Geschichte der Fotovoltaik

Die Photovoltaik dient der direkten Wandlung von einfallendem Licht in elektrische Energie. Der zugrundeliegende photoelektrische Effekt wurde schon 1839 entdeckt, jedoch dauerte es noch über einhundert Jahre, bis es zu einer Nutzung in der Energieversorgung kam.

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 zu 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 Ludwig Franz 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) 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

1940 stellte Russell S. Ohl (1898–1967) 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. 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 Walter Schottky (1886–1976), 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 Fuller (1902–1994) und Gerald Pearson (1905–1987) kristalline Silizium-Solarzellen, jeweils ca. 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.

Erste Anwendungen im Weltall

Ein Solarzellenpaddel der Raumsonde Dawn

Am 17. März 1958, nach dem Sputnik-Schock für die USA und nachdem die USA bereits erfolgreich einen Satelliten in eine Erdumlaufbahn gebracht hatten, flog der zweite Satellit der USA namens Vanguard I mit einer chemischen Batterie und Photovoltaikzellen zum Betrieb eines Senders an Bord ins All. Er wiegt 1,47 Kilogramm und hat einen Durchmesser von 16,5 Zentimetern^[1]. 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 Senders bis Mai 1964 empfangen werden, bevor er seine Signaltätigkeit einstellte. 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. Vanguard I umkreist auch im Jahr 2008 noch die Erde (voraussichtlich bis ca. zum Jahr 2200) und ist damit der älteste menschengeschaffene Satellit im Orbit.

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 weiter entwickelt, da sie sich als ideale Stromversorgung für Satelliten und Raumsonden bis Marsentfernung von der Sonne bewiesen. Die, gegenüber Batteriebetrieb, dadurch ermöglichte lange Nutzungsdauer der Raumflugkörper überwog den immer noch hohen Preis der Solarzellen je kWh bei weitem. Und gegenüber Radioisotopengeneratoren, die ähnlich lange Einsatzzeiten erlauben, waren und sind Solarzellen billiger und risikoloser. Die meisten Raumflugkörper wurden und werden daher mit Solarzellen zur Energieversorgung ausgestattet.

Heute (2008) liefern Solarzellen mit erhöhtem Wirkungsgrad mehrere kW Strom für Nachrichtensatelliten mit über 30 Transpondern zu je etwa 150 Watt Sendeleistung, oder stellen sogar die Antriebsenergie für Ionentriebwerke von Raumsonden zu Verfügung. Die Raumsonde Juno, deren Start für das Jahr 2011 geplant ist, soll erstmals sogar in einer Umlaufbahn um den Planeten Jupiter ihre Energie aus Solarzellen beziehen.

Nutzung auf der Erde

Nur in Ausnahmefällen, zum Beispiel, wenn das nächste Energieverbundnetz sehr weit entfernt war, kam es 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.

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 ca. 21 Prozent erzielten. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es im Photovoltaik-Markt vorwiegend Lösungen für Inselanlagen und Planungen für photovoltaische Großanlagen.

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. Dem 1000-Dächer-Programm folgte das 100.000-Dächer-Programm und im Jahr 2000 auch der Nachfolger des Stromeinspeisungsgesetzes, das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). In diesem ist festgelegt, dass die Energieversorger für eingespeiste regenerative Energie eine Mindestvergütung zahlen müssen. 2003 lief das 100.000 Dächer-Programm aus und wurde durch verbesserte Bedingungen des Energie-Einspeise-Gesetzes ersetzt. Weiterhin werden viele Kleinanlagen unter 5 kW_peak installiert, durch die gesetzlichen Rahmenbedingungen sind in den letzten Jahren jedoch auch vermehrt Großanlagen bis über die 1 MW_peak-Grenze hinweg gebaut worden.

Literatur

• John Perlin: From Space to Earth; The Story of Solar Electricity, First Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, 2002, ISBN 0-674-01013-2
• Antonio Luque: Solar cells an optics for photovoltaic concentration, IOP Publishing Ltd, 1989, The Adam Hilger series on optics and optoelectronics, Bristol and Philadelphia, ISBN 0-85274-106-5

Patente

• Russel Ohl: Light Sensitive Device, US Patent No. 2402622, 1941, 27. Mai
• Russel Ohl: Light Sensitive Device Including Silicon, US Patent No. 2443542, 1941, 27. Mai

Fachartikel

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

Weblinks

• www.zeit.de - "Geniestreiche (IX): Wie die Solarzelle zum Licht fand"
• www.solartoday.org - "Good as Gold: The Silicon Solar Cell Turns 50" (29. März 2004, englisch)

Einzelnachweise

1. ↑ 1,47 kg laut National Space Science Data Center der NASA, NSSDC Master Catalog, Eintrag: Vanguard 1, http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/masterCatalog.do?sc=1958-002B, Stand 2008-02-26