Solarmodule ohne Silber: Warum Kupfer jetzt zum Trend wird

Wenn du ein Solarmodul kaufst oder eines installierst, bemerkst du nichts von den Metallstrukturen auf den Zellen. Im Hintergrund bestimmen diese feinen Leiterbahnen aber die Materialkosten, die Temperaturstabilität und langfristig die Haltbarkeit eines Moduls. Seit kurzem gibt es starken Druck, die teuren Silberleiterbahnen zu ersetzen. Der Grund ist simpel: Preis- und Lieferunsicherheit bei Silber sowie das Ziel, Photovoltaik in sehr großen Mengen kostengünstig und nachhaltig zu produzieren.

Forschungsgruppen und Hersteller arbeiten an mehreren Wegen, Silber zu reduzieren oder ganz zu ersetzen. Einige Versuche zeigen gleiche oder leicht höhere Zellwirkungsgrade; andere warnen vor Alterungsproblemen unter Feuchte und Hitze. Dieser Text führt Schritt für Schritt durch Technik, Praxisbeispiele, Risiken und mögliche Entwicklungen — das hilft, die Chancen und Grenzen von Kupfer klar zu sehen.

Silber war jahrzehntelang das Standardmetall für die elektrischen Leiterbahnen auf Siliziumzellen. Es hat sehr gute Leitfähigkeit und lässt sich gut verarbeiten. Doch Silber ist teuer und sein Preis schwankt stark. Für die Massenfertigung von Solarmodulen wird daher nach günstigeren Alternativen gesucht, die dieselbe Leistung liefern, aber weniger Materialkosten und größere Versorgungssicherheit bieten.

Kupfer bietet Rohstoffvorteile, doch die Langzeitstabilität entscheidet, ob es Silber wirklich ersetzen kann.

In Laboren wurden in den letzten Jahren mehrere Ansätze getestet: Cu‑Plating (galvanisches Aufbringen von Kupfer), Mask‑and‑Plate‑Prozesse, Leitpasten mit hohem Kupferanteil und laserinduzierte Selektiv‑Metallisierung. Forschungseinrichtungen berichten, dass mit optimierten Prozessen die Silbermenge deutlich sinken kann, teilweise auf Werte unter 2 mg/Wp.

Die wichtigsten Zahlen in Kürze:

Diese Werte zeigen Potenzial. Gleichzeitig ist wichtig: Laborerfolge müssen in Pilot‑ und Modultests übersetzt werden, bevor Hersteller in großem Stil umstellen.

Was bedeutet Kupfer‑Metallisierung genau? Kurz gesagt: Die feinen Leiterbahnen auf der Zelle werden statt mit Silberleitpasten oder großflächiger Silberschicht mit Kupfer aufgebracht. Dazu gibt es mehrere Verfahren, die sich in Reifegrad, Kosten und Anforderungen unterscheiden.

Wesentliche Verfahren:

• Cu‑Plating (Galvanik): Auf eine dünne Nickel‑Zwischenschicht wird galvanisch Kupfer abgeschieden. Das Verfahren hat guten industriellen Reifegrad für manche Zelltypen (zum Beispiel TOPCon).
• Mask‑and‑Plate: Es wird eine Lack‑ oder Resist‑Maske gedrucket, dann wird Kupfer galvanisch aufgebracht; anschließend wird die Maske entfernt, so entstehen feine Leiterbahnen ohne Siebdruck. Das reduziert Laydown und verbessert Linienfeinheit.
• Cu‑Pastensysteme: Kupfer‑haltige Pasten werden wie herkömmliche Silberpasten gedrucket und gebrannt. Sie sind einfach integrierbar, benötigen aber Prozessoptimierung, weil Kupfer empfindlicher gegenüber Oxidation sein kann.
• Laser‑induzierte Selektiv‑Metallisierung (LISM): Laser aktivieren die Oberfläche lokal, anschließend werden leitfähige Schichten aufgebracht oder gedruckte Cu‑Inks lokal gesintert. Vorteil: maskenlos und sehr präzise.

Technische Begriffe kurz:

SHJ steht für silicon heterojunction, eine Zellarchitektur mit sehr hoher Effizienz; TOPCon ist eine andere hocheffiziente n‑Typ‑Technologie. Beide Zelltypen reagieren unterschiedlich auf Metallisierungsverfahren: TOPCon ist in Pilotlinien oft leichter zu kupfermetallisieren, SHJ verlangt feinere Prozessoptimierung.

Jedes Verfahren verlangt Maßnahmen gegen Cu‑Diffusion und Korrosion: dünne Barrieren (z. B. Ni), geeignete Capping‑Schichten und ein angepasstes Modul‑Encapsulant sind zentrale Stellhebel, um Langzeitstabilität zu erreichen.

In den letzten Jahren sind mehrere publizierte Pilot‑ und Laborergebnisse erschienen. Ein zentraler Public Report stammt von einer bekannten europäischen Forschungseinrichtung, die für SHJ‑Zellen einen Silberverbrauch von 1.4 mg/Wp meldete und dabei gleiche bis leicht höhere Wirkungsgrade als bei konventioneller Metallisierung beobachtete. Solche Berichte belegen, dass eine drastische Reduktion von Silber technisch möglich ist.

Parallel dokumentieren unabhängige Untersuchungen, darunter aus nationalen Labors, Zuverlässigkeitsprobleme: Unter standardisiertem Damp‑Heat‑Stress (85 °C / 85 % r.H.) kam es in einigen Kupfer‑Proben zu Cu‑Ausdiffusion, die Leistungsparameter verschlechterte. Diese Tests zeigen, dass die Prozesskette — von Barriere‑Schichten bis zum Modul‑Encapsulant — angepasst werden muss.

Praxisbeispiele im Überblick:

• Fraunhofer‑Labordemonstrationen: SHJ mit sehr niedrigem Silberverbrauch (1.4 mg/Wp) – experimentelle Befunde, noch keine breite industrielle Replikation.
• Mask‑and‑Plate Einsätze in Pilotlinien: Geringerer Kupfer‑Laydown und feine Linienbreiten, Effizienzgewinne in einzelnen Versuchen.
• NREL‑ und unabhängige Tests: Zeigen Korrosions‑ und Diffusionsrisiken unter beschleunigten Alterungstestbedingungen; Gegenmaßnahmen wie Ni‑Barrieren und POE‑Encapsulants mindern Probleme.

Wichtig ist die Balance: Der Rohstoffvorteil von Kupfer ist real — Kupferpreis und Verfügbarkeit sind stabiler als bei Silber. Doch ein Yield‑Abfall in der Fertigung oder Langzeitverluste im Feld würden die Einsparung schnell relativieren. Deshalb laufen aktuell erweiterte Pilottests, die neben Effizienz auch Modullebensdauer, Lötbarkeit und Prozesskosten bewerten.

Die Chance ist eindeutig: weniger Silber reduziert Materialkosten und Lieferabhängigkeiten und kann den Übergang zu sehr großen Produktionsmengen erleichtern. In Szenarien mit anhaltend hohen Silberpreisen lässt sich eine spürbare Senkung der Modulkosten erwarten.

Gleichzeitig bleiben Risiken, die nicht technisch übergangen werden dürfen. Zu den zentralen Risiken zählen Cu‑Diffusion in den Siliziumkontakt, Korrosion in feuchten Umgebungen und Integrationsprobleme im Modulstack (z. B. mit EVA‑Encapsulant). Beschleunigte Tests zeigen, dass solche Effekte auftreten können, wenn Barrieren oder Encapsulants nicht angepasst sind.

Wie könnte die Entwicklung realistisch verlaufen?

Kurzfristig (1–2 Jahre): verstärkte Nutzung von Hybridansätzen — Ag/Cu‑Hybridpasten, Ni‑Barrieren mit geringem Ag‑Cap, und galvanische Plating‑Prozesse in Pilotlinien. Mittelfristig (2–5 Jahre): wenn Pilotreihen Zuverlässigkeit und Ertrag bestätigen, schrittweise Umstellung in bestimmten Zelltypen (z. B. TOPCon, dann SHJ/Tandem). Langfristig: vollständige Substitution möglich, aber nur mit standardisierten Prüfprotokollen und angepasster Modulchemie.

Für Hersteller bedeutet das: Pilotieren, messen, und erst nach reproduzierter Langzeitzuverlässigkeit hochskalieren. Für Käufer und Projektierer heißt es: auf Testdaten achten und Anbieter fragen, welche Barriereschichten und Encapsulants verwendet werden.

Kupfer ist ein realistischer Weg, um den Silberverbrauch in Solarmodulen deutlich zu senken. Laborergebnisse und erste Pilotprojekte zeigen echte Einsparpotenziale und stellenweise sogar Effizienzvorteile. Entscheidend ist jedoch die Verlässlichkeit im Langzeitbetrieb: Kupfer erfordert gezielte Barriereschichten, angepasste Encapsulants und standardisierte Alterungstests, damit Module auch nach Jahren noch die erwartete Leistung liefern. Kurz gesagt: Technisches Potenzial und wirtschaftlicher Druck sprechen für Kupfer — die praktische Umstellung braucht aber sorgfältige Validierung und abgestimmte Fertigungsprozesse.