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.
![](9-3-3-2-03.gif)
|
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.
|