Geschichte der Photovoltaik

Die Photovoltaik dient der direkten Wandlung von einfallendem Licht in elektrische Energie (vgl. Sonnenenergie). Die Geschichte der Photovoltaik beginnt im Jahr 1839, als der zugrundeliegende photoelektrische Effekt durch Alexandre Edmond Becquerel entdeckt wurde. Es dauerte jedoch noch über einhundert Jahre, bis es zu einer Nutzung in der Energieversorgung kam.

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Die Entdeckung

Im Jahr 1839 stieß Alexandre Edmond Becquerel (1820–1891) bei Experimenten auf den photoelektrischen Effekt. Bei Experimenten mit elektrolytischen Zellen, bei denen er eine Platin-Anode und -Kathode verwendete, maß er den zwischen diesen Elektroden fließenden Strom. Dabei stellte er fest, dass der Strom bei Licht geringfügig größer war als im Dunkeln. Damit entdeckte er die Grundlage der Photovoltaik. Zu einer praktischen Anwendung kam es jedoch erst Generationen später.

Grundlegende Forschung

1873 entdeckten der britische Ingenieur Willoughby Smith und sein Assistent Joseph May, dass Selen bei Belichtung seinen elektrischen Widerstand veränderte. Willoughby Smith ging mit dieser Entdeckung an die Öffentlichkeit und löste damit weitere Forschungen zu diesem Thema aus.

1876 entdeckte dann William Grylls Adams zusammen mit seinem Schüler Richard Evans Day, dass Selen Elektrizität produziert, wenn man es Licht aussetzt. Obwohl Selen nicht geeignet ist, genügend elektrische Energie zur Versorgung damals verwendeter elektrischer Bauteile zur Verfügung zu stellen, war hiermit der Beweis erbracht, dass ein Feststoff Licht direkt in elektrische Energie wandeln kann, ohne den Umweg über Wärme oder kinetische Energie. 1883 baute der New Yorker Charles Fritts ein erstes Modul (den Vorläufer des Photovoltaikmoduls) aus Selenzellen. Erst jetzt kam es zu grundlegenden Arbeiten über den photoelektrischen Effekt, bei vielen Wissenschaftlern der damaligen Zeit aber auch zu großen Zweifeln an der Seriosität dieser Entdeckung. 1884 legte Julius Elster (1854–1920) zusammen mit Hans Friedrich Geitel (1855–1923) bedeutende Arbeiten über den lichtelektrischen Effekt (Photoeffekt) vor. Heinrich Rudolph Hertz (1857–1894) entdeckte ebenfalls 1887 den lichtelektrischen Effekt, dessen genaue Untersuchung er seinem Schüler Wilhelm Hallwachs (1859–1922) übergab. Im gleichen Jahr und unabhängig von Hallwachs kam auch Augusto Righi (1850–1920) zur Entdeckung der Elektronenemission beim Photoeffekt. Zu Ehren der Erkenntnisse von Hallwachs wurde der lichtelektrische Effekt (auch äußerer Photoeffekt genannt) früher auch als Hallwachs-Effekt bezeichnet. Auch Philipp Eduard Anton Lenard (1862–1947) und Joseph John Thomson trugen am Ende des 19. Jahrhunderts weiter zur Erforschung des lichtelektrischen Effekts bei. 1907 lieferte Albert Einstein eine theoretische Erklärung des lichtelektrischen Effekts, die auf seiner Lichtquantenhypothese von 1905 beruhte. Dafür erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik.

Robert Andrews Millikan (1868–1953) konnte 1912–1916 die Einstein’schen Überlegungen zum Photoeffekt experimentell bestätigen und wurde unter anderem dafür 1923 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Ein weiterer wichtiger Schritt für die Grundlagen der Halbleitertechnik und der Photovoltaik war das 1916 von Jan Czochralski (1885–1953) im Metall-Labor der AEG Berlin entdeckte und nach ihm benannte Kristallziehverfahren. Es wurde erst in den 1940er Jahren weiterentwickelt und kam in den 1950er Jahren mit dem steigenden Bedarf nach Halbleiterbauteilen in größerem Maßstab zur praktischen Anwendung.

Photovoltaische Zellen

Siehe auch: Photovoltaik#Entwicklungen

Im Jahr 1934 wurde an einer dünnen Solarzelle geforscht, die Kupfer(I)-oxid, auch Cuprit oder Kupferoxydul genannt, auf der Oberfläche einer Kupferanode als Halbleiter nutzte. Zur Ableitung der Ladungsträger von der Oxidoberfläche und zum Schutz vor Umwelteinflüssen bestand die Kathode aus einem leitfähigen wie auch lichtdurchlässigen Kupferfilm. Die Wissenschaftler nahmen an, irgendwann 26 Watt pro Quadratmeter waagerecht installierter Solarzellenfläche zu erreichen (86,3 MW pro mi²). Als mögliche Anwendung waren zu der Zeit bereits Hausdächer aus Solarzellen und autarke Energieversorgungen (Inselsysteme) angedacht, z. B. bei Luftschiffen. Undotiert produziert die Zelle 12,5 mW/m². Durch eine Dotierung des Metalloxids und die (erst sehr viel später entwickelte) Feldeffekt-Technologie für Solarzellen (SFPV, entwickelt 2012) kann die Effizienz verbessert werden.

1940 stellte Russell S. Ohl (1898–1987) bei Versuchen unerwartet fest, dass bei Beleuchtung einer von ihm untersuchten Siliziumprobe das angeschlossene Messgerät eine Änderung anzeigte. Er bemerkte, dass durch die Beleuchtung des Siliziums ein Strom erzeugt werden konnte. Durch weitere Untersuchungen konnten die Ergebnisse bestätigt werden. Im Jahre 1941 wurde die Erfindung zum Patent angemeldet. Ohl war bei den Bell Laboratories auch an der Entdeckung beteiligt, bei Halbleitern durch gezielte Dotierung mit Fremdstoffen die elektrischen Eigenschaften zu ändern und so einen p-n-Übergang zu schaffen.

1948 kam es zu einem ersten Konzept der Halbleiter-Photovoltaik mit Schottky-Dioden durch Kurt Lehovec (1918–2012), und 1950 erstellte William Bradford Shockley (1910–1989) ein theoretisches Modell für den p-n-Übergang und schuf damit auch die Voraussetzung für das Verständnis der heutigen Solarzellen.

Die Bell Laboratories in New Jersey waren in diesen Jahren eines der weltweit aktivsten und erfolgreichsten Forschungslaboratorien. 1953 wurden dort von Daryl Chapin (1906–1995), Calvin Souther Fuller (1902–1994) und Gerald Pearson (1905–1987) kristalline Silizium-Solarzellen, jeweils zirka 2 cm² groß, mit Wirkungsgraden von über 4 Prozent produziert. Eine Zelle erreichte sogar 6 Prozent Wirkungsgrad – am 25. April 1954 wurden die Ergebnisse der Öffentlichkeit präsentiert. Die New York Times brachte das Ereignis am nächsten Tag auf der Titelseite. Die Solarzellen hatten einen definierten p-n-Übergang und gute Kontaktierungsmöglichkeiten, wodurch erstmals wichtige Voraussetzungen für die industrielle Produktion gegeben waren. 2002 wurde eine 1955 von den Bell Laboratories hergestellte, eingekapselte und damals mit 6 Prozent Wirkungsgrad vermessene Zelle erneut vermessen und wies noch 5,1 Prozent Wirkungsgrad auf. Nach weiteren Verbesserungen konnte der Wirkungsgrad von Solarzellen auf bis zu 11 Prozent gesteigert werden.

Die erste technische Anwendung wurde 1955 bei der Stromversorgung von Telefonverstärkern gefunden.

Anwendungen im Weltall

Siehe auch: Weltraumgestützte Solarenergie und Sonnensegel

Ein Solarzellenpaddel der Raumsonde Dawn

Am 17. März 1958, als die USA nach dem Sputnik-Schock bereits erfolgreich den Satelliten Explorer 1 in eine Erdumlaufbahn gebracht hatten, war der zweite Satellit der USA namens Vanguard I zur Stromversorgung im All neben einer chemischen Batterie mit Solarzellen zum Betrieb eines Senders an Bord ausgerüstet. Nach langem Zögern seitens der US-Armee hatte sich Hans Ziegler (1911–1999) mit seiner Idee durchsetzen können, dass eine Energieversorgung mit Solarzellen den Betrieb des Senders länger gewährleisten würde als der Einsatz von Batterien. Entgegen den Erwartungen der Militärs konnten die Signale des Solarzellen betriebenen Senders über sechs Jahre bis Mai 1964 empfangen werden, der Batterie-betriebene Sender hatte lediglich drei Monate bis Juni 1958 funktioniert. Aufgrund der langen Messdauer konnte anhand der Flugbahn von Vanguard I das Massenverteilungsmodell der Erde auf eine bis dahin nicht zu erreichende Genauigkeit korrigiert werden, und es wurde klar, dass die Erde nicht exakt kugelförmig ist.

Der Erfolg dieses kleinen Satelliten und die daran beteiligten Wissenschaftler legten den Grundstein für die erste sinnvolle Verwendung der bis dahin noch nahezu unbekannten und vor allem sehr teuren Solarzellen. Für viele Jahre wurden in der Folge Solarzellen vorwiegend für Raumfahrtzwecke weiterentwickelt, da sie sich als ideale Stromversorgung für Satelliten und Raumsonden, die bis Marsentfernung von der Sonne eingesetzt wurden, bewiesen. Die dadurch gegenüber dem Batteriebetrieb ermöglichte lange Nutzungsdauer der Raumflugkörper überwog den immer noch hohen Preis der Solarzellen je Kilowattstunde bei weitem. Darüber hinaus waren und sind Solarzellen gegenüber Radioisotopengeneratoren, die ähnlich lange Einsatzzeiten erlauben, billiger und risikoärmer. Die meisten Raumflugkörper wurden und werden daher mit Solarzellen zur Energieversorgung ausgestattet.

Im Jahr 2008 lieferten Solarzellen mit erhöhtem Wirkungsgrad mehrere Kilowatt Leistung für Nachrichtensatelliten mit über 30 Transpondern zu je etwa 150 Watt Sendeleistung oder stellten sogar die Antriebsenergie für Ionentriebwerke von Raumsonden zur Verfügung. Die Raumsonde Juno, die im August 2011 startete, bezieht sogar erstmals in einer Umlaufbahn um den Planeten Jupiter ihre Energie aus besonders effizienten und strahlungsresistenten Solarzellen. Fast alle der weltweit rund 1000 Satelliten, die im Einsatz sind, beziehen ihre Stromversorgung mit Hilfe von Photovoltaik. Im Weltraum wird eine Leistung von 220 Watt pro Quadratmeter erzielt.

Am 3. Januar 2023 brachte eine Rakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX einen Testsatelliten ins All, den „Space Solar Power Demonstrator“ (SSPD). Zweck dieses Satelliten vom California Institute Of Technology (Caltech) ist, eine neue Form der Stromgewinnung zu testen. Dabei soll der Satellit mittels Photovoltaik Strom erzeugen und diesen drahtlos zur Erde übertragen. Diese Form der Stromgewinnung bezeichnet man als Weltraumgestützte Solarenergie (space-based solar power, SBSP).

Nutzung auf der Erde

Semi-log Graph der weltweit installierten Photovoltaikanlagen in Gigawatt seit 1992.

Länder nach installierter Photovoltaik-Kapazität in Watt pro Kopf. Geschätzte Werte für 2016.

Zertifizierte Umwandlungs-Wirkungsgrade der besten Forschungs-Solarzellen 1976–2019 für verschiedene PV-Technologien.

Preisabnahme pro Watt

Nur in Ausnahmefällen, zum Beispiel, wenn das nächste Energieverbundnetz sehr weit entfernt war, kam es anfangs zu einer Installation von terrestrischen Photovoltaik-Inselanlagen. Mit der Ölkrise 1973 wurde das Interesse an anderen Energien deutlich stärker, doch noch wurden große, zentrale Kernkraftwerke als die beste Lösung für eine flächendeckende Energieversorgung gesehen. Seit Mitte der 1970er Jahre wurden dann erstmals mehr Solarzellen für terrestrische Zwecke als für den Einsatz in der Raumfahrt hergestellt.

1976 entschied sich die australische Regierung, das gesamte Telekommunikationsnetz im Outback mit photovoltaisch gestützten Batteriestationen zu betreiben. Einrichtung und Betrieb waren erfolgreich und ließen das Vertrauen in die Solartechnologie deutlich ansteigen.

1977 wurde in den USA an den Sandia Laboratories (Albuquerque, New Mexico) ein Solarmodul mit dem Ziel entwickelt, eine potenziell kostengünstige Technologie für photovoltaische Energiewandlung auf der Erde vorzuführen, die nicht mehr nur auf Sonderanfertigungen basierte.

Der katastrophale Störfall im Atomkraftwerk auf Three Mile Island bei Harrisburg in den USA Ende März 1979 und die Ölkrise im Spätherbst desselben Jahres gaben den regenerativen Energien weiteren Aufwind.

Etwa ab 1980 waren Solarmodule mit wiederaufladbaren Batterien eine Standardanwendung zum Betrieb von Signalanlagen auf kleinen unbemannten Ölbohrinseln im Golf von Mexiko. Sie ersetzten als kostengünstigere und wartungsärmere Variante die vorher verwendeten großen Batterien, die im Abstand weniger Monate personalaufwändig und kostenintensiv getauscht werden mussten.

Im Jahr 1981 lieferte beim schweizerischen Institut für Reaktorforschung erstmals in Europa eine Photovoltaik-Anlage Strom in das öffentliche Netz Später in den 1980ern wurden von der US Coast Guard (Küstenwache), auf Initiative ihres Angestellten Lloyd Lomer, alle Signalanlagen und Navigationslichter auf photovoltaische Energieversorgung umgestellt. Vorher hatten die Betriebskosten dieser Anlagen die Anschaffungskosten bei weitem überschritten. Durch die Photovoltaik wurden die Betriebskosten drastisch reduziert und die Anschaffungskosten für die teureren Photovoltaikanlagen amortisierten sich schnell.

Nun kam es auch zu ersten größeren kommerziellen Aktivitäten in den USA, wodurch die USA 1983 einen Anteil am Weltmarkt der Photovoltaik von zirka 21 Prozent erzielten. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es im Photovoltaik-Markt vorwiegend Lösungen für Inselanlagen und Planungen für photovoltaische Großanlagen. 1982 wurde in Kalifornien die erste 1-MW-Anlage in Betrieb genommen, 1985 erreichte ein Solarpark im Gebiet des Carrizo Plain National Monument 5,2 MW.

Der Schweizer Ingenieur Markus Real war der Überzeugung, dass es ökonomisch sinnvoller sei, jedes Haus mit einer eigenen PV-Anlage zu bestücken, also eine dezentrale Energiewandlung zu bevorzugen. Er trat mit 333 auf einzelnen Gebäuden installierten 3-kW-Dachanlagen in Zürich den Beweis an. Dies war der Anfang einer Bewegung, in deren Zuge auch das 1000-Dächer-Programm der Bundesrepublik Deutschland aufgelegt wurde. Ab 1991 wurden mit dem Stromeinspeisungsgesetz die Energieversorger dazu verpflichtet, den Strom der kleinen regenerativen Kraftwerke abzunehmen. Mitte der 1990er Jahre gab Greenpeace, nachdem trotz der Fördermaßnahmen entscheidende Teile der Photovoltaikproduktion aus Deutschland abwanderten, mit einer neuen Studie über Deutschland als Photovoltaik-Standort in diesem Sektor Denkanstöße. Neue Initiativen zur Gründung entsprechender Industriebetriebe gründeten sich, aus denen die Solon AG in Berlin und die Solarfabrik in Freiburg hervorgingen. Später wurde auch die Solarworld AG gegründet und weitere Firmen und Fabriken in diesem Marktsegment entstanden.

In Japan gab es ein 70.000-Dächer-Programm (1994), das im Jahr 2002 bereits 144.000 Dächer erreicht hatte, in den USA das 1.000.000-Dächer-Programm (1997), in Deutschland das 1000-Dächer-Programm (1990) und das 100.000-Dächer-Programm (2003 wurden ca. 65.000 Dächer erreicht), das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) trat 2000 in Kraft.

In Deutschland wurden zunächst viele Kleinanlagen unter 5 kW_peak installiert. 2005 ging mit dem Solarpark Bavaria mit 6,3 MW der damals größte Solarpark der Welt in Betrieb. 2006 wurde der Titel der größten Anlage vom Solarfeld Erlasee mit 11,4 MW übernommen. Im Jahr 2005 erreichte die gesamte Nennleistung der in Deutschland installierten Photovoltaikanlagen ein Gigawatt, im Jahr 2010 wurde die Grenze von zehn Gigawatt überschritten und Anfang 2012 die 25 Gigawatt. Neben Dachanlagen wurden schließlich auch viele Solarparks mit jeweils einigen MW_peak errichtet. Zum leistungsstärksten deutschen Park wurde 2010 der Solarpark Finsterwalde mit 41 MW. Mitte 2014 wurde die 37-Gigawatt-Grenze überschritten.

Weltweit wurde Mitte 2015 die 200-GW-Marke erreicht. Seit 2014 fallen PV-Anlagen in Europa unter die WEEE-Elektronikrichtlinie (Waste Electrical and Electronic Equipment Directive), wodurch die Hersteller sie am Lebensende zurücknehmen müssen.

Seit 2015 liegen die größten Solarparks der Welt in Asien: 2015 wurde eine Anlage in China in der Nähe der Longyangxia-Talsperre mit 850 MW in Betrieb genommen, 2016 eine in der Tengger-Wüste mit 1547 MW. Seit 2019 befinden sich die größten Anlagen in Indien: 2019 erreichte der Solarpark Pavagada 2050 MW, 2020 der Solarpark Bhadla 2245 MW.

Solar-Entwicklung in Deutschland

Mitte der 1970er Jahre baute AEG-Telefunken, Wedel den Bereich Photovoltaik/Solartechnik für terrestrische Anwendungen auf. Basierend auf monokristallinen Silizium-Wafern 50 × 50 mm der Wacker Chemie, Burghausen wurden in Manufaktur ähnlicher Produktion in Glas eingebettete Module gefertigt. Die Glaseinbettung – ähnlich Kfz-Verbundglasscheiben – brachte eine deutlich höhere Langzeitstabilität und Wetterresistenz gegenüber der seinerzeitig üblichen Kunststoffeinbettung, die relativ schnell vergraute. Die elektrischen Verbindungen der Wafer untereinander wurden bereits geschweißt – Stand der Technik war seinerzeit Löten. Innovativ war auch die Wafer-Form: Quadratisch. Sie ermöglichte eine höhere aktive Nettofläche aus höherer Packungsdichte bzw. geringerem Brutto-Flächenbedarf gegenüber runden Wafern, wie sie aus dem Ziehen (runder) Siliziumstäbe Stand der Technik war.

Gegen Ende der 1970er Jahre wurden an Stelle der monokristallinen Wafer 50 × 50 mm (Wirkungsgrad 11,5%) polykristalline Wafer (Wirkungsgrad 9,5%) eingeführt. Bei knapp 10 % geringerem Wirkungsgrad reduzierte sich der Werksabgabepreis der Module hierdurch von ca. 57,00 DM/Watt auf etwa 29,00 DM/Watt. Das Wafer-Grundmaterial musste nicht mehr als einkristalliner Siliziumstab gezogen, sondern konnte aus Granulat-ähnlichem Silizium gepresst werden. Ein weiterer Innovationsschub war Anfang der 1980er Jahre die Vervierfachung der aktiven Wafer-Fläche auf 100 × 100 mm. Reduzierter Handlings Aufwand senkte die Herstellkosten, der Werksabgabepreis reduzierte sich für 10kW Systeme auf knapp über 20,00 DM/Watt. Die beiden Fotos zeigen vergleichend beide Technologien.

Bei 4-facher Einzelfläche geben 100 × 100 mm Wafer mit Nennstrom 2,4A den 4-fachen Strom der 50 × 50 mm Zellen ab. Aus einer auf 25 % verringerter Wafer-Anzahl je Modul reduziert sich die Nennspannung eines gleichflächigen Moduls aus auf ¼. Auf dieser Technik basierend wurde 1983 von AEG-Telefunken eine erste deutsche Großversuchsanlage auf der Nordsee Insel Pellworm mit ca. 300 kW installierter Leistung im Rahmen eines Forschungsobjektes in Betrieb genommen.

Siehe auch

• Energiewende
• Geschichte der Windenergienutzung
• Intelligentes Stromnetz#Aktivitäten in Europa

Literatur

Bücher

• John Perlin: Solar Energy, History of. In: Cutler J. Cleveland (Editor-in-Chief): Encyclopedia of Energy. Elsevier Academic Press, Reprint aus dem Jahr 2005, Volume 5, S. 607–622.
• John Perlin: From Space to Earth; The Story of Solar Electricity. First Harvard University Press, Cambridge (Massachusetts) 2002, ISBN 0-674-01013-2.
• John Perlin: Let it Shine: The 6,000-Year Story of Solar Energy. New World Library, Novato (California) 2013, ISBN 978-1-60868-132-7.
• Gregory Nemet: How Solar Energy Became Cheap: A Model for Low-Carbon Innovation. Routledge, 2019, ISBN 978-0-367-13659-8.
• Antonio Luque: Solar cells an optics for photovoltaic concentration. In: The Adam Hilger series on optics and optoelectronics. IOP Publishing Ltd, Bristol/Philadelphia 1989, ISBN 0-85274-106-5.
• Bernward Janzing: Solare Zeiten – Die Karriere der Sonnenenergie. Eine Geschichte von Menschen mit Visionen und Fortschritten der Technik. Picea Verlag, Freiburg 2011, ISBN 978-3-9814265-0-2.
• Norbert L. Brodtmann: Solartechnik: Grenzen u. Möglichkeiten, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, 1983, ISBN 3-8047-0703-3

Quellen

• K. Lehovec: The Photo-Voltaic Effect. In: Phys. Rev. Band 74, 1948, S. 463–471.
• W. Shockley: Electrons and Holes in Semiconductors. Van Nostrand, Princeton (NJ) 1950.
• D. M. Chapin, C. S. Fuller, P. L. Pearson: A New Silicon p-n Junction Photocell for Converting Solar Radiation into Electric Power. In: J. Appl. Phys. Band 25, 1954, S. 676–677.
• E. L. Burgess, D. A. Pritchard: Performance of a one kilowatt concentrator photovoltaic array utilizing active cooling. In: Proceedings of the 13th Photovoltaic Specialists Conference. 1978, S. 1121–1124.
• P. D. Maycock: The current PV scene worldwide. In: Proceedings of the 6th EC Photovoltaic solar Energy Conference. 1985, S. 771–780.

Weblinks

• Wolfgang Blum: Geniestreiche (IX): Wie die Solarzelle zum Licht fand. In: ZEIT ONLINE. 2006, abgerufen am 9. August 2009.
• John Perlin, Lawrence Kazmerski: Good as Gold: The Silicon Solar Cell Turns 50 (Memento vom 1. Juni 2008 im Internet Archive). In: solar today. 29. März 2004, abgerufen am 9. August 2009 (englisch, WebAchive).
• Vox: How solar energy got so cheap auf YouTube, abgerufen am 28. August 2023 (englisch).