Mehr Produktion, höherer Wirkungsgrad

Kategorie: 11 / 2009, Fachwissen & Technik Heiko Schwarzburger

Marktübersicht Dünnschicht: Rund 200 Dünnschichtmodule listet die Tabelle, viele aus schlüsselfertigen Fabriken von sogenannten Turnkey-Anbietern, die in den letzten zwei Jahren in Betrieb gegangen sind. Jetzt kommen weitere Technologien hinzu und die Märkte verlagern sich: Asien steigt zum wichtigsten Abnehmer neuer Fabriken auf.

Nicht zuletzt dank der Fortschritte in der Beschichtungstechnik werden Dünnschichtmodule effizienter und kostengünstiger. Hier die Anlage bei Inventux, die vor kurzem hochgefahren wurde.
Foto: Inventux

Diese Maschinen des Ausstatters Ulvac beschichten bei Nexpower in Taiwan die Module.
Foto: Nexpower

Der Damm ist gebrochen: Bisher wurde der Markt für Solarmodule weitgehend von der kristallinen Siliziumtechnik bestimmt. Seit Mitte 2008 hat sich allerdings die Dünnschichtproduktion weltweit rasant entwickelt. Fertigungskapazitäten für rund 800 Megawatt Solarmodule mit hauchfeinen Schichten aus Silizium, Cadmiumtellurid und auch aus den Kupfer-Indium-basierten CIS/CIGS-Halbleitern wurden binnen weniger Monate aus dem Boden gestampft. Seit Jahresbeginn kam eine Menge neuer Module auf den Markt, die wir in der nachstehenden Marktübersicht vorstellen.

Viele der Dünnschichtmodule stammen aus schlüsselfertigen Fabriken, die nach dem englischen Begriff oft mit „turnkey“ bezeichnet werden. Die Anbieter der Fabriken und der Maschinentechnik wetteifern um den technologischen Vorsprung, der sich in der Massenproduktion vor allem in reduzierten Kosten niederschlagen soll.

Neue Wirkungsgradrekorde

Im Mai verkündete Oerlikon Solar, dass die mikromorphen Tandemmodule aus der Pilotlinie in Trübbach an der Grenze zu Liechtenstein einen Wirkungsgrad von elf Prozent erreichen. Die 1,4 Quadratmeter großen Module liefern 115 Watt, als Anfangsleistung. Rechnet man die altersbedingte Leistungsverringerung bei Dünnschichtmodulen aus Silizium während der ersten 1.000 Betriebsstunden ein, kratzen die Schweizer trotzdem noch an der Zehn-Prozent-Marke. Bislang liegen Dünnschichtmodule aus Silizium bei sechs bis neun Prozent.

Auch bei den Dünnschichtmodulen, die kein Silizium nutzen, geht es voran. Im August meldete Centrotherm Photovoltaics in Blaubeuren, dass der Wirkungsgrad von CIGS-Zellen unter den Bedingungen der Massenfertigung auf 13 Prozent gesteigert wurde. Bei einem asiatischen Kunden wird derzeit die erste schlüsselfertige CIGS-Produktionslinie mit einer Jahreskapazität von mehr als 30 Megawatt hochgefahren. Bis Ende 2009 sollen die 1,5 Quadratmeter großen CIGS-Module massenhaft vom Band laufen, mit zwölf Prozent Energieausbeute.

Beide Meldungen beweisen: Beim schnellen Ausbau der Fertigungskapazitäten für Dünnschichtmodule und beim technischen Fortschritt spielen die Fabrikausstatter eine zentrale Rolle. Oerlikon und Centrotherm sind keine klassischen Hersteller von Modulen, sondern bieten schlüsselfertige Produktionslinien an.

Aufgrund der Finanzkrise haben zwar einige Hersteller von Solarzellen oder Modulen ihre Ausbaupläne gestreckt, weshalb die Bestellungen von einzelnen Maschinen zögerlicher eingehen. „Im Turnkey-Geschäft haben wir jedoch von höheren Auftragseingängen aus den Wachstumsmärkten profitiert“, resümiert Dietmar Roth, Chef des Fabrikausstatters Roth & Rau. „Wir werden im Gesamtjahr 2009 einen höheren Anteil des Turnkey-Geschäftes sehen.“

Roth & Rau ist vor allem in der kristallinen Siliziumtechnologie am Start, dehnt jedoch seine Aktivitäten zunehmend auf Cadmiumtellurid aus. Ein erster Auftrag von Millinet Solar in Südkorea zeigt, wo die Wachstumsmärkte liegen: unter anderem in Asien. Allerdings soll auch in Deutschland noch in diesem Jahr eine Pilotlinie für Cadmiumtellurid-Module aufgebaut werden.

Um technologisch auf der Höhe zu sein, hatte Roth & Rau kürzlich die Romaric Corporation in Salt Lake City im US-Bundesstaat Utah übernommen. Romaric ist auf das Management der Fertigung spezialisiert. Die Firma bietet Software zur Fabriksteuerung an. Die neuen Fabriken werden zunächst als Computermodell aufgebaut und durchgespielt, bevor man die Maschinentechnik in der Halle montiert. Romaric arbeitet bereits für Chipriesen wie AMD oder Intel. „Mittelfristig gleichen wir uns der Denkweise der Automobilindustrie an“, bestätigt Patrick Hofer-Noser, Boss von 3S Swiss Solar Systems in Lyss bei Bern. 3S ist vor allem mit Back-End-Systemen für kristalline und Dünnschichtmodule im Geschäft. Das Unternehmen bietet eine komplette Fertigungsstraße an. Die Laminatoren und Flasher sind auch für Dünnschichtmodule geeignet.

 

Wettlauf der Platzhirsche

Ziel der technologischen Jagd ist es, die Fertigungskosten pro Watt Solarleistung zu senken. Der Druck kommt von der scheinbar übermächtigen Konkurrenz: Der niedrige Preis für Silizium lässt die Preise für leistungsfähige kristalline Module purzeln. Deshalb müssen die Anbieter von Dünnschichtmodulen ihre Kosten noch stärker reduzieren, wollen sie ihre Paneele an die Kunden bringen. Die Phase des sogenannten „Ramp up“, die dem Produktionsstart vorausgeht, verkürzt sich zusehends, auf „sechs bis acht Monate“, wie Georg Büchel von Oerlikon Solar schätzt.

Der Konkurrent Applied Materials hatte für ENN Solar Energy in Langfang innerhalb von fünf Monaten eine komplette Fabrik für 60 Megawatt hingestellt. Im Frühjahr fuhren die Chinesen die Anlage an, um künftig Dünnschichtmodule in der Dual-Junction-Technologie (mikromorphe Tandemzellen) abzuscheiden. Applied bietet seine „SunFab“ mit Beschichtungskammern für Glassubstrate von 5,7 Quadratmetern Fläche an.

Oerlikon hingegen bleibt vorerst bei kleineren Modulen, „um den Flächenbedarf für die Maschinen und die damit verbundenen Investitionen zu begrenzen“, wie Büchel erläutert. Seine Chefin Jeannine Sargent kündigt an, 2010 die mikromorphen Module für 0,70 Dollar je Watt Spitzenleistung zu produzieren. Das entspricht 50 Eurocents, also der Hälfte der gegenwärtigen Kosten. In der Abscheidekammer KAI 1200 nutzen die Schweizer eine Frequenz von 40 Megahertz, um Plasma zu erzeugen und Silizium aus Silangas abzuscheiden. Gegenüber herkömmlichen Verfahren mit 13,56 Megahertz wurde die Abscheidungsrate verdoppelt und die Zykluszeit in der Kammer um 30 Prozent verringert. Aber die Konkurrenz schläft nicht: Christopher Beitel, Chef der Dünnschichtsparte bei Applied Materials, spricht davon, „kurzfristig Herstellungskosten von unter einem Dollar zu ermöglichen“.

Im ersten Quartal 2009 wurden in Deutschland einige neue Fertigungsstätten angefahren, die mittlerweile ihre Module auf den Markt werfen. Inventux hat mit der mikromorphen Technologie von Oerlikon neue Rekorde beim Wirkungsgrad vermeldet. Auch Schott Solar und Bosch Solar Energy, die frühere Ersol, nutzen das Equipment von Oerlikon. Beide Unternehmen sind in einer Entwicklungsallianz vereint. Bosch brachte das neue mikromorphe Modul Vega auf den Markt. Sunfilm und Signet Solar in Sachsen hingegen scheiden ihre großen Solarmodule auf „SunFab“-Anlagen von Applied Materials ab. Im Gegensatz dazu setzen Hersteller wie Mitsubishi, Kaneka oder Kyocera vor allem auf eigenes Know-how. Sharp greift auf umfangreiche Erfahrungen aus der Massenproduktion von Flachbildschirmen zurück. In der CIS-Technologie hat Avancis in Torgau eine eigene Fertigung entwickelt, auch Würth Solar und Sulfurcell nutzen eigenes Know-how. First Solar hütet seine Rezepturen wie seinen Augapfel, der Marktführer bei Cadmiumtellurid vergibt nicht einmal Lizenzen. „Einige Hersteller kaufen nur den Kernprozess“, analysiert Carolus Kerber, Technikchef beim Fabrikplaner IB Vogt in Berlin. „Dazu gehören die Plasmadeposition, das Laserprocessing und das Backend.“

Spezielle Ausrüstungen beispielsweise zur Kontaktierung der transparenten, leitfähigen Oxidschicht (TCO) zur Anbindung des Halbleiters an das Glassubstrat kauft man „best in class“ bei spezialisierten Anbietern. Oerlikon hat diese Lücke entdeckt und TCO-Beschichtungsanlagen in die Turnkey-Anlagen integriert. Als TCO kommt Zinkoxid zum Einsatz; spezielle Prozessparameter in der Beschichtung und Kontaktierung der beiden Oxidschichten auf der Frontseite und der Rückseite der Module erlauben eine besonders hohe Lichtausbeute. Oerlikon experimentiert bereits mit einem Interlayer zwischen der amorphen Oberzelle und der mikromorphen Unterzelle, um möglichst viel kurzwelliges Licht nach oben zu reflektieren und möglichst viel langwellige Strahlung in die Unterzelle durchzulassen.

 

CIGS-Turnkey in Deutschland

In Deutschland wurden seit 2006 große Kapazitäten in der Dünnschichttechnik aufgebaut. Nun verliert das Land seine Rolle als Leitmarkt im Geschäft mit Turnkey-Fabriken für Dünnschichtmodule aus Silizium.

Bei CIGS sieht es anders aus: Centrotherm hat gerade einen Vertrag mit dem Hamburger Projektentwickler Illies Renewables abgeschlossen, um eine 50-Megawatt-Fertigungslinie aufzustellen, im Magdeburger Stadtteil Rothensee. Die Auslieferung der Maschinen soll Anfang 2010 erfolgen. Der Auftrag ist 60 Millionen Euro schwer. Die CIGS-Technologie steht damit vor dem Sprung in die Massenproduktion, bisher ist sie vor allem im Labor erfolgreich. Centrotherm machte 2008 rund ein Drittel seines Umsatzes von knapp einer Milliarde Euro mit Turnkey-Anlagen, vor allem in der kristallinen Siliziumtechnik. Dünnschichtlinien steuerten rund 49 Millionen Euro bei. Im laufenden Geschäftsjahr erwartet Centrotherm deutlich mehr Aufträge aus diesem Segment. Vorsorglich hat die Firmentochter FHR Anlagenbau in Dresden ein 7.500 Quadratmeter großes Grundstück gekauft, um ihre Montagekapazitäten für die Sputtertechnik zu vergrößern, wie sie in Dünnschichtlinien zum Einsatz kommt.

Auch Roth & Rau stellt sich auf eine größere Nachfrage nach Dünnschichtfabriken ein: Im Februar übernahm das Unternehmen die CTF Solar GmbH in Kelkheim. CTF Solar stellt schlüsselfertige Produktionslinien für Cadmiumtelluridmodule her. Dort liegt die Messlatte besonders hoch, denn Branchenprimus First Solar hat bei den Kosten die Nase vorn und fertigt das Watt Solarleistung für rund 0,67 Euro. Roth & Rau hat den Dreh-

und Angelpunkt dieses Erfolges erkannt: Das Unternehmen will seine Kompetenzen in der Abscheidetechnik vergrößern und die Kammern künftig selbst herstellen. Die Abscheidekammern für Cadmiumtellurid machen rund 58 Prozent der Gesamtinvestition in eine Fertigungslinie aus. Konkurrenz kommt auch aus Übersee: Abound Solar in Fort Collins im US-Bundesstaat Colorado fuhr im April eine Cadmiumtelluridlinie an. Das Watt Solarleistung soll noch in diesem Jahr für unter einem Dollar (0,72 Cent) zu haben sein. Die Fabrik startet zunächst mit 35 Megawatt. Im kommenden Jahr sollen es schon 200 Megawatt werden, zu 0,90 Dollar (0,65 Euro) pro Watt, wie Vorstandschef Pascal Noronha bestätigt.

Fabriken für Asien

Die Fabrikausstatter sind die Ersten, die das Wachstum und die Aufholjagd neuer Märkte spüren. „Solarzellen kann man leicht transportieren, die schweren Module aber nicht“, erklärt Patrick Hofer-Noser von 3S. „Wenn man die Module mit dem Schiff nach Fernost schickt, wird viel Kapital über einen längeren Zeitraum gebunden. Deshalb entstehen die neuen Fabriken meistens dort, wo die Module später verkauft werden.“

Möglicherweise deutet sich eine Umkehr der Warenströme an. So werfen derzeit chinesische Anbieter ihre Module auf den europäischen Markt, weil der asiatische Heimatmarkt noch zu wenig abnimmt. Mit den sinkenden Kosten für die Module werden aber immer mehr Anlagen in Asien verkauft und installiert. Es ist gut möglich, dass die Chinesen im kommenden Jahr weniger exportieren, um die Nachfrage vor der eigenen Haustür zu bedienen und ihr Kapital noch schneller einzuspielen.

Kein Zweifel, Fernost ist in: Neben ENN hat jetzt der Solarhersteller GE die 2008 in Taoyuan errichtete „SunFab“-Linie zertifiziert und mit der Massenfertigung begonnen. Fast zeitgleich stieg Suntech in die mikromorphe Modulproduktion ein. Die Module erreichen zwischen sechs und neun Prozent Wirkungsgrad, bei 1,20 Dollar je Watt Fertigungskosten. Auch Suntech scheidet auf 5,7 Quadratmeter großen Substraten ab.

Das heißt, dass zunehmend in der PV erfahrene Firmen in neue Fabriken investieren. „Das war noch im vergangenen Jahr anders“, kommentiert Hofer-Noser. „Früher bestellten vor allem branchenfremde Investoren mit wenig Produktionserfahrung die Turnkey-Linien.“

Die Dünnschichttechnik boomt trotzdem; weltweit gibt es schon rund 200 Produzenten.

Nach Schätzungen des europäischen Industrieverbandes EPIA wird ihre Kapazität im nächsten Jahr auf vier Gigawatt steigen. Der Marktanteil der Dünnschichtmodule erreicht dann etwa ein Fünftel. „Mittelfristig wird er bei 30 Prozent liegen“, prognostiziert Patrick Hofer-Noser.

 

Dünnschichtproduzenten mit verschiedenen Maschinenausstattern (Auswahl)

Ramping Up

Mitarbeiter (Photovoltaik)

Firma

Produktionsort

Technologie

Produktionskapazität (MW)

Ausrüster

Turnkey

Start

abgeschlossen

insgesamt

F & E

alti-solar Co., Ltd

Korea (ROK)

Si

25

Ulvac

ja

2009

ja

k. A.

k. A.

Bangkok Solar Co., Ltd.

Thailand

Si

65

EnergoSolar

ja

2007

ja

450

30

BeyondPV Co., Ltd.

Taiwan

Si

15

Leybold Optics

ja

2009

ja

50

5

ENN Solar Energy Co., Ltd.

China

Si

80

Applied Materials

ja

k. A.

ja

250

80

Global Solar Energy, Inc.

USA, Deutschland

CIGS

75

k. A.

nein

2008

ja

230

40

Inventux Technologies AG

Deutschland

Si

33

Oerlikon u. a.

nein

2008

ja

170

50

Johanna Solar Technology GmbH

Deutschland

CIGSSe

30

k. A.

k. A.

k. A.

k. A.

130

k. A.

Kaneka Group

Japan

Si

70 (2010: 150)

eigene Entwicklung

nein

1999

ja

k. A.

k. A.

NexPower Technology Corp.

Taiwan

Si

87,5 (2010: 100)

Ulvac (PECVD)

nein

2008

nein

380

32

Odersun AG

Deutschland

CIS

25

verschiedene

nein

2009

nein

171

28

Polar Photovoltaics Co., Ltd.

China

Si

50

Polar

ja

2009

ja

400

20

QS Solar

China

Si

95

aus den USA

nein

2008

ja

300

30

Sharp Electronics

Japan

Si

160 (2010: 480)

eigene Entwicklung

nein

2005

nein

k. A.

k. A.

Sunfilm AG

Deutschland

Si

(2010: 145)

Applied Materials

k. A.

2007

nein

400

50

Sunner Solar Corporation

Taiwan

Si

25

Ulvac

ja

2009

ja

160

10

Suntech Power

China

Si

40

k. A.

k. A.

2009

ja

k. A.

k. A.

Würth Solar GmbH & Co. KG

Deutschland

CIGS

30

k. A.

nein

2006

ja

220

k. A.

Die Module der Hersteller unterscheiden sich auch, weil die Beschichtungsmaschinen von verschiedenen Ausstattern stammen (Quelle: Eigenauskunft der Produzenten). Abkürzungen: CIGS/CIGSSe/CIS: diverse Typen Kupfer-Indium-basierter Zellen; Si: amorphes Silizium und diverse Tandemtechnologien (mikromorph); F&E: Forschung und Entwicklung.

 


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