Die meisten Solarmodule, die heute die Dächer, Felder und Wüsten der Welt bedecken, bestehen aus demselben Material: kristallinem Silizium. Das aus Rohpolysilizium hergestellte Material wird zu Wafern geformt und zu Solarzellen verdrahtet, die Sonnenlicht in Strom umwandeln. In letzter Zeit ist die Abhängigkeit der Branche von dieser einzigartigen Technologie zu einer Belastung geworden. Engpässe in der Lieferketteverlangsamen sichneue Solaranlagen weltweit. Wichtige Polysiliziumlieferanten in der chinesischen Region Xinjiang –beschuldigt, Zwangsarbeit von Uiguren eingesetzt zu haben– sind mit US-Handelssanktionen konfrontiert.
Glücklicherweise ist kristallines Silizium nicht das einzige Material, das die Sonnenenergie nutzen kann. In den USA arbeiten Wissenschaftler und Hersteller daran, die Produktion von Cadmiumtellurid-Solartechnologie auszuweiten. Cadmiumtellurid ist eine Art „Dünnschicht“-Solarzelle und, wie der Name schon sagt, deutlich dünner als eine herkömmliche Siliziumzelle. Heute werden Module mit Cadmiumtelluridliefern etwa 40 ProzentSie machen 6,5 Prozent des US-Marktes für Großanlagen und rund 5 Prozent des weltweiten Solarmarktes aus. Und sie dürften von den Herausforderungen profitieren, mit denen die Solarbranche insgesamt konfrontiert ist.
„Es sind sehr volatile Zeiten, insbesondere für die Lieferkette für kristallines Silizium im Allgemeinen“, sagte Kelsey Goss, Solaranalystin beim Energieberatungsunternehmen Wood Mackenzie. „Für Hersteller von Cadmiumtellurid besteht großes Potenzial, im kommenden Jahr weitere Marktanteile zu gewinnen.“ Insbesondere, so Goss, da der Cadmiumtellurid-Sektor bereits expandiere.
Im Juni kündigte der Solarhersteller First Solar an,680 Millionen US-Dollar investierenin einer dritten Cadmiumtellurid-Solarfabrik im Nordwesten Ohios. Nach Fertigstellung der Anlage im Jahr 2025 wird das Unternehmen in der Region Solarmodule mit einer Leistung von 6 Gigawatt produzieren können. Das reicht aus, um rund eine Million amerikanische Haushalte mit Strom zu versorgen. Ein weiteres Solarunternehmen aus Ohio, Toledo Solar, ist kürzlich in den Markt eingestiegen und produziert Cadmiumtellurid-Module für Wohnhausdächer. Und im Juni haben das US-Energieministerium und sein National Renewable Energy Laboratory (NREL)startete ein 20-Millionen-Dollar-ProgrammDie Forschung soll beschleunigt und die Lieferkette für Cadmiumtellurid ausgebaut werden. Eines der Ziele des Programms ist es, den US-Solarmarkt vor globalen Lieferengpässen zu schützen.
Forscher bei NREL und First Solar, früher Solar Cell Inc., arbeiten seit Anfang der 1990er Jahre zusammen, umCadmiumtellurid-TechnologieCadmium und Tellurid sind Nebenprodukte der Zinkverhüttung bzw. der Kupferraffination. Während Siliziumscheiben zu Zellen verdrahtet werden, werden Cadmium und Tellurid als dünne Schicht – etwa ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares – zusammen mit anderen elektrisch leitenden Materialien auf eine Glasscheibe aufgebracht. First Solar, heute der weltweit größte Dünnschichthersteller, hat Solarmodule für Solaranlagen in 45 Ländern geliefert.
Die Technologie habe gegenüber kristallinem Silizium gewisse Vorteile, erklärte NREL-Wissenschaftlerin Lorelle Mansfield. So benötige das Dünnschichtverfahren weniger Material als der waferbasierte Ansatz. Die Dünnschichttechnologie eigne sich zudem gut für den Einsatz in flexiblen Paneelen, beispielsweise für Rucksäcke oder Drohnen oder für den Einsatz in Fassaden und Fenstern. Wichtig sei, dass die Dünnschichtpaneele bei hohen Temperaturen eine bessere Leistung zeigten, während Siliziumpaneele überhitzen und dadurch weniger effizient Strom erzeugen könnten, so Mansfield.
Kristallines Silizium hat jedoch in anderen Bereichen die Nase vorn, beispielsweise beim durchschnittlichen Wirkungsgrad – also dem Anteil des Sonnenlichts, den die Module absorbieren und in Strom umwandeln. Historisch gesehen hatten Siliziummodule höhere Wirkungsgrade als die Cadmiumtellurid-Technologie, doch der Abstand verringert sich. Heutige industriell hergestellte Siliziummodule erreichen Wirkungsgrade von18 bis 22 Prozent, während First Solar für seine neuesten kommerziellen Module eine durchschnittliche Effizienz von 18 Prozent gemeldet hat.
Der Hauptgrund für die Dominanz von Silizium auf dem Weltmarkt ist jedoch relativ einfach. „Es läuft alles auf die Kosten hinaus“, sagte Goss. „Der Solarmarkt wird tendenziell stark von der günstigsten Technologie bestimmt.“
Die Produktion von kristallinem Silizium kostet etwa 0,24 bis 0,25 US-Dollar pro Watt Solarstrom, was weniger sei als bei anderen Anbietern, sagte sie. First Solar gab an, die Kosten pro Watt für die Produktion seiner Cadmiumtellurid-Module nicht mehr bekannt zu geben, lediglich, dass die Kosten seit 2015 – als das Unternehmengemeldete Kosten von 0,46 Dollar pro Watt– und sinken weiterhin jährlich. Es gibt mehrere Gründe für die relative Billigkeit von Silizium. Der Rohstoff Polysilizium, der auch in Computern und Smartphones verwendet wird, ist leichter verfügbar und günstiger als Cadmium und Tellurid. Mit der Vergrößerung der Fabriken für Siliziumplatten und verwandte Komponenten sind die Gesamtkosten für Herstellung und Installation der Technologie gesunken. Die chinesische Regierung hat zudem starkunterstützt und subventioniertder Silizium-Solarsektor des Landes – so sehr, dassetwa 80 Prozentder weltweiten Lieferkette für die Solarproduktion verläuft mittlerweile durch China.
Sinkende Modulkosten haben den globalen Solarboom vorangetrieben. In den letzten zehn Jahren hat sich die weltweit installierte Solarkapazität fast verzehnfacht, von rund 74.000 Megawatt im Jahr 2011 auf fast 714.000 Megawatt im Jahr 2020.entsprechendder Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien. Die Vereinigten Staaten decken etwa ein Siebtel der weltweiten Gesamtmenge ab, und Solarenergie ist jetzteine der größten Quellenan neuer Stromkapazität, die jedes Jahr in den USA installiert wird.
Auch bei Cadmiumtellurid und anderen Dünnschichttechnologien dürften die Kosten pro Watt mit der Ausweitung der Produktion sinken. (First Solar sagtdass das Unternehmen mit der Eröffnung seiner neuen Anlage in Ohio die niedrigsten Kosten pro Watt auf dem gesamten Solarmarkt bieten wird.) Doch die Kosten sind nicht der einzige Maßstab, der zählt, wie die aktuellen Probleme der Branche in der Lieferkette und die Sorgen um die Arbeitsplätze deutlich machen.
Mark Widmar, CEO von First Solar, sagte, die geplante 680-Millionen-Dollar-Expansion des Unternehmens sei Teil einer größeren Anstrengung, eine autarke Lieferkette aufzubauen und die US-Solarindustrie von China zu „entkoppeln“. Obwohl Cadmiumtellurid-Module kein Polysilizium verwenden, sieht sich First Solar mit anderen Herausforderungen konfrontiert, wie etwa pandemiebedingten Rückständen in der Seeschifffahrt. Im April teilte First Solar seinen Investoren mit, dass Staus in amerikanischen Häfen die Modullieferungen aus seinen Werken in Asien verzögern. Durch die Steigerung der US-Produktion könne das Unternehmen seine Module über Straßen und Schienen anstatt über Frachtschiffe verschiffen, so Widmar. Und das bestehende Recyclingprogramm des Unternehmens für seine Solarmodule ermöglicht es ihm, Materialien vielfach wiederzuverwenden, wodurch die Abhängigkeit von ausländischen Lieferketten und Rohstoffen weiter reduziert wird.
Während First Solar Module produziert, testen und verbessern Wissenschaftler sowohl des Unternehmens als auch des NREL weiterhin die Cadmiumtellurid-Technologie. Im Jahr 2019 haben die Partnereinen neuen Ansatz entwickeltDabei werden die Dünnschichtmaterialien mit Kupfer und Chlor dotiert, um noch höhere Wirkungsgrade zu erzielen. Anfang dieses Monats veröffentlichte NRELgab die Ergebnisse bekannteines 25-jährigen Feldtests in der Freiluftanlage in Golden, Colorado. Eine Anordnung aus zwölf Cadmiumtellurid-Modulen erreichte 88 Prozent ihrer ursprünglichen Effizienz – ein starkes Ergebnis für ein Modul, das über zwei Jahrzehnte im Freien stand. Die Leistungsminderung „entspricht dem Verhalten von Siliziumsystemen“, heißt es in der NREL-Mitteilung.
Mansfield, die Wissenschaftlerin des NREL, sagte, das Ziel sei nicht, kristallines Silizium durch Cadmiumtellurid zu ersetzen oder eine Technologie als überlegen zu etablieren. „Ich denke, alle Technologien haben ihren Platz auf dem Markt, und jede hat ihre Anwendungsmöglichkeiten“, sagte sie. „Wir wollen, dass die gesamte Energie aus erneuerbaren Quellen stammt. Deshalb brauchen wir all diese verschiedenen Technologien, um diese Herausforderung zu meistern.“
Beitragszeit: 17.09.2021