Nicht jede Technologie, die im Labor vielversprechend erscheint, schafft auch den Sprung auf den Markt. Konkurrenz durch bestehende Produkte, Herausforderungen bei der Skalierbarkeit sowie hohe Entwicklungs- und Produktionskosten gehören zu den häufigsten Hürden auf dem Weg von einer wissenschaftlichen Entdeckung zu einem wirtschaftlich erfolgreichen Produkt.
Was können Forschende und Industrie tun, um die Erfolgsquote zu steigern? Dieser Frage ist ein Team aus Forschenden und Expertinnen und Experten aus der Industrie am Beispiel von Solarzellen-Technologien nachgegangen. „Wir wollten verstehen, welche Voraussetzungen auf akademischer und auf Industrie-Seite erfüllt sein müssen, um eine Solarzelle zu entwickeln, die sich langfristig auf dem Markt behaupten kann“, erklärt Empa-Forscherin Mirjana Dimitrievska, Erstautorin der Studie.
Die Forschenden analysierten zwei neuartige Materialien für Dünnschicht-Solarzellen: Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) und Perovskite. Beide Halbleiter eignen sich zumindest in der Theorie hervorragend für Solarzellen und erreichen im Labor bereits Rekordwerte bei der Effizienz der Energieumwandlung. Das heißt, sie konvertieren einen hohen Anteil des einfallenden Sonnenlichts zu Strom und sind somit vielversprechende Materialien für die nachhaltige Energieproduktion.
Effizienzrekorde – aber zu teuer in der Skalierung
Die Entwicklung von CIGS-Solarzellen erreichte in den 1990er- und 2000er-Jahren ihren Höhepunkt. Angesichts hoher Siliziumpreise wurde die Technologie als Alternative zu Silizium-Solarzellen erforscht. Die neuartigen Solarzellen setzten Effizienzrekorde, unter anderem an der Empa. Weltweit wurden Firmen gegründet und es wurden beachtliche öffentliche und private Investitionen getätigt. Doch dann brach die Entwicklung ein. Der relativ aufwändige und komplexe Herstellungsprozess der Zellen erwies sich für viele Firmen als zu teuer in der Skalierung, insbesondere nachdem sich die Siliziumpreise wieder erholt hatten. Die bereits etablierte Silizium-Technologie setzte sich gegen den CIGS-„Neuankömmling“ durch.
Solarzellen aus Perovskit werden erst seit rund 20 Jahren entwickelt. Auch sie erreichen hohe Effizienzwerte. Außerdem lassen sie sich mit unterschiedlichen Verfahren herstellen, darunter potenziell kostengünstige Druckverfahren. Im Jahr 2025 wurden weltweit bereits über 500 Millionen US-Dollar in diese vielversprechende Technologie investiert. Auch an der Empa werden Perovskit-Solarzellen entwickelt und durch das Spin-off Perovskia Solar kommerzialisiert. Noch haben Solarzellen aus Perovskit aber keine weite Verbreitung gefunden, denn auch dieses neue Material bringt Herausforderungen mit sich. „Perovskite sind noch nicht sehr stabil”, sagt Dimitrievska. „Sie reagieren sehr empfindlich auf Umwelteinflüsse.” Im Gegensatz zu CIGS-Solarzellen wurden Perovskit-Solarzellen auch noch kaum über längere Zeit unter realen Umweltbedingungen getestet.
Forschung und Industrie an einen Tisch
Damit diese Schwächen der neuen Technologie nicht zum Verhängnis werden, haben Dimitrievska und ihre Ko-Autoren einige Empfehlungen formuliert. „Wir sollten aus unseren Fehlern lernen, insbesondere aus der Erfahrung mit der Kommerzialisierung von CIGS-Zellen“, sagt die Forscherin. Konkret empfehlen die Autoren, sich statt auf weitere Effizienz-Rekorde auf die Widerstandsfähigkeit, Stabilität und Nachhaltigkeit des Materials zu fokussieren und auch langfristige Feldstudien in Betracht zu ziehen. „Es ist der Industrie viel wichtiger, dass das Produkt eine lange Lebensdauer hat, zuverlässig ist und sich kostengünstig herstellen lässt, als ein paar Prozentpunkte mehr Effizienz“, erläutert Dimitrievska. „In der Forschung werden aber vor allem Effizienzrekorde belohnt. Sie führen zu hochkarätigen Publikationen und ziehen Forschungsgelder an.“
Um diese Diskrepanz zu überbrücken, müssten Forschung und Industrie bereits früher zusammenarbeiten. Von der Industrie wünschen sich die Forschenden etwas mehr Offenheit. „Manchmal kommen wir mit einer Idee auf einen Industriepartner zu und sie sagen uns: ‚Das haben wir schon vor zehn Jahren probiert, das funktioniert nicht.‘ Würden solche negativen Ergebnisse veröffentlicht, käme die Forschung viel schneller voran.“
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sollten ihrerseits die Bedürfnisse der Industrie möglichst früh miteinbeziehen, empfehlen die Autoren. „Forschungsinstitute wie die Empa sind besonders stark darin, da sie der Industrie in der Regel näher sind als Hochschulen“, sagt Dimitrievska. „Finanzierungsinstrumente wie Innosuisse sind auch sehr wertvoll, da sie ganz konkrete Produktentwicklungen unterstützen.“
Die richtige Solarzelle für jede Anwendung
Obwohl Perovskit-Solarzellen noch einen langen Weg vor sich haben, ist die Forscherin optimistisch. „Es wird rege daran geforscht, die Herausforderungen der Perovskite zu überwinden“, sagt sie. Auch CIGS-Solarzellen erleben derzeit einen Aufschwung. Dimitrievska und ihre Ko-Autoren sehen die beiden Dünnschicht-Technologien nicht als Konkurrenten von Silizium-Solarzellen, sondern als wertvolle Ergänzung. Mit Perovskiten und CIGS lassen sich Solarzellen herstellen, die leicht, biegsam und extrem dünn sind. Sie können überall dort zum Einsatz kommen, wo Silizium zu schwer und unflexibel ist, etwa im Internet der Dinge, in der Mobilität oder bei smarten Textilien. Zunehmend werden auch sogenannte Tandem-Technologien entwickelt. Durch die Kombination von Silizium mit einer Dünnschicht aus CIGS oder Perovskit lässt sich die Effizienz von Solarzellen weiter steigern.
Investitionen in die neuen Technologien halten die Autoren daher weiterhin für wichtig und notwendig. „Silizium ist nicht der beste Halbleiter für Solarzellen“, relativiert Dimitrievska. „Diese Technologie wird aber schon seit über 70 Jahren entwickelt und ist dank kontinuierlicher Forschung und Investitionen bereits sehr stark optimiert. Wenn Forschung und Industrie eng zusammenarbeiten, lässt sich das auch für Perovskite und CIGS erreichen.“
