CdTe-Solarzelle: Cadmiumtellurid-Dünnschicht erklärt

Was ist eine CdTe-Solarzelle?

CdTe steht für Cadmiumtellurid, eine Verbindung aus den Elementen Cadmium und Tellur. Als Halbleitermaterial eignet es sich hervorragend für die Photovoltaik: Seine Bandlücke von 1,45 Elektronenvolt liegt nahe am theoretischen Optimum für die Nutzung des Sonnenspektrums. Eine CdTe-Solarzelle gehört zur Klasse der Dünnschichtmodule – das Halbleitermaterial wird in einer nur zwei bis acht Mikrometer dünnen Schicht auf ein Glassubstrat aufgedampft.

Zum Vergleich: Eine kristalline Siliziumzelle ist 150 bis 200 Mikrometer dick. Der drastisch geringere Materialeinsatz macht CdTe-Module in der Massenproduktion kostengünstig herzustellen. First Solar, der weltweit führende CdTe-Hersteller mit Sitz in den USA, hat die Fertigungskosten über viele Jahre konsequent gesenkt und produziert heute im Multi-Gigawatt-Maßstab.

Funktionsprinzip: Wie erzeugt eine CdTe-Zelle Strom?

Das Grundprinzip ist dasselbe wie bei jeder Solarzelle: Licht erzeugt im Halbleiter Elektronen-Loch-Paare, die durch ein elektrisches Feld getrennt und als Gleichstrom abgeführt werden. Bei CdTe-Modulen bildet eine dünne Cadmiumsulfid-(CdS-)Schicht den sogenannten n-Typ-Partner, während das Cadmiumtellurid den p-Typ stellt. An der Grenzfläche beider Schichten entsteht der für die Ladungstrennung notwendige p-n-Übergang.

Das gesamte Schichtpaket – Frontglas, transparente leitfähige Schicht, CdS, CdTe und Rückkontakt – wird im Vakuumverfahren oder durch chemische Abscheidung aufgebracht und anschließend mit einer Rückglasscheibe laminiert. Das Ergebnis ist ein vollständig geschlossenes, robustes Glasmodul ohne Rahmenlücken, durch die Feuchtigkeit eindringen könnte.

Wirkungsgrade im Vergleich zu Silizium

Kommerzielle CdTe-Module von First Solar erreichen Modulwirkungsgrade von etwa 18 bis 22 %. Im Labor wurden Rekordwerte über 22 % für Einzelzellen dokumentiert. Monokristalline Silizium-Premiummodule liegen im Handel heute bei 22 bis über 24 % Modulwirkungsgrad, Tandem- und HJT-Technologien nähern sich der 25-%-Grenze.

CdTe schneidet also bei der reinen Flächeneffizienz etwas schwächer ab als die besten Siliziummodule. Das hat praktische Konsequenzen: Für dieselbe Leistung wird auf dem Dach mehr Fläche benötigt. Bei einem Einfamilienhaus mit begrenzter Dachfläche ist das ein handfester Nachteil. Auf großen Freiflächen, wo Platz kein limitierender Faktor ist, fällt dieser Unterschied kaum ins Gewicht.

Hinzu kommt, dass CdTe-Module einen günstigeren Temperaturkoeffizienten aufweisen als viele Siliziummodule. Bei hohen Temperaturen verliert eine Siliziumzelle typischerweise 0,35 bis 0,45 % Leistung pro Grad Celsius über 25 °C; CdTe-Module liegen oft bei –0,28 bis –0,32 %/K. In heißen Sommern oder an stark aufgeheizten Standorten produzieren sie relativ mehr Energie als die Nennleistung erwarten ließe.

Vorteile der Cadmiumtellurid-Technologie

Der größte wirtschaftliche Vorteil von CdTe-Modulen liegt in der Fertigung. Die Herstellungslinie ist kompakter und kürzer als bei kristallinem Silizium: Das Aufbringen aller Schichten dauert nur wenige Minuten. Der Energieaufwand in der Produktion ist deutlich geringer, und die energetische Amortisationszeit – also die Zeit, bis ein Modul die in seiner Herstellung investierte Energie wieder erzeugt hat – wird von Herstellern mit weniger als einem Jahr angegeben.

Das Schwachlichtverhalten ist ein weiterer Pluspunkt. CdTe-Module reagieren auf diffuses Licht und leicht bewölkte Bedingungen vergleichsweise gut. In Regionen mit vielen Wolkentagen oder an Standorten, die nicht ideale Ausrichtung bieten, kann dieser Effekt den Jahresertrag gegenüber nominell stärkeren Siliziummodulen teilweise ausgleichen.

Schließlich bietet das monolithisch integrierte Glasmodul-Design eine hohe mechanische Robustheit und keine freiliegenden Zellverbinder, die bei Siliziummodulen korrodieren oder brechen können.

• Geringer Materialeinsatz: nur 2–8 µm Halbleiterschicht statt ~180 µm bei Silizium
• Kurze, energiearme Fertigungskette
• Günstiger Temperaturkoeffizient (weniger Verluste an heißen Tagen)
• Gutes Schwachlichtverhalten bei diffusem Himmel
• Robuste, rahmenlose Glasmodul-Konstruktion

Cadmium-Toxizität und Recycling: Was ist wirklich zu beachten?

Cadmium ist ein Schwermetall und in freier Form oder als lösliche Verbindung tatsächlich toxisch. Das schreckt viele Interessenten ab – doch die Einordnung ist wichtig: In einem fertig laminierten CdTe-Modul ist das Cadmiumtellurid fest im Glasverbund eingeschlossen und unter normalen Betriebsbedingungen weder für Menschen noch für die Umwelt gefährlich. Selbst bei einem Modulbrand werden nach vorliegenden Studien nur geringe Mengen freigesetzt, die weit unterhalb kritischer Grenzwerte liegen.

Das eigentliche Umweltthema ist das Modul-Ende: CdTe-Module dürfen nicht im normalen Abfallstrom landen. First Solar hat als einziger großer Modulhersteller ein herstellereigenes weltweites Rücknahmeprogramm etabliert, das Endkunden die Entsorgung kostenlos ermöglicht. Zudem schreibt die EU-Ökodesign-Verordnung für Solarmodule sowie die WEEE-Richtlinie ein geregeltes Recycling vor. Bei Projekten, die mit CdTe-Modulen geplant werden, sollte die Entsorgungsverpflichtung vertraglich und in der Projektfinanzierung berücksichtigt werden.

Für private Eigenheimbesitzer in Deutschland ist dieses Thema ohnehin abstrakt, da CdTe-Module im Hausdach-Segment praktisch nicht angeboten werden.

Einsatzbereiche: Wo spielen CdTe-Module ihre Stärken aus?

Große Freiflächen-Solarparks im Utility-Scale-Bereich sind das Heimspiel der CdTe-Technologie. Dort entscheidet der Preis pro erzeugter Kilowattstunde über den Projekterfolg, und die günstigen Herstellungskosten sowie das gute Temperaturverhalten spielen ihre Vorteile voll aus. In den USA, dem weltweit größten CdTe-Markt, sind Solarparks mit mehreren Hundert Megawatt fast ausschließlich mit First-Solar-Modulen bestückt.

In Europa nimmt die CdTe-Technologie in Großprojekten ebenfalls einen relevanten Anteil ein – gerade weil First Solar durch den Inflation Reduction Act in den USA stark in den Ausbau seiner Fertigungskapazitäten investiert hat und auch den europäischen Markt beliefert. Für gewerbliche Dachanlagen mittlerer Größe (50–1.000 kWp) ist CdTe nur dann eine ernsthafte Option, wenn die verfügbare Dachfläche ausreichend groß ist und der Preisvorteil im Angebot tatsächlich weitergegeben wird.

Für private Haushalte, die eine schlüsselfertige PV-Anlage mit Speicher planen – wie sie BRIAN Solar in Klettgau und der Region Hochrhein seit mehr als 15 Jahren realisiert – ist kristallines Silizium heute die standardmäßige und wirtschaftlich richtige Wahl. Die höhere Flächeneffizienz maximiert den Ertrag auf begrenzten Dachflächen, und das Angebot an Speicher-, Wärmepumpen- und Wallbox-Kombinationen ist ausschließlich auf Siliziummodule abgestimmt.

Fazit: CdTe-Solarzelle – Nischentechnologie mit starker Marktposition

Die CdTe-Solarzelle ist keine Randfußnote, sondern eine ausgereifte Technologie mit klaren Stärken – und klar definierten Einsatzbereichen. Im Utility-Scale-Bereich ist sie wettbewerbsfähig und in manchen Projekten gegenüber Silizium sogar im Vorteil. Für das Hausdach bleibt kristallines Silizium das sinnvollere Modul: höhere Effizienz auf kleiner Fläche, breite Produktauswahl, etablierte Kombinationslösungen mit Speicher und Wärmepumpe.

Wer eine Photovoltaikanlage für das eigene Gebäude plant, wird im Gespräch mit einem Fachbetrieb in der Regel keine CdTe-Module angeboten bekommen – und das ist kein Manko, sondern technisch begründet. Für Fragen zur richtigen Modulwahl, zum Systemaufbau und zur Wirtschaftlichkeit steht BRIAN Solar als regionaler Fachbetrieb mit eigenen Montageteams und SENEC-Fachpartnerschaft für ein kostenloses Beratungsgespräch bereit.