Vom Hausdach in den Orbit: Freiburger Forscher machen Siliziumzellen weltraumfest

Der älteste menschengemachte Flugkörper im Erdorbit fliegt mit Silizium. Vanguard 1, gestartet im März 1958, hatte als erster Satellit Solarzellen an Bord: Die kleinen Siliziumflächen versorgten einen 10-mW-Sender jahrelang. Sie bestanden aus demselben Material, das heute in Form klassischer PV-Anlagen auf Millionen Hausdächern Strom erzeugt. Danach entwickelte sich die Satellitentechnik weiter. Heute sind III-V-Halbleiter Standard, denn sie bringen mehr Leistung pro Quadratzentimeter als andere Werkstoffe.

Silizium ist inzwischen die Ausnahme im All. Doch jetzt kommt das Massenmaterial womöglich zurück. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg hat mit dem US-Start-up Source Energy Silizium-Solarmodule entwickelt, die die Tests für den Weltraumeinsatz bestanden haben und ab sofort bestellbar sind. Laut CTO Bryan Mazor sinken die Produktionskosten mit der Fraunhofer-Technik von 29 auf 5 US-Dollar pro Watt.

Grund für die Kooperation ist der wachsende Bedarf an günstigen Satelliten: Die neuen Megakonstellationen im erdnahen Orbit (Low Earth Orbit, LEO) brauchen Solarmodule in hoher Stückzahl, schnell produziert und kostengünstig. Eine Verschaltungstechnik aus Freiburg könnte nun das entscheidende Element sein, um diesen Bedarf zu decken.

Härtetest bestanden: 76 % Leistung nach sieben Jahren

Bevor ein Solarmodul ins All darf, muss es die Weltraumqualifikation bestehen. Source Energy unterzog die neuen Module dafür laut dem ISE einer Testreihe am Boden: Temperaturwechselzyklen, wie sie der ständige Wechsel zwischen Sonne und Erdschatten im Orbit verursacht, dazu Beschuss mit Protonen- und Elektronenstrahlung, die im Orbit auf die Zellen trifft.

Das Ergebnis: Nach sieben Jahren Betrieb im Weltraum sind noch 76 % der ursprünglichen Leistung zu erwarten. Die Qualifikationsschwelle erlaubt maximal 25 % Verlust, die Module bleiben mit 24 % also knapp darunter. Wichtig für die Einordnung: Das sind Prognosen aus der Testkammer, geflogen ist das Moduldesign noch nicht. Der erste Einsatz im Orbit ist ab Anfang 2027 geplant.

Warum Solarzellen für Satelliten heute so teuer sind

Dass Satelliten heute noch überwiegend mit III-V-Solarzellen fliegen, hat mit deren Effizienz zu tun. Die Zellen aus Verbindungshalbleitern, meist auf Galliumarsenid-Basis, wandeln Sonnenlicht deutlich besser in Strom um als Silizium. Außerdem kommen sie besser mit der Teilchenstrahlung im All klar.

Beides war lange entscheidend. Ein Kilogramm Nutzlast in den erdnahen Orbit zu bringen, kostete zu früheren Space-Shuttle-Zeiten rund 54.500 Dollar, so eine Analyse des NASA Ames Research Center. Da lohnte sich fast jeder Aufpreis für eine Zelle, die mehr Leistung aus der Fläche holt und länger durchhält.

LEO-Megakonstellationen ändern die Lage

Für einen wachsenden Teil des Markts gelten diese Bedingungen nicht mehr. Starts sind drastisch billiger geworden: Mit der wiederverwendbaren Falcon 9 sank der Preis nach aktuellen Listenpreisen auf rund 3000 Dollar pro Kilogramm, ein Achtzehntel des Shuttle-Werts.

Zudem bestehen die neuen Großkonstellationen aus hunderten oder tausenden Satelliten, die niedrig fliegen, durch die Restatmosphäre abgebremst und nach wenigen Jahren ersetzt werden. Für solche Flotten zählt vor allem, was das einzelne Watt kostet und wie schnell der Nachschub kommt.

Damit werden die Schwächen der hocheffizienten III-V-Technologie langsam zum Showstopper:

• Preis: Die Zellen entstehen in aufwendigen Beschichtungsverfahren, weltweit gibt es nur wenige Hersteller. Das Fraunhofer ISE nennt Kosten und begrenzte Verfügbarkeit ausdrücklich als Einschränkung für kommerzielle Missionen.
• Rohstoff: Der japanische Idemitsu-Konzern und Source Energy warnten im November 2025 vor einer globalen Galliumarsenid-Knappheit, die durch geopolitische Spannungen noch verschärft wird.
• Stückzahlen: Source Energy führt die eigene Gründung auf dieses Problem zurück. Die Gründer hätten bei SpaceX und Redwire immer wieder erlebt, dass etablierte Anbieter die Mengen für Konstellationen nicht liefern konnten.

Auf der Erde ist die Materialfrage bereits entschieden: Silizium hält laut Fraunhofer ISE 95 % des weltweiten Photovoltaikmarkts. Warum also nicht im All? Bislang scheiterte das an einer technischen Hürde.

Solarzellen wie Dachziegel: So funktioniert die Schindel-Matrix

Auf Hausdächern werden Siliziumzellen mit Lötverbindungen und Kupferbändchen in langen Reihen verschaltet. Im Orbit ist das kaum möglich. Dort wechseln sich nämlich pralle Sonne und Erdschatten im 90-Minuten-Takt ab, das Material dehnt sich daher ständig aus und zieht sich zusammen.

Die Folge: Starre Lötstellen ermüden und reißen. Und fällt in einer Reihenschaltung eine einzelne Zelle aus, etwa durch einen Mikrometeoroiden, bricht die Leistung des ganzen Strangs ein. Auf der Erde ist das verschmerzbar, dort kommt der Monteur. Im All kommt so schnell niemand.

Die Lösung für dieses Problem kommt aus Freiburg und heißt Schindel-Matrix. In dieser Bauweise werden die Silizium-Solarzellen in schmale Streifen geschnitten, die Schindeln. Ein Roboter ordnet sie leicht überlappend und versetzt zueinander an, wie Ziegel auf einem Dach oder Steine in einem Mauerwerk. Statt Lötverbindungen und Drähten hält dann ein elektrisch leitfähiger Klebstoff die Zellen zusammen.

Drei Eigenschaften für den Weltraum

„Drei Eigenschaften machen die Schindel-Matrix Verschaltung perfekt für den Weltraum“, erklärt Najwa Abdel Latif, Projektleiterin am Fraunhofer ISE. „Die Resilienz gegenüber punktuellen Schäden durch Einschläge kleiner Objekte im Weltraum, die Flexibilität im Layout und die Toleranz gegenüber extremen Temperaturunterschieden.“

Im Detail:

• Einschläge: Trifft ein Mikrometeoroid oder Weltraumschrott das Modul, fällt nur die beschädigte Stelle aus. Die Matrixanordnung lässt den Strom um den Schaden herumfließen, der Rest des Moduls arbeitet weiter.
• Temperatur: Der elastische Leitkleber verkraftet die wiederkehrenden Temperaturzyklen besser als starre Lötstellen.
• Layout: Reihen und Spalten der Zellstreifen lassen sich je nach Spannungs- und Strombedarf des Satelliten frei anordnen. Modul- und Flügelgrößen sind damit flexibel.

Die Technologie ist nicht an einen Zelltyp gebunden. Sie funktioniert laut Abdel Latif mit gängigen Industriezellen wie PERC oder Heterojunction, ohne dass die Produktionslinie angepasst werden muss.

Vom Freiburger Labor in die Fertigung nach Colorado

Gebaut werden die Module auf einer Anlage des Freiburger Maschinenbauers M10 Solar Equipment, einem industriellen Stringer, der die Schindeln laut Hersteller automatisch schneidet, verklebt und verschaltet. Nach der Prototypenphase im Module-TEC des Fraunhofer ISE installierte Source Energy die Maschine im Juni 2026 in der eigenen Fertigung in Colorado.

„Als Herzstück der Produktion ermöglicht sie uns PV-Module für unter 5 Dollar pro Watt herzustellen“, sagt Bryan Mazor, Technikchef von Source Energy. „Der automatisierte Fertigungsprozess macht uns nicht nur kostengünstiger, sondern auch deutlich schneller als dies derzeit bei III-V-PV-Produkten für den Weltraum der Fall ist.“ Unter sechs Monate Lieferzeit verspricht das Unternehmen für Module und kleinere Solarflügel.

Wer ist Source Energy – und wie realistisch ist das Konzept?

Source Energy wurde 2021 in Colorado gegründet, von Philip Keller, der zuvor beim Raumfahrtzulieferer Roccor (später Redwire) das Solar-Array-Geschäft aufgebaut hatte, und Bryan Mazor, der bei SpaceX an den Solarflügeln von Crew Dragon und den ersten Starlink-Satelliten arbeitete. Nach eigenen Angaben hat das Unternehmen seit 2023 Hardware im Orbit und zählt über 25 Kunden. Entwickelt wird in Longmont, gefertigt im benachbarten Niwot.

Die Kooperation mit dem Fraunhofer ISE könnte den Amerikanern nun einen noch größeren Markt erschließen. Ein Selbstläufer wird das Comeback des Siliziums ins All aber nicht. Denn:

• 18,8 % statt rund 30 % heißt: Für dieselbe Leistung braucht ein Satellit mit Silizium-Zellen größere Flügel als mit III-V-Modulen. Das kostet Startmasse und Platz. Wirtschaftlich ist das nur, solange Starts billig bleiben.
• Die Qualifikationstests decken sieben Jahre Betrieb ab. Das passt zur Lebenszeit von LEO-Flotten. Für höhere, strahlungsintensivere Umlaufbahnen setzt Source Energy auf eine andere Karte: Seit November 2025 entwickelt das Unternehmen mit dem japanischen Idemitsu-Konzern CIGS-Dünnschichtzellen.
• Preis und Lieferzeit sind Herstellerangaben, die 76 % Restleistung stammen aus Bodentests. Den ersten Einsatz im All planen die Partner ab Anfang 2027. Erst dann zeigt sich, ob die Module halten, was die Testkammer verspricht.

Und wenn ja? Die Schindel-Matrix sieht das Fraunhofer ISE als Plattform: Weil der Leitkleber bei niedrigen Temperaturen verarbeitet wird, sollen künftig auch Perowskit-Silizium-Tandemzellen verschaltbar sein – günstig, aber mit Wirkungsgraden, die den III-V-Zellen näherkommen. Dann würde die Raumfahrt nicht nur auf ein altes Material zurückgreifen, sondern auf das Neueste vom irdischen Solarmarkt.

• Fraunhofer ISE: Presseinformation „Silizium-Photovoltaik macht die Stromerzeugung im Weltraum kostengünstiger“, 4.8.2026
• Fraunhofer ISE: Projektseite „Entwicklung von Schindel-Matrix-PV-Modulen für LEO- und GEO-Satelliten“
• Source Energy Company: Unternehmensangaben (source.space)
• Source Energy / Idemitsu Kosan: Pressemitteilung zur CIGS-Kooperation, 23.10.2025
• Harry Jones (NASA Ames Research Center): „The Recent Large Reduction in Space Launch Cost“, 2018