Angesichts der globalen Klimakrise und der Überschreitung planetarer Belastungsgrenzen ist ein schneller Ausbau erneuerbarer Energien unabdingbar, insbesondere der Solarenergie. Perowskit-Tandem-Solarzellen versprechen deutlich höhere Wirkungsgrade als die derzeit dominierende Siliziumtechnologie. Gleichzeitig erfordert der notwendige jährliche Ausbau von etwa 2–5 TWp Photovoltaikleistung erhebliche Mengen an Ressourcen, wodurch Fragen der ökologischen, ökonomischen und sozialen Nachhaltigkeit zunehmend an Bedeutung gewinnen. In der aktuellen Forschungslandschaft werden Nachhaltigkeitsaspekte bei der Entwicklung von Perowskit-Solarzellen jedoch bislang nur selten als handlungs- und designleitende Kriterien berücksichtigt. Häufig erfolgt eine Nachhaltigkeitsbewertung erst im Nachhinein, etwa durch Lebenszyklusanalysen bereits entwickelter Solarzellenkonzepte. Dabei bleiben insbesondere Aspekte der sozialen Nachhaltigkeit oder globaler Wertschöpfungsketten oft unzureichend berücksichtigt.
Ziel dieses Promotionsvorhabens ist es daher, technische Entwicklung und Nachhaltigkeit systematisch zusammenzudenken und in die Praxis zu überführen. Aufbauend auf bestehenden Nachhaltigkeitsanalysen sollen zusätzliche, bislang wenig berücksichtigte Aspekte untersucht werden, um langfristig eine nachhaltige Solarzelle mit maximalem Energieertrag zu entwickeln.
Das Projekt folgt einem iterativen Ansatz mit zwei zentralen Arbeitsschritten. Zunächst erfolgt eine umfassende Nachhaltigkeitsbewertung entlang des gesamten Lebenszyklus einer Perowskit-Solarzelle. Die Nachhaltigkeitskriterien werden aus verschiedenen Rahmenwerken abgeleitet, darunter die UN-Ziele für nachhaltige Entwicklung, die planetaren Leitplanken des Wissenschaftlichen Beirats der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen sowie relevante geopolitische und regulatorische Aspekte. Auf dieser Grundlage soll eine Methode zur Bewertung der verschiedenen Kriterien entwickelt werden. Darauf aufbauend sollen Hochertragssolarzellen – beispielsweise Tandem- oder bifaziale Konzepte – realisiert werden, die diese Nachhaltigkeitsanforderungen erfüllen. Ziel ist es, Nachhaltigkeitsaspekte gemeinsam mit Wirkungsgrad und Lebensdauer zu einem ganzheitlichen technologischen Optimum zusammenzuführen und experimentell umzusetzen.
Im ersten Projektjahr lag der Schwerpunkt auf der Entwicklung der methodischen Grundlagen für die Nachhaltigkeitsbewertung. Dazu wurde zunächst eine umfassende Literaturrecherche zu Lebenszyklusanalysen von Perowskit-Solarzellen durchgeführt. In einer anschließenden Meta-Analyse wurden aus 34 relevanten Studien insgesamt 16 Umweltindikatoren extrahiert und systematisch ausgewertet. Mithilfe statistischer Methoden, insbesondere einer Spearman-Rangkorrelationsanalyse, wurden Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Umweltwirkungen untersucht. Ziel dieser Analyse ist es, redundante oder stark korrelierende Parameter zu identifizieren und so eine Reduktion der betrachteten Indikatoren zu ermöglichen, ohne wesentliche Informationen zu verlieren. Darüber hinaus wird derzeit eine Lebenszyklusanalyse des Abbaus relevanter Rohstoffe für Perowskit-Solarzellen auf Basis der ecoinvent-Datenbank durchgeführt, um die vorhandene Datengrundlage zu erweitern.
Parallel dazu wurden Ansätze zur Bewertung der Rohstoffverfügbarkeit und möglicher Versorgungsrisiken analysiert. Auf Basis bestehender Literatur wurden zentrale Bewertungsindikatoren identifiziert und hinsichtlich ihrer globalen Anwendbarkeit, technologischen Relevanz und Datenverfügbarkeit geprüft. Daraus wurde ein Satz von Bewertungskategorien abgeleitet. Für ausgewählte Materialien wurden historische Datenreihen analysiert, um zeitliche Entwicklungen der Versorgungssituation besser zu verstehen und die Aussagekraft einzelner Indikatoren zu bewerten.