Neue Forschungsergebnisse zeigen: Die Entwicklung von Solarzellen muss über Effizienzrekorde hinausgehen. Damit Innovationen wie Perowskit- und CIGS-Zellen den Markt erobern, braucht es eine engere Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie.
Wichtige Erkenntnisse
- Laborrekorde bei der Effizienz garantieren keinen Markterfolg.
- Stabilität, Langlebigkeit und kostengünstige Herstellung sind für die Industrie entscheidender.
- Frühere Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie ist essenziell.
- Negative Forschungsergebnisse sollten ebenfalls veröffentlicht werden, um den Fortschritt zu beschleunigen.
- Dünnschicht-Technologien wie Perowskit und CIGS ergänzen Silizium-Zellen, statt sie zu ersetzen.
Der Weg von der Laborinnovation zum Marktprodukt
Die Forschung treibt die Entwicklung neuer Technologien stetig voran. Doch nicht jede vielversprechende Entdeckung im Labor schafft es auch erfolgreich auf den Markt. Ein Team von Forschenden der Empa und Industrieexperten hat diese Herausforderung im Bereich der Solarzellen untersucht.
Mirjana Dimitrievska, Erstautorin der Studie und Empa-Forscherin, erklärt:
«Wir wollten verstehen, welche Voraussetzungen auf akademischer und auf Industrie-Seite erfüllt sein müssen, um eine Solarzelle zu entwickeln, die sich langfristig auf dem Markt behaupten kann.»Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift «Nature Energy» veröffentlicht.
Faktencheck: Markthürden für neue Technologien
- Konkurrenz: Bestehende Produkte sind oft schwer zu verdrängen.
- Skalierbarkeit: Die Massenproduktion ist technisch und wirtschaftlich komplex.
- Kosten: Hohe Entwicklungs- und Produktionskosten schrecken Investoren ab.
Zwei vielversprechende Dünnschicht-Technologien
Im Fokus der Untersuchung standen zwei neuartige Materialien für Dünnschicht-Solarzellen: Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) und Perowskite. Beide Halbleiter zeigen im Labor beeindruckende Effizienzwerte bei der Energieumwandlung.
CIGS-Solarzellen: Ein gescheiterter Aufschwung in den 90ern
Die Entwicklung von CIGS-Solarzellen erlebte in den 1990er- und 2000er-Jahren einen Höhepunkt. Hohe Silizium-Preise trieben die Suche nach Alternativen an. CIGS-Zellen stellten Effizienzrekorde auf, auch an der Empa. Weltweit entstanden Firmen, und es flossen erhebliche öffentliche und private Gelder.
Doch der Erfolg war kurzlebig. Der Herstellungsprozess erwies sich als zu aufwendig und teuer für die Skalierung, besonders nachdem die Silizium-Preise wieder fielen. Die etablierte Silizium-Technologie setzte sich durch.
Was ist CIGS?
CIGS steht für Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid. Es ist ein Halbleitermaterial, das in Dünnschicht-Solarzellen verwendet wird. Diese Zellen sind typischerweise leichter und flexibler als herkömmliche Silizium-Solarzellen.
Perowskit-Solarzellen: Hohes Potenzial, neue Herausforderungen
Perowskit-Solarzellen sind eine jüngere Entwicklung, die erst seit etwa 20 Jahren erforscht wird. Auch sie erreichen hohe Effizienzwerte und bieten den Vorteil, dass sie potenziell kostengünstig durch Druckverfahren hergestellt werden können. Im Jahr 2025 wurden weltweit über 500 Millionen US-Dollar in diese Technologie investiert.
Das Empa-Spin-off Perovskia Solar arbeitet aktiv an der Kommerzialisierung von massgeschneiderten Perowskit-Solarzellen, beispielsweise für Anwendungen im Internet der Dinge.
Trotz des grossen Potenzials stehen Perowskite noch vor Hürden. «Perowskite sind noch nicht sehr stabil», betont Dimitrievska. «Sie reagieren sehr empfindlich auf Umwelteinflüsse.» Langzeitstudien unter realen Bedingungen fehlen noch weitgehend, im Gegensatz zu CIGS-Zellen.
Jenseits der Effizienz: Was der Markt wirklich braucht
Die Forschenden formulieren klare Empfehlungen, um die Schwächen der neuen Technologien zu überwinden. «Wir sollten aus unseren Fehlern lernen, insbesondere aus der Erfahrung mit der Kommerzialisierung von CIGS-Zellen», so Dimitrievska.
Der Fokus sollte sich von reinen Effizienzrekorden auf andere, für die Industrie entscheidende Eigenschaften verlagern:
- Widerstandsfähigkeit
- Stabilität
- Langlebigkeit
- Nachhaltigkeit des Materials
- Kostengünstige Herstellung
«Es ist der Industrie viel wichtiger, dass das Produkt eine lange Lebensdauer hat, zuverlässig ist und sich kostengünstig herstellen lässt, als ein paar Prozentpunkte mehr Effizienz», erläutert Dimitrievska.
In der akademischen Forschung werden jedoch primär Effizienzrekorde belohnt. Sie führen zu hochkarätigen Publikationen und ziehen Forschungsgelder an. Diese Diskrepanz zwischen Forschungsanreizen und Marktbedürfnissen muss überwunden werden.
Frühe Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie
Die Studienautoren betonen die Notwendigkeit einer früheren und engeren Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie. Von der Industrie wünschen sich die Forschenden mehr Offenheit.
Dimitrievska gibt ein Beispiel: «Manchmal kommen wir mit einer Idee auf einen Industriepartner zu, und sie sagen uns, ‹Das haben wir schon vor zehn Jahren probiert, das funktioniert nicht›. Würden solche negativen Ergebnisse veröffentlicht, käme die Forschung viel schneller voran.»
Wissenschaftler sollten ihrerseits die Bedürfnisse der Industrie frühzeitig in ihre Arbeit einbeziehen. Forschungsinstitute wie die Empa sind hier besonders stark, da sie oft näher an der Industrie sind als Universitäten. Finanzierungsinstrumente wie Innosuisse sind ebenfalls wertvoll, da sie konkrete Produktentwicklungen unterstützen.
Die Zukunft der Solarzellen: Ergänzung statt Konkurrenz
Trotz der Herausforderungen bleibt Mirjana Dimitrievska optimistisch. «Es wird rege daran geforscht, die Herausforderungen der Perowskite zu überwinden», sagt sie. Auch CIGS-Solarzellen erleben derzeit einen neuen Aufschwung.
Die Rolle der Dünnschicht-Technologien – Perowskit und CIGS – sehen die Forschenden nicht als Konkurrenz zu Silizium-Solarzellen, sondern als wertvolle Ergänzung. Sie ermöglichen die Herstellung von leichten, biegsamen und extrem dünnen Solarzellen.
Diese Eigenschaften sind ideal für Anwendungen, bei denen Silizium zu schwer oder unflexibel wäre, wie zum Beispiel:
- Internet der Dinge (IoT)
- Mobilität (z.B. in Fahrzeugen)
- Smarte Textilien
Zudem werden zunehmend Tandem-Technologien entwickelt, die Silizium mit einer Dünnschicht aus CIGS oder Perowskit kombinieren. Dies kann die Effizienz von Solarzellen weiter steigern.
Investitionen in diese neuen Technologien sind weiterhin wichtig. «Silizium ist nicht der beste Halbleiter für Solarzellen», relativiert Dimitrievska. «Diese Technologie wird aber schon seit über 70 Jahren entwickelt und ist dank kontinuierlicher Forschung und Investitionen bereits sehr stark optimiert. Wenn Forschung und Industrie eng zusammenarbeiten, lässt sich das auch für Perowskite und CIGS erreichen.»
