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CdTe vs. CIGS-Solarmodule: Unterschiede, Leistung und Anwendungen

CdTe- und CIGS-Solarmodule sind zwei herausragende Arten von Dünnschichtmodulen, wobei erstere dieses Marktsegment dominieren, während letztere direkt dahinter folgen.

Diese beiden Arten von Paneelen weisen jeweils unterschiedliche Eigenschaften, Vor- und Nachteile auf. In diesem Artikel werden wir sie im Hinblick auf mehrere Aspekte vergleichen, die den Benutzern am meisten Sorgen bereiten würden.

Zusammenfassung der Grundlagen: Zusammensetzung, Struktur und Herstellung

Das Verständnis der Grundlagen von CdTe- und CIGS-Dünnschicht-Solarmodulen ist entscheidend, um zu verstehen, wie sie unter realen Bedingungen funktionieren und für welche Anwendungen sie ideal sind.

CdTe-Solarmodule

Diagramm: Verschiedene Schichten eines Cadmium-Tellurid (CdTe)-Solarmoduls
Abbildung #1: Schichten eines CdTe-Solarpanels | Quelle: NREL

CdTe-Solarmodule verwenden Cadmiumtellurid als primäres Halbleitermaterial, um Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln. Ähnlich wie bei anderen Panels können die Teile von CdTe-Panels in Kategorien eingeteilt werden mehrere Schichten; im Detail wie folgt erklärt:

  • Substratschicht: Typischerweise besteht die Substratschicht aus Glas und bietet mechanischen Halt und Schutz für die oberen Schichten.
  • Rückkontakt: Diese Schicht dient als elektrischer Kontakt, der den von den Zellen erzeugten Strom sammelt und leitet. Es besteht im Allgemeinen aus Materialien wie Kohlenstoffpaste, die mit Kupfer oder anderen Metallen versetzt sind, um eine Leitung im Panel zu erzeugen.
  • Photovoltaische Schicht: Der Kern des Panels. Es enthält eine p-dotierte Cadmiumtellurid-Unterschicht (CdTe) und eine n-dotierte Cadmiumsulfid-Unterschicht (CdS) oder Magnesiumzinkoxid-Unterschicht (MZO), die einen pn-Übergang für die Energieumwandlung bilden.
  • TCO-Schicht: Zur Herstellung der transparenten leitfähigen Oxidschicht (TCO) wird Material wie fluordotiertes Zinnoxid (SnO₂:F) oder Cadmiumstannat (Cd₂SnO₄) verwendet. Diese transparente und leitfähige Schicht lässt Licht durch und leitet gleichzeitig Strom.
  • Kapselung: Ähnlich wie bei anderen Paneltypen bietet die Kapselungsschicht physischen Schutz für die gesamte Baugruppe.

Techniken wie Sputtern, chemische Gasphasenabscheidung oder Nahsublimation werden eingesetzt, um verschiedene Schichten auf dem Substrat abzuscheiden.

Die CdTe-Schicht kann durch Nahbereichssublimation abgeschieden werden, bei der das Material erhitzt wird, bis es sublimiert und dann auf dem Substrat kondensiert. Während oder nach dem Abscheidungsprozess werden den CdTe- und CdS-Schichten „Verunreinigungen“ hinzugefügt, um durch Dotierung p-Typ- bzw. n-Typ-Halbleiter zu erzeugen. Alternativ können Dotierstoffe wie Arsen oder Phosphor verwendet werden inkorporiert während der Hochdrucksynthese von CdTe.

Das Glühen wird durchgeführt, nachdem alle wichtigen Schichten zusammengesetzt sind. Es handelt sich um einen thermischen Prozess, bei dem diese Schichten auf eine hohe Temperatur erhitzt werden, um die Kristallinität zu verbessern und die Interdiffusion zwischen den CdS- und CdTe-Schichten zu fördern.

Fertigungstechniken wie z Rolle-zu-Rolle Prozesse auf Metallfolien und die Verwendung von löslichem CdTe-Nanokristalle sind der Schlüssel zur Herstellung effizienter und kostengünstiger CdTe-Panels.

CIGS-Solarmodule

„CIGS“ steht für Copper Indium Gallium Selenide, das in diesen Panels verwendete Halbleitermaterial. Jede Schicht eines CIGS-Solarmoduls erfüllt eine bestimmte Funktion, wie unten gezeigt.

Schichten eines CIGS-Solarmoduls
Abbildung #2: Schichten eines CIGS-Solarmoduls | Quelle: NREL
  • Substratschicht: Diese kann je nach Anwendung aus Glas oder einem flexiblen Polymer bestehen. Die meisten Produkte auf dem Markt verwenden flexible Substrate; Diese Panels können biegbar oder sogar rollbar sein.
  • Rückkontakt aus Molybdän (Mo).: Typischerweise wird eine dünne Schicht Molybdän (Mo) auf das Substrat gesputtert. Diese Schicht fungiert als hintere Elektrode des Panels, sammelt Ladungsträger und reflektiert nicht absorbiertes Licht zurück in die Absorberschicht.
  • Absorberschicht: Der Kern eines CIGS-Panels ist die Absorberschicht aus einer chemischen Zusammensetzung, die die Elemente Kupfer, Indium, Gallium und Selen enthält. Es ist das Halbleitermaterial vom p-Typ, das für die Absorption des Sonnenlichts und die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren verantwortlich ist.
  • Pufferschicht: Es handelt sich um eine Schicht aus Cadmiumsulfid (CdS), die auf der Absorberschicht abgeschieden wird. Dies ist die n-Typ-Schicht, die den pn-Übergang des Panels bildet. erleichtern Ladungstrennung.
  • Fensterebene: Die Fensterschicht besteht im Allgemeinen aus einem TCO und wird durch Abscheiden einer Schicht aus intrinsischem Zinkoxid (i-ZnO) über der Pufferschicht und anschließendes Aufbringen einer AZO-Verbindungsschicht hergestellt. Diese Struktur dient einem doppelten Zweck: Sie schützt die darunter liegende Pufferschicht vor Beschädigungen und erfüllt gleichzeitig ihre optischen und elektrischen Funktionen.
  • *Antireflexbeschichtung: Viele Premium-CIGS-Panel-Produkte verfügen über eine proprietäre Antireflexbeschichtung, um die Lichtreflexion zu minimieren und sicherzustellen, dass mehr Photonen die Absorberschicht erreichen.
  • Kapselung: Diese Schicht bietet Schutz und verhindert eine elektrische Verschlechterung der unteren Schichten und blockiert das Eindringen von Feuchtigkeit, was für die Aufrechterhaltung der Effizienz und Langlebigkeit des Panels von entscheidender Bedeutung ist. 

Die Herstellung von CIGS-Solarmodulen umfasst auch verschiedene Prozesse, die den Einsatz mehrerer Abscheidungstechniken kombinieren.

Sputtern ist die am weitesten verbreitete Technik zur Abscheidung der Rückkontaktschicht auf dem Substrat. Anschließend wird die CIGS-Absorberschicht durch Co-Verdampfung, Sputtern oder elektrochemische Abscheidung gebildet. Die Pufferschicht wird üblicherweise mittels chemischer Badabscheidung (CBD) abgeschieden. Die Fensterschicht wird typischerweise mit Methoden wie Sputtern oder Atomlagenabscheidung (ALD) aufgebracht. Die Antireflexbeschichtung kann durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) erfolgen.

In den letzten Jahren haben auch Wissenschaftler angenommen sequentielle „Selenisierung“ und Schwefelung zur Hinterlegung des CIGS-Materials. Drucktechnologie wurde verwendet und ständig verbessert, um die Kosten für die Herstellung von CIGS-Panels zu senken.

CdTe vs. CIGS-Solarmodule: Effizienz

Effizienz ist vielleicht das wichtigste Kriterium bei der Entscheidung zwischen CdTe- und CIGS-Solartechnologie.

Die Effizienzsteigerungen bei CdTe-Panels haben erhebliche Fortschritte gemacht Seit 20101 (Figur 3). Kommerzielle CdTe-Solarmodule haben im Allgemeinen einen Wirkungsgrad zwischen 17 % und 19 %, was in etwa dem von durchschnittlichen Solarmodulen auf Siliziumbasis entspricht. Bisher wurde der höchste Laborwirkungsgrad von CdTe-Panels festgestellt 22.1%.

Verbesserungen der CdTe-Panel-Effizienz im Laufe der Jahre
Abbildung #3: Laborwirkungsgrade der CdTe-Solarzelle | Quelle: Erteza Tawsif Efaz et al., 2021

Auch die Effizienz von CIGS-Panels hat sich deutlich verbessert im letzten Jahrzehnt2. Im Vergleich zu CdTe-Panels ist der durchschnittliche Wirkungsgrad von CIGS-Panels etwas niedriger und liegt im Bereich von 12 % bis 16 %. Das von einem Forschungsteam der Universität Uppsala erstellte Prototyp-Panel wurde mit einer Effizienz von als neuester Weltrekord bezeichnet 23.64%.

CdTe vs. CIGS-Panels: Kosten

Ein weiteres wichtiges Kriterium bei der Abwägung dieser Panels sind die Kosten.

Dank der vergleichsweise niedrigeren Materialkosten sowie der Fortschritte in den Herstellungstechniken und der Materialwissenschaft ist der Preis für CdTe-Solarmodule auf 0.20 bis 0.35 US-Dollar pro Watt gesunken. Während der Preis für CIGS-Panels zwischen 0.30 und 0.50 US-Dollar pro Watt liegen kann.

Als Benchmark gilt der Preis für Silizium-basierte Panels, also auch für beide mono- und polykristalline Panelsliegen zwischen 0.30 und 0.70 US-Dollar (oder mehr) pro Watt.

Insgesamt kann der Preis von CdTe- und CIGS-Produkten neben dem Umfang der Bereitstellung auch stärker variieren, je nach Technologiereife und Herstellungsbedingungen.

CdTe vs. CIGS-Panels: Leistung in der Praxis

Obwohl siliziumbasierte Panels immer noch den Löwenanteil des Marktes ausmachen, verzeichnen die Marktanteile sowohl von CdTe- als auch von CIGS-Panels ein kontinuierliches Wachstum.

CdTe-Panels sind bekannt für ihren niedrigeren Temperaturkoeffizienten, von ca. -0.20 %/°C bis -0.30 %/°C. Bei einigen Premiumprodukten können Werte unter -0.20 %/°C erreicht werden. Der Temperaturkoeffizient von CdTe-Panels übertrifft den von CIGS- und Silizium-basierten Panels, die beide ähnliche Werte aufweisen. Diese Festigkeit impliziert eine bessere Temperaturtoleranz und sorgt dafür, dass CdTe-Platten auch unter Hochtemperaturbedingungen eine gute Leistung beibehalten.

Während die Koeffizient für CIGS-Panele ist nicht so günstig wie für CdTe-Panele, CIGS-Panele hingegen schon bekannt für ihre hervorragende Flexibilität und ihr geringes Gewicht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Paneelen auf Siliziumbasis und den meisten CdTe-Paneelen können diese Paneele biegbar und sogar rollbar sein und bieten eine hervorragende Flexibilität beim Einsatz auf unregelmäßigen oder gekrümmten Oberflächen. Ihr geringes Gewicht bietet außerdem größere Möglichkeiten für die Anpassung an verschiedene Installationen.

Insbesondere bestehen die Hauptmaterialien zur Herstellung von CdTe- und CIGS-Panels aus direkte Bandlücke. Dies bedeutet, dass diese Panels bei schlechten Lichtverhältnissen leichter Energie erfassen und umwandeln können als herkömmliche Panels auf Siliziumbasis mit Materialien mit indirekter Bandlücke.

Vor- und Nachteile von CdTe- und CIGS-Panels

Neben einigen gemeinsamen Merkmalen haben die CdTe- und CIGS-Solarmodultechnologien unterschiedliche Vor- und Nachteile. Hier ist eine kurze Zusammenfassung, die Ihnen hilft, sie besser zu verstehen, bevor Sie eine Entscheidung treffen.

Vorteile von CdTe-Panels

  • Kostengünstig: CdTe-Panels sind einfacher herzustellen und gehören zu den kostengünstigsten Optionen auf dem Markt. Sie kosten im Allgemeinen weniger als CIGS-Panels.
  • Hohe Effizienz: CdTe-Panels weisen einen moderat höheren Wirkungsgrad als CIGS-Panels auf und sind mit einigen herkömmlichen Produkten auf Siliziumbasis vergleichbar.
  • Hohe Temperaturtoleranz: Ihr niedrigerer Temperaturkoeffizient ermöglicht eine stabilere Leistung und einen zufriedenstellenden Ertrag bei heißem Wetter.
  • Dünnschichttechnologie: Als eine Art Dünnschichttechnologie sind CdTe-Panels leichter und flexibler als herkömmliche Panels.

Nachteile von CdTe-Panels

  • Umwelt- und Gesundheitsbedenken: Cadmium ist ein giftiger Stoff, der bei unsachgemäßer Handhabung und Entsorgung gefährlich für Mensch und Umwelt sein kann.
  • Regulatorische Einschränkungen: Aufgrund der Toxizität von Cadmium könnten CdTe-Produkte in einigen Regionen Vorschriften unterliegen.
  • Platzanforderungen: CdTe ist immer noch nicht in der Lage, kristalline Siliziumplatten hinsichtlich der Effizienz zu übertreffen, und benötigt mehr Platz, um die erwartete Energie zu erzeugen. 

Vorteile von CIGS-Panels

  • Flexibel und leicht: CIGS-Panels sind flexibler und leichter als CdTe-Produkte, was zu breiteren Einsatzmöglichkeiten führt, unabhängig davon, ob es sich um mobile oder stationäre Installationen handelt.
  • Überlegene Ästhetik: Die unsichtbaren elektrischen Kontakte und die hervorragende Flexibilität machen CIGS-Panels ideal für Anwendungen, bei denen Ästhetik und Anpassungsfähigkeit wichtig sind.
  • Geringe Umweltbelastung: Die CIGS-Technologie verbraucht im Vergleich zu CdTe-Panels weniger Cadmium und reduziert so die mit dem unfreundlichen Element verbundenen Umwelt- und Gesundheitsrisiken.

Nachteile von CIGS-Panels

  • Etwas geringere Effizienz: Obwohl ihre Effizienz etwas geringer ist als bei CdTe-Produkten, sind sie aufgrund ihrer erstklassigen Flexibilität für viele Projekte die unübertroffene Wahl.
  • Etwas höherer Preis: Aufgrund ihres komplexen Herstellungsprozesses, ihrer Materialeigenschaften und ihrer Prozesskontrolle könnten sie im Allgemeinen mehr kosten als CdTe-Panels.

CdTe- und CIGS-Panels teilen sich ebenfalls gute Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen Bedingungen, die einige ihrer Nachteile irgendwie abmildern.

Obwohl CdTe- und CIGS-Panels aufgrund ihrer relativ kurzen Lebensdauer und Anfälligkeit gegenüber Umwelteinflüssen begrenzt sind, hat die laufende Entwicklung durch den Einsatz fortschrittlicher Materialien und innovativer Techniken zu erheblichen Verbesserungen geführt.

Abschließende Worte: Ideale Anwendungen für CdTe- und CIGS-Panels 

CdTe-Solarmodule sind besonders geeignet Geeignet für große SolarprojekteEs bietet eine überzeugende Kombination aus Kosteneffizienz, guten Wirkungsgraden, die denen von Produkten auf Siliziumbasis näher kommen, und einem einfacheren Herstellungsprozess, der eine schnelle Massenproduktion ermöglicht. 

Bemerkenswerterweise eignen sich CdTe-Solarmodule auch besonders gut für Umgebungen mit hohen Temperaturen. Sie bieten in Umgebungen mit hohen Temperaturen eine bessere Leistung als CIGS-Panels und einige Arten von Panels auf Siliziumbasis.

Andererseits können CIGS-Paneele mit ästhetisch ansprechendem Design hergestellt werden und sind daher Gut für gebäudeintegrierte Photovoltaik-Projekte (BIPV).. Aufgrund ihrer Flexibilität und Anpassungsmöglichkeiten eignen sie sich für die Integration in Baumaterialien wie Glasfassaden und Dächer in Gewerbe- und Wohnprojekten.

Darüber hinaus sind CIGS-Module die erste Wahl für sauberen Strom Lösung für Anwendungen im Consumer-Markt, Wobei Portabilität ist unterstrichen. Die Endprodukte können unter anderem mobile Ladestationen und Campingausrüstung sein.

*Titelbild: „Flexibles Dünnschicht-Solar-PV-Kabelmanagement“ (Ausschnitt) von Ken-Felder ist unter CC BY-SA 2.0 lizenziert.

  1. Ein Überblick über Primärtechnologien von Dünnschichtsolarzellen (Erteza Tawsif Efaz et al., 2021) ↩︎
  2. Aktueller Überblick über die Cu(In,Ga)Se2-Dünnschichtsolarzellen (Mohammad Anwar Omid et al., 2020) ↩︎

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