Wettlauf um Wirkungsgrade: Warum Tandem-Solarzellen die Photovoltaik neu vermessen

Ein Wettbewerb, der in Zehntelprozenten gemessen wird

In der Solarforschung wird derzeit um Nachkommastellen gerungen. Meldungen über neue Rekordwerte bei sogenannten Tandem-Solarzellen häufen sich, und mit ihnen die Frage, was diese Zahlen eigentlich bedeuten. Zuletzt sorgte eine Tandemzelle aus einer Perowskit-Schicht und einer CIGS-Zelle (Kupfer-Indium-Gallium-Selenid) für Aufmerksamkeit, weil sie einen Wirkungsgrad im Bereich von rund 25 Prozent erreicht haben soll. Um überhaupt in die einschlägigen Rekordtabellen aufgenommen zu werden, reicht ein hoher Laborwert allein nicht: Gefordert ist unter anderem eine Mindestfläche von mehr als einem Quadratzentimeter und eine unabhängige Zertifizierung. Genau das unterscheidet einen belastbaren Meilenstein von einer bloßen Ankündigung.

Warum aber überhaupt dieser Aufwand um wenige Prozentpunkte? Herkömmliche Siliziumzellen, die den Markt seit Jahrzehnten dominieren, nähern sich einer physikalischen Grenze. Ein einzelnes Halbleitermaterial kann immer nur einen Ausschnitt des Sonnenlichts effizient in Strom umwandeln. Der Rest des Spektrums geht als Wärme verloren. Diese theoretische Obergrenze für Einfachzellen liegt bei etwa 29 bis 33 Prozent – und ein großer Teil davon ist bereits ausgereizt.

Zwei Schichten, mehr vom Licht

Hier setzt das Tandemprinzip an. Zwei Zellen mit unterschiedlichen Eigenschaften werden übereinandergelegt. Die obere Schicht – häufig aus Perowskit, einer Materialklasse mit einer bestimmten Kristallstruktur – fängt vorwiegend den energiereichen, blauen Anteil des Lichts ein. Die darunterliegende Zelle aus Silizium oder einer CIGS-Verbindung verwertet den langwelligen, roten Anteil, der die obere Schicht durchdringt. In der Summe lässt sich so ein deutlich größerer Teil des Sonnenspektrums nutzen. Rechnerisch verschiebt sich die theoretische Obergrenze dadurch in Richtung 40 Prozent und darüber, was den anhaltenden Ehrgeiz der Forschungsgruppen erklärt.

Perowskit gilt dabei als besonders vielversprechend, weil sich das Material vergleichsweise günstig und bei niedrigen Temperaturen verarbeiten lässt. Es kann als dünne Schicht auf verschiedene Untergründe aufgebracht werden – ein Vorteil, den klassische Siliziumtechnik so nicht bietet. Zahlreiche Institute und Unternehmen weltweit arbeiten an unterschiedlichen Kombinationen, weshalb sich der Rekord in kurzen Abständen von einer Forschungsgruppe zur nächsten verschiebt.

Vom Laborwert zum Hausdach

So beeindruckend die Bestwerte sind, ist beim Blick auf die Zahlen Vorsicht angebracht. Ein zertifizierter Rekord entsteht unter kontrollierten Bedingungen auf winzigen Testflächen von oft nur einem Quadratzentimeter. Zwischen einer solchen Laborzelle und einem marktreifen Modul, das mehrere Quadratmeter misst, jahrzehntelang Wind, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen aushält und sich wirtschaftlich fertigen lässt, liegt ein weiter Weg. Der Wirkungsgrad großflächiger Module fällt regelmäßig niedriger aus als der der Rekordzelle.

Die größte offene Frage bei Perowskit-Tandems ist bislang die Langzeitstabilität. Perowskite reagieren empfindlich auf Feuchtigkeit und UV-Strahlung, weshalb die dauerhafte Haltbarkeit über 20 oder 25 Jahre – der übliche Garantiezeitraum bei Solarmodulen – noch Gegenstand intensiver Forschung ist. Erste Hersteller kündigen zwar den Übergang in die Serienproduktion an; ob und wann Tandemmodule herkömmliche Siliziumtechnik im großen Stil ergänzen, hängt jedoch von Herstellungskosten, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit ab. Marketingversprechen einzelner Anbieter zu Verfügbarkeit und Lebensdauer sollten daher als Angaben der Unternehmen verstanden werden, nicht als gesicherte Marktrealität.

Für Verbraucherinnen und Verbraucher, die heute eine Photovoltaikanlage planen, bedeutet das vorerst wenig Konkretes: Die auf dem Markt erhältlichen Module basieren nach wie vor überwiegend auf bewährter Siliziumtechnik. Die Tandemforschung zeigt aber, in welche Richtung sich die Photovoltaik entwickelt – und dass der scheinbar ausgereizte Wirkungsgrad noch spürbar Luft nach oben hat. Jedes Zehntelprozent im Labor ist ein kleiner Baustein auf dem Weg zu Solarstrom, der pro Fläche mehr leistet und langfristig günstiger wird.

Dieser Beitrag ist eine redaktionelle Einordnung eines aktuellen Forschungsthemas und keine technische oder Anlageberatung. Genannte Rekord- und Leistungswerte beruhen auf Angaben der jeweiligen Forschungseinrichtungen und Hersteller.

Mehr zum Thema

• Wärme aus der Leitung: Warum Forscher im Trinkwasser eine Heizquelle sehen
• Rost als Rohstoff: Warum Forscher in Eisen einen Energieträger der Zukunft sehen
• Die zweite Hürde der Solartechnik: Warum Perowskit-Zellen erst die Zeit überstehen müssen
• Eine Million Lichtpunkte: Warum Astronomen um den dunklen Nachthimmel fürchten
• Wenn die Maschine das Kind sieht: Wie KI-Sensorik Unfälle auf dem Hof verhindern soll
• Der Preis nach der Produktion: Warum Transport und Speicherung grünen Wasserstoff verteuern