CIGS-Solarzellen: Flexible Lösungen aus dem Labor

Die relativ neuen CIGS-Solarpanele sind vielversprechend. Doch was bedeutet diese Abkürzung überhaupt? Kommt diese Modulart auch für Hausbesitzer*innen in Frage?

Wir haben uns umfassend mit dem Thema auseinandergesetzt und erklären Dir, wie diese Module aufgebaut sind, welche Funktion die einzelnen Bauteile haben und in welchen Einsatzgebieten sich diese Solarzellen besonders gut machen. Zudem informieren wir Dich über die Vor- und Nachteile der CIGS-Solarmodule und zeigen Dir mögliche Alternativen für Deine eigene Photovoltaikanlage auf.



Was sind CIGS-Solarzellen?

CIGS-Solarzellen gehören zu den sogenannten Dünnschichtzellen. Hier ist der Name Programm: Es wird nur eine dünne Schicht eines Halbleiters auf ein Trägermaterial aufgebracht, zum Beispiel durch Aufdampfen. Das Ergebnis sind Solarzellen, die etwa 100-mal dünner sind als ihre fülligeren Verwandten, die Dickschichtzellen. Das Besondere ist, dass durch diese Produktionsweise der Schritt über die einzelne Solarzelle ausgespart und stattdessen direkt miteinander verschaltete Solarmodule erstellt werden können.

CIGS-Solarzellen sind eine spezielle Form von Dünnschichtzellen, die sich durch das genutzte Halbleitermaterial auszeichnen. Die Abkürzung CIGS steht für die chemischen Elemente, die in der Absorber-Schicht der Solarzelle verwendet werden: Cu für Kupfer, In für Indium, Ga für Gallium und Se für Selen. Damit unterscheiden sie sich von anderen Dünnschichtzellen, etwa auf Basis von amorphem, also nicht-kristallinem Silizium.

So unterscheiden sich CIGS Zellen von mono- oder polykristallinen Solarzellen

Der Unterschied zwischen mono- oder polykristallinen Solarzellen und den CIGS-Modulen ist denkbar groß. Denn beide haben einen komplett anderen Aufbau und sind im Grunde nicht vergleichbar. Zudem sind die Schichten der CIGS-Module enorm dünn und können theoretisch auch auf flexiblen Trägern aufgebracht werden, wie zum Beispiel Polyimidfolie. Gemeinsam ist den beiden Varianten allerdings der relativ hohe Wirkungsgrad, welcher alle drei Varianten von den anderen Dünnschichtmodulen unterscheidet.

So werden CIGS-Module hergestellt

Die CIGS-Solarzellen werden nach verschiedenen Herstellungsverfahren unterschieden. Grundsätzlich wird vor allem die sogenannte Koverdampfung eingesetzt, bei der die CIGS-Beschichtung auf ein Trägermedium aufgedampft wird. Das Problem hierbei sind die höheren Beschichtungstemperaturen, die nicht für alle Trägermedien geeignet sind. Alternativ können die verschiedenen Materialien auch in Vorläuferschichten aufgebracht und anschließend verbunden werden. Über Druck- und galvanische Verfahren können die Schichten anschließend kristallisiert werden.

Diese Materialien werden genutzt

Für die CIGS-Zellen werden Halbleiter aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen zur Verbindung eingesetzt. Die chemischen Abkürzungen dieser Stoffe ergeben den Begriff CIGS und haben den Modulen ihren Namen gegeben.

Der Aufbau der CIGS Solarzellen

Der Aufbau der CIGS-Solarzellen ist trotz der geringen Dicke erstaunlich komplex.

  • Als Grundlage oder Substrat dient in der Regel eine Glasschicht.
  • Auf diese wird Molybdän aufgebracht, welches als Rückkontakt der Solarmembran dient.
  • Darauf wird die Absorber-Schicht aufgebracht, welche aus den verschiedenen Chemikalien besteht, die als CIGS abgekürzt werden.
  • Auf diese Schicht werden zwei sogenannte Fensterschichten aufgebracht, welche die eindringenden Sonnenstrahlen filtern und entsprechend der gewünschten Lichtstärke regeln.
  • Eine weitere Schicht ist anti-reflektierend und sorgt dafür, dass die Sonnenstrahlen überhaupt aufgenommen werden können.
  • Erst darüber werden die Front-Kontakte aufgebracht.

Trotz dieser vielen Schichten ist die Dicke des gesamten Solarmoduls bemerkenswert gering.

Die Verschaltung der Zellen im Detail

Der wohl größte Vorteil der CIGS-Solarzellen ist die bereits in der Fertigung integrierte Serienverschaltung der einzelnen Solarzellen. Während bei den Dickschichtmodulen die einzelnen Wafer erst im Anschluss miteinander verbunden und verschaltet werden müssen, geschieht dies bei den CIGS-Modulen bereits bei der Fertigung. Einzelne Schichten werden so überlappend angeordnet, dass Zellstreifen entstehen, welche direkt miteinander in Reihe verschaltet sind.

Nachhaltigkeit

Im Gegensatz zu Dickschichtmodulen sind Dünnschichtmodule für die Umwelt deutlich problematischer. Während Silizium das zweithäufigste Element der Erdkruste ist, gehören vor allem die in der CIGS-Technologie benötigten Elemente Indium und Gallium zu den begrenzten Ressourcen unseres Planeten.

Die Lebensdauer von CIGS-Solarmodulen

Du musst keine Angst haben, dass die CIGS-Module aufgrund ihres filigranen Aufbaus eine geringere Lebenserwartung an den Tag legen. Ähnlich wie bei den Dickschichtmodulen werden Lebensdauern von 20 – 40 Jahren erreicht. Ausreichend Zeit, damit sich die Kosten der Anlage nicht nur amortisieren, sondern die Photovoltaikanlage auch eine ordentliche Rendite erwirtschaften kann.

Vor- und Nachteile der CIGS-Zellen

Die Vorteile der Zellen

Die CIGS-Module bieten etliche Vorteile in der Anwendung. Zum einen muss natürlich das sehr geringe Gewicht genannt werden. Das bedeutet, dass sich diese Module unter anderem hervorragend für Fassadenverkleidungen eignen. Sie sind außerdem sehr flexibel, was die Bandbreite an möglichen Einsatzgebieten erhöht. Zudem überzeugen die CIGS-Module vor allem durch ihren sehr hohen Wirkungsgrad, welcher für Dünnschichtmodule erstaunlich hoch ist. Er reicht sogar an den Wirkungsgrad von polykristallinen Solarzellen heran. Darüber hinaus sind diese Solarmodule vor allem im Winter und bei Schwachlicht besonders leistungsstark und wirksam. Dementsprechend eigenen die Module sich für eine vielfältige Anwendung.

Die Nachteile der Zellen

Allerdings gibt es auch Nachteile, die ebenfalls benannt werden müssen. Über die Zusammensetzung der Solarmodule und die seltenen Elemente haben wir bereits berichtet. Zudem kommt bei der Produktion Stickstofftrifluorid zum Einsatz. Dabei handelt es sich um ein Treibhausgas, was mit dem Gedanken an den Umweltschutz kaum zu begrüßen ist. Daher lehnen viele Menschen die CIGS-Module aus Überzeugung ab.

Bevorzugte Einsatzbereiche für CIGS-Solarzellen

Aufgrund ihrer hohen Flexibilität und aufgrund des noch immer relativ niedrigen Wirkungsgrads werden die meisten CIGS-Solarzellen vor allem im Freilandbereich für Solarfarmen eingesetzt. Die relativ niedrigen Herstellungskosten und die einfache und flexible Verlegung der Solarmodule erlaubt es mit relativ wenig Aufwand diese Zellen effektiv zu nutzen. Dank des sehr geringen Gewichts kommen diese Solarmodule auch für nur wenig belastbare Dachflächen in Frage, hier kann aber häufig die benötigte Dachfläche der limitierende Faktor sein. Besonders gut eignen sich die CIGS-Module hingegen für die Nutzung von Hausfassaden zur Stromgewinnung, da hier der dünne Aufbau und das geringe Gewicht gleichermaßen vorteilhaft sind.

Alternativen auf dem Markt

Normale Dünnschichtmodule kommen mit ihrem geringen Wirkungsgrad kaum in Frage. Auch Hybrid-Module, also die Kombination von Solarthermie und Photovoltaik, können durchaus problematisch sein. Somit bleiben in der Regel nur die Dickschichtmodule als echte Alternative übrig. Hier raten wir aufgrund des höheren Wirkungsgrades und der steigenden Renditen eher zu den monokristallinen Solarmodulen, auch wenn diese höhere Investitionskosten mit sich bringen. Diese Investition rentiert sich auf Dauer deutlich.

Die Marktanteile der CIGS-Zellen im Vergleich

Aktuell nehmen die im Handel erhältlichen Dünnschicht-Module gerade einmal einen Marktanteil von 6 % ein. Das ist erstaunlich wenig und dennoch verständlich. Herkömmliche Dünnschichtmodule weisen einen nur sehr geringen Wirkungsgrad auf und sind dementsprechend selten im Einsatz. Die leistungsstarken CIGS-Module machen von diesen 6 % gerade einmal 25 % aus.

Welches Modul ist für mich geeignet?

Grundsätzlich müssen für die Antwort auf diese Frage alle individuellen Umstände berücksichtigt werden. Daher raten wir immer zu einem Beratungsgespräch mit dem Solarteuer Deines Vertrauens, welcher die Photovoltaikanlage Deinen Wünschen und Bedürfnissen entsprechend plant. So erhältst Du genau die passenden Module mit der optimalen Leistung für Deinen Haushalt.

Fazit: CIGS-Module sind hervorragend, aber noch zu teuer und zu schwach

Die mittlerweile auf dem Markt befindlichen CIGS-Module werden für ihre gute Leistung und hohen Flexibilität geschätzt. Vor allem die sehr guten Wirkungsgrade bei schwachem Licht zeichnen diese Lösungen aus. Allerdings ist der Wirkungsgrad noch nicht hoch genug, um an die deutlich leistungsstärkeren monokristallinen Solarmodule heranzureichen. Aus diesem Grund sind diese Lösungen vor allem für große Freiflächen ohne Größenbegrenzung eine sehr gute und vor allem angenehm kostengünstige Lösung. 

Für private Anwender*innen, welche mit der Photovoltaikanlage sowohl die Umwelt als auch den eigenen Geldbeutel entlasten möchten, kommen immer noch vor allem leistungsstarke monokristalline Solarmodule für die Photovoltaikanlage in Frage. Dank des sehr hohen Wirkungsgrades lassen sich durch solche Module besonders hohe Renditen erzielen. Dies kann sich allerdings ändern, wenn bei den CIGS-Modulen ein Sprung in Sachen Wirkungsgrad gelingt.


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