Dr. Lukas Wagner: nano2tera
Photovoltaik wird in Zukunft die wichtigste Technologie für eine klimaneutrale Energieversorgung sein. Im Projekt "nano2tera" werden perowskitbasierte Solarzelltechnologien entwickelt, die nicht nur höchste Wirkungsgrade und Produktlebensdauern erzielen, sondern auch nachhaltig skalierbar sind für eine globale Energieversorgung im Terawattmaßstab.
Das Überschreiten der planetaren Belastungsgrenzen stellt die Menschheit vor große und komplexe Herausforderungen, allen voran der Bedrohungen durch den Klimawandel. Photovoltaik – die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Leistung - ist eine Schlüsseltechnologie für kosteneffizienten Klimaschutz. Daher wird mit Hochdruck an Solarzelltechnologien der Zukunft geforscht. Einer der vielversprechendsten Kandidaten sind sogenannte Perowskit-Solarzellen, weil sie mit einfachen Druckprozessen vergleichbar mit dem Zeitungsdruck herstellbar sind und dabei höchste Wirkungsgrade erzielen.
Skalierbarkeit von Anfang an mitdenken
Für die Forschung ist es meist ausreichend, Perowskit-Solarzellen herzustellen, die nicht größer als ein Fingernagel sind. Dabei kann leicht aus dem Blick geraten, dass diese Solarzellen nicht nur dafür optimiert werden müssen, im Labor höchste elektrische Leistungen zu erzielen. Um einen Beitrag zur Abminderung des Klimawandels leisten zu können, müssen in naher Zukunft jährlich viele tausende Quadratkilometer Modulfläche hergestellt werden. Das ist nur möglich, wenn die Technologien bereits bei der Entwicklung im Labor auf nachhaltige Skalierbarkeit optimiert wurden.
Nachhaltige Skalierbarkeit hat viele Dimensionen. Eine von ihnen ist die Materialverfügbarkeit. Für die Solarzellenforschung bedeutet das: Es dürfen nur Materialien eingesetzt werden, die bereits heute in ausreichender Menge produziert werden oder deren Produktion ebenso schnell wie der exponentiell wachsende Photovoltaikmarkt skaliert werden können.
Für die Herstellung hocheffizienter Perowskit-Solarzellen sind Kombinationen aus vielen Materialien möglich. In Frage kommen einerseits seltene Metalle, aber auch Kombinationen aus Materialien, die in ausreichend großen Mengen verfügbar sind. Im Projekt “nano2tera” werden daher bereits in der Materialforschung ("nano") Maßstäbe zur nachhaltigen Skalierbarkeit erforscht und in die Solarzelloptimierung umgesetzt ("tera").
Ein Materialproblem – und seine Lösung
Zur industriellen Aufskalierung von Perowskit-Solarzellen muss neben höchsten Wirkungsgraden und nachhaltiger Skalierbarkeit aber noch ein dritter Aspekt erfüllt sein: Die Solarzellen müssen höchste Lebensdauern aufweisen. Im Projekt wird diese Herausforderung auf zwei Wegen angegangen: Zunächst wird eine Materialkombination gewählt, die bereits von vornherein höchste Lebensdauer verspricht.
Die in den Solarzellen verwendeten Perowskit-Materialien unterscheiden sich von etablierten Silicium-Solarzellen: Während dort stabile kovalente Bindungen vorliegen, werden Perowskite durch vergleichsweise beweglichere ionische Bindungen zusammengehalten. Bei der Herstellung ist das ein großer Vorteil, weil die Kristallisation bei niedrigen Temperaturen aus einer flüssigen Lösung erfolgen kann – wie bei einer Druckertinte.
Für die Produktlebensdauer kann dies aber zu einem Problem werden. Die Ionen können sich leicht lösen, durch die Solarzelle bewegen und mit den Elektroden reagieren. Das Projekt “nano2tera” verfolgt daher einen Ansatz, der bisher in der Batterietechnologie genutzt wird: Statt korrosionsanfälliger Metallelektroden kommen druckbare Kohlenstoffmaterialien zum Einsatz, die deutlich stabiler sind und so zu einer längeren Lebensdauer der Solarzellen beitragen.
Innovative Testsysteme machen Alterung sichtbar
Trotz dieses vielversprechenden Ansatzes stehen Solarmodulhersteller nun immer noch vor einem Problem: “Wie kann ich meinen Kunden garantieren, dass mein Produkt auch nach 30 Jahren bei Wind und Wetter noch funktionieren wird – ohne Jahrzehnte lang auf Testergebnisse warten zu müssen?”
Hierfür sollen in “nano2tera” Lösungen gefunden werden, indem innovative Hochdurchsatz-Alterungssysteme entwickelt werden, mit der viele hunderte Solarzellen gleichzeitig gealtert und die Alterungsprozesse beschleunigt werden können. Dabei werden die Solarzellen in operando mit verschiedenen Messmethoden während der Alterung beobachtet und so nicht einfach nur zerstört, sondern ein umfassendes Verständnis der Degradationsphänomene gewonnen.
Damit deckt das Projekt ein breites Spektrum an drängenden Forschungsfragen für zukünftige nachhaltige Technologien ab, vom Nano- bis zum Tera-Maßstab.
Nachwuchsgruppenleiter Dr. Lukas Wagner
Lukas Wagner leitet seit Februar 2026 im Rahmen des NanoMatFutur-Projekts “nano2tera” die Arbeitsgruppe “Nachhaltig Skalierbare Perowskit-Photovoltaik” an der Universität Marburg.
Er studierte Elektrotechnik und Informationstechnik (B.Sc. 2013) sowie Optik und Photonik (M.Sc. 2015) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Oregon State University. Seine Bachelor- und Masterarbeiten verfasste er am Georgia Institute of Technology in Atlanta, USA, und am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Nach seinem Studium arbeitete er ein Jahr lang am französischen Nationalen Forschungszentrum für Solarenergie (CEA-INES). Er promovierte 2021 am Fraunhofer ISE und an der Universität Freiburg mit einem Promotionsstipendium der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) und wurde für seine Dissertation mit dem Eva-Mayr-Stihl-Preis ausgezeichnet. Ab 2022 war er Postdoktorand am Fachbereich Physik der Universität Marburg. Zudem forschte er als Gastwissenschaftler an der Huazhong University of Science and Technology in Wuhan, China (2019), und an der University of Oxford, Großbritannien (2024). Er ist Mitglied bei der Young Academy for Sustainability Research und Research Fellow der WE-Heraeus-Stiftung.
Seine Forschungsinteressen gelten Perowskit-Solarzellen mit druckbaren Kohlenstoffelektroden, neuartigen Charakterisierungs- und Alterungstechniken sowie das Verständnis von Aspekten der Nachhaltigkeit in Energietechnologien.