Photovoltaik: Schweizer Weltrekord mit Signalwirkung

Gemeinsam mit einem Forschungsteam des CSEM, des PV-Labors der EPFL sowie weiterer Partner gelang erstmals, was in der Solarforschung lange als grosse Herausforderung galt: Eine Perowskit-Silizium-Dreifachsolarzelle erreichte einen zertifizierten Wirkungsgrad von 30,02 Prozent, ein Weltrekord. Die Resultate fanden in der globalen Photovoltaik-Forschung grosse Beachtung.

Für seinen Beitrag zu diesem Forschungserfolg, der international neue Massstäbe setzte, zeichnete CSEM Kerem Artuk, R&D Engineer am Sustainable Energy Center, mit dem erstmals vergebenen Claude Nicollier Research Excellence Award aus.

Die klassische Silizium-Solarzelle dominiert den Markt seit Jahrzehnten und ist technisch ausgereift. Ihr maximal erreichbarer Wirkungsgrad liegt jedoch nahe an der physikalischen Grenze von rund 29 Prozent. Weitere Verbesserungen sind deshalb nur noch in kleinen Schritten möglich. Perowskit-Silizium-Solarzellen verfolgen einen anderen Ansatz: Mehrere Halbleiterschichten nutzen unterschiedliche Bereiche des Sonnenlichts und wandeln dadurch mehr Energie in Strom um. Langfristig sind damit Wirkungsgrade von über 38 Prozent realistisch. Höhere Wirkungsgrade bedeuten, dass auf derselben Dach- oder Fassadenfläche mehr Strom erzeugt werden kann – ein entscheidender Vorteil überall dort, wo die verfügbare Fläche begrenzt ist. Noch höhere Wirkungsgrade sind zwar möglich, allerdings nur mit teuren Spezialzellen für die Raumfahrt oder andere Nischenanwendungen. Für die breite Nutzung gelten Perowskit-Silizium-Solarzellen derzeit als der vielversprechendste Entwicklungspfad.

Die Arbeit von Kerem Artuk und seinem Team zeigt erstmals, dass dieses Potenzial auch bei Perowskit-Silizium-Dreifachsolarzellen ausgeschöpft werden kann. Dabei gelang nicht nur eine Verbesserung eines einzelnen Materialparameters. Vielmehr wurden mehrere technologische Herausforderungen gleichzeitig gelöst: geringere Spannungsverluste, eine effizientere Lichtausnutzung sowie neue Herstellungsverfahren für die unterschiedlichen Perowskitschichten. Erst das Zusammenspiel dieser Innovationen ermöglichte den neuen Rekord. 

Die 30-Prozent-Marke besitzt hohe Symbolkraft. Der Fortschritt besteht jedoch darin, dass erstmals eine Perowskit-Silizium-Dreifachsolarzelle diese Schwelle zertifiziert überschritten hat. In der Photovoltaik gelten zertifizierte Wirkungsgrade als internationaler Massstab, weil sie unter standardisierten Bedingungen von unabhängigen Instituten bestätigt werden.

Noch wichtiger ist jedoch, wie dieser Rekord erreicht wurde. Das Team entwickelte einen neuen technologischen Ansatz zur Steuerung der Kristallisation der Perowskitschichten, verbesserte die Lichtführung innerhalb der Solarzelle und optimierte das Zusammenspiel der drei aktiven Teilzellen. Gleichzeitig konnten die Forschenden zeigen, dass sich die entwickelten Prozesse auch auf grössere Zellflächen übertragen lassen und damit mit industriellen Fertigungsprozessen kompatibel sind.

Damit verschiebt die Arbeit den Fokus von der reinen Rekordjagd hin zur eigentlichen Herausforderung der kommenden Jahre: leistungsfähige Solarzellen wirtschaftlich und industriell herzustellen.

Ebenso bemerkenswert wie das wissenschaftliche Resultat ist die Art seiner Entstehung. Die Arbeit entstand in enger Zusammenarbeit zwischen CSEM, EPFL und weiteren internationalen Forschungspartnern. Sie verbindet Grundlagenforschung, Materialwissenschaft, Fertigungstechnologien und industrielle Entwicklung zu einem integrierten Engineering-Ansatz. Gerade diese Verbindung gehört zu den Stärken des Schweizer Innovationssystems. Während die EPFL neue physikalische und materialwissenschaftliche Erkenntnisse entwickelt, bringt das CSEM seine Kompetenz ein, Forschungsergebnisse in industriell nutzbare Technologien zu überführen. Der nun ausgezeichnete Weltrekord ist deshalb nicht nur ein wissenschaftlicher Erfolg, sondern auch ein Beispiel dafür, wie Schweizer Forschung den Transfer in marktfähige Anwendungen konsequent mitdenkt. Mit dem Claude Nicollier Research Excellence Award wird nicht nur Kerem Artuks persönliche Leistung gewürdigt. Ausgezeichnet wird zugleich das Team, das wissenschaftliche Exzellenz und ingenieurtechnische Umsetzung verbindet.
Nicht Masse entscheidet sondern Technologie

Für das Schweizer Engineering reichen die Folgen dieser Forschung weit über einen einzelnen Wirkungsgradrekord hinaus. Die Schweiz wird im Solarmarkt kaum mit der Massenproduktion von Standard-Solarzellen aus China konkurrieren. Ihre Stärke liegt an einem anderen Punkt der Wertschöpfungskette: in der Entwicklung neuer Materialien, Fertigungsprozesse und Schlüsseltechnologien für die nächste Generation von Solarzellen. Genau hier setzt die Zusammenarbeit von CSEM und EPFL an. Der Weltrekord zeigt, dass Schweizer Ingenieurinnen und Ingenieure bei hocheffizienten Perowskit-Silizium-Solarzellen international zu den Technologieführern gehören. Wer heute die effizientesten Solarzellen entwickelt, prägt oft auch die Produktionsverfahren, Maschinen und Qualitätsstandards von morgen.

Im Solarmarkt wird die Wertschöpfung künftig nicht allein über die Anzahl produzierter Module entschieden, sondern darüber, wer die Technologien entwickelt, mit denen die nächste Generation von Solarzellen hergestellt wird. Genau in diesem Bereich gehört die Schweiz weiterhin zur Weltspitze. Viele Produktionsverfahren, Maschinen und Materialien, die künftig in asiatischen Gigafabriken zum Einsatz kommen, könnten ihren Ursprung in Schweizer Laboren und Entwicklungszentren haben.

Der Weltrekord ist deshalb weit mehr als eine wissenschaftliche Bestleistung. Er stärkt die internationale Sichtbarkeit des Forschungs- und Innovationsstandorts Schweiz und zeigt, dass Schweizer Forschung trotz der industriellen Dominanz Chinas globale Technologietrends mitgestalten kann. Die eigentliche Herausforderung besteht nun darin, diesen Vorsprung durch Patente, industrielle Partnerschaften und den erfolgreichen Technologietransfer in wirtschaftliche Wertschöpfung umzusetzen.