Ich stehe im Labor vor einer unscheinbaren Solarzelle. Der dünne, dunkelbraune Film unter der Messbeleuchtung ist nicht größer als mein Daumennagel. Er steht für eine Zahl auf dem Messgerät, für ein weiteres Datenpünktchen in einer langen Reihe von Versuchen. So beginnt in der Forschung vieles – im Quadratzentimetermaßstab, beim Abwiegen von Milligramm-Mengen, mit der Hoffnung, man könne durch sorgfältige Optimierung an diesem Bauteil einen Beitrag zur Energiewende leisten.

Für mich ist klar: Wenn ich diese kleine Solarzelle eines Tages weltweit als Modul auf Häuserdächern und Freilandinstallationen sehen möchte, dann muss ich sie schon heute so denken, als läge sie im Quadratkilometermaßstab vor mir. Denn Photovoltaik entwickelt sich gerade beispiellos schnell von einer Nischentechnologie zu einem zentralen Pfeiler der globalen Energieversorgung. Und die Größenordnung, in der wir denken und handeln, verändert alles.

Die Zahlen sprechen eine klare Sprache: Um die weltweiten Klimaziele zu erreichen, muss sich die installierte Photovoltaik-Leistung bis 2050 mindestens verzehnfachen – von heute bereits 2 Terawatt auf 20 oder bis zu 80 Terawatt. Ein Terawatt entspricht der Leistung von 1000 Atomkraftwerken. Das zu schaffen, wäre nicht nur eine technologische Revolution, sondern es würde auch unsere Rohstoff- und Lieferketten gewaltig transformieren.

Solarenergie ist zusammen mit Windkraft die Schlüsseltechnologie für eine netto CO₂-neutrale Energiegewinnung. Beide sind nicht nur emissionsarm, sondern inzwischen auch kostengünstiger als fossile Alternativen. Besonders bei Solarzellen war die Entwicklung bemerkenswert: Seit der industriellen Revolution ist keine Technologie zur Energieerzeugung so schnell so viel günstiger geworden – und das kontinuierlich über viele Jahrzehnte hinweg. Der Fortschritt verläuft bei Solarzellen, ähnlich wie bei Computerchips, seit Jahrzehnten exponentiell. Mit jeder Verdopplung der Zahl der installierten Module sinken der Stückpreis, der CO₂-Fußabdruck und der Energiebedarf. Parallel steigen die Wirkungsgrade und damit die produzierte elektrische Energie. Photovoltaikstrom wird so kontinuierlich billiger.

Gleichzeitig wächst die Produktion exponentiell. In den Jahren 2022 bis 2025 hat sich die installierte Leistung verdoppelt. Das bedeutet, es wurden in dieser Zeit genauso viele Solarmodule hergestellt wie seit der Erfindung der Photovoltaikzelle sieben Jahrzehnte davor insgesamt.

Die Folgen des Wachstums

Wenn ich aus der Covid-Pandemie eines gelernt habe, dann, dass sich bei exponentiellem Wachstum innerhalb kürzester Zeit die Spielregeln ändern. Entscheidungen, die heute vielleicht unbedeutend erscheinen, entfalten in Zukunft eine ungeahnte Tragweite. Das kann schon so etwas Einfaches betreffen wie das Material eines Elektrodenkontakts. Denn was wir heute im Labor entwickeln, taucht vielleicht in wenigen Jahren millionenfach in der Welt auf. Und es kommt nach Jahrzehnten in den Materialkreislauf zurück – oder bleibt als schlecht recycelbarer Abfall zurück.

Als Physiker ist mir klar, dass man in einem begrenzten System nicht unbegrenzt wachsen kann. Ein solches System ist unser blau-grüner Planet. Zwar überspült ein schier unerschöpflicher Fluss aus Sonnenenergie kontinuierlich die Erde. Aber aus menschlicher Sicht trifft sie auf ein begrenztes Reservoir an Materie – nämlich auf die Erdoberfläche und auf die wenigen Kilometer darüber und darunter, die wir nutzen können. Inzwischen verändern unsere menschlichen Aktivitäten den Planeten stärker, als es die natürlichen biogeochemischen Stoffströme vermögen. Die größten globalen Bedrohungen unserer Zeit liegen darin, dass der Mensch die planetaren Belastungsgrenzen (»planetary boundaries«) überschreitet. Allen voran kommt das im Klimawandel und im Verlust von Biodiversität zum Ausdruck. Jenseits solcher Grenzen werden die Systeme instabil.

Vor diesem Hintergrund ringe ich ständig mit mir selbst, ob ich mit meiner Arbeit an Solarenergie nicht ein Problem auf dieselbe Weise lösen möchte, wie es entstanden ist. Doch gleichzeitig ist mir klar: Um den Klimawandel abzubremsen, haben wir rechnerisch nur zwei Hebel. Beide muss die Menschheit betätigen. Einerseits müssen wir den globalen Energiebedarf reduzieren – es ist aber eher unwahrscheinlich, dass das im globalen Maßstab schnell genug passieren wird. Und andererseits gilt es, das fossile Energiesystem möglichst rasch in ein erneuerbares umzuwandeln. Dafür brauchen wir sehr schnell sehr viel Photovoltaik. Doch hier stellt sich eine entscheidende Frage: Wie können wir Photovoltaik auf solche Skalen bringen, ohne unsere planetaren Grenzen zu überschreiten?

Technologische Grenzen und neue Ansätze

Wenn Solarenergie weiterhin so rasant wächst, dann könnte sie in ungefähr 15 Jahren die Hälfte des weltweiten Strombedarfs decken. Aber selbst wenn in den 2050er-Jahren das Ziel des Netto-null-Energiesystems erreicht ist, wie es von vielen Ländern angestrebt wird, dürfte der Solarausbau bis Ende des Jahrhunderts voranschreiten. Denn die Weltbevölkerung und insbesondere der Energieverbrauch pro Kopf werden weiter wachsen.

In der Forschung entstehen zwar viele Technologiekonzepte für Solarzellen. Der Transfer aus der Forschung in die Industrie braucht allerdings Zeit und ist an ökonomische Sachzwänge gebunden. Daher wird in den nächsten Jahren der größte Teil der Energiewende voraussichtlich auf den derzeit dominierenden Technologien basieren – und damit auf Silizium. Wer heute an ein Solarmodul denkt, hat wahrscheinlich ein Siliziummodul vor Augen, denn der Marktanteil dieser Technologie beträgt 97 Prozent. Den Rest machen fast ausschließlich sogenannte Kadmium-Tellurid-Dünnschichtsolarzellen (CdTe) aus.

Doch Silizium-Solarzellen stoßen bald an ihre physikalische Effizienzgrenze von 29,4 Prozent. Einen größeren Anteil der eingestrahlten Sonnenenergie können sie aus fundamentalen Gründen nicht in elektrischen Strom umwandeln. Für CdTe liegt die Grenze in einem ähnlichen Bereich. Derzeit werden für Silizium-Photovoltaik bereits Wirkungsgrade von 27,4 Prozent erzielt.

Um diese Grenze zu durchbrechen, setzen Hersteller auf Tandemtechnologien. Dabei werden zwei Solarzellen übereinandergestapelt, die das Sonnenspektrum besser ausnutzen. Es wäre zwar denkbar, dass die Photovoltaik bei der Wirkungsgradgrenze für Silizium stehenbleibt. Danach sieht es aber derzeit nicht aus. Gegenwärtig nimmt der Modulwirkungsgrad jährlich um über 0,5 Prozentpunkte zu. Anders ausgedrückt: Die sogenannte Lernrate, das ist die Wirkungsgradverbesserung nach einer Verdopplung der insgesamt produzierten Modulleistung, liegt bei acht Prozent.

Mit steigendem Wirkungsgrad ist weniger Modulfläche nötig, um die gleiche elektrische Leistung zu erzeugen. Daher ist anhaltende technische Innovation nicht nur ökonomisch sinnvoll, sondern sie kann auch zur Nachhaltigkeit beitragen. Wenn der Wirkungsgrad hingegen bei der Silizium-Grenze stehenbleiben würde, bräuchte man für den weltweiten Photovoltaikausbau gegenüber heute bis zum Ende des Jahrhunderts 30 Prozent mehr Modulfläche. Und das kann viel ausmachen. Selbst wenn sich die Wirkungsgrad-Lernraten wie bislang fortsetzen, rechnen wir mit einer global installierten Modulfläche, die der halben Fläche Deutschlands entspricht. Wir sprechen hier von Hunderttausenden Quadratkilometern einer Hightech-Halbleitertechnologie. Das verdeutlicht: Für die Energiewende brauchen wir sehr viel Material.

Wie viele Löcher müssen wir graben?

Hinter dem unsichtbaren Strom aus der Steckdose steckt eine physisch greifbare Infrastruktur. Um sie für ein postfossiles Zeitalter umzubauen, braucht es Materialien, und dafür sind neue Bergbauprojekte nötig – mit allen verbundenen ökologischen, sozialen und geopolitischen Konsequenzen.

Dabei darf man nicht vergessen, dass auch die fossile Energiegewinnung sehr stark von Rohstoffabbau abhängig ist. Da Kohle und Gas stetig nachgeliefert werden müssen, ist der Rohstoffbedarf pro Energieeinheit hier sogar um einen Faktor 10 bis 100 höher als bei Wind und Solar. In einer postfossilen Welt werden wir also weniger Löcher für Rohstoffe graben. Aber Minen wird es weiter brauchen.

Betrachtet man das Gewicht, so werden für Wind- und Solarenergie vor allem Massenmaterialien wie Zement, Glas oder Stahl verwendet, und zwar in ähnlichen Mengen wie in fossilen Energieinfrastrukturen. Spannend wird es, wenn man sich die sogenannten Technologiematerialien anschaut. Das sind Stoffe, die meist in kleinen Mengen für eine ganz bestimmte technische Funktion eingesetzt werden.

Energiegewinnung geht zwar postfossil, aber nicht postmineralisch

Während die Menschheit vor ein paar Generationen noch eine überschaubare Menge an Elementen nutzte, tragen heute fast alle einen großen Teil des Periodensystems in der Hosentasche: In unseren Mobiltelefonen steckt knapp die Hälfte der nicht radioaktiven Elemente in Form von hochfunktionalisierten Technologiematerialien. In Wind- und Photovoltaikkraftwerken findet man zwar deutlich weniger Elemente, doch auch hier ist der Trend klar: Energiegewinnung geht zwar postfossil, aber nicht postmineralisch.

Technologiematerialien auf großen Skalen

Gemessen am Gewicht besteht ein Solarmodul vor allem aus Glasscheiben, aus Aluminium für den Rahmen und aus Stahl für die Aufständerung. Die eigentliche Stromproduktion findet in einer dünnen Schicht aus kristallinem Silizium statt. Sie misst kaum 0,2 Millimeter. Das Element Silizium findet man buchstäblich so häufig wie Sand am Meer. Die Erdkruste besteht zum größten Teil aus Siliziumoxiden.

Für Solarzellen und auch Computerchips besteht die Herausforderung darin, dieses Silizium in hochreiner Form herzustellen, nämlich mit einer Reinheit von 99,9999 Prozent. Wäre ein Siliziumatom ein Tischtennisball und würde man diese Bälle in einer Linie hintereinanderreihen, dann entspräche das höchstens einem »falschen« Tischtennisball alle 40 Kilometer. Es braucht viel Energie, um Siliziumkristalle mit so einer Reinheit herzustellen.

Bei CdTe-Solarzellen ist die Situation etwas anders, da die Materialien vergleichsweise selten sind. Kadmium und insbesondere Tellur werden nur in relativ kleinen Mengen abgebaut. Die Förderung ist wohl nicht in ausreichender Menge steigerbar, um mit CdTe-Photovoltaik die weltweite Energieversorgung zu decken.

Bei Tandemsolarzellen wird die Diskussion spannend. Spezielle Materialien wie sogenannte III-V-Halbleiter oder Perowskite absorbieren Licht viel besser als Silizium, sodass man die Solarzellschichten ungefähr 100-mal dünner machen kann. Dieser Dünnschichtansatz spart sehr viel Material.

Jedoch braucht es dafür eine ganze Mischung an Elementen. Für III-V-Technologien sind das hauptsächlich Gallium, Germanium, Arsen und Indium. Bei Perowskitsolarzellen kommen noch mehr zum Einsatz: Für die photoaktive Schicht Blei, Jod, Brom und oft auch Cäsium. Für das Abführen der Ladungsträger werden weitere Elemente oder verschiedenste organische Materialien verwendet. Wir müssen uns im Labor also die Frage stellen: Welche Materialsysteme lassen sich nachhaltig auf den Maßstab von Terawatt skalieren? Wo kommt es möglicherweise zu Engpässen?

Um das abzuschätzen, hilft es zunächst, die aktuelle Materialversorgung anzuschauen – vor allem die Primärproduktion, also den Bergbau. Warum kein Recycling? Weil die meisten Materialien, die heute recycelt werden, bereits für andere Technologien gebraucht werden. Aus dem Schrott alter Autos werden neue hergestellt.

Wir müssen zumindest für die erste Runde der Transformation neu abgebaute Materialien verwenden

Es ist zwar ein erstrebenswertes Ziel, nachhaltige Zukunftstechnologien aus den Schrotten der abgewrackten fossilen Technologien zu machen, und bei manchen Materialien könnte das auch funktionieren. So könnte man das Blei für Perowskitsolarzellen aus den in Zukunft nicht mehr benötigten Bleisäurebatterien von Verbrennermotoren gewinnen. Die alten fossilen Technologen bestehen jedoch größtenteils aus herkömmlichen Stoffen wie Stahl. Für den Bau neuer Solarzellen eignen sie sich nicht. Dafür braucht man hochspezielle Technologiematerialien. Und da die Solarzellen, die wir heute bei exponentiellem Wachstum herstellen, erst in ungefähr 30 Jahren recycelt werden, müssen wir zumindest für diese erste Runde der Transformation neu abgebaute Materialien verwenden.

Wie kritisch ein bestimmtes Material ist, lässt sich grob abschätzen. Dafür muss man ausrechnen, welche Mengen eines Elements man für ein Terawatt installierter Leistung benötigen würde – mit einer zukünftigen Solarzellentechnologie, die dieses Element verwendet. Liegt die benötigte Menge unter zehn Prozent der aktuellen Jahresproduktion, dann hat das Material diesen ersten Test bestanden. Liegt es über der Schwelle, dann müssen wir genauer hinsehen.

Bei einigen Materialien wie Cäsium oder Jod sind die Fördermengen derzeit vergleichsweise niedrig. Das liegt nicht daran, dass die Elemente so selten vorkommen, sondern daran, dass sie bisher kaum in Produkten Verwendung finden. Es ist also denkbar, bei wachsender Nachfrage auch die Produktion zu steigern.

Allerdings gibt es auch Stoffe, bei denen sich die Fördermengen nicht ohne Weiteres erhöhen lassen. Dazu gehört Silber, das in Solarmodulen für die elektrischen Kontakte verwendet wird. Schätzungsweise 10 bis 20 Prozent der globalen Silberproduktion fließen bereits heute in die Photovoltaikindustrie. Silber ist seit Jahrtausenden begehrt; die Produktion zu steigern ist nicht mehr so einfach möglich.

Zudem verwenden einige Silizium- sowie Perowskit- und III-V-Technologien Indium. Das Material wird beispielsweise auch in Touchdisplays verwendet und nur in begrenzten Mengen abgebaut. Wenn wir die Produktion von Solarmodulen weiter steigern wollen, dann muss dabei also möglichst der Bedarf an Silber oder Indium gesenkt werden. Technologische Konzepte dafür gibt es bereits.

An dieser Stelle müssen wir uns etwas genauer anschauen, was es bedeutet, die Fördermengen eines Elements zu erhöhen. Man kann nämlich nicht einfach eine neue Indium-Mine eröffnen – denn so etwas wie eine Indium-Mine gibt es gar nicht. Der Bergbau richtet sich zunächst auf sogenannte Basismetalle wie Eisen, Kupfer, Blei, Zinn oder Aluminium. In den Erzen finden sich dann in kleinen Mengen andere Elemente, die bevorzugt mit bestimmten Basismetallen vergesellschaftet sind. Indium ist beispielsweise vor allem in Zinnerzen zu finden.

Um die Indium-Produktion zu steigern, muss man also mehr Zinn fördern oder Indium effizienter aus den Rückständen gewinnen. Wenn wir Materialien für die nächste Solarzellengeneration auswählen, dann sollten wir also bevorzugt Basismetalle verwenden. Bei Perowskitsolarzellen handelt es sich bei den meisten verwendeten Materialien um solche Metalle.

Daneben gilt es dennoch auch Lösungen für das Recycling zu finden. Bergbau verursacht oft große ökologische und soziale Schäden. Zudem konzentrieren sich etliche Rohstoffvorkommen auf wenige Länder, was geopolitische Risiken nach sich ziehen kann. Langfristig sollten die Materialien für Solarmodule also möglichst in Kreisläufen geführt werden.

Dies ist die große Anforderung an Solarmodule, die wir heute in unseren Laboren erforschen. Erstens sollten sie möglichst lange Lebensdauern haben und zweitens – am Ende ihres Lebenszyklus nach einigen Jahrzehnten – von der nächsten Generation recycelt werden können. Dieses generationenübergreifende Denken durchzuhalten, ohne das nötige Tempo bei der Energiewende zu verlangsamen, ist eine spannende Herausforderung.

Dabei dürfen wir allerdings nicht nur die Frage behandeln, wie wir möglichst nachhaltig immer mehr Material gewinnen. Denn jenseits der möglichen Fördermengen müssen wir beispielsweise auch die Folgen von Bergbautätigkeiten bewerten. Daran forschen wir aktuell.

Die Energiewende ist gleichzeitig ein lokales und ein globales Projekt – und wir müssen sie gerecht gestalten

Und nicht zuletzt erhoffen wir uns Antworten für den gesamten Produktlebenszyklus: Wo werden die Module aufgestellt und betrieben? Von wem? Was passiert, wenn die Anlagen einmal kaputt sind? Es geht hier um essenzielle Nachhaltigkeitsprobleme. Aber auch um die Akzeptanz und damit um die schnelle Umsetzung der Energietransformation. Die Energiewende ist gleichzeitig ein lokales und ein globales Projekt – und wir müssen sie gerecht gestalten.

Denken im Terawattmaßstab

Die Photovoltaik wird zum globalen Player, doch mit der Skalierung wachsen die Herausforderungen. Die Frage ist nicht mehr allein, ob wir die Energiewende schaffen, sondern wie wir sicherstellen, dass sie einerseits schnell vorangeht und dabei andererseits nicht neue Probleme erzeugt. Dafür müssen wir jetzt an Technologien forschen, die nicht bloß effizient sind, sondern auch nachhaltig in großem Maßstab ausgebaut werden können.

Die Photovoltaikindustrie wird so groß, dass sie sich vor ihrer sozialen und ökologischen Verantwortung nicht drücken kann

Neue Tandemtechnologien ermöglichen höhere Wirkungsgrade und damit mehr Ertrag bei gleicher Fläche. Dafür werden aber neue Materialien benötigt. Bei der Auswahl müssen wir genau überlegen, welche Rohstoffe sich auch in hohen Mengen erschließen und fördern lassen. Gleichzeitig müssen wir die Solarzellen schon heute so bauen, dass sie in einigen Jahrzehnten möglichst verlustfrei recycelt werden können.

Die Photovoltaikindustrie wird so groß werden, dass sie sich vor ihrer sozialen und ökologischen Verantwortung nicht drücken kann. Erst wenn es gelingt, ihre eigene Zukunft auf nachhaltige Weise zu gestalten, kann sie dasselbe für die Menschheit tun und die in sie gesetzten Hoffnungen erfüllen: die Bewohnbarkeit des Planeten zu bewahren und zu fördern.