Die jüngsten Fortschritte japanischer Forscher an der Universität Tokio markieren einen wichtigen Meilenstein für die Photovoltaik. Mit einem nachgewiesenen Wirkungsgrad von 30,2 % haben die Wissenschaftler eine All-Perowskit-Tandem-Solarzelle entwickelt, die das Potenzial hat, die Effizienz von Solarsystemen deutlich zu steigern und damit einen bedeutenden Beitrag zur globalen Energiewende zu leisten.
Durchbruch der japanischen Forscher: All-Perowskit-Tandem-Solarzelle mit 30,2 % Wirkungsgrad
Im April 2026 veröffentlichten die Forscher der Universität Tokio ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift ACS Omega. Die entwickelte Zelle basiert auf einer vier-terminalen (4T) Anordnung, die zwei Perowskit-Subzellen optisch trennt. Die obere Zelle (Wide-Bandgap, WBG) erreicht einen Wirkungsgrad von 24,4 %, während die untere Zelle (Narrow-Bandgap, NBG) 21,5 % liefert. Durch ein spektrales Split-Design mit dichroitischen Spiegeln wird das einfallende Sonnenlicht bei einer Wellenlänge von 775 nm auf die jeweils optimal geeignete Subzelle verteilt. Dieses Verfahren ermöglicht eine kombinierte Gesamteffizienz von 30,2 % unter Standard-Illuminationsbedingungen. Die beiden Einzelwerte lassen sich nicht einfach addieren: Im Split-Aufbau erhält jede Zelle nur einen Teil des Spektrums und trägt entsprechend nur einen Teil zur Gesamteffizienz bei.
Ein zentrales Element der Technologie ist die Verwendung von Formamidinium-Blei-Iodid-Nanopartikeln (FAPbI₃). Diese Nanopartikel werden in einem Hot-Injection-Verfahren hergestellt und anschließend in einer zweistufigen Lösung-Spin-Coating-Methode zu einer dichten, kristallinen Perowskit-Schicht verarbeitet. Die FAPbI₃-Nanopartikel sichern das gewünschte schwarze α-Phase-Bandgap von etwa 1,48 eV, das nahe am idealen Wert für die Solarenergieumwandlung liegt.
Funktionsweise der vierterminalen Anordnung
- Spektrale Aufspaltung: Dichroic-Spiegel trennen das Licht bei 775 nm, sodass kürzere Wellenlängen die WBG-Zelle und längere die NBG-Zelle erreichen.
- Keine Stromabstimmung: Da jede Zelle einen eigenen Ausgang hat, entfällt die Notwendigkeit einer Strom-Matching-Optimierung, was die Kombination verschiedener Material- und Strukturtypen erleichtert.
- Flexibilität und Redundanz: Fällt eine Subzelle aus, kann die andere weiterhin Energie erzeugen, was Wartungs- und Ausfallsicherheit erhöht.
Warum die Technologie für die Energiewende wichtig ist
Die Steigerung des Wirkungsgrades von Photovoltaik-Modulen ist ein Schlüsselfaktor, um den Anteil erneuerbarer Energien im Strommix zu erhöhen. Die erreichte Effizienz von 30,2 % liegt über den Werten einfacher Perowskit-Solarzellen. Mit monolithischen Perowskit-Silizium-Tandemzellen, die im Labor bis zu 35,5 % erreichen (LONGi, Juli 2026), ist der vierterminale Aufbau aus zwei Perowskit-Zellen und Spiegeln allerdings nicht direkt vergleichbar.
Steigende Wirkungsgrade legen die Basis für eine schnellere Kommerzialisierung und potenziell niedrigere Kosten pro erzeugter Kilowattstunde.
Was sind die Vorteile von Tandem-Solarzellen?
- Sie nutzen unterschiedliche Wellenlängen des Lichts effizient, wodurch Gesamteffizienzen oft über 30 % erreicht werden.
- Durch die vier-terminal-Architektur entfallen Beschränkungen durch Strom-Matching, was flexiblere Materialkombinationen ermöglicht.
- Ein Ausfall einer Subzelle reduziert nicht die gesamte Leistungsfähigkeit, da die zweite Zelle weiterhin Strom liefert.
Herausforderungen und Risiken
Obwohl die Technologie vielversprechend ist, gibt es weiterhin kritische Punkte, die die praktische Anwendung beeinflussen können. Die Instabilität von FAPbI₃ ist ein zentrales Problem: Das Material kann vom gewünschten schwarzen α-Phase-Zustand in eine nicht-funktionale gelbe Phase übergehen, was die Leistungsfähigkeit stark beeinträchtigt. Forschende adressieren dieses Problem durch Mischkationen, Additive und Interface-Engineering, doch die Langzeitstabilität bleibt ein Forschungsfokus.
Ein weiterer wirtschaftlicher Aspekt ist der hohe Preis der dichroitischen Spiegel, die für die spektrale Aufspaltung benötigt werden. Die Autoren betonen, dass die Kosten dieser Komponenten eine wesentliche Herausforderung für die großflächige Einführung darstellen. Zukünftige Entwicklungen könnten vereinfachte Architekturen wie monolithische Zwei-Junction-Zellen oder mechanisch gestapelte vier-terminal-Lösungen umfassen, um die Kosten zu senken.
Statistiken und aktuelle Kennzahlen
- Gesamteffizienz im Split-Aufbau (4T-Gerät): 30,2 %.
- Top-Zell-Effizienz (4T-Gerät): 24,4 % (Wide-Bandgap-Zelle).
- Bottom-Zell-Effizienz (4T-Gerät): 21,5 % (Narrow-Bandgap-Zelle).
Ausblick: Perspektiven für die kommerzielle Anwendung
Die Forscher sehen insbesondere konventionelle Freiflächen-Photovoltaik-Anlagen und die Integration in konzentrierende Photovoltaik-Systeme als vielversprechende Einsatzbereiche für die vier-terminal-Technologie. Langfristig könnte die Weiterentwicklung von kostengünstigeren spektralen Split-Komponenten und die Optimierung der Materialstabilität die Technologie für den Massenmarkt bereitmachen.
Fazit
Die von japanischen Wissenschaftlern entwickelte All-Perowskit-Tandem-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 30,2 % demonstriert, wie fortschrittliche Material- und Design-Ansätze die Effizienz von Photovoltaik-Systemen signifikant erhöhen können. Die Verwendung von FAPbI₃-Nanopartikeln, die vier-terminal-Architektur und das spektrale Split-Design bilden das Kernstück dieses Erfolgs. Die Perowskit-Forschung befindet sich insgesamt in einer dynamischen Phase. Trotz bestehender Herausforderungen, wie der Material-Instabilität und den hohen Kosten für dichroische Spiegel, eröffnet diese Technologie neue Wege für effizientere, flexiblere und potenziell kostengünstigere Solarlösungen, die einen wichtigen Beitrag zur globalen Energiewende leisten können.
