Dünnschichtmodule
Dünnschicht-Module
Leicht, flexibel und kostengünstig - aber nicht gerade platzsparend
Dünnschichtmodule sind auf dünnste Folien oder Glas aufgedruckte oder aufgedampfte, zusammengeschaltete Gruppen von Solarzellen, die ihrerseits ebenfalls nur aus Mikrometer-dünnen Schichten bestehen.
Sie werden oft aus amorphem Silizium, jedoch meist aus alternativen Halbleitern wie CIS / CIGS bzw. Cadmiumtellurid aufgebaut.
Auch die Verschaltung zwischen den Solarzellen wird hauchdünn auf das Trägermaterial aufgedruckt bzw. -gedampft.
Eine Ausrüstung Ihres Daches mit Photovoltaikgeneratoren aus Dünnschichtmodulen ist sinnvoll, wenn Sie Photovoltaik unter schwierigen Lichtbedingungen wie Teilverschattung oder regelmäßigem Streulicht - z.B. in einer eher nebligen Region - betreiben.
Auch die Verlegung von Dünnschichtmodulen auf großen Flächen kann finanziell vorteilhaft sein, wenn Sie über genügend Platz verfügen.
Berechnen Sie jetzt kostenlos & unverbindlich Ihre PV-Anlage mit Dünnschichtmodulen:
→ Angebote, Preise und Ertrag berechnen
Dünner geht's nicht -
oder: Wie dünn sind Dünnschichtmodule?
Allgemein
Dünnschichten werden auch außerhalb der Photovoltaik in Industrie und Alltag vielfältig verwendet - z.B. in der Mikroelektronik, bei Lacken, Verspiegelungen, bei DVDs, Rettungsdecken, Zahnversiegelungen, Brillengläsern, Verpackungen u.v.a.m. Dünnschichten in diesen Bereichen können unter 1 µm (Tausendstel Millimeter) dünn sein.
Halbleitertechnik
In der Halbleitertechnik (Computerchips u.a.) wird der Ausdruck dünne Schichten oder Dünnschicht für Schichten von festen Stoffen mit einer Dicke von einigen Nanometern (Millionstel Millimetern) bis höchstens einem Mikrometer (1 µm) verwendet.
Photovoltaik
Auf dem Spezialgebiet der Photovoltaik sind die Schichten von Dünnschichtmodulen etwas "dicker" - sie betragen insgesamt 3 µm (z.B. bei CIS/CIGS-Solarzellen).
Der Gegenbegriff von Dünnschichtmodulen ist die Dickschicht-Technologie der in der Photovoltaik weltweit am meisten verbreiteten kristallinen Solarzelle.
Silizium-Dickschicht-Solarzellen sind immerhin um die 150 - 160 µm "dick". Das entspricht etwa der Dicke von 2 aufeinander gelegten Haaren.
Dünnschicht oder Dickschicht für Ihr Dach?
Zum kostenlosen Preis- und Angebotsvergleich
Leicht, flexibel und kostengünstig - aber nicht gerade platzsparend
Dünnschichtmodule sind auf dünnste Folien oder Glas aufgedruckte oder aufgedampfte, zusammengeschaltete Gruppen von Solarzellen, die ihrerseits ebenfalls nur aus Mikrometer-dünnen Schichten bestehen.
Sie werden oft aus amorphem Silizium, jedoch meist aus alternativen Halbleitern wie CIS / CIGS bzw. Cadmiumtellurid aufgebaut.
Auch die Verschaltung zwischen den Solarzellen wird hauchdünn auf das Trägermaterial aufgedruckt bzw. -gedampft.
Eine Ausrüstung Ihres Daches mit Photovoltaikgeneratoren aus Dünnschichtmodulen ist sinnvoll, wenn Sie Photovoltaik unter schwierigen Lichtbedingungen wie Teilverschattung oder regelmäßigem Streulicht - z.B. in einer eher nebligen Region - betreiben.
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Dünnschichten werden auch außerhalb der Photovoltaik in Industrie und Alltag vielfältig verwendet - z.B. in der Mikroelektronik, bei Lacken, Verspiegelungen, bei DVDs, Rettungsdecken, Zahnversiegelungen, Brillengläsern, Verpackungen u.v.a.m. Dünnschichten in diesen Bereichen können unter 1 µm (Tausendstel Millimeter) dünn sein.
Halbleitertechnik
In der Halbleitertechnik (Computerchips u.a.) wird der Ausdruck dünne Schichten oder Dünnschicht für Schichten von festen Stoffen mit einer Dicke von einigen Nanometern (Millionstel Millimetern) bis höchstens einem Mikrometer (1 µm) verwendet.
Photovoltaik
Auf dem Spezialgebiet der Photovoltaik sind die Schichten von Dünnschichtmodulen etwas "dicker" - sie betragen insgesamt 3 µm (z.B. bei CIS/CIGS-Solarzellen).
Der Gegenbegriff von Dünnschichtmodulen ist die Dickschicht-Technologie der in der Photovoltaik weltweit am meisten verbreiteten kristallinen Solarzelle.
Silizium-Dickschicht-Solarzellen sind immerhin um die 150 - 160 µm "dick". Das entspricht etwa der Dicke von 2 aufeinander gelegten Haaren.
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Sie werden oft aus amorphem Silizium, jedoch meist aus alternativen Halbleitern wie CIS / CIGS bzw. Cadmiumtellurid aufgebaut.
Auch die Verschaltung zwischen den Solarzellen wird hauchdünn auf das Trägermaterial aufgedruckt bzw. -gedampft.
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Dünnschichten werden auch außerhalb der Photovoltaik in Industrie und Alltag vielfältig verwendet - z.B. in der Mikroelektronik, bei Lacken, Verspiegelungen, bei DVDs, Rettungsdecken, Zahnversiegelungen, Brillengläsern, Verpackungen u.v.a.m. Dünnschichten in diesen Bereichen können unter 1 µm (Tausendstel Millimeter) dünn sein.
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In der Halbleitertechnik (Computerchips u.a.) wird der Ausdruck dünne Schichten oder Dünnschicht für Schichten von festen Stoffen mit einer Dicke von einigen Nanometern (Millionstel Millimetern) bis höchstens einem Mikrometer (1 µm) verwendet.
Photovoltaik
Auf dem Spezialgebiet der Photovoltaik sind die Schichten von Dünnschichtmodulen etwas "dicker" - sie betragen insgesamt 3 µm (z.B. bei CIS/CIGS-Solarzellen).
Der Gegenbegriff von Dünnschichtmodulen ist die Dickschicht-Technologie der in der Photovoltaik weltweit am meisten verbreiteten kristallinen Solarzelle.
Silizium-Dickschicht-Solarzellen sind immerhin um die 150 - 160 µm "dick". Das entspricht etwa der Dicke von 2 aufeinander gelegten Haaren.
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Aufbau von Dünnschichtmodulen
- Durch Aufdampfen,
- duch Gasabscheidung.
Das Aufdampfen nutzt das Kondensieren eines gasförmigen Materials an der kühleren Oberfläche des Substrats (Trägermaterial von Dünnschichtmodulen), - wie Wasserdampf am Fenster. Die Gasabscheidung nutzt chemische Reaktionen von Gasverbindungen, die bei bestimmten Temperaturen - oder durch das Hinzufügen weiterer Materialien - die gewünschte Verbindung auf dem Substrat abscheiden (aufdrucken).
Wirkungsgrad von Dünnschichtmodulen
Da auch in Dickschichtzellen das Sonnenlicht nur wenige µm tief eindringt, geht bei Fertigung von Dünnschichtmodulen, die rund 1/50 der Dicke von kristallinen Solarzellen besitzen, theoretisch kaum Wirkung verloren.
Allerdings verändern Materialien in z.T. nur molekulardicken Schichten oft ihre Eigenschaften - in der Materialforschung sind noch nicht alle Mechanismen, die dazu führen, schon vollständig verstanden.
Neben verbesserten Eigenschaften sind auch der geringere Energie- und Materialverbrauch und die einfachere Produktion von Dünnschichtmodulen (beispielsweise entfällt das aufwendige Zurechtsägen der Wafer) wirtschaftlich interessant.
Dünnschichtmodule oder Dickschichtmodule auf Ihrem Dach?
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Dünnschichtmodule in der Solartechnologie
Durch das Stromeinspeisungsgesetz von 1990 und seinen Nachfolger, das Erneuerbare-Energien-Gesetz (ab 2000) mit seinem marktbelebenden Wirkhebel, der Einspeisevergütung, wurde die Solarindustrie mit hinreichenden wirtschaftlichen Ressourcen, gleichzeitig auch - wegen der schrittweisen Degression der Vergütungssätze und Margen - mit einer starken Motivation versehen, Solarzellen zunehmend effizienter und kostengünstiger zu gestalten.
Dabei wurde bis 2011 auch die Technologie der Dünnschichtmodule intensiv vorangetrieben. Dünnschicht-Solarzellen oder -module profitieren von den für Dünnschichttechniken im Allgemeinen geltenden Vorteilen:
- Der geringere Einsatz von Energie, Material und Zeit bei der Produktion erbringt einen finanziellen und energetischen Vorsprung von Dünnschichtmodulen gegenüber dickschichtigen monokristallinen oder polykristallinen Silizium-Solarzellen.
- In der Weiterverarbeitung sind Dünnschichtmodule ebenfalls interessant. Konventionelle Solarzellen sind untereinander durch Verlötung zu Photovoltaikmodulen verbunden; Dünnschichtmodule hingegen verfügen über materialinterne Verbindungen, die über die Strukturierung beim Herstellungsprozess integriert werden (für das bloße Auge sind diese Verbindungen kaum sichtbar, so dass aus Dünnschicht-Solarzellen aufgebaute Dünnschichtmodule optisch einen vergleichsweise homogenen Eindruck hervorrufen).
- Dünnschichtmodule sind nicht an statische Untergründe wie Glas oder Aluminiumträger gebunden - dadurch werden sie leichter, was besonders die Statik älterer oder schwächerer Dächer weniger belastet; flexible Träger der Dünnschichten erlauben aber auch eine bisher noch wenig genutzte Formbarkeit.
- Die pseudoquadratische Form gesägter Dickschicht-Wafer vermindert den Wirkungsgrad, da der vorhandene Platz nicht vollständig ausgenutzt wird. Dünnschichtmodule nutzen den Platz optimal aus.
Dünnschichtmodule 2010 - 2013
Zahlreiche Solarunternehmen - darunter die Weltmarktführer Sharp, First Solar, auch Inventux, Masdar PV, Bosch Solar Energy und Showa Shell, Conergy, Abound Solar, Soarion, Sulfurcell, Centrosolar, QS Solar, Avancis, Best Solar, Schott Solar u.v.a. - investierten daher in die Erforschung und/oder -Produktion von Dünnschichtmodulen und erweitern z.T. erheblich ihre entsprechenden Fertigungskapazitäten.
In den Jahren 2012 haben einige dieser Unternehmen sich aus dem Solargeschäft zurückgezogen, andere haben Insolvenz anmelden oder erhebliche Umstrukturierungen bzw. Eigentümerwechsel bewältigen müssen. Betroffen davon waren auch viele große und kleine Dünnschichtmodul-Hersteller aus Deutschland, u.a. die Berliner Unternehmen Q-Cells, Inventux und Solecture, die Würth Solar GmbH aus Baden-Württemberg oder die Sovello GmbH aus Sachsen-Anhalt. Dabei gingen viele Arbeitsplätze und viel Know-how verloren – ein Verlust, an dem die sprunghafte PV-Politik der Bundesregierung nicht schuldlos war.
Andere - wie die Calyxo GmbH - haben ihre Fertigungslinien weiterentwickelt und prosperieren mit Dünnschichtmodulen in einem schwieriger werdenden Markt weiterhin.
Zusatz 2015
Die Weiterentwicklung der Dünnschicht-Technologie und eine, wenn auch auf vergleichsweise niedrigem Niveau, stabil bleibenden Nachfrage für Schatten- und Nordlagen hat der amorphen Photovoltaik ein längeres Leben beschert als viele Analysten vermutet hatten.
Die Geschichte der Dünnschichtmodule ist - entgegen mancher (auch von uns selbst geäußerter) negativer Prognosen - nicht zu Ende geschrieben.
Zusatz 2016
Im Gegenteil: Neue, vielversprechende Materialien wie mikromorphes Silizium (µ-Si, eine Kombination aus mikroskopisch kleinen kristallinen Siliziumpartikeln und einer amorphen Siliziumschicht) haben sich jüngst auf dem Modulmarkt etabliert.
Und gängige Dünnschicht-Technologien aus Cadmium-Tellurid und CIG-Halbleitern erzielen immer höhere und konkurrenzfähigere Wirkungsgrade: Im Labor bis zu 19%, ein Wert, der bereits auf dem Niveau multikristalliner Dickschicht-Module liegt.
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Materialien von Dünnschichtmodulen
Dünnschichtmodule werden - mehr als dickschichtige monokristalline oder polykristalline Solarzellen - nicht allein aus Silizium, sondern auch aus alternativen Materialien gefertigt; eine größere Variabilität der Herstellungstechniken bewirkt auch eine größere Vielfalt der technischen Designs.
Hubble-Teleskop:
Dünnschichtmodule (rechts)
© NASA
Z.B. lässt sich die Tandem-Solarzelle, eine zweischichtige Kombination von Materialien, die in ihren unterschiedlichen Lagen unterschiedliche Bereiche des Lichtspektrums auffangen und zur Solarstromproduktion nutzen, allein in der Produktion von Dünnschichtmodulen realisieren.
Neben amorphem (nichtkristallinem) Silizium werden für Dünnschicht-Solarzellen auch mikrokristallines Silizium, Gallium-Arsenid, Cadmiumtellurid, Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen oder Kupfer-Zink-Zinnsulfid verwendet.
Zu den Nachteilen dieser Materialien gehört:
- Sie sind nicht nur - abhängig von den jeweiligen Weltmarktpreisen - zum Teil recht kostspielig, sondern sie sind vor allem teilweise auch giftig bis hochgiftig (Tellur, Selen, Arsen, Schwefel), - dies zieht erhöhte Sicherheitsmaßnahmen bei Transport und Verarbeitung sowohl der Rohmaterialien also auch der fertigen Dünnschichtmodule nach sich.
- Inwieweit solche Stoffe zudem unter Betriebsbedingungen von Dünnschichtmodulen (über zwanzigjähriger Gebrauch, Beanspruchung durch hohe Betriebstemperaturen, welchselnde Wetterlagen mit Winterkälte, Hagel, Regen-Outwash etc.) freigesetzt werden können, ist zur Zeit noch nicht abschließend geklärt.
- Dünnschichtmodule auf der Basis von CIS- oder CIGS-Solarzellen (aus Kupfer-Indium-Selen/Schwefel bzw. Kupfer-Indium-Gallium-Selen/Schwefel) sind unempfindlich gegen lichtinduzierte Degradation, gelten jedoch unter feuchtwarmen Bedingungen als instabil - sie bedürfen besonders wirkungsvoller und auch unter Dauerbetrieb robuster Versiegelung gegen Feuchtigkeit.
Eignung von Dünnschichtmodulen
Obwohl die Wirkungsgrade spezieller Bauformen von Dünnschicht-Solarzellen in Laborversuchen wie z.B. bei der Tandem-Zelle Rekordhöhen über 40% erreichen, sind industriell wirtschaftlich herstellbare Dünnschicht-Systeme von solchen Zahlen (noch) weit entfernt.
Gemessen an herkömmlichen kristallinen PV-Systemen liegen Dünnschicht-Solarzellen rund 50 - 80% unter deren Wirkung, nämlich bei durchschnittlichen 12-19% Wirkungsgrad gegenüber 16-19% bei polykristallinen, 18-23% bei monokristallinen Dickschicht-Systemen (Stand 2016).
Hieraus ergibt sich die folgende Faustregel:
Dünnschichtmodule bedürfen einer 1,2- bis 1,4fachen Fläche von Dickschichtmodulen, um dieselbe Menge Solarstrom zu erzeugen.
Besonders geeignet hingegen sind Dünnschichtmodule - genügend Platz vorausgesetzt - bei teilweiser Verschattung oder in Schwachlichtlagen (z.B. Nordhang).
Ob der Einsatz von Dünnschichtsolarzellen sich lohnt, hängt also von der individuellen Situation des Daches ab. Am besten lässt sich dies im Gespräch mit Ihrem Solarteur ermitteln.
Aufbau von Dünnschichtmodulen
- Durch Aufdampfen,
- duch Gasabscheidung.
Das Aufdampfen nutzt das Kondensieren eines gasförmigen Materials an der kühleren Oberfläche des Substrats (Trägermaterial von Dünnschichtmodulen), - wie Wasserdampf am Fenster. Die Gasabscheidung nutzt chemische Reaktionen von Gasverbindungen, die bei bestimmten Temperaturen - oder durch das Hinzufügen weiterer Materialien - die gewünschte Verbindung auf dem Substrat abscheiden (aufdrucken).
Wirkungsgrad von Dünnschichtmodulen
Da auch in Dickschichtzellen das Sonnenlicht nur wenige µm tief eindringt, geht bei Fertigung von Dünnschichtmodulen, die rund 1/50 der Dicke von kristallinen Solarzellen besitzen, theoretisch kaum Wirkung verloren.
Allerdings verändern Materialien in z.T. nur molekulardicken Schichten oft ihre Eigenschaften - in der Materialforschung sind noch nicht alle Mechanismen, die dazu führen, schon vollständig verstanden.
Neben verbesserten Eigenschaften sind auch der geringere Energie- und Materialverbrauch und die einfachere Produktion von Dünnschichtmodulen (beispielsweise entfällt das aufwendige Zurechtsägen der Wafer) wirtschaftlich interessant.
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Dünnschichtmodule in der Solartechnologie
Durch das Stromeinspeisungsgesetz von 1990 und seinen Nachfolger, das Erneuerbare-Energien-Gesetz (ab 2000) mit seinem marktbelebenden Wirkhebel, der Einspeisevergütung, wurde die Solarindustrie mit hinreichenden wirtschaftlichen Ressourcen, gleichzeitig auch - wegen der schrittweisen Degression der Vergütungssätze und Margen - mit einer starken Motivation versehen, Solarzellen zunehmend effizienter und kostengünstiger zu gestalten.
Dabei wurde bis 2011 auch die Technologie der Dünnschichtmodule intensiv vorangetrieben. Dünnschicht-Solarzellen oder -module profitieren von den für Dünnschichttechniken im Allgemeinen geltenden Vorteilen:
- Der geringere Einsatz von Energie, Material und Zeit bei der Produktion erbringt einen finanziellen und energetischen Vorsprung von Dünnschichtmodulen gegenüber dickschichtigen monokristallinen oder polykristallinen Silizium-Solarzellen.
- In der Weiterverarbeitung sind Dünnschichtmodule ebenfalls interessant. Konventionelle Solarzellen sind untereinander durch Verlötung zu Photovoltaikmodulen verbunden; Dünnschichtmodule hingegen verfügen über materialinterne Verbindungen, die über die Strukturierung beim Herstellungsprozess integriert werden (für das bloße Auge sind diese Verbindungen kaum sichtbar, so dass aus Dünnschicht-Solarzellen aufgebaute Dünnschichtmodule optisch einen vergleichsweise homogenen Eindruck hervorrufen).
- Dünnschichtmodule sind nicht an statische Untergründe wie Glas oder Aluminiumträger gebunden - dadurch werden sie leichter, was besonders die Statik älterer oder schwächerer Dächer weniger belastet; flexible Träger der Dünnschichten erlauben aber auch eine bisher noch wenig genutzte Formbarkeit.
- Die pseudoquadratische Form gesägter Dickschicht-Wafer vermindert den Wirkungsgrad, da der vorhandene Platz nicht vollständig ausgenutzt wird. Dünnschichtmodule nutzen den Platz optimal aus.
Dünnschichtmodule 2010 - 2013
Zahlreiche Solarunternehmen - darunter die Weltmarktführer Sharp, First Solar, auch Inventux, Masdar PV, Bosch Solar Energy und Showa Shell, Conergy, Abound Solar, Soarion, Sulfurcell, Centrosolar, QS Solar, Avancis, Best Solar, Schott Solar u.v.a. - investierten daher in die Erforschung und/oder -Produktion von Dünnschichtmodulen und erweitern z.T. erheblich ihre entsprechenden Fertigungskapazitäten.
In den Jahren 2012 haben einige dieser Unternehmen sich aus dem Solargeschäft zurückgezogen, andere haben Insolvenz anmelden oder erhebliche Umstrukturierungen bzw. Eigentümerwechsel bewältigen müssen. Betroffen davon waren auch viele große und kleine Dünnschichtmodul-Hersteller aus Deutschland, u.a. die Berliner Unternehmen Q-Cells, Inventux und Solecture, die Würth Solar GmbH aus Baden-Württemberg oder die Sovello GmbH aus Sachsen-Anhalt. Dabei gingen viele Arbeitsplätze und viel Know-how verloren – ein Verlust, an dem die sprunghafte PV-Politik der Bundesregierung nicht schuldlos war.
Andere - wie die Calyxo GmbH - haben ihre Fertigungslinien weiterentwickelt und prosperieren mit Dünnschichtmodulen in einem schwieriger werdenden Markt weiterhin.
Zusatz 2015
Die Weiterentwicklung der Dünnschicht-Technologie und eine, wenn auch auf vergleichsweise niedrigem Niveau, stabil bleibenden Nachfrage für Schatten- und Nordlagen hat der amorphen Photovoltaik ein längeres Leben beschert als viele Analysten vermutet hatten.
Die Geschichte der Dünnschichtmodule ist - entgegen mancher (auch von uns selbst geäußerter) negativer Prognosen - nicht zu Ende geschrieben.
Zusatz 2016
Im Gegenteil: Neue, vielversprechende Materialien wie mikromorphes Silizium (µ-Si, eine Kombination aus mikroskopisch kleinen kristallinen Siliziumpartikeln und einer amorphen Siliziumschicht) haben sich jüngst auf dem Modulmarkt etabliert.
Und gängige Dünnschicht-Technologien aus Cadmium-Tellurid und CIG-Halbleitern erzielen immer höhere und konkurrenzfähigere Wirkungsgrade: Im Labor bis zu 19%, ein Wert, der bereits auf dem Niveau multikristalliner Dickschicht-Module liegt.
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Materialien von Dünnschichtmodulen
Dünnschichtmodule werden - mehr als dickschichtige monokristalline oder polykristalline Solarzellen - nicht allein aus Silizium, sondern auch aus alternativen Materialien gefertigt; eine größere Variabilität der Herstellungstechniken bewirkt auch eine größere Vielfalt der technischen Designs.
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Dünnschichtmodule (rechts)
© NASA
Z.B. lässt sich die Tandem-Solarzelle, eine zweischichtige Kombination von Materialien, die in ihren unterschiedlichen Lagen unterschiedliche Bereiche des Lichtspektrums auffangen und zur Solarstromproduktion nutzen, allein in der Produktion von Dünnschichtmodulen realisieren.
Neben amorphem (nichtkristallinem) Silizium werden für Dünnschicht-Solarzellen auch mikrokristallines Silizium, Gallium-Arsenid, Cadmiumtellurid, Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen oder Kupfer-Zink-Zinnsulfid verwendet.
Zu den Nachteilen dieser Materialien gehört:
- Sie sind nicht nur - abhängig von den jeweiligen Weltmarktpreisen - zum Teil recht kostspielig, sondern sie sind vor allem teilweise auch giftig bis hochgiftig (Tellur, Selen, Arsen, Schwefel), - dies zieht erhöhte Sicherheitsmaßnahmen bei Transport und Verarbeitung sowohl der Rohmaterialien also auch der fertigen Dünnschichtmodule nach sich.
- Inwieweit solche Stoffe zudem unter Betriebsbedingungen von Dünnschichtmodulen (über zwanzigjähriger Gebrauch, Beanspruchung durch hohe Betriebstemperaturen, welchselnde Wetterlagen mit Winterkälte, Hagel, Regen-Outwash etc.) freigesetzt werden können, ist zur Zeit noch nicht abschließend geklärt.
- Dünnschichtmodule auf der Basis von CIS- oder CIGS-Solarzellen (aus Kupfer-Indium-Selen/Schwefel bzw. Kupfer-Indium-Gallium-Selen/Schwefel) sind unempfindlich gegen lichtinduzierte Degradation, gelten jedoch unter feuchtwarmen Bedingungen als instabil - sie bedürfen besonders wirkungsvoller und auch unter Dauerbetrieb robuster Versiegelung gegen Feuchtigkeit.
Eignung von Dünnschichtmodulen
Obwohl die Wirkungsgrade spezieller Bauformen von Dünnschicht-Solarzellen in Laborversuchen wie z.B. bei der Tandem-Zelle Rekordhöhen über 40% erreichen, sind industriell wirtschaftlich herstellbare Dünnschicht-Systeme von solchen Zahlen (noch) weit entfernt.
Gemessen an herkömmlichen kristallinen PV-Systemen liegen Dünnschicht-Solarzellen rund 50 - 80% unter deren Wirkung, nämlich bei durchschnittlichen 12-19% Wirkungsgrad gegenüber 16-19% bei polykristallinen, 18-23% bei monokristallinen Dickschicht-Systemen (Stand 2016).
Hieraus ergibt sich die folgende Faustregel:
Dünnschichtmodule bedürfen einer 1,2- bis 1,4fachen Fläche von Dickschichtmodulen, um dieselbe Menge Solarstrom zu erzeugen.
Besonders geeignet hingegen sind Dünnschichtmodule - genügend Platz vorausgesetzt - bei teilweiser Verschattung oder in Schwachlichtlagen (z.B. Nordhang).
Ob der Einsatz von Dünnschichtsolarzellen sich lohnt, hängt also von der individuellen Situation des Daches ab. Am besten lässt sich dies im Gespräch mit Ihrem Solarteur ermitteln.
Aufbau von Dünnschichtmodulen
- Durch Aufdampfen,
- duch Gasabscheidung.
Das Aufdampfen nutzt das Kondensieren eines gasförmigen Materials an der kühleren Oberfläche des Substrats (Trägermaterial von Dünnschichtmodulen), - wie Wasserdampf am Fenster. Die Gasabscheidung nutzt chemische Reaktionen von Gasverbindungen, die bei bestimmten Temperaturen - oder durch das Hinzufügen weiterer Materialien - die gewünschte Verbindung auf dem Substrat abscheiden (aufdrucken).
Wirkungsgrad von Dünnschichtmodulen
Da auch in Dickschichtzellen das Sonnenlicht nur wenige µm tief eindringt, geht bei Fertigung von Dünnschichtmodulen, die rund 1/50 der Dicke von kristallinen Solarzellen besitzen, theoretisch kaum Wirkung verloren.
Allerdings verändern Materialien in z.T. nur molekulardicken Schichten oft ihre Eigenschaften - in der Materialforschung sind noch nicht alle Mechanismen, die dazu führen, schon vollständig verstanden.
Neben verbesserten Eigenschaften sind auch der geringere Energie- und Materialverbrauch und die einfachere Produktion von Dünnschichtmodulen (beispielsweise entfällt das aufwendige Zurechtsägen der Wafer) wirtschaftlich interessant.
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Durch das Stromeinspeisungsgesetz von 1990 und seinen Nachfolger, das Erneuerbare-Energien-Gesetz (ab 2000) mit seinem marktbelebenden Wirkhebel, der Einspeisevergütung, wurde die Solarindustrie mit hinreichenden wirtschaftlichen Ressourcen, gleichzeitig auch - wegen der schrittweisen Degression der Vergütungssätze und Margen - mit einer starken Motivation versehen, Solarzellen zunehmend effizienter und kostengünstiger zu gestalten.
Dabei wurde bis 2011 auch die Technologie der Dünnschichtmodule intensiv vorangetrieben. Dünnschicht-Solarzellen oder -module profitieren von den für Dünnschichttechniken im Allgemeinen geltenden Vorteilen:
- Der geringere Einsatz von Energie, Material und Zeit bei der Produktion erbringt einen finanziellen und energetischen Vorsprung von Dünnschichtmodulen gegenüber dickschichtigen monokristallinen oder polykristallinen Silizium-Solarzellen.
- In der Weiterverarbeitung sind Dünnschichtmodule ebenfalls interessant. Konventionelle Solarzellen sind untereinander durch Verlötung zu Photovoltaikmodulen verbunden; Dünnschichtmodule hingegen verfügen über materialinterne Verbindungen, die über die Strukturierung beim Herstellungsprozess integriert werden (für das bloße Auge sind diese Verbindungen kaum sichtbar, so dass aus Dünnschicht-Solarzellen aufgebaute Dünnschichtmodule optisch einen vergleichsweise homogenen Eindruck hervorrufen).
- Dünnschichtmodule sind nicht an statische Untergründe wie Glas oder Aluminiumträger gebunden - dadurch werden sie leichter, was besonders die Statik älterer oder schwächerer Dächer weniger belastet; flexible Träger der Dünnschichten erlauben aber auch eine bisher noch wenig genutzte Formbarkeit.
- Die pseudoquadratische Form gesägter Dickschicht-Wafer vermindert den Wirkungsgrad, da der vorhandene Platz nicht vollständig ausgenutzt wird. Dünnschichtmodule nutzen den Platz optimal aus.
Dünnschichtmodule 2010 - 2013
Zahlreiche Solarunternehmen - darunter die Weltmarktführer Sharp, First Solar, auch Inventux, Masdar PV, Bosch Solar Energy und Showa Shell, Conergy, Abound Solar, Soarion, Sulfurcell, Centrosolar, QS Solar, Avancis, Best Solar, Schott Solar u.v.a. - investierten daher in die Erforschung und/oder -Produktion von Dünnschichtmodulen und erweitern z.T. erheblich ihre entsprechenden Fertigungskapazitäten.
In den Jahren 2012 haben einige dieser Unternehmen sich aus dem Solargeschäft zurückgezogen, andere haben Insolvenz anmelden oder erhebliche Umstrukturierungen bzw. Eigentümerwechsel bewältigen müssen. Betroffen davon waren auch viele große und kleine Dünnschichtmodul-Hersteller aus Deutschland, u.a. die Berliner Unternehmen Q-Cells, Inventux und Solecture, die Würth Solar GmbH aus Baden-Württemberg oder die Sovello GmbH aus Sachsen-Anhalt. Dabei gingen viele Arbeitsplätze und viel Know-how verloren – ein Verlust, an dem die sprunghafte PV-Politik der Bundesregierung nicht schuldlos war.
Andere - wie die Calyxo GmbH - haben ihre Fertigungslinien weiterentwickelt und prosperieren mit Dünnschichtmodulen in einem schwieriger werdenden Markt weiterhin.
Zusatz 2015
Die Weiterentwicklung der Dünnschicht-Technologie und eine, wenn auch auf vergleichsweise niedrigem Niveau, stabil bleibenden Nachfrage für Schatten- und Nordlagen hat der amorphen Photovoltaik ein längeres Leben beschert als viele Analysten vermutet hatten.
Die Geschichte der Dünnschichtmodule ist - entgegen mancher (auch von uns selbst geäußerter) negativer Prognosen - nicht zu Ende geschrieben.
Zusatz 2016
Im Gegenteil: Neue, vielversprechende Materialien wie mikromorphes Silizium (µ-Si, eine Kombination aus mikroskopisch kleinen kristallinen Siliziumpartikeln und einer amorphen Siliziumschicht) haben sich jüngst auf dem Modulmarkt etabliert.
Und gängige Dünnschicht-Technologien aus Cadmium-Tellurid und CIG-Halbleitern erzielen immer höhere und konkurrenzfähigere Wirkungsgrade: Im Labor bis zu 19%, ein Wert, der bereits auf dem Niveau multikristalliner Dickschicht-Module liegt.
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Dünnschichtmodule werden - mehr als dickschichtige monokristalline oder polykristalline Solarzellen - nicht allein aus Silizium, sondern auch aus alternativen Materialien gefertigt; eine größere Variabilität der Herstellungstechniken bewirkt auch eine größere Vielfalt der technischen Designs.
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Neben amorphem (nichtkristallinem) Silizium werden für Dünnschicht-Solarzellen auch mikrokristallines Silizium, Gallium-Arsenid, Cadmiumtellurid, Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen oder Kupfer-Zink-Zinnsulfid verwendet.
Zu den Nachteilen dieser Materialien gehört:
- Sie sind nicht nur - abhängig von den jeweiligen Weltmarktpreisen - zum Teil recht kostspielig, sondern sie sind vor allem teilweise auch giftig bis hochgiftig (Tellur, Selen, Arsen, Schwefel), - dies zieht erhöhte Sicherheitsmaßnahmen bei Transport und Verarbeitung sowohl der Rohmaterialien also auch der fertigen Dünnschichtmodule nach sich.
- Inwieweit solche Stoffe zudem unter Betriebsbedingungen von Dünnschichtmodulen (über zwanzigjähriger Gebrauch, Beanspruchung durch hohe Betriebstemperaturen, welchselnde Wetterlagen mit Winterkälte, Hagel, Regen-Outwash etc.) freigesetzt werden können, ist zur Zeit noch nicht abschließend geklärt.
- Dünnschichtmodule auf der Basis von CIS- oder CIGS-Solarzellen (aus Kupfer-Indium-Selen/Schwefel bzw. Kupfer-Indium-Gallium-Selen/Schwefel) sind unempfindlich gegen lichtinduzierte Degradation, gelten jedoch unter feuchtwarmen Bedingungen als instabil - sie bedürfen besonders wirkungsvoller und auch unter Dauerbetrieb robuster Versiegelung gegen Feuchtigkeit.
Eignung von Dünnschichtmodulen
Obwohl die Wirkungsgrade spezieller Bauformen von Dünnschicht-Solarzellen in Laborversuchen wie z.B. bei der Tandem-Zelle Rekordhöhen über 40% erreichen, sind industriell wirtschaftlich herstellbare Dünnschicht-Systeme von solchen Zahlen (noch) weit entfernt.
Gemessen an herkömmlichen kristallinen PV-Systemen liegen Dünnschicht-Solarzellen rund 50 - 80% unter deren Wirkung, nämlich bei durchschnittlichen 12-19% Wirkungsgrad gegenüber 16-19% bei polykristallinen, 18-23% bei monokristallinen Dickschicht-Systemen (Stand 2016).
Hieraus ergibt sich die folgende Faustregel:
Dünnschichtmodule bedürfen einer 1,2- bis 1,4fachen Fläche von Dickschichtmodulen, um dieselbe Menge Solarstrom zu erzeugen.
Besonders geeignet hingegen sind Dünnschichtmodule - genügend Platz vorausgesetzt - bei teilweiser Verschattung oder in Schwachlichtlagen (z.B. Nordhang).
Ob der Einsatz von Dünnschichtsolarzellen sich lohnt, hängt also von der individuellen Situation des Daches ab. Am besten lässt sich dies im Gespräch mit Ihrem Solarteur ermitteln.