Die Nutzung erneuerbarer Energien ist eine der zentralen Herausforderungen unserer Zeit, um umweltfreundliche und nachhaltige Energiequellen zu fördern. In diesem Kontext spielen Solarzellen eine Schlüsselrolle, da sie Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln. Besonders hochmoderne Technologien wie flexible Tandem-Solarzellen bieten eine vielversprechende Lösung, da sie neben hoher Effizienz auch anwendungsfreundliche Eigenschaften wie Flexibilität und Stabilität vereinen. Im Mittelpunkt der aktuellen Forschung stehen flexible Tandem-Solarzellen, die eine Effizienz von 24,6 Prozent erreicht haben und gleichzeitig außerordentlich robust sind – sie überstehen mehr als 3000 Biegezyklen bei einem Biegeradius von nur einem Zentimeter, ohne signifikante Verluste in der Leistung zu zeigen.
Diese innovativen Zellen wurden von Wissenschaftlern des chinesischen Instituts für Materialtechnologie und Ingenieurwesen (NIMTE) des Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelt und könnten den Durchbruch für flexible Photovoltaikmodule bedeuten. Flexible Solarzellen unterscheiden sich grundlegend von traditionellen, starren Solarmodulen. Sie bestehen aus dünnen, biegsamen Substraten und eignen sich besonders für Anwendungen, die Gewichtseinsparungen, Anpassungsfähigkeit an unregelmäßige Oberflächen und Mobilität erfordern. Beispiele hierfür sind tragbare Solar-Ladegeräte, gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) auf gebogenen Flächen sowie flexible Displays mit Energieversorgung. Eine besondere Herausforderung beim Entwickeln effizienter flexibler Solarzellen liegt im Materialdesign und der Schichtstruktur.
Tandem-Solarzellen bestehen üblicherweise aus zwei oder mehr Halbleiterschichten, die unterschiedliche Wellenlängen des Lichts absorbieren und somit die theoretische Begrenzung einzelner Zellen überwinden. Bei der jüngsten Entwicklung verbinden die Forscher zwei sehr vielversprechende Materialien: Perowskit als obere Schicht und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) als untere Schicht. CIGS ist ein etablierter Halbleiter mit herausragender Absorptionsfähigkeit und temperaturstabilen Eigenschaften. Es gilt als einer der führenden Kandidaten für flexible Solarzellen, da es bereits in kommerziellen Produkten genutzt wird und zugleich eine anpassbare Bandlücke besitzt. Perowskit-Materialien haben in den letzten Jahren die Photovoltaikbranche revolutioniert, da sie sich durch hohe Lichtumwandlungseffizienz, kostengünstige Herstellung und einfache Verarbeitung auszeichnen. Die Herausforderung bei Perowskit/CIGS-Tandemsolarzellen liegt insbesondere in der Oberflächenbeschaffenheit von CIGS.
Die relativ raue Oberfläche erschwert die gleichmäßige und hochqualitative Abscheidung der Perowskit-Schicht. Unregelmäßigkeiten können zu Defekten führen und die Leistung sowie die mechanische Stabilität reduzieren. Der Durchbruch gelang der Forschergruppe um Prof. Ye Jichun durch die Entwicklung einer neuartigen antisolvent-seeding-Technik zur Optimierung der Perowskit-Oberflächenbildung auf rauen CIGS-Substraten. Dieser Prozess berücksichtigt die Phasen der Adsorption einer selbstorganisierenden Monolage (SAM) und die Bildung des Perowskitkristalls separat, was eine bessere Kontrolle der Oberflächenstruktur erlaubt. Dabei werden hochpolare Lösungsmittel eingesetzt, um die Bildung von Clustern bei der SAM-Auflösung zu verhindern. Parallel dazu fungiert ein niedrigpolarer Antisolvans als Wachstumsförderer für eine dichte und gleichmäßige SAM-Schicht. Eine speziell präparierte Saat-Schicht verbessert die Benetzbarkeit und Kristallqualität der Perowskitoberfläche signifikant.
Durch diese präzise Steuerung gelang es, eine starke Haftung zwischen der Perowskit-Schicht und dem CIGS-Substrat zu erzielen, die entscheidend für die Robustheit und Langlebigkeit der Solarzelle ist. Das hergestellte flexible monolithische Tandemmodul mit einer aktiven Fläche von 1,09 Quadratzentimetern erreichte eine stabilisierte Wandlungseffizienz von 24,6 Prozent, bestätigt durch eine offizielle Zertifizierung mit 23,8 Prozent. Diese Werte gehören zu den besten weltweit für flexible dünnschichtige Solartechnologien und stellen einen bedeutenden Fortschritt gegenüber früheren Benchmarks dar. Ein weiterer Meilenstein ist die eindrucksvolle mechanische Belastbarkeit. Nach 320 Stunden Dauerbetrieb und insgesamt 3000 Biegezyklen bei einem Radius von nur einem Zentimeter hielt das Modul mehr als 90 Prozent seiner ursprünglichen Effizienz.
Dieses Resultat zeigt, dass die Zellen nicht nur leistungsstark, sondern auch für den Einsatz in dynamischen und anspruchsvollen Umgebungen geeignet sind. Die hohe Flexibilität eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen etwa in der mobilen Energieversorgung, tragbaren Geräten, Architektur, Fahrzeugtechnik und sogar in der Raumfahrt – überall dort, wo herkömmliche starre Solarzellen ungeeignet sind. Diese Entwicklung ist auch ein bedeutender Schritt in Richtung kostengünstiger und nachhaltiger Herstellung von Solarmodulen. Die Verwendung flexibler Substrate reduziert Materialverbrauch und Gewicht, während die verbesserte Haltbarkeit die Lebensdauer und damit die Wirtschaftlichkeit erhöht. Die Kombination von Perowskit- und CIGS-Materialien nutzt deren jeweilige Vorteile und könnte die Kommerzialisierung von flexiblen Tandem-Solarzellen erheblich beschleunigen.
Wissenschaftliche Fachzeitschriften wie Nature Energy haben die Studie bereits veröffentlicht, was die Relevanz und Qualität der Forschung unterstreicht. Auch der internationale Vergleich zeigt, dass dieses System innovationsführend ist. Frühere Rekorde bei flexiblen Solarzellen lagen bei Effizienzen um die 23 Prozent, während starre Tandemzellen zwar höhere Werte erzielen, aber nicht die erforderliche mechanische Flexibilität bieten. Insgesamt zeigen flexible Tandem-Solarzellen der nächsten Generation großes Potenzial, die globale Energiewende voranzutreiben. Die Kombination aus hoher Leistungsfähigkeit, mechanischer Robustheit und Flexibilität verspricht eine Vielzahl neuer Einsatzfelder und trägt zur Integration von Photovoltaiktechnik in bisher ungeahnte Bereiche bei. Die Fortschritte bei der Materialwissenschaft und der Produktionstechnologie sind essenziell, um die Kosten weiter zu senken und die Akzeptanz in industriellen und privaten Anwendungen zu steigern.
Es ist zu erwarten, dass zukünftige Forschungen auf diesem vielversprechenden Erfolg aufbauen, um sowohl die Effizienz noch weiter zu steigern als auch die Produktionsprozesse noch nachhaltiger und skalierbarer zu gestalten. Innovationen wie die antisolvent-seeding-Methode könnten auch auf andere Materialsysteme übertragbar sein und so die gesamte Solarindustrie voranbringen. Flexibilität wird zunehmend ein entscheidendes Kriterium bei der Entwicklung zukünftiger Solarmodule sein, insbesondere in einer Welt, die immer mehr auf dezentrale, mobile und individuelle Energieversorgungskonzepte setzt. Die Kombination von Flexibilität mit hoher Effizienz und Stabilität stellt einen Durchbruch dar, der das Potenzial hat, die Photovoltaik nachhaltig zu verändern. Daraus ergibt sich nicht nur ein Gewinn für den Umweltschutz, sondern auch für die wirtschaftliche Entwicklung durch neue Technologien und Märkte.
Insgesamt markiert die Entwicklung flexibler Tandem-Solarzellen mit 24,6 Prozent Effizienz und extremer Biegefestigkeit einen bedeutenden Schritt hin zu einer flexiblen, effizienten und langlebigen Solarenergiezukunft. Sie verbindet modernste Materialinnovation mit praxisnahen Lösungen und öffnet Türen für vielfältige Anwendungen im Energiesektor von morgen.
