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Besonderheiten von CIGS-Zellen & -Modulen

Die CIGS-Dünnschicht-Photovoltaik kann eine wichtige Säule für die globale Energiewende werden. 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.

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Was ist eigentlich eine CIGS-Zelle?

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 Zellwirkungsgrad 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.

Kupfer-Indium-Gallium-diSelenid (CIGS)-Solarmodul mit flexiblem Trägermaterial. (Foto: Global Solar Energy)
Kupfer-Indium-Gallium-diSelenid (CIGS)-Solarmodul mit flexiblem Trägermaterial. (Foto: Global Solar Energy)

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, so dass die anstehenden End-of-Life-Normen in der Europäischen Union und anderen Ländern erfüllt werden können.

Schichtaufbau einer Solarzelle mit CIGS-Absorber

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).

Schichtaufbau einer CIGS-Solarzelle (Grafik: National Renewable Energy Laboratory - Kazmerski, L. / public domain - wikipedia)
Schichtaufbau einer CIGS-Solarzelle (Grafik: National Renewable Energy Laboratory - Kazmerski, L. / public domain - wikipedia)

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.

Zukunftsausblick für CIGS-Modultechniken

Sowohl Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) als auch Perowskit-basierte Solarzellen stehen weltweit unangefochten im Zentrum der Dünnschicht-Photovoltaikentwicklungen. Die Wirkungsgradsteigerungen 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 Koreanern 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.

Tabelle 1: Chronologie ausgewählter Wirkungsgrad-Weltrekorde von CIGS-Solarzellen
Datum Wirkungsgrad Weltrekordhalter Solarzelle
20.12.2017 22,90% Solar Frontier, National Research and Development Agency CIS-Technologie im Labormaßstab
27.09.2016 17,80% KIT, ZSW, imec Tandem-Solarzelle aus Perowskit- und CIGS-Dünnschichten
15.06.2016 22,60% ZSW Dünnschicht-Solarzelle auf Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS)
24.02.2015 21,00% ZSW CIGS-Solarzelle ohne Cadmium in der Pufferschicht
23.09.2014 21,70% ZSW, Manz AG CIGS Dünnschicht-Solarzelle

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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"Besonderheiten von CIGS-Zellen & -Modulen" wurde am 06.03.2019 das letzte Mal aktualisiert.