Organische Solarzellen lassen sich prinzipiell aus dünnen Halbleiterschichten drucken und könnten dadurch besonders leicht, flexibel und materialsparend werden. Ein Problem blieb jedoch hartnäckig: Die leistungsfähigsten Verfahren benötigen häufig organische Lösungsmittel. Wasserbasierte Solarzellen vermeiden einen Teil dieses Problems, verloren bislang aber deutlich an Wirkungsgrad. Ein neuer Wirkungsgradrekord zeigt nun, dass diese technische Grenze erheblich verschoben werden kann.
Eine Solarzelle muss aus einem extrem dünnen Materialfilm zuverlässig Ladungsträger erzeugen und zu ihren Elektroden transportieren. Bei klassischen Siliziumzellen übernimmt ein kristalliner Halbleiter diese Aufgabe. Organische Solarzellen funktionieren anders. Ihre aktive Schicht besteht aus kohlenstoffhaltigen Halbleitermolekülen, die sich in sehr dünnen Filmen verarbeiten lassen. Dadurch eignen sie sich theoretisch für leichte Folien, gekrümmte Oberflächen und großflächige Druckprozesse. Die industrielle Attraktivität hängt jedoch nicht nur vom fertigen Wirkungsgrad ab. Auch die Herstellung entscheidet darüber, ob eine Technik tatsächlich ressourcenschonend und skalierbar wird. Viele leistungsfähige organische Halbleiter werden bisher aus organischen Lösungsmitteln verarbeitet, die gesundheitlich oder ökologisch problematisch sein können. Wasserbasis wäre deutlich attraktiver, doch die Halbleitermoleküle lösen sich darin nicht einfach auf. Stattdessen müssen sie als winzige Nanopartikel in einer stabilen Tinte verteilt werden.
Genau an dieser Stelle entsteht ein materialspezifisches Problem. Ein Nanopartikel ist nicht bloß ein verkleinerter Tropfen eines fertigen Solarzellfilms. Während seiner Bildung ordnen sich verschiedene Bestandteile an Grenzflächen unterschiedlich an. Bei organischen Solarzellen müssen sogenannte Donor- und Akzeptormaterialien in einer feinen Struktur nebeneinanderliegen. Nur dann können Lichtenergie, Ladungstrennung und Transport effizient zusammenspielen. Bilden die Partikel dagegen eine ungünstige Hülle, verschmelzen sie beim Trocknen nicht optimal zu einer zusammenhängenden aktiven Schicht. Das begrenzte lange den Wirkungsgrad wasserverarbeiteter Zellen. Andere Photovoltaik-Technologien erreichen bereits deutlich höhere Rekorde. Eine Perowskit-Silizium-Tandemzelle kam 2026 beispielsweise auf einen zertifizierten Wirkungsgrad von 35,5 Prozent. Der neue Rekord betrifft eine andere Materialklasse und löst deshalb ein anderes Problem.
Das internationale Forscherteam berichtet in Nature Communications über wasserbasierte Solarzellen mit einer gemessenen Effizienz von 12,64 Prozent und einem unabhängig zertifizierten Wert von 12,59 Prozent. Der vorherige Benchmark für wasserbasierte organische Solarzellen lag bei 11,1 Prozent. Der absolute Unterschied erscheint im Vergleich zu Hochleistungszellen aus anderen Materialien zunächst klein, innerhalb dieser speziellen Herstellungsklasse ist er jedoch entscheidend. Der Wirkungsgrad beschreibt den Anteil der einfallenden Lichtleistung, den eine Solarzelle in elektrische Leistung umwandelt. Gerade bei neuen Fertigungsverfahren ist jeder zusätzliche Prozentpunkt schwer zu gewinnen, weil mehrere Verlustmechanismen gleichzeitig verbessert werden müssen. Die Forscher steigerten daher nicht nur die Lichtabsorption, sondern veränderten gezielt die innere Struktur der Nanopartikel und damit den späteren Ladungstransport.
Der technische Kern liegt in der Grenzflächenspannung zwischen Wasser und einer organischen Phase während der Herstellung der Partikel. Dort ordnen sich die Halbleitermaterialien neu. Ohne gezielte Kontrolle entsteht eine stark donorhaltige und hochgeordnete äußere Schicht. Diese Hülle erschwert später das Verschmelzen benachbarter Nanopartikel zu einem gleichmäßigen Film. Das Team veränderte deshalb die Bedingungen an der Flüssigkeitsgrenze so, dass sich eine gemischtere polykristalline Oberflächenregion ausbildete. Beim Trocknen konnten die Partikel dadurch besser miteinander verschmelzen. Die Phasen wurden zusammenhängender und die Molekülpackung gleichmäßiger. In einer funktionierenden organischen Solarzelle sind solche nanoskopischen Details entscheidend. Elektronen und positive Ladungsträger müssen nach der Lichtabsorption getrennt und anschließend in unterschiedliche Richtungen transportiert werden. Unterbrochene Wege oder ungünstige Grenzflächen erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass sie sich wieder vereinigen und die aufgenommene Energie verloren geht.
Die Arbeit zeigt damit, wie eng die Eigenschaften der fertigen Photovoltaik mit der Entstehung einzelner Nanopartikel verknüpft sind. Die Forscher kombinierten strukturelle Messverfahren, um zu verfolgen, wie sich die Materialverteilung vom einzelnen Partikel bis zum getrockneten Film verändert. Eine besser gemischte Oberfläche förderte die Fusion der Partikel und erzeugte durchgängigere Transportwege. Dadurch stiegen sowohl Ladungserzeugung als auch Ladungstransport, während unerwünschte Rekombination unterdrückt wurde. Für gedruckte Elektronik ist das besonders relevant, weil sich solche Tinten theoretisch über Beschichtungs- und Druckverfahren auf große Flächen aufbringen lassen. Organische Solarzellen konkurrieren dabei nicht unbedingt direkt mit starren Siliziummodulen auf Hausdächern. Ihre Vorteile liegen eher in geringem Gewicht, mechanischer Flexibilität und potenziell niedrigen Prozesstemperaturen. Je weniger problematische Lösungsmittel dafür benötigt werden, desto interessanter wird ihre Fertigung für Anwendungen, bei denen große dünne Flächen entscheidend sind.
Ein hoher Wirkungsgrad allein genügt nicht, wenn eine Zelle schnell altert. Deshalb ist ein zweiter Befund der Arbeit mindestens ebenso relevant. Die neuen Zellen erreichten unter thermischer Belastung einen T80-Wert von mehr als 2000 Stunden bei 85 Grad Celsius. T80 bezeichnet die Zeit, bis die Leistung auf 80 Prozent ihres Ausgangswerts gefallen ist. Solche beschleunigten Alterungstests ersetzen keinen jahrzehntelangen Außeneinsatz, erlauben aber einen standardisierten Vergleich verschiedener Materialien. Wärme ist für organische Halbleiterschichten besonders anspruchsvoll, weil sich die feinen Strukturen verändern können. Wenn Donor- und Akzeptorbereiche wandern oder sich vergröbern, verschlechtern sich die Transportwege. Der neue Aufbau stabilisierte offenbar gerade jene Morphologie, die gleichzeitig den höheren Wirkungsgrad ermöglicht. Das unterscheidet die Arbeit von einem reinen Rekordversuch, bei dem maximale Effizienz nur für kurze Zeit unter idealen Laborbedingungen erreicht wird.
Ein direkter Vergleich von 12,59 Prozent mit den mehr als 30 Prozent moderner Tandemzellen wäre irreführend. Beide Technologien verfolgen unterschiedliche Ziele. Hochleistungs-Tandemzellen maximieren vor allem die Energieausbeute pro Fläche. Wasserbasierte organische Solarzellen zielen dagegen auf eine Kombination aus dünner, flexibler Bauweise und potenziell einfacherer Verarbeitung. Auch Dreifachzellen erreichen inzwischen Werte, die noch vor wenigen Jahren kaum möglich erschienen, wie der Rekord einer Schweizer Dreifachsolarzelle zeigt. Für die industrielle Bewertung zählt deshalb nicht nur der maximale Wirkungsgrad, sondern auch Materialeinsatz, Produktionsgeschwindigkeit, Haltbarkeit, Gewicht und die Art der verwendeten Chemikalien. Eine Technologie kann in einer dieser Kategorien deutlich schwächer und in einer anderen besonders attraktiv sein.
Das Team um Wei Ma an der Xi'an Jiaotong University arbeitet seit Jahren an organischen Halbleitern, Röntgenstreuung und Energiematerialien. Das offizielle Forschungsprofil der Universität nennt organische Solarzellen ausdrücklich als einen Schwerpunkt. Der neue Befund verschiebt nun eine zentrale praktische Grenze dieses Feldes. Wasserbasis bedeutete bislang häufig, bei der elektrischen Leistung einen deutlichen Kompromiss akzeptieren zu müssen. Die neue Materialsteuerung reduziert diesen Nachteil, ohne das Lösungsmittelproblem einfach durch einen anderen Hochleistungsprozess zu umgehen. Bis zu industriellen Modulen bleiben dennoch Fragen offen, darunter großflächige Beschichtung, reproduzierbare Produktion, Langzeitstabilität unter Sonne und Feuchtigkeit sowie Kosten. Der Rekord zeigt aber, dass die chemische Wahl des Lösungsmittels und hohe Effizienz nicht zwangsläufig Gegensätze bleiben müssen.
Nature Communications, Water-oil interfacial kinetics control enables water-based organic solar cells with 12.59% certified efficiency; doi:10.1038/s41467-026-78233-1