Forscher der University of Osaka haben ein automatisiertes Fertigungssystem entwickelt, das künstliche Intelligenz und Hochgeschwindigkeitsbildgebung einsetzt, um die Solarzellenproduktion zu verbessern. Könnte dies dazu beitragen, die nächste Generation günstigerer und effizienterer Solarenergie zu beschleunigen?
Japanische Wissenschaftler haben einen neuen Ansatz zur Herstellung fortschrittlicher Solarzellen demonstriert, bei dem Roboterautomatisierung, Hochgeschwindigkeitskameras und maschinelles Lernen kombiniert werden, um einen Wirkungsgrad der Energieumwandlung von 24,4 % zu erreichen. Die Forschung, über die die University of Osaka am 2. November 2026 berichtete und die in ACS Nano veröffentlicht wurde, konzentriert sich auf eine der größten Herausforderungen der Photovoltaik-Technologie der nächsten Generation: die Herstellung von Solarzellen in konsistent hoher Qualität.
Die Forscher arbeiteten mit Perowskiten, Materialien, die auf enormes Interesse gestoßen sind, da sie Sonnenlicht in extrem dünnen Schichten effizient absorbieren können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen, die auf relativ dicken kristallinen Wafern basieren, können Perowskit-Lichtabsorptionsschichten aus flüssigen chemischen Lösungen hergestellt werden. Die Kontrolle darüber, wie diese Flüssigkeiten kristallisieren, hat sich jedoch als schwierig erwiesen.
24,4 % Wirkungsgrad – was bedeutet das?
Eine Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 24,4 % wandelt unter standardisierten Labortestbedingungen etwa 24,4 % des auf sie treffenden Sonnenlichts in elektrische Energie um. Betrachten wir ein hypothetisches Solarpanel, das 1.000 Watt Sonnenlicht pro Quadratmeter empfängt. Bei einem Wirkungsgrad von 20 % würde ein Quadratmeter 200 Watt erzeugen. Bei 24,4 % stiege die Leistung auf 244 Watt – eine Steigerung um 44 Watt oder 22 %.
Für eine theoretische 10-Quadratmeter-Anlage entspricht diese Differenz 440 zusätzlichen Watt bei gleicher Beleuchtungsstärke. Diese Berechnungen veranschaulichen den Umwandlungswirkungsgrad, nicht die verifizierte Leistung eines kommerziellen Panels, das mit dem japanischen System hergestellt wurde. Heutige kommerzielle Silizium-Panels erreichen üblicherweise Modulwirkungsgrade von etwa 20–23 %. Das Ergebnis aus Osaka ist daher wettbewerbsfähig, aber Laborzellen und fertige kommerzielle Module können nicht direkt verglichen werden. Der Wert von 24,4 % stellt zudem keinen neuen Weltrekord für Perowskit-Solarzellen dar.
Roboter beobachten, was Menschen nicht können
Der Durchbruch liegt nicht allein im erreichten Wirkungsgrad. Seine Bedeutung liegt im Verständnis und in der Steuerung des Herstellungsprozesses. Perowskit-Zellen werden hergestellt, indem eine chemische Lösung auf eine Oberfläche aufgebracht wird. Wenn die Flüssigkeit trocknet, kristallisieren ihre Bestandteile zu einer festen Schicht, die das Sonnenlicht absorbiert.
Winzige Änderungen der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit oder der Trocknungsbedingungen können die Kristallbildung und die elektrische Leistung beeinflussen. Das Team aus Osaka entwickelte eine Roboterplattform, die den Prozess beobachtet und gleichzeitig die Umgebungsbedingungen aufzeichnet. Hochgeschwindigkeitskameras überwachen Farbveränderungen im Film in weniger als einer Sekunde. Das System kann zudem die Bewegung und den Aufprall mikroskopischer Tröpfchen innerhalb von nur wenigen Millisekunden messen.
Eine Millisekunde ist ein Tausendstel einer Sekunde. Ereignisse, die fünf Millisekunden dauern, treten 200-mal schneller auf als ein Ein-Sekunden-Intervall. Solche Beobachtungen ermöglichen es Wissenschaftlern, Herstellungsprozesse zu untersuchen, die manuell nur schwer zu analysieren wären. Eine Machine-Learning-Software sucht dann in den Messwerten nach Zusammenhängen zwischen den Verarbeitungsbedingungen und der Qualität des fertigen Materials.
Warum winzige Tröpfchen wichtig sind
Eine besonders wichtige Phase ist das Aufbringen eines Antisolvents während der Filmbildung. Diese Flüssigkeit regt die gelösten Materialien zur Kristallisation an. Der Zeitpunkt, die Geschwindigkeit und die Verteilung der Tröpfchen beeinflussen jedoch den resultierenden Film stark.
Die Forscher identifizierten einen optimalen Bereich für das Tröpfchenverhalten und passten den Herstellungsprozess entsprechend an. Mit diesen Erkenntnissen produzierten sie eine bleibasierte Perowskit-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 24,4 %. Der Erfolg zeigt, dass die Analyse der Herstellungsbedingungen in Echtzeit zur Verbesserung eines funktionierenden Geräts beitragen kann. Es ist jedoch noch nicht bewiesen, dass das System auf großen kommerziellen Produktionslinien gleichwertige Ergebnisse liefern wird.
Das Rennen jenseits von herkömmlichem Silizium
Silizium dominiert seit Jahrzehnten die Solarfertigung und profitiert von enormen Skaleneffekten. Perowskite bieten eine andere Chance: Sie können potenziell in Niedrigtemperaturprozessen hergestellt und mit Siliziumzellen kombiniert werden. In Tandem-Konfigurationen absorbieren verschiedene Materialien unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums, wodurch mehr Strom aus demselben Sonnenlicht gewonnen werden kann. Forschungs-Tandemzellen haben bereits Wirkungsgrade von über 30 % demonstriert, was das Potenzial der Kombination von Technologien verdeutlicht. Perowskite stehen jedoch noch vor erheblichen kommerziellen Hindernissen, darunter die Langzeitstabilität, die Feuchtigkeitsbeständigkeit, die Gleichmäßigkeit der Produktion und das Umweltmanagement bleihaltiger Materialien.
Was eine höhere Effizienz für die Stromkosten bedeutet
Betrachten wir eine hypothetische Solaranlage, die unter standardisierten Spitzenbedingungen 100 Megawatt liefert. Eine relative Verbesserung des Modulwirkungsgrads um 22 % könnte die für die gleiche Nennleistung erforderliche physische Fläche der Solarzellen verringern, sofern alle anderen Bedingungen gleich bleiben. Für märkte mit begrenzten Flächen wie Japan, Teile Europas und dicht besiedelte asiatische Volkswirtschaften ist die Verbesserung der Stromerzeugung pro Quadratmeter besonders wertvoll.
Doch die Effizienz allein bestimmt nicht die Kosten für Solarstrom. Installationskosten, Fertigungsausbeute, Finanzierung, Betriebsdauer und Degradationsraten beeinflussen alle den endgültigen Strompreis. Die Technologie aus Osaka zielt darauf ab, einen wesentlichen Faktor zu verbessern: die Fertigungskontrolle.
Künstliche Intelligenz hält Einzug in die Solarfabrik
Die wahre Bedeutung des japanischen Experiments könnte über ein einzelnes Solarzellenmaterial hinausgehen. Robotersysteme, die in der Lage sind, chemische Prozesse zu beobachten, aus früheren Experimenten zu lernen und Produktionsbedingungen anzupassen, könnten die Forschung bei Batterien, Halbleitern und anderen fortschrittlichen Materialien beschleunigen. Für Japan, das im Bereich der sauberen Energietechnologie mit China, Europa und den Vereinigten Staaten konkurriert, könnte eine zuverlässigere Fertigung zu einem wichtigen Vorteil werden.
Die nächste Herausforderung besteht darin, zu beweisen, dass der Laborprozess auf größere Solarmodule skaliert werden kann, während Effizienz, Stabilität und akzeptable Kosten beibehalten werden. Japans experimentelle Solarzelle mit 24,4 % ist noch kein kommerzieller Durchbruch. Aber sie zeigt, wie die Kombination von Automatisierung und künstlicher Intelligenz dazu beitragen könnte, vielversprechende Labortechnologien in zuverlässigere Industrieprodukte zu verwandeln.
