Perowskit-Solarzellen: Chancen und Herausforderungen in der Photovoltaik

18.08.2025 | S.Horsch – Online-Redaktion, FORUM VERLAG HERKERT GMBH

Perowskit-Solarzellen gelten als vielversprechende Innovation für Photovoltaik und die Energiewende. Sie kombinieren hohe Wirkungsgrade, niedrige Herstellungskosten und flexible Einsatzmöglichkeiten und könnten die Stromproduktion aus Sonnenenergie entscheidend verändern. Dieser Fachbeitrag bietet einen umfassenden Überblick über die Technologie, aktuelle Forschung, Wirkungsgrade, Herstellung, Marktreife und zentrale Nutzerfragen.

Inhaltsverzeichnis

1. Was sind Perowskit-Solarzellen und wie funktionieren sie?
2. Saisonale Schwankungen und Lebensdauer von Perowskit-Solarzellen
3. Marktreife und wirtschaftliche Aspekte der Perowskit-Solarzellen
4. Materialeigenschaften und neue Technologien für Perowskit-Solarzellen
5. Perowskit-Solarzellen und ihre Herausforderungen: Lebensdauer, Umwelt und Saisonalität
6. FAQ – Häufig gestellte Fragen zu Perowskit-Solarzellen
7. Sind Perowskit-Solarzellen die Zukunft der Solarenergie? Ein Fazit

Was sind Perowskit-Solarzellen und wie funktionieren sie?

Perowskit-Solarzellen nutzen sogenannte Perowskite – Materialien mit einer speziellen Kristallstruktur, meist Hybrid-Metallhalogenide. Diese zeichnen sich aus durch

• starke Lichtabsorption, 
• einstellbare Bandlücken und 
• schnelle Ladungsträgerbewegung. 

Bei der Stromerzeugung wird das Sonnenlicht im Perowskit-Material absorbiert und löst Elektronen sowie Löcher aus. Über die Kontakte werden diese Ladungsträger als Strom abgeführt. Bemerkenswert ist hierbei die einfache Verarbeitung, etwa per Drucken oder Streichen, wodurch flexible und innovative Solarzellen entstehen können.

Wirkungsgrade und technologische Entwicklung

Laborprototypen von Perowskit-Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von bis zu 26,95 Prozent – Tandemzellen mit Silizium sogar über 30 Prozent und in einzelnen Fällen bis zu 34,6 Prozent. Die Kombination beider Materialien in Tandemzellen gestattet eine optimale Nutzung unterschiedlichster Lichtbereiche und hebt die Effizienz deutlich gegenüber reinen Siliziumzellen an.

Saisonale Schwankungen und Lebensdauer von Perowskit-Solarzellen

Ein Langzeittest auf dem Dach eines Berliner Forschungslabors untersuchte Perowskit-Solarzellen vier Jahre lang unter realen Wetterbedingungen. Es zeigten sich folgende Ergebnisse:

• Sommerleistung stabil: In den ersten zwei Sommern blieb die Spitzenleistung gleich. Nach vier Jahren sank sie absolut nur um etwa 2 Prozent.
• Winterleistung empfindlich: In den dunklen Monaten fiel die Effizienz um rund 30 Prozent ab.
• Ursachen: Verantwortlich ist die saisonale Verschiebung des Sonnenspektrums. Perowskit-Zellen wandeln vor allem das blaue Sonnenlicht effizient in Strom. Im Berliner Winter mit mehr roten Lichtanteilen lässt die Leistungsfähigkeit nach. Im Äquatorbereich wäre dieser Effekt geringer.
• Reversibilität: Die Perowskit-Zellen zeigen oft reversible Effizienzänderungen im Tages-Nacht-Zyklus, was saisonale Schwankungen verstärkt.
• Langzeitverhalten: Die Effizienzverluste sind im Sommer minimal – ein Fortschritt gegenüber früheren Materialien.

Diese Erkenntnisse sind zentral für die Einschätzung der Marktreife und des praktischen Nutzens. Während die Spitzenwerte im Labor und Sommer überzeugen, zeigt der Langzeittest, dass saisonale Bedingungen und Standortfaktoren die Energieausbeute deutlich beeinflussen können.

Marktreife und wirtschaftliche Aspekte der Perowskit-Solarzellen

Die ersten Perowskit-Zellen sind bereits auf dem Markt. Ihre günstigen Herstellungskosten und niedriger Energieverbrauch im Produktionsprozess bieten wirtschaftliche Vorteile gegenüber klassischen Solarzellen. Dennoch bleibt die Langzeitstabilität eine Herausforderung: Während Siliziumzellen oft 20 bis 25 Jahre halten, müssen Perowskit-Solarzellen im Freiland ihre Beständigkeit erst noch beweisen.

Messtechniken, etwa durch KI und maschinelles Lernen, verbessern die Qualität und treiben die Entwicklung zur Marktreife voran. Die Forschung in Berlin und anderen Innovationszentren arbeitet stetig daran, die Materialien umweltfreundlicher und langlebiger zu machen sowie den praktischen Nutzen für die Energiewende weiter zu steigern.

Innovationen und neue Testmethoden

Berlin hat sich als führender Standort für die Entwicklung und Erprobung von Perowskit-Solarzellen etabliert. Am Helmholtz-Zentrum Berlin und in Teams der Humboldt-Universität werden Tandem- und Dreifachzellen mit neuen Materialkombinationen und innovativer Herstellung entwickelt. Die im Langzeittest gesammelten Freilanddaten ermöglichen eine realitätsnahe Einschätzung von Lebensdauer, Wirkungsgrad und saisonalen Schwankungen.

Materialeigenschaften und neue Technologien für Perowskit-Solarzellen

Die Effizienz und Zukunftsaussichten von Perowskit-Solarzellen hängen stark mit den besonderen Materialeigenschaften und spezifischen technologischen Entwicklungen zusammen:

Anpassung der Bandlücke und Materialzusammensetzung

Der zentrale Vorteil von Perowskit-Materialien liegt darin, dass die Bandlücke (also die Energie, die zur Elektronenanregung nötig ist) durch gezielte Wahl und Mischung der eingesetzten Ionen und Moleküle einstellbar ist:

• Typische Perowskit-Formeln (wie Cs₀,₁₅FA₀,₈₅PbI₂,₅₅Br₀,₄₅) ermöglichen eine Bandlücke von 1,65eV, die sich je nach Verhältnis von Bromid/Iodid oder durch Ersatz von Blei durch andere Metalle verändern lässt.
• Diese Feineinstellung ist wichtig für Tandemzellen: Die obere Perowskit-Zelle nutzt Licht mit höherer Energie (kurzwelliger, z.B. aus dem blauen Bereich des Sonnenlichts), während die untere Zelle (oft Silizium) das restliche Licht ausnutzt. 
• Durch diese gezielte Abstimmung können Lichtverluste minimiert und insgesamt mehr Solarenergie ausgenutzt werden.

Moderne Ansätze der Kontaktgestaltung und des Schichtaufbaus

Der Wirkungsgrad und die Stabilität von Perowskit-Solarzellen werden stark durch die Architektur der einzelnen Schichten und der Kontakte beeinflusst:

• In der Praxis setzt man auf spezielle Zwischen- und Kontaktschichten, wie etwa C60, SnO2 oder Kupfer, die auf die Perowskit-Struktur abgestimmt werden müssen, um Ladungsträger optimal zu extrahieren.
• Verbesserte Verkapselung (Glas, Polymere) schützt die Perowskit-Schicht vor Feuchtigkeit und mechanischer Belastung, was die Lebensdauer direkt erhöht.
• Innovative Designs reduzieren Defekte an den Grenzflächen, was wiederum die Alterung der Solarzellen und den Leistungsverlust im Betrieb mindert.

Integration von Perowskit mit Silizium: Tandem- und Tripelzellen

Der größte Innovationssprung im Jahr 2025 ist die Kombination von Perowskit mit klassischen Siliziumzellen in sogenannten Tandem- oder sogar Tripelsolarzellen:

• Das Prinzip: Zwei oder drei Zellen werden übereinander gestapelt. Jede Zelle ist für einen spezifischen Anteil des Sonnenspektrums optimiert.
• Die Perowskit-Oberzelle absorbiert effektiver die kurzwelligen Photonen, Silizium die langwelligen. Dies hebt den Wirkungsgrad gesamter Module deutlich über die physikalische Grenze von Silizium-Einzelsolarzellen (Shockley-Queisser-Limit).
• Perowskit-Silizium-Tandemzellen haben bereits Laborwirkungsgrade von über 30 Prozent erreicht und gelten als Schlüsseltechnologie für die nächste Generation kosteneffizienter Solarmodule.

Die flexible Gestaltung der Perowskit-Materialien ermöglicht eine optimale Anpassung an verschiedene Lichtverhältnisse und Einsatzgebiete. Kombiniert mit gezielten Fortschritten beim Schichtdesign und der Integration mit Silizium werden Wirkungsgrad und Langzeitstabilität entscheidend verbessert. 

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Perowskit-Solarzellen und ihre Herausforderungen: Lebensdauer, Umwelt und Saisonalität 

Die große Stärke der Perowskit-Solarzellen – ihre Effizienz – zeigt sich im Sommer und Labor. Ein durchschnittlicher Effizienzverlust von rund 10 Prozent im Anfangsstadium und die hohe Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit schränken die Anwendung bislang ein. Dies belegt, dass mit optimierten Rezepturen und beschichteten Zellen die Verluste in der Praxis deutlich minimiert werden können; dennoch sind gerade saisonale Schwankungen und Materialalterung in nördlichen Breiten wichtige Herausforderungen für die Marktreife.

Zusätzlich stellt die Verwendung von Blei und Lösungsmitteln im Herstellungsprozess eine Umweltproblematik dar, an deren Lösung intensiv gearbeitet wird.

FAQ – Häufig gestellte Fragen zu Perowskit-Solarzellen

1. Wie funktionieren Perowskit-Solarzellen? 
   Sie nutzen ein Kristallmaterial mit hoher Lichtabsorption, das Lichtenergie effizient in Strom umwandelt.
2. Ist Perowskit besser als Silizium?
   Perowskit hat großes Potenzial und wird in Zukunft vermutlich eine wichtige Rolle spielen, vor allem in Kombination mit Silizium als Tandemzelle. Im Wirkungsgrad, bei Flexibilität und Kosten ist Perowskit klar im Vorteil. 
   Silizium ist bisher aber bei Stabilität und Lebensdauer überlegen und bleibt deshalb im Jahr 2025 für die meisten Anwendungen die bessere Wahl. Es ist wahrscheinlich, dass Perowskit-Solarzellen in den kommenden Jahren gleichwertig oder sogar überlegen sein könnten, wenn noch bestehende Mängel gelöst werden.
3. Sind Perowskite die Zukunft der Solarenergie?
   Perowskit-Technologie gilt als Zukunft der Solarenergie, vor allem wegen ihres hohen Effizienzpotenzials, der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und der günstigeren Herstellung. Während Silizium nach wie vor dominiert, ist Perowskit auf dem besten Weg, viele Anwendungen zu revolutionieren und könnte in Kombination mit Silizium noch viel leistungsfähigere Solarzellen hervorbringen. Die Marktreife und Stabilität verbessern sich ebenfalls ständig, was Perowskit 2025 zu einem der spannendsten Trends in der Solarbranche macht. 
   Kurz gesagt: Ja, Perowskite sind sehr wahrscheinlich ein zentraler Baustein für die Zukunft der Solarenergie.
4. Wann kommen Perowskit-Solarzellen auf den Markt?
   Erste Pilotproduktionen laufen, ein breiter Markteintritt hängt von weiteren Stabilitätsfortschritten ab.
5. Sind Perowskit-Solarzellen nachhaltig?
   Die Herstellung ist kostengünstig, doch der Einsatz von Blei bleibt ein Problem. Forschung arbeitet an bleifreien Alternativen.
6. Wie hoch ist der aktuelle Wirkungsgrad?
   Einzelzellen erreichen knapp 27 Prozent, Tandemzellen über 30 Prozent.

Sind Perowskit-Solarzellen die Zukunft der Solarenergie? Ein Fazit

Die beispiellose Kombination aus hoher Effizienz, niedrigem Preis und flexiblen Materialeigenschaften macht Perowskit-Solarzellen trotz saisonaler Schwächen zu einem Schlüssel für die nächste Generation der Photovoltaik. Mit gezielten Verbesserungen der Lebensdauer und dem Verständnis ihrer saisonalen Dynamik sind die Zellen bestens geeignet, die Energiewende nachhaltig voranzutreiben. Besonders für Standorte mit hohem Blauanteil des Sonnenlichts versprechen Perowskit-Solarzellen zukünftig konstante und hohe Energieerträge

Quellen: Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.V.; www.idw-online.de; Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE; www.techzeitgeist.de; Helmholtz Zentrum Berlin;