Sicherer Sonnenschutz

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Als Junegie Hong, der technische Direktor bei Sixtron, die Laborergebnisse zum ersten Mal sah, war er vorerst skeptisch. Die Firma arbeitete an einer neuartigen Antireflex-Beschichtung für monokristalline Zellen, auch Passivierungsschicht genannt, die ohne das kostspielige, brennbare und giftige Gas Silan auskommt. In der Forschungsabteilung bei Sixtron war man seit einigen Jahren damit beschäftigt, die Leistung neuer Antireflexschichten auf das Niveau silanbasierter Beschichtungen zu bringen. Als die Forscher sahen, dass sie dem Ziel näher kamen, führten sie im September 2009 eine Serie von Tests durch, um die Eigenschaften von Zellen mit herkömmlicher und mit Silexium-Beschichtung zu vergleichen.

Positive Überraschung

Ein Test untersuchte die lichtinduzierte Degradation, den Leistungsabfall der Zelle nach der ersten Lichteinwirkung also. Die Forscher setzten eine monokristalline Solarzelle für eine Dauer von 48 Stunden einer definierten Lichtstärke aus. Danach wurde der Wirkungsgrad verglichen, um die Degradation zu bestimmen.

Bei Sixtron in Montreal hoffte man, dass ihre Leistung an die der herkömmlich beschichteten Zellen herankommen würde . Entgegen den Erwartungen hatte die mit Silexium beschichtete Zelle nach dem zweitägigen Test dann sogar mehr Strom erzeugt als die Zelle mit der silanbasierten Beschichtung. „Ich war ziemlich aufgeregt und auch etwas skeptisch“, sagt Hong. „Es war unglaublich, zu schön, um wahr zu sein.“ Sixtron bat seinen Forschungspartner, das Georgia Institute of Technology, kurz Georgia Tech, den Test zu wiederholen. Nach Durchführung der Experimente bestätigte das Georgia Tech die Ergebnisse. „Damit haben wir überhaupt nicht gerechnet“, sagt Ajeet Rohatgi, Gründer und Direktor des University Center for Excellence in Photovoltaics (UCEP) an der Georgia Tech. „Es ist einfach passiert.“

Das Forscherteam hatte erreicht, was es wollte: eine Beschichtung, bei der die Zellen die gleiche Leistung bringen wie bei der Behandlung mit Silan, die aber gleichzeitig günstiger ist, weil sie die Verwendung von Silangas ausschließt. Der Umgang mit Gefahrstoffen ist nicht ohne Risiken und verursacht Folgekosten. „Dass die lichtinduzierte Degradation auch noch niedriger ausfiel, war eine glückliche Überraschung“, sagt Bates Marshall, der stellvertretende Vertriebsvorsitzende bei Sixtron.

„Das im ersten Test verwendete Material zeigt normalerweise eine Degradation um ungefähr 0,3 Prozentpunkte. Mit der Sixtron-Beschichtung lag die Degradation lediglich zwischen 0,05 und 0,1 Prozentpunkten. Dieser Unterschied war nicht sonderlich groß“, fügt Firmengründer Rohatgi hinzu, „aber er zeigte uns, dass wir auf etwas gestoßen waren.“ Das Forscherteam experimentierte in der Folge mit weiteren Stoffen und bemerkte, dass einige Materialien mit der neuen Beschichtung eine Degradation von nur 0,2 Prozentpunkten anstelle von normalerweise 0,6 Prozentpunkten aufwiesen.

Gewinne für die Hersteller

Dieses Plus an Effizienz soll sich direkt in der Gewinnmarge der Modulhersteller niederschlagen. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades um 0,1 Prozent könnte, laut Marshall, einen Gewinnzuwachs von einem Cent pro Watt bringen. Nach Einschätzung von Barclays Capital kann so ein bedeutender Gewinnzuwachs entstehen. Ein zusätzlicher Cent pro Watt bedeutet einen 20-prozentigen Anstieg der Gewinnspanne von fünf Cent pro Watt, die gegenwärtig von den besten Solarzellenherstellern erzielt wird. „Das sind kleine prozentuale Unterschiede mit großen Auswirkungen auf den Gewinn“, sagt Marshall. Ein verlockender Ausblick angesichts des weiter andauernden Preisverfalls, der es den Unternehmen immer schwerer macht, wettbewerbsfähig zu bleiben. Nachdem Sixtron im vergangenen Jahr die ersten Aufträge für die Sun Box angenommen hatte, hat das Unternehmen im Januar dieses Jahres Silexium auf dem Markt eingeführt.

Die SunBox hat die Größe eines Kühlschranks und dient dazu, die Silexium-Beschichtung aufzutragen. Im März 2009 gab das Unternehmen bekannt, einen Vertrag über den Verkauf von Mehrfachbeschichtungssystemen mit einem der drei weltgrößten Lieferanten von Anlagen zur Solarzellenherstellung abgeschlossen zu haben. Wer der Kunde war, wurde nicht preisgegeben. Im selben Monat veröffentlichte VLSI-Research allerdings eine Studie, in der die drei größten Zulieferer beim Namen genannt wurden: Applied Materials in den Vereinigten Staaten, Roth & Roth und Centrotherm in Deutschland. Im August dann meldete Sixtron einen Auftrag von einem der zehn größten Solarzellenhersteller Asiens – auch diesmal ohne dessen Name zu nennen.

„Sixtron begann mit dem Versand von Systemen gegen Ende des letzten Jahres und plant für dieses Jahr den Absatz hoher Stückzahlen“, sagt Marshall und fügt hinzu: „Das Unternehmen will nicht nur den Umsatz steigern und den Umfang an Lieferungen und Angeboten erweitern, sondern auch einen Vertriebspartner bekannt geben: einen etablierten Lieferanten von Materialien für Solarfabriken. Er soll dabei helfen, auf dem weltweiten Markt Fuß zu fassen.“

Zu Beginn war der Verzicht auf Silan ohne bedeutende Leistungseinbußen das Hauptverkaufsargument. „Da dachten wir noch, dass wir maximal denselben Wirkungsgrad erreichen könnten. Wegen der mit Silan verbundenen Gefahren hatten die Kunden großes Interesse daran, bei gleicher Leistung der Zellen ohne Silan auszukommen“, sagt Marshall. „Dank der Entdeckung mit der lichtinduzierten Degradation bringt Silexium sogar einen Mehrwert für die Kunden, die seit dem letzten Jahr auf uns zählen.“

Der Verzicht auf Silan ist für die Branche attraktiv, da Silangas pyrophor ist: Es kann sich an der Luft spontan selbst entzünden. Das hat in der Vergangenheit schon in mehreren Fällen zu Fabrikbränden geführt. Der sichere Umgang mit dem Gas erfordert laut Sixtron aufwendige Sicherheitssysteme und -verfahren: Gashandhabungs-Systeme, Monitore, Explosionsschutzwände und Bunker. Silanfreie Produktion würde für die Her steller Kosteneinsparungen von Millionen von Dollar bedeuten.

Laut Sixtron können die Kosten für die Gase, die in der Herstellung verwendet werden, einschließlich Silan, fünf Cent pro Watt ausmachen. Das bedeutet, im Vergleich, 20 Prozent der Gesamtproduktionskosten einer Solarzelle aus China, die laut Barclays Capital 25 Cent pro Watt kostet. Rechnet man die Kosten für die Infrastruktur und weitere gasbezogene Posten hinzu, dann beläuft sich die „Silansteuer“ nach Meinung von Sixtron für die größten Hersteller von Solarzellen auf 50 Prozent. „Auf jeden Dollar, der für Silangas ausgegeben wird, kommen zusätzlich noch zwei oder drei Dollar, die für die Sicherheit im Umgang und bei der Verwendung aufgebracht werden müssen“, sagt Marshall.

Hoher Wirkungsgrad – mehr Profit

Die Verringerung der lichtinduzierten Degradation ist für die Hersteller auch deswegen verlockend, weil dadurch der Wirkungsgrad der Zellen erhöht wird. Die Zellen können mehr Strom produzieren und der Hersteller erzielt höhere Gewinne. Seit langem ist lichtinduzierte Degradation (LID) ein wichtiges Thema bei üblichen bordotierten oder p-leitenden, monokristallinen Wafern. Bei der Herstellung der Wafer wird nach dem Czochralski-Verfahren ein Einkristall aus geschmolzenem Silizium mit einem Anteil Bor herausgezogen. Dann wird der Ingot in Wafer geschnitten. Je nach Borgehalt verlieren die Wafer in den ersten Tagen ihres Einsatzes zwischen zwei und sechs Prozent ihres anfänglichen Wirkungsgrades. Danach stabilisiert er sich, so Hong von Sixtron.

„Stellen Sie sich vor, Sie kaufen einen Neuwagen mit 200 PS“, sagt Marshall. „Und kaum, dass Sie vom Parkplatz herunterfahren, hat er nur noch 175 PS.“

Das klingt beeindruckend. Verwendet man die Zahlen von Hong, kann sich der Wirkungsgrad einer Zelle von beispielsweise 16 auf maximal 15,04 Prozent verschlechtern (minus sechs Prozent).

Außerhalb der Solarbranche wird lichtinduzierte Degradation kaum wahrgenommen. Die Zellhersteller geben in der Regel nur den anfänglichen Wirkungsgrad an, bevor die Zellen dem Sonnenlicht ausgesetzt werden. Die Hersteller von Solarmodulen hingegen bewerten ihr Produkt gemäß dem zu erwartenden Wirkungsgrad nach der Stabilisierung.

Und das geschieht in der Zelle: Trifft Licht auf eine monokristalline Solarzelle, die Sauerstoff und Bor enthält, kommt es zu einer Reaktion, in der sich die beiden Elemente miteinander verbinden. An Sauerstoff gebunden erzeugen die Bor-Moleküle keinen Strom mehr, sondern verschlucken die Elektronen. „Dadurch sinkt der Wirkungsgrad der Zelle“, sagt Rohatgi. Herkömmliche Antireflex-Beschichtungen aus Siliziumnitrid, das aus Silangas und Ammoniak hergestellt wird, wirken der lichtinduzierten Degradation kaum entgegen.

Dauerhafte Verbesserung

Silexium jedoch enthält ein zusätzliches Element: Kohlenstoff. Rohatgi glaubt, dass sich ein Teil des Kohlenstoffs mit Sauerstoff verbindet, wodurch weniger Sauerstoff zur Verfügung steht. Das führt seiner Meinung nach zu weniger Reaktionen zwischen Sauerstoff und Bor und somit zu einer verminderten Degradation. Der Silexium-Effekt soll von Dauer sein: Haben die Zellen die ersten 20 bis 60 Stunden Bestrahlung überstanden, soll sich ihr Wirkungsgrad nicht mehr verschlechtern können.

Bisher wird das Verfahren nur bei monokristallinen Zellen angewendet. Polykristalline Zellen werden aber ebenfalls über Silangas mit Siliziumnitrid beschichtet. Um den Silexium-Prozess auch hier anbieten zu können, liegen laut Sixtron aber noch nicht genügend Resultate vor.

Nach Angaben von Sixtron wird die lichtinduzierte Degradation durch die Silexium-Beschichtung um durchschnittlich 88 Prozent verringert. Das würde einen Abfall der Leistung von 16 auf nur 15,87 Prozent bedeuten (minus 0,8 Prozent). Natürlich kommt es auch bei mit Silexium beschichteten Zellen zu einer Degradation, laut Sixtron von bis zu zwei Prozent. Ist der Borgehalt in den Zellen von vornherein gering, fällt auch die Verbesserung durch die neue Beschichtung geringer aus als bei Zellen mit höherem Borgehalt, die generell anfälliger gegenüber lichtinduzierter Degradation sind.

Auch andere arbeiten daran, diesem Effekt entgegenzuwirken: zum Beispiel indem sie Bor durch Gallium oder Phosphor ersetzen oder durch die Entwicklung selektiver Emitter-Zellen, so Hong. Das erfordere jedoch einschneidende Veränderungen im Verfahren oder führe zu einer deutlichen Kostensteigerung.

Keine Kosten im Voraus

Die Technologie von Sixtron stützt sich auf die Siliziumcarbid-Forschung verschiedener Universitäten im Großraum von Montreal. Dass Siliziumcarbid gegen UV-Licht schützt, ist nichts Neues. Laut Hong wurde es beispielsweise für Sonnenbrillen verwendet. 2004 wurde Sixtron mit dem Vorhaben gegründet, dieses Prinzip auch für die Solarbranche nutzbar zu machen. Daraus resultiert schlussendlich die aktuelle Entwicklung. Alles in allem liegen die SunBox und das Silexium-System preislich sehr nah am Silan-System und sparen auch noch die für den Umgang mit Silan erforderlichen Kosten ein, so Marshall.

Sixtron hat sich ein besonderes Geschäftsmodell einfallen lassen. Die Kunden sollen nicht im Voraus für die Installation der SunBox aufkommen. Das Unternehmen selbst will Eigentümer der SunBox bleiben und sie auch betreiben. Im Gegenzug soll der Kunde zusichern, dass er Material für die Beschichtung erwirbt, das in der Linie verwendet wird. Mit dem nutzungsabhängigen Modell soll die Sixtron-Beschichtung gleichermaßen für die Nachrüstung bestehender Linien wie für neue Produktionsstraßen einsetzbar sein. Schließlich bleibt der Produktionsablauf bis auf die Antireflex- Beschichtung und die entsprechenden Gase unverändert, wie Marshall erklärt. „Das System wird einfach eingewechselt“, sagt er. Die Materialkosten entsprechen etwa dem Preis für Silan, ungefähr einem Cent pro Watt. Insgesamt sieht Sixtron bei monokristallinen Zellen einen Zielmarkt von fünf Gigawatt. Bei einem Cent pro Watt ist das ein Marktpotenzial von 50 Millionen US-Dollar.

Viele Hürden zu nehmen

Bis Sixtron am Ziel ist, müssen selbstverständlich noch viele Hürden genommen werden. Der anfängliche Wirkungsgrad von mit Silexium beschichteten Zellen entspricht in den meisten Fällen zunächst dem Wirkungsgrad herkömmlich beschichteter Zellen. Aber manchmal liegt er laut Sixtron auch darunter. Deshalb setzt Rohatgi den Wirkungsgrad in manchen Fällen um 0,2 Prozentpunkte herab. Wenn der Wirkungsgrad nach der lichtinduzierten Degradation dann tatsächlich um 0,2 Prozentpunkte sinkt, erreicht der Wirkungsgrad das angegebene Niveau. Das ist nur ein geringer Leistungsabfall, falls überhaupt einer auftritt. Laut Rohatgi will Sixtron seine Ergebnisse noch weiter verbessern. „Wir haben viel erreicht“, sagt er und fügt hinzu: „Vor zwei Jahren war der anfängliche Wirkungsgrad 1,5 bis 2 Prozent niedriger.“

Wie bei jeder neuen Technologie arbeitet auch Sixtron daran, Material und Beschichtungsverfahren zu verbessern.

So wird untersucht, welche Menge Kohlenstoff idealerweise in der Beschichtung enthalten sein sollte. Das University Center for Excellence in Photovoltaics arbeitet daran, das Beschichtungsverfahren zu verbessern. Dazu gehört beispielsweise, die Temperatur zu bestimmen, bei der die besten Ergebnisse erzielt werden. „Die Zusammensetzung der Schicht kann mit einer Vielzahl verschiedener Stellschrauben maßgeschneidert werden. Es fragt sich allerdings, wo das Optimum liegt“, so Rohatgi. „Und es gibt so viele verschiedene Stellschrauben. Wenn nicht alles optimal eingestellt ist, dann sind keine Top-Ergebnisse für die Schicht zu erwarten.“

Herausforderung Finanzierung

Wie Sixtron angesichts der derzeit risikoscheuen Stimmung in der Wirtschaft sein Wachstum finanzieren soll, ist eine weitere Frage. Das Unternehmen verfügt zwar über Ressourcen, es ist jedoch unklar, wie kostenintensiv die Installation und der Betrieb der SunBox sein werden. Nachdem Sixtron im Jahr 2007 von Ventures West eine Risikokapitalfinanzierung in Höhe von 10,9 Millionen Dollar erhalten hatte, bekam das Unternehmen noch weitere 1,5 Millionen Dollar vom US-Energieministerium und 1,5 Millionen Dollar von Sustainable Development Technology Canada. Zusätzlich wurden Sixtron 2008 von ATEL Ventures zwei Millionen Dollar für die Leasingfinanzierung von Betriebsmitteln zur Verfügung gestellt.

Jenny Chase, führende Solaranalystin bei Bloomberg New Energy Finance, fragt sich, ob es nicht in den Augen der Modulhersteller ein unnötiges Risiko sein wird, wenn die Beschichtungsanlagen Eigentum von Sixtron bleiben: „Werden die Modulhersteller nicht Angst haben, eine Garantie für das Produkt zu geben, wenn sich eine Schicht komplett ihrer Kontrolle entzieht?“

Sixtron hat noch viel zu beweisen. Wenn es dem Unternehmen gelingen sollte, sein Versprechen zu halten und noch zusätzliche Finanzierung zu erhalten, könnte es den Wirkungsgrad monokristalliner Zellen nach oben treiben. Das würde seine Wettbewerbsfähigkeit in einem Markt, der wachsendem Preisdruck ausgesetzt ist, erheblich steigern. Probierfreudige Kunden gibt es bereits, auch wenn diese bisher anonym bleiben wollen.