Dünnschichtmodule: Was ist daran besonders?

Kategorie(n): Balkonkraftwerk-Wissen

Dünnschichtmodule sind eine preiswerte Alternative zu den weitverbreiteten kristallinen Solarmodulen. In diesem Artikel erfährst Du, für welche Anwendungen Dünnschichtmodule besonders geeignet sind und welche spezifischen Vorteile und Nachteile sie haben.

Was sind Dünnschichtmodule?

Dünnschichtmodule sind Solarmodule, die aus extrem dünnen Schichten von Halbleitermaterialien bestehen. Diese Schichten sind oft nur wenige Mikrometer dick. Dafür werden zur Herstellung amorphes Silizium, Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) verwendet. Diese Materialien werden durch Verfahren wie Aufdampfen oder Aufsprühen auf ein bestimmtes Trägermaterial aufgebracht.

Zu den gängigen Trägermaterialien gehören:

• Glas
• Metall
• Kunststoff

Der Vorteil dieses Herstellungsverfahrens ist, dass nur wenig Material benötigt wird. Daher sind Dünnschichtmodule kostengünstiger als vergleichbare Solarmodule. Darüber hinaus können Dünnschichtmodule aus flexiblen Materialien bestehen. Dadurch erweitert sich ihr Einsatzbereich. So gibt es etwa Solarmodule auf Dünnschicht-Basis, die auf Wohnmobilen oder Booten befestigt werden können.

Wie werden Dünnschichtmodule hergestellt?

Die Herstellung von Dünnschichtmodulen ist weniger aufwendig als die von kristallinen Modulen. Das wirkt sich positiv auf die Produktionskosten aus. Und dass, obwohl auch hier die Produktion aus 5 verschiedenen Prozessschritten besteht:

1. Trägervorbereitung: Zunächst wird das Trägermaterial gereinigt und vorbereitet.
2. Auftragen der Halbleiterschicht: Anschließend wird das Halbleitermaterial (amorphes Silizium, Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) durch Aufdampfen, Sputtern oder Aufsprühen auf das Trägermaterial aufgebracht.
3. Strukturierung: Nach dem Auftragen der Halbleiterschicht wird diese strukturiert, um die einzelnen Solarzellen zu definieren und eine elektrische Isolation zwischen den Zellen sicherzustellen.
4. Kontaktierung: Elektrische Kontakte werden aufgebracht, um die Solarzellen miteinander zu verbinden und den Strom aus dem Modul abzuleiten.
5. Versiegelung: Schließlich werden die Module mit einer Schutzschicht aus Glas oder Kunststoff versiegelt, um sie vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit und mechanischer Belastung zu sichern.

Umweltfreundlichkeit der Ausgangsmaterialien für Dünnschichtmodule

Die Umweltfreundlichkeit der verwendeten Ausgangsmaterialien variiert je nach Material:

• Amorphes Silizium (a-Si): Amorphes Silizium ist relativ umweltfreundlich, da es auf dem am häufigsten vorkommenden Element der Erdkruste basiert. Es enthält keine toxischen Elemente und ist relativ einfach zu recyceln.
• Cadmiumtellurid (CdTe): Cadmium ist ein toxisches Schwermetall und stellt ein erhebliches Umwelt- und Gesundheitsrisiko dar, wenn es nicht ordnungsgemäß entsorgt wird. Die Produktion und das Recycling von CdTe-Modulen unterliegen daher strengen Kontrollen, um Umweltauswirkungen zu minimieren​.
• Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS): Die Gewinnung von Indium und Gallium gilt eher als umweltschädlich. Außerdem ist das Material auf der Erde nur begrenzt verfügbar.

Übrigens: Monokristalline Solarmodule bestehen hauptsächlich aus Silizium, das in großen Mengen verfügbar und nicht toxisch ist. Auch hat Silizium selbst keine signifikanten negativen Umweltauswirkungen. Außerdem ist die Lebensdauer der monokristallinen Module deutlich höher als die der Dünnschichtmodelle. Dafür sind Letztere deutlich günstiger.

Was kostet die Produktion von Dünnschichtmodulen verglichen mit monokristallinen Solarmodulen?

Die Produktionskosten von Dünnschichtmodulen sind im Allgemeinen niedriger als die von monokristallinen Solarmodulen. Dies liegt an mehreren Faktoren, darunter die einfachere Herstellung und der geringere Materialbedarf.

Dünnschichtmodule

• Dünnschichtmodule benötigen weniger Halbleitermaterial, was die Kosten erheblich reduziert.
• Der Produktionsprozess ist weniger energieintensiv und schneller.
• Dünnschichtmodule kosten in der Produktion etwa 0,50 bis 0,70 Euro pro Watt.

Monokristalline Solarmodule

• Monokristalline Module erfordern hochreines Silizium, dessen Herstellung aufwendig und teuer ist.
• Die Produktion umfasst mehrere energieintensive Schritte wie das Ziehen von Siliziumkristallen und das Schneiden der Wafer.
• Monokristalline Module kosten in der Produktion etwa 1,00 bis 1,50 Euro pro Watt.

Die Produktionskosten für Dünnschichtmodule sind somit etwa 30 bis 50 % niedriger als die für monokristalline Module. Diesen Vorteil machen sich vor allem Bauprojekte zunutze, bei denen die Kosten eine wichtige Rolle spielen.

Vorteile von Dünnschichtmodulen

Neben den Kosten haben Dünnschichtmodule noch einige andere Vorteile:

• Dünnschichtmodule können auf verschiedensten Oberflächen installiert werden, einschließlich gekrümmter oder unebener Flächen.
• Zudem sind sie leichter als andere Module.
• Ein weiterer Vorteil ist ihre Leistung bei diffusen Lichtverhältnissen. Diese bleibt auch bei diffusem Licht oder in schattigen Bereichen hoch. Dünnschichtmodule mit amorphem Silizium und Cadmiumtellurid können etwa 10 bis 20 % ihres maximalen Wirkungsgrads unter diffusen Lichtbedingungen aufrechterhalten.

Nachteile von Dünnschichtmodulen

Trotz ihrer vielen Vorteile haben Dünnschichtmodule auch einige Nachteile:

• Ein wesentlicher Nachteil ist ihr geringerer Wirkungsgrad im Vergleich zu kristallinen Modulen. Während kristalline Module Wirkungsgrade von bis zu 22 % erreichen können, liegen die Wirkungsgrade von Dünnschichtmodulen meist zwischen 10 % und 12 %.
• Dies bedeutet, dass mehr Fläche benötigt wird, um die gleiche Menge an Energie zu erzeugen.
• Ein weiterer Nachteil ist die anfängliche Degradation, die bei einigen Dünnschichttechnologien, insbesondere bei amorphem Silizium, beobachtet wird. In den ersten sechs Monaten können das bis zu 20 % sein. Dieser schnelle Leistungsabfall heißt auch „Lichtinduzierte Degradation“ (LID). Er stabilisiert sich in der Regel danach auf einem niedrigeren Niveau.
• Bei CdTe-Modulen ist die anfängliche Degradation weniger stark ausgeprägt, sie verlieren etwa 5 bis 10 % ihrer Leistung im ersten Jahr und stabilisieren sich dann​.
• CIGS-Module zeigen ebenfalls eine gewisse anfängliche Degradation, typischerweise 5 bis 10 % im ersten Jahr, gefolgt von einer stabileren Leistungsabgabe.​
• Außerdem sind Dünnschichtmodule empfindlicher gegenüber hohen Temperaturen und Feuchtigkeit, was ihre Lebensdauer verkürzen kann.
• Die Lebensdauer von Dünnschichtmodulen liegt generell nur bei 10 bis 20 Jahren, während kristalline Module oft 25 Jahre oder länger halten.

Anwendungsbereiche von Dünnschichtmodulen

Trotz dieser Nachteile werden Dünnschichtmodule oft und gerne verbaut. Ein wichtiger Anwendungsbereich ist die gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV). Hier werden Dünnschichtmodule direkt in die Fassade oder das Dach eines Gebäudes integriert.

Ein weiteres Einsatzgebiet sind mobile Anwendungen, wie beispielsweise Wohnmobile, Boote oder bei Balkonkraftwerken, wo das geringe Gewicht und die Flexibilität der Module besonders vorteilhaft sind.

Dünnschichtmodule werden auch in großflächigen Installationen genutzt, wie in Solarkraftwerken oder auf landwirtschaftlichen Betrieben. In solchen Anwendungen kann der geringere Wirkungsgrad durch die Installation einer größeren Anzahl von Modulen kompensiert werden.

Die Vorteile und Anwendungsbereiche sprechen für sich

Du siehst, dass auch Dünnschichtmodule durchaus eine Berechtigung im Bereich Photovoltaik haben. Insbesondere ihre Flexibilität und das Gewicht sind große Vorteile. Trotz ihres geringeren Wirkungsgrades und ihrer kürzeren Lebensdauer sind sie in bestimmten Situationen daher die bessere Wahl. Zudem sind sie aufgrund der geringeren Materialkosten und einfacheren Herstellung preislich oft attraktiver als kristalline Module. Wenn Du eine Solaranlage für Dein Zuhause suchst, könnte ein Dünnschichtmodul die richtige Wahl sein. Besonders bei einem Balkon, bei dem das Gewicht und die Statik durchaus eine Rolle spielen, könnte das Dünnschichtmodul die perfekte Lösung für Dich sein.