Nie wieder regelmäßig Batterien tauschen – für viele kleine Sensoren und IoT-Geräte könnte das tatsächlich Realität werden. Moderne, speziell auf Kunstlicht abgestimmte Solarzellen erreichen unter LED-Beleuchtung im Labor Wirkungsgrade von über 40 Prozent. Damit lassen sich stromsparende Elektroniksysteme in vielen Fällen dauerhaft betreiben – meist in Kombination mit kleinen Pufferspeichern für Dunkelphasen.
Klassische Silizium-Solarzellen sind für Sonnenlicht mit einer Einstrahlungsleistung von rund 1000 W/m² (Standard-Testbedingungen) ausgelegt. Innenräume bieten dagegen deutlich geringere Lichtleistungen. Typische Beleuchtungsstärken liegen in Büros bei etwa 500–1000 Lux, in Wohnräumen oft bei rund 100 Lux. Diese Werte sind photometrische Größen und lassen sich nicht direkt in Watt pro Quadratmeter umrechnen, verdeutlichen jedoch: Die verfügbare Lichtleistung im Innenraum ist um Größenordnungen geringer als unter direkter Sonne.
Hinzu kommt, dass LED- und Leuchtstofflampen ein spektral deutlich schmaleres Licht abgeben als das breite Sonnenspektrum. Silizium ist auf das Sonnenspektrum optimiert und arbeitet unter künstlicher Beleuchtung daher weniger effizient. Typische Wirkungsgrade von Siliziumzellen unter Innenlicht liegen häufig im Bereich von etwa 10 bis 20 Prozent – abhängig vom Spektrum und der Lichtstärke. Für sehr stromsparende Anwendungen reicht das teilweise aus, für viele IoT-Geräte jedoch nicht für einen dauerhaft wartungsfreien Betrieb.
Neue Materialien wie Galliumindiumphosphid, Perowskite oder organische Halbleiter lassen sich dagegen gezielt auf das Spektrum von Innenbeleuchtung abstimmen. Unter definierten LED-Bedingungen wurden damit bereits Wirkungsgrade von über 40 Prozent erreicht – ein deutlicher Effizienzsprung für Anwendungen mit niedriger Leistungsaufnahme.
Der Durchbruch: Über 40 Prozent Effizienz unter Innenlicht
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben Indoor-Solarzellen auf Basis von III‑V-Halbleitern, konkret Galliumindiumphosphid (GaInP), entwickelt, die unter LED-Licht Wirkungsgrade von über 40 % erreichen. Bei 1000 Lux liegt die gemessene Effizienz bei rund 41,4%, bei 100 Lux werden immer noch deutlich über 30 Prozent erreicht.
Das Material besitzt eine Bandlücke von etwa 1,9 Elektronenvolt – ein Wert, der nahezu optimal zum sichtbaren Spektrum typischer Innenraumbeleuchtung passt. Dadurch kann es das Licht von LEDs und Lampen besonders effizient in Strom umwandeln und erreicht unter Kunstlicht deutlich höhere Wirkungsgrade als herkömmliche Siliziumzellen.
Bei sogenannten n-dotierten GaInP-Solarzellen wird das Halbleitermaterial gezielt mit winzigen Mengen eines zusätzlichen Elements versehen, das mehr frei bewegliche Elektronen bereitstellt – also negative Ladungsträger. Dadurch können sich die elektrischen Ladungen im Material länger und verlustärmer bewegen. Das Ergebnis: höhere Spannungen, bessere Leistungswerte und stabile Erträge selbst bei sehr schwachem Innenraumlicht.
Parallel dazu zeigt eine aktuelle Studie zu dreifach geschichteten Perowskit-Solarzellen, wie groß das Potenzial unter LED-Beleuchtung ist: Bereits heute werden Wirkungsgrade von 37,6 Prozent erreicht, theoretisch wären unter typischem Kunstlicht sogar nahezu 60 Prozent möglich.
Wichtige Technologien für Indoor-PV
Organische Photovoltaik (OPV) – Organische Solarzellen sind flexibel, leicht und günstig herstellbar und eignen sich daher besonders für integrierte Indoor-Anwendungen. Ihre Bandlücke lässt sich chemisch gezielt auf das Spektrum von LEDs und warmweißen Lampen anpassen, wodurch sie bei Kunstlicht relativ hohe Wirkungsgrade erreichen können.
Für Indoor-PV ist ein hoher Parallelwiderstand entscheidend, um Leckströme bei sehr niedrigen Strömen zu minimieren. Studien zeigen, dass bei angepasster Bandlücke und optimierten Widerständen für organische und Perowskit-Zellen unter 1000 Lux und 2700 K realistische Wirkungsgrade von über 40% erreichbar sind, während das theoretische Limit bei rund 55% liegt.
Farbstoffsolarzellen (DSSC, auch Grätzel-Zellen) arbeiten besonders gut bei diffusem Licht und wechselnden Beleuchtungsbedingungen. Das schwedische Unternehmen Exeger hat darauf basierend das Material Powerfoyle entwickelt, eine flexible Solarfolie, die Licht in bestimmten Spektralbereichen – drinnen wie draußen – in Strom umwandelt. Powerfoyle kann optisch wie Kunststoff, Textil oder Leder gestaltet werden und fügt sich so unauffällig in Produkte ein. Die Technologie ist robust und für den langlebigen Einsatz in Consumer- und Industrieprodukten ausgelegt, ohne sichtbare „klassische“ Solarpanels.
Bereits verfügbare Produkte im Alltag
Mehrere Produkte zeigen, dass Indoor-Solarenergie längst nicht mehr nur ein Laborthema ist: Kopfhörer integrieren Powerfoyle im Bügel und laden sich kontinuierlich durch Umgebungslicht, sodass sie bei normaler Nutzung praktisch nie aktiv verkabelt geladen werden müssen.
Auch im Sicherheits- und Industriebereich tauchen erste Anwendungen auf. Das Unternehmen Exeger zeigt solarbetriebene Gehörschutz-Headsets, die sich in allen Lichtumgebungen kontinuierlich laden und damit häufige Batteriewechsel überflüssig machen. Ricoh und andere Anbieter entwickeln zudem DSSC-Module für Sensoren, etwa in Lagerhallen oder Kühlräumen, die auch bei sehr niedrigen Temperaturen energieautark arbeiten können.
Der eigentliche Gamechanger ist das Internet der Dinge (IoT), in dem Milliarden kleiner Geräte – Sensoren, Aktoren, Beacons, Preisschilder – dauerhaft mit Strom versorgt werden müssen. Bisher erfordert das entweder Kabelinstallation oder regelmäßige Batteriewechsel, was enorme Kosten und große Mengen an Batterie- und Elektronikabfall verursacht.
Indoor-Solarzellen, die bei typischen Beleuchtungsstärken von 100–1000 Lux hohe Effizienzen erzielen, können viele dieser Geräte dauerhaft mit Energie versorgen. In der Gebäude- und Prozessautomation ermöglicht das „install and forget“ – Sensor einmal montieren, Konnektivität einrichten und danach jahrelangen Betrieb ohne Wartung.
III‑V-Halbleiter wie GaInP sind in der Herstellung derzeit noch deutlich teurer als Silizium, was ihren Einsatz zunächst auf High‑Value‑Anwendungen wie IoT-Sensoren, Medizingeräte oder Spezialelektronik beschränkt. Parallel arbeiten Forschung und Industrie an skalierbaren, kostengünstigen Fertigungsverfahren für organische und Perowskit-basierte Indoor-PV, etwa durch Rolle-zu-Rolle-Druck.
Design und Integration bleiben ebenfalls zentrale Themen: Nutzer akzeptieren unsichtbar integrierte Solarfolien eher als auffällige Module auf Alltagsprodukten. Technologien wie Powerfoyle oder transparente beziehungsweise farblich anpassbare organische Zellen zeigen, wie Energiegewinnung künftig nahezu unsichtbar in Oberflächen, Gehäuse und Textilien verschwinden kann. Die weitere und massenhafte Verbreitung der Photovoltaik-Technologie findet nicht auf Dächern, sondern in unseren Geräten des Alltags statt – in Kopfhörern, Sensoren, Schaltern und Wearables. Mit Wirkungsgraden von über 40% unter Kunstlicht und weiter sinkenden Leistungsaufnahmen moderner Elektronik ist eine batterielose Zukunft vieler IoT-Anwendungen in greifbare Nähe gerückt.