Silizium allein kommt an eine harte physikalische Mauer: Mehr als rund 29 Prozent des Sonnenlichts lassen sich mit einer einzelnen Zelle nicht in Strom verwandeln. Ein Team aus der Westschweiz hat diese Grenze nun mit einem Stapel aus drei Schichten durchbrochen und dabei einen zertifizierten Bestwert erreicht, der den bisherigen Rekord seiner Klasse um fast drei Prozentpunkte übertrifft. Bemerkenswert ist weniger die Zahl als der Weg dorthin. Drei gezielte Eingriffe genügten, und einer davon wirkt fast trivial.
Jede Solarzelle arbeitet gegen ein grundsätzliches Problem: Sonnenlicht besteht aus Photonen sehr unterschiedlicher Energie, ein Halbleiter kann aber nur einen schmalen Ausschnitt davon effizient verwerten. Photonen mit zu geringer Energie durchdringen das Material ungenutzt. Photonen mit zu hoher Energie geben ihren Überschuss als Wärme ab. Aus diesem Missverhältnis folgt eine theoretische Obergrenze, die bei einer einzelnen Siliziumschicht bei etwa 29 Prozent liegt und in der Praxis bei rund 26,7 Prozent erreicht wurde. Der Ausweg besteht darin, mehrere Halbleiter mit unterschiedlicher Bandlücke übereinanderzustapeln. Die oberste Schicht nimmt kurzwelliges blaues Licht auf und lässt den Rest durch, die darunterliegende Schicht greift sich den nächsten Spektralbereich. Zwei gestapelte Schichten ergeben eine Tandemsolarzelle, drei Schichten eine Dreifachsolarzelle. Der theoretische Spielraum wächst mit jeder Lage, die praktische Umsetzung allerdings ebenfalls in ihrer Schwierigkeit.
Der Grund liegt in der Verschaltung. Die Schichten sind in Reihe geschaltet, weshalb der schwächste Teilstrom den Gesamtstrom bestimmt, ganz wie das schwächste Glied einer Kette. Alle Lagen müssen also exakt gleich viel Strom liefern, was eine präzise Abstimmung der Schichtdicken und Bandlücken verlangt. Hinzu kommt ein Materialproblem. Die klassischen Hochleistungsstapel aus III-V-Halbleitern erreichen bis zu 37 Prozent, kosten pro Watt aber etwa das Tausendfache terrestrischer Zellen und bleiben deshalb der Raumfahrt vorbehalten. Perowskite gelten als kostengünstige Alternative, weil sie sich als dünne Filme bei niedrigen Temperaturen abscheiden lassen und ihre Bandlücke über die chemische Zusammensetzung einstellbar ist. Bei drei Lagen häuften sich bislang jedoch die Verluste. Wie hoch die Latte inzwischen liegt, zeigt der Vergleich mit einer Tandemzelle aus Silizium und Perowskit, die bereits deutlich über 30 Prozent erreicht hat.
Forscher des Photovoltaics and Thin-Film Electronics Laboratory der EPFL und des Schweizer Forschungszentrums CSEM haben den Stapel gezielt an seinen zwei schwächsten Punkten angefasst. Nach der in Nature veröffentlichten Arbeit von Erstautor Kerem Artuk litt die oberste Perowskitschicht an einer zu niedrigen Spannung, während die mittlere Schicht zu wenig Strom erzeugte. Gegen das Spannungsproblem setzte das Team ein Molekül ein, das während der Kristallisation das Wachstum des Perowskits lenkt und zugleich Defekte an den Korngrenzen absättigt. Dort rekombinieren Ladungsträger sonst vorzeitig und gehen für den Stromfluss verloren. Nach der Behandlung liefert die Deckschicht unter Sonnenlicht 1,4 Volt, ein für diese Materialklasse hoher Wert. Gegen das Stromproblem entwickelten die Forscher ein neues dreistufiges Herstellungsverfahren für die mittlere Zelle, das deren Aufnahme im nahen Infrarot verbessert.
Der dritte Eingriff betrifft das Photonenmanagement und wirkt auf den ersten Blick fast banal. Zwischen die Silizium-Bodenzelle und die mittlere Perowskitschicht legte das Team Nanopartikel aus Siliziumoxid. Diese Partikel streuen Licht, das die mittlere Zelle beim ersten Durchgang verfehlt hat, zurück nach oben, wo es eine zweite Chance auf Absorption erhält. Statt die Schicht dicker zu machen, was neue Verluste erzeugt hätte, verlängert der Streukörper schlicht den optischen Weg des Lichts im Bauteil. Der zusätzliche Strom in der mittleren Zelle hebt anschließend den Gesamtstrom der Reihenschaltung an. Das Ergebnis ist ein unabhängig zertifizierter Wirkungsgrad von 30,02 Prozent, geprüft am Shanghaier Institut für Mikrosysteme und Informationstechnologie. Der bisherige Bestwert dieser Bauart, aufgestellt von einem Team der National University of Singapore, lag bei 27,1 Prozent. Auch anderswo verbessert man die Ausbeute über die Physik statt über neue Materialien, etwa mit einer Hydrogelbeschichtung zur Kühlung von Solarmodulen.
Rekordwerte aus dem Labor betreffen häufig briefmarkengroße Proben und verschwinden anschließend wieder. Der entscheidende Punkt dieser Arbeit liegt deshalb neben der Zahl. Das Team fertigte den Stapel nicht nur auf einem Quadratzentimeter, sondern auch auf 4 und auf 54 Quadratzentimetern und zeigte damit, dass sich die Verfahren vergrößern lassen und grundsätzlich mit industriellen Fertigungsschritten vereinbar sind. Am Projekt beteiligt waren unter anderem das Fraunhofer ISE, die Universität Freiburg, das Helmholtz-Zentrum Berlin und die Universität Potsdam. Laborleiter Christophe Ballif verweist auf die Entwicklung seit der ersten Demonstration von 2018, die bei 13 Prozent lag, und hält für Dreifachzellen langfristig deutlich über 40 Prozent für erreichbar. Wie weit der Weg von einem Rekordwirkungsgrad im Labor bis zum bezahlbaren Modul bleibt, zeigt die Erfahrung mit früheren Bestwerten.
Die offene Flanke der Technologie heißt Haltbarkeit. Perowskite reagieren empfindlich auf Feuchtigkeit, Sauerstoff, Hitze und ultraviolette Strahlung, und ein Solarmodul muss auf einem Dach zwei bis drei Jahrzehnte durchhalten. Belastbare Langzeitdaten über einen solchen Zeitraum existieren für diese Bauart bislang nicht, und genau hier entscheidet sich, ob aus dem Laborwert ein Produkt wird. EPFL-Teamleiter Christian Wolff nennt die nächsten Schritte entsprechend nüchtern: Hochskalierung gemeinsam mit dem Partner CSEM, Alterungstests und Integration in künftige kommerzielle Produkte. Der wirtschaftliche Reiz bleibt trotzdem beträchtlich. Bei der Massenfertigung konventioneller Module dominiert China, während die Stärke der Schweizer und deutschen Institute in Materialien und Verfahren liegt. Auf gleicher Dach- oder Fassadenfläche mehr Strom zu ernten, zählt überall dort, wo Fläche knapp und teuer ist, und dieser Vorteil wächst mit jedem Prozentpunkt.
Nature, Triple-junction solar cells with improved carrier and photon management; doi:10.1038/s41586-026-10385-y