Solarzellen und Quantentechnik der Zukunft: LMU-Forschende setzen auf Perowskit

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Die hochentwickelten Schichten sind nur wenige Hundert Nanometer dick – trotzdem sind sie mit bloßem Auge deutlich zu erkennen: Der ultradünne Film erscheint auffallend dunkel, weil er in der Lage ist, einen Großteil des einfallenden Lichts zu absorbieren. Die Rede ist von Perowskit – eine Klasse kristalliner Materialien, die für ultradünne Solarzellen-Anwendungen prädestiniert ist. „Unsere Bauteile sind in der Regel weniger als zwei Mikrometer dick“, erzählt Dr. Erkan Aydin, Leiter der LMU-Forschungsgruppe für innovative Photovoltaik-Technologien. Gemeinsam mit seinem Team entwickelt er Perowskit-Solarzellen, die für zahlreiche Anwendungen infrage kommen – etwa für Fassaden, Wearables oder gar Satelliten.

Die Materialklasse kann Sonnenlicht extrem gut absorbieren und lässt sich auf viele unterschiedliche Oberflächen aufbringen, darunter Metall- oder Kunststofffolien und Glas. Wegen ihrer ultradünnen und teils sogar transparenten Struktur könnten die Perowskit-Zellen zum Beispiel in Fenstergläser integriert oder als Folien aufgebracht werden. Da man sie mit relativ einfachen und kostengünstigen Verfahren wie Drucken oder Beschichten verarbeiten kann, bieten Perowskite eine äußerst vielseitige Plattform für zukünftige Solartechnologien.

„All diese Eigenschaften machen Perowskite zu einer einzigartigen Materialplattform“, sagt Dr. Esma Ugur, die an der LMU eine Forschungsgruppe für die Erforschung von Technologien zur Energiegewinnung leitet. Bis die Technologie jedoch in größerem Umfang eingesetzt werden kann, ist noch weiterer Forschungsaufwand erforderlich, um die Stabilität und langfristige Zuverlässigkeit dieser Technologie zu verbessern.

Effiziente Energiegewinnung und Quantentechnologien der Zukunft

Genau diese Lücke zwischen Grundlagenforschung und industrieller Anwendung möchten Aydin, Ugur und andere LMU-Forschende schließen. Für die Weiterentwicklung der Perowskit-Module erhalten sie Unterstützung von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die das Exzellenzcluster e-conversion fördert. Im Rahmen dieser Initiative untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von LMU und TUM gemeinsam mit weiteren Partnern, wie sich Energie effizienter und nachhaltiger als bislang umwandeln und speichern lässt. Aydins Augenmerk liegt dabei auf den Grundlagen: „Wir entwickeln vor allem Materialien und Bauelementprinzipien, um einige fundamentale Probleme zu lösen, die die Industrie nicht lösen kann.“

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Ums Fundamentale geht es auch dem LMU-Forscher Dr. Quinten Akkerman, Leiter der Forschungsgruppe „Quantum Dot Synthesis and Characterization“ am Nano-Institut München. Er experimentiert mit nur wenige Nanometer großen Perowskit-Kristallen – eine Größenordnung, in der sich quantenmechanische Eigenschaften zeigen. Im Fachjargon werden solche Objekte als Perowskit-Quantenpunkte bezeichnet. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen optischen Eigenschaften könnten Perowskit-Quantenpunkte die Grundlage für neue, helle und effiziente LEDs, Mini-Laser und Quantenlichtquellen bilden. Letztere sind für zukünftige Quantentechnologien wie Quantenkommunikation und Quantencomputer von zentraler Bedeutung, weil sie kontrolliert einzelne Lichtteilchen aussenden können.

Für sein Projekt CONTROL erhielt Akkerman kürzlich zudem einen „Starting Grant“ des Europäischen Forschungsrats (ERC) in Höhe von rund 1,5 Millionen Euro. Im Rahmen dieses Projekts wird er in den nächsten fünf Jahren robotergestützte Syntheseprogramme entwickeln, die es ermöglichen, die Herstellung von Perowskit-Quantenpunkten neu zu gestalten und deren optische Eigenschaften und Oberflächenchemie zu verbessern. Dies erleichtert die Integration dieser winzigen Quantenlichtemitter in die nächste Generation optoelektronischer und Quantenbauelemente.

Professor Alexander Urban, der ebenfalls am Nano-Institut München forscht, beschäftigt sich auch mit Perowskit-Nanokristallen. Der LMU-Wissenschaftler hat ein Werkzeug entwickelt, das automatisierte chemische Synthese, Hochdurchsatz-Charakterisierung und datengetriebene Modellierung kombiniert. Damit lässt sich das Wachstum der Nanokristalle äußerst präzise steuern und ihre optischen Eigenschaften modulieren – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu Anwendungen für Perowskit-Quantenpunkte in Optoelektronik und Quantentechnologien.

Vom Uralgestein zum Solarzellen-Star

Dass Perowskite eine derart vielseitige Materialklasse sind, kristallisierte sich erst um die Jahrtausendwende heraus. Dabei wurde das „Ur-Perowskit“ bereits im Jahr 1839 erstmals beschrieben. In jenem Jahr analysierte der deutsche Mineraloge Gustav Rose eine Gesteinsprobe aus dem Uralgebirge. Er identifizierte Calcium und Titanoxid – Calciumtitanat mit der Formel CaTiO₃ – und skizzierte die Kristallstruktur. Das neue Mineral taufte er nach dem russischen Mineralogen und Staatsmann Lew Perowski: „Perowskit“.

Erst im Lauf der Zeit wurde die Bezeichnung Perowskit auf eine ganze Klasse von Kristallen ausgeweitet, die die charakteristische Struktur ABX₃ besitzen (siehe Infobox). In den 1990er- und frühen 2000er-Jahren erkannte man, dass bestimmte Perowskite Licht besonders gut absorbieren. Zeitgleich zeigte sich, dass sich die Eigenschaften des Perowskit-Materials ändern – etwa welches Lichtwellenspektrum eingefangen wird –, je nachdem aus welchen Elementen der Kristall aufgebaut ist. Eine japanische Arbeitsgruppe demonstrierte 2009 erstmals, dass sich das Konzept einer Perowskit-Solarzelle praktisch umsetzen lässt.

Perowskit-Struktur
Das Ur-Perowskit Calciumtitanat CaTIO₃ ist folgendermaßen aufgebaut: Calcium (Ca) sitzt an den Ecken der Kristallzelle, Titan (Ti) befindet sich im Zentrum, Sauerstoffatome (O) umgeben das Titan und bilden ein Oktaeder. Es gibt aber Tausende weitere Perowskit-Kristalle mit der allgemeinen Formel ABX₃. Dabei können A, B und X durch unterschiedliche Atome oder Moleküle besetzt werden, ohne dass die grundlegende Kristallarchitektur verloren geht.

Erkan Aydins Labor setzt besonders auf modernen Mischkationen-Perowskit auf Basis von Formamidinium, Methylammonium und Cäsium sowie Blei als Metallzentrum. Als Halogenide kommen etwa Iod und Brom zum Einsatz. Solche Mehrkomponenten-Perowskite erreichen höhere Wirkungsgrade und eine bessere Stabilität als frühere Perowskitmaterialien. In sogenannten Tandemzellen kombiniert man sie mit herkömmlichen Siliziumzellen, um eine größere Bandbreite des Sonnenlichts in Energie umzuwandeln.

Perowskit und Silizium: Sonnenlicht noch besser verwerten

Der entscheidende Durchbruch gelang 2012 mit der Entwicklung stabiler Perowskit-Festkörperzellen; seither ist die Effizienz rasant gestiegen: „Im Labor erreichen Perowskit-Zellen mit einem einzigen Übergang mittlerweile Wirkungsgrade von über 27 Prozent“, sagt Aydin – einer der schnellsten Leistungszuwächse, der jemals bei einer Solarzellentechnik beobachtet wurde. Ein Grund dafür ist, dass sich hochwertige Perowskit-Absorberschichten relativ einfach als Dünnschichten verarbeiten lassen, was eine schnelle Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Bauelemente ermöglicht hat. Hier ist die Technologie gegenüber Silizium klar im Vorteil.

Das nutzen die LMU-Forschenden etwa bei der Entwicklung sogenannter Tandem-Solarzellen. Sie bestehen aus einer Kombination aus Perowskit- und Siliziumzellenschicht, um die Sonnenlichtenergie noch besser zu verwerten. „Die Perowskitzelle können wir so optimieren, dass sie genau den Spektralbereich erntet, den Silizium kaum absorbiert“, erklärt Aydin. Bei den leistungsstärksten Tandemzellen ließ sich der Wirkungsgrad auf diese Weise inzwischen auf bis zu 34 Prozent anheben.

Perowskit-Solarzellen für den Weltraum

Die Raumfahrt stellt extreme Anforderungen an Solarzellen. Die Bauelemente müssen intensiver Strahlung, Vakuumbedingungen, starker UV-Strahlung und rapiden Temperaturschwankungen zwischen direktem Sonnenlicht und Dunkelheit standhalten. Da Sonnenenergie zudem die einzige verfügbare Energiequelle im Weltraum ist, ist die Photovoltaik für jede Mission unverzichtbar.

Doch herkömmliche Photovoltaik-Technologien, die bei teuren Weltraummissionen zum Einsatz kommen, eignen sich nicht mehr für die Anforderungen von heute. „Ihre Herstellung ist zu langsam und zu kostspielig“, sagt Aydin. „Bei vielen kommerziellen Satelliten macht die Energieversorgung einen erheblichen Teil der Kosten aus.“ Schließlich müssen weltumspannende Satellitennetzwerke für mobiles Internet ebenso mit Energie versorgt werden wie mögliche KI-Rechenzentren, die im Orbit betrieben werden. Das Team entwickelt daher speziell für den Einsatz im Weltraum Perowskit-basierte Solarzellen als Teil eines umfassenderen Forschungsprogramms, das sich mit den Anforderungen des neuen kommerziellen Weltraumzeitalters befasst.

Ein Beispiel aus diesem Forschungsprogramm ist der Einsatz molekularer Zwischenschichten, die wie Stoßdämpfer wirken. Eine zentrale Herausforderung ist die thermische Ermüdung: Wiederholtes Erhitzen und Abkühlen kann Risse verursachen oder die Verbindung zwischen der Perowskit-Schicht und ihrem Trägersubstrat schwächen. Um dem entgegenzuwirken, hat das Team kürzlich zusätzliche Moleküle in die anfälligen Bereiche des Bauelements eingebracht – diese dämpfen einerseits thermische Spannungen und sorgen andererseits dafür, dass die Perowskit-Schicht fest anhaftet. In Experimenten blieb die Leistung der Bauelemente auch nach wiederholten extremen Temperaturzyklen weitgehend stabil.

Darüber hinaus untersucht das Team, wie sich Perowskit-Bauelemente unter Partikelstrahlung der Sonne, Vakuumbedingungen und intensivem UV-Licht verhalten – allesamt Faktoren, die auf der Erdoberfläche teilweise abgeschirmt werden, im Orbit jedoch unvermeidbar sind. „Das Ziel ist es, sicherzustellen, dass unsere Perowskit-Komponenten auch in der rauen Umgebung des Weltraums funktionieren“, sagt Aydin.

Robustere Materialsysteme mit längerer Lebensdauer

Unterstützung kommt hier von Esma Ugur, deren Forschungsschwerpunkt darauf liegt, zu verstehen, warum Perowskit-Solarzellen mit der Zeit an Leistung verlieren. Ugur wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Emmy Noether-Programms ausgezeichnet und erhält für ihre Arbeit über einen Zeitraum von sechs Jahren rund 2,2 Millionen Euro.

Seit Anfang 2026 baut sie ihre eigene LMU-Forschungsgruppe auf, mit der sie die grundlegenden Prozesse untersucht, die die Langzeitstabilität von Perowskit-Solarzellen einschränken. „Dazu müssen wir verstehen, welche Mechanismen die Bauteile anfällig machen.“ Zwar würden Perowskit-Solarzellen im Labor bemerkenswerte Wirkungsgrade erzielen, sie müssten aber auch jahrelanger Einwirkung von Sonnenlicht, Hitze und wechselnden Umgebungsbedingungen standhalten.

Mithilfe fortschrittlicher Verfahrenstechniken untersucht Ugurs Team, wie sich diese Materialien unter realistischen Betriebsbedingungen verändern und wie diese Veränderungen die Leistung und Stabilität beeinflussen. „Unser Ziel ist es, noch robustere Materialsysteme mit einer längeren Lebensdauer zu bauen“, sagt Ugur. Solche Fortschritte seien entscheidend, damit Perowskit-Solarzellen den Sprung aus dem Labor in den Alltag schaffen.

Ugur und Aydin betonen, dass die Verbesserung der Zuverlässigkeit eine der wichtigsten Herausforderungen in diesem Forschungsbereich ist. Ein umfassenderes Verständnis dafür, wie und warum Solarzellen an Leistung verlieren, werde dazu beitragen, den Weg für den breiten Einsatz von Photovoltaik-Technologien auf Perowskit-Basis zu ebnen. Beide sind zuversichtlich, dass ihre Forschung wesentlich dazu beitragen kann.