CIGS Solarzellen

• Was zeichnet eine CIGS-Solarzelle gegenüber herkömmlichen Modulen aus? Eine CIGS-Solarzelle nutzt eine extrem dünne Halbleiterschicht aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen. Diese Technologie ermöglicht flexible, leichte Anwendungen und benötigt deutlich weniger Material als kristalline Siliziumzellen.
• Wie hoch ist der Wirkungsgrad von CIGS-Solarmodulen in der Praxis? Der Wirkungsgrad einer CIGS-Solarzelle liegt im kommerziellen Bereich meist zwischen 15 und 18 Prozent. Damit erzielen sie die höchsten Effizienzwerte unter den gängigen Dünnschichttechnologien und holen technologisch stetig auf.
• Welche Vorteile bieten CIGS-Solarzellen bei schwierigen Lichtverhältnissen? Die CIGS-Solarzelle überzeugt durch ein exzellentes Schwachlichtverhalten und eine hohe Temperaturtoleranz. Auch bei diffusen Lichtverhältnissen oder großer Hitze liefern diese Module stabilere Erträge als klassische kristalline Photovoltaik-Anlagen.
• Sind CIGS-Solarzellen für die Montage an Fassaden geeignet? Die CIGS-Solarzelle ist aufgrund ihres geringen Gewichts und der flexiblen Bauform ideal für Fassadenintegrationen. Sie lässt sich ästhetisch in Gebäudehüllen einfügen, ohne die statische Belastung massiv zu erhöhen.
• Aus welchen chemischen Elementen besteht eine CIGS-Solarzelle? Die CIGS-Solarzelle besteht aus Kupfer, Indium und Gallium, die auf ein Trägermaterial aufgedampft werden. Als vierte Komponente dient Selen oder Schwefel, was die spezifische Halbleiterstruktur dieser effizienten Dünnschichtmodule bildet.

CIGS steht als Akronym für die verwendeten chemischen Elemente: Kupfer (Cuprum), Indium, Gallium und Selenid. Im Gegensatz zu den starren Wafern der kristallinen Photovoltaik handelt es sich hierbei um eine Dünnschicht-Technologie.

Das Geheimnis der CIGS-Technologie liegt in der extrem hohen Lichtabsorption des Halbleitermaterials. Während kristallines Silizium relativ dick sein muss, um genügend Photonen einzufangen, reicht bei CIGS eine Schichtdicke von etwa 1 bis 2 Mikrometern aus. Die Atome werden dabei so angeordnet, dass sie ein optimales Bandlücken-Profil bilden, was die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie besonders effizient macht.

Ein technologischer Meilenstein ist das Rolle-zu-Rolle-Verfahren (Roll-to-Roll). Ähnlich wie beim Zeitungsdruck werden die CIGS-Schichten in einem kontinuierlichen Prozess auf flexible Trägermaterialien wie Edelstahlfolie oder temperaturbeständige Kunststoffe (Polyimide) aufgedampft. Dies geschieht oft mittels Vapor Deposition (Gasphasenabscheidung). Der Vorteil: Der Energieaufwand in der Produktion ist deutlich geringer als beim energieintensiven Ziehen von Silizium-Einkristallen, was die energetische Amortisationszeit der Module verkürzt.

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Die Entscheidung für oder gegen CIGS-Solarzellen hängt stark von den individuellen Rahmenbedingungen Ihres Projekts ab. Hier sind die wichtigsten Vor- und Nachteile der Technologie im direkten Vergleich: 

• Das Schwachlicht- und Temperatur-Wunder: CIGS-Zellen reagieren sensibler auf ein breites Lichtspektrum und fangen auch diffuses Licht hervorragend ein. An bewölkten Tagen oder in den Morgen- und Abendstunden liefern sie oft verhältnismäßig mehr Ertrag als herkömmliche Module. Zudem haben sie einen niedrigeren Temperaturkoeffizienten (Leistungsverlust bei Hitze), sodass sie im Hochsommer bei direkter Sonneneinstrahlung deutlich stabiler arbeiten als klassische Siliziumzellen.
• Leichtgewicht und Flexibilität: Da die aktive Schicht extrem dünn ist, können CIGS-Module auf biegsame Folien oder Kunststoffe aufgebracht werden. Sie wiegen oft unter 3 kg/m² – ein Bruchteil der rund 20 kg/m², die gerahmte Glas-Silizium-Module auf die Waage bringen.
• Makellose Ästhetik: Durch den Verzicht auf sichtbare Leiterbahnen (Busbars) und die kristalline Struktur bieten CIGS-Module eine homogene, tiefdunkle Oberfläche, die sich perfekt und unauffällig in Dächer oder Fassaden integrieren lässt.
• Hervorragende Umweltbilanz: Die Herstellung verbraucht deutlich weniger Energie als das Schmelzen von Silizium. Die energetische Amortisationszeit (die Zeit, bis das Modul die Energie seiner Herstellung wieder eingespielt hat) liegt bei CIGS-Modulen oft bei nur 0,8 bis 1,2 Jahren. 

• Höherer Flächenbedarf: Während aktuelle monokristalline Siliziumzellen Spitzenwirkungsgrade von 22 bis 26 % erreichen, liegen kommerzielle CIGS-Module meist zwischen 15 und 19 %. Das bedeutet: Für die gleiche Maximalleistung (kWp) benötigen Sie bei CIGS etwas mehr Dach- oder Fassadenfläche.
• Höhere Modulkosten: Die reinen Anschaffungskosten pro Watt-Peak (Wp) sind aktuell meist höher als bei der etablierten Silizium-Massenware.
• Sensibilität gegenüber Feuchtigkeit: Das CIGS-Halbleitermaterial reagiert empfindlich auf das Eindringen von Wasser, was die Leistung mindern kann (Degradation). Die Module benötigen daher eine extrem hochwertige und dauerhafte Kapselung (etwa durch Glas-Glas-Aufbauten oder teure Spezialpolymere).
• Einsatz seltener Rohstoffe: Indium und Gallium sind wertvolle und begrenzte Ressourcen. Auch wenn das Recycling heute fast alle Metalle zurückgewinnen kann, macht diese Materialabhängigkeit die Produktion anfällig für Preisschwankungen. 

Wenn Sie ein klassisches, unkompliziertes und tragfähiges Schrägdach mit begrenztem Platz haben, bietet monokristallines Silizium meist die beste Rendite. CIGS spielt seine technologische Überlegenheit jedoch in folgenden Szenarien voll aus: 

1. Bei statischen Limits: Wenn Ihr Industrie-Leichtbaudach, die Garage oder ein älterer Dachstuhl das Gewicht von schweren Glasmodulen nicht tragen kann, sind leichte CIGS-Folien zum Aufkleben die perfekte (und oft einzige) Lösung.
2. In der Architektur (Gebäudeintegration): Wenn Solarmodule an der Fassade montiert werden, fungieren CIGS-Elemente dank ihrer edlen Optik gleichzeitig als Wetter- und Fassadenschutz. Sie ersetzen klassische Baumaterialien, wodurch sich die Mehrkosten schnell amortisieren.
3. Für mobile Anwendungen: Für Wohnmobile, LKW-Auflieger oder Boote sind CIGS-Module aufgrund ihrer Unzerbrechlichkeit, Biegsamkeit und Vibrationsresistenz unschlagbar.

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Die gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) ist eines der am schnellsten wachsenden Segmente im Solarmarkt und verwandelt Gebäude von passiven Hüllen in dynamische, stromerzeugende Einheiten. Gerade bei Solarfassaden spielen CIGS-Module ihre ästhetischen und konstruktiven Vorteile gegenüber herkömmlichen Siliziumzellen voll aus. 

• Homogene Optik und Farbvielfalt: Während Siliziumzellen meist durch sichtbare Leiterbahnen (Busbars) und ein unruhiges kristallines Muster auffallen, bieten CIGS-Module eine homogene, fast flächige Optik. Durch moderne Interferenzfilter oder keramische Druckverfahren auf dem Frontglas lassen sich die Module zudem in einer breiten Farbpalette herstellen – von Ziegelrot über Waldgrün bis hin zu edlen Metallic-Tönen. Diese farbliche Anpassung ist ohne gravierende Effizienzverluste möglich und erlaubt Architekten eine nahtlose Integration in das Design des Gebäudes.
• Rahmenloses Design durch Rückschienen-Montage: Ein Paradebeispiel für gelungene Gebäudeintegration sind Systeme wie das SKALA-Modul des Herstellers Avancis. Hierbei kommt ein spezielles, von außen unsichtbares Rückschienen-Montagesystem (Backrail) zum Einsatz, wodurch auf der Glasvorderseite keinerlei störende Klemmen oder Rahmen zu sehen sind. Solche Systeme erfüllen zudem oft strenge Bauzulassungen für die Fassaden- und Überkopfmontage.
• Effizienz-Boost durch hinterlüftete Fassaden: In der modernen Architektur werden Solarfassaden häufig als vorgehängte hinterlüftete Fassaden (VHF) beziehungsweise "Kaltfassaden" konstruiert. Die Luftschicht zwischen Gebäude und Solarmodul sorgt für eine natürliche Konvektionskühlung der Zellen, was den Energieertrag stabilisiert und um 5 bis 10 Prozent erhöhen kann. Gleichzeitig führt dieses System Feuchtigkeit ab, bietet Schallschutz und verbessert die Wärmedämmung des Gebäudes spürbar.
• Wirtschaftlichkeit durch Materialsubstitution: Ein oft unterschätzter finanzieller Vorteil der CIGS-Fassade ist ihre Doppelfunktion. Das Solarmodul dient nicht nur als Stromgenerator, sondern ersetzt vollständig herkömmliche, teure Fassadenverkleidungen wie Naturstein, Keramik oder Verbundglas. Rechnet man die eingesparten Kosten für das klassische Baumaterial gegen, reduziert sich die tatsächliche Amortisationszeit des Systems oft auf sehr attraktive 8 bis 10 Jahre.

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Wenn es um den Wirkungsgrad geht, haben CIGS-Zellen in den letzten Jahren eine beeindruckende Aufholjagd hingelegt. Im kommerziellen Massenmarkt liegen CIGS-Module heute bei einem soliden Wirkungsgrad von etwa 15 bis 19 Prozent. In Forschungslaboren werden unter idealen Bedingungen jedoch bereits Spitzenwerte von über 23 Prozent für reine CIGS-Zellen erreicht. Damit ist CIGS die derzeit effizienteste Dünnschichttechnologie am Markt. 

Der wahre Durchbruch für die Zukunft der Photovoltaik liegt jedoch in der sogenannten Tandem-Technologie. Um die physikalische Effizienzgrenze von einzelnen Solarzellen (das Shockley-Queisser-Limit von rund 33,7 %) zu durchbrechen, kombinieren Forscher CIGS mit einer weiteren, hochspannenden Materialklasse: den Perowskiten. Bei einer solchen Tandem-Solarzelle fungiert die Perowskit-Schicht als obere Zelle, die vor allem das blaue und grüne Licht des Spektrums absorbiert. Die CIGS-Schicht darunter fängt das restliche rote und infrarote Licht ein. Der Geniestreich an dieser Kombination: Da beide Materialien in Dünnschichtverfahren hergestellt werden können, bleibt das resultierende Tandem-Modul weiterhin extrem leicht und sogar biegbar. 

Diese Technologie bricht aktuell weltweit Rekorde. Dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) gelang es kürzlich in Zusammenarbeit mit der Humboldt-Universität, einen neuen, zertifizierten Weltrekord von 24,6 Prozent Wirkungsgrad für eine monolithische Perowskit-CIGS-Tandemzelle aufzustellen. Forscher sind sehr zuversichtlich, dass durch weitere Optimierungen der Kontakt- und Rekombinationsschichten schon bald Wirkungsgrade von über 30 Prozent in greifbare Nähe rücken. Damit katapultiert die Tandem-Technologie die CIGS-Zellen in völlig neue Leistungsdimensionen.

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Es gibt Szenarien, in denen die CIGS-Technologie ihre kristallinen Verwandten technologisch deklassiert:

• Industrie-Leichtbaudächer: Viele Logistikhallen verfügen über statische Reserven, die keine schweren Glas-Module zulassen. CIGS-Folienelemente wiegen oft weniger als 3 kg/m² und werden direkt auf die Dachhaut geklebt.
• Solarfassaden: Durch das geringe Gewicht und die exzellente Optik ersetzen CIGS-Module klassische Fassadenmaterialien. Die Stromerzeugung wird hier zur "kostenlosen" Zusatzfunktion der Gebäudehülle.
• Camping & Outdoor: Für Wohnmobile oder Boote sind flexible CIGS-Module ideal. Sie sind im Gegensatz zu kristallinen Modulen vibrationsresistent und erleiden keine Mikrorisse durch mechanische Belastung.

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Wer bei CIGS-Solarzellen nur den reinen Anschaffungspreis pro Watt-Peak (Wp) mit herkömmlichen Siliziummodulen vergleicht, greift zu kurz. Zwar liegen die reinen Modulkosten für CIGS aktuell oft noch über denen der Standard-Silizium-Massenware (mit einem Aufpreis von etwa 20 bis 30 Prozent). Die wahre Wirtschaftlichkeit dieser Technologie zeigt sich jedoch bei der Betrachtung der Gesamtsystemkosten (Balance of System – BOS) und dem doppelten Nutzen in der direkten Anwendung. 

Bei herkömmlichen Photovoltaik-Anlagen machen aufwendige Unterkonstruktionen aus Aluminium, Dachdurchdringungen und die Arbeitszeit einen erheblichen Teil der Kosten aus. Da flexible CIGS-Module extrem leicht sind und oft im "Peel-and-Stick"-Verfahren direkt auf Dachhäute oder Industrie-Leichtbaudächer aufgeklebt werden können, sinken diese Montage- und Systemkosten drastisch. Zudem entfällt ein teurer Ausbau der Dachstatik, der bei schweren Glasmodulen auf älteren oder leichten Dächern oft zwingend fällig wird. 

Ihren größten finanziellen Vorteil spielt die CIGS-Technologie in der gebäudeintegrierten Photovoltaik (BIPV) aus. An einer Fassade montiert, fungiert das Modul nicht nur als Stromgenerator, sondern ersetzt vollständig herkömmliche, teure Baumaterialien wie Naturstein, Keramik oder Verbundglas. Rechnet man nur die sogenannten "Mehrkosten" (Incremental Costs) gegenüber einer normalen, passiven Fassadenverkleidung, fallen diese erstaunlich gering aus – bei opaken (undurchsichtigen) CIGS-Verkleidungen liegen sie oft nur zwischen 65 und 170 Euro pro Quadratmeter. Zudem sinken die Lohnkosten, da die Installation von Fassade und Stromerzeuger in einem einzigen Arbeitsschritt durch ein Gewerk erfolgt. 

Durch die Doppelnutzung und die Einsparungen bei der Montage verändert sich die betriebswirtschaftliche Rechnung enorm: 

• Finanzielle Amortisation (ROI): Die tatsächliche Amortisationszeit von gebäudeintegrierten CIGS-Systemen reduziert sich durch die eingesparten Baumaterialien oft auf attraktive 8 bis 10 Jahre. Betrachtet man nur die Mehrkosten für die BIPV-Integration (also abzüglich der ohnehin fälligen Kosten für eine normale Fassade), kann sich das System je nach Strompreis und Ausrichtung sogar schon nach 4 bis 10 Jahren rentieren. Im industriellen und kommerziellen Sektor wurden bei Großprojekten unter idealen Bedingungen bereits Amortisationszeiten von etwa 4 Jahren realisiert.
• Energetische Amortisation (Energy Payback Time): Dies beschreibt die Zeit, bis das Modul die Energie wieder eingespielt hat, die für seine Herstellung benötigt wurde. Da die CIGS-Produktion bei deutlich niedrigeren Temperaturen abläuft als die energieintensive Silizium-Schmelze, liegt dieser Wert bei extrem niedrigen 0,8 bis 1,2 Jahren. Herkömmliche Siliziummodule benötigen hierfür meist 1,5 bis 2,0 Jahre. CIGS-Systeme erfordern also zwar eine höhere Anfangsinvestition in das reine Solarmodul, rechnen sich aber durch massiv reduzierte Installationskosten, architektonische Einsparungen und stabile Erträge auf lange Sicht.

Die folgende Tabelle vergleicht eine klassische Aufdach-Anlage mit einer modernen CIGS-Lösung (z. B. als Klebe-Module auf einem Leichtbaudach oder als Fassadensystem).

Für Sie als Endverbraucher ist nicht nur der Preis des Moduls entscheidend, sondern die Gesamtkosten pro erzeugter Kilowattstunde über 25 Jahre.

• Einsparung bei der Statik: Wenn Ihr Dach (z. B. Garage, Fertighalle oder älterer Dachstuhl) für schwere Standardmodule verstärkt werden müsste, kostet dies oft mehrere tausend Euro. CIGS-Module umgehen diese Kosten komplett.
• Der "BOS"-Vorteil: BOS steht für Balance of System. Da CIGS-Folienelemente oft direkt verklebt werden, sparen Sie die Kosten für teure Montagegestelle aus Aluminium und Edelstahl sowie die Arbeitszeit für das Verschrauben.
• Mehr kWh pro kWp: Durch das exzellente Schwachlichtverhalten "erntet" die CIGS-Zelle in den Morgen- und Abendstunden sowie an grauen Novembertagen mehr Strom. In der Endabrechnung kann eine 10-kWp-CIGS-Anlage in Deutschland somit einen höheren Jahresertrag liefern als eine nominell gleich starke kristalline Anlage.

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In Zeiten strenger Umweltkriterien punktet die CIGS-Technologie bereits bei der Herstellung mit einer exzellenten Ökobilanz. Da die Dünnschicht-Produktion hochspezialisierte Vakuumprozesse nutzt und kein energieintensives Schmelzen von Silizium erfordert, ist der „CO2-Rucksack“ der Module deutlich kleiner. Die CO2-Emissionen bei CIGS-Modulen liegen bei sehr niedrigen 13 bis 25 g CO2-Äquivalenten pro erzeugter Kilowattstunde, während klassische monokristalline Siliziumzellen auf 32 bis 38 g kommen. Zudem erfordern die CIGS-Prozesse einen wesentlich geringeren Wasserverbrauch, da das ressourcenintensive Sägen und Ätzen von dicken Wafern komplett entfällt. 

Ein oft diskutierter Aspekt der CIGS-Technologie ist der Einsatz der namensgebenden Elemente Indium und Gallium. Beides sind seltene und wertvolle Metalle, die von der Europäischen Kommission als kritische Rohstoffe eingestuft werden. Um zukünftige Materialengpässe zu vermeiden und die Produktionskosten für die Halbleiterschichten stabil zu halten, ist die Rückgewinnung dieser Rohstoffe am Ende der 25- bis 30-jährigen Modul-Lebensdauer zwingend erforderlich.

Die Solarindustrie und die Forschung haben auf diese Herausforderung reagiert und hocheffiziente Recyclingverfahren zur Marktreife gebracht. Anstatt die Module zu deponieren, kommen heute moderne hydrometallurgische Verfahren zum Einsatz, die oft umweltfreundlich bei niedrigen Temperaturen arbeiten. Der Prozess läuft in der Regel so ab: Nach der mechanischen Zerkleinerung der Module und der Trennung von den Glas- oder Folienträgern werden die aktiven Schichten durch spezielle, milde Säuregemische (wie Salzsäure und Wasserstoffperoxid) herausgelöst. Durch anschließende Lösungsmittelextraktion und elektrolytische Abscheidung können die einzelnen Metallionen gezielt und sauber voneinander getrennt werden.

Mit diesen innovativen Methoden lassen sich heute über 95 bis 97 Prozent der wertvollen Halbleitermaterialien – also Kupfer, Indium, Gallium, Selen und oft auch Silber – aus den Altmodulen zurückgewinnen. Die so gewonnenen Reinmetalle fließen direkt wieder in die Produktion neuer Solarzellen zurück. Das macht die CIGS-Solarzelle nicht nur zu einem Kraftwerk, sondern zu einem Vorreiter für eine echte, funktionierende zirkuläre Kreislaufwirtschaft.

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CIGS-Solarzellen haben sich weit über ihren anfänglichen Nischenstatus hinausentwickelt und stellen heute eine ausgereifte Plattform für die solare Energiegewinnung dar. Während kristallines Silizium aufgrund seiner etablierten Lieferketten weiterhin das Rückgrat für klassische Freiflächen- und Standarddachanlagen bildet, übernimmt die CIGS-Technologie genau dort, wo Silizium an seine physikalischen oder ästhetischen Grenzen stößt. 

Ob als ultraleichte, biegsame Folie auf statisch ausgereizten Industriehallen, als unzerbrechliche Energiequelle auf Transportfahrzeugen oder als farblich anpassbare, rahmenlose Solarfassade – CIGS verwandelt bislang ungenutzte, passive Hüllen in dynamische Stromgeneratoren. Die Technologie besticht nicht nur durch ihr Design und ihre Leichtigkeit, sondern auch durch stabile Erträge bei hohen Temperaturen und Streulicht. 

Auch mit Blick in die Zukunft ist CIGS hervorragend aufgestellt: Als ideale Basis-Zelle in Kombination mit Perowskit-Halbleitern (Tandem-Solarzellen) bricht die Technologie aktuell Weltrekorde und wird voraussichtlich schon bald kommerzielle Wirkungsgrade von über 30 Prozent ermöglichen. Gepaart mit einer extrem kurzen energetischen Amortisationszeit von rund einem Jahr, einem sehr geringen CO2-Fußabdruck und funktionierenden Recyclingkreisläufen setzt CIGS zudem höchste Standards in der Nachhaltigkeit. 

Zusammenfassend lässt sich sagen: Wer bei der Photovoltaik-Planung nicht nur den reinen Modulpreis, sondern Gesamtsystemkosten, architektonischen Mehrwert und Ökologie in den Fokus rückt, findet in CIGS die intelligente "Sonnenhaut" für die Gebäude und Fahrzeuge von morgen.

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