Elektrizität: Schlüssel zu einem nachhaltigen und klimaverträglichen ...

5.2–b Technologische Aspekte
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Technologisch bestimmen kristalline Siliziumzellen (monokristallin, multikristallin) den Markt noch mit über
90% Anteil, wobei überwiegend multikristalline Zellen eingesetzt werden. Für monokristalline Systeme
werden Si-Barren z.B. nach dem Czrochalski-Verfahren gezogen und in Wafers zersägt. Dabei geht ca. die
Hälfte des Reinst-Siliziums als Sägestaub verloren 17 , hinzu kommt noch allgemeiner Säge- und Bruchabfall.
Für multikristalline Zellen werden direct (oder directional) solidification Prozesse angewandt. In jüngerer Zeit
werden Ribbonverfahren genutzt, bei denen Si-Bänder aus der Schmelze gezogen werden. Mit diesen
Techniken entsteht erheblich weniger (Säge-)Abfall.
Ein häufig zitierter Entwicklungsparameter hin zu größerer Wirtschaftlichkeit ist die Erhöhung des
Wirkungsgrades, da flächenbedingte Kosten wie Land, Material, Installation etc. mit steigendem Wirkungsgrad
der Module sinken. Dieser liegt für Massenware mit monokristallinen und mittlerweile auch
polykristallinen Zellen typischerweise um 14% bis 17%, was Zelleneffizienzen von 16 bis 19% entspricht.
Angesichts der absehbaren physikalischen Grenzen wird allerdings mit der Erhöhung des Zellwirkungsgrades
allein kein entscheidender Durchbruch zur Wirtschaftlichkeit zu erreichen sein.
Das eingesetzte Silizium macht etwa die Hälfte der Modulkosten und ca. ein Viertel der heutigen Systemkosten
aus 18 . Übliche Dicken der Siliziumscheiben liegen heute noch bei 180 m – und dies überwiegend
aus mechanischen und nicht optischen oder elektronischen Erfordernissen: dafür reichen ca. 100 m und
mit speziellen Techniken könnten 10-20 m möglich werden.
Anwendungsnahe Forschung und Entwicklung bei Si-Systemen wird an vielen Fronten betrieben und lässt
eine Vielzahl weiterer gradueller Verbesserungen erwarten. Aber damit ist die Entwicklung von Systemen mit
dicken Halbleiterschichten (50-200 μm) der „ersten Technologiegeneration“ hin zu Fertigungskosten, die PV
mit anderen CO2-armen Stromerzeugungsmethoden wettbewerbsfähig machen könnten, noch nicht absehbar
19 . Der Siliziumeinsatz muss massiv verringert oder Silizium durch Materialien substitutiert werden, die,
bezogen auf den erzielbaren Stromertrag, erheblich kostengünstiger herzustellen und zu verarbeiten sind
und insbesondere auch günstigere Gesamtsystemkosten erlauben. In jedem Fall sind für diese notwendigen
großen Kostenreduktionen Technologiesprünge erforderlich – und diese können nur in Verbindung mit
massiv verstärkter, auch grundsätzliche Aspekte mit einbeziehender Forschung und Entwicklung erreicht
werden.
Vermehrt kommen Dünnschichttechnologien zum Einsatz, bei denen die aktiven Bereiche der Zellen aus
homogenem Halbleitermaterial bestehen, das auf separate Trägersubstrate aufgebracht wird. Es werden
Entwicklungen auf Si-Basis (amorphes Si auf Glas- oder Metallsubstrat) und mit Materialien mit direkter
Bandlücke verfolgt, die eine wesentlich höhere Lichtabsorption aufweisen und damit dünner sein können.
Hier sind insbesondere Kupfer-Indium-Selenidzellen (CIS) mit verschiedenen Varianten bei Schichtdicken
von wenigen μm oder Cadmiumtelluridzellen (CdTe) zu nennen. Für ihre Herstellung werden Aufdampf- oder
Plasmaabscheidetechnologien auf fremde Substraten genutzt. Für diese Zellen wird wesentlich weniger
Halbleitermaterial benötigt und damit zeichnen sie sich durch deutlich geringeren Energieeinsatz bei ihrer
Herstellung aus. Dünnschicht-Systeme versprechen günstigere wirtschaftliche und auch teilweise technische
Eigenschaften (u.a. bei Dachmontage eine leichtere Integration der Module in die äußere Dachhaut).
Allerdings haben sie, obwohl ihre Entwicklung bereits wenige Jahre nach der klassischen Si-Technologie
17
Wagenmann, H.-G., Eschrich, H.: Photovoltaik. Teubner, Wiesbaden (2007)
18
Quelle: Kaminiski, J. Electr. Spectr. 150 (2006), 105-135.
19
Mit der Finanzkrise im Jahr 2009 sind die Preise sehr stark gefallen – was in diesem Ausmaß wohl ein vorübergehendes Phänomen
bleiben wird.