110 Volt pro Regentropfen: Diese Solarzelle liefert Strom, wenn es regnet
Spanische Forscher haben eine Beschichtung entwickelt, die Regen in Strom umwandelt. Damit arbeiten Solarzellen bei jedem Wetter.
Regentropfen auf einem Solarmodul: Was bisher die Stromproduktion bremste, könnte künftig selbst Energie liefern.
Foto: picture alliance / Westend61 | Christian Vorhofer
Solarzellen haben ein Problem mit Regen. Eine Forschungsgruppe aus Sevilla hat einen Ansatz vorgestellt, der das ändern könnte: eine hauchdünne Beschichtung, die Solarzellen nicht nur vor Witterung schützt, sondern gleichzeitig Strom aus Regentropfen erzeugt.
Das Team am Institut für Materialwissenschaften in Sevilla (ICMS) hat seine Ergebnisse kürzlich im Fachjournal Nano Energy veröffentlicht. Es ist nach Angaben der Forscher die erste Demonstration eines solchen hybriden Dünnschicht-Systems. Die Idee, Regen als Energiequelle zu verwenden, ist nicht neu. Doch die Sevilla-Gruppe liefert nun die erste Lösung, die Solarzelle und Regengenerator in einem einzigen Dünnschicht-Bauteil vereint.
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Das Prinzip: Strom aus Reibung
Triboelektrische Nanogeneratoren (TENG) nutzen ein physikalisches Prinzip, das jeder aus dem Alltag kennt: Wenn zwei Materialien mit unterschiedlicher Leitfähigkeit in Kontakt kommen, tauschen sie Elektronen aus und laden sich gegensätzlich auf. Werden sie wieder getrennt, entsteht eine Spannung, und über Elektroden lässt sich ein Strom ableiten. Das passiert etwa, wenn man einen Luftballon an der Kleidung reibt oder frisch getrocknete Haare mit einem Plastikkamm kämmt.
Die TENG-Technologie macht sich diesen Effekt zunutze. Ein Regentropfen, der auf eine speziell beschichtete Oberfläche auftrifft, erzeugt beim Aufprall und beim Abgleiten einen kurzen Stromimpuls. Die TENG-Schichten sind transparent, sodass Sonnenlicht ungehindert auf die darunterliegenden Solarzellen treffen kann. Die Miniaturgeneratoren beeinträchtigen die Photovoltaik-Leistung also nicht, sondern ergänzen sie.
Unter Laborbedingungen haben verschiedene Forschergruppen weltweit bereits 50 bis 100 W/m² mit TENG-Technologie erzeugt. Das entspricht ca. 20 bis 30 % der optimalen Leistung einer Solarzelle. Laut dem Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen (INT) standen TENGs im April 2025 sogar kurz vor der Markteinführung.
Eine Schicht, zwei Funktionen
Die Forscherinnen und Forscher aus Sevilla rund um Carmen López-Santos heben die Idee nun auf ein neues Level. Sie entwickelten eine nur etwa 100 bis 130 nm dünne Schicht aus fluoriertem Kunststoff, die chemisch mit Teflon verwandt ist. Ein menschliches Haar ist rund 1.000-mal dicker. Aufgebracht wird die Schicht per plasmagestützter Gasphasenabscheidung (PECVD). Das bei Raumtemperatur angewandte Verfahren benötigt keine Lösungsmittel, die die empfindliche Solarzelle beschädigen könnten.
Die Schicht erfüllt laut den Forschern zwei Aufgaben gleichzeitig:
- Erstens wirkt sie als Schutzkapsel: Sie macht die Oberfläche wasserabweisend. Der Kontaktwinkel von Wassertropfen verdoppelt sich gegenüber der unbeschichteten Zelle auf rund 110 °. Damit schützt sie die empfindlichen Perowskitzellen vor Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen. Außerdem verbessert sie als Antireflexschicht die Lichtdurchlässigkeit auf über 90 % und blockiert gleichzeitig schädliche UV-Strahlung.
- Zweitens besitzt die Oberfläche triboelektrische Eigenschaften: Die Forscher haben die chemische Zusammensetzung der Schicht optimiert. Ein hoher Anteil stark elektronegativer Fluorgruppen (CF₂ und CF₃, zusammen 36,4 % der Oberflächenzusammensetzung) maximiert den triboelektrischen Effekt beim Tropfenaufprall.
110 V aus einem einzigen Tropfen
Ein einzelner Regentropfen könne beim Aufprall auf die Beschichtung bis zu 110 V Leerlaufspannung erzeugen, meldeten die Spanier am 24. Februar. Die maximale Leistungsdichte betrage rund 4 mW/cm² Getestet wurde mit echtem Regenwasser aus Sevilla. Im Dauertest behielt der Nanogenerator nach mehr als 17.000 Tropfenaufprallen noch über 85 % seiner ursprünglichen Leistung.
„Unsere Arbeit schlägt eine fortschrittliche Lösung vor, die Perowskit-Photovoltaik mit triboelektrischen Nanogeneratoren in einer Dünnschicht-Konfiguration kombiniert und so die Machbarkeit beider Energiegewinnungssysteme in einem Bauteil demonstriert“, erklärte Carmen López-Santos, Forscherin am ICMS, in der Pressemitteilung.
Die Solarzelle selbst leide kaum unter der Beschichtung. Bei der optimalen Schichtdicke von 130 nm sank der Wirkungsgrad laut den Forschenden um weniger als 4 %. Die besten beschichteten Zellen erreichten noch 17,9 % Effizienz.
Wetterfest dank Doppelschutz
Die Forscher kombinierten die Fluorschicht zusätzlich mit einem kommerziellen Epoxidharz. Damit lösten sie ein weiteres Problem der Perowskit-Forschung, denn herkömmliche Epoxid-Versiegelungen reagieren chemisch mit dem häufig verwendeten Ladungstransportmaterial Spiro-OMeTAD und zerstören die Zelle. Die Teflon-artige Zwischenschicht verhindert diesen Kontakt.
Dank dieses Doppelschutzes hielten die Zellen auch bei dauerhafter Beleuchtung und 50 % Luftfeuchtigkeit mehr als 300 Stunden stabil. Selbst unter Wasser funktionierte die Solarzelle noch über 15 Minuten. Im kombinierten Betrieb – gleichzeitig Sonnenlicht und Tropfenaufprall – hielt das Hybridgerät über mehr als fünf Stunden.
Warum Perowskit und nicht Silizium?
Bisherige Hybrid-Systeme aus Solarzelle und Regengenerator setzten fast ausschließlich auf Silizium als Photovoltaik-Komponente. Perowskit-Solarzellen blieben außen vor, gelten aber als vielversprechendste Alternative. Sie lassen sich günstiger herstellen und erreichen im Labor bereits Wirkungsgrade von 27 Prozent für Einzelzellen, als Tandem mit Silizium sogar 34,9 %.
Ihr größtes Problem war jedoch die mangelnde Haltbarkeit: Feuchtigkeit, Sauerstoff und UV-Strahlung setzen dem Material zu. Ausgerechnet diese Empfindlichkeit gegen Wasser machte die Kombination mit Regentropfen-Generatoren bislang nahezu unmöglich. Die neue Beschichtung löst diesen Widerspruch und macht Perowskit damit potenziell für die „Regen Panels“ nutzbar.
Vom Labor zur LED-Beleuchtung
Als Machbarkeitsnachweis bauten die Forscher ein Hybridsystem, das gleichzeitig Sonnen- und Regenenergie erntet. Über einen eigens entwickelten Spannungswandler konnte das System eine rote LED-Reihe (1,8 V) dauerhaft mit Strom versorgen und bei Tropfenaufprall zusätzlich kurzzeitig grüne LEDs (2,5 V) aktivieren.
Die erzeugten Leistungen liegen im Bereich kommerziell erhältlicher Energiemanagement-Chips von Herstellern wie Analog Devices oder Texas Instruments, was laut den Forschern die praktische Umsetzbarkeit belegt.
Einsatz in smarten Städten und abgelegenen Gebieten
Die Forscher sehen das größte Potenzial im Internet der Dinge – also überall dort, wo kleine Sensoren und Geräte autark mit Energie versorgt werden müssen:
- Umweltsensoren für Luftqualität oder Niederschlag
- Struktursensoren an Brücken und Gebäuden
- Wetterstationen und Systeme für die Präzisionslandwirtschaft.
ICMS-Forscher Fernando Núñez-Gálvez fasst zusammen: „Der Einsatz in sogenannten Smart Cities ist realistisch, etwa bei Beschilderung, autonomer Hilfsbeleuchtung oder Monitoring, da das System widrigen Wetterbedingungen, Regen, Feuchtigkeit und thermischen Zyklen standhält. Es wäre auch für verteilte Energiestrukturen in abgelegenen, schwer zugänglichen oder isolierten Gebieten einsetzbar, etwa für Meeresstationen.“
Wissenschaftler am Fraunhofer INT erwarten sogar, dass triboelektrische Generatoren künftig auch in Kleidung und Schuhe integriert werden könnten, um bei jeder Bewegung Strom zu erzeugen.
Noch Forschung, kein fertiges Produkt
Bis zur Marktreife ist es aber noch ein Stück. Die Forscher räumen selbst ein, dass stabilere Perowskit-Zusammensetzungen nötig sind und die Elektrodenarchitektur weiterentwickelt werden muss. Auch die triboelektrische Leistung hängt noch stark davon ab, wo genau der Tropfen auf die Elektrode trifft. Positionsabweichungen von nur einem halben mm können die Spannung um bis zu 50 % verändern.
Zudem gibt es Konkurrenzansätze: Forscher der National University of Singapore haben eine andere Methode entwickelt, bei der Regenwasser durch polymerbeschichtete Röhren fließt und über sogenannte Pfropfenströmung (Plug Flow) Strom erzeugt. Der Wirkungsgrad liegt dabei über 10 %.
Die Sevilla-Ergebnisse stammen aus dem EU-geförderten Projekt 3DScavengers (ERC Starting Grant) sowie dem Projekt Drop Ener, kofinanziert aus dem europäischen NextGenerationEU-Programm. Die Studie wurde im Februar 2026 im Fachjournal Nano Energy veröffentlicht.
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