KI treibt Dünnschicht‑Solar voran, indem sie die Stabilität von Perowskiten freischaltet

Von Silizium zu Dünnschicht

In unserem Artikel „Das Sonnenzeitalter – Eine helle Zukunft für die Menschheit“ haben wir erklärt, wie der Aufstieg der Solarenergie eine Revolution in unserer Energieversorgung einleitet, zumindest langfristig.

Bislang werden etwa 90 % der Solarmodule mit siliziumbasierter Technologie hergestellt, wobei die große Mehrheit Polysilizium‑Designs verwendet, die die älteren Monosilizium‑Designs ersetzt haben (monokristallines Silizium ist langlebiger, aber weniger kosteneffizient).

Quelle: EIA

Eine Alternative sind Perowskite, oft auch Dünnschicht‑Solarzellen genannt, die die Sonnenenergie dank der einzigartigen Kristallstruktur von Perowskit einfangen. (Eine andere Form der Dünnschicht‑Solartechnologie nutzt Cadmium‑Tellurid‑Dünnschicht‑Zellen.)

Der Begriff Dünnschicht stammt von der viel dünneren Materialschicht, die für die Stromerzeugung benötigt wird, was zu flexibleren und leichteren Solarmodulen führt.

Natürlich vorkommende Perowskite bestehen aus Calcium‑ und Titandioxid (CaTiO3), doch andere Mineralien können dieselbe Kristallstruktur mit einer chemischen Formel nach der „ABX3“-Regel besitzen.

Obwohl sie eine sehr hohe Energieumwandlungsrate besitzen, sind Perowskite weniger langlebig als Silizium‑Solarzellen, was ihre praktische Nutzung und kommerzielle Einführung behindert.

Forscher der Chalmers University of Technology (Schweden) und der University of Birmingham nutzten maschinelles Lernen, um das fehlende Stück theoretischen Wissens über die Perowskit‑Kristallstruktur zu klären, was den Weg ebnet, sie langlebiger zu machen und damit möglicherweise die nächste Generation kommerzieller Photovoltaik‑Technologie zu werden.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse im Journal of the American Chemical Society¹, unter dem Titel “Aufdeckung der Niedrigtemperatur‑Phase von FAPbI3 mittels einer maschinell gelernten Potentialfunktion”.

Formamidinium‑Perowskit‑Stabilität

Die Forscher arbeiteten mit einem Material namens Formamidinium‑Blei‑iodid (FAPbI3). Es gilt als eines der leistungsstärksten Materialien in der Halid‑Perowskit‑Gruppe wegen seiner vielversprechenden Eigenschaften für zukünftige Solarzellen‑Technologien.

Allerdings ist das Material im Allgemeinen nicht stabil genug unter Sonnenlicht für kommerzielle Anwendungen, und ein Teil des Grundes ist, dass die Niedrigtemperatur‑Phase von Formamidinium‑Blei‑iodid bisher wenig verstanden war – bis jetzt.

“Die Niedrigtemperatur‑Phase dieses Materials war lange ein fehlendes Puzzleteil der Forschung, und wir haben nun eine grundlegende Frage zur Struktur dieser Phase geklärt.”

Sangita Dutt – Chalmers University Of Technology

Fortgeschrittenes KI‑Modelling

Experimentelle Beobachtungen reichten bisher nicht aus, um die Kristallstruktur von FAPbI3 zu verstehen. Traditionelle Computersimulationen, die versuchen, das Verhalten der Atome einzeln zu berechnen und zu simulieren, benötigen leistungsstarke Supercomputer und lange Simulationszeiten.

Stattdessen nutzten die Forscher ihr Fachwissen im maschinellen Lernen, um die Effizienz der Computersimulation drastisch zu verbessern.

“Durch die Kombination unserer Standardmethoden mit maschinellem Lernen können wir jetzt Simulationen durchführen, die tausende Male länger sind als zuvor.

Und unsere Modelle können jetzt Millionen von Atomen anstelle von Hunderten enthalten, was sie der realen Welt näher bringt,”

Sangita Dutt – Chalmers University Of Technology

Kristallphasenübergänge in FAPbI3

Abhängig von der Temperatur kann FAPbI3 unterschiedliche Kristallstrukturen annehmen: kubisch bei 300 K (27 °C / 80 °F), tetragonal unter 285 K (12 °C / 53 °F) und noch unbekannt bei 140 K (‑133 °C / ‑207 °F)

Quelle: Journal of the American Chemical Society

Sie fanden heraus, dass ihre Simulation vorhersagte, dass das Material bei Abkühlung in einen halb‑stabilen Zustand gebracht werden kann.

Sie testeten es anschließend im realen Leben bei ‑200 °C / ‑328 °F, um zu bestätigen, dass die Simulation das Verhalten von Perowskit‑Kristallen, insbesondere unter dieser bislang unbelegten Bedingung, genau vorhersagt.

Das Modell funktionierte größtenteils mit nahezu perfekter Vorhersage für die Bewegung von Kohlenstoffatomen und einer ausreichend genauen Vorhersage für Stickstoffatome.

Quelle: Journal of the American Chemical Society

Anwendungen der KI‑gestützten Perowskit‑Forschung

Dieses Modell ist das erste, das mit guter Genauigkeit alle Kristallstrukturen dieses Perowskit‑Materials vorhersagen kann. Es ist zudem deutlich weniger rechenintensiv, sodass es von fast jedem Forschungsteam weltweit genutzt werden kann. Daher könnte es den Fortschritt dieser Technologie drastisch beschleunigen.

Kristallstruktur und deren Stabilität sind die Grundpfeiler, um Perowskite langlebiger zu machen, und ebenso entscheidend, um sie kommerziell nutzbar zu machen.

“Wir hoffen, dass die Erkenntnisse aus den Simulationen dazu beitragen können, wie komplexe Halid‑Perowskit‑Materialien künftig modelliert und analysiert werden,”

Erik Fransson – Chalmers University Of Technology

Dünnschicht‑Solar, da es flexibler ist, kann in viel mehr Kontexten eingesetzt werden als herkömmliche Solarpaneele. Sie sind zudem deutlich leichter.

Wenn Perowskit kommerziell nutzbar wird, könnten wir es auf der Oberfläche von Gebäuden, Autos, Dächern, Handys usw. einsetzen und damit reichlich Energie bereitstellen, ohne dafür große Flächen für Solarfarmen zu benötigen.

Amidimium scheint für diese Technologie der richtige Weg zu sein, da andere Berichte ebenfalls zeigen, dass eine Schutzbeschichtung aus Amidimium die Lebensdauer von Dünnschicht‑Solarzellen radikal erhöhen kann. Alumina‑Nanopartikel könnten ebenfalls die Lebensdauer von Perowskit‑Solarzellen um das 10‑fache steigern.

Wahrscheinlich wird eine Kombination mehrerer dieser Technologien entstehen, um eine ultra‑langlebige Dünnschicht‑Perowskit‑Solarzelle zu schaffen.

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Investitionen in Solarinnovation

First Solar, Inc.

First Solar ist der größte Solarmodul‑Hersteller in den USA und in der gesamten westlichen Hemisphäre, mit Produktionsstandorten in den USA, Malaysia und Vietnam.

Das Unternehmen verwendet nicht die klassische kristalline Siliziumtechnologie, sondern nutzt seine proprietären Dünnschicht‑Photovoltaik‑Lösungen.

Basierend auf Cadmium‑Tellurid sind sie effizienter, werden zu geringeren Kosten produziert und können leicht massenhaft hergestellt werden.

Quelle: Department Of Energy

Cadmium‑Tellurid‑Dünnschicht‑Solarpaneele sind zudem langlebiger und behalten nach 30 Jahren 89 % der ursprünglichen Leistung bei.

Quelle: First Solar

Cadmium und Tellurid sind Nebenprodukte des Abbaus anderer Metalle, was bedeutet, dass First‑Solar‑Produkte nur minimale Umweltauswirkungen haben, da sie Ressourcen nutzen, die zuvor wenig Verwendung fanden. Dünnschicht‑Paneele können zudem eine hohe Recycling‑Rate aufweisen.

Der Fokus des Unternehmens auf Dünnschicht‑Halbleitertechnologie ermöglicht eine vollständige vertikale Integration, wodurch es sich radikal von der siliziumbasierten Solarzellen‑Industrie unterscheidet.

Statt mehrerer Fabriken, bei denen jeder Akteur auf einen Teilbereich wie die Polysilizium‑Reinigung spezialisiert ist und die Herstellung eines Solarmoduls viele Tage dauert, kann First Solar von Rohmaterialien zum Endprodukt in weniger als 4 Stunden gelangen.

Quelle: First Solar

First Solars technologischer Vorsprung, kombiniert mit seiner geografischen Lage, macht das Unternehmen zum wahrscheinlichen Nutznießer des wachsenden Bestrebens westlicher Länder, ihre Paneele außerhalb Chinas zu beziehen.

Das Unternehmen rampelt seine Produktionskapazität schnell hoch und strebt an, bis 2026 eine Nennkapazität von 25 GW zu erreichen, gegenüber derzeit 11 GW.

First Solar hat seit seiner Gründung kumulativ 2 Mrd. $ in F&E investiert. Die F&E‑Teams von First Solar prognostizieren ein Dünnschicht‑CdTe‑Modul mit 25 % Zellen‑Effizienz und Wege zu 28 % Zellen‑Effizienz bis 2030.

Angesichts seiner Beteiligung an der hier diskutierten Forschung ist das Unternehmen eindeutig an Perowskit interessiert, zumindest sobald diese Paneele langlebig genug sind.

Langfristig plant First Solar, seine Erfahrung mit Cadmium‑Tellurid‑Dünnschicht in die Perowskit‑Technologie zu integrieren, um die resultierenden Solarmodule noch effizienter zu machen.

Quelle: First Solar

Insgesamt ist First Solar ein Technologieführer, der von Zöllen auf chinesische Importe profitieren dürfte, was wahrscheinlich die negativen Auswirkungen auf die Solarindustrie nach Trumps Wiederwahl ausgleichen wird.

Obwohl das Unternehmen derzeit hauptsächlich auf Dünnschicht‑Solar mit Cadmium‑Tellurid fokussiert ist, könnte seine Expertise in der nicht‑siliziumbasierten Solarzellen‑Herstellung ihm einen erheblichen Vorsprung bei Perowskit verschaffen, insbesondere angesichts seiner engen Verbindungen zu einigen der führenden Forscher auf diesem Gebiet.

(Sie können auch mehr Informationen über First Solar im dedizierten Investitionsbericht lesen)

Neueste Nachrichten und Entwicklungen zu First Solar (FSLR) Aktien

Studie referenziert

^{1. Sangita Dutta, Erik Fransson, Tobias Hainer, Benjamin M. Gallant, Dominik J. Kubicki, Paul Erhart, and Julia Wiktor. Aufdeckung der Niedrigtemperatur‑Phase von FAPbI3 mittels einer maschinell gelernten Potentialfunktion. Journal of the American Chemical Society. 14. August 2025. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c05265}