Sonnenlicht in Strom zu wandeln ist eine tragende Säule der Energiewende. Forscherinnen und Forscher trimmen dafür verschiedene Arten von Solarzellen auf immer höhere Wirkungsgrade. Einige dieser neuen Technologien sind zwar noch nicht wirtschaftlich oder langzeitstabil genug, haben aber andere Vorteile. Manche wiederum haben inzwischen den Sprung vom Labor auf den Markt geschafft. Zum Teil werden die neuartigen Zellen jetzt in Deutschland produziert. Oft geht es bei den Neuentwicklungen allerdings nicht nur darum, die Energiegewinnung zu optimieren: Bunte Solarziegel oder Solarfolien auf Autodächern sollen beispielsweise auch ästhetischen Ansprüchen genügen. Und welchen Effekt Schatten spendende schwimmende Fotovoltaikanlagen auf überheizte Seen haben, bleibt noch zu klären.

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Die Zukunft der Solarzellen: Perowskite

Die Zukunft der Solarzellen liegt vermutlich bei Perowskiten. Diese kristallinen Dünnschichtzellen enthalten heute typischerweise einen organischen Anteil mit Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff sowie einen anorganischen Teil mit Blei, Jod und Chlor. Es gibt aber auch solche ohne organische Schichten, zudem arbeiten Fachleute intensiv an Zellen ohne Blei. Perowskit-Solarzellen haben entscheidende Vorteile gegenüber Siliziumzellen: Sie sind preiswert, die Rohstoffe sind verfügbar, sie sind vergleichsweise unempfindlich gegenüber Verunreinigungen und sie sind effizient. In Laborversuchen erreichten sie bereits Wirkungsgrade von 26 Prozent. Zum Vergleich: Bei Solarzellen liegt der Rekord bei 27 Prozent, gängige Module schaffen um die 19 Prozent. Perowskit-Zellen lassen sich, ähnlich wie eine Zeitung, mit einer Art Tinte in konventionellen Druckverfahren herstellen und großtechnisch im so genannten Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf flexible Folien drucken. Eine 20 Meter lange Folie haben Forschende der Swansea University in Wales bereits 2022 hergestellt.

Allerdings haben die Zellen auch Nachteile: Oft enthalten sie Bleiverbindungen und sie sind nicht so lange stabil wie die etablierten Siliziumzellen. Aber auch in diesen Punkten schreiten Forschung und Entwicklung voran. So gibt der chinesische Hersteller Utmo Light an, eine Lösung dafür gefunden zu haben, die Wirkungsgrade von Perowskitzellen über die Jahre aufrechtzuerhalten, und garantiert die Funktion seiner Zellen über 25 Jahre. Im Juni 2024 präsentierte die Firma die Zellen auf der chinesischen Solarmesse SNEC in Shanghai. Ihr Wirkungsgrad soll bei 15 bis 18 Prozent liegen. Ab 2027 will das Unternehmen die Zellen in Serie produzieren und die Module zunächst für 100 Euro je Kilowatt verkaufen. In Zukunft könnten die Module allerdings günstiger und effizienter werden. Großes Potenzial entfalten Perowskite in Tandemzellen, wo sie gemeinsam mit Siliziumzellen einen großen Teil des Lichtspektrums in Energie wandeln können.

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Tandem-Solarzellen – das Beste aus zwei Welten

Lange hieß es: 33 Prozent, mehr geht nicht. Das ist der theoretische Maximalwert für den Wirkungsgrad von Solarzellen aus Silizium. Mit einem Trick wurde die Effizienzgrenze inzwischen aber geknackt, und zwar über die Kombination von zwei – oder mehr – Zellen aus unterschiedlichen Materialien. Siliziumsolarzellen wandeln den langwelligen roten Teil des Lichtspektrums besonders effizient in elektrische Energie um, während Zellen aus Perowskit das kurzwellige blaue und grüne Licht besser verwerten. Eine als Tandem übereinandergestapelte Zelle wandelt einen größeren Teil des Lichtspektrums in Energie um.

Bald sollen Tandemzellen in Deutschland in Serie produziert werden

Dabei kommt ein weiterer Vorteil der Perowskite zum Tragen: Sie sind transparent für rotes Licht. Als sehr dünne obere Schicht absorbieren sie das blaue und grüne Licht und lassen den langwelligen Teil des Spektrums für die darunterliegende Siliziumzelle durch. Ein chinesisches Unternehmen hat im Juni 2024 einen Spitzenwirkungsgrad von 34 Prozent für eine Perowskit-Silizium-Solarzelle verkündet. Auch für Tandemzellen gibt es einen theoretischen maximalen Wirkungsgrad, der aber mit über 43 Prozent deutlich höher liegt.

Bald sollen diese Zellen in Deutschland in Serie produziert werden. Eine erste Anlage dazu baut das britische Unternehmen Oxford PV. Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat es für seine Tandemzellen auf Modulebene einen Wirkungsgrad von 25 Prozent erreicht. Module ausschließlich mit Siliziumzellen sind mit ungefähr 19 Prozent deutlich weniger effizient. Neben Silizium und Perowskiten lassen sich grundsätzlich auch andere Materialien in Tandemzellen kombinieren. Beispielsweise arbeiten Forscherinnen und Forscher an kombinierten Zellen aus Galliumarsenid und Galliumantimonid.

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Bunte Dachziegel liefern Strom

Solarzellen können auch schick sein. Wie vielfältig bunt ein beinahe regenbogenfarbenes Dach aussehen kann, haben die Solarspezialistinnen und -spezialisten vom niederländischen Marjan van Aubel Studio 2022 auf der Dutch Design Week vorgeführt. Ihr Pavillon mit einem Dach aus bunten Solarziegeln von hellblau bis dunkelorange war eine der Attraktionen der Ausstellung. Allerdings wandeln die eingefärbten Ziegel Sonnenlicht weniger effizient in Strom um als übliche Solarmodule. Zudem sind sie aufwändiger und teurer herzustellen. Und wer seinem eigenen Solardach Farbe verpassen will, muss Geduld haben: Laut dem Unternehmen stehen die bunten Solarziegel nicht zum Verkauf, und auch eine Markteinführung ist bislang nicht geplant.

Einen anderen Ansatz verfolgt ein Team des Fraunhofer ISE. Anstatt die Ziegel komplett einzufärben, behandeln sie nur deren Oberfläche. Inspirieren ließen sich die Forschenden dabei von den blau schillernden Schmetterlingsflügeln des Morphofalters. Nach diesem natürlichen Vorbild erzeugen sie mikrometerfeine dreidimensionale photonische Strukturen auf der Oberfläche, wodurch die Ziegel eine blaue, grüne oder lila Farbe annehmen. In dieser Form erreichen die Solarzellen noch immer 95 Prozent ihres ursprünglichen Wirkungsgrades. Die bunten Dachziegel gibt es bereits auf dem Markt, das Schweizer Unternehmen Megasol Energy fertigt sie in Lizenz. Technisch einfacher stellt die italienische Firma FuturaSun ausgewählte Farben her, indem sie rot oder grün gefärbte Frontgläser in die Module einsetzt.

Wer eine vollständig bunte Fassade mit flächenbündig integrierten Fotovoltaikmodulen sehen will, kann dies in den Niederlanden tun, wo ein Supermarkt genau dies umgesetzt hat. Auf fünf Quadratmetern liefern die schwarzen Glattziegel des deutschen Herstellers Nelskamp eine Spitzenleistung von etwa einem Kilowatt. Moderne Siliziummodule sind heutzutage allerdings rund doppelt so effizient. Bis bunte Solarziegel auf den Dächern modern werden, wird es daher wohl noch etwas dauern.

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Flexible Solarzellen von der Rolle

Der Untergrund kann krumm und schief sein, wie ein Getreidesilo oder der Turm eines Windrads: Flexible Solarzellenfolien lassen sich überall dort anbringen, wo starre Siliziummodule nicht zu befestigen sind. Bislang lagen die Wirkungsgrade der Folien zwar noch bei eher mickrigen sechs Prozent und damit weit entfernt von den hocheffizienten kristallinen Varianten. Doch im Dezember 2023 erzielte ein organisches Solarmodul, hergestellt von Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich, schon 14 Prozent. Mit einer organische Folie, die noch nicht in einem Modul eingebettet war, erreichten chinesische Forschende im gleichen Jahr sogar mehr als 19 Prozent. Es werden allerdings auch roll- und faltbare Zellen auf Siliziumbasis entwickelt. 2023 kamen Forschende im Labor damit auf einen Wirkungsgrad von 24 Prozent.

Die biegsamen Solarzellen sind nur wenige Millimeter dünn und sehr leicht. Zwischen hundert Gramm und zwei Kilogramm wiegen sie je Quadratmeter, deutlich weniger als die rund 20 Kilogramm schweren Standardmodule. Oft brauchen sie zudem keine zusätzliche schwere Unterkonstruktion. Damit lassen sie sich sogar auf Markisen kleben oder auf Dächern von Gewächshäusern installieren. Zudem sind die flexiblen Solarzellen potenziell deutlich einfacher herzustellen. So lassen sich Folien auf anorganischer Basis sogar bei Raumtemperatur mit aktiven Perowskitzellen bedrucken. Allerdings haben die Perowskitzellen ein Manko: Bislang sind sie noch nicht so lange stabil wie Zellen aus Silizium.

Im Fokus stehen große ungenutzte Dächer von Industriebetrieben, deren Statik keine schweren Lasten zulässt

An Stelle von anorganischen Materialien kommen auch organische Folien für die Herstellung flexibler Solarzellen in Frage. Sie können ebenfalls gedruckt oder im Vakuum aufgedampft werden. Entsprechende Produkte werden bereits in Serie produziert. Aufgewickelt auf Rollen stellt sie beispielsweise die Firma Heliatek seit 2021 in Dresden her. Zwar ist die Leistung pro Fläche noch rund viermal geringer als bei starren Siliziumzellen, aber dafür gibt es viele Flächen, die für die schwere Module nicht geeignet sind. Im Fokus hat Heliatek daher bislang beispielsweise große ungenutzte Dächer von Industriebetrieben, die keine schweren Lasten tragen können. Nach 20 Jahren sollen ihre Solarfolien noch 80 Prozent ihrer Leistung aufweisen.

Heliatek schätzt, dass in Europa so rund 400 Millionen Quadratmeter auf Gebäuden mit geringer Tragkraft nutzbar werden, um Energie zu gewinnen. In transparenter Ausführung könnten die Folien zudem auf Fensterflächen in den USA bis zu 40 Prozent des dortigen Energiebedarfs liefern, wie eine 2019 in »Nature Energy« veröffentlichte Studie darlegt. Allerdings haben die organischen Zellen neben der verbesserungswürdigen Effizienz einen weiteren Nachteil: Sie sind empfindlich gegen Sauerstoff. Ein kleiner Kratzer genügt, und der Wirkungsgrad sinkt. Dahingegen sind sie weniger hitzeempfindlich als kristalline Solarzellen. Temperaturen von bis zu 85 Grad Celsius machen ihnen vergleichsweise wenig aus.

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Schwimmende Solarfabriken auf Seen

Stillgelegte und geflutete Braunkohletagebaue, Bagger- oder Stauseen eignen sich gut für schwimmende Solaranlagen. Diese so genannten Floatovoltaikanlagen haben mehrere Vorteile: Weil das Wasser sie kühlt, verlieren sie in der Sommerhitze weniger an Effizienz. Außerdem konkurrieren sie nicht wie große Solaranlagen an Land mit Acker- oder Weideflächen. Das technische Potenzial für die Floatovoltaik schätzt das Fraunhofer ISE in einer Studie von 2024 allein für künstliche Seen in Deutschland auf maximal 45 Gigawatt. Zum Vergleich: Im April 2024 waren auf deutschen Dächern und Grundstücken Solaranlagen mit einer Nennleistung von zirka 82 Gigawatt installiert. Zieht man Flächen für Landschafts- und Naturschutz sowie für den Tourismus ab, dann blieben immerhin noch knapp 3 Gigawatt. Die größten Flächen für diese schwimmenden Solaranlagen liegen in der Lausitz und im Mitteldeutschen Revier. In Deutschland wurden bis Mitte 2023 zehn kleinere Anlagen auf Seen von Kies- und Sandgruben in Betrieb genommen. Die derzeit größte ging dann im Oktober 2024 auf dem Philippsee in der Nähe von Karlsruhe mit einer installierten Leistung von 15 Megawatt in Betrieb. 2025 soll eine 29-Megawatt-Anlage auf dem Cottbuser Ostsee, einem See in der Niederlausitz, errichtet werden.

Gigantisch sind dagegen die schwimmenden Solaranlagen in China. Im November 2024 wurde auf einem See in der Küstenprovinz Shandong im Osten Chinas eine Anlage mit einer Nennleistung von einem Gigawatt installiert. 2,7 Millionen Einwohner soll sie mit Strom versorgen. Und der nächste Rekord ist schon in Sicht: In der Nachbarprovinz Jiangsu ist eine schwimmende Anlage mit einer Spitzenleistung von zwei Gigawatt geplant.

Kaum bekannt ist, wie sich dies auf die Ökologie des Sees auswirkt

Nach und nach werden immer neue und größere Seeflächen mit den Solarerzeugern bedeckt werden. Dabei ist allerdings kaum bekannt, wie sich dies auf die Ökologie des Sees auswirkt. Nur wenige fundierte Untersuchungen befassen sich mit Fragen der Gewässerqualität, kühleren Wassertemperaturen oder veränderten Licht- und Sauerstoffverhältnissen. Schwimmende Solaranlagen können sich dabei durchaus auch positiv auswirken, etwa indem ihr Schatten die Verdunstung von wertvollem Süßwasser verringert. Seit November 2024 untersuchen das Fraunhofer ISE, das Unternehmen RWE und die Technische Universität Cottbus die Umweltverträglichkeit der schwimmenden Anlagen in einem gemeinsamen Projekt.

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Autodach als Solarfabrik

Das Elektroauto stundenlang in der Gluthitze im Sommer auf dem Parkplatz stehen lassen und es währenddessen klimatisieren: Mit Solarzellen auf dem Autodach ist das möglich. Bei Sonnenschein laden sie den Akku, im Idealfall entfällt damit sogar das lästige Nachladen für die nächste Fahrt. Im Dezember 2022 hatte das niederländische Unternehmen Lightyear die Produktion eines schnittigen Modells angekündigt, dessen Seitenansicht einem Porsche 911 ähnelt. Das extrem sparsame Solarauto sollte wochen- bis monatelang ohne Stopp an der Ladesäule fahren können. Auf Dach, Motorhaube und Kofferraum packten die Entwickler Solarzellen mit einer Gesamtfläche von fünf Quadratmetern dicht an dicht. Täglich rund sieben Kilowattstunden sollten sie dem Fahrzeug verschaffen – genug für eine Fahrt von je 70 Kilometern. Doch das Projekt war zu teuer: Im Januar 2023 ging die Firma insolvent. Ein Teil des Geschäfts konnte sie aber offenbar retten, denn 2025 will Lightyear ein neues, erschwinglicheres Modell seines Solarautos präsentieren.

Es ist einer von vielen Versuchen, Autos wirtschaftlich erfolgreich mit Solarzellen zu bestücken

Diese Entwicklung ist einer von vielen Versuchen, Autos wirtschaftlich mit Solarzellen zu bestücken. Nicht alle hatten Erfolg: Sono Motors verfolgte seinen Sonnenwagen Sion nicht weiter, und auch das Sonnendach des Hyundai-Modells Ioniq 5 fragten die Kunden wenig nach. Der Autozulieferer Webasto hat Solardächer namens »EcoPeak« entwickelt, deren dreieckige Silizium-Solarzellen sich wabenförmig über Dach und Heck ziehen und jährlich bis zu 350 Kilowattstunden Strom erzeugen sollen. Das Fraunhofer ISE trägt Solarzellen in Form von Schindeln auf Motorhauben auf und laminiert sie mit Folie. Das Solardach des Prius Plug-in von Toyota soll rund sechs bis acht Kilometer mehr Reichweite bringen.

So richtig durchgesetzt hat sich bislang keine der Varianten, zudem sind sie oft schwer zu bekommen. Inzwischen sind die Preise für Solarzellen allerdings gesunken und flexible Solarfolien kommerziell verfügbar. Beides könnte neuen Schwung in die Technologie bringen. Für Camper sind flexible organische Solarfolien zur Selbstmontage jedenfalls schon auf dem Markt, wenn auch mit Wirkungsgraden von unter zehn Prozent.

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