Im Labor erzielen neue Solarzellentechnologien beeindruckende Effizienzrekorde. Doch der Weg vom wissenschaftlichen Durchbruch zum marktfähigen Produkt ist oft steinig. Eine aktuelle Analyse zeigt, warum viele Innovationen scheitern und wie eine engere Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie den Erfolg neuer Technologien wie Perowskit- und CIGS-Solarzellen sichern könnte.
Das Wichtigste in Kürze
- Viele im Labor erfolgreiche Solar-Technologien scheitern am Markteintritt aufgrund von Skalierbarkeit, Kosten und Konkurrenz durch etablierte Silizium-Zellen.
- Forscher empfehlen, den Fokus von reinen Effizienzrekorden auf Langlebigkeit, Stabilität und kostengünstige Herstellung zu verlagern.
- Die Technologien CIGS und Perowskit bieten grosses Potenzial für flexible und leichte Solaranwendungen, wo Silizium an seine Grenzen stösst.
- Eine frühere und transparentere Kooperation zwischen Wissenschaft und Industrie wird als entscheidend für den Erfolg zukünftiger Innovationen angesehen.
Der steinige Weg vom Labor zum Markt
Wissenschaftliche Entdeckungen im Bereich der erneuerbaren Energien wecken grosse Hoffnungen. Insbesondere bei Solarzellen werden regelmässig neue Materialien vorgestellt, die im Labor erstaunliche Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom erzielen. Doch die Realität sieht oft ernüchternd aus: Nur ein Bruchteil dieser Technologien schafft den Sprung in die industrielle Produktion und den kommerziellen Einsatz.
Eine neue Untersuchung von Forschenden und Industrieexperten, die in der Fachzeitschrift «Nature Energy» veröffentlicht wurde, beleuchtet die Gründe für diese Diskrepanz. Anhand von zwei vielversprechenden Dünnschicht-Solarzellentechnologien – CIGS und Perowskit – analysiert das Team die Hürden, die zwischen einer Entdeckung und einem erfolgreichen Produkt stehen.
CIGS: Ein Lehrstück über Timing und Kosten
Die Entwicklung von CIGS-Solarzellen (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid) erlebte in den 1990er- und 2000er-Jahren ihren Höhepunkt. Angetrieben durch hohe Siliziumpreise, galt die Technologie als vielversprechende Alternative. An Forschungsinstituten wie der Empa wurden Effizienzrekorde aufgestellt, was zu erheblichen öffentlichen und privaten Investitionen führte und weltweit Firmengründungen auslöste.
Der erhoffte Durchbruch blieb jedoch aus. Der Herstellungsprozess von CIGS-Zellen erwies sich als komplex und in der Massenproduktion als zu teuer. Als die Preise für Silizium wieder fielen, verlor die neue Technologie an Wettbewerbsfähigkeit. Die etablierte und optimierte Silizium-Technologie behauptete ihre Dominanz auf dem Markt.
Was sind Dünnschicht-Solarzellen?
Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen aus dicken Silizium-Wafern bestehen Dünnschicht-Solarzellen aus extrem dünnen Halbleiterschichten. Diese können auf flexible Trägermaterialien aufgetragen werden, was sie leicht und biegsam macht. Dadurch eröffnen sie neue Anwendungsfelder, zum Beispiel in der Architektur, bei Fahrzeugen oder in tragbarer Elektronik.
Perowskit: Die neue Hoffnung mit eigenen Herausforderungen
Seit etwa 20 Jahren richtet sich die Aufmerksamkeit der Forschung verstärkt auf Perowskit-Solarzellen. Dieses Material erreicht ebenfalls hohe Wirkungsgrade und lässt sich potenziell mit kostengünstigen Verfahren wie dem Drucken herstellen. Bis 2025 wurden bereits über 500 Millionen US-Dollar in diese vielversprechende Technologie investiert.
Doch auch Perowskite stehen vor grossen Hürden. «Perowskite sind noch nicht sehr stabil», erklärt Mirjana Dimitrievska, Empa-Forscherin und Erstautorin der Studie. «Sie reagieren sehr empfindlich auf Umwelteinflüsse.» Im Gegensatz zu CIGS-Zellen wurden sie bisher kaum unter realen Bedingungen über längere Zeiträume getestet. Diese fehlende Langzeiterfahrung stellt ein erhebliches Risiko für Investoren und Hersteller dar.
Fokusverschiebung gefordert
Die Autoren der Studie fordern ein Umdenken in der Forschung. Anstatt immer neue Effizienzrekorde zu jagen, sollten sich Wissenschaftler stärker auf die Eigenschaften konzentrieren, die für die Industrie relevant sind: Stabilität, Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer.
Die Lücke zwischen Forschung und Industrie schliessen
Damit vielversprechende Technologien wie Perowskit nicht das gleiche Schicksal wie CIGS erleiden, formulieren die Studienautoren klare Empfehlungen. Eine zentrale Forderung ist die Überbrückung der Kluft zwischen akademischer Forschung und industriellen Anforderungen.
«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.»
Das Problem liegt oft in den Anreizsystemen. In der Wissenschaft werden vor allem Effizienzrekorde belohnt, da sie zu prestigeträchtigen Publikationen und neuen Forschungsgeldern führen. Die Industrie hingegen benötigt Produkte, die über 20 bis 30 Jahre verlässlich funktionieren und wirtschaftlich rentabel sind.
Frühere Zusammenarbeit als Schlüssel zum Erfolg
Um diese Diskrepanz zu überwinden, sei eine frühere und intensivere Zusammenarbeit unerlässlich. Die Forschenden sollten die Bedürfnisse der Industrie von Beginn an in ihre Projekte integrieren. Gleichzeitig wünschen sie sich mehr Offenheit von den Unternehmen.
Oftmals werden negative Ergebnisse aus industriellen Versuchen nicht veröffentlicht. «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›», so Dimitrievska. Würden solche Erkenntnisse geteilt, könnte die Forschung deutlich schneller vorankommen und unnötige Doppelarbeit vermeiden.
Keine Konkurrenz, sondern Ergänzung zu Silizium
Trotz der Herausforderungen sehen die Experten eine vielversprechende Zukunft für Dünnschicht-Technologien. Sie betrachten CIGS und Perowskit nicht als direkte Konkurrenten für Silizium, sondern als wertvolle Ergänzung. Ihre einzigartigen Eigenschaften – geringes Gewicht, Flexibilität und Dünne – ermöglichen völlig neue Einsatzgebiete.
- Internet der Dinge (IoT): Kleine, flexible Solarzellen könnten Sensoren und Geräte mit Energie versorgen.
- Mobilität: Integration in Fahrzeugkarosserien zur Reichweitenverlängerung.
- Smarte Textilien: Energieerzeugung direkt in Kleidung für tragbare Elektronik.
- Gebäudeintegration: Einsatz auf Fassaden oder Fenstern, wo schwere Siliziummodule ungeeignet sind.
Zudem gewinnen sogenannte Tandem-Solarzellen an Bedeutung. Dabei wird eine Siliziumzelle mit einer Dünnschicht aus Perowskit oder CIGS kombiniert. Diese Kombination kann unterschiedliche Teile des Lichtspektrums nutzen und so die Gesamteffizienz deutlich steigern.
Die Forscher sind sich einig, dass fortgesetzte Investitionen in diese neuen Technologien notwendig sind. «Silizium ist nicht der beste Halbleiter für Solarzellen», relativiert Dimitrievska. Der Erfolg von Silizium basiert auf über 70 Jahren kontinuierlicher Forschung und Optimierung. Mit einer engen Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie könne dies auch für Perowskite und CIGS erreicht werden.
