Großer Schritt für CIGS-Dünnschicht

800 Tonnen wiegt das Produkt, das Hartmut Gross verkauft. Und wenn der Bereichsleiter der Dünnschichtsparte von Centrotherm daran entlangläuft, dauert es gut und gerne 20 Minuten. Die Fabrik ist groß und komplex. Zeitweise waren 70 Menschen damit beschäftigt, die 60 Maschinen vor Ort zusammenzubauen. Es ist die erste schlüsselfertige Fabrik für Kupfer-Indium-basierte CIGS-Dünnschichtmodule.

Zur Erinnerung: Es waren die schlüsselfertigen Anlagen für die Produktion von Silizium-Dünnschichtmodulen, die es branchenfremden Investoren erlaubten, in die Photovoltaik einzusteigen. Das löste vor zwei Jahren den ersten Dünnschicht-Boom aus, mischte den Dünnschicht-Markt komplett auf und ist dafür verantwortlich, dass diese Module jetzt preiswert zu haben sind. Gross antwortet deshalb auf die Frage, ob der Centrotherm-Fabrik Ähnliches auf dem bisher eher behäbigen CIGS-Markt gelingen werde, konsequenterweise: „Davon gehen wir aus.“

Das ist nicht zuletzt deshalb sehr interessant, weil die CIGS-Zellen im Labor schon lange den Wirkungsgradrekord unter den Dünnschichttechnologien halten. Die Konkurrenz für die Silizium-Dünnschicht könnte außerdem schneller kommen, als viele erwarten. Mitte Januar meldete Centrotherm, dass die neue Fabrik, die in Taiwan steht, bereits die ersten Module produziere.

Damit tritt die zweite der Dünnschichttechnologien in den Wettkampf ein, den Applied Materials, Oerlikon Solar, Ulvac und einige andere Anbieter im Bereich Silizium-Dünnschicht eröffnet haben. Seit zwei Jahren verkaufen und bauen sie eine schlüsselfertige Fabrik nach der anderen. Nicht ohne Grund. Die Solarproduktion ist nach Ansicht von Henning Wicht, Analyst bei iSuppli Deutschland, immer noch ein langfristig attraktiver Markt, und Turnkey-Anbieter geben Neueinsteigern in die Branche die Garantie, „dass sie mit gegebenem Invest einen garantierten Output erreichen“. Wer Turnkey kauft, bekommt auf einen Schlag die gesamte Anlage samt Garantie hingestellt. Wer hingegen die Technologie selbst entwickelt, geht ein hohes Risiko ein, teure Irrwege einzuschlagen. Centrotherm erwartet von seinen Kunden nicht einmal besonderes CIGS-Know-how. „Wir erwarten nur eine Mannschaft, die in der Lage ist, 60 Maschinen nach Anleitung von uns handhaben zu können“, sagt Gross. Wie erfolgreich diese neue Fabrik von der Stange werden wird, können jedoch auch Analysten noch nicht einschätzen.

Die Konkurrenz schläft nicht

CIGS steht für Kupfer, Indium, Gallium und Selen oder Schwefel, wobei nicht immer alle Elemente enthalten sein müssen. Manche Hersteller nutzen außer Kupfer und Indium nur Selen, andere nur Schwefel, wieder andere mischen beide Elemente in den Absorber. Für die verschiedenen Typen kursieren unterschiedliche Abkürzungen, als Oberbegriff gilt die Abkürzung CIS. Es gab bisher noch keine CIGS-Turnkey-Fabrik zu kaufen, die wie die Centrotherm-Anlage sämtliche Prozessschritte abdeckt – Gross sagt dazu: „Glas rein und hinten das Modul raus“. Doch ganz luftleer ist der Raum nicht, in dem sich das Unternehmen bewegt. Henning Wicht schätzt den Dünnschichtanteil am Modulweltmarkt für 2013 auf rund 30 Prozent, und darum streiten sich starke Wettbewerber.

Die Dünnschichtmodule der Firma First Solar aus Cadmiumtellurid gelten dabei als Preisbrecher, nach Angaben von First Solar sind die Produktionskosten mit weniger als einem Dollar pro Watt produzierter Modulleistung sehr niedrig. Gleichzeitig haben sie einen für Dünnschicht hohen Wirkungsgrad von fast elf Prozent. Die andere Gruppe Firmen, die im Wettbewerb mit potenziellen CIGS-Investoren steht und auf Silizium-Dünnschichtmodule setzt, hat in den letzten Jahren ihre Kapazitäten kräftig ausgebaut. Sie kommt heute mit Tandemzellen auf Wirkungsgrade von bis zu neun Prozent (siehe photovoltaik06/2009). Über die Produktionskosten gibt es keine offiziellen Verlautbarungen, doch sie dürften noch um einiges über denen von First Solar liegen. Direkt im Wettbewerb mit zukünftigen Centrotherm-Kunden stehen Firmen, die CIGS- oder ähnliche Kupfer-Indium-basierte Module mit eigener Technologie produzieren (siehe photovoltaik02/2009), mit Modulwirkungsgraden von bis zu zwölf Prozent. Alleine die Firmen Nanosolar, Showa Shell, Solibro und Misaole könnten nach Wichts Einschätzung in den nächsten Jahren jeweils Produktionslinien für 100 bis 150 Megawatt aufbauen.

Allerdings hat Centrotherm bereits gezeigt, wie schnell die Firma aufholen kann. Die Firma aus Süddeutschland, die vor allem bekannt ist für schlüsselfertige Anlagen zur Produktion kristalliner Zellen, stieg erst 2007 in das Dünnschichtgeschäft ein. Die Pilotlinie läuft seit Anfang 2009, nach einem Wirkungsgrad von anfänglich sechs Prozent erreichen die Ingenieure bereits nach einem guten halben Jahr über zehn Prozent auf 30 mal 30 Zentimeter großen Modulen. Der Wirkungsgrad variiert dabei über die Modulfläche. An einigen Stellen wurden nach Centrotherm-Aussage sogar 13 Prozent Zellwirkungsgrad erreicht. „Sie wurde mit dem gleichen Prozess hergestellt, den wir in der Massenproduktion verwenden“, erklärt Gross. Deshalb sollte es möglich sein, später in der Serienfertigung sehr gute Wirkungsgrade zu erreichen.

Das liegt auch am Produktionsprozess, mit dem sich Centrotherm von den anderen CIGS-Produzenten unterscheidet. Laut Gross’ Aussage ist er einmalig. Die entscheidenden Schritte fänden nicht mehr im Vakuum statt und gingen viel schneller – das heißt billiger – als mit den bisher verwendeten Prozessen.

Spezieller Produktionsprozess

Die CIGS-Schicht ist ein sogenannter Verbindungshalbleiter, den Kupfer, Indium, Gallium und Selen bilden. Während Silizium in Silizium-Dünnschichtzellen in seiner elementaren Form schon die gewünschten halbleitenden Eigenschaften hat und allenfalls noch mit einigen Fremdatomen dotiert werden muss, wie Experten sagen, müssen sich die Elemente der CIGS-Schicht erst in der Produktion zu dem Halbleiter verbinden. Das eröffnet einerseits die Freiheit, durch Veränderung der Zusammensetzung die Effizienz nach oben zu treiben. Es verursacht aber andererseits die Schwierigkeit, auf großen Flächen Schichten zu erzeugen, die – wichtig für den Wirkungsgrad – überall gleich gut sind, da man die Konzentration der Schichtbestandteile nicht leicht steuern kann.

Um die CIGS-Halbleiterschichten zu erzeugen, gibt es mehrere Möglichkeiten. Den höchsten Wirkungsgrad erreichen Experten im Labor, wenn sie die chemischen Elemente erhitzen und zusammen auf einer Unterlage, dem Substrat, aufdampfen. Die Elemente setzen sich dann gleich in der richtigen Anordnung zu dem gewünschten Verbindungshalbleiter zusammen. Mit dieser Koverdampfungstechnik hat Miguel Contreras vom U.S. National Renewable Energy Laboratory NREL bei Denver die Grenze von 20 Prozent Wirkungsgrad geknackt, und die Q-Cells-Tochter Solibro und Würth Solar nutzen diese Technologie in der Massenproduktion. Sie erreichen dabei zwölf Prozent Effizienz. „Sie können zwar sehr gute Wirkungsgrade erreichen, müssen aber lange Prozesszeiten in Kauf nehmen“, gibt Gross zu bedenken.

Hersteller, die diese Technologie nutzen, sind zerrissen zwischen der Anforderung, einerseits schnell zu produzieren und andererseits eine hohe Qualität zu erreichen. Allerdings hängt das nach Einschätzung von Miguel Contreras von der Technik der Verdampfungsöfen ab. „Mit der richtigen Ausrüstung kann der Prozess sehr schnell sein“, sagt er. Lange Zeit war es schwierig, geeignete Verdampfungsöfen zu kaufen. Doch das ändere sich gerade. Zunehmend stünden Anlagen aus anderen Bereichen für die Produktion von CIGS-Schichten zur Verfügung.

Da die Koverdampfungstechnik Tücken hat, nutzen etliche Firmen sogenannte sequenzielle Prozesse. Dazu bringen sie Kupfer, Indium und Gallium auf. In einem zweiten Schritt wird die unfertige Zelle unter Zugabe von der gasförmigen Verbindung Selenwasserstoff erhitzt, bis sich die Substanzen zu dem Halbleiter verbinden. Das dauert auch relativ lange. „Das Gallium hat die Tendenz, bis zur Rückseitenelektrode zu diffundieren“, erklärt Gross. Das senke den Wirkungsgrad.

Centrotherm nutzt jetzt zwar auch einen sequenziellen Prozess, nach Gross’ Aussage aber ohne die bisher damit verbundenen Nachteile. Die Firma dampft noch vor dem zweiten Schritt das Selen auf, und zwar nicht im Vakuum und nicht aus einer Verbindung, sondern als reines chemisches Element. Erst dann erhitzt sie das Substrat mit den aufgebrachten Metallen auf 500 Grad, bis sich die Elemente zum CIGS-Halbleiter verbinden. Auch das geschieht nicht im Vakuum. „Dadurch, dass wir mit elementarem Selen arbeiten, muss kein Selenwasserstoffmolekül aufgespalten werden und das Selen dringt schneller in die Schicht ein“, erklärt er. „Wir verwirklichen damit Taktzeiten von 60 Sekunden pro 1,5 Quadratmeter Substrat. Jeder andere Prozess braucht deutlich länger.“ Dass der Prozess so schnell geht, hat einen guten Nebeneffekt. Das Gallium hat keine Zeit, wie bei den anderen sequenziellen Prozessen zur Rückseitenelektrode zu diffundieren.

Flächen noch zu klein

Noch probt Centrotherm in der eigenen Pilotlinie, die jedoch nur 30 mal 30 Zentimeter große Flächen beschichtet, im Gegensatz zu den 1,1 mal 1,4 Metern der Turnkey-Fabrik, die in Taiwan aufgebaut wurde. Auf der PVSEC in Hamburg stellte die Firma Ergebnisse vor, nach denen diese 30 mal 30 Zentimeter großen Module im Schnitt einen Wirkungsgrad von 11,2 Prozent haben. Das ist weniger als der Wirkungsgrad bereits auf dem Markt befindlicher Module. Trotzdem ist Hartmut Gross der Meinung, konkurrenzfähig zu sein. Das Ziel sind zwölf Prozent auf großen Modulen bis 2011.

Einige Indizien sprechen dafür, dass das Ziel erreichbar ist. Erstens haben die Centrotherm-Entwickler nach dem Sprung von 0,5 Quadratzentimeter großen Laborzellen auf die 30 mal 30 Quadratzentimeter der Pilotlinie die zehn Prozent Wirkungsgrad in sehr kurzer Zeit erreicht. Das ist immerhin eine Vergrößerung der Fläche um mehr als das 1.000-Fache. Der Produktionsstandard mit 1,5 Quadratmetern ist dagegen nur noch rund 15 mal größer als das 30 mal 30 Quadratzentimeter große Modul der Pilotlinie, so dass der jetzt notwendige Sprung einfacher werde. Außerdem schwankt der Wirkungsgrad nach Firmenaussagen nur wenig, wenn man die Modulfläche betrachtet. Wenn es also gelingt, 30 mal 30 Quadratzentimeter gleichmäßig gut zu beschichten, sollte das auch auf der größeren Fläche möglich sein, schreiben die Autoren in der PVSEC-Veröffentlichung.

„Wir beachten dazu die drei goldenen Regeln“, erklärt Gross. Regel eins: Die Beschichtung erfolgt mit einem über die Fläche homogenen Kupfer-Indium-Verhältnis. Das gehe mit den Sputter-Maschinen, die die Elemente zerstäubten, um sie aufzutragen, mit einer Abweichung von nur drei Prozent nach oben und unten. Regel zwei: Die Temperatur im zweiten Prozessschritt ist über die Fläche möglichst konstant. Regel Nummer drei: Das Selen ist möglichst gleichmäßig über der Fläche verteilt. Das sei mit dem neuen Prozess sehr gut zu erreichen. „Wir können sicherstellen, dass unsere Forderung, dass die Abweichungen kleiner als drei Prozent sein sollen, sehr gut einzuhalten ist“, sagt Gross. „Das geht mit den anderen Technologien, die Vakuum benutzen, nicht ohne weiteres.“

Wirkungsgrad-Versprechen

Der Kunde in Taiwan – Centrotherm verrät den Namen zwar nicht, doch laut IT-Nachrichtendienst Digitimes hat kürzlich Sunshine PV in Taiwan solch eine Anlage installiert – hat die Garantie, dass die Anlage Module mit zehn Prozent Wirkungsgrad produziert. Die Ausbeute soll gut sein, heißt es, wie gut, verrät das Unternehmen aber nicht. Das macht es schwer, das Potenzial abzuschätzen. Denn die Ausbeute ist der zweite wichtige Parameter einer Modulfabrik. Er beschreibt, wie viele der hineingegebenen Glasplatten die Fabrik als fertige und gute Module wieder verlassen. Nächstes Jahr sollen die vertraglich festgehaltenen Ziele erreicht werden. Für nächstes Jahr sieht die Centrotherm-Roadmap auch vor, die Module aus der 30-mal-30-Quadratzentimeter-Linie auf zwölf Prozent zu bringen. Wer jetzt eine Turnkey-Fabrik ordert, bekommt deshalb in Aussicht gestellt, dass sie bis Ende 2011 auch die zwölf Prozent schafft.

Wie weit eine Garantie zu Wirkungsgrad und Ausbeute einem Investor weiterhilft, dessen Anlage nicht den vorgesehenen Spezifikationen entspricht, ist unklar und hängt von den vertraulichen Verträgen im Einzelfall ab. „Man muss als Investor grundsätzlich davon ausgehen, dass Kinderkrankheiten und Verzögerungen auftreten“, sagt Henning Wicht. Das gilt für alle Turnkey-Angebote, also auch für die Silizium-Dünnschichtanlagen, und bedeutet, dass man zum anvisierten Produktionsbeginn aller Erfahrung nach sechs bis zwölf Monate draufschlagen muss. „Aber dass es überhaupt nicht klappt, das wird sich Centrotherm nicht leisten“, sagt Wicht. Dazu hat das Unternehmen zu viel zu verlieren.

Einige Meilensteine zu nehmen

Außer dem Wirkungsgrad entscheiden die Produktionskosten und die anfänglichen Investitionskosten darüber, wie gut sich die Anlage bewähren wird. Im Vergleich zur Silizium-Dünnschicht sind laut Gross die Anfangsinvestitionskosten für die CIGS-Turnkey-Anlage kleiner. Auch bei den Materialkosten habe man die Nase vorn. Das bei Silizium-Dünnschicht notwendige Silangas mache allein zehn bis 20 Prozent der Kosten aus. „Wir liegen dagegen deutlich unter zehn Prozent für die Absorbermaterialkosten“, sagt Gross.

Allerdings ist die Silizium-Dünnschicht bereits einen Schritt weiter, was die Turnkey-Fabriken angeht. „Die Anlagen produzieren schon, und die ersten Module werden seit einem Jahr ausgeliefert“, sagt Henning Wicht. Dabei ist nicht so entscheidend, wie bisher die Ergebnisse sind. „Man hat erste Ergebnisse, die gut und auch nicht so gut sind, und dann wird analysiert, wie man es besser machen kann.“ Außerdem haben sie die TÜV-Zertifizierung sowohl von den Modulen als auch von den Fabriken. Centrotherm muss dagegen noch zeigen, dass es seine Ziele auch einhält.

Problematischer wird für Centrotherm aber der Wettkampf um niedrige Produktionskosten. Da werden sich die Fabriken an First Solar messen lassen müssen. Das Unternehmen hat den großen Vorteil, dass die Produktionskapazitäten über einem Gigawatt liegen und dadurch der Einkauf billiger ist als für einen kleinen Produzenten, der nur kleine Mengen der benötigten Materialien abnimmt. Solch ein Vorsprung ist für einen anderen Investor nur schwer aufzuholen, es sei denn, er plant auch groß. „Wenn ich einen Kunden finde, der eine Gigawatt-Fabrik aufbaut, wird er in den Kosten aber besser liegen als First Solar heute“, sagt deshalb Gross.

Wenn es Centrotherm schafft, diese und andere Behauptungen in der Praxis zu beweisen, glaubt auch Henning Wicht an einen Erfolg der Entwicklung. „Es müsste geschehen, dass sie preislich wettbewerbsfähig zu First Solar sind“, erklärt er. „Und wenn die Effizienz auch so ist wie bei First Solar oder besser, dann wird die CIGS-Turnkey-Linie besser einschlagen als die von Applied und Oerlikon vor zwei Jahren.“ Investoren wird es auch noch genug geben. Er schätzt den gesamten Photovoltaikzubau für 2013 auf 30 Gigawatt, und das locke sie an. Außerdem öffneten sich immer mehr Regionen für Solarinvestitionen, wie zum Beispiel Südafrika, arabische Länder und Indien. „Damit treten auch lokale regionale Produzenten auf, oft größere Konzerne, die vielleicht aus der Elektrobranche kommen und von Solar wenig verstehen“, sagt er. Für sie wird CIGS-Turnkey eine interessante Lösung sein, wenn Centrotherm bis dahin die Meilensteine genommen hat.