Technik von morgen oder Schnee von gestern?

Kategorie: 03 / 2012, Märkte & Trends Jonathan Gifford

Dünnschichttechnologie: CIGS-Anwendungen haben großes Potenzial, was Kosteneinsparungen, flexible Anwendungen und hohe Wirkungsgrade angeht. Zu beantworten bleibt jedoch die Frage, ob es auch für ein großes Produktionsvolumen und einen hohen Marktanteil reicht.

Bei Solar Frontier ist die Modulfertigung mit stark automatisierten Produktionsanlagen in großen Stückzahlen angelaufen.
Foto: Solarpraxis AG/Andreas Schlegel


Grafiken: Solarpraxis AG/Angelika Boehm

Miasolé bringt seine Module ins Feld, um eine Erfolgsbilanz vorzuweisen und Bankability zu erreichen. Hier eine Megawattanlage in Wales.
Foto: Miasolé

Auch wenn das alte Zitat von Winston Churchill über Russland oft übermäßig bemüht wird, ist es immer noch ein gutes Zitat. Die Äußerung „Russland ist ein Rätsel umgeben von einem Mysterium innerhalb eines Geheimnisses“ ist sicherlich ein kluger Satz. Und er lässt sich auch sehr gut auf die CIS/CIGS-Technologie anwenden. CIS/CIGS steht für Kupfer, Indium, Gallium und (Di)Selenid.

Einerseits erreicht CIGS im Labor Zellwirkungsgrade, die mit kristallinen Siliziumzellen mithalten können, andererseits konnten diese Wirkungsgrade in der Produktion noch nicht umgesetzt werden. Schon gar nicht in größeren Mengen. Die CIGS-Abscheidung ist bei einer Reihe flexibler Substrate und fürverschiedene Applikationen anwendbar. Vielversprechende Anwendungen gibt es etwa im Bereich der gebäudeintegrierten Photovoltaik (BIPV) oder im Transportsektor. Bezüglich der Lebensdauer dieser Produkte gibt es jedoch Bedenken. Und während einige Modulhersteller den Markteinstieg oder die Expansion ihres CIGS-Geschäfts planen, wirft die Pleite von Solyndra einen großen Schatten auf die Ambitionen möglicher Hersteller.

„Das Potenzial von CIGS ist immer noch riesig“, sagt Veit Robert Otto, Research Consultant bei EuPD Research. „Viel wichtiger ist die Frage: Kann dieses Potenzial genutzt und umgesetzt werden?“ Angesichts der Solyndra-Pleite scheint diese Frage aktueller denn je.EuPD Research bleibt bezüglich des möglichen CIGS-Marktanteils zuversichtlich und prognostiziert für 2015 fünf Prozent von 30,4 Gigawatt.

Die CIGS-Marktanalyse von Lux Research zeigt ebenfalls ein rasantes Wachstum. Im jüngsten im Januar 2012 veröffentlichten Bericht schätzt das Unternehmen, dass sich der jährliche Markt für CIGS-Anlagen bis zum Jahr 2015 auf bis zu 2,35 Milliarden US-Dollar verdoppeln wird. Auch die Analysten von Nanomarkets blicken optimistisch in die Zukunft der CIGS-Branche. Im September 2011 haben sie ein Weißbuch veröffentlicht, in dem sie ein weltweites Marktvolumen von fünf Milliarden US-Dollar im Jahr 2018 prognostizieren. Zum Vergleich: Im Jahr 2009 belief sich die CIS/CIGS-Leistung auf ein mageres Prozent der Jahresproduktion von 7,9 Gigawatt. 2010 waren es bereits zwei Prozent einer Jahresproduktion von 17,4 Gigawatt.

Während die Modulwirkungsgrade bereits 13 Prozent überschreiten und einige Hersteller von Zellwirkungsgraden bis 18 Prozent sprechen, könnte sich das Wachstum des CIGS-Marktes zuungunsten des Dünnschichtrivalen Cadmiumtellurid entwickeln. CIGS bietet gegenüber der Cadmiumtellurid-Technologie einen Vorteil beim Wirkungsgrad, der sich bei der Übernahme von Marktanteilen als entscheidend erweisen könnte. Zudem sind die CIGS-Wirkungsgrade bei der Anwendung auf flexiblen Substraten viel höher als die organischer oder farbstoffsensibilisierter Zellen. Der Modulwirkungsgrad ist jedoch nicht die einzige Stärke, wie CIGS-Hersteller betonen.

CIGS-Module liegen bei der Kilowattleistung pro Stunde meist über der Siliziumkonkurrenz, da die Module bei schwachem Licht und höheren Temperaturen mehr Strom liefern. Das sind „mehr Kilowattstunden pro Watt Peak“, so Brooks Herring vom japanischen CIGS-Hersteller Solar Frontier. „Das erhöht den Ertrag und den internen Zinsfuß, was wiederum mehr potenzielle Investoren anlockt.“ Die CIGS-Hersteller geben zudem an, dass auch die Produktionskosten niedrig gehalten werden können und dadurch größere und nachhaltigere Kostensenkungen möglich sind. Sie beziehen sichdabei auf die niedrigeren zur Abscheidung benötigten Temperaturen, auf dünnere Halbleiterschichten bei der Abscheidung und auf die Unabhängigkeit von den Siliziumpreisen. Innovative Abscheidungstechniken, wie Druck- oder Rolle-zu-Rolle-Verfahren, können die Kosten weiter reduzieren. Nanosolar prognostiziert, dass die Produktionskosten innerhalb von einigen Jahren so weit gesenkt werden können, dass sie den Schwellenwert von 0,60 US-Dollar pro Watt unterschreiten.

In der gegenwärtigen Marktsituation herrscht jedoch ein großes Überangebot, und Siliziumengpässe scheinen der Vergangenheit anzugehören, sagt Otto von EuPD. Dadurch erweise sich die Finanzierung von CIGS-Kapazitätserweiterungen als schwierig. Während bei derKostenreduzierung vor allem die Menge ausschlaggebend ist, gibt es weltweit nur wenige Anbieter mit einer CIGS-Produktionskapazität von mehr als einem Gigawatt. Vor diesem Hintergrund ist trotz aller Schwierigkeiten seit kurzem deutliche Bewegung auf dem CIGS-Markt zu erkennen. Unter den Herstellern sind zwei ostasiatische Unternehmen, die dabei sind, Volumen zu produzieren, die deutliche Kostensenkungen mit sich bringen können.

Die wichtigsten Entwicklungen

Das japanische Unternehmen Solar Frontier macht kein Geheimnis aus seiner Sympathie für CIGS, das vom Unternehmen trotz der Verwendung von Gallium bei der Fertigung CIS genannt wird. Die 900-Megawatt-ProduktionsanlageKunitomi ist kurz davor, mit voller Kapazität zu arbeiten. Zwar teilt das Unternehmen die Höhe seiner aktuellen Kapazität nicht mit, gab jedoch Ende Juli bekannt, dass alle Produktionslinien angelaufen seien. Nach nunmehr 20 Jahren ausschließlicher CIGS-Forschung entschied Solar Frontier, seine Produktion stark auszubauen und eine 900-Megawatt-Anlage in der im Süden gelegenen Stadt Miyazaki zu errichten. Herring erklärt, dass Solar Frontier mit der Errichtung einer ersten 20-Megawatt- und einer zweiten 60-Megawatt-Anlage das nötige Vertrauen in die eigenen Fähigkeiten gewonnen habe. Die Produktion stark auszubauen sei schlicht „der richtige nächste Schritt“.

Wahrscheinlich hat Solar Frontier nicht vorausgesehen, dass die Produktion der stark automatisierten Anlage zu einer Zeit anfahren würde, in der die Modulpreise im Keller sind und es auf dem Markt ein großes Überangebot gibt. Die Produktionsaufnahme fiel zudem mit dem Ende der Siliziumknappheit zusammen. Herring erklärt jedoch, dass es in solch einem „herausfordernden Umfeld“ nützlich sei, langfristig zu denken. „Gewiss ist es heute schwierig. Wir denken jedoch, dass wir langfristig gut positioniert sind, um erfolgreich zu sein. Die Menschen orientieren sich an Kilowattstunden, und unsere Technologie bietet das.“ Der taiwanesische Halbleiterpionier TSMC Solar richtet ebenfalls gerade seine CIGS-Fabrik ein. TSMC hofft, im Jahr 2015 bei vollem Betrieb eine Produktionskapazität von einem Gigawatt zu erreichen. Für das Jahr 2012 strebt das Unternehmen eine Produktionskapazität von 100 Megawatt an, mit einer späteren Erweiterung auf 300 Megawatt. Präsident und Geschäftsführer Rick Tsai beschreibt die vierstöckige Fabrik in Taichung als „Wunder der Automatisierung“. TSMC strebt Modulwirkungsgrade von zwölf Prozent an, wenn die Anlage die kommerzielle Produktion im ersten Quartal 2012 aufnimmt, sowie einen Anstieg auf 14 Prozent Wirkungsgrad im Jahr 2014.

TSMC Solar hat im Mai 2011 zudem sein eigenes Forschungs- und Entwicklungslabor am Standort Taichung eingerichtet. Die Laborarbeit an einer 30x30-Zentimeter-Minimodullinie und an erweiterten Analysetools hat bereits begonnen. Ying-Chen Chao, Präsident von TSMC Solar, meint, dass CIGS mit„den führenden c-Si-Anbietern und anderen Dünnschichttechnologien“ mithalten könne.

Es ist zu erwähnen, dass sowohl Solar Frontier als auch TSMC Solar beide finanzstarke Muttergesellschaften im Rücken haben und damit mögliche Durststrecken überstehen können. Aber auch einige kleinere Hersteller mit kleineren Kapazitäten in Asien, Europa und den USA setzen auf CIGS-Technologie, und zwar sowohl bei flexiblen Anwendungen als auch bei verschiedenen Abscheidungstechniken.

Flexible Anwendungen

Ein großer Vorteil der dünnen Schicht des CIGS-Halbleitermaterials besteht darin, dass das Material nicht nur auf Glas abgeschieden werden kann. Flexible Substrate bergen Potenzial für die Technologie und eine echte Differenzierungsmöglichkeit von der Siliziumkonkurrenz. Anwendungen für flexible Substrate könnten bei einer Reihe von kommerziellen Dach- oder Transportlösungen zum Einsatz kommen, darunter Membrandächer, Werks- und Lagerdächer mit Gewichtsbeschränkungen und sogar Dächer von Zügen und Bussen. Nach Überzeugung von CIGS-Entwicklern und -Befürwortern wie Ascent und Global Solar hat CIGS das Potenzial, in ein ganz anderes Marktsegment vorzustoßen und somit dem starken Preiswettbewerb und dem Überangebot auf dem Glasmodulmarkt auszuweichen.

Die langfristige Leistung und die Lebenszeit von flexiblen Zellen wird als mögliche Hürde für Hersteller, die mit flexiblen Anwendungen arbeiten, angeführt. Global Solar Energy kooperiert laut Chief Sales Officer Jean-Noel Poirier für die Verkapselung der Zellen mit einem „sehr seriösen Unternehmen“. In den USA und der EU hat das Unternehmen bereits Zertifizierungen für seine Sechs-Meter-Powerflex-Module erhalten. Mögliche zusätzliche durch die Laminierung anfallende Kosten könnten den Preis der flexiblen Module erhöhen und werden auch als Erfolgshindernis angeführt. Global Solar berichtet allerdings, dass sich mehr Unternehmen dem Marktsegment für Laminierungslösungen zuwenden und daher in Zukunft ein steigender Wettbewerb zu Einsparungen führen kann.

Im August 2011 hat sich die chinesische TFG Radiant Group dazu verpflichtet,165 Millionen US-Dollar in eine Fertigungsanlage zu investieren, um im Gegenzug das Recht zu erhalten, die CIGS-Produktion von flexiblen Substraten von Ascent Solar in Südasien zu übernehmen. TFG Radiant plant den Bau einer Anlage mit einer Produktionskapazität von 100 Megawatt bis Ende 2013. Im Rahmen der Vereinbarung hat TFG Radiant auch in Ascent investiert und damit das Recht auf eine zukünftige Erweiterung der Produktionskapazität erworben. Dieser Deal zeigt eine kreative Möglichkeit auf, wie CIGS-Entwickler Produktionskapazität durch eine Kombination aus eigener und lizenzierter Fertigung erreichen können. Ron Eller, Präsident und Geschäftsführer von Ascent, erläutert die Strategie: „Die Solarbranche ist kapitalintensiv und wir sind überzeugt, dass insbesondere bei neuen Technologien jene zu den Gewinnern zählen werden, die eine große Produktionskapazität haben.“

Gebäudeintegriert

Für BIPV-Systeme scheinen flexible Anwendungen enormes Potenzial zu bieten. Nanomarkets sagt voraus, dass der Marktanteil herkömmlicher CIGS-Module von 98 Prozent auf 66 Prozent im Jahr 2018 sinken wird, während BIPV annähernd entsprechend wachsen wird. Das bedeutet eine Umsatzsteigerung von knapp 175 Prozent, die überwiegend durch flexible Anwendungen erreicht wird. Global Solar Energy zeigt sich für die Fortsetzung seiner neuesten Kapazitätserweiterungen und das Erreichen eines bedeutenden BIPV-Marktanteils gut aufgestellt. Mit fast fieberhafter Aufregung führte die Dow Chemical Company die Solarschindel von DowPowerhouse im Oktober 2011 auf einigen US-Märkten ein. Die Photovoltaikkomponenten in den Schindeln kommen dabei von Global Solar Energy. Dow Chemicals will „das Dach im 21. Jahrhundert neu erfinden“ und erklärt, dass die Solarschindeln Kunden gewinnen werden, die zwar Solarenergie wünschen, „aber nicht gewillt sind, die Komplexität und das nicht unbedingt attraktive Erscheinungsbild der aktuellen sperrigen und auf Rahmen montierten Systeme zu akzeptieren“. Die Schindeln integrieren ein „PV-Fenster“ in das traditionelle Dachschindel-Design.

Gedruckte CIGS-Zellen

Die Produktion mit innovativen Abscheidungstechniken entwickelt sich auch im CIGS-Bereich. Während die CIGS-Produktion und sogar die Photovoltaik im Allgemeinen nach der Pleite von Solyndra und dem Verlust von öffentlichen Mitteln in Höhe von mehr als 500 Millionen US-Dollar in den USA einen großen Vertrauensverlust erlitten hat, konnte das texanische Unternehmen Heliovolt kürzlich neue private Investoren gewinnen. Im Oktober 2011 hat das Unternehmen 85 Millionen US-Dollar aufgebracht, von denen 50 Millionen US-Dollar vom südkoreanischen Unternehmen SK International stammen.

Die Investition ist für die Expansion des Fertigungsbereichs von Heliovolt in Austin bestimmt, der kürzlich vom Gründer und Vorsitzenden B. J. Stanbery in einem Radiointerview als gegenwärtig „relativ begrenzt“ beschrieben wurde. Darauf bedacht, der Konkurrenz keine Informationen preiszugeben, ist Heliovolt sehr zurückhaltend, was eine Stellungnahme zur Produktionskapazitätund zum Strategieplan angeht. Nanosolar, Hersteller von flexiblen CIGS-Modulen auf bedruckten Folien im Nicht-Vakuum-Verfahren, arbeitet ebenfalls mit einer Form des Abscheidungsdrucks und gibt seit kurzem Informationen über Installationen und Wirkungsgrade preis. Anfang Oktober des letzten Jahres bescheinigte das National Renewable Energy Laboratory (NREL) Nanosolar einen Zellwirkungsgrad von 17,1 Prozent. Nanosolar gibt an, dass sein Druckverfahren kostengünstiger sei als die vakuumbasierte CIGS-Abscheidung. Seit 2010 steigert das Unternehmen seine Produktionskapazität. Inzwischen sollte Nanosolar eine Kapazität von 115 Megawatt erreicht haben.

Beratung durch Intel

Der kalifornische Hersteller Miasolé hat zwar nicht die glatteste oder schnellste Entwicklung im CIGS-Bereich durchgemacht, konnte kürzlich jedoch wesentliche Verbesserungen bei der Produktionseffizienz und den Produktionskosten vermelden. Gegenwärtig liegt der Schwerpunkt auf Verbesserungen der Abscheidungs- und Zelltechnologie und der Fertigungsverfahren sowie dem Erreichen einer Erfolgsbilanz und somit der Bankability. Vom CIGS-Start-up-Unternehmen aus dem Silicon Valley gab es erst kürzlich Erfolgsmeldungen. Im Oktober 2011 gab das Unternehmen eine Erhöhung des Modulwirkungsgrads um 25 Prozent und eine Reduzierung der Kosten pro Watt um einen noch größeren Wert bekannt. Zusätzlich berichtet das Unternehmen, dass die Massenproduktion von Modulen mit einem Wirkungsgrad von 13 Prozent im Gange sei.

Nach Aussage von Rob DeLine, Vice President Marketing bei Miasolé, liegt das teilweise an dem einzigartigen Fertigungsdeal mit dem Computerchip-Giganten Intel. Im April verkündeten die beiden Unternehmen ein Abkommen, in dessen Rahmen zwölf Intel-Mitarbeiter über einen Zeitraum von einem Jahr nach Verbesserungsmöglichkeiten suchen und Miasolé bei der erfolgreichen Produktionsskalierung unterstützen. Unter den wachsamen Augen von Intel hat sich Miasolé ehrgeizige Ziele gesteckt: Wirkungsgrade von 14 Prozent für weniger als 0,85 US-Dollar pro Watt und eine Kapazität von 150 Megawatt zum Ende des Jahres 2011. Innerhalb der zwei Jahre, in denen Miasolé kommerziell produziert, hat das Unternehmen Module von insgesamt 55 Megawatt ausgeliefert, so DeLine. Er fügt hinzu, dass man nun mit größeren Projekten versuche, sich einen Namen zu machen und Bankability zu erreichen.

Für CIGS als relativen Neuling in der Photovoltaikbranche wird die Bankability vorerst ein entscheidender Faktor bleiben. Mehrere größere Anwendungen entstehen jedoch bereits. Herring von Solar Frontier erwähnt ein vom Unternehmen beliefertes Zehn-Megawatt-Projekt in Saudi-Arabien sowie die erste eigene Anlage des Unternehmens, ein Ende Oktober fertiggestelltes 4,2-Megawatt-Kraftwerk in Frankreich.

Q-Cells gab ebenfalls im Oktober die Fertigstellung eines 20,8-Megawatt-Solarparks bekannt, bei dem 200.000 der Solibro-CIGS-Module des Unternehmens zum Einsatz kamen. Q-Cells räumt jedoch ein, dass seine Solibro-CIGS-Produktion bei 80 Megawatt liege, also unter der zuvor vom Unternehmen angekündigten Leistung von 135 Megawatt. Das könnte ein Zeichen dafür sein, dass Q-Cells eine schwache Nachfrage erlebt und folglich seine Pläne zur Ausweitung der Produktion auf 500 Megawatt zunächst auf Eis gelegt hat.

Die meisten Hersteller, die auf die Produktion von CIGS-Dünnschichtmodulen setzen, sind weiterhin optimistisch, dass sie die richtige Strategie verfolgen. Nanomarkets geht allerdings davon aus, dass von den rund 50 um den CIGS-Markt kämpfenden Unternehmen mittelfristig viele verschwinden werden. Offensichtlich sind Firmen mit großzügigen Mutterunternehmen beziehungsweise Einnahmequellen außerhalb der CIGS-Branche gut fürs Überleben gewappnet. Das ehrgeizige Unternehmen Solyndra ist bekanntlich abgestürzt. Das bedeutet jedoch keinesfalls, dass auch die gesamte CIGS-Technologie mit ihrem nicht verwirklichten Potenzial in dieselbe Richtung steuert.

CIS/CIGS-Moduleffizienz nach Hersteller (> 30 MW Produktionskapazität)

Firma

Avancis

Global Solar Energy

Nanosolar

Solar Frontier

Solibro (Q-Cells)

TSMC

Effizienz

12,60%

10,60%

11,60%

13,40%

13,40%

12%*

Substrat

Glas

Flexibel (rostfreie Edelstahlfolie)

Flexibel (Aluminiumfolie)

Glas

Glas

Glas

bestätigt von

TÜV Rheinland

NREL/Fraunhofer ISE

Fraunhofer ISE

CIS/CIGS-Moduleffizienz nach Hersteller (5 bis 30 MW Produktionskapazität)

Firma

Axuntek Solar Energy

Honda Soltec

Heliovolt

Miasolé

Soltecture (Sulfurcell)

Würth Solar

Effizienz

12%

13%

11,80%

14,30%

13,20%

14%**

Substrat

Glas (flexibel in F&E)

Glas

Glas

rostfreier Edelstahl

Glas

Glas

bestätigt von

NREL

NREL

TÜV Rheinland

*Geschätzt für Q1 2012. **In Kooperation mit Manz und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW). Weitere Grafiken und Tabellen zum Artikel finden Sie auf unserer Website www.photovoltaik.eu mit dem Webcode 0057.


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