Die meisten Silizium-Solarzellen stoßen bei 20 bis 23 % an ihre Grenzen. Doch einige Zellen erreichen über 34 % – und könnten bald 40 % schaffen, doppelt so viel wie einst angenommen. Aber wie ist das möglich?
In einer umfassenden Analyse hat das Team um Prof. Gang Li und Prof. Guang Yang die größten Hürden für den Leistungssprung identifiziert – und Ansätze zu ihrer Überwindung entwickelt. Die Arbeit der Hong Konger erschien kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Photonics. Sie könnte die Grundlage für eine neue Generation von Photovoltaik-Technologie bilden.
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Was macht die neuen Solarzellen so effizient?
Der Schlüssel liegt in der Bauweise. Denn die neuen Zellen sind keine gewöhnlichen Zellen, sondern sogenannte Tandem-Zellen.
Das Prinzip klingt simpel, ist in der Umsetzung aber anspruchsvoll: Tandem-Solarzellen bestehen aus mehreren übereinander gestapelten Halbleiterschichten. Jede von ihnen kann unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts aufnehmen. Die obere Schicht absorbiert kurzwelliges, hochenergetisches Licht und lässt langwelligere Strahlung durch. Die darunter liegende Schicht fängt dann einen weiteren Teil des Spektrums ein.
So lässt sich das Sonnenlicht besser ausnutzen als mit herkömmlichen Silizium-Solarzellen: Diese erreichen heutzutage „nur“ einen Wirkungsgrad von 20 bis 23 %.
Welches Material nutzen die neuen Solarzellen?
Die neuen Zellen bestehen ebenfalls aus Silizium, aber nutzen einen speziellen Partner: Perowskit.
Gemeint sind hybride Halbleiter aus organischen und anorganischen Verbindungen. In Tandemzellen bilden sie die obere Schicht und wandeln über 20 % des einfallenden Lichts in Strom um. Perowskite gelten als kostengünstig herstellbar und lassen sich gut mit Silizium verbinden.
Die Entwicklung geht rasant voran: Das Helmholtz-Zentrum Berlin stellte Ende 2022 noch mit 32,5 % einen Weltrekord auf. Inzwischen liegt Oxford PV bei 34,85 % (August 2025), die Universität Freiburg und das Fraunhofer ISE erreichten mit der saudi-arabischen KAUST 33,1 % (September 2025).
40 %: Was würde das bedeuten?
Ein Sprung von knapp 35 auf 40 % Wirkungsgrad klingt zunächst überschaubar, hätte aber massive Auswirkungen. Tatsächlich wären die 40 % ein regelrechter Quantensprung hin zur kommerziellen Nutzung. Denn bei 40 % Wirkungsgrad ließe sich auf der gleichen Fläche deutlich mehr Strom erzeugen. Oder umgekehrt: Die gleiche Strommenge bräuchte weniger Platz.
Das wäre speziell für dicht bebaute Wohn- und Gewerbegebiete oder industrielle Großanlagen interessant. Gleichzeitig würden die Kosten pro kWh weiter sinken, da weniger Material und Installationsfläche für die gleiche Menge Strom nötig wären.
Auch Prof. Yang betonte die strategische Bedeutung seiner Arbeit: „Wir hoffen, dass diese Forschung den Übergang von der Laborentwicklung zur kommerziellen Fertigung beschleunigt.“ Aus seiner Sicht wären energieintensive Industrien, Rechenzentren und KI-Anwendungen prädestiniert für die Nutzung der Hocheffizienz-Zellen.
Wieso werden die Zellen noch nicht in Masse produziert?
Wie die Forscher am 10. November mitteilten, sind noch nicht alle Herausforderungen überwunden. Sie nennen:
- Die Stabilität. Perowskit reagiert empfindlich auf Feuchtigkeit, Sauerstoff, UV-Strahlung und Temperaturschwankungen. Während reine Silizium-Module problemlos 25 Jahre und länger halten, degradieren die Perowskit-Schichten deutlich schneller. „Zertifizierte Daten zur Langzeitstabilität sind noch rar“, betonen die PolyU-Forscher in ihrer Pressemeldung. Sie empfehlen rigorose Stresstests nach den Standards der International Electrotechnical Commission (IEC). Allerdings gab es in diesem Punkt vor wenigen Wochen eine positive Meldung aus Australien: Forscher der Universität Sydney präsentierten eine dreilagige Perowskit-Silizium-Zelle, die erstmals die IEC-Anforderungen erfüllt.
- Die Skalierung. Was im Labor auf wenigen Quadratzentimetern funktioniert, muss auch auf Modulen mit mehreren Quadratmetern reproduzierbar sein – und das mit gleichbleibender Qualität. Hier gibt es laut den Forschern noch erheblichen Entwicklungsbedarf bei den Fertigungsverfahren.
- Das Blei-Problem. Die meisten Perowskite enthalten Blei, ein Schwermetall mit erheblichen Umwelt- und Gesundheitsrisiken. Die PolyU-Wissenschaftler plädieren daher für die Entwicklung nachhaltiger Blei-Alternativen sowie für ein effizientes Recycling des Metalls, um ihren Zellen dem Markt zugänglich zu machen.
Wie weit ist der Weg zu Marktreife?
Ob und wann Perowskit-Silizium-Tandemzellen in Serie gehen, hängt von der Lösung dieser drei Kernprobleme ab. Die Forscher der PolyU setzen auf eine intensive Kooperation zwischen Wissenschaft und Industrie: Interdisziplinäre Teams aus Materialwissenschaft, Ingenieurtechnik und Wirtschaftsmodellierung sollten die Technologie gemeinsam marktreif machen.
Mit Blick auf die vergangenen Jahre scheint das nicht unrealistisch: Die Perowskit-Zellen haben in weniger als einem Jahrzehnt mehr als 30 % Effizienz hinzugewonnen. Sollte das Tempo anhalten, sind die 40 % durchaus in Reichweite – und mit ihnen eine neue Generation hocheffizienter Solarmodule.
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