Die spannende Geschichte der Photovoltaik

Isaac Newton (1642–1727): Newton führte Experimente durch, die die Natur des Lichts untersuchten. Er zeigte durch sein berühmtes Prismaexperiment, dass weißes Licht aus verschiedenen Farben besteht und dass Licht sich in Wellen ausbreitet. Seine Erkenntnisse legten das Fundament für die spätere Entwicklung des Verständnisses der Wechselwirkung von Licht mit Materie.

Christiaan Huygens (1629–1695): Huygens schlug eine Wellennatur des Lichts vor, die lange im Widerspruch zu Newtons Teilchentheorie stand. Seine Theorie half später, das Verhalten von Licht besser zu verstehen, was entscheidend für die spätere Entwicklung der Photovoltaik war.

William Gilbert (1544–1603): Gilbert veröffentlichte 1600 das Werk De Magnete, in dem er grundlegende Eigenschaften von Magnetismus und statischer Elektrizität beschrieb. Er führte den Begriff “Elektrizität” ein und legte den Grundstein für das Verständnis elektrischer Phänomene, die später für die Photovoltaik entscheidend waren.

Otto von Guericke (1602–1686): Von Guericke baute die erste elektrostatische Maschine, die in der Lage war, große Mengen statischer Elektrizität zu erzeugen. Dies trug zum allgemeinen Verständnis von Elektrizität bei.

Charles François du Fay (1698–1739): Du Fay entdeckte, dass es zwei Arten von Elektrizität gibt: Glaselektrizität (positiv) und Harzelektrizität (negativ). Diese Unterscheidung ist eine frühe Grundlage für das Verständnis von Ladungen, die später in der weiteren Geschichte der Photovoltaik relevant wurden.

Charles-Augustin de Coulomb (1736–1806): Coulomb formulierte das Coulombsche Gesetz (1785), das die Anziehung und Abstoßung zwischen elektrischen Ladungen beschreibt. Sein Werk legte die Grundlage für das Verständnis der elektrischen Kräfte, die bei der Erzeugung von Strom durch den photoelektrischen Effekt eine Rolle spielen.

Luigi Galvani (1737–1798): Galvani entdeckte Ende des 18. Jahrhunderts die tierische Elektrizität, die er durch Experimente mit Froschschenkeln demonstrierte. Seine Arbeit war eine frühe Untersuchung der Elektrizität und half, das Interesse an elektrischen Phänomenen zu wecken.

Alessandro Volta (1745–1827): Volta erfand 1800 die erste elektrochemische Batterie, die Voltasche Säule, die eine kontinuierliche Stromquelle lieferte. Diese Entdeckung war entscheidend für die Untersuchung von elektrischen Strömen und die spätere Entwicklung von Solarzellen, die Strom erzeugen.

Johann Wilhelm Ritter (1776–1810): Ritter entdeckte 1801 die Ultraviolettstrahlung, indem er nachwies, dass diese Strahlung chemische Reaktionen hervorrufen kann. Dies war eine wichtige Erkenntnis für das Verständnis der Auswirkungen von Licht auf Materie, das später in der Photovoltaik-Technologie genutzt wurde.

William Herschel (1738–1822): Herschel entdeckte 1800 die Infrarotstrahlung und zeigte, dass Licht, auch wenn es unsichtbar ist, Energie über Wärme übertragen kann. Dies erweiterte das Wissen über das Lichtspektrum und seine Wechselwirkung mit Materialien.

James Clerk Maxwell (1831–1879): Obwohl Maxwell erst im 19. Jahrhundert seine Theorien zur elektromagnetischen Strahlung formulierte, legten frühe Arbeiten im 18. Jahrhundert durch Wissenschaftler wie Hans Christian Ørsted (Entdecker des Zusammenhangs zwischen Elektrizität und Magnetismus, 1820) und Michael Faraday (Entdecker der elektromagnetischen Induktion, 1831) die Grundlagen für Maxwells Werk. Diese Theorien waren später entscheidend für das Verständnis, dass Licht eine Form elektromagnetischer Strahlung ist.

Der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel (Bild) entdeckte 1839 den photoelektrischen Effekt. In einem Experiment stellte er fest, dass elektrochemische Zellen (Silberchlorid in einer säurehaltigen Lösung) bei Lichteinwirkung eine elektrische Spannung erzeugen können. Durch diese Entdeckung war der erste Nachweis gelungen, dass Licht in der Lage ist, elektrische Energie zu erzeugen.

Seine Arbeit gilt in der Geschichte der Photovoltaik als der Beginn ihrer Erforschung, auch wenn die praktische Umsetzung von Solarzellen zu dieser Zeit noch nicht möglich war.

Der schottische Physiker James Clerk Maxwell (Bild) veröffentlichte in den 1860er Jahren seine Theorie des elektromagnetischen Lichts, in der er voraussagte, dass Licht eine Form elektromagnetischer Strahlung ist. Diese Theorie war entscheidend für das Verständnis der Wechselwirkung von Licht mit Materie und legte das theoretische Fundament für die spätere Photovoltaiktechnologie.

Der britische Wissenschaftler Willoughby Smith (Bild) entdeckte 1873, dass Selen, ein Halbleitermaterial, elektrisch leitfähig wird, wenn es Licht ausgesetzt ist. Dies war für die weitere Entwicklung ein entscheidender Schritt in der Geschichte der Photovoltaik, da Selen später für die Herstellung der ersten Fotowiderstände und lichtempfindlichen Geräte verwendet wurde.

Der britische Ingenieur William Grylls Adams (Bild) und sein Student Richard Evans Day entdeckten 1876, dass Selen, wenn es mit Licht bestrahlt wird, eine elektrische Spannung erzeugt. Diese Entdeckung bestätigte den photoelektrischen Effekt, und sie war die erste praktische Demonstration, dass Licht direkt in Elektrizität umgewandelt werden kann, ohne dass dabei Wärme erzeugt wird.

Adams und Day schufen somit eine frühe Form der Solarzelle, obwohl die Effizienz extrem gering war.

Der deutsche Physiker Heinrich Hertz (Bild) entdeckte 1887, dass ultraviolettes Licht Elektronen von einer Metalloberfläche freisetzen kann, was als äußerer photoelektrischer Effekt bezeichnet wird. Diese Entdeckung trug zum Verständnis des Verhaltens von Elektronen unter Lichteinfluss bei.

Hertz’ Experimente legten den Grundstein für die spätere Erklärung des photoelektrischen Effekts durch Albert Einstein.

Der deutsche Physiker Wilhelm Hallwachs (Bild) zeigte 1888, dass der photoelektrische Effekt auftritt, wenn Licht auf Metall trifft, das sich in Kontakt mit einer negativ geladenen Oberfläche befindet. Diese Beobachtungen halfen, das Wissen über den Zusammenhang zwischen Licht und elektrischer Energie zu erweitern und förderten das spätere Verständnis von Halbleitermaterialien.

Im Jahr 1905 veröffentlichte Albert Einstein seine berühmte Arbeit über den photoelektrischen Effekt, in der er die Idee einführte, dass Licht nicht nur eine Welle ist, sondern auch aus Teilchen besteht, den sogenannten Photonen. Einstein erklärte, dass Photonen beim Auftreffen auf eine Metalloberfläche Elektronen freisetzen, was die Grundlage für die Umwandlung von Licht in elektrische Energie darstellt.

Diese Erklärung revolutionierte das Verständnis von Licht und Elektrizität und wurde zur theoretischen Grundlage für die spätere Entwicklung von Solarzellen. Einstein erhielt für diese Arbeit 1921 den Nobelpreis.

In den 1920er Jahren kam es zu entscheidenden Fortschritten in der Quantenmechanik und im Verständnis von Halbleitern. Wissenschaftler wie Niels Bohr, Erwin Schrödinger und Werner Heisenberg legten die theoretische Grundlage für das Verhalten von Elektronen in Halbleitermaterialien, das für die Funktionsweise von Solarzellen entscheidend ist.

Diese Entwicklungen ermöglichten es, die Bewegungen und Wechselwirkungen von Elektronen und Löchern in Halbleitern besser zu verstehen, was für die spätere Entwicklung von effizienten Photovoltaikmaterialien entscheidend war.

In den 1930er Jahren wurde der innere photoelektrische Effekt genauer untersucht, insbesondere in Bezug auf Halbleitermaterialien wie Silizium und Germanium. Beim inneren photoelektrischen Effekt werden Elektronen innerhalb eines Halbleiters durch Lichteinwirkung freigesetzt, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt werden kann.

Dieser Effekt ist der Schlüsselmechanismus, der in modernen Solarzellen verwendet wird, und diese Untersuchungen bereiteten den Weg für die spätere kommerzielle Nutzung von Halbleitern in der Photovoltaik.

Während der 1930er Jahre begannen Wissenschaftler, Halbleiter wie Kupferoxid und Selen für die Umwandlung von Licht in elektrische Energie zu erforschen. Diese frühen Solarzellen hatten jedoch einen sehr geringen Wirkungsgrad, oft nur im Bereich von 1–2 %.

Obwohl diese Versuche keine wirtschaftlich nutzbaren Solarzellen hervorbrachten, waren sie wichtige Vorläufer der späteren Entwicklungen.

Im Jahr 1947 erfanden John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley bei den Bell Laboratories den Transistor, ein bahnbrechendes Halbleiterbauelement. Die Erfindung des Transistors war nicht direkt eine Photovoltaik-Entwicklung, aber sie ermöglichte das Verständnis und die Herstellung von Halbleiterbauteilen, die entscheidend für die spätere Entwicklung von Solarzellen waren.

Diese Entdeckung zeigte, dass Halbleiter wie Silizium und Germanium unter bestimmten Bedingungen Elektronen leiten und kontrollieren können, was für die spätere Nutzung in Solarzellen grundlegend war.

Im Jahr 1954, kurz nach diesem Zeitraum, entwickelten die Bell Laboratories die erste wirklich funktionierende Silizium-Solarzelle, die einen Wirkungsgrad von etwa 6 % erreichte. Diese Solarzelle war die erste, die genügend Strom erzeugen konnte, um elektrische Geräte zu betreiben, und markierte den Beginn der modernen Photovoltaik-Technologie.

Dieser Durchbruch war das Ergebnis jahrzehntelanger Forschung an Halbleitermaterialien und dem Verständnis des photoelektrischen Effekts.

Ein bedeutender Schritt in der kommerziellen Nutzung von Solarzellen erfolgte 1958, als die USA Solarzellen zur Stromversorgung des Satelliten Vanguard 1 einsetzten. Dies war in der Geschichte der Photovoltaik der erste praktische Einsatz von dieser Technologie im Weltraum.

Solarzellen wurden schnell zur Standardstromquelle für Satelliten, da sie in der Lage waren, im Weltraum kontinuierlich Strom zu erzeugen.

In den 1960er Jahren wurde der Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen erheblich verbessert.

Forscher wie Morton Prince und sein Team an den Bell Laboratories erreichten Wirkungsgrade von etwa 14 %. Diese Verbesserungen wurden durch Fortschritte in der Halbleitertechnologie und der Reinigung von Silizium erreicht.

Der Fokus lag auf der Optimierung der Zellstruktur und der Minimierung von Materialdefekten, um den Energieverlust zu reduzieren.

In den 1970er Jahren begann die Forschung an Dünnschichtsolarzellen, die weniger Material erforderten und potenziell kostengünstiger herzustellen waren. Dünnschichtsolarzellen bestehen aus Materialien wie Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) und amorphem Silizium (a-Si).

Diese Zellen haben eine dünne, lichtabsorbierende Schicht, die auf ein Trägermaterial aufgetragen wird, was zu einer leichteren und flexibleren Zellstruktur führt. Obwohl ihr Wirkungsgrad geringer ist als der von kristallinen Siliziumzellen, bieten sie Kostenvorteile.

Die Ölkrise in den frühen 1970er Jahren führte zu einem verstärkten Interesse an erneuerbaren Energien, einschließlich Photovoltaik. Regierungen und Unternehmen investierten mehr in die Forschung und Entwicklung von Solarenergie als alternative Energiequelle zu fossilen Brennstoffen.

In den USA wurde beispielsweise das Solar Energy Research Institute (SERI) gegründet (heute bekannt als National Renewable Energy Laboratory, NREL), um die Photovoltaik-Technologie weiterzuentwickeln.

In den 1980er Jahren wurden Multijunction-Solarzellen entwickelt, die mehrere Halbleiterschichten verwenden, um verschiedene Wellenlängen des Lichts effizienter zu absorbieren. Diese Zellen wurden besonders in der Raumfahrt eingesetzt, da sie höhere Wirkungsgrade als herkömmliche Solarzellen bieten.

Diese Zellen können Wirkungsgrade von über 30 % erreichen und werden typischerweise aus Galliumarsenid (GaAs) oder ähnlichen Halbleitermaterialien hergestellt.

Während der 1980er und 1990er Jahre nahm die kommerzielle Verfügbarkeit von Solarzellen und -modulen zu. Durch verbesserte Produktionsverfahren und größere Nachfrage, insbesondere in Nischenmärkten wie der Raumfahrt und abgelegenen Standorten, begannen die Kosten für Photovoltaiksysteme zu sinken.

Japan, die USA und Deutschland gehörten zu den führenden Nationen, die in großem Umfang in Photovoltaik-Technologie investierten und Forschungsprogramme zur Verbesserung von Effizienz und Kosten starteten.

Ein entscheidender Durchbruch für die breite Anwendung von Photovoltaik in Deutschland war die Einführung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) in den späten 1990er Jahren. Dieses Gesetz garantierte Einspeisevergütungen für Strom aus erneuerbaren Energien, einschließlich Photovoltaik, was zu einem erheblichen Wachstum der Solarenergiebranche in Deutschland führte.

Dies war ein Vorbild für andere Länder und förderte weltweit die Einführung von Solaranlagen.

In den 1990er Jahren führten Fortschritte in der Fertigungstechnologie zu einer deutlichen Senkung der Produktionskosten von Solarzellen. Es wurden Techniken wie die Waferproduktion und automatisierte Herstellungsprozesse eingeführt, um die Effizienz in der Produktion zu steigern.

Gleichzeitig nahm die Nachfrage nach Photovoltaikanlagen sowohl im gewerblichen als auch im privaten Sektor zu, insbesondere in Europa und Japan.

In den 1990er Jahren wurde der Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen weiter verbessert, und Labore erreichten bei monokristallinen Siliziumzellen Wirkungsgrade von über 20 %. Parallel dazu wurde die Forschung an neuen Materialien und Zellarchitekturen fortgesetzt.

Die Herstellung von Solarzellen mit höheren Wirkungsgraden bei niedrigeren Produktionskosten wurde zum Hauptziel der Photovoltaikforschung.

Zwischen 2000 und 2024 kam es zu einer dramatischen Senkung der Kosten für die Herstellung von Silizium-Solarzellen. Die Produktionskosten fielen aufgrund von Skaleneffekten, verbesserten Fertigungsverfahren und der Expansion der Solarindustrie, insbesondere in Ländern wie China.

• Dies führte dazu, dass der Preis für Solarmodule um über 90 % gesunken ist. Der Preis pro Watt fiel von etwa 5–10 USD in den frühen 2000er Jahren auf unter 0,30 USD pro Watt im Jahr 2020. Diese Entwicklung hat Photovoltaik zu einer der kostengünstigsten Formen der Stromerzeugung gemacht.

Der Wirkungsgrad von monokristallinen Silizium-Solarzellen, die auf kristallinem Silizium basieren, hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten stetig verbessert. Während der Wirkungsgrad kommerzieller Solarzellen im Jahr 2000 noch bei etwa 14–16 % lag, erreichten sie 2024 Werte von über 22 %.

Diese Effizienzsteigerungen wurden durch Verbesserungen bei der Zellstruktur, der Materialqualität, der Oberflächenbehandlung und der Antireflexbeschichtung erreicht.

Eine der wichtigsten technologischen Innovationen in der Silizium-Photovoltaik war die Einführung der PERC-Technologie. PERC-Zellen haben eine zusätzliche passivierte Rückseite, die dazu beiträgt, mehr Licht zu absorbieren und die Elektronenrekombination zu verringern, was den Wirkungsgrad steigert.

• PERC-Zellen sind mittlerweile weit verbreitet und haben sich in der kommerziellen Produktion durchgesetzt. Sie bieten Wirkungsgrade von etwa 22 % und mehr.

Perowskit-Solarzellen haben sich seit 2012 zu einer der vielversprechendsten Technologien in der Photovoltaik entwickelt. Perowskite sind eine Klasse von Materialien, die eine ähnliche Kristallstruktur wie Silizium aufweisen, aber potenziell kostengünstiger und einfacher herzustellen sind.

Perowskit-Solarzellen haben bereits Wirkungsgrade von über 25 % in Laborexperimenten erreicht und könnten theoretisch sogar noch weiter verbessert werden. Sie können auf flexible Substrate aufgebracht werden und lassen sich mit bestehenden Technologien kombinieren, z. B. in Tandem-Solarzellen, um höhere Wirkungsgrade zu erzielen.

Ein zentrales Forschungsgebiet ist die Verbesserung der Langzeitstabilität von Perowskit-Solarzellen, da sie anfälliger für Feuchtigkeit und Umweltbedingungen sind.

Eine der bedeutendsten Entwicklungen in der Photovoltaik ist die Kombination von Perowskit-Solarzellen mit herkömmlichen Silizium-Solarzellen in sogenannten Tandem-Solarzellen. Diese Technologie nutzt das breite Lichtspektrum besser aus, indem sie verschiedene Materialien kombiniert, die unterschiedliche Wellenlängen absorbieren.

Tandem-Solarzellen haben in Laboren Wirkungsgrade von über 30 % erreicht und könnten theoretisch bis zu 40 % erreichen. Diese Entwicklung hat großes Potenzial, die Grenzen der Effizienz in der Photovoltaik erheblich zu erweitern.

Bifaziale Solarzellen sind in der Lage, sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite Sonnenlicht zu absorbieren. Diese Technologie wurde in den 2010er Jahren populär und kann den Energieertrag um bis zu 30 % im Vergleich zu monofazialen Zellen steigern, insbesondere in Umgebungen mit stark reflektierenden Oberflächen (z. B. Schnee oder heller Boden).

Bifaziale Module sind besonders in Solarparks und größeren Installationen attraktiv, wo sie die Effizienz der Systeme weiter steigern können.

Die Entwicklung von flexiblen und transparenten Solarzellen hat neue Anwendungsfelder eröffnet. Dünnschicht-Solarzellen aus Materialien wie Perowskiten oder organischen Verbindungen können auf flexible Substrate aufgebracht werden, was Anwendungen auf tragbaren Geräten oder Gebäudefassaden ermöglicht.

• Transparente Solarzellen könnten in Fenster integriert werden und ermöglichen somit die Energieerzeugung in Gebäuden, ohne die Architektur zu beeinträchtigen.

In den letzten Jahren wurden schwimmende Solaranlagen auf Stauseen, Seen und sogar auf dem Meer immer beliebter. Floating PV-Anlagen bieten mehrere Vorteile, darunter eine verbesserte Kühlung der Solarmodule durch die Wasseroberfläche, was den Wirkungsgrad steigern kann, sowie die Vermeidung von Landkonflikten.

Insbesondere in Ländern mit hoher Bevölkerungsdichte oder begrenzten Landflächen hat sich Floating Solar zu einer attraktiven Option entwickelt.

Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) hat sich seit den 2000er Jahren weiterentwickelt. Diese Technologie integriert Solarzellen direkt in Bauelemente wie Dachziegel, Fassaden oder Fenster, sodass die Photovoltaik nicht nur Strom erzeugt, sondern auch ästhetisch und funktional in die Gebäudearchitektur integriert ist.

In den 2020er Jahren wurde BIPV durch neue Materialien und Designs weiter verbessert, was zu einer breiteren Akzeptanz führte, insbesondere bei nachhaltigen Gebäudekonzepten.

Politische Maßnahmen wie das deutsche Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), das chinesische Solarentwicklungsprogramm und ähnliche Initiativen in Ländern wie den USA, Japan und Indien trieben die globale Expansion der Photovoltaik-Technologie an.

Diese Gesetze, kombiniert mit fallenden Kosten und technologischen Fortschritten, führten zu einem raschen Anstieg der installierten Photovoltaik-Kapazität weltweit.