Ein revolutionärer Fortschritt in der Solartechnologie könnte die Energieversorgung in extremsten Umgebungen grundlegend verändern. Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München haben eine ba...
Ein revolutionärer Fortschritt in der Solartechnologie könnte die Energieversorgung in extremsten Umgebungen grundlegend verändern. Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München haben eine bahnbrechende Lösung entwickelt, um Perowskit-Solarzellen gegen extreme Temperaturschwankungen zu wappnen – ein Durchbruch, der nicht nur für die Raumfahrt, sondern auch für österreichische Unternehmen im Bereich erneuerbarer Energien von enormer Bedeutung sein könnte. Die am 15. Januar 2025 veröffentlichten Ergebnisse zeigen Solarzellen, die selbst bei Temperaturschwankungen zwischen minus 80 und plus 80 Grad Celsius ihre Leistung aufrechterhalten.
Perowskit-Solarzellen gehören zu den vielversprechendsten Photovoltaik-Technologien der nächsten Generation und unterscheiden sich fundamental von herkömmlichen Silizium-Solarzellen. Der Name "Perowskit" leitet sich vom gleichnamigen Mineral ab, das erstmals 1839 vom deutschen Mineralogen Gustav Rose entdeckt und nach dem russischen Mineralogen Lev Perovski benannt wurde. In der modernen Solartechnik bezeichnet Perowskit eine spezielle Kristallstruktur mit der chemischen Formel ABX3, wobei organische Moleküle die Positionen A und B besetzen und Halogenide wie Jod, Brom oder Chlor die Position X einnehmen. Diese einzigartige Struktur ermöglicht es den Materialien, Sonnenlicht besonders effizient in elektrische Energie umzuwandeln. Im Gegensatz zu Silizium-Solarzellen, die bei hohen Temperaturen in speziellen Öfen hergestellt werden müssen, lassen sich Perowskit-Solarzellen bei Raumtemperatur aus Lösungen produzieren – ein Verfahren, das deutlich kostengünstiger und energiesparender ist. Diese Eigenschaft macht sie besonders attraktiv für die Massenproduktion und könnte die Kosten für Solarenergie erheblich senken.
Die größte Herausforderung bei Perowskit-Solarzellen liegt in ihrer mechanischen Stabilität, insbesondere bei extremen Temperaturschwankungen. Dieses Problem entsteht durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialschichten in einer Solarzelle. Wenn sich die Temperatur ändert, dehnen sich die Materialien unterschiedlich stark aus oder ziehen sich zusammen. Stellen Sie sich vor, Sie kleben zwei verschiedene Metalle zusammen – bei Hitze wird sich das eine stärker ausdehnen als das andere, wodurch Spannungen entstehen, die letztendlich zur Ablösung führen können. Genau dieses Phänomen tritt in Solarzellen auf, wo die Perowskit-Schicht, die Elektrodenmaterialien und das Substrat alle unterschiedliche thermische Eigenschaften haben. In der erdnahen Umlaufbahn, wo Satelliten operieren, herrschen besonders extreme Bedingungen: Wenn ein Satellit in den Erdschatten eintritt, können die Temperaturen auf minus 150 Grad Celsius fallen, während sie in direkter Sonneneinstrahlung auf über 120 Grad Celsius ansteigen können. Diese drastischen Temperaturschwankungen können innerhalb von 90 Minuten – der Dauer eines Orbits – mehrmals auftreten, was die Materialien enormen Belastungen aussetzt.
Österreich hat sich in den letzten Jahren als wichtiger Standort für Solartechnologie-Forschung etabliert. Das Austrian Institute of Technology (AIT) in Wien, die Technische Universität Wien und die Johannes Kepler Universität Linz forschen intensiv an neuen Solarzellentechnologien. Besonders das AIT verfügt über eine der modernsten Photovoltaik-Anlagen Europas und kooperiert regelmäßig mit deutschen Forschungseinrichtungen wie der LMU München. Österreichische Unternehmen wie Fronius International oder die Photovoltaic Austria Federal Association positionieren sich zunehmend als Technologieführer in der Solarbranche. Die nun veröffentlichte Forschung könnte österreichischen Unternehmen neue Marktchancen eröffnen, insbesondere im Bereich der Raumfahrttechnik, wo Österreich durch die European Space Agency (ESA) und nationale Programme bereits eine wichtige Rolle spielt. Die stabilen Perowskit-Solarzellen könnten beispielsweise für österreichische Kleinsatelliten-Projekte oder für extreme Wetterstationen in den Alpen von entscheidender Bedeutung sein.
Das Forschungsteam um Dr. Erkan Aydin entwickelte eine innovative zweistufige molekulare Verstärkungsstrategie, die wie ein ausgeklügeltes Dämpfungssystem funktioniert. Die erste Komponente ist Alpha-Liponsäure, eine Substanz, die auch in der Medizin als Antioxidans bekannt ist. In der Solarzelle übernimmt sie jedoch eine völlig andere Funktion: Während des Herstellungsprozesses bilden diese Moleküle ein dreidimensionales Netzwerk an den sogenannten Korngrenzen des Perowskit-Materials. Korngrenzen sind Bereiche, wo verschiedene Kristallbereiche aufeinandertreffen – sie stellen natürliche Schwachstellen dar, an denen Risse entstehen können. Das Alpha-Liponsäure-Netzwerk wirkt wie ein flexibles Gerüst, das diese kritischen Bereiche stabilisiert und gleichzeitig eine gewisse Flexibilität erhält. Die zweite Komponente ist DMSLA (Dimethylsulfonium-Liponsäure), ein speziell entwickeltes Molekül mit einer Sulfonium-Gruppe. Diese chemische Gruppe bildet besonders starke Bindungen zur Elektrodenschicht und wirkt wie ein molekularer Klebstoff, der die verschiedenen Schichten der Solarzelle zusammenhält. Das Geniale an dieser Lösung ist, dass sie nicht starr ist, sondern sich an Temperaturänderungen anpassen kann, ohne zu brechen – ähnlich wie ein Bungee-Seil, das Stöße abfedert, aber nicht reißt.
Um die Bedeutung dieses Durchbruchs zu verstehen, ist ein Vergleich mit etablierten Technologien hilfreich. Herkömmliche Silizium-Solarzellen, wie sie derzeit auf den meisten österreichischen Dächern installiert sind, erreichen Wirkungsgrade zwischen 15 und 22 Prozent und sind bereits sehr temperaturstabil. Allerdings sind sie schwer, starr und teuer in der Herstellung. Die neuen Perowskit-Solarzellen erreichen hingegen Wirkungsgrade von bis zu 26 Prozent und sind dabei leichter, flexibler und kostengünstiger produzierbar. In Deutschland werden derzeit ähnliche Forschungsansätze verfolgt, allerdings mit einem stärkeren Fokus auf terrestrische Anwendungen. Das Helmholtz-Zentrum Berlin und das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme arbeiten an vergleichbaren Stabilitätslösungen, jedoch ohne den spezifischen Fokus auf extreme Temperaturschwankungen. In der Schweiz konzentrieren sich Forscher der ETH Zürich ebenfalls auf Perowskit-Technologie, allerdings hauptsächlich für Anwendungen in der Gebäudeintegration. Die Münchener Entwicklung hebt sich durch ihren spezifischen Fokus auf Weltraumanwendungen und extreme Bedingungen ab, was ihr einen einzigartigen Vorteil verschafft.
Die Entwicklung stabiler Perowskit-Solarzellen könnte für österreichische Haushalte und Unternehmen erhebliche Vorteile bringen. Zunächst würden die höheren Wirkungsgrade von 26 Prozent gegenüber den heute üblichen 18-20 Prozent bedeuten, dass auf derselben Dachfläche deutlich mehr Strom erzeugt werden könnte. Ein durchschnittliches österreichisches Einfamilienhaus mit 100 Quadratmetern nutzbarer Dachfläche könnte statt der bisherigen 15-18 kWp Leistung künftig 22-25 kWp installieren. Dies würde den jährlichen Stromertrag von etwa 16.000 kWh auf über 22.000 kWh steigern – genug, um nicht nur den Eigenverbrauch zu decken, sondern auch einen erheblichen Überschuss ins Netz einzuspeisen. Für österreichische Unternehmen, besonders in der exportorientierten Industrie, könnten die verbesserten Solarzellen neue Geschäftsmöglichkeiten eröffnen. Unternehmen wie die voestalpine, die bereits in Wasserstofftechnologie investiert hat, könnten von kostengünstigeren und effizienteren Solarzellen für ihre grüne Energieproduktion profitieren. Auch für alpine Standorte, wo extreme Temperaturschwankungen zwischen heißen Sommertagen und kalten Winternächten auftreten, wären die stabilen Perowskit-Zellen ideal geeignet. Bergbahnen, Almhütten oder Wetterstationen könnten zuverlässig mit Solarenergie versorgt werden, ohne dass die Zellen durch Temperaturschwankungen Schaden nehmen.
Die Forschungsergebnisse der LMU München basieren auf umfangreichen Experimenten, die neue Maßstäbe in der Solarzellentechnologie setzen. In den Tests wurden die optimierten Solarzellen 16 kompletten Temperaturzyklen zwischen minus 80 und plus 80 Grad Celsius unterzogen – eine Belastung, die extremer ist als die meisten realen Anwendungsbedingungen. Nach diesen Tests behielten die modifizierten Solarzellen noch 84 Prozent ihrer ursprünglichen Effizienz, während herkömmliche Referenzzellen deutlich stärker an Leistung verloren. Diese 84-Prozent-Marke ist bemerkenswert, da sie weit über den Industriestandards liegt, die typischerweise eine Degradation von nur 80 Prozent nach 25 Jahren normaler Nutzung akzeptieren. Besonders aufschlussreich war die Erkenntnis, dass die meiste Degradation bereits in den ersten Zyklen auftritt, danach stabilisiert sich die Leistung. Dies deutet darauf hin, dass sich das Material an die extremen Bedingungen "anpasst" und dann eine stabile Leistung beibehält. Die Forscher verwendeten fortschrittliche Charakterisierungstechniken wie Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie und spektroskopische Analysen, um die molekularen Veränderungen in den Solarzellen während der Temperaturzyklen zu verfolgen. Diese detaillierten Untersuchungen zeigten, dass die Alpha-Liponsäure-Netzwerke tatsächlich als flexible Puffer wirken und Rissbildung verhindern, während die DMSLA-Moleküle die kritischen Grenzflächen intakt halten.
Die Münchener Forschung positioniert Europa in einem wichtigen Zukunftsbereich der Solartechnologie. Während China derzeit den Weltmarkt für Silizium-Solarzellen dominiert und etwa 80 Prozent der globalen Produktion kontrolliert, eröffnet die Perowskit-Technologie neue Möglichkeiten für europäische Hersteller. Die USA investieren massiv in Perowskit-Forschung, wobei Unternehmen wie Oxford PV und Swift Solar bereits Pilotanlagen betreiben. Japan, traditionell stark in der Solartechnologie, konzentriert sich auf Tandem-Solarzellen, die Perowskit mit Silizium kombinieren. Die europäische Forschung, angeführt von Instituten in Deutschland, Österreich und der Schweiz, fokussiert sich stärker auf Stabilitätslösungen und spezielle Anwendungen. Dieser Ansatz könnte Europa einen Wettbewerbsvorteil verschaffen, da Stabilität und Langlebigkeit für kommerzielle Anwendungen entscheidender sind als reine Effizienzrekorde. Österreichische Unternehmen könnten von dieser Entwicklung besonders profitieren, da sie sich auf Nischenmärkte und Qualitätsprodukte spezialisieren können, anstatt mit der chinesischen Massenproduktion zu konkurrieren.
Die Raumfahrt ist ein überraschend wichtiger Wirtschaftszweig für Österreich, auch wenn das Land keine eigenen Raketen startet. Österreichische Unternehmen wie Beyond Gravity (ehemals RUAG Space) mit Sitz in Wien sind Weltmarktführer für bestimmte Raumfahrtkomponenten. Das Unternehmen liefert beispielsweise Nutzlastverkleidungen für europäische Ariane-Raketen und Strukturkomponenten für Satelliten. Die Austrian Space Agency koordiniert nationale Raumfahrtaktivitäten und verwaltet ein Budget von etwa 70 Millionen Euro jährlich für ESA-Programme. Österreichische Universitäten und Forschungseinrichtungen sind an zahlreichen Weltraummissionen beteiligt, von Mars-Rovern bis zu Weltraumteleskopen. Die neuen stabilen Perowskit-Solarzellen könnten für österreichische Raumfahrtunternehmen einen erheblichen Wettbewerbsvorteil bedeuten. Leichtere und effizientere Solarzellen reduzieren das Gesamtgewicht von Satelliten, was die Startkosten senkt – ein entscheidender Faktor in der kommerziellen Raumfahrt. Für Kleinsatelliten, ein wachsender Markt, in dem auch österreichische Start-ups wie TTTech Computertechnik aktiv sind, könnten die verbesserten Solarzellen den Unterschied zwischen Erfolg und Misserfolg einer Mission ausmachen. Darüber hinaus plant die ESA ehrgeizige Missionen zum Mond und Mars, bei denen extreme Temperaturschwankungen eine noch größere Herausforderung darstellen als im Erdorbit.
Der globale Markt für Solarzellen wird bis 2030 auf über 350 Milliarden US-Dollar geschätzt, wobei neue Technologien wie Perowskit-Solarzellen einen wachsenden Anteil ausmachen sollen. Für österreichische Unternehmen ergeben sich mehrere konkrete Geschäftsmöglichkeiten. Erstens könnten etablierte Solarunternehmen wie Kioto Solar oder Suntastic die neue Technologie lizenzieren und in ihre Produktlinien integrieren. Zweitens könnten österreichische Chemieproduzenten wie Borealis spezielle Materialien für die Perowskit-Produktion entwickeln. Drittens eröffnen sich Chancen für Maschinenbauunternehmen, die Produktionsanlagen für die neue Technologie entwickeln könnten. Die Kostenschätzungen für Perowskit-Solarzellen liegen bei etwa 0,10-0,15 Euro pro Watt installierter Leistung, verglichen mit 0,20-0,30 Euro für herkömmliche Silizium-Module. Diese Kostenreduktion könnte Solarenergie in Österreich noch attraktiver machen und dazu beitragen, die nationalen Klimaziele schneller zu erreichen. Das österreichische Klimaschutzministerium hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2030 den Stromverbrauch vollständig aus erneuerbaren Energien zu decken – die effizienten Perowskit-Solarzellen könnten dabei eine Schlüsselrolle spielen.
Trotz des Durchbruchs bleiben technische Herausforderungen bestehen, die noch gelöst werden müssen, bevor Perowskit-Solarzellen kommerziell einsetzbar sind. Das größte Problem ist nach wie vor die Langzeitstabilität unter normalen Betriebsbedingungen. Während die Münchener Forscher das Problem extremer Temperaturschwankungen gelöst haben, müssen die Zellen auch bei konstanten Temperaturen über 25 Jahre hinweg stabil bleiben – der Industriestandard für Solarmodule. Feuchtigkeit ist ein weiterer kritischer Faktor, da Perowskit-Materialien wasserempfindlich sind. Österreichische Forscher an der Montanuniversität Leoben arbeiten an Verkapselungstechnologien, die Perowskit-Solarzellen vor Feuchtigkeit schützen sollen. Ein anderes Problem ist die Verwendung von Blei in vielen Perowskit-Formulierungen, was Umweltbedenken aufwirft. Europäische Forscher, darunter auch Teams aus Österreich, entwickeln bleifreie Alternativen, die jedoch noch nicht die gleichen Effizienzgrade erreichen. Die Skalierung der Produktion von Laborgröße auf industrielle Maßstäbe stellt eine weitere Herausforderung dar. Während im Labor Solarzellen von wenigen Quadratzentimetern hergestellt werden, müssen kommerzielle Module mindestens einen Quadratmeter groß sein. Österreichische Unternehmen mit Expertise in der Dünnschichttechnologie, wie Materials Center Leoben, könnten bei der Lösung dieser Skalierungsprobleme eine wichtige Rolle spielen.
Die nächsten fünf Jahre werden entscheidend für die Kommerzialisierung der Perowskit-Technologie sein. Experten erwarten, dass erste kommerzielle Anwendungen bereits 2026-2027 auf den Markt kommen könnten, zunächst in Nischenbereichen wie der Raumfahrt oder tragbaren Elektronikgeräten. Für den Massenmarkt der Gebäudeintegration wird mit einer Markteinführung zwischen 2028 und 2030 gerechnet. Österreich könnte dabei eine Vorreiterrolle übernehmen, da das Land bereits eine ausgezeichnete Forschungsinfrastruktur und enge Verbindungen zur deutschen Industrie hat. Die Austrian Research Promotion Agency (FFG) hat bereits mehrere Millionen Euro in Perowskit-Forschung investiert und plant weitere Förderungen. Langfristig könnten Perowskit-Solarzellen nicht nur herkömmliche Silizium-Module ergänzen oder ersetzen, sondern völlig neue Anwendungen ermöglichen. Flexible, transparente oder farbige Solarzellen könnten in Gebäudefassaden integriert werden, ohne das architektonische Design zu beeinträchtigen. Für Österreich mit seinen strengen Bauvorschriften und dem Fokus auf ästhetische Gebäudeintegration könnte dies besonders attraktiv sein. Die Kombination aus höherer Effizienz, niedrigeren Kosten und verbesserter Stabilität könnte dazu führen, dass Solarenergie zur dominierenden Energiequelle wird und fossile Brennstoffe noch schneller verdrängt als bisher prognostiziert.