Erneuerbare Energien

Tandemsolarzellen mit 47 % Wirkungsgrad: Fraunhofer ISE startet Effizienz-Offensive

von Artisan Baumeister · 15. April 2025

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) will Tandem-Photovoltaikzellen mit Rekord-Wirkungsgraden von bis zu 47 % zur Marktreife bringen. Mit Unterstützung der Werner Siemens-Stiftung werden neuartige Materialien und wiederverwendbare Substrate entwickelt, um Herstellungskosten signifikant zu senken – ein möglicher Wendepunkt für die Energiewende.

Inhaltsübersicht

Einleitung
Wie die Tandemphotovoltaik mit III-V-Halbleitern auf 47 % Wirkungsgrad kommt
Produktionskosten runter: Mit neuen Substraten und Fertigungsmethoden zur Skalierbarkeit
Warum diese Solarzellen das Rückgrat der Energiewende stärken könnten
Fazit

Einleitung

Solarzellen mit über 40 % Wirkungsgrad galten bisher als teure Nischenlösung. Das könnte sich bald ändern: Das Fraunhofer ISE forscht mit Hochdruck an Tandemsolarzellen aus III-V-Halbleitern, die Sonnenlicht noch effizienter nutzen als klassische Siliziummodule. Möglich wird das durch eine Förderung in Höhe von 14 Millionen Euro durch die Werner Siemens-Stiftung. Ziel ist die Entwicklung industriell skalierbarer Herstellungsverfahren, bei gleichzeitiger Reduktion der Materialkosten – vor allem durch wiederverwendbare GaAs-Substrate. Diese Technologien könnten nicht nur die Photovoltaik wirtschaftlich revolutionieren, sondern auch zur schnellen Dekarbonisierung von Energiesystemen beitragen. Der folgende Artikel beleuchtet die Technologie, die ökonomische Strategie dahinter und das Potenzial für die europäische Energiewende.

Wie die Tandemphotovoltaik mit III-V-Halbleitern auf 47 % Wirkungsgrad kommt

Was unterscheidet eine herkömmliche Siliziumzelle von einer hoch effizienten Solarzelle der nächsten Generation? Kurz gesagt: Arbeitsteilung – auf molekularer Ebene. Die Tandemphotovoltaik, wie sie am Fraunhofer ISE entwickelt wird, setzt genau hier an. Sie kombiniert unterschiedliche Halbleitermaterialien mit gezielter spektraler Zuständigkeit: Jede „Schicht“ der Zelle ist auf einen spezifischen Wellenlängenbereich des Sonnenlichts spezialisiert – ein Prinzip, das in der Natur übrigens gar nicht so unüblich ist.

Die entscheidende Struktur heißt monolithisches Stapeln. Auf ein Silizium-Substrat wird eine Folge weiterer Halbleiterschichten aufgebracht, darunter Galliumindiumphosphid (GaInP) und Galliumarsenid (GaAs). Diese sogenannten III-V-Halbleiter – so benannt nach ihrer Stellung im Periodensystem – sind besonders lichtabsorbierend und können gezielt für bestimmte Energiebandabstände („Bandgaps“) des Lichtspektrums maßgeschneidert werden. Der untere Siliziumteil wandelt den Infrarotbereich, die oberen GaInP- und GaAs-Zellen den sichtbaren und UV-Kreis in Strom um. So entsteht eine Mehrfachsolarzelle, die theoretisch bis zu 50 % und experimentell bereits 47 % Wirkungsgrad erreicht.

Was dabei nicht trivial ist: Die Verbindungstechnologie zwischen den einzelnen Schichten muss nicht nur kristallin kompatibel sein, sondern auch elektrisch nahezu verlustfrei arbeiten. Nur so lässt sich der erzeugte Strom effizient bündeln. Hier kommen Innovationen des Fraunhofer ISE ins Spiel – sowohl in der Materialwahl als auch in der Mikrostrukturierung. Und genau da trennt sich das Feld: konventionelle Siliziumzellen sind gut, aber Tandemstrukturen sind besser. Noch teuer – ja. Aber mit Blick auf die nächsten Kapitel wird klar, wie wiederverwendbare GaAs-Substrate und modernisierte Prozesse die Herstellungskosten von Solarzellen senken sollen – und wie die Werner Siemens-Stiftung damit mehr als nur Forschung fördert: Sie investiert in die Zukunft der erneuerbaren Energien in Europa – und in den Erfolg von Dekarbonisierung durch Technologie.

Produktionskosten runter: Mit neuen Substraten und Fertigungsmethoden zur Skalierbarkeit

Ein solider Wirkungsgrad ist das eine – bezahlbare Herstellung das andere. Um ihre hoch effizienten Solarzellen mit bis zu 47 Prozent Wirkungsgrad in den Massenmarkt zu bringen, setzt das Fraunhofer ISE auf eine konsequente Kostenstrategie. Im Zentrum steht der Umgang mit den teuren III-V-Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid (GaAs): Statt sie wie bisher nach einmaliger Nutzung zu entsorgen, entwickelt das Institut wiederverwendbare GaAs-Substrate. Das senkt nicht nur den Materialbedarf, sondern auch den ökologischen Fußabdruck der Produktion.

Parallel wird die Fertigung automatisiert und auf Materialeffizienz getrimmt. Ziel ist eine Inline-Produktion, die hochpräzise Prozesse wie das epitaktische Wachstum der Halbleiterschichten in industriellen Maßstab überführt – mit möglichst wenig Ausschuss und Energieeinsatz. Dabei hilft das Know-how aus angrenzenden Technologiefeldern: In der Halbleiter- und Waferfertigung kennt man sich mit Skalierungsdruck aus.

Genau deshalb sucht das Fraunhofer ISE aktiv die Kooperation mit Industriepartnern. Diese sollen helfen, Skalierungshürden zu überwinden – etwa beim Wafer-Recycling oder der Integration neuer Substratmaterialien in etablierte Prozessketten. Ohne diese Brücke zur Industrie bleibt jede Effizienzsteigerung im Labor stecken.

Dank der Förderung der Werner Siemens-Stiftung kann das Institut genau hier investieren: in die Verbindung von Grundlagenforschung und Fertigungsrealität. Denn nur wenn beides zusammenkommt, wird aus einem Forschungserfolg ein Baustein für die Dekarbonisierung und die Umstellung auf erneuerbare Energien in Europa.

Warum diese Solarzellen das Rückgrat der Energiewende stärken könnten

Die Tandemphotovoltaik, wie sie das Fraunhofer ISE unter Förderung der Werner Siemens-Stiftung entwickelt, ist weit mehr als ein wissenschaftlicher Meilenstein: Sie könnte zur Kerntechnologie einer dekarbonisierten Energieinfrastruktur in Europa werden. Denn ein 47 Prozent Wirkungsgrad – aktuell Weltspitze – bedeutet schlicht: Höchste Erträge auf minimaler Fläche.

Hoch effiziente Solarzellen wie diese eröffnen vielfältige Einsatzfelder: In großflächigen Solarfarmen kann bei gleicher Fläche deutlich mehr Strom erzeugt werden – ein Vorteil gerade für dicht besiedelte Regionen. In Gebäuden lassen sich die leistungsstarken Zellen platzsparend an Fassaden und Dächern integrieren. Und selbst in Fahrzeugen, etwa Nutzfahrzeugen oder Wohnmobilen, könnte Stromgewinnung direkt über integrierte PV-Flächen eine sinnvolle Reichweitenergänzung leisten.

Hinzu kommt: Die Kombination aus hoher Effizienz und sinkenden Herstellungskosten der Solarzellen – etwa über wiederverwendbare GaAs-Substrate und optimierte Prozesse – bringt die Technologie aus dem Laborumfeld hinaus in wirtschaftlich relevante Skalierung. Das ist entscheidend, denn Europas Klimaziele lassen sich nur erreichen, wenn Solarenergie zugleich günstig, flächeneffizient und breit einsetzbar ist.

Die III-V-Mehrfachsolarzellen des Fraunhofer ISE adressieren genau diese Anforderungen. Sie verbinden technologische Exzellenz mit einem klaren Pfad zur Industrialisierung – und werden damit zum strategischen Hebel für die Dekarbonisierung und den weiteren Ausbau erneuerbarer Energien in Europa.

Fazit

Die Entwicklung hocheffizienter Tandemsolarzellen durch das Fraunhofer ISE steht exemplarisch für eine systemisch gedachte Energietechnologie: Sie vereint wissenschaftlichen Fortschritt mit wirtschaftlicher Skalierbarkeit – und könnte genau dort zum Gamechanger werden, wo bisherigen Photovoltaiklösungen Grenzen gesetzt sind. Wenn es gelingt, die Produktionskosten mithilfe wiederverwendbarer Substrate und effizienter Fertigung deutlich zu senken, öffnet sich ein Markt für Hochleistungs-PV weit über spezialisierte Anwendungen hinaus. Damit rückt die Vision eines weitgehend dekarbonisierten Energiesystems ein entscheidendes Stück näher. Die nächsten Jahre werden zeigen, ob Forschung, Politik und Industrie hier entschlossen zusammenarbeiten.

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