Warum Ohio bei Cadmiumtellurid-Solarenergie führend ist

Eine einst neuartige Solarenergietechnologie mit Wurzeln in Ohio genießt zusammen mit zwei Herstellern aus der Region Toledo einen Moment in der Sonne.

Seit den 1950er-Jahren hatten Wissenschaftler im Labor mit Cadmiumtellurid-Solarmodulen experimentiert, doch die Technologie wurde erst vor zwei Jahrzehnten kommerzialisiert, nachdem zwei Unternehmer aus Ohio wichtige Vorarbeiten geleistet hatten, die das Unternehmen gründeten, aus dem später First Solar hervorging.

Nachdem Cadmiumtellurid jahrelang um eine Nische neben günstigeren und effizienteren Solarzellen aus kristallinem Silizium gekämpft hat, hat es kürzlich die Lücke bei Kosten und Energieausbeute geschlossen. Cadmiumtellurid-Module halten weltweit den größten Marktanteil unter den Dünnschicht-Solartechnologien, bei denen sehr dünne Schichten aus Halbleitermaterial im Vergleich zu dickerem, starrem kristallinem Silizium verwendet werden.

Zusätzlich zu den technologischen Fortschritten wird der Sektor voraussichtlich von der laufenden Lieferkettenpolitik und der neuen Bundesgesetzgebung zum Klimawandel profitieren, die Anreize für die inländische Produktion bietet.

Diese Trends befeuern einen Boom bei der Solarproduktion in Ohio, wo zwei Cadmiumtellurid-Hersteller trotz feindseliger staatlicher und lokaler Maßnahmen gegen Solarparks große Expansionen angekündigt haben, die in den kommenden Jahren die Schaffung von Hunderten von Arbeitsplätzen versprechen.

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First Solar plant, noch in diesem Jahr seine dritte Fabrik in Ohio in Lake Township zu eröffnen. Dieser 3,3-Gigawatt-Anlage wird eine 1,3 Millionen Quadratmeter große Forschungs- und Entwicklungsanlage in Perrysburg folgen, deren Eröffnung im nächsten Jahr geplant ist. Im Jahr 2025 soll in Alabama eine vierte US-Fabrik eröffnet werden, wodurch sich die gesamte US-Produktionskapazität des Unternehmens auf rund 10 GW belaufen würde.

Unterdessen verdreifacht Toledo Solar, dessen Module hauptsächlich an gewerbliche und private Nutzer gehen, seine Produktionskapazität in diesem Jahr von 100 auf 300 Megawatt. Obwohl das Unternehmen viel kleiner ist als First Solar, das auf den Markt für Energieversorger abzielt, „ist das eine große Sache für uns“, sagte CEO Aaron Bates.

„Die Region Toledo mit ihren engen Verbindungen zur Glasindustrie war in den Anfangsjahren unseres Geschäfts ein natürlicher Brutkasten“, sagte Kuntal Kumar Verma, Chief Manufacturing Officer von First Solar. Mehr als 20 Jahre später verfügt der Nordwesten Ohios über „einen Wissensschatz in der Dünnschicht-Solarfertigung, der vielleicht weltweit seinesgleichen sucht.“

Die Entstehungsgeschichte des Cadmiumtellurid-Solarsektors in Ohio beginnt mit zwei Superhelden der Glasindustrie.

Harold McMaster wuchs als Bauernjunge im Nordwesten von Ohio auf und Norman Nitschke verbrachte seine Kindheit in East Toledo. Die beiden leisteten Pionierarbeit bei der Herstellung und Verwendung von gehärtetem Glas – dem Material, das für Windschutzscheiben von Autos verwendet wird, damit es nicht in gezackte Scherben zerbricht. Sie wurden Mitbegründer mehrerer Unternehmen, darunter Glasstech.

McMaster und Nitschke begannen dann über Glasstech Solar mit der Arbeit an Solarenergie. Diese Arbeit führte zu Solar Cells, Inc. Unter der Führung von McMaster entwickelte das Unternehmen 1997 das grundlegende Dampfabscheidungsverfahren für seine Cadmiumtellurid-Solarzellen.

Bei dem Verfahren wird mit heißem Gas eine Cadmiumtelluridschicht kristallisiert, deren Dicke etwa 3 % eines menschlichen Haares beträgt. Diese Schicht, Glas und andere Materialien bilden das „Sandwich“ des Solarmoduls. Die Herstellung nimmt weniger Zeit in Anspruch als die von kristallinen Siliziummodulen, die den Großteil der weltweit verwendeten Solarmodule ausmachen.

Nach dem Verkauf einer Mehrheitsbeteiligung an dem Unternehmen an eine in Arizona ansässige Investmentfirma wurde Solar Cells, Inc. 1999 zu First Solar und eröffnete seine erste Produktionsanlage in Perrysburg.

Doch es dauerte Jahre, bis sich die Effizienz der Zellen so weit verbesserte, dass sie konkurrenzfähig waren. Im Jahr 2016 erreichte First Solar im Labor einen Energieumwandlungswirkungsgrad von 22 %. Eine Studie von Unternehmenswissenschaftlern und Forschern des National Renewable Energy Laboratory aus dem Jahr 2019 verfeinerte diese Arbeit und reduzierte das Risiko von Instabilitäten, die die Effizienz beeinträchtigen könnten.

Toledo Solar entschied sich bei seiner Gründung im Jahr 2019 für die Region Toledo, um von der Wissensbasis zu profitieren, die First Solar und nahegelegene Universitäten aufgebaut haben. Anderswo anzufangen wäre „ein großer Aufwand gewesen, und es wäre so teuer“, sagte Bates.

Cadmiumtellurid-Solar ist mittlerweile eine bewährte Technologie und mit kristallinem Silizium konkurrenzfähig, sagte die Wissenschaftlerin Lorelle Mansfield vom National Renewable Energy Laboratory. „Es ist im Feld. Es ist im Versorgungsmaßstab. Es ist da draußen und es funktioniert gut“, sagte sie.

Nach Angaben des US Manufacturing of Advanced Cadmium Telluride Photovoltaics Consortium (US-MAC) deckt der Cadmiumtellurid-Sektor derzeit etwa 40 % des US-amerikanischen Versorgungsmarktes und etwa 5 % des weltweiten Marktes ab. Zu den Mitgliedern zählen verschiedene Unternehmen, Universitäten und das National Renewable Energy Laboratory.

Ein im Januar veröffentlichter Global Market Estimates-Bericht prognostizierte, dass der globale Cadmiumtellurid-Markt von 2023 bis 2028 im Zuge der Energiewende mit einer durchschnittlichen jährlichen Rate von 12,5 % wachsen würde.

Obwohl First Solar und Toledo Solar nicht miteinander konkurrieren, konkurrieren sie und andere Cadmiumtellurid-Unternehmen auf dem Weltmarkt mit kristallinem Silizium.

Bis Ende 2020 meldete First Solar einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 18 % für seine kommerziellen Module. Das liegt am unteren Ende des Bereichs von 18 % bis 22 %, den das Energieministerium für kristalline Solarmodule angegeben hat.

Allerdings kann Cadmiumtellurid „in heißen Klimazonen bis zu 4 % mehr Energie und bei hoher Luftfeuchtigkeit bis zu 4 % mehr Energie liefern“, bemerkte Verma. Der theoretische Wirkungsgrad von Cadmiumtellurid-Panels ist ebenfalls höher – mehr als 30 %. Das liegt daran, dass die Halbleiterschicht auf ein breiteres Spektrum an Lichtenergie reagieren kann, sagte Bates.

Cadmiumtellurid-Platten bieten auch Kosteneinsparungen in der Produktion, da sie weniger Materialien, weniger Energie und weniger Wasser benötigen. NREL-Forschungen bestätigten letztes Jahr, dass sie weniger kohlenstoffintensiv sind als kristalline Solarenergie.

Mansfield wies auf einen weiteren großen Vorteil hin, den der Cadmiumtellurid-Sektor derzeit habe: „Es handelt sich um eine Dünnschichttechnologie, die in den USA hergestellt wird.“

„Das hat viele Vorteile“, sagte Jane Harf, Geschäftsführerin von Green Energy Ohio. Die Unternehmen sind weniger anfällig für Unterbrechungen ausländischer Lieferketten.

Schon vor der Covid-19-Pandemie hatten US-Unternehmen im kristallinen Siliziumsektor aufgrund der weltweiten Dominanz Chinas bei der Herstellung der von ihnen verwendeten Halbleiter mit Lieferkettenproblemen zu kämpfen. Der Verstoß des Landes gegen Antidumpingvorschriften führte während der Trump-Regierung zu restriktiven Zöllen. Das Breakthrough Institute und andere haben China auch für den Einsatz von Zwangsarbeit und anderen unfairen Arbeitspraktiken kritisiert.

Im vergangenen Juni kündigte Präsident Joe Biden eine 24-monatige Befreiung von bestimmten Einfuhrzöllen für Solarmodule und -zellen aus Malaysia, Kambodscha, Thailand und Vietnam an. Ziel war es, den US-Solarmarkt zu beliefern, bis die heimische Produktion von kristallinen Siliziumhalbleitern hochgefahren werden kann.

Eine vorläufige Feststellung des Handelsministeriums vom Dezember ergab, dass die Handelsbeschränkungen in allen vier südostasiatischen Ländern teilweise umgangen wurden. Grundsätzlich versendeten Unternehmen chinesische Produkte nach nur geringfügiger zusätzlicher Bearbeitung in die USA. Dies deutet darauf hin, dass die Importe für den kristallinen Siliziumsektor nach Juni 2024 schwieriger werden könnten, obwohl das Bundes-CHIPS-Gesetz von 2022 darauf abzielt, die inländische Produktion von Halbleitern zu steigern.

Derzeit bedeutet die ausschließlich inländische Produktion, dass Toledo Solar das einzige Unternehmen auf dem Dachsolarmarkt ist, das sich für die volle Steuergutschrift von 40 % im Rahmen des Inflation Reduction Act qualifizieren kann, sagte Bates.

Der Cadmiumtellurid-Sektor ist nicht vor potenziellen Problemen in der Lieferkette gefeit. Mansfield sagte jedoch, dass die Menge an Halbleitermaterialien, die pro Panel benötigt wird, gering sei. Und bessere Möglichkeiten zur Verfeinerung der Rohstoffe könnten deren Angebot maximieren, fügte sie hinzu.

„Wir nehmen im Wesentlichen zwei Nebenprodukte aus Bergbauabfallströmen – Cadmium und Tellur – und kombinieren sie zu einer stabilen Verbindung“, sagte Verma. Am Ende ihrer Nutzungsdauer können mehr als 90 % der Materialien der Module zurückgewonnen werden.

First Solar geht davon aus, dass das Werk in Lake Township zusätzlich zu den 1.600 Arbeitsplätzen in den bestehenden Werken in Ohio 700 Arbeitsplätze schaffen wird. Durch die Forschungs- und Entwicklungseinrichtung sollen weitere 200 Arbeitsplätze geschaffen werden. Toledo Solar rechnet damit, bis 2027 mehr als 250 neue Arbeitsplätze zu schaffen.

Das Wachstum der beiden Unternehmen zieht auch andere Unternehmen nach Ohio. NSG Pilkington eröffnete 2020 eine neue Floatglaslinie in Luckey und schuf damit rund 150 neue Arbeitsplätze

Und Ice Industries gab letztes Jahr bekannt, dass es in Bowling Green ein 150.000 Quadratmeter großes Werk bauen wird, um Stahlschienen für Solarpaneele herzustellen, was etwa 120 neue Arbeitsplätze schaffen wird.

Das US-MAC-Konsortium hofft, die aktuellen Herausforderungen anzugehen. Es gebe noch viel Spielraum, um die Effizienz von Cadmiumtellurid-Panels bis zu ihrer theoretischen Grenze zu verbessern, sagte Mansfield. Auch andere Elemente der Paneele können aufgewertet werden.

Der Sektor könnte durch den Anstieg der inländischen Halbleiterproduktion oder aufgrund anderer Fortschritte stärkerer Konkurrenz durch den Markt für kristallines Silizium ausgesetzt sein. Auch andere Dünnschichttechnologien könnten Konkurrenz darstellen. Forscher arbeiten auch an Solarzellen mit gestapelten Halbleiterschichten, die auf unterschiedliche Energiebandbreiten reagieren, sagte Mansfield.

Dann gibt es Perowskit-Solarzellen, die auf Oberflächen gedruckt oder aufgemalt werden können. In einer Studie vom 16. Februar in der Fachzeitschrift „Science“ wurde berichtet, dass Perowskit-Solarzellen mit etwas Zusatzstoff namens DPPP über einen Zeitraum von zwei Monaten bis zum Ende des Studienzeitraums einen Wirkungsgrad von 23 % aufrechterhielten.

Obwohl noch zahlreiche Herausforderungen bestehen, „könnten Perowskit-Solarzellen in ein paar Jahren auf den Markt kommen“, sagte Studienkoautorin Yanfa Yan von der Universität Toledo.

Die Politik könnte auch Einfluss darauf haben, wie groß das zukünftige Wachstum im Cadmiumtellurid-Sektor in Ohio bleiben wird.

Solarenergie sei „immer noch ein politisches Thema. Und für mich sollte es das nicht sein“, sagte Bates. „Es ist ein wirtschaftliches Problem.“ Seiner Ansicht nach sollten die politischen Entscheidungsträger Ohios Führungsrolle bei der Herstellung von Solarmodulen wertschätzen und unterstützen.

„Dies ist das Zentrum der westlichen Hemisphäre – Punkt – für Solarenergie“, sagte Bates.

Kathi ist Autorin von 25 Büchern und mehr als 600 Artikeln und schreibt häufig über wissenschaftliche und politische Themen. Neben ihrer Karriere als Journalistin ist Kathi Absolventin der Harvard Law School und seit 15 Jahren als Rechtsanwältin tätig. Sie ist Mitglied der Society of Environmental Journalists und der National Association of Science Writers. Kathi deckt den Bundesstaat Ohio ab.