Wirkungsgrad bei Tandem-Solarzellen jetzt über 35 Prozent
Noch vor wenigen Jahren galten Perowskit-Silizium-Tandemzellen als reine Laboridee. Inzwischen sind sie der Hoffnungsträger der Solarforschung: Der derzeit höchste zertifizierte Wirkungsgrad liegt laut NREL/NLR-Best-Research-Cell-Efficiency-Chart bei 35,0 Prozent (Perowskit-Silizium-Tandemzelle, Stand Mai 2026), und seit September 2024 produziert Oxford PV in Brandenburg an der Havel die weltweit ersten kommerziellen Perowskit-Tandem-Module. Wir erörtern, was diese Entwicklung für die Zukunft von Photovoltaikanlagen auf Hausdächern und an Fassaden bedeutet.
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Wirkungsgrad ist nicht gleich Wirkungsgrad
Den Durchbruch über die 30-Prozent-Schwelle markierten im Jahr 2022 zwei zertifizierte Rekorde: Das Berliner Helmholtz-Zentrum erzielte mit seinen Tandemzellen einen Stromumwandlungswirkungsgrad von 32,5 %, ein Team der EPFL Lausanne kam mit einer anderen Technik auf 31,25 %. Seitdem ist die Spitzenmarke kontinuierlich gewachsen. Der derzeit höchste zertifizierte Wert liegt bei 35,0 % – laut NREL-Best-Research-Cell-Chart (Stand 2026) erreicht vom chinesischen Hersteller LONGi und vom US-amerikanischen NREL bestätigt. Damit überschreitet die Tandemtechnologie erstmals nachweislich das physikalische Effizienzlimit (Shockley-Queisser-Grenze) konventioneller Einfach-Solarzellen.
Hier sind die Zahlen:
|
Zelltechnik |
Max. Wirkungsgrad |
|---|---|
| Tandem-Solarzelle (Si-Perowskit) |
35 % |
| Monokristalline Solarzelle |
27 % |
| Polykristalline Solarzelle |
23,3 % |
| CIGS-Solarzellen |
23,6 % |
| CdTe-Dünnschichtzellen |
23,1 % |
| a-Si-Dünnschichtzellen |
14 % |
Wiedergegeben sind nicht die Modulwirkungsgrade, sondern die der Solarzellen. Letztere finden Sie in unserem Beitrag Photovoltaikmodule im Vergleich. Stand des Tandem-Werts: NREL-zertifizierter Rekord von LONGi, Stand 2026.
Das ist sensationell, denn das herkömmliche Basismaterial Silizium ermöglicht nach den Gesetzen der Physik maximal etwa 29 Prozent (Auger-Limit). Bei Perowskit-Silizium-Tandemzellen geht das Fraunhofer ISE dagegen von einem theoretischen Wirkungsgradpotenzial von bis zu 43 Prozent aus. Was aber nicht heißt, dass die kristallinen Solarzellen damit auf einen Schlag überholt werden.
Für den Hinterkopf: Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist der Gradmesser für die Effizienz einer Photovoltaikanlage. Wie viel der einstrahlenden Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden kann, wird in Prozent angegeben. Monokristalline Siliziumzellen erreichen einen Zellwirkungsgrad von bis zu 27 Prozent und einen Modulwirkungsgrad von 20 bis 23 Prozent. Die realen Werte sind immer niedriger als die im Labor erzielten, wo ideale Bedingungen herrschen. Auf Modulebene liegen erste Tandem-Werte bereits vor, etwa Oxford PV mit 24,5 % sowie das Fraunhofer-ISE/Oxford-PV-Glas-Glas-Modul mit 25 %.
Was ist Perowskit?
In Solarzellen bezeichnet „Perowskit“ eine Materialfamilie mit Perowskit-Kristallstruktur; meist geht es um synthetische Metallhalogenid-Perowskite. Kostenvorteile ergeben sich eher aus sehr dünnen aktiven Schichten und möglichen Niedertemperatur- oder Druckverfahren. Eingesetzt wird Perowskit seit langem, unter anderem bei der Produktion von Leuchtdioden (LEDs). Mit Perowskit als Bestandteil von Solarzellen wird seit über 10 Jahren geforscht. Erste Erfolge vermeldete der Schweizer Michael Grätzel, als er 2013 Wirkungsgrade von 15 Prozent erreichte.
Bei der Herstellung von Photovoltaik-Modulen sind monokristalline Siliziumzellen der Standard. Zellen aus diesem als Mineral anerkannten Halbmetall weisen den besten Wirkungsgrad im Verhältnis zu den Produktionskosten auf. Bei suboptimalen Bedingungen ist Perowskit dem Silicium jedoch überlegen. In sogenannten Tandem-Solarzellen werden beide Materialien zusammengebracht.
Wie funktionieren Tandem-Solarzellen?
Wie auf einem Tandem arbeiten zwei zusammen. Nur sind es hier keine Radfahrer, sondern Materialien, meistens Silizium und Perowskit. Tandem-Solarzellen bestehen aus zwei übereinander gelagerten Schichten. Dadurch punkten sie mit einem Doppelnutzen:
- Die obere Schicht aus Perowskit absorbiert den Grün- und Blauanteil im Sonnenlicht und nutzt damit vor allem das kurzwellige Licht zur Stromerzeugung. Die anderen Anteile lässt die halbtransparente „Topzelle“ passieren („transmittieren“)
- Die darunter liegende Schicht aus Silizium („Bottomzelle“) kann dann wie gewohnt den Rotanteil und Infrarotanteil absorbieren und in elektrische Energie umwandeln.
Vorteile und Nachteile von Perowskit-Silizium-Solarzellen
Auch hier hat sich in der Forschung der letzten Jahre einiges getan. Genauer gesagt, die Faktenlage hat sich zugunsten der Vorteile verschoben.
- Die Lebensdauer konnte erhöht werden. Die Haltbarkeit von Perowskit-Zellen wird häufig noch auf der Nachteile-Seite geführt. Tatsächlich sind die Zellen recht anfällig, was die Abnutzung und den Feuchteeinfluss betrifft. 2022 vermeldete die Universität Princeton jedoch Erfolge beim Einsatz einer ultradünnen („2-dimensionalen“) Schutzschicht. Diese Cs2PbI2Cl2-Deckschicht werde zwischen die abnutzungsanfällige Perowskitschicht und die ladungstragende Schicht gelegt. Das Ergebnis: Bei einer Temperatur von 35 °C können die Solarzellen mehr als 5 Jahre Strom erzeugen. Unter realen Bedingungen entspricht dies einer Lebensdauer von ca. 30 Jahren. „Beschleunigte Alterungstests“ hätten dieses Ergebnis bestätigt, so die Forscher.
- Die Herstellung kann bei Raumtemperatur stattfinden. Im Unterschied dazu ist die Herstellung kristalliner Siliziumwafer energieintensiv; Hochtemperaturprozesse liegen je nach Schritt grob bei 1.400 bis 1.650 °C. Niedrige Temperaturen machen die Produktion von Perowskit-Zellen billiger und nachhaltiger.
- Es wird Material eingespart. Beide Rohstoffe sind nicht knapp und daher auch nicht teuer. Vielleicht noch nicht, denn steigt die Nachfrage weiter, wird für die Module mehr und mehr Material benötigt. Tandem-Solarzellen sind deutlich dünner als solche auf reiner Siliziumbasis. Dies senkt die Kosten – sowohl bei der Herstellung als später auch beim Transport und der Montage der Paneele.
- Perowskit-Zellen können flexibel und transparent gefertigt werden. Man denke da nur an die Möglichkeiten, die sich bei der gebäudeintegrierten Photovoltaik bieten. Dünnschichtzellen in allen Farben, für jede Fassade oder lichtdurchlässig. Die optischen Möglichkeiten scheinen unendlich. Bei Tandem-Zellen setzt die starre Siliciumschicht allerdings Grenzen.
- Die Zellen arbeiten auch bei suboptimalen Lichtverhältnissen. Ob bedeckter Himmel, aufsteigender Nebel oder gar leichter Regen: Auch Silizium-Module erzeugen bei diffusem Licht weiter Strom, allerdings mit deutlich reduzierter Leistung. Perowskit dagegen kann auch das kurzwellige Licht zur Stromproduktion nutzen.
Bleibt bei so viel Lob überhaupt noch ein Nachteil? Leider ja:
- Die Produktionskosten sind noch unrentabel. Stichwort Skaleneffekt: Die Preise können erst sinken, wenn die entsprechende Nachfrage da ist. Im derzeit noch siliziumbasierten Markt rechnet die Fachwelt mit einer sehr langen Einführungsphase für die universellen Perowskit-Folien. Der Siegeszug der Tandem-Solarzelle wird dagegen früher erwartet. Vor allem, wenn es gelingt, die guten Labor-Ergebnisse bei den Wirkungsgraden auf seriell gefertigte PV-Module zu übertragen.
- Perowskit-Absorber enthalten Blei. Wird ein Modul beispielsweise durch heftigen Hagelschlag beschädigt, kann der giftige Stoff von Regen ausgewaschen werden und in den Boden sickern. Zwar gibt es Bemühungen, umweltfreundlichere Solarzellen aus Perowskit herzustellen, diese arbeiten mit heutigem Forschungsstand aber noch sehr instabil.
- Neue Modulgrößen erfordern neue Montagesysteme. Dieser Nachteil ist sicher nicht der wichtigste, aber dünnere Solarpaneele müssten anders befestigt werden. Neues Montagematerial wäre zu entwickeln und zu produzieren. Neue Standards wären einzurichten, an denen sich die Installateure orientieren könnten (und müssten).
Nachhaltigkeit im Fokus
Bei der Herstellung von Perowskit-Solarzellen werde nur ein Achtel des CO2 ausgestoßen, das man mit der allerneuesten Siliziumtechnologie benötige, so Dr. Lukas Wagner vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Im Fraunhofer-Leitprojekt „MaNiTU“ (2019 bis 2024) widmeten sich sechs Fraunhofer-Institute gemeinsam der Entwicklung nachhaltiger, höchsteffizienter und kostengünstiger Tandemsolarzellen auf Basis neuer Absorbermaterialien. Das Abschlussergebnis Ende 2024: Mit einer industrietauglichen Standard-Siliziumzelle wurde ein Wirkungsgrad von 31,6 Prozent auf einem Quadratzentimeter erreicht. Die getesteten bleifreien Perowskit-Alternativen erzielten allerdings keine ausreichende Effizienz – die Forschenden entwickelten daher Recyclingkonzepte für bleihaltige Tandem-Module, um die Nachhaltigkeit über den gesamten Lebenszyklus zu sichern.
Vom Labor in die Praxis: Erste kommerzielle Tandem-Module
Was lange als Forschungsthema galt, hat 2024 den Sprung in die Serienfertigung geschafft: Das britisch-deutsche Unternehmen Oxford PV produziert seit September 2024 in seiner Fabrik in Brandenburg an der Havel die weltweit ersten kommerziellen Perowskit-Silizium-Tandem-Module. Die ersten ausgelieferten 72-Zellen-Module erreichen einen Modulwirkungsgrad von 24,5 Prozent und liefern damit nach Herstellerangaben rund 20 Prozent mehr Energie auf gleicher Fläche als herkömmliche Silizium-Module. Auch das Fraunhofer ISE und Oxford PV haben gemeinsam ein Glas-Glas-Modul mit 25 Prozent Wirkungsgrad und 421 Watt Leistung auf 1,68 Quadratmetern entwickelt – im industriellen Format.
Vorerst gehen die Module vor allem an Großanlagen-Betreiber und Industriekunden – die erste Lieferung ging an einen US-Kunden. Oxford PV plant, die Pilotproduktion in Brandenburg sukzessive auf Gigawatt-Niveau zu skalieren. Bis Tandem-Module in größerer Stückzahl auch für Privatdächer verfügbar sind, dürften noch einige Jahre vergehen. Das Unternehmen verfolgt nach eigenen Angaben einen Fahrplan, der den Modulwirkungsgrad bis 2027 auf 27 Prozent und bis 2030 auf 30 Prozent heben soll.
Für Hausbesitzer, die heute eine Photovoltaikanlage planen, bedeutet das: Hocheffiziente Standard-Module aus monokristallinem Silizium bleiben vorerst die naheliegende Wahl – sie sind etabliert, mit langjähriger Garantie versehen und in großer Auswahl verfügbar. Die Tandem-Technologie wird die Solarbranche aber prägen und langfristig vermutlich auch das Angebot für Privatdächer verändern. Wer heute investiert, muss also nicht auf die nächste Generation warten – kann sich aber sicher sein, dass die Solartechnik nicht stehengeblieben ist.
Fazit
Tandem-Solarzellen stehen im Fokus der aktuellen Solarzellenforschung – und sind seit September 2024 erstmals auch kommerziell verfügbar. Die ultradünnen, druckbaren und günstig herzustellenden Perowskitzellen können auf eine Glasplatte oder eine Folienrolle aufgebracht werden. Perfekt sind sie im Verbund mit einer Siliziumschicht: Diese ist für den roten Spektralbereich optimal, die Perowskitschicht für den blauen. Tandem-Solarzellen sammeln also nicht einfach das Licht aller Farben ein, sondern verteilen es an die jeweiligen Spezialisten. Das steigert ihre Effizienz und damit den Wirkungsgrad des Moduls. Bis Tandem-Module breit für Privatdächer verfügbar sind, dürften noch einige Jahre vergehen – langfristig könnten sie Standard-Silizium-Module ergänzen oder in besonders flächenkritischen Anwendungen teilweise ersetzen.
Quellen:
Studie des Helmholtz-Zentrums, Berlin: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf5872
Studie der ETHL, Lausanne https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0091
Studie der Princeton University zur Schutzschicht: https://engineering.princeton.edu/news/2022/06/13/loo-30-year-perovskite-solar-cell
Fraunhofer zu Perowskiten: https://www.fraunhofer.de/de/forschung/aktuelles-aus-der-forschung/wir-haben-die-energie/photovoltaik.html
Fraunhofer-Leitprojekt »MaNiTU«: https://manitu.fraunhofer.de/
Abschlussergebnisse MaNiTU (Fraunhofer ISE Pressemitteilung Dez. 2024): Fraunhofer ISE Pressemitteilung
LONGi 35,0 % NREL-zertifizierter Wirkungsgrad-Rekord (Stand 2026): LONGi Pressemitteilung
Oxford PV – Start der kommerziellen Produktion in Brandenburg, Sept. 2024: Oxford PV Pressemitteilung
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