Wie Perowskit-Solarzellen funktionieren – und warum sie so wichtig sind

Eine Kristallstruktur mit enormem Potenzial

Seit Jahrzehnten dominiert Silizium den Solarmarkt. Doch eine Klasse von Materialien namens Perowskite fordert diese Vorherrschaft heraus. Benannt nach dem russischen Mineralogen Lew Perowski, bezeichnen Perowskite jedes Material, das eine bestimmte Kristallstruktur namens ABX₃ aufweist – wobei A und B positiv geladene Ionen und X ein negativ geladenes Ion sind. In Solarzellen ist die häufigste Variante eine hybride organisch-anorganische Bleihalogenidverbindung.

Was Perowskite so bemerkenswert macht, ist ihre Fähigkeit, Sonnenlicht zu absorbieren und mit außergewöhnlicher Effizienz in Elektrizität umzuwandeln – von nur 3,8 % in Labortests im Jahr 2009 auf über 27 % in Einzelzellen bis 2025, so das U.S. Department of Energy. Diese Verbesserungsrate ist in der Geschichte der Photovoltaik beispiellos.

Wie die Technologie funktioniert

Eine Perowskit-Solarzelle funktioniert nach dem gleichen Grundprinzip wie jede andere Photovoltaik-Vorrichtung: Licht trifft auf ein Halbleitermaterial, regt Elektronen an und erzeugt einen elektrischen Strom. Die Perowskit-Absorberschicht befindet sich zwischen zwei Ladungstransportschichten – einer Lochtransportschicht (HTL) und einer Elektronentransportschicht (ETL) –, die die freigesetzten Ladungen zu Elektroden leiten, um nutzbaren Strom zu erzeugen.

Im Gegensatz zu Silizium, das eine energieintensive Herstellung bei Temperaturen über 1.400 °C erfordert, können Perowskit-Filme mit Niedertemperatur-Lösungsbasierten Verfahren wie Spin-Coating oder sogar Tintenstrahldruck aufgebracht werden. Dies macht sie potenziell viel billiger und weniger energieintensiv in der Herstellung, wie MIT-Forscher festgestellt haben.

Der Tandem-Durchbruch

Die vielversprechendste Anwendung kombiniert Perowskite mit konventionellem Silizium in einer sogenannten Tandemzelle. Die semi-transparente Perowskit-Schicht befindet sich oben und ist so abgestimmt, dass sie hochenergetisches blaues und grünes Licht einfängt. Die darunter liegende Siliziumzelle absorbiert die roten und infraroten Wellenlängen, die hindurchtreten. Zusammen nutzen sie einen breiteren Ausschnitt des Sonnenspektrums als jedes der beiden Materialien allein.

Dieser Ansatz hat bereits zertifizierte Wirkungsgrade von 34,85 % erzielt – und damit die theoretische Einzelzellen-Grenze von 33,7 %, die durch das Shockley-Queisser-Modell festgelegt wurde, überschritten. Eine Studie aus dem Jahr 2025 in Nature Photonics stellte fest, dass Perowskit-Silizium-Tandems den realistischsten kurzfristigen Weg zu Wirkungsgraden über 40 % darstellen.

Warum sie so günstig herzustellen sind

Die Kosten sind der Punkt, an dem Perowskite die Branche wirklich aufmischen könnten. Silizium-Solarzellen benötigen ultrareine kristalline Wafer, die in Spezialöfen hergestellt werden. Perowskit-Vorläufer hingegen sind reichlich vorhandene chemische Verbindungen, die in gängigen Lösungsmitteln gelöst und als dünne Filme auf Glas, Kunststoff oder sogar flexible Substrate aufgetragen werden können.

Laut dem Energieministerium könnte dieser tintenbasierte Ansatz sowohl die Materialkosten als auch die Investitionsausgaben für Produktionsanlagen senken. Einige Forscher sehen eine Rolle-zu-Rolle-Druck von Perowskit-Zellen in einem Verfahren vor, das der Zeitungsproduktion ähnelt.

Das Haltbarkeitsproblem

Trotz ihres Versprechens stehen Perowskite vor einem entscheidenden Hindernis: der Stabilität. Siliziummodule halten in der Regel 25 bis 30 Jahre im Feld. Perowskit-Zellen hingegen bauen sich schnell ab, wenn sie Feuchtigkeit, Sauerstoff, Hitze und ultraviolettem Licht ausgesetzt werden.

Wie in Communications Materials veröffentlichte Forschungsergebnisse zeigen, können Wassermoleküle die Perowskit-Kristallstruktur innerhalb von Stunden aufbrechen. Sauerstoffexposition unter Beleuchtung erzeugt reaktive Superoxidspezies, die das Material von innen angreifen. Ionenmigration – bei der geladene Atome durch das Kristallgitter wandern – verursacht im Laufe der Zeit weitere Leistungseinbußen.

Verkapselungstechniken und die Zusammensetzungstechnik haben die Lebensdauer erheblich verbessert, aber noch hat kein Perowskit-Modul die jahrzehntelange Haltbarkeit bewiesen, die Investoren und Aufsichtsbehörden fordern.

Wo die Industrie steht

Die Kommerzialisierung ist im Gange, wenn auch vorsichtig. Oxford PV lieferte Ende 2024 seine ersten Perowskit-Silizium-Tandemmodule mit einem Wirkungsgrad von rund 24,5 % an US-amerikanische Versorgungsunternehmen. Andere Unternehmen, darunter Tandem PV und mehrere chinesische Hersteller, bauen Produktionslinien aus, die auf Module mit einem Wirkungsgrad von fast 30 % abzielen.

Der Konsens unter den Forschern ist, dass Perowskit-Silizium-Tandems wahrscheinlich zuerst als Premium-Dachprodukte auf den Markt kommen werden, wo ihr höherer Wirkungsgrad pro Quadratmeter einen anfänglichen Kostenaufschlag rechtfertigt. Mit zunehmender Produktionsskalierung und verbesserter Stabilität sollten die Preise sinken – was sie potenziell zur dominierenden Solartechnologie der 2030er Jahre macht.