Im Verlauf des Kurses „Good Morning, Sunshine!“ haben wir uns diesen Zusammenhängen aus unterschiedlichen Perspektiven angenähert.

Den Einstieg für die Motivation unseres Kurses bildeten Klimamythen, bei denen wir verbreitete Aussagen rund um Klimawandel und erneuerbare Energien hinterfragt und mithilfe wissenschaftlicher Erkenntnisse eingeordnet haben. Anschließend konnten wir uns durch Experimente selbst mit den physikalischen und chemischen Grundlagen der Sonnenenergienutzung beschäftigen. Darüber hinaus untersuchten wir mit Wärmepumpe und Elektrolyse weitere Möglichkeiten der Energieumwandlung und -nutzung. Dabei ging es nicht nur darum, theoretisches Wissen zu verstehen, sondern auch darum, naturwissenschaftliche Zusammenhänge praktisch zu beobachten und auszuwerten.

Ergänzt wurden unsere eigenen Untersuchungen durch Interviews mit internationalen Fachleuten. Sie ermöglichten uns einen Einblick in aktuelle Forschung und technische Anwendungen und halfen dabei, die Ergebnisse unserer Experimente in einen größeren Zusammenhang einzuordnen. So entstand Schritt für Schritt ein umfassenderes Bild davon, welche Möglichkeiten Sonnenenergie bietet, aber auch vor welchen Herausforderungen ihre Nutzung steht.

Die folgende Dokumentation folgt diesem Weg: Von der kritischen Auseinandersetzung mit Klimamythen über eigene Experimente und die daraus gewonnenen Erkenntnisse bis hin zu Gesprächen mit Expertinnen und Experten. Dabei wird deutlich, wie eng naturwissenschaftliche Grundlagen, technische Entwicklungen und die Frage nach einer nachhaltigen Energieversorgung miteinander verbunden sind.

Ebenso wenig hält die Behauptung stand, Tiere und Pflanzen würden sich problemlos an den Klimawandel anpassen. Denn „der Klimawandel ist eine allgegenwärtige und wachsende globale Bedrohung für die biologische Vielfalt und die Ökosysteme“ (Weiskopf et al. 2020; eigene Übersetzung). 

Tierarten können zwar in einem gewissen Rahmen auf sich verändernde Umweltbedingungen reagieren, beispielsweise durch „phänotypische Plastizität, evolutionäre Anpassungen oder Arealverschiebung“ (Korn, Bockmühl & Schliep 2013, S. 12). Jedoch vollziehen sich die Umweltveränderungen so schnell, dass vielen Arten keine der genannten Möglichkeiten zur Verfügung steht und „sie bei größeren Umweltveränderungen unweigerlich aussterben“ (Korn, Bockmühl & Schliep 2013, S. 12) werden. Dieser Prozess wird sich in Zukunft weiter verstärken, sodass wir zunehmend Biodiversität verlieren werden. 

Auch die Vegetation kommt an ihre Grenzen. Ein Beispiel liefert eine Studie aus Australien: Sie zeigt, dass bis zum Jahr 2070 rund  47 % der untersuchten Vegetation durch steigende Durchschnittstemperaturen gefährdet sein könnten (Gallagher, Allen & Wright 2019; eigene Übersetzung). 

Somit wird deutlich, dass die Anpassungsfähigkeit von Tieren und Pflanzen zwar vorhanden, jedoch begrenzt ist.  

Wissenschaftlich treffender könnte die Aussage lauten: 

„Der Klimawandel lässt sich zwar nicht mehr rückgängig machen, sein zukünftiges Ausmaß kann jedoch durch konsequenten Klimaschutz begrenzt werden. Tiere und Pflanzen können sich teilweise an veränderte Umweltbedingungen anpassen, viele Arten stoßen durch die Geschwindigkeit des Wandels  dabei jedoch an ihre biologischen Grenzen.“

Quellenverzeichnis:  

Gallagher, Rachael V. ; Allen, Stuart; Wright, Ian J. (2019): Safety margins and adaptive capacity of vegetation to climate change.                           https://www.nature.com/articles/s41598-019-44483-x  (abgerufen am: 13.07.2026)   

Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (2023): Climate Change 2023: Synthesis Report. Summary for Policymakers. 

https://www.ipcc.ch/report/ar6/syr/downloads/report/IPCC_AR6_SYR_SPM.pdf 

(abgerufen am: 13.07.2026) 

Korn, Horst; Bockmühl, Kathrin; Schliep, Rainer  (Hrsg.) (2013): Biodiversität und  

Klima – Vernetzung der Akteure in Deutschland IX – Ergebnisse und Dokumentation des. 9. Workshops. 

(abgerufen am: 13.07.2026)  

Weiskopf, Sarah R. et al. (2020): Climate change effects on biodiversity, ecosystems, ecosystem services, and natural resource management in the United States. 

Science of The Total Environment, 733, 137782. 

(abgerufen am: 13.07.2026)  

Der Interviewpartner, Dr. Jun-Ho Yum, forscht an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in der Schweiz zur Entwicklung und Verbesserung von Solarzellen. Spezifisch beschäftigt er sich mit DSSCs (Dye Sensitized Solar Cells), von denen sich in Zukunft eine höhere Effizienz erhofft. Des Weiteren forscht er an Perowskit-Solarzellen, die in Zukunft eine Alternative oder Ergänzung zur gängigen Silizium-Solarzelle darstellen könnten.  

Das Ziel des Interviews ist ein grundlegendes Verständnis über die Themenbereiche des Forschers zu erlangen. 

INTERVIEW 

Zunächst lässt sich festhalten, dass für die Stromerzeugung bewegungsfähige Elektronen benötigt werden, die als Ladungsträger fungieren. Bei der Solarzelle befinden sie sich zunächst im Valenzband des Halbleiters. Zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband liegt die sogenannte Bandlücke. Nimmt ein Elektron genügend Energie auf, z. B. durch Lichtstrahlung, kann es die Bandlücke überwinden und ins Leitungsband gelangen. Dort kann sich das Elektron frei bewegen und es fließt elektrischer Strom. Dieser Vorgang wird in Solarzellen genutzt. 

Klassische Solarzellen bestehen meistens aus Silizium. Das liegt daran, dass Silizium eine geeignete Bandlücke besitzt, um einen Teil des Sonnenlichts zur Stromerzeugung zu nutzen. Außerdem sind Silizium-Solarzellen sehr gut erforscht und langzeitstabil. 

Das eine Fachgebiet von Dr. Yum sind die Dye Sensitized Solar Cells. Diese Farbstoffsolarzellen nutzen Titanoxid als Halbleiter. TiO₂ besitzt eine relativ große Bandlücke von 3,2 – 3,3 Elektronenvolt [2]. Zusätzlich wird ein Farbstoff verwendet, um mehr vom Sonnenspektrum nutzbar zu machen als bei der klassischen Solarzelle . Wird das Licht vom Farbstoff absorbiert, so wird ein Elektron angeregt und vom Titandioxid (TiO₂) weiter transportiert. Problematisch ist die Rekombination, bei der das angeregte Elektron wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren kann. Der spezielle Aufbau der Solarzelle sorgt deshalb dafür, dass die Ladungen möglichst in die gewünschte Richtung transportiert werden. 

Für die Auswahl der Farbstoffe ist zunächst wichtig zu verstehen, dass unterschiedliche Farbstoffmoleküle unterschiedliche Bereiche des Sonnenspektrums absorbieren. Um den Wirkungsgrad zu maximieren, bedarf es deshalb eines Farbstoffes mit hoher Lichtabsorption. Roter Farbstoff (N719) absorbiert vor allem Licht im UV- & im sichtbaren Bereich und ist in der Herstellung etabliert. Am geeignetsten ist schwarze Farbe (N749), da sie fast das ganze Sonnenspekrum absorbiert. Allerdings ist die schwarze Farbe in der Herstellung etwa zwei bis vier Mal so teuer.  
Eine weitere wichtige Eigenschaft des Fabstoffs ist, dass er gut an der Oberfläche des Halbleiters binden kann. 

Neben den schon erwähnten Farbstoffsolarzellen, forscht Dr. Yum auch an Perowskit-Solarzellen. Diese bestehen unter anderem aus einer Schicht des Minerals Calciumtitanat (CaTiO₃), in anderen Worten: dem Perowskit-Kristall. Mit der Entwicklung sehr dünner Perowskit-Schichten gab es vor einigen Jahren einen starke Zunahme der Forschung. Dabei stellte sich heraus, dass Perowskit ein breites Lichtspektrum absorbiert. Dennoch ist wichtig zu erwähnen, dass kein einzelner Halbleiter das gesamte Sonnenspektrum optimal nutzen kann. Deshalb wird versucht, verschiedene Halbleiter miteinander zu kombinieren in Form von sogenannten Tandem-Solarzellen. 

Bei einer Tandem-Solarzelle werden mehrere Solarzellen bzw. Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Bandlücken kombiniert, beispielsweise Perowskit und Silizium. Die obere Schicht absorbiert Licht bestimmter Wellenlängen. Das nicht absorbierte Licht gelangt somit zur nächsten Schicht, die einen anderen Bereich des Sonnenspektrums nutzt. Durch die Absorbtion eines breiteren Spektrums ergibt sich auch ein höherer Wirkungsgrad, der bei circa 40% liegt. Im Vergleich dazu haben industriell gefertigte Solarzellen nur einen Wirkungsgrad von 17-22% [1]. 

Die größten Probleme der Perowskit-Solarzellen sind die Stabilität und die Anfälligkeit für Feuchtigkeit, da das Material durch Wasser beschädigt werden kann. Sie verlieren innerhalb von ca. 40 Tagen 20% an Absorbtion wohingegen Silizium-Solarzllen maximal 0,5% Effizienz im Jahr verlieren [3]. Ein weiterer Aspekt ist die Toxizität, da viele dieser Solarzellen zur Verbesserung des Wirkungsgrades Blei enthalten, das nicht in die Umwelt gelangen sollte. 

FAZIT  

Das Experteninterview mit Dr. Jun-Ho Yum lieferte interessante und relevante Einblicke in die praktische Forschung an modernen Typen von Solarzellen und ermöglichte eine Erweiterung des theoretischen Horizonts. Sowohl die DSSCs als auch die Perowskit-Solarzellen haben großes Potential in Zukunft die Effizienz der Solarstromerzeugung zu steigern. Im Fokus der zukünftigen Entwicklungen könnten Tandem-Zellen stehen, da sie sich durch einen erhöhten Wirkungsgrad auszeichnen. Entscheidend für die effektive Nutzung sind hierbei Lebensdauer, Stabilität, Kosten, Umweltverträglichkeit und industrielle Herstellbarkeit. Deshalb wird weiter geforscht, um Schwachstellen in diesen Bereichen zu beheben und neue Solarzellen zur Marktreife zu bringen. 

QUELLEN 

1. Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Dreifachsolarzellen erreichen Rekordwirkungsgrad, URL: https://www.energieforschung.de/de/aktuelles/projekteinblicke/2021/dreifachsolarzellen-erreichen-rekordwirkungsgrad, letzter Zugriff: 27.08.2026 

2. López, R., Gómez, R. Band-gap energy estimation from diffuse reflectance measurements on sol–gel and commercial TiO2: a comparative study. J Sol-Gel Sci Technol 61, 1–7 (2012). https://doi.org/10.1007/s10971-011-2582-9, letzter Zugriff: 27.08.2026 

3. Zhao, Y., Heumueller, T., Zhang, J. et al. A bilayer conducting polymer structure for planar perovskite solar cells with over 1,400 hours operational stability at elevated temperatures. Nat Energy 7, 144–152 (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-021-00953-z, letzter Zugriff: 27.08.2026 

Eine effiziente Möglichkeit, den Wärmebedarf von Gebäuden zu decken, bieten Wärmepumpen. Sie nutzen elektrische Energie, um Wärme aus der Umgebung aufzunehmen und für die Beheizung von Gebäuden nutzbar zu machen.

Doch wie funktioniert das eigentlich? Mithilfe eines thermodynamischen Kreisprozesses transportiert die Wärmepumpe Wärme von einem niedrigeren auf ein höheres Temperaturniveau. Dabei durchläuft das Kältemittel Bereiche mit unterschiedlichen Druckniveaus: eine Niederdruck- und eine Hochdruckseite. Durch die gezielte Veränderung des Drucks ändern sich auch Temperatur und Aggregatzustand des Kältemittels. So kann der Umgebung Wärme entzogen und anschließend auf einem höheren Temperaturniveau an das Gebäude beziehungsweise das Heizungswasser abgegeben werden.

Aber wie funktioniert das im Detail? Eine Wärmepumpe besteht aus vier grundlegenden Hauptbauteilen: dem Verdampfer (siehe Abb. 1), dem Kompressor beziehungsweise Verdichter, dem Kondensator und einer adiabaten Drossel. Diese vier Bauteile sind durch Rohrleitungen miteinander verbunden und bilden einen geschlossenen Kreislauf, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Welche Funktionen die einzelnen Bauteile übernehmen, wird im Folgenden genauer erklärt.

Je nach Bauweise der Wärmepumpe kommen unterschiedliche Kältemittel zum Einsatz. Eine klimafreundlichere Alternative zu fluorierten Kältemitteln ist beispielsweise Propan (als R290 bezeichnet), das aufgrund seiner günstigen thermodynamischen Eigenschaften, seiner Beherrschbarkeit sowie des Preises auch in Wärmepumpen eingesetzt wird (Umweltbundesamt, 2026).

Eine wichtige Voraussetzung für das Funktionieren der Wärmepumpe ist, dass das Kältemittel im Verdampfer eine niedrigere Temperatur als die Wärmequelle, also die Umgebung hat. Nur so kann es Wärme aufnehmen. Für den Betrieb der Wärmepumpe wird elektrische Energie benötigt, vor allem für den Antrieb des Verdichters. Im Idealfall stammt diese Energie beispielsweise aus einer Photovoltaikanlage, wodurch der Betrieb nachhaltiger gestaltet werden kann.

Die Abbildung 1 zeigt den dafür notwendigen thermodynamischen Kreisprozess.

Abb 1. Kreislauf einer Wärmepumpe

Der erste Bestandteil des Kreislaufs ist der Verdampfer (Abb. 4). Er besteht aus einem Rohr- beziehungsweise Wärmetauschersystem, durch das das Kältemittel strömt. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel zunächst die Wärme Q aus der Umgebung auf und verdampft dabei (Umweltbundesamt, 2025). Durch Rohre gelangt das nun gasförmige Kältemittel anschließend zum Kompressor. Dieser Vorgang lässt sich mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erklären: Wärme fließt von selbst immer vom wärmeren zum kälteren Körper. Während das Kältemittel Wärme abgibt, kondensiert es und wird wieder flüssig.

Der Kompressor (Abb. 5) beziehungsweise Verdichter besteht aus einem elektrisch angetriebenen Verdichtungsmechanismus. Seine Aufgabe ist es, das gasförmige Kältemittel zu verdichten und dadurch dessen Druck zu erhöhen (Umweltbundesamt, 2025). Gleichzeitig steigt auch die Temperatur des Kältemittels an. Beim Verdichten wird das Gas auf ein kleineres Volumen zusammengepresst. Dadurch steigt seine innere Energie und somit auch seine Temperatur.

Danach strömt das nun heiße Kältemittel zum Kondensator (Abb. 2). Diese bestehen aus vielen dünnen Platten. In den Zwischenräumen strömen das heiße Kältemittel und das kühlere Heizungswasser getrennt voneinander vorbei. Das Kältemittel gibt dabei seine Wärme an das Heizungswasser ab (Umweltbundesamt, 2025)

Als letzten Schritt durchläuft das flüssige Kältemittel die adiabate Drossel (Abb. 3). Sie besteht beispielsweise aus einer sehr engen Verengung im Rohrsystem oder einem entsprechend geregelten Ventil. Der Begriff „adiabat“ bedeutet, dass während dieses Vorgangs kein beziehungsweise nahezu kein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet. Beim Durchströmen der Drossel fällt der Druck des Kältemittels stark ab, wodurch auch seine Temperatur sinkt. Gleichzeitig verdampft ein Teil des flüssigen Kältemittels, sodass nach der Drossel ein Gemisch aus Flüssigkeit und Gas, sogenannter Nassdampf, vorliegt. Der Gasanteil nimmt dabei zu, während der Flüssigkeitsanteil abnimmt. Anschließend strömt das kalte Kältemittel wieder in den Verdampfer, wo es erneut Wärme aus der Umgebung aufnimmt und vollständig verdampft. Der Kreislauf beginnt von vorne (Umweltbundesamt, 2025)

Abb. 2 Kondensator Abb. 3 Adiabate Drossel Abb. 4 Verdampfer Abb. 5 Kompressor

Die Funktionsweise der Wärmepumpe ermöglicht eine effiziente Nutzung von Umweltwärme. In der praktischen Anwendung bringt diese Technologie jedoch sowohl Vorteile als auch Herausforderungen mit sich. Die besondere Effizienz einer Wärmepumpe liegt darin, dass sie mehr Wärmeenergie an das Gebäude abgeben kann, als ihr in Form von elektrischer Energie zugeführt wird. Der zusätzliche Anteil stammt aus der kostenlos verfügbaren Umweltwärme.

Wärmepumpen bieten vor allem durch ihre hohe Effizienz einen großen Vorteil. Sie nutzen Wärme aus der Umgebung und benötigen dafür vergleichsweise wenig elektrische Energie. Wird der benötigte Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen, kann ihr Betrieb besonders umweltfreundlich sein. Eine Kombination mit einer Photovoltaikanlage bietet sich daher besonders an und kann gleichzeitig die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen wie Öl und Gas verringern.

Demgegenüber stehen vor allem die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten. Außerdem hängt die Effizienz einer Wärmepumpe stark von den jeweiligen Bedingungen ab. Insbesondere bei sehr niedrigen Außentemperaturen muss sie mehr Energie aufwenden, um die benötigte Heiztemperatur zu erreichen. Je nach Art der Anlage kann zudem zusätzlicher Platz für die Installation erforderlich sein. Trotz dieser Nachteile stellen Wärmepumpen vor allem in Verbindung mit erneuerbarem Strom eine wichtige Technologie für eine nachhaltigere Wärmeversorgung dar.

Quellenverzeichnis:

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) (2019): Was ist eigentlich Versorgungssicherheit?
https://energiewende.bundeswirtschaftsministerium.de/EWD/Redaktion/Newsletter/2019/07/Meldung/direkt-erklaert.html⁠
(abgerufen am: 27.08.2026) 

Umweltbundesamt (2026): Wärmepumpen. Zuletzt aktualisiert am 22.07.2026. Online verfügbar unter: Umweltbundesamt – Wärmepumpen(abgerufen am 27.08.2026).

Umweltbundesamt (2025): Umgebungswärme und Wärmepumpen.Online verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/umgebungswaerme-waermepumpen
(abgerufen am 27.08.2026).

Besonders deutlich wurde dabei, dass sich viele der erforschten Technologien und Innovationen immer weiterentwickeln lassen. Dennoch bieten Solarenergie, Wasserstoff und neue Verfahren wie die Fotokatalyse vielfältige Möglichkeiten, Energie zukünftig effizienter und nachhaltiger zu gewinnen und zu nutzen.

„Good Morning, Sunshine!“ war für uns deshalb mehr als nur ein Kurstitel: Er steht auch für den Blick nach vorn – auf neue Ideen, neue Technologien und die Frage, wie wir die Energieversorgung der Zukunft mitgestalten können.