Die Entwicklung neuer Solartechnologien wie Perowskit- und CIGS-Zellen verspricht hohe Effizienz. Doch der Weg vom Labor zum Markt ist oft steinig. Eine neue Studie der Empa zeigt, dass eine engere Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie entscheidend ist, um diese Hürden zu überwinden und Innovationen erfolgreich zu kommerzialisieren.
Wichtige Erkenntnisse
- Neue Solarzellenmaterialien wie Perowskit und CIGS erreichen im Labor Rekordeffizienzen.
- Die Kommerzialisierung scheitert oft an Stabilität, Skalierbarkeit und Kosten.
- Forschung sollte sich auf Langlebigkeit und Produktionskosten konzentrieren, nicht nur auf Effizienzrekorde.
- Eine frühe und offene Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie ist essenziell für den Markterfolg.
- Dünnschicht-Solarzellen ergänzen Silizium und eröffnen neue Anwendungsfelder.
Herausforderungen auf dem Weg zur Marktreife
Nicht jede bahnbrechende Technologie, die im Labor vielversprechend erscheint, schafft den Sprung auf den Markt. Dies gilt auch für neuartige Solarzellen. Bestehende Produkte, Skalierungsprobleme und hohe Entwicklungs- und Produktionskosten stellen oft unüberwindbare Hindernisse dar. Empa-Forscherin Mirjana Dimitrievska, Erstautorin einer Studie in der Fachzeitschrift «Nature Energy», betont die Notwendigkeit, diese Mechanismen besser zu verstehen.
Das Forschungsteam untersuchte zwei innovative Dünnschicht-Solarzellenmaterialien: Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) und Perowskite. Beide Halbleiter zeigen theoretisch grosses Potenzial und erreichen bereits beeindruckende Energieumwandlungseffizienzen im Labor. Sie wandeln einen hohen Anteil des Sonnenlichts in Strom um, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für eine nachhaltige Energieproduktion macht.
Faktencheck: Effizienz im Labor
CIGS- und Perowskit-Solarzellen haben im Labor bereits Rekordwerte bei der Energieumwandlungseffizienz erzielt. Diese hohen Werte sind ein Indikator für ihr Potenzial, einen signifikanten Beitrag zur nachhaltigen Energieerzeugung zu leisten.
Lehren aus der CIGS-Entwicklung
Die Entwicklung von CIGS-Solarzellen erlebte ihren Höhepunkt in den 1990er und 2000er Jahren. Damals trieben hohe Siliziumpreise die Forschung nach Alternativen voran. Weltweit wurden Unternehmen gegründet und erhebliche öffentliche sowie private Investitionen getätigt. Auch die Empa verzeichnete Effizienzrekorde mit CIGS-Zellen.
Doch der Aufschwung flaute ab. Der Herstellungsprozess erwies sich als komplex und teuer in der Skalierung. Dies wurde besonders nach der Erholung der Siliziumpreise zum Problem. Die etablierte Silizium-Technologie setzte sich gegenüber dem CIGS-Neuankömmling durch. Viele Firmen mussten die Produktion einstellen oder sich neu orientieren.
«Wir sollten aus unseren Fehlern lernen, insbesondere aus der Erfahrung mit der Kommerzialisierung von CIGS-Zellen», sagt Mirjana Dimitrievska von der Empa.
Perowskit-Solarzellen: Hohes Potenzial mit Hürden
Perowskit-Solarzellen sind eine jüngere Entwicklung, die seit etwa 20 Jahren erforscht wird. Auch sie erreichen hohe Effizienzwerte und bieten den Vorteil, dass sie sich mit potenziell kostengünstigen Druckverfahren herstellen lassen. Bis 2025 wurden weltweit bereits über 500 Millionen US-Dollar in diese vielversprechende Technologie investiert. Das Empa-Spin-off Perovskia Solar arbeitet aktiv an der Kommerzialisierung massgeschneiderter Perowskit-Solarzellen, beispielsweise für das «Internet der Dinge».
Trotz des grossen Potenzials sind Perowskit-Solarzellen noch nicht weit verbreitet. Eine Hauptschwäche ist ihre geringe Stabilität. «Perowskite sind noch nicht sehr stabil», erklärt Dimitrievska. «Sie reagieren sehr empfindlich auf Umwelteinflüsse.» Zudem fehlen im Gegensatz zu CIGS-Zellen noch Langzeittests unter realen Umweltbedingungen.
Was ist Perowskit?
Perowskit ist eine Materialklasse, die nach dem russischen Mineralogen L.A. Perowski benannt wurde. Diese Materialien besitzen eine spezifische Kristallstruktur, die sie besonders effizient bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität macht. Sie sind bekannt für ihre Flexibilität und ihr hohes Potenzial in der Solartechnologie.
Empfehlungen für eine erfolgreiche Kommerzialisierung
Um die Schwächen neuer Technologien nicht zum Verhängnis werden zu lassen, formulieren Dimitrievska und ihr Team klare Empfehlungen. Sie raten dazu, den Fokus von reinen Effizienzrekorden auf andere, für die Industrie wichtigere Eigenschaften zu verlagern. Dazu gehören Widerstandsfähigkeit, Stabilität und Nachhaltigkeit des Materials. Langfristige Feldstudien sind ebenfalls von grosser Bedeutung.
«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 oft Effizienzrekorde belohnt, da sie zu hochkarätigen Publikationen und Forschungsgeldern führen. Diese Diskrepanz muss überbrückt werden.
Frühe Zusammenarbeit ist der Schlüssel
Die Studienautoren betonen, dass Forschung und Industrie bereits in einer frühen Phase zusammenarbeiten müssen. Von der Industrie wünschen sich die Forschenden mehr Offenheit. Negative Forschungsergebnisse, die oft nicht veröffentlicht werden, könnten der Wissenschaft helfen, schneller voranzukommen. «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», sagt Dimitrievska.
Wissenschaftler sollten ihrerseits die Bedürfnisse der Industrie frühzeitig berücksichtigen. Forschungsinstitute wie die Empa sind hier besonders gut positioniert, da sie oft näher an der Industrie agieren als Hochschulen. Finanzierungsinstrumente wie Innosuisse spielen ebenfalls eine wichtige Rolle, indem sie konkrete Produktentwicklungen unterstützen.
Die Zukunft der Dünnschicht-Solarzellen
Obwohl Perowskit-Solarzellen noch vor Herausforderungen stehen, blickt Dimitrievska optimistisch in die Zukunft. Es wird intensiv daran geforscht, die Stabilitätsprobleme zu lösen. Auch CIGS-Solarzellen erleben derzeit einen neuen Aufschwung. Die beiden Dünnschicht-Technologien sollen nicht als Konkurrenten zu Silizium-Solarzellen verstanden werden, sondern als wertvolle Ergänzung.
Perowskite und CIGS ermöglichen die Herstellung von leichten, biegsamen und extrem dünnen Solarzellen. Sie eignen sich ideal für Anwendungen, bei denen Silizium zu schwer oder unflexibel ist, etwa im Bereich des Internets der Dinge, in der Mobilität oder bei smarten Textilien. Zudem werden sogenannte Tandem-Technologien immer wichtiger, bei denen Silizium mit einer Dünnschicht aus CIGS oder Perowskit kombiniert wird, um die Effizienz weiter zu steigern.
Investitionen in diese neuen Technologien bleiben 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.»
Neue Anwendungsfelder
- Internet der Dinge: Stromversorgung für kleine Sensoren und Geräte.
- Mobilität: Integration in Fahrzeuge, Drohnen oder flexible Oberflächen.
- Smarte Textilien: Energieerzeugung für tragbare Elektronik.
