Cis-Cigs
Dünnschicht: CIS / CIGS
CIS/CIGS - Dünnschichtmodule auf dem Weg
Mit diesen Zellen können Sie
(beinahe) anstellen, was Sie wollen.
Foto: © Dantor/Wikipedia
CIS/CIGS oder auch CIGS Se bezeichnen Materialzusammensetzungen von Dünnschicht-Solarmodulen, die aus Leitern und Halbleitern bestehen.
Sie werden in Kombination auf Folie oder (meist) auf Glas aufgedampft.
Anders als die herkömmlichen Dickschicht-Solarwafer müssen die Module der Materialkombination CIS/CIGS nicht aus einzelnen Solarzellen aufgebaut werden - der einfachere Herstellungsprozess des Aufdampfend erlaubt die unmittelbare Fertigung ganzer Solarmodule.
Nach Cadmium-Tellurid sind CIS/CIGS-Halbleiter derzeit der am häufigsten eingesetzte Werkstoff für Dünnschichtmodule.
Aufbau von CIS/CIGS-Solarzellen
Die Buchstaben C, I, G, S bzw. das Kürzel Se stehen für folgende Elemente:- C - Kupfer (nach dem chem. Kürzel Cu bzw. engl. Copper), das als hervorragend leitendes Edelmetall die Leitereigenschaften der Elektronen in der Solarzelle steigert,
- I - Indium (chem. Kürzel In, das auch in der Zusammensetzung Indiumphosphid verwendet wird, wegen seiner Seltenheit aber zunehmend ersetzt wird durch
- G - Gallium (chem. Kürzel Ga), das allerdings ebenfalls selten ist und vor allem in Galliumarsenid (GaAs) eingesetzt wird; es wird auch zur p-Dotierung (Anreicherung) von Silizium in Solarzellen verwendet;
- S - steht für Selen (chem. Kürzel Se) bzw. Schwefel (chem. Kürzel S nach lat. Sulfur). Schwefel ist ebenfalls ein Halbleiter, Selen in seiner Modifikation als graues Selen sogar ein sogenannter "Fotohalbleiter", d.h.: Es erhöht unter Licht seine Leitfähigkeit - unter Sonnenlicht etwa um den Faktor 1.000.
- Se - steht in CIGS Se für Selen (Se), wenn das S schon durch Schwefel/Sulfur belegt ist.
Die Ausgangs-Mischung der Solarzelle besteht in der Regel aus CIS: Kupfer, Indium und Selen. Gelegentlich wird zur Verbesserung der Leitungseigenschaften Indium durch Gallium ergänzt bzw. teilweise durch Gallium ersetzt. Das Ergebnis ist CIGS. Ebenso wird gelegentlich Selen durch Schwefel ersetzt (ebf. CIGS) bzw. ergänzt zu CIGS Se.
Die häufigst verwendeten Kombinationen sind: Cu(In,Ga)Se2 (Kupfer-Indium/Gallium-Diselenid) und CuInS2 (Kupfer-Indium-Disulfid).
CIS/CIGS - Dünnschichtmodule auf dem Weg
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CIS/CIGS oder auch CIGS Se bezeichnen Materialzusammensetzungen von Dünnschicht-Solarmodulen, die aus Leitern und Halbleitern bestehen.
Sie werden in Kombination auf Folie oder (meist) auf Glas aufgedampft.
Anders als die herkömmlichen Dickschicht-Solarwafer müssen die Module der Materialkombination CIS/CIGS nicht aus einzelnen Solarzellen aufgebaut werden - der einfachere Herstellungsprozess des Aufdampfend erlaubt die unmittelbare Fertigung ganzer Solarmodule.
Nach Cadmium-Tellurid sind CIS/CIGS-Halbleiter derzeit der am häufigsten eingesetzte Werkstoff für Dünnschichtmodule.
Aufbau von CIS/CIGS-Solarzellen
Die Buchstaben C, I, G, S bzw. das Kürzel Se stehen für folgende Elemente:- C - Kupfer (nach dem chem. Kürzel Cu bzw. engl. Copper), das als hervorragend leitendes Edelmetall die Leitereigenschaften der Elektronen in der Solarzelle steigert,
- I - Indium (chem. Kürzel In, das auch in der Zusammensetzung Indiumphosphid verwendet wird, wegen seiner Seltenheit aber zunehmend ersetzt wird durch
- G - Gallium (chem. Kürzel Ga), das allerdings ebenfalls selten ist und vor allem in Galliumarsenid (GaAs) eingesetzt wird; es wird auch zur p-Dotierung (Anreicherung) von Silizium in Solarzellen verwendet;
- S - steht für Selen (chem. Kürzel Se) bzw. Schwefel (chem. Kürzel S nach lat. Sulfur). Schwefel ist ebenfalls ein Halbleiter, Selen in seiner Modifikation als graues Selen sogar ein sogenannter "Fotohalbleiter", d.h.: Es erhöht unter Licht seine Leitfähigkeit - unter Sonnenlicht etwa um den Faktor 1.000.
- Se - steht in CIGS Se für Selen (Se), wenn das S schon durch Schwefel/Sulfur belegt ist.
Die Ausgangs-Mischung der Solarzelle besteht in der Regel aus CIS: Kupfer, Indium und Selen. Gelegentlich wird zur Verbesserung der Leitungseigenschaften Indium durch Gallium ergänzt bzw. teilweise durch Gallium ersetzt. Das Ergebnis ist CIGS. Ebenso wird gelegentlich Selen durch Schwefel ersetzt (ebf. CIGS) bzw. ergänzt zu CIGS Se.
Die häufigst verwendeten Kombinationen sind: Cu(In,Ga)Se2 (Kupfer-Indium/Gallium-Diselenid) und CuInS2 (Kupfer-Indium-Disulfid).
CIS/CIGS - Dünnschichtmodule auf dem Weg
Mit diesen Zellen können Sie
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Foto: © Dantor/Wikipedia
CIS/CIGS oder auch CIGS Se bezeichnen Materialzusammensetzungen von Dünnschicht-Solarmodulen, die aus Leitern und Halbleitern bestehen.
Sie werden in Kombination auf Folie oder (meist) auf Glas aufgedampft.
Anders als die herkömmlichen Dickschicht-Solarwafer müssen die Module der Materialkombination CIS/CIGS nicht aus einzelnen Solarzellen aufgebaut werden - der einfachere Herstellungsprozess des Aufdampfend erlaubt die unmittelbare Fertigung ganzer Solarmodule.
Nach Cadmium-Tellurid sind CIS/CIGS-Halbleiter derzeit der am häufigsten eingesetzte Werkstoff für Dünnschichtmodule.
Aufbau von CIS/CIGS-Solarzellen
Die Buchstaben C, I, G, S bzw. das Kürzel Se stehen für folgende Elemente:- C - Kupfer (nach dem chem. Kürzel Cu bzw. engl. Copper), das als hervorragend leitendes Edelmetall die Leitereigenschaften der Elektronen in der Solarzelle steigert,
- I - Indium (chem. Kürzel In, das auch in der Zusammensetzung Indiumphosphid verwendet wird, wegen seiner Seltenheit aber zunehmend ersetzt wird durch
- G - Gallium (chem. Kürzel Ga), das allerdings ebenfalls selten ist und vor allem in Galliumarsenid (GaAs) eingesetzt wird; es wird auch zur p-Dotierung (Anreicherung) von Silizium in Solarzellen verwendet;
- S - steht für Selen (chem. Kürzel Se) bzw. Schwefel (chem. Kürzel S nach lat. Sulfur). Schwefel ist ebenfalls ein Halbleiter, Selen in seiner Modifikation als graues Selen sogar ein sogenannter "Fotohalbleiter", d.h.: Es erhöht unter Licht seine Leitfähigkeit - unter Sonnenlicht etwa um den Faktor 1.000.
- Se - steht in CIGS Se für Selen (Se), wenn das S schon durch Schwefel/Sulfur belegt ist.
Die Ausgangs-Mischung der Solarzelle besteht in der Regel aus CIS: Kupfer, Indium und Selen. Gelegentlich wird zur Verbesserung der Leitungseigenschaften Indium durch Gallium ergänzt bzw. teilweise durch Gallium ersetzt. Das Ergebnis ist CIGS. Ebenso wird gelegentlich Selen durch Schwefel ersetzt (ebf. CIGS) bzw. ergänzt zu CIGS Se.
Die häufigst verwendeten Kombinationen sind: Cu(In,Ga)Se2 (Kupfer-Indium/Gallium-Diselenid) und CuInS2 (Kupfer-Indium-Disulfid).
Schematischer Aufbau der CIS/CIGS-Zelle
Solarmodule auf der Basis von CIS/CIGS sind in mehreren hauchfeinen Schichten aufgebaut, die zusammen nicht mehr als 1 bis 2 µm dick sind. Organisiert werden sie in Röhren, so dass die Optik oberflächlich den Kollektoren von Solarmodulen ähneln.
Im Querschnitt:
Querschnitt der CIS/CIGS-Zelle - vom Substrat zur transparenten Front
Der Glas- oder Folienträger wird mit einer Molybdänschicht bedampft, die als Rückkontakt des Moduls dient. Darauf aufgebaut der Halbleiter. Er wird auf der Oberseite abgeschlossen mit einer durchsichtigen Zinkoxid-Schicht, die durch Aluminium dotiert wurde. Wegen ihrer Transparenz wird diese Schicht "Fenster" genannt.
Halbleiter sind das Material der Wahl, weil sich ihre elektrische Leitfähigkeit durch die Bestrahlung mit Sonnenlicht erhöht. Diese Eigenschaft macht sie zum idealen Werkstoff der Photovoltaik, der direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom.
Zwischen Fenster und Absorber besteht eine Pufferschicht aus CdTe - die allerdings giftig ist; daher wird es durch verschiedene Schichten unter- und oberhalb dicht eingekapselt. Hersteller und Forschung experimentieren aber auch damit, sie durch verschiedene andere Materialien zu ersetzen.
Durch die Kombination der Materialien absorbieren CdTe-Module Tageslicht zu 99% - daher erscheinen sie tiefschwarz.
Dünnschicht- und Dickschichtmodule für Ihr Dach im kostenlosen Vergleich: Zur unverbindlichen Berechnung
CIS/CIGS: Vor- und Nachteile
Verglichen mit Silizium-Dickschichtsolarzellen gehören zu den Vorteilen der CIS/CIGS-Technologie die Einsparung an Halbleitermaterial (1:50) und die Variablität der Trägermaterialien, die mit einer höheren Flexibilität der Module insgesamt für Spezialanwendungen einhergeht.
Im Vergleich zu Silizium-Dünnschichtsolarzellen ist die erhöhte Leitfähigkeit für Strom wesentlich.
Durch die dünnen Schichten sind die Leitwege kürzer, die Ansprüche an das Halbleitermaterial sind geringer. Daher können Dünnschicht-Solarmodule aus polykristallinen oder amorphem Material hergestellt werden, der energie- und zeitaufwendige Produktionsweg über monokristalline Materialien entfällt.
Zu den Vorteilen gehört schließlich die erleichterte Verschaltung zwischen den einzelnen Solarmodulen: Die Verschaltung kann bei der Produktion gleich mit auf des Trägermaterial aufgedampft bzw. gedruckt werden.
Zu den Nachteilen gehört die Seltenheit von Indium, die potenzielle Giftigkeit einiger der verwendeten Materialien (Selen, Schwefel) und der noch vergleichsweise geringe Wirkungsgrad von CIS/CIGS-Solarmodulen.
Er liegt bei 14 bis 17,5% (2016), gegenüber Silizium-Modulen sind dies noch recht schwache Werte.
Unter Laborbedingungen haben CIS/CIGS-Module allerdings bereits sehr hohe Wirkungsgrade von bis zu 21% erreicht. Eine Arbeitsgruppe an der Universität Jena zielt für industriell gefertigte Module sogar einen Wirkungsgrad von 18% an.
Die Module sind unter schlechten Lichtbedingungen hervorragend für die Solarstromproduktion und darum bei Nordlagen oder Streulicht interessant für den Hausgebrauch.
Hinzu kommt, dass sie in der Wintersaison bessere Ergebnisse als andere Materialien erzielen. Obwohl die Materialmischung meist auf Glas als Substrat aufgebracht wird, sind auch die flexiblen Anwendungen auf Folie für spezielle Anwendungen, wo Flexibilität und Leichtigkeit gefragt sind, vielversprechend.
PV-Bauherren müssen allerdings wissen, dass die Zeit, in der Dünnschichtmodule einen erheblichen Preisvorteil gegenüber herkömmlichen Solarzellen boten, vorüber sind.
Die rasanten Verbesserungen von Technologie und Fertigung in der Dichschicht-Technologie haben die noch vor wenigen Jahren bestehenden Unterschiede wettgemacht.
CIS-CIGS in der Herstellung
Ein erstes Modul dieser Art brachte der amerikanische Hersteller Solyndra 2009 auf den Markt (2011 insolvent), später sind andere Hersteller mit eigenen Fertigungslinien hinzugekommen, in Deutschland z.B. Sulfurcell/Soltecture (2012/13 insolvent) die Solibro GmbH (ehemals Q-Cells, seit September 2012 Hanenergy Holding Group).
Durch diese Insolvenzen hat die noch vor wenigen Jahren vielversprechende Technologie einen erheblichen Dämpfer erhalten. Viele Dünnschichtmodul-Hersteller haben ihre Produktlinien eingestellt. Die Dünnschicht-Technologie war deshalb eine Zeitlang etwas auf dem Rückzug, mittlerweile hat sie sich aber wieder stabilisiert.
Zukunftsträchtig sind derzeit v.a. die CdTe- und die CIS/CIGS-Technologie. Sie weisen heute bereits einen Marktanteil von 5 bzw. 4% auf.
Schematischer Aufbau der CIS/CIGS-Zelle
Solarmodule auf der Basis von CIS/CIGS sind in mehreren hauchfeinen Schichten aufgebaut, die zusammen nicht mehr als 1 bis 2 µm dick sind. Organisiert werden sie in Röhren, so dass die Optik oberflächlich den Kollektoren von Solarmodulen ähneln.
Im Querschnitt:
Querschnitt der CIS/CIGS-Zelle - vom Substrat zur transparenten Front
Der Glas- oder Folienträger wird mit einer Molybdänschicht bedampft, die als Rückkontakt des Moduls dient. Darauf aufgebaut der Halbleiter. Er wird auf der Oberseite abgeschlossen mit einer durchsichtigen Zinkoxid-Schicht, die durch Aluminium dotiert wurde. Wegen ihrer Transparenz wird diese Schicht "Fenster" genannt.
Halbleiter sind das Material der Wahl, weil sich ihre elektrische Leitfähigkeit durch die Bestrahlung mit Sonnenlicht erhöht. Diese Eigenschaft macht sie zum idealen Werkstoff der Photovoltaik, der direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom.
Zwischen Fenster und Absorber besteht eine Pufferschicht aus CdTe - die allerdings giftig ist; daher wird es durch verschiedene Schichten unter- und oberhalb dicht eingekapselt. Hersteller und Forschung experimentieren aber auch damit, sie durch verschiedene andere Materialien zu ersetzen.
Durch die Kombination der Materialien absorbieren CdTe-Module Tageslicht zu 99% - daher erscheinen sie tiefschwarz.
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CIS/CIGS: Vor- und Nachteile
Verglichen mit Silizium-Dickschichtsolarzellen gehören zu den Vorteilen der CIS/CIGS-Technologie die Einsparung an Halbleitermaterial (1:50) und die Variablität der Trägermaterialien, die mit einer höheren Flexibilität der Module insgesamt für Spezialanwendungen einhergeht.
Im Vergleich zu Silizium-Dünnschichtsolarzellen ist die erhöhte Leitfähigkeit für Strom wesentlich.
Durch die dünnen Schichten sind die Leitwege kürzer, die Ansprüche an das Halbleitermaterial sind geringer. Daher können Dünnschicht-Solarmodule aus polykristallinen oder amorphem Material hergestellt werden, der energie- und zeitaufwendige Produktionsweg über monokristalline Materialien entfällt.
Zu den Vorteilen gehört schließlich die erleichterte Verschaltung zwischen den einzelnen Solarmodulen: Die Verschaltung kann bei der Produktion gleich mit auf des Trägermaterial aufgedampft bzw. gedruckt werden.
Zu den Nachteilen gehört die Seltenheit von Indium, die potenzielle Giftigkeit einiger der verwendeten Materialien (Selen, Schwefel) und der noch vergleichsweise geringe Wirkungsgrad von CIS/CIGS-Solarmodulen.
Er liegt bei 14 bis 17,5% (2016), gegenüber Silizium-Modulen sind dies noch recht schwache Werte.
Unter Laborbedingungen haben CIS/CIGS-Module allerdings bereits sehr hohe Wirkungsgrade von bis zu 21% erreicht. Eine Arbeitsgruppe an der Universität Jena zielt für industriell gefertigte Module sogar einen Wirkungsgrad von 18% an.
Die Module sind unter schlechten Lichtbedingungen hervorragend für die Solarstromproduktion und darum bei Nordlagen oder Streulicht interessant für den Hausgebrauch.
Hinzu kommt, dass sie in der Wintersaison bessere Ergebnisse als andere Materialien erzielen. Obwohl die Materialmischung meist auf Glas als Substrat aufgebracht wird, sind auch die flexiblen Anwendungen auf Folie für spezielle Anwendungen, wo Flexibilität und Leichtigkeit gefragt sind, vielversprechend.
PV-Bauherren müssen allerdings wissen, dass die Zeit, in der Dünnschichtmodule einen erheblichen Preisvorteil gegenüber herkömmlichen Solarzellen boten, vorüber sind.
Die rasanten Verbesserungen von Technologie und Fertigung in der Dichschicht-Technologie haben die noch vor wenigen Jahren bestehenden Unterschiede wettgemacht.
CIS-CIGS in der Herstellung
Ein erstes Modul dieser Art brachte der amerikanische Hersteller Solyndra 2009 auf den Markt (2011 insolvent), später sind andere Hersteller mit eigenen Fertigungslinien hinzugekommen, in Deutschland z.B. Sulfurcell/Soltecture (2012/13 insolvent) die Solibro GmbH (ehemals Q-Cells, seit September 2012 Hanenergy Holding Group).
Durch diese Insolvenzen hat die noch vor wenigen Jahren vielversprechende Technologie einen erheblichen Dämpfer erhalten. Viele Dünnschichtmodul-Hersteller haben ihre Produktlinien eingestellt. Die Dünnschicht-Technologie war deshalb eine Zeitlang etwas auf dem Rückzug, mittlerweile hat sie sich aber wieder stabilisiert.
Zukunftsträchtig sind derzeit v.a. die CdTe- und die CIS/CIGS-Technologie. Sie weisen heute bereits einen Marktanteil von 5 bzw. 4% auf.
Schematischer Aufbau der CIS/CIGS-Zelle
Solarmodule auf der Basis von CIS/CIGS sind in mehreren hauchfeinen Schichten aufgebaut, die zusammen nicht mehr als 1 bis 2 µm dick sind. Organisiert werden sie in Röhren, so dass die Optik oberflächlich den Kollektoren von Solarmodulen ähneln.
Im Querschnitt:
Querschnitt der CIS/CIGS-Zelle - vom Substrat zur transparenten Front
Der Glas- oder Folienträger wird mit einer Molybdänschicht bedampft, die als Rückkontakt des Moduls dient. Darauf aufgebaut der Halbleiter. Er wird auf der Oberseite abgeschlossen mit einer durchsichtigen Zinkoxid-Schicht, die durch Aluminium dotiert wurde. Wegen ihrer Transparenz wird diese Schicht "Fenster" genannt.
Halbleiter sind das Material der Wahl, weil sich ihre elektrische Leitfähigkeit durch die Bestrahlung mit Sonnenlicht erhöht. Diese Eigenschaft macht sie zum idealen Werkstoff der Photovoltaik, der direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom.
Zwischen Fenster und Absorber besteht eine Pufferschicht aus CdTe - die allerdings giftig ist; daher wird es durch verschiedene Schichten unter- und oberhalb dicht eingekapselt. Hersteller und Forschung experimentieren aber auch damit, sie durch verschiedene andere Materialien zu ersetzen.
Durch die Kombination der Materialien absorbieren CdTe-Module Tageslicht zu 99% - daher erscheinen sie tiefschwarz.
Dünnschicht- und Dickschichtmodule für Ihr Dach im kostenlosen Vergleich: Zur unverbindlichen Berechnung
CIS/CIGS: Vor- und Nachteile
Verglichen mit Silizium-Dickschichtsolarzellen gehören zu den Vorteilen der CIS/CIGS-Technologie die Einsparung an Halbleitermaterial (1:50) und die Variablität der Trägermaterialien, die mit einer höheren Flexibilität der Module insgesamt für Spezialanwendungen einhergeht.
Im Vergleich zu Silizium-Dünnschichtsolarzellen ist die erhöhte Leitfähigkeit für Strom wesentlich.
Durch die dünnen Schichten sind die Leitwege kürzer, die Ansprüche an das Halbleitermaterial sind geringer. Daher können Dünnschicht-Solarmodule aus polykristallinen oder amorphem Material hergestellt werden, der energie- und zeitaufwendige Produktionsweg über monokristalline Materialien entfällt.
Zu den Vorteilen gehört schließlich die erleichterte Verschaltung zwischen den einzelnen Solarmodulen: Die Verschaltung kann bei der Produktion gleich mit auf des Trägermaterial aufgedampft bzw. gedruckt werden.
Zu den Nachteilen gehört die Seltenheit von Indium, die potenzielle Giftigkeit einiger der verwendeten Materialien (Selen, Schwefel) und der noch vergleichsweise geringe Wirkungsgrad von CIS/CIGS-Solarmodulen.
Er liegt bei 14 bis 17,5% (2016), gegenüber Silizium-Modulen sind dies noch recht schwache Werte.
Unter Laborbedingungen haben CIS/CIGS-Module allerdings bereits sehr hohe Wirkungsgrade von bis zu 21% erreicht. Eine Arbeitsgruppe an der Universität Jena zielt für industriell gefertigte Module sogar einen Wirkungsgrad von 18% an.
Die Module sind unter schlechten Lichtbedingungen hervorragend für die Solarstromproduktion und darum bei Nordlagen oder Streulicht interessant für den Hausgebrauch.
Hinzu kommt, dass sie in der Wintersaison bessere Ergebnisse als andere Materialien erzielen. Obwohl die Materialmischung meist auf Glas als Substrat aufgebracht wird, sind auch die flexiblen Anwendungen auf Folie für spezielle Anwendungen, wo Flexibilität und Leichtigkeit gefragt sind, vielversprechend.
PV-Bauherren müssen allerdings wissen, dass die Zeit, in der Dünnschichtmodule einen erheblichen Preisvorteil gegenüber herkömmlichen Solarzellen boten, vorüber sind.
Die rasanten Verbesserungen von Technologie und Fertigung in der Dichschicht-Technologie haben die noch vor wenigen Jahren bestehenden Unterschiede wettgemacht.
CIS-CIGS in der Herstellung
Ein erstes Modul dieser Art brachte der amerikanische Hersteller Solyndra 2009 auf den Markt (2011 insolvent), später sind andere Hersteller mit eigenen Fertigungslinien hinzugekommen, in Deutschland z.B. Sulfurcell/Soltecture (2012/13 insolvent) die Solibro GmbH (ehemals Q-Cells, seit September 2012 Hanenergy Holding Group).
Durch diese Insolvenzen hat die noch vor wenigen Jahren vielversprechende Technologie einen erheblichen Dämpfer erhalten. Viele Dünnschichtmodul-Hersteller haben ihre Produktlinien eingestellt. Die Dünnschicht-Technologie war deshalb eine Zeitlang etwas auf dem Rückzug, mittlerweile hat sie sich aber wieder stabilisiert.
Zukunftsträchtig sind derzeit v.a. die CdTe- und die CIS/CIGS-Technologie. Sie weisen heute bereits einen Marktanteil von 5 bzw. 4% auf.