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 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 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
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.[1] Zur Ableitung der Ladungsträger von der Oxidoberfläche und zum Schutz vor Umwelteinflüssen bestand die Kathode aus einem leitfähigen wie auch lichtdurchlässigen Kupferfilm.[1] Die Wissenschaftler nahmen an, irgendwann 26 Watt pro Quadratmeter waagerecht installierter Solarzellenfläche zu erreichen (86,3 MW pro mi²).[1] Als mögliche Anwendung waren zu der Zeit bereits Hausdächer aus Solarzellen und autarke Energieversorgungen (Inselsysteme) angedacht, z. B. bei Luftschiffen.[1] Undotiert produziert die Zelle 12,5 mW/m².[2] Durch eine Dotierung des Metalloxids und dem sehr viel später entwickelten Feldeffekt-Technologie für Solarzellen (SFPV, entwickelt 2012) kann die Effizienz verbessert werden.[3]
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. 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[4] (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.[5] 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.[6][7]
Anwendungen im Weltall
Am 17. März 1958, als die USA nach dem Sputnik-Schock 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. 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.
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 bis Marsentfernung von der Sonne 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 zu 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.[8]
Nutzung auf der Erde
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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.
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.
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), welches 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 kWpeak installiert. 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 MWpeak errichtet. Mitte 2014 wurde die 37-Gigawatt-Grenze überschritten.[9]
Weltweit wurde Mitte 2015 die 200-GW-Marke erreicht.[10] 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.[11]
2019 soll eine in Ägypten in Bau befindliche Anlage mit 1,65 GW Leistung als dann weltweit größtes Photovoltaik-Kraftwerk in Betrieb gehen.[12]
Siehe auch
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
- 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.
Quellen
- K. Lehovec: The Photo-Voltaic Effect. In: Phys. Rev. 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. 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).
Einzelnachweise
- Sun's rays to drive Aerial Landing Field. In: Modern Mechanix (Zeitschrift), Oktober 1934, Seite 85, (englisch). Scan des bebilderten Artikels als JPG online, Abruf 13. September 2014. Scan im Retronaut-Archiv als JPG online (Memento vom 13. September 2014 im Internet Archive), Abruf 12. September 2014.
- Simon Quellen Field: Building your own battery cell. A note about power. scitoys.com, abgerufen am 14. September 2014 (englisch).
- William Regan, et al.: Screening-Engineered Field-Effect Solar Cells. In: Nano Letters. Band 12, Nr. 8, 16. Juli 2012, S. 4300–4304, doi:10.1021/nl3020022 (englisch).
- Kurt Lehovec: The Photo-Voltaic Effect. In: Physical Review. Band 74, Nr. 4, 1948, S. 463–471.
- Vast Power of the Sun Is Tapped By Battery Using Sand Ingredient. In: The New York Times. The New York Times Company, 26. April 1954, ISSN 0362-4331, S. 1 (Vast Power of the Sun Is Tapped By Battery Using Sand Ingredient [PDF]).
- History of Solar Cells (Memento vom 13. Juli 2012 im Webarchiv archive.today), abgerufen am 11. Januar 2011
- What is a (PV) Photovoltaic System? (Nicht mehr online verfügbar.) Ehemals im Original; abgerufen am 11. Januar 2011. (Seite nicht mehr abrufbar, Suche in Webarchiven)
- So wird Sonnenenergie von Satelliten in elektrischen Strom umgewandelt. Astrium S.A.S, 3. Dezember 2010, archiviert vom Original am 6. Januar 2014; abgerufen am 26. März 2012.
- Bundesnetzagentur: Gesamtausbau nach EEG geförderter PV-Anlagen. Abgerufen am 8. September 2014.
- Weltweit sind rund 200 Gigawatt Photovoltaik-Leistung installiert (Memento vom 7. Juli 2015 im Internet Archive). In: Solarserver, 2. Juli 2015. Abgerufen am 12. Juli 2015.
- vom erdgas-suedwest.de vom 4. Juni 2020, Wie gut funktioniert eigentlich das Recycling von Photovoltaik-Modulen?, abgerufen am 1. Juni 2021.
- Nermine Kotb: Ägypten plant größtes Solarkraftwerk der Welt., Spiegel.de vom 14. Februar 2018, abgerufen 18. Februar 2018.