Die effizientesten Solarmodule der Welt kommen aus Freiburg – so funktionieren sie
34,2 % Wirkungsgrad: Forschende des Fraunhofer ISE haben nach eigenen Angaben das effizienteste Solarmodul der Welt gebaut – und nebenbei einen weiteren Rekord gebrochen. Wie war das möglich?
Zwei Rekorde auf einen Streich: Projektleiterin Dr. Laura Stevens zeigt ein III-V-Germanium-PV-Modul mit einer Rekordeffizienz von 34,2 %. Leonhard Böck (r.) ist Projektmitarbeiter und hat am III-V-Silizium-PV-Modul mit 31,3 % Effizienz mitgearbeitet.
Foto: Fraunhofer ISE/Jacob Forster
Wer Solarmodule kennt, kennt den Wert: 20 bis 24 %. Diesen Wirkungsgrad erzielen die besten Module auf dem Markt heute. Mehr ist physikalisch nicht möglich, zumindest nicht mit der herkömmlichen Siliziumtechnologie.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg haben jetzt Wege gezeigt, mit denen sich dieser Wert drastisch erhöhen lässt. In einer Pressemitteilung vom 17. Februar berichten sie von gleich zwei Rekorden.
Inhaltsverzeichnis
- Wo klassische Solarmodule an ihre Grenzen stoßen
- Das Problem mit Silizium
- Was hinter dem effizientesten Solarmodul der Welt steckt
- Rekord #2: Das effizienteste Silizium-Modul
- Wo die neuen Module zum Einsatz kommen
- Warum Zelle nicht gleich Modul ist
- Parallele Technologierouten
- Rasante Entwicklung in der PV-Technik
Wo klassische Solarmodule an ihre Grenzen stoßen
Eine Solarzelle kann nur einen bestimmten Teil des Sonnenlichts nutzen. Licht mit zu kurzer oder zu langer Wellenlänge geht verloren, bevor es in Strom umgewandelt werden kann.
Das sogenannte Shockley-Queisser-Limit beschreibt, wie viel Energie eine Solarzelle aus einer einzelnen Halbleiterschicht unter idealen Bedingungen maximal erzeugen kann. Theoretisch sind bis zu 33,2 % möglich, aber nur bei einem Material mit der exakt richtigen Bandlücke.
Die Bandlücke bestimmt, welche Wellenlängen des Lichts ein Halbleiter absorbieren kann: Ist sie zu groß, geht langwelliges Licht verloren; ist sie zu klein, verpufft ein Teil der Energie als Wärme. Nur bei einer bestimmten Bandlücke – dem theoretischen Optimum – lässt sich das Sonnenspektrum am effizientesten ausschöpfen.
Das Problem mit Silizium
Silizium trifft dieses Optimum nicht ganz. Seine Bandlücke liegt etwas daneben, weshalb das physikalische Effizienzlimit für Siliziumzellen bei 29,4 % liegt (und nicht bei den theoretischen 33,2 %). Kommerziell erhältliche Siliziummodule kratzen heute an der 24-%-Marke und kommen der materialspezifischen Grenze damit schon sehr nahe. Das bedeutet: Mit klassischer Siliziumtechnologie ist kaum noch Luft nach oben.
Das Shockley-Queisser-Limit gilt jedoch nur für Zellen mit einer einzigen Halbleiterschicht. Kombiniert man mehrere Schichten mit unterschiedlichen Bandlücken zu sogenannten Tandemzellen, kann jede Schicht einen anderen Teil des Sonnenspektrums nutzen. Das klassische Limit ist dann überwunden. Theoretisch sind bei Tandemzellen Wirkungsgrade von bis zu 66 % möglich.
Die technische Herausforderung liegt in der Umsetzung des Tandem-Prinzips: Welche Materialien kombiniert man, und wie baut man daraus ein stabiles Modul, das nicht nur im Labor funktioniert? Die Forscher des Fraunhofer ISE haben im Rahmen von zwei Projekten verschiedene Antworten auf diese Frage entwickelt und dabei nach eigenen Angaben zwei neue Rekorde aufgestellt.
Was hinter dem effizientesten Solarmodul der Welt steckt
Das spektakulärere Ergebnis lieferte das Projekt „Vorfahrt„: ein Modul mit 34,2 % Wirkungsgrad, das damit laut den Forschern das effizienteste Solarmodul der Welt ist. Es kombiniert eine dreifach geschichtete III-V-Halbleiterstruktur auf einer Germaniumunterlage. Diese Materialien stammen ursprünglich aus der Raumfahrt.
Der am Projekt beteiligte Solarzellenhersteller Azur Space hat dafür seine Weltraumsolarzellentechnologie auf das terrestrische Sonnenspektrum angepasst. Zudem hat das ebenfalls beteiligte Unternehmen Temicon die Glasoberfläche des Moduls mit einer hauchdünnen Nanostruktur versehen, die Reflexionsverluste minimiert.
Rekord #2: Das effizienteste Silizium-Modul
Das zweite Rekordmodul aus dem Projekt „Mod30plus“ ist ebenfalls ein Tandemmodul. Im Gegensatz zum Modul aus dem Vorfahrt-Projekt kombiniert es einen III-V-Halbleiter aber nicht mit Germanium, sondern dem kostengünstigeren Silizium. Damit erreicht es einen Wirkungsgrad von 31,3 %.
Als besonders bemerkenswert nennen die Forscher den Umstand, dass hier erstmals eine Kleinserienfertigung dieser Zellen am Institut gelungen sei.
Beide Module übertreffen damit das physikalische Limit klassischer Siliziumtechnologie von 29,4 %, was nach Angaben des Instituts lange als kaum erreichbar galt.
Wo die neuen Module zum Einsatz kommen
Der Haken: Beide neuen Module sind teurer als konventionelle Siliziummodule, besonders die Germanium-Variante. Ein Einsatz auf Freiflächen oder Standarddächern wäre daher derzeit wirtschaftlich nicht sinnvoll. Die Technologie soll vor allem in Anwendungen zum Einsatz kommen, bei denen Fläche extrem begrenzt ist und jeder Quadratzentimeter zählt.
„Beide Tandem-PV-Technologien haben das Potenzial, Anwendungslücken zwischen den klassischen, kostengünstigen Freiflächen- und Aufdachanlagen einerseits und den hoch performanten, dafür aber teureren Weltraumsolarzellen andererseits zu schließen“, erläutert Prof. Dr. Andreas Bett, Institutsleiter am Fraunhofer ISE.
Konkret denken die Forscher an eine Gebäudeintegration, bei der Solarmodule ein fixer Bestandteil der Fassade oder des Dachs werden. Ein weiterer Use Case wären Fahrzeuge: Am Weltrekordmodul auf Germanium-Basis ist die Audi AG als Projektpartner beteiligt.
Warum Zelle nicht gleich Modul ist
In der Solartechnik unterscheidet man zwischen Zellen und Modulen. Eine einzelne Solarzelle lässt sich unter idealisierten Laborbedingungen messen, ein Modul besteht hingegen aus vielen verschalteten Zellen, die in Rahmen und Glas eingebettet sind. Dabei entstehen zwangsläufig Verluste durch inaktive Flächen, Leiterbahnen und Reflexionen.
Modulwirkungsgrade liegen daher immer unter Zellwirkungsgraden. Das zeigt sich auch hier: Die zugrundeliegende III-V/Silizium-Zelle hatte bereits 36,1 % erreicht – das daraus gebaute Modul kommt auf 31,3 %. Für die Praxis ist der Modulwert die relevantere Zahl, weil auf Dächern und Fassaden immer Module installiert werden, nie einzelne Zellen.
Parallele Technologierouten
Die neuen Rekordmodule sind übrigens nicht die einzige Tandem-Technologie, an der das Fraunhofer ISE arbeitet. Bereits Anfang 2024 hatten die Freiburger Forscher gemeinsam mit Oxford PV ein Perowskit-Silizium-Tandemmodul im industriellen Maßstab vorgestellt: 25 % Wirkungsgrad auf 1,68 m², gefertigt auf Anlagen, die auch in der Massenproduktion eingesetzt werden.
Der Unterschied: Die Perowskit-Route zielt auf eine breite Marktdurchdringung mit günstigeren Materialien, die sich potenziell für Standarddächer eignen. Mit ihren neuen III-V-Module zielen die Freiburger dagegen bewusst auf Anwendungen, bei denen Fläche extrem knapp ist.
Rasante Entwicklung in der PV-Technik
„Die Tandem-Photovoltaik zählt zu den sich heute am schnellsten entwickelnden Forschungsfeldern in der Solarforschung“, sagt Dr. Jonas De Rose, Projektleiter von „Mod30plus“. Tatsächlich haben Tandemzellen in wenigen Jahren enorme Fortschritte gemacht. Forscher aus Hong Kong meldeten im November 2025 sogar die Entwicklung von Perowskit-Zellen mit bis zu 40 % Wirkungsgrad.
Ob die Freiburger III-V-Technologie den Sprung in die Serienproduktion schafft, hängt nun vor allem von den Kosten ab. Aktuell ist sie für Massenanwendungen zu teuer. Aber für Nischen – Fahrzeuge, moderne Gebäudeteile und spezielle Industrieanwendungen – könnte sie relevant werden. Beide Forschungsprojekte wurden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie finanziert.
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