unterteilen. Wie Batterien, die seriell hintereinander verschaltet werden, erhöht sich so die circa1 Volt Spannung einer Zelle auf um die hundert Volt eines ganzen Zellen-Moduls. Die Molybdänschicht unter der CIGS-Schicht darf bei diesem Prozess jedoch nicht verletzt werden.

Das mechanische Ritzen der Rillen, das Scriben, bei der Herstellung von CIGS-Dünnschichtzellen hat aber auch Nachteile: Mit der Ritznadel werden breitere Furchen erzeugt und auf dem Grund der Rillen bleiben schlecht leitende Reste übrig.

Prof. Dr. Heinz P. Huber von der Hochschule München hat daher ein Laserverfahren entwickelt, mit dem man feinere Linien erzeugen kann, die den Strom besser leiten. Der Wirkungsgrad der CIGS-Zelle kann dann um 10 – 15 % im Vergleich zu konventionell hergestellten CIGS-Solarzellen steigen.

Laut Huber würde man mit einem Nanosekundenlaser alle drei Schichten verbrennen und sie zusammenschmelzen. Nur mit einem Ultrakurzpuls-Laser wie dem Pikosekunden-Laser kann man die obere CIGS-Schicht strukturieren, ohne die Molybdänschicht darunter zu beschädigen. Die Verbindung zwischen dem Molybdän und der transparenten Zinkoxid-Deckschicht ist fester. Auch dadurch sinken die innerenEnergieverluste, womit der Wirkungsgrad steigt.

Sowohl Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) als auch Perowskit-basierte Solarzellen stehen weltweit unangefochten im Zentrum der Dünnschicht-Photovoltaikentwicklungen. Die Wirkungsgrad-Steigerungen dieser beiden PV-Typen gehen weiter, auch wenn die jährliche Steigerungsrate aufgrund des bereits erreichten Niveaus deutlich flacher geworden ist.

So wurde seit dem Zwischenbericht von 2017 von Korea mit 22,7 % ein neuer Perowskit-Rekord erzielt, aber auch der CIGS-Bestwert von 22,6 % (ZSW) konnte von Solar Frontier (Japan) auf 22,9 % angehoben werden.

Mit diesen Eigenschaften ist CIGS bestens positioniert, um die Anforderungen zukünftiger Energiesysteme zu erfüllen. Für Investoren bietet die CIGS-Technologie daher ein hochattraktives Geschäftsfeld. Mit CIGS ist es möglich, voll integrierte Produktionsanlagen mit hohem Automatisierungsgrad zu bauen.

Und es gibt weiteres Potenzial für Kostensenkungen, insbesondere bei den Betriebskosten. Europa verfügt über Lieferanten für modernste Produktionsanlagen sowie über exzellente CIGS-Forschungseinrichtungen, die untereinander bestens vernetzt sind, und bietet damit ein ideales „Ökosystem“ für die Weiterentwicklung dieser Technologie.

Um dieses einzigartige Ökosystem zu nutzen und das enorme Potenzial von CIGS neben anderen PV-Technologien sowohl für den Klimaschutz als auch für die Wirtschaft zu heben, fordern das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) und das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) im "CIGS White Paper 2019" günstige politische Rahmenbedingungen. Die Ausbauziele für die Photovoltaik auf deutscher und europäischer Ebene müssen erhöht und regulatorische Barrieren beseitigt werden, damit die PV, insbesondere die CIGS-Photovoltaik, die globale Energiewende vorantreiben kann.

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