Die Geschichte der Photovoltaik

Silizium, Grundstoff der Photovoltaik

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. 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. 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 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. 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
 
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 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 liefern Solarzellen mit erhöhtem Wirkungsgrad mehrere kW Leistung 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 besonders effizienten und strahlungsresistenten Solarzellen beziehen. Quelle: Wikipedia