Ab Juni wird Würth Solar erstmals in einer Pilot-Anlage Solarmodule aus Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) kommerziell herstellen. Die Pilot-Anlage hat eine jährliche Kapazität von 1,2 Megawatt.

© Kurt Henseler Der Countdown läuft. Bis zur Eröffnung der Fabrik am 19. Juni muß die Maschine mit der Verdampfungsquelle zum Aufbringen der CIS-Schicht auf die Glasplatten produktionsbereit sein.

Noch ist die Bezeichnung »Reinraum« ein Euphemismus. Gut acht Wochen vor dem offiziellen Eröffnungstermin der neuen Dünnschicht-Fabrik in Marbach bei Stuttgart stehen zwar alle nötigen Maschinen an ihren Plätzen. Aber einsatzbereit ist die Produktionslinie noch nicht; statt dessen beherrschen Bohrmaschinen und anderes Werkzeug den Bereich, wo Würth Solar ab dem 19. Juni Solarmodule aus Kupfer-Indium-Diselenid-Zellen (CIS) herstellen möchte. »Bis dahin werden wir unsere ersten Module produziert haben, egal ob mit zwei, sechs oder bereits mit acht Prozent Wirkungsgrad«, unterstreicht Bernhard Dimmler, einer der beiden Geschäftsführer von Würth Solar.

Dabei wurde die Firma Würth Solar erst vor knapp einem Jahr im Mai 1999 gegründet: Hauptanteilseigner ist mit 79,5 Prozent die Firma Würth, ein 30.000 Mitarbeiter umfassendes weltweit agierendes Unternehmen für Montagetechnik. Die anderen Anteile halten der regionale Energieversorger Energie Baden-Württemberg (EnBW) mit 20 Prozent und das Stuttgarter Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) mit einem halben Prozent. Der Bau der Fabrik begann, nachdem das Land Baden-Württemberg und der Bund jeweils vier Millionen Mark an Subventionen für das 30 Millionen Mark teure Projekt genehmigt hatten (18 Millionen Mark für die Produktionslinie, 12 Millionen für Gebäudebau und Betriebskosten in den ersten drei Jahren).

	© Solar Verlag,  Quelle: ZSW/Würth Solar  Ausschnitt eines CIGS Moduls

Das Fundament für Deutschlands erste kommerzielle CIS-Fabrik wurde jedoch schon viel früher gelegt: Dimmler arbeitete einige Jahr mit dem renommierten CIS-Grundlagenforscher Hans Werner Schock zusammen am Institut für Physikalische Elektronik (IPE) der Stuttgarter Universität. Am ZSW koordinierte Dimmler dann 1996 als verantwortlicher Wissenschaftler den Beitrag für die CIS-Technik im Rahmen der EU-Studie MUSIC FM über die Potenziale zur Kostenreduktion von Solarzellen durch Massenproduktion. Eine CIS-Modulfabrik mit einer jährlichen Produktionskapazität von 60 Megawatt sollte laut Studie zu Modulkosten von 0,60 Euro führen, einem Sechstel der momentanen Marktpreise für Module mit kristallinem Silizium. Da eine kleine Gruppe von Würth den Vertrieb der am ZSW entwickelten Wechselrichter übernommen hatte, kam Firmenchef Adolf Würth unweigerlich auch mit den Untersuchungen zur CIS-Technik in Berührung. Und die Aussichten überzeugten Würth, die Kommerzialisierung voranzutreiben.

Der Energieversorger EnBW – der, so will es die Ironie des Schicksals, jüngst zu einem Viertel vom französischen Atomstromgiganten Electricité de France gekauft wurde – stellte ein Gebäude für die Fabrik zur Verfügung, das in dieser Form vermutlich weltweit einmalig ist. Anstatt eines modernen High-Tech Industriegebäudes, geschmückt mit Solarmodulen, findet der Besucher ein altes Kohlekraftwerk aus den 30er Jahren vor. Ein Teil der ehemaligen Turbinenhalle ist nun als technisches Museum vorgesehen, während eine anschließende neue Halle für Würth Solars CIS-Modulfabrik den Weg in die saubere Energiegewinnung des 21. Jahrhunderts zeigen soll. »Der architektonische Charme war von entscheidender Bedeutung«, erläutert Karl-Heinz Groß, Würth Solars anderer Geschäftsführer, die Standortwahl.

Der Schlüssel zum Erfolg ist das ZSW, Würth Solars kleinster Gesellschafter. An dem Forschungsinstitut haben Wissenschaftler in den letzten sieben Jahren den vollständigen CIS-Produktionsprozess im Miniaturmaßstab entwickelt. »Etwa 80 Prozent unserer Maschinen sind Eigenentwicklungen des ZSW«, betont Dimmler die Bedeutung des Instituts, das auch in Zukunft die komplette Forschungs- und Enwicklungsarbeit für Würth Solar leisten wird.

Der Traum von Dünnschichtzellen

Bereits in den 80er Jahren träumten Wissenschaftler von den Potenzialen zur Kostenreduktion bei der Dünnschichttechnik. Da Dünnschichtzellen im Unterschied zu den bis zu 350 Mikrometer »dicken« Solarzellen aus kristallinem Silizium weniger als 10 Mikrometer stark sind, benötigen sie nur einen Bruchteil an Material. Zudem können die Module in einem voll automatisierten Verfahren direkt auf gewöhnliches Fensterglas aufgedampft werden, während kristallines Silizium vergleichsweise aufwendig als großer Kristallklotz gezogen, dann – bei rund 50 Prozent Materialverlust – in Scheiben gesägt wird, die dann zu Zellen und Modulen verbunden werden.

Der erste Hoffnungsträger der Dünnschichttechnik, das amorphe Silizium, hat die Versprechungen bisher nicht einlösen können. Geringe Wirkungsgrade, Stabilitätsprobleme und technische Schwierigkeiten beim Aufbau der Massenproduktion haben Anfang der 90er Jahre fast zum Exitus dieser Technik geführt.

Und erst langsam scheinen Firmen wieder Vertrauen in amorphes Silizium zu setzen: Jüngst hat der japanische Chemiemulti Kaneka eine 20-Megawatt-Produktion begonnen, und der belgische Drahthersteller Bekaert den Bau einer 25-Megawatt-Fabrik angekündigt.

Der im letzten Jahr im amerikanischen National Renewable Energy Laboratory in Denver, Colorado, aufgestellte Weltrekord für CIS-Zellen stellt mit 18,8 Prozent die anderen am weitesten entwickelten Dünnschichttechniken mit 13 Prozent für amorphes und 16 Prozent für Cadmium-Tellurid-Zellen in den Schatten. Und das IPE plant gar noch in diesem Mai die 20-Prozent-Grenze zu knacken. Zwar ist auch bei den CIS-Solarzellen noch Grundlagenforschung notwendig, um den Prozess zu verstehen. Von Stabilitätsproblemen wie beim amorphen Silizium ist diese Technologie jedoch verschont geblieben. Der Pionier der CIS-Technik Siemens Solar hat für seine in den USA produzierten Module just im April eine Garantie von zehn Jahren angekündigt.

Die CIS-Produktion in Marbach

Die CIS Produktion in Marbach ist von einer Vollautomatisierung weit entfernt: Lediglich die einzelnen Maschinen sind automatisiert, das Be- und Entladen erfolgt durch manuell zu transportierende Magazinwagen mit Kapazitäten für 30 bis 40 Glasscheiben. Dimmler sieht hierin keine Einschränkung: »Wir brauchen die Flexibilität in der Pilotlinie, um bestimmte Prozessoptimierungen durchführen zu können. Ziel ist es, das Prozessfenster so eng wie möglich zu machen, damit wir für die größere
Produktionsanlage dann genauere Spezifikationen und einfachere Maschinen haben.« Folglich haben einige der Maschinen weitaus höhere Jahresproduktionskapazitäten als 1,2 Megawatt, damit Zwischenprodukte auf Vorrat produziert werden können, um so Raum für Optimierungsarbeiten zu lassen, oder die Maschinen für mehrere Produktionsschritte zu benutzen. Die »Waschmaschine« zum Beispiel vermag ungefähr 100 Quadratmeter Materialfläche pro Stunde zu säubern, was etwa zehn Megawatt entspräche, und wird für das Substrat- und das Abdeckglas genutzt.

© Solar Verlag,  Quelle: ZSW / Würth Solar Prinzip der CIS Ein-Schritt Verdampfung

Auf 120 × 180 Zentimeter große Glasplatten, das so genannte Substrat, mit zwei bis drei Millimetern Dicke wird eine 0,5 Mikrometer Molybdänschicht als positiver Modul-Rückkontakt aufgebracht. Mittels eines Lasers wird die
Molybdänschicht teilweise entfernt und so in Streifen unterteilt, von denen jeder einer Solarzelle entspricht. Während also bei den gängigen Modulen kristalliner Technik mehrere Solarzellen miteinander verschaltet werden, bringt man bei der Dünnschichttechnik verschiedene Schichten auf ein Substrat gewünschter Größe und Form auf, und teilt diese dann erst später in Solarzellen, die je nach benötigter Modulspannung unterschiedliche Größen haben. In einem Ofen werden die Elemente Kupfer, Indium, Gallium und Selen im Vakuum bei bis zu 1.400 Grad Celsius gleichzeitig verdampft und auf dem bis zu 550 Grad heißen Molybdän beschichteten Glas als positive p-Schicht Cu(In,Ga)Se2 abgelagert. Mittels verschiedener analytischer Geräte kann über Temperatur und Druck das Verhältnis der verschiedenen Elemente gesteuert werden.

Der negativ geladene Teil der Solarzelle, die n-Schicht aus Cadmiumsulfid (CdS), wird in einem chemischen Bad als Lösung abgeschieden. »Diese Maschine ist einzigartig«, erklärt Dimmler stolz, »eine chemische Abscheidung im Durchlauf vermag sonst keiner zu machen.« Dass das toxische Cadmium zu Akzeptanzproblemen bei potenziellen Käufern führen kann, glaubt Dimmler nicht, die Mengen seien vernachlässigbar, und das Material sei chemisch beständig. Am ZSW sind bereits Kleinmodule mit alternativen Chemikalien entwickelt worden, die Wirkungsgrade sind mit acht bis zehn Prozent allerdings vergleichsweise gering. »Wenn der Markt es verlangt, können wir die Maschine binnen zweier Tagen umstellen,« sagt Dimmler, der im Moment mit dem Aufbau der Produktion ganz andere Sorgen hat. In einem zweiten Strukturierungsschritt werden die p- und die n-Schicht miteinander verbunden. Danach wird in einer Sputtermaschine, wie sie auch in der Glasindustrie zum Aufbringen verschiedener Materialien für Isolier- oder Sonnenschutz verwendet wird, das Zinkoxid (ZnO) als vorderer negativer Modulkontakt aufgebracht. Ein dritter und letzter Strukturierungsschritt trennt die ZnO-Schicht in die gewählte Solarzellengröße.

Module ab August

Bereits für August hat Würth Solar den Verkauf der ersten Module angekündigt. Eine vielleicht etwas vorschnelle Entscheidung, wo doch bekannt ist, dass selbst ein Modulhersteller altbekannter kristalliner Siliziumtechnik, wie ASE in Alzenau, weit über ein Jahr gebraucht hat, um seine neue Zellproduktionslinie richtig ins Laufen zu bringen. Wie dem auch sei, das Progamm soll zu Anfang CIS-Module mit Leistungen von 6, 9, 13, 18, 28, 43 und 57 Watt und Wirkungsgraden zwischen 6,7 und 8 Prozent enthalten (siehe CD ROM »Modulübersicht 2000«). Das 57-Watt-Modul als das größte der Standard Produkte, wird eine Fläche von 60 × 120 Zentimeter bemessen, so dass drei dieser Module aus der 180 Zentimeter breiten Glasplatte geschnitten werden können. Obwohl Würth Solar auch einige wenige Demonstrationsprojekte auf Dächern realisieren möchte, peilt das Unternehmen den Markt für Kleinanwendungen wie solar betriebene Batterieladegeräte oder ähnliches an. »Bei einer Kapazität von
1,2 MW kann die Dünnschichttechnik vom Preis her nicht mit Silizium konkurrieren«, erklärt Dimmler die Produktfokussierung auf die Kleinanwendungen, wo weitaus höhere Preise gezahlt werden als die gängigen rund sieben Mark pro Watt für Standardmodule. Und er fügt hinzu, dass Kosten von rund drei Mark pro Watt für CIS-Module erst ab einer jährlichen Produktionskapazität von zehn Megawatt »vollkommen automatisiert und mit einer 90-prozentigen Auslastung« zu erwarten seien.

Der Bau dieser 10-MW-Fabrik ist bereits geplant. Die 1,2-Megawatt-Pilotanlage mit ihrer flexiblen Struktur wird dann ausschließlich zur Fertigung von kundenspezifischen Modulanfertigungen genutzt, während mit der 10-MW-Linie großflächige Standardmodule produziert werden sollen. Wann und wo die neue Anlage entsteht ist noch nicht sicher. »Wenn wir Glück haben, sind wir im Laufe des nächsten Jahres soweit, dass wir die Entscheidung fällen. Wenn wir Pech haben, wird es vielleicht ein Jahr länger dauern«, sagt Groß, der davon ausgeht, dass von der Entscheidung bis zur Inbetriebnahme nicht länger als ein Jahr vergehen wird.

Michael Schmela
© PHOTON, 25. April 2000
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