Aus den Laboren auf jedes Hausdach: Die Geschichte der Photovoltaik

PV – zwei Buchstaben repräsentieren die Photovoltaik, die nicht nur für die Zukunft der globalen Stromversorgung stehen, sondern die mittlerweile allgegenwärtig sind. Photovoltaik ist inzwischen aus der Erzeugung von Strom nicht mehr wegzudenken. Und das nicht nur in Form gigantischer Solarfarmen, sondern auch niedrigschwelliger – und günstiger. Das Balkonkraftwerk etwa macht sich gerade daran, die Eigenstromerzeugung zu demokratisieren.

Solarzellen finden sich auf Camperdächern, in Powerbanks oder im Display von Armbanduhren. Diese Beispiele sind jedoch nur bisherige Endpunkte einer langen Entwicklungsgeschichte. Grund genug, sich diesen Prozess einmal genauer anzusehen.
Wie hat die Erfolgsgeschichte der Photovoltaik begonnen? Wie konnte sie zu dem werden, was sie heute ist? Begleite uns jetzt durch die faszinierende Geschichte der Photovoltaik!

Neun maßgebliche Entwicklungsschritte prägen die spannende Geschichte der Photovoltaik. Dabei geht es zum Ende hin in diesem Beitrag nicht nur um das, was bisher Geschichte ist. Wir schreiben auch über die Erwartungen und Möglichkeiten dieser Technik, die unsere Zukunft mitgestalten wird.

Dabei ist eines heute bereits sicher: PV wird in Zukunft einen noch wichtigeren Teil der globalen Stromerzeugung ausmachen. Die Photovoltaik dringt dabei immer weiter in unseren Alltag ein. Als saubere, umweltfreundliche Alternative zu anderen Quellen der Stromerzeugung und gekoppelt an die für uns unerschöpflich wirkende Energie der Sonne macht PV noch mehr Lust auf Zukunft.

In den folgenden Abschnitten erklären wir die Technik hinter der Photovoltaik. Alle PV- Anlagen gehen auf ein technisches Prinzip zurück. Das gilt für die größte Solarform ebenso wie das kleine Balkonkraftwerk oder eine Powerbank für das Smartphone. Faszinierend ist, wie sich alle PV-Anwendungen auf diese Grundlage zurückführen lassen.

Wenn man so will, ist ein französischer Physiker dafür verantwortlich, dass wir heute die Sonne zur Stromerzeugung in PV-Anlagen nutzen können. Seine grundlegende Entdeckung geht zurück in das 19. Jahrhundert. Ihm folgten weitere Wissenschaftler und Techniker, die im 20. Jahrhundert ihre bahnbrechenden Erkenntnisse zur technischen Umsetzung beisteuerten.

Auch im 21. Jahrhundert ist die Entwicklung nicht abgeschlossen. PV wird zunehmend allgegenwärtig und als Stromerzeuger immer wichtiger. Eine sehr positive Entwicklung, wenn wir Umweltaspekte und Klima betrachten. Dennoch ist die Geschichte der PV nicht nur geradlinig verlaufen. Es galt immer wieder, bestimmte technische Hürden zu überwinden.

Der französische Physiker Becquerel experimentierte mit sogenannten elektrolytischen Zellen. Im Rahmen einer Elektrolyse finden chemische Reaktionen statt, in deren Verlauf negativgeladene Teilchen (Elektronen) übertragen werden. Nötig sind dafür zwei elektrische Pole (Kathode und Anode). Zwischen diesen beiden Polen fließt Strom. Wir kennen dieses Prinzip anschaulich in einer Alltagsanwendung einer Haushaltsbatterie.

Als der berühmte Franzose den Strom zwischen zwei beiden Polen einer Anordnung maß, machte er eine interessante Entdeckung: Er registrierte einen verstärkten Stromfluss, wenn der Prozess im Licht stattfand. Im Dunkeln war der gemessene Wert geringer.

Auf den Punkt gebracht: Becquerel entdeckte in dieser Versuchsanordnung den später als photoelektrisch bezeichneten Prozess. Für den französischen Wissenschaftler blieb seine Entdeckung zunächst eine interessante Theorie. Zur praktischen Anwendung brachte er den photoelektrischen Effekt noch nicht.

Becquerel folgten weitere Wissenschaftler im späten 19. Jahrhundert. Ein britischer Ingenieur erkannte, wie sich bei Belichtung ein elektrischer Widerstand veränderte. Er veröffentlichte seine Entdeckung und förderte damit die Bereitschaft, sich mit weiterer Forschung zum Thema auseinanderzusetzen.

Schon 1876 konnte ein weiterer Wissenschaftler nachweisen, dass das Element Selen Elektrizität freisetzt, wenn es Licht ausgesetzt wird. Diese Entdeckung war deshalb so maßgeblich, weil hier erstmalig bewiesen werden konnte, dass Feststoffe Licht direkt in elektrische Energie umwandeln können. Der bisher bekannte Weg der Energieerzeugung über den Umweg der Wärm-e oder Bewegungsenergie konnte photoelektrisch umgangen werden.

Tatsächlich entwickelte 1883 ein amerikanischer Ingenieur eine Art erstes Solarmodul aus Selenzellen. Man kann diese Entwicklung von Charles Fritts als direkten Vorläufer der heutigen PV-Module ansehen. Jedoch waren die erzeugten Strommengen anfänglich äußerst gering. Immerhin motivierte das rudimentäre Solarmodul weitere Wissenschaftler und Techniker dazu, den lichtelektrischen Effekt noch genauer zu untersuchen. Hier legten verschiedene Wissenschaftler bis in die Anfänge des 20. Jahrhunderts hinein wichtige wissenschaftliche Untersuchungen vor. Julius Elster und Hans Friedrich Geitel sind ebenso mit der Entwicklung der PV verbunden wie Heinrich Rudolf Hertz. Diese Pioniere der PV wirkten bis in die Anfänge des 20. Jahrhunderts hinein.

Ein Schüler von Hertz, Wilhelm Hallwachs und der italienische Physiker Augusto Righi beschrieben unabhängig voneinander, wie beim Photoeffekt Elektronen ausgesendet werden. Die sogenannte Elektronenemission ist die Grundlage bei der Erzeugung von Strom. Man sprach später vom Hallwachs-Effekt.

1907 gelang dem berühmten Physiker Albert Einstein die theoretische Durchdringung des photoelektrischen Effekts. Er konnte auf Grundlage seiner neu entwickelten Quantentheorie umfassend erklären, warum Licht Strom erzeugen kann.

Dem US-amerikanischen Physiker Robert Andrews Millikan glückte es bis 1916, Einsteins Theorien experimentell zu beweisen. Er erhielt dafür1923 den Nobelpreis für Physik.

Der deutsch-polnische Chemiker Jan Czochralski konnte für AEG in Berlin 1916 mit dem nach ihm benannten Kristallziehverfahren die Basis für die spätere Halbleitertechnik legen.

Weitere Durchbrüche in der technischen Umsetzung des photoelektrischen Effekts gelangen Experten auf der ganzen Welt in den Jahren 1934-1947.

1934 wurde die erste dünne Solarzelle entwickelt.

1940 erkannte ein US-amerikanischer Elektrochemiker das Potenzial von Silizium für die Stromerzeugung durch Nutzung des photoelektrischen Effekts. Weitere bahnbrechende Schritte hin zur modernen Solarzellentechnik gelangen den Wissenschaftlern bis in die beginnenden 1950er-Jahre mit ersten ausgereiften Konzepten für die Halbleiter-PV und die Entwicklung des PN-Übergangs.

Als PN-Übergang wird ein Übergehen verschiedener Materialen in Halbleiterkristallen bezeichnet. Der Stromfluss kann mit diesen Übergängen gesteuert werden. Maßgeblich beteiligt an der Entwicklung des PN-Übergangs waren die Bell Labarotories in den USA. PN-Übergänge sind unverzichtbar für das Verständnis moderner Solarzellen, wie wir sie heute kennen.

In den Bell Laboratorien kam 1953 die erste industriell verwertbare Anwendung und Konstruktion einer Solarzelle mit überzeugenden Wirkungsgraden bei der Stromerzeugung zur Reife. Die Entdeckung des Siliziumkristalls als geeignetes Medium für die Solarzellen-Produktion war dabei ein Zufall gewesen, der 1940 dem bei Bell beschäftigten Elektrochemiker Russell S. Ohl gelang. Dieser hatte nicht erwartet, dass bei der Beleuchtung von Siliziumproben Strom fließen würde.

Bei Bell hat man diese zum Patent angemeldete Entdeckung in den 1950er-Jahren konsequent weiterentwickelt. Bell legte die Basis für die industrielle Anwendung des photoelektrischen Effekts. Technisch kamen Solarzellen 1955 bei Telefonverstärkern erstmalig zum Einsatz.

Der zweite Satellit der USA trug den Namen Vanguard. Bei ihm wurde nicht nur eine chemische Batterie zur Stromerzeugung genutzt. Vanguard war zusätzlich mit einer Solarzelle ausgerüstet worden.

Im Hintergrund war diese Ausstattung des Satelliten mit Solarenergie heftig umstritten. an zweifelte an der Tauglichkeit der Solarzellen. Sechs Jahre lang sendete der mit Solarzellen betriebene Sender des Satelliten zuverlässig Signale an die Erde. Damit war auch das US-Militär endgültig von den Möglichkeiten dieser neuen Technik zur Stromerzeugung überzeugt. Die lange Messdauer des Satelliten erwies sich als vorteilhaft, weil bisher nicht erreichte Genauigkeiten bei den Messdaten möglich wurden. Unter anderem konnte durch die Messungen von Vanguard festgestellt werden, dass die Erde nicht exakt kugelförmig ist.

Der Erfolg von Vanguard trug deshalb maßgeblich dazu bei, die Weiterentwicklung von PV voranzutreiben. Solarzellen wurden für viele Jahre insbesondere im Bereich der Raumfahrt technisch weiterentwickelt. Sie erwiesen sich als die idealen Stromerzeuger für Raumsonden und Satelliten. Antriebe über Sonnensegle rückten in den Bereich des Möglichen.

Sonden bis zur Marsentfernung von der Sonne konnten mit PV bestückt werden. Die Solarzellen sorgten für die notwendige lange Nutzungsdauer der Raumflugkörper. Es handelte sich zunächst um eine teure Stromerzeugung. Jedoch sind Solarzellen erheblich preisgünstiger als die Radioisotopengeneratoren, die eine vergleichbar lange Nutzungsdauer der Flugkörper ermöglichen. Deshalb werden auch heute noch die meisten Raumflugkörper mit Solarzellen zur Stromerzeugung bestückt. Die kommerzielle Anwendung von PV auf der Erde sollte erst in den 1970er-Jahren beginnen.

Die Ölkrise 1973 zeigte der zivilisierten Weltbevölkerung erstmalig auf, wie fragil ihre Grundlage für die Energieerzeugung über begrenzte Rohstoffe wie Öl ist. In diesem Kontext traf die australische Regierung eine für damalige Zeiten außergewöhnliche und mutige Entscheidung: Sie stattete 1976 das gesamte Telekommunikationsnetz im Outback des Landes mit Solarzellen aus. Das Vertrauen in die Zuverlässigkeit von Solarzellen zur Stromerzeugung stieg erheblich an.

Das Interesse an regenerativer Energie durch Solarzellen wurde durch weitere Katastrophen gesteigert. Der gefährliche Störfall im US-amerikanischen Atomkraftwerk Three Mile Island zeigte die Gefahren der Atomkraft anschaulich, auf die sich viele Länder im Zuge der Ölkrise seit 1973 konzentriert hatten.

Ab den 1980er Jahren trat die Solarzellentechnik ihren großen Siegeszug an. Sie drang in Bereiche vor, die sie vom Nischenprodukt hin zu einem Massenprodukt machten. Hier war vor allem interessant, dass man wieder aufladbare Solarzellen herstellen konnte. Die Betriebskosten sanken ebenso wie die Anschaffungskosten für die vorher sehr teuren Anlagen. Es entfalteten sich zunächst in den USA, aber auch in anderen Ländern viele kommerzielle Aktivitäten rund um die PV-Technik.

Neben dem wachsenden Einsatz von Solarzellen für öffentliche Verbraucher wie Militär entstanden erste private und staatlich geförderte Solarparks zur Stromerzeugung im größeren Stil. Besonders Kalifornien war hier Anfang der 1980 vorn dabei, etwa mit dem Carrizo Plain National Monument, einem Solarpark mit 5,2 MW-Leistung.

In der Schweiz machte sich der Ingenieur Markus Real darum verdient, PV auch in den privaten Bereich des einzelnen Menschen oder der einzelnen Familie zu integrieren. Seine modellhaften 333 3-KW-Dachanlagen in Zürich bewiesen endgültig, dass die dezentrale Stromerzeugung eine große Zukunft haben würde.

In der Folge entstanden in vielen Ländern Programme wie das 1000-Dächer-Programm der Bundesrepublik Deutschland 1990, das von dem 100.000 Dächer Programm 2003 noch übertroffen wurde. In Japan war ein vergleichbares Programm das 70.000-Dächer-Programm. Viele dieser Programme erreichten und übertrafen frühzeitig die erwartete Zahl der mit PV-Anlagen ausgestatteten Dächer auf Einfamilienhäusern.

Während anfänglich in Deutschland Kleinanlagen unter 5 KW (peak) interessant waren, erreichten Solarparks wie der Solarpark Bavaria mit 6,3 MW schnell andere Dimensionen. Bavaria wurde 2005 als damals größter Solarpark der Welt in Betrieb genommen. Diese Ehre ging ein Jahr später bereits an die Anlage Solarfeld Erlersee mit 11,4 MW. Große Solarparks wurden auch in Deutschland populär.

Schon im Jahr 2005 erreichten alle in der Bundesrepublik installierten PV-Anlagen die Nennleistung von 1 GW. 2010 konnten 10 GW überschritten werden und Anfang 2012 25 GW. 2010 wurde der Solarpark Finsterwalde mit seinen 41 MW der leistungsstärkste deutsche Park. 2014 konnte die 37-Gigawatt-Grenze überschritten werden.

Global gesehen erreichten PV-Anlagen 2015 die 200-GW-Grenze.
Die größten Solarparks der Welt liegen heute nicht mehr in Deutschland. 2015 nahm China einen Solarpark mit 850 MW in Betrieb. Schon 2016 erreichte ein weiterer chinesischer Park 1547 MW. Indien zog mit riesigen Solarfeldern nach. Hier konnten inzwischen Nennwertleistungen von über 2200 MW erreicht werden.

Unsere Zivilisation benötigt auch in Zukunft viel Energie und Strom. Technische Geräte und damit der Komfort der modernen Gesellschaft sind auf eine zuverlässige Stromversorgung angewiesen. Gleichermaßen stehen wir vor der Herausforderung, mit Blick auf den Klimawandel den Einsatz von fossilen Energien innerhalb von kurzer Zeit massiv zu begrenzen. PV-Anlagen spielen damit eine immer größere Rolle dabei, uns unabhängig von fossilen Energieträgern zu machen.

Wie wir gesehen haben, leistet die Photovoltaik heute schon ihren Beitrag zur Stromerzeugung. 2022 erwirtschaftete PV über 10 % der gesamten Strommengen in der Bundesrepublik Deutschland. Anders ausgedrückt wurden allein im ersten Quartal 2022 58400 Megawatt Leistung aus PV installiert. Im gleichen Zeitraum waren 2,2 Millionen PV-Anlagen auf Dächern und Grundstücken im Einsatz.

Folgende Trends und Herausforderungen werden die nächsten Jahre und Jahrzehnte prägen, wenn es um PV geht:

Wir stehen heute an einem Punkt, an dem Tandem-Solarzellen im Labor Wirkungsgrade von 47,6 Prozent erzielen – und fast gänzlich transparente, papierdünne und gedruckte Solarzellen keine Utopie mehr sind. Nicht schlecht, wenn man bedenkt, dass das alles vor nicht allzu langer Zeit mit zirka 2 Prozent Wirkungsgrad begann und pro erzeugtes Watt etwa 1.800 US-Dollar kostete.

Längst ist PV keine teure, elitäre Technik mehr, von der nur staatliche Behörden und die Raumfahrt profitieren. Der Einsatz von Photovoltaik hat eine große Zukunft bis in die kleinsten Verästelungen unseres Alltagslebens hinein. Das ist auch gut so, um unseren immer noch wachsenden Energiehunger weiterhin decken zu können. In einigen Jahrzehnten wird die PV den Ruch einer einstmals exotischen Form der Stromerzeugung völlig verloren haben. Es wird für jeden Menschen normal sein, in seinem Haushalt, auf dem Balkon und Dach Solarzellen zu haben, Fenster mit PV zu bestücken und die Sonne täglich zur Stromerzeugung zu nutzen – mit Photovoltaik.