Wer an Schweizer Innovationen denkt, hat meist Präzisionsuhren und Finanzen im Kopf. Doch die Schweiz ist heute eine globale Supermacht in einem für unsere Zukunft viel wichtigeren Bereich: der Forschung und Entwicklung von Solarstrom.
Im Zentrum dieser wissenschaftlichen Revolution stehen zwei Westschweizer Institutionen von Weltrang: die EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne) und das CSEM (Centre Suisse d'Électronique et de Microtechnique) mit Sitz in Neuenburg. Ihre Labors verbessern nicht nur bestehende Solarmodule, sondern definieren die Grenzen der Physik neu, um die nächste Generation von Solarzellen zu schaffen.
Die Herausforderung ist gross. Mit einer begrenzten Dachfläche und den strengen Klimazielen der Energiestrategie 2050 benötigt die Schweiz Solarmodule, die auf derselben Fläche deutlich mehr Strom erzeugen können. In diesem ausführlichen Leitfaden zeigen Ihnen die Experten von Solar Panel Swiss auf, wie die aktuellen Entwicklungen – insbesondere Perowskit-Silizium-Tandemzellen – den Markt für Wohn- und Gewerbebauten in den nächsten fünf Jahren verändern werden.
1. Die Silizium-Mauer: Warum müssen wir innovieren?
Um den Erfolg der Schweizer Forscher zu verstehen, muss man die Grenzen der heutigen Technologie kennen. Rund 95 % der in der Schweiz und weltweit installierten Solarmodule basieren auf Silizium.
Die Shockley-Queisser-Grenze
In der Quantenphysik gibt es eine theoretische Obergrenze, die als "Shockley-Queisser-Grenze" bezeichnet wird. Sie besagt, dass eine Solarzelle, die aus einem einzigen Silizium-Übergang besteht, niemals mehr als etwa 29 % der Sonnenenergie in Strom umwandeln kann.
Silizium absorbiert rotes und infrarotes Licht hervorragend, ist aber bei blauem Licht (hochenergetisch) sehr ineffizient. Ein grosser Teil der Energie der blauen Photonen geht einfach als Wärme verloren.
Wo stehen wir heute?
Die besten heutigen kommerziellen Solarmodule (wie die von SunPower oder Meyer Burger) weisen Wirkungsgrade von 22 % bis 24 % auf. Wir sind also extrem nah an der absoluten physikalischen Grenze von Silizium. Um die Leistung der Module ohne Vergrösserung ihrer Abmessungen weiter zu steigern, war ein technologischer Durchbruch erforderlich. Hier kommt die Schweiz ins Spiel.
2. Die Tandem-Revolution: Die Ehe von Perowskit und Silizium
Um die physikalische Grenze von Silizium zu sprengen, arbeiten EPFL und CSEM an einer faszinierenden Technologie: der Tandem-Solarzelle.
Was ist Perowskit?
Perowskit ist an sich kein neues Material, sondern eine spezielle Kristallstruktur. In den 2010er Jahren entdeckten Wissenschaftler, dass man organisch-anorganische Materialien mit dieser Struktur synthetisieren kann und dass diese hervorragende Halbleiter sind.
Die Vorteile von Perowskit sind enorm:
- Es absorbiert blaues und grünes Licht ausserordentlich gut.
- Es kann bei niedrigen Temperaturen als Tinte oder flüssige Lösung hergestellt werden, was die Produktion potenziell sehr günstig macht (im Gegensatz zu Silizium, das bei über 1400 °C geschmolzen werden muss).
Wie funktioniert eine Tandemzelle? (Der EPFL/CSEM-Ansatz)
Die geniale Idee der Schweizer Labors (insbesondere des von Professor Christophe Ballif geleiteten PV-Labs der EPFL) besteht darin, Silizium nicht zu ersetzen, sondern es zu ergänzen. Eine Tandemzelle besteht aus zwei übereinanderliegenden Schichten:
- Die obere Schicht (Perowskit): Sie ist der Sonne zugewandt. Sie absorbiert blaues Licht (hochenergetisch) und lässt rotes Licht passieren.
- Die untere Schicht (Silizium): Sie fängt das von der Perowskit-Schicht gefilterte rote und infrarote Licht auf und wandelt es ebenfalls in Strom um.
Durch diese spektrale Arbeitsteilung reduziert das Tandem die Wärmeverluste drastisch. Der theoretische maximale Wirkungsgrad steigt schlagartig von 29 % auf über 42 %.
3. In der Schweiz gebrochene Weltrekorde
Das Ökosystem von Neuenburg und Lausanne ist Schauplatz eines weltweiten Rennens um Effizienzrekorde. Jahrzehntelang schien das Überschreiten der 30-Prozent-Marke für eine nicht konzentrierte Solarzelle ein ferner Traum zu sein.
Doch das gemeinsame Team des Photovoltaik-Labors (PV-Lab) der EPFL und des CSEM hat diese Decke pulverisiert. Sie entwickelten Perowskit-Silizium-Tandemzellen mit zertifizierten Wirkungsgraden von über 31 % und schliesslich über 32 % im Labor.
Möglich wurde dieser Erfolg durch präzise Nanotechnologie: Die raue Oberfläche des Siliziums (die aus mikroskopischen Pyramiden besteht) wurde geglättet, um eine perfekt gleichmässige, nur wenige Nanometer dicke Perowskit-Schicht ohne Kurzschlüsse aufzutragen.
4. Vom Labor aufs Dach: Die Herausforderungen der Kommerzialisierung
Einen Wirkungsgrad von 32 % auf einer 1 cm² grossen Zelle im Labor zu erreichen, ist ein wissenschaftlicher Sieg. Millionen von 2 m² grossen Solarmodulen zu produzieren, die 25 Jahre unter Schweizer Schnee funktionieren, ist eine andere Aufgabe. Die Technologie steht vor dem Nadelöhr der Industrialisierung.
A. Stabilität und Langlebigkeit
Im Gegensatz zu Silizium, das nahezu unverwüstlich ist, ist Perowskit empfindlich. Es baut sich unter dem Einfluss von Feuchtigkeit, Sauerstoff und starken Temperaturschwankungen schnell ab. Die Schweizer Forscher arbeiten an hochentwickelten Verkapselungstechniken, um eine Lebensdauer von mindestens 25 Jahren zu garantieren.
B. Skalierung (Scale-up)
Das Auftragen einer flüssigen Perowskit-Schicht auf eine mikroskopische Fläche ist gelöst. Dies auf kilometerlangen Glasbahnen mit absolut homogener Dicke zu tun, erfordert neue Industriemaschinen. Das CSEM arbeitet eng mit der europäischen Industrie zusammen, um bestehende Produktionslinien anzupassen.
C. Die Toxizitätsfrage (Blei)
Die leistungsstärksten Perowskit-Formeln enthalten heute Spuren von Blei (weniger als 1 Gramm pro Quadratmeter). Obwohl diese Menge winzig ist, verlangen die Schweizer und europäischen Umweltvorschriften den Nachweis, dass dieses Blei selbst bei einem Hagelschaden nicht in die Umwelt gelangen kann. Die EPFL-Teams arbeiten intensiv an bleifreien Alternativen.
5. Was ändert sich für Schweizer Hauseigentümer? (Zeithorizont 2028-2030)
Die Einführung von Perowskit-Silizium-Tandemmodulen auf dem kommerziellen Markt wird die Solarwirtschaft in der Schweiz verändern.
Mehr Energie auf kleinen Dächern
Schweizer Häuser haben oft komplexe Dächer mit Gauben oder Kaminen, was den Platz für Photovoltaik einschränkt.
- Heute: Ein Standardmodul von 2 m² leistet ca. 400 bis 430 Watt.
- Morgen (Tandem): Dasselbe Modul von 2 m² könnte über 550 bis 600 Watt leisten.
Diese Leistungsdichte wird es vielen Eigentümern ermöglichen, energetische Autarkie (für E-Auto und Wärmepumpe) auch ohne riesige Dachflächen zu erreichen.
Senkung der Stromgestehungskosten (LCOE)
Da bei gleichen Installations-, Verkabelungs- und Arbeitskosten 30 % mehr Strom erzeugt wird, amortisiert sich die Solaranlage in der Schweiz noch schneller.
6. Über den Wirkungsgrad hinaus: Ästhetik und BIPV durch das CSEM
Das CSEM sucht nicht nur nach reinem Wirkungsgrad. Einer ihrer grössten Beiträge betrifft das Thema BIPV (Building-Integrated Photovoltaics), also gebäudeintegrierte Photovoltaik.
In der Schweiz, wo der Heimatschutz streng ist, ist die Installation traditioneller schwarzer Solarmodule auf historischen Gebäuden oft verboten. Das CSEM hat revolutionäre Technologien entwickelt, um weisse, terracotta-farbene (rote) oder perfekt in Ziegel integrierte Solarmodule zu schaffen.
Durch die Kombination dieser ästhetischen Fortschritte mit der Leistung zukünftiger Perowskit-Zellen bewegt sich die Schweiz auf eine Zukunft zu, in der jede Fassade, jeder Ziegel und jedes Fenster ein unsichtbarer Stromgenerator sein wird.
Fazit: Die Schweiz als Energielabor der Welt
Die gemeinsamen Arbeiten von EPFL und CSEM sind keine reinen akademischen Erfolge. Sie bilden den Fahrplan der weltweiten Energiewende. Während der Markt heute vom Silizium dominiert wird, bereitet die Schweizer Solarforschung den nächsten industriellen Durchbruch mit der Perowskit-Silizium-Tandemrevolution vor, die schöne und extrem leistungsstarke Gebäude ermöglicht.