Dünnschicht-Fotodioden
Nach der augenblicklich vorherrschenden Meinung sind die hohen Herstellungskosten für Fotodioden der wesentliche Grund dafür, dass die Fotovoltaik in einem derart geringen Umfang zu unserer heutigen Energieversorgung beiträgt1). Demnach muss der Preis für die Fotodioden eine obere Grenze von mindestens 0.1 Euro / kWh a-1 (1 US$ / W) unterschreiten, damit die Energie aus Fotovoltaikanlagen konkurrenzfähig wird zu der Energie aus herkömmlichen Kraftwerken auf der Basis fossiler Energien.  Die Herstellungskosten waren 2009 noch etwa 2mal so hoch (siehe Abbildung unten), sind aber bis 2014 auf 0.057 Euro / kWh a-1 gefallen.


 Die Abhängigkeiten der Modulpreise von der Gesamtenergie (= kumulierte Leistung) aller produzierten Module. Die Gesamtenergie berechnet sich hier aus der fiktiven Leistung Ppeak und nicht aus der tatsächlich gelieferten Leistung Pe .

Wie irreführend diese Angabe bei Investitionsentscheidungen ist, erkennt man, wenn man sich vorstellt, die Sonne scheine nicht mehr. Dann wäre jede Investition in Fotodioden eine Fehlentscheidung, unabhängig vom Modulpreis. Angemessener wäre es, das Verhältnis von Modulpreis zu Kapazitätsfaktor für die Entscheidung zu benutzen.

Außerdem sollte bedacht werden, dass bei der Kostenberechnung i.A. die installierte, optimale Leistung Ppeak zugrunde gelegt wird, während die Kosten eigentlich auf die bereit gestellte Leistung bezogen werden sollten. Dies bedeutet, dass die Kostengrenze von Land zu Land variiert. In Deutschland beträgt die bereit gestellte Leistung nur ca. 10% der installierten Leistung, was für Deutschland einen Anstieg der Kostengrenze für Module auf über 0.57 Euro/(kWh a-1) bedeutet. Es erscheint vollkommen unrealistisch, darauf zu spekulieren, dass sich dieser Anstieg allein durch die Massenproduktion von Fotodioden mit der heute üblichen Technik auffangen ließe.
Im Rahmen dieser Technik werden Scheiben (s.g. "wafers") aus Silizium-Einkristallen geschnitten und durch Fremdatomimplantation zu Fotodioden verarbeitet, siehe Energie2. Dieses Verfahren ist aufwändig, kostenintensiv und erfordert eine große Menge an Energie für die Einkristallzüchtung. Man geht davon aus, dass diese Energiemenge etwa 600 kWh m-2 beträgt, d.h. in Deutschland muss bei einem Nutzungsgrad von  = 0.015 eine Fotovoltaikanlage für etwa 4 Jahre elektrische Energie liefern, bevor diese Anlage den Energiebedarf kompensiert hat, der allein für die Herstellung ihrer Fotodioden benötigt wurde. Daher muss vorrangiges Ziel sein, den Energiebedarf zu reduzieren und den Nutzungsgrad zu erhöhen. Man glaubt, dass die Dünnschichttechnik bei der Produktion von Fotodioden beiden Anforderungen gerecht wird. Einführungen in diese Technik findet man in deutscher bzw. englischer Sprache im Internet.

Zur Zeit befindet sich die Dünnschichttechnik in einem Übergangsstadium von der Laborentwicklung in die praktischen Anwendungen. Die ersten Firmen (siehe Tabelle rechts) sind gegründet, welche noch vor 2010 industriell gefertigte Fotovoltaikanlagen auf der Basis dieser Technik zum Einsatz bringen wollen.



(Die in der rechten Tabelle angegebenen Firmen sind u.U. inzwischen vom Markt verschwunden, wie so viele anderen Firmen der Solarindustrie. Ich habe mich nicht bemüht, in diesen Fällen nach neuen Produzenten zu suchen, die Chancen, dass auch sie verschwinden werden, sind hoch.)
Halbleiter
 Energielücke
(eV)
 Dicke
(µm)
 Nutzungs-
grad2)
 Firma
Si-Einkristall
 1.11
 250
 0.015
 Solar-Fabrik
polykristallines Si
 1.11
 15
 0.013
 CSG Solar
amorphes
Si
 1.55
 12
 0.006
CdTe
 1.56
 10
 0.006
 First Solar
CuInSe2
 1.05
 8
 0.008
 Nano Solar
CuGaSe2
 1.68
Vergleich der verschiedenen Halbleiter, die zur Herstellung von Fotodioden verwendet werden.
Wie der Name sagt, unterscheiden sich die entsprechenden Fotodioden einmal in ihrer Schichtdicke von den herkömmlichen Einkristalldioden, und sie verwenden in den meisten Fällen Mischhalbleiter anstelle von reinem Silizium. Die am häufigsten verwendeten Halbleiter samt  ihrer Eigenschaften sind in der Tabelle oben zusammengefasst. Außerdem enthält die Tabelle eine sehr kleine Auswahl von Firmen, die entweder bereits etabliert sind oder sich als "start-ups" mit der entsprechenden Technik beschäftigen.

Verglichen mit Si-Einkristallen lassen sich die Mischhalbleiter so konfigurieren, dass sie eine größere effektive Energielücke besitzen. Dadurch verschiebt sich die Absorptionskante des Halbleiters weiter in den sichtbaren Bereich des Sonnenlichts und die Fotospannung wird weniger abhängig von der Temperatur des Sonnenlichts. Darüber hinaus sind diese Halbleiter nicht auf die direkte Komponente des Sonnenlichts angewiesen (wie die Fotovoltaikanlage der Firma Pyron Solar), sondern sie liefern eine Fotospannung bereits mit indirektem Sonnenlicht. Trotzdem werden die erzielbaren Nutzungsgrade in keine neuen Dimensionen vorstoßen. Die angestrebte Kostenreduktion bei der Herstellung ergibt sich im Wesentlichen aus der sehr kleinen Schichtdicke und den relativ einfachen Methoden, mit welcher diese Schichten auf das Substrat aufgetragen werden.

Das Substrat wird mit dem Halbleiter meistens direkt oder in Form der Komponenten mithilfe von Druck-, Sprüh- oder Sputterverfahren beschichtet, was den weiteren Vorteil eines schnellen Produktionsprozesses bietet. Als Substratmaterial werden entweder Glas, Stahlband oder Kunststofffolien verwendet, was die Fotodioden flexibel und anpassungsfähig an ihre Unterlage macht. Die Querschnitte durch derartige Fotodioden mit dem CdTe Halbleiter bzw. dem CuIn/GaSe Halbleiter sind in der Abbildung unten gezeigt.



Schematischer Querschnitt durch Dünnschicht-Fotodioden auf der Basis von CdTe (links) und CdIn/GaSe2 (rechts). Die Größenverhältnisse der Halbleiterschichten sind bei diesen Qerschnittszeichnungen stark übertrieben.

Aber diese Technologien besitzen nicht nur Vorteile, sondern sie weisen auch einige Probleme auf. Die bekanntesten sind:
  • Das Cadmium in dem CdTe Halbleiter ist ein Schwermetall, das giftig ist und unter keinen Umständen in die Umwelt oder die Nahrungskette gelangen darf. Zwar garantieren die Firmen den sicheren Einschluss des Materials zwischen 2 Glasplatten, es ist aber keineswegs gewährleistet, dass während der Lebensdauer der Fotovoltaikanlage nicht trotzdem das Cd in die Umwelt gelangt, etwa durch Glasbruch.
  • Die Herstellungsverfahren sind keineswegs schon so kontrollierbar, dass eine vollständig homogene und gleichmäßige Halbleiterschicht auf dem Substrat entsteht. Ungleichmäßigkeiten in der Schicht haben aber den unwillkommenen Effekt, dass sie den Nutzungsgrad stark reduzieren und somit die Kosten der Anlage (und ihren Flächenbedarf) erhöhen.
Ob die Dünnschichttechnik die praktische Anwendung der Fotovoltaik in dem Maße erleichtert, wie es wünschenswert und erforderlich ist, wird sich in den kommenden 10 Jahren erweisen. In Ländern mit einem großen Angebot von ungenutzten Flächen, in denen dann auch noch die Sonnenintensität besonders groß ist, mag dies durchaus der Fall sein. Dass die Länder der EU und insbesondere Deutschland darauf ihre Energieversorgung gründen könnten, ist sehr zweifelhaft: Diese Länder werden weiterhin auf Energieimporte angewiesen sein.
1) Man kann berechtigte Zweifel daran haben, dass dies der einzige Grund ist. In Energie2 wurde auf noch andere Nachteile der Fotovoltaik hingewiesen.
2) Der Nutzungsgrad industrieller Anlagen ist, falls er nicht bereits bekannt ist, geschätzt zu 50% des Wirkungsgrads von Labormodulen. Diese relativ geringen Nutzungsgrade müssen in Deutschland wegen des kleinen Kapazitätsfaktors erwartet werden, zumal alle vorhandenen Flächen zur Installation wahrscheinlich benutzt werden müssen, wie z.B. Gebäudewände. Die Rahmenbedingungen verhindern, dass durch Ausrichtung der Fotodioden der Nutzungsgrad optimiert werden kann.