Eine Solarzelle, deren Herstellung nach Vanille, Frucht oder einem anderen Lebensmittelaroma klingt – ganz so einfach ist es nicht. Aber Forschende der TU Dresden haben gemeinsam mit dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) und der Universidad Nacional del Sur in Argentinien Lösungsmittel für Perowskit-Solarzellen gefunden, die in der Lebensmittelindustrie als Aromastoffe oder essbare Zusatzstoffe eingesetzt werden.

Der entscheidende Schritt passierte dabei zunächst am Computer. Statt neue Lösungsmittel ausschließlich in aufwendigen Laborreihen auszuprobieren, kombinierten die Forschenden mehrere physikalische und chemische Modelle. So ließ sich vorhersagen, welche umweltfreundlicheren Substanzen überhaupt geeignet sein könnten. Erst danach ging es ins Experiment – weniger Versuch und Irrtum, mehr gezielte Suche.

Weniger Gift, gleiche Leistung

Perowskit-Dünnschichtsolarzellen gelten als effiziente Photovoltaik-Technologie: Sie wandeln Sonnenlicht gut in Strom um und benötigen etwa 100-mal weniger Material als herkömmliche Siliziumzellen. Gerade lösungsmittelbasierte Herstellungsverfahren ermöglichen hohe Wirkungsgrade. Der Haken steckt in der Flüssigkeit: Bislang kommen häufig Lösungsmittel zum Einsatz, die für Menschen und Umwelt schädlich sein können.

Die Suche nach Ersatz ist allerdings kein Spaziergang. Die Eigenschaften des Lösungsmittels beeinflussen, wie die Solarzellenmaterialien verarbeitet werden – und damit auch, wie leistungsfähig das fertige Bauteil ist. Laut den Forschenden gab es bisher keinen systematischen Ansatz, um dieses Problem bei lösungsmittelbasierten Solarzellen zu lösen. Neue Stoffe wurden traditionell durch umfangreiche Laborexperimente getestet.

Mit dem nun entwickelten prädiktiven Ansatz identifizierten die Teams geeignete umweltfreundliche Lösungsmittel bereits vor den experimentellen Tests. Die Forschenden wiesen anschließend nach, dass sich die Substanzen tatsächlich für die Herstellung von Perowskit-Solarzellen eignen. Die damit gefertigten Zellen waren ebenso leistungsfähig wie Vergleichsbauteile, die mit herkömmlichen giftigen Lösungsmitteln produziert wurden.

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Das kann den Ressourcenaufwand deutlich drücken: Wenn weniger Kandidaten im Labor ausprobiert werden müssen, sinkt auch der Einsatz giftiger Substanzen bei der Entwicklung neuer Herstellungsverfahren. Gleichzeitig soll die Methode die Suche nach weiteren nachhaltigen Lösungsmitteln erweitern. Als Nächstes wollen die Forschenden untersuchen, ob sich die grünen Lösungsmittel recyceln lassen und ob sie vielleicht sogar die Recyclingfähigkeit der Perowskit-Solarzellen verbessern.

Vom Computer in die Solarindustrie

Hinter dem Projekt steht das TU-Dresden-Exzellenzcluster REC². Es verfolgt das Ziel, Elektronik über ihren gesamten Lebenszyklus nachhaltiger zu machen – vor allem durch Ersetzen, Reduzieren und Recyceln. Der computergestützte Ansatz könnte nach Einschätzung der Forschenden auch auf andere lösungsmittelbasierte Elektroniktechnologien übertragen werden.

Veröffentlicht wurde die Studie am 11. August 2026 online in der Fachzeitschrift „Energy & Environmental Science“. Ihr Titel lautet „A predictive approach for fabricating efficient perovskite solar cells using green solvents“, die DOI lautet 10.1039/d6ee02509a.

Wie weit die Entwicklung über einzelne Solarzellen hinausgehen muss, zeigt ein fünfjähriges Leitprojekt von sechs Fraunhofer-Instituten. Unter dem Namen „MaNiTU“ arbeiteten sie an nachhaltigen und industriell skalierbaren Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen. Auf einer Fläche von 1 cm² erreichte ein Demonstrator mit einer industriell üblichen Siliziumsolarzelle einen Wirkungsgrad von 31,6 Prozent.

Getestet wurden außerdem eine 100-cm²-Tandemsolarzelle mit Siebdruckmetallisierung sowie Minimodule mit einzelnen und verschalteten Tandemsolarzellen. Für großflächige Perowskit-Schichten nutzte das Projekt eine hybride Methode aus Aufdampfen und nasschemischer Abscheidung. Das klingt nach Anlagenhalle und Schutzbrille, nicht nach Küchenaroma – und genau dort liegen die nächsten Herausforderungen.

Skalieren, recyceln, genauer hinschauen

Hohe Wirkungsgrade waren im Fraunhofer-Projekt bislang nur mit bleihaltigen Perowskiten möglich. Untersuchte bleifreie Perowskit-Materialien blieben trotz theoretischer Vorhersagen hinter den Erwartungen zurück; ihre intrinsischen Materialeigenschaften reichten für Tandemsolarzellen nicht aus. Eine semi-kontinuierliche Synthese von Perowskit-Pulvern per Sprühtrocknung wurde deshalb als skalierbare Screening-Methode für viele Materialverbindungen entwickelt.

Auch der gesamte Lebensweg der Bauteile kam auf den Prüfstand. Lebenszyklusanalysen berücksichtigten Herstellung, Nutzungsphase und Produktende. Sie zeigten, dass mit geeigneten Produktions- und Recyclingverfahren sowie einer Degradation ähnlich der heutigen Siliziumtechnologie ein nachhaltiges Produkt möglich ist. Für bleihaltige Perowskit-Module entstanden Recyclingkonzepte, die den ökologischen Fußabdruck verringern und eine Kreislaufwirtschaft unterstützen sollen.

Für industrielle Wafer im Format G12 untersuchten die Forschenden Kontaktmaterialien und Beschichtungstechnologien für Elektronen- und Löcherkontakte. Weil die Perowskitschicht temperaturempfindlich ist, darf die Herstellung des Frontkontaktsystems unter 100 °C erfolgen. Eine neue Prozesskette verband dafür Atomlagenabscheidung (ALD), Verdampfung in einer SALD-Hybridanlage und abschließendes Sputtern zur Abscheidung transparenter leitfähiger Oxide.

Damit man die Tandemzellen nicht bei jeder Analyse zerstören muss, entwickelten die Teams zerstörungsarme Methoden zur getrennten Untersuchung der Silizium- und Perowskit-Teilzellen. Ein optoelektrisches Simulationsmodell half bei der Verlustanalyse und ergab eine praktische Wirkungsgradobergrenze von 39,5 Prozent. Für die mikrostrukturelle Untersuchung industrieller Tandemzellen kamen schonende Focused-Ion-Beam-Verfahren (FIB), Transmissionselektronenmikroskopie und ein spezieller Probenhalter hinzu.

Weitere Verfahren machten unter anderem die Dicke, den Bedeckungsgrad und chemische Bindungen selbstorganisierender molekularer Monoschichten sichtbar. Berechnungsmodelle beschrieben strukturelle und photovoltaische Eigenschaften der Absorbermaterialien sowie ihre Grenzflächen zu transparenten, leitfähigen Kontakten. Der entwickelte Simulations-Workflow ist laut Projekt auch auf Materialfragen in anderen Technologien wie Wasserstoff anwendbar.

Als nächster Schritt wurde die Überführung der entwickelten Prozesse in industrielle Anwendungen durch Kooperationen mit Anlagenbauern und Endanwendern genannt. Das Fraunhofer-Projekt wurde am 11. Dezember 2024 veröffentlicht. In Dresden geht die Suche derweil weiter: nach weniger schädlichen Flüssigkeiten, nach stabilen Materialien – und nach Wegen, die am Ende nicht nur die Solarzelle, sondern möglichst auch ihre Bestandteile im Kreislauf halten.