70 Jahre Solarzelle Von einem unerklärlichen Effekt bis zur Energiewende

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Am 25. April 1954 stellten zwei Forscher der Bell Labs eine Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von sechs Prozent vor. Doch der photoelektrische Effekt ist älter. Heute ist die Solarzelle ein wichtiger Baustein der Energiewende. Die faszinierende Geschichte der Solarzelle.

Es war an einem Frühlingstag im April 1954: Forscher der Bell Labs stellten die erste nutzbare Silizium-Solarzelle vor. Sie experimentierten mit Silizium-Proben und entdeckten dabei zufällig, dass Strom floss, sobald die Probe Lichteinfall ausgesetzt war. Auf diesen Erkenntnissen entwickelten sie die ersten Silizium-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von knapp sechs Prozent. Im Vergleich zu heutigen Wirkungsgraden war dieser Wert trotzdem ein Meilenstein der Photovoltaik.

Geschichte der Solarzelle reicht bis 1839 zurück

Doch die Geschichte der Solarzelle ist älter: Sie reicht bis ins Jahr 1839 zurück. Der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel hatte den photoelektrischen Effekt entdeckt. Dieser Effekt – auch als Becquerel-Effekt bekannt – ist ein physikalisches Phänomen, bei dem Licht auf ein Material trifft und Elektronen aus diesem Material emittiert.

In Becquerels Experiment beobachtete er, dass beim Bestrahlen einer Silber-Elektrode in einer Silberchloridlösung mit Sonnenlicht ein Strom zwischen der Elektrode und einer weiteren Elektrode in der Lösung floss. Er erkannte richtig, dass das Licht auf irgendeine Weise den Stromfluss verursachte. Allerdings blieb der photoelektrische Effekt viele Jahre ungeklärt.

Albert Einstein erklärt den photoelektrischen Effekt

Erst im Jahr 1905 konnte durch die Arbeit von Albert Einstein „Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt“ ein Beweis und eine Erklärung für den photoelektrischen Effekt geliefert werden. Einstein schlug vor, dass Licht nicht nur eine Welle, sondern auch ein Strom von Teilchen namens Photonen ist. Wenn ein Photon auf ein Atom in einem Material trifft, kann es seine gesamte Energie auf ein Elektron übertragen und dieses aus dem Atom herauslösen. Die Energie des emittierten Elektrons hängt von der Energie des Photons ab, die wiederum von der Frequenz des Lichts abhängt.

Nach einigen Fehlschlägen konnte erst 1940 wieder ein Fortschritt bei den Solarzellen verbucht werden: Russel Shoemaker Ohl, ein Halbleiterforscher bei den Bell Labs, untersuchte einige Silizium-Proben. Eine Probe hatte einen Riss – und hier floss ein Strom, wenn man die Probe dem Licht aussetze.

Wieso war das so? Durch den unterschiedlichen Grad an Verunreinigungen – also die Dotierung – war eine Seite positiv und die andere negativ dotiert. Ohl hatte also hier versehentlich einen PN-Übergang geschaffen, die Grundlage einer Solarzelle. Allerdings war der Wirkungsgrad der Solarzelle nicht sehr hoch. Nach weiteren Forschungen kamen der Chemiker Calvin Fuller und der Physiker Gerald Pearson zu dem Schluss, dass anstatt Selen doch eher Silizium vorzuziehen sei.

Sie arbeiteten dann mehrere Monate an einer Verbesserung der Eigenschaften. Zudem mussten sie noch einige Probleme aus dem Weg räumen. Unter anderem an einem guten elektrischen Kontakt der Silizium-Solarzelle. Bei der Dotierung stießen sie auf Arsen und Bor für einen PN-Übergang. Nachdem sie einige solcher Solar-Zellen verbunden hatten, sprachen sie von einer Solar-Batterie.

Erste Solarzellen für Satelliten und Raumsonden

Trotz ihres geringen Wirkungsgrades fanden die ersten Solarzellen ihre Abnehmer. Denn Solarenergie war die ideale Stromversorgung für Satelliten und Raumsonden. Aufgrund ihrer langen Lebensdauer waren Solarzellen den Batterien überlegen. So war Vanguard 1 im Jahr 1958 der erste Satellit im All, der mit Solarzellen betrieben wurde. Der solarbetriebene Sender des Satelliten war sechs Jahre lang in Betrieb, bis er 1964 sein letztes Signal sendete.

In Deutschland erlebte die Entwicklung der Solarzelle mit dem 1000-Dächer-Programm der Bundesregierung zwischen 1990 und 1992 einen Durchbruch. Seitdem ist die installierte Solarstromleistung in Deutschland kontinuierlich auf über 59 Gigawatt im Jahr 2022 gestiegen. Weltweit lag die installierte Photovoltaik-Leistung Ende 2021 bei über 900 Gigawatt.

Aktueller Stand der Photovoltaik

Die Photovoltaik spielt heute eine zentrale Rolle bei der Energiewende. Die Wirkungsgrade der Solarzellen konnten erheblich gesteigert werden. Von den erwähnten sechs Prozent in den 1950er-Jahren auf über 20 Prozent bei modernen Modulen. Der maximale Wirkungsgrad im Labor liegt bei über 25 Prozent. Allerdings gibt es eine physikalische Obergrenze von etwa 30 Prozent, die nicht überschritten werden kann.

Heute gibt es drei Haupttypen von Solarzellen, die sich in Aufbau, Wirkungsgrad und Anwendung unterscheiden. Das sind die monokristallinen Solarzellen. Sie haben den höchsten Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent und sind bei direkter Sonneneinstrahlung am effizientesten. Polykristalline Solarzellen bestehen aus vielen Siliziumkristallen unterschiedlicher Größe. Ihr Wirkungsgrad liegt bei etwa 15 Prozent. Die dritte Gruppe sind Dünnschichtsolarzellen. Sie bestehen aus amorphem Silizium oder anderen Materialien und sie haben mit etwa sieben bis zwölf Prozent den geringsten Wirkungsgrad. Das Material kann auf flexible Träger wie Folien oder Kunststoffe aufgebracht werden. (heh)

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