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Photoelektrische Nutzung


Das Prinzip der Photozelle beruht darauf, daß bestimmte Materialien bei der Aufnahme von Licht Elektronen freisetzen, welche sich bei einem Spannungsgefälle in gleicher Richtung bewegen und dadurch einen Gleichstrom erzeugen. Der Strom von Lichtteilchen (Photonen) geht auf die Zelle nieder, die mit einer Antireflexschicht überzogen ist, damit möglichst wenige Teilchen zurückgespiegelt werden. Die Mehrzahl der Photonen geben ihre Energie an die Atome der Siliziumscheibe ab, wobei Elektronen freigeschlagen werden. Dadurch entsteht in der Atomhülle jeweils ein Loch, das wiederum von einem freien Elektron ausgefüllt wird. Die obere der beiden Zellenschichten ist z.B. durch Zusatz von Phosphor-Atomen negativ dotiert, wodurch die Silizium-Schicht einen Überschuß an Elektronen erhält. Die untere Schicht ist z.B. durch Bor-Atome positiv dotiert und hat dadurch einen Überschuß an Löchern. Somit baut sich zwischen den Schichten ein Spannungsfeld auf, das die Richtung der Elektronen definiert. Über ein Metallgitter an der Sonnenseite werden die Elektronen dann als elektrischer Strom abgenommen – und kehren zu einer dünnen Metallschicht an der Schattenseite, d.h. zu dem Plus-Pol zurück.

Von der Strahlungsleistung der Sonne ist besonders der Bereich 400 bis 750 µm (entsprechend einer Energie der Photonen von 3,5 bis 1,8 eV) für die Bildung von Elektronen im angeregten Zustand mit anschließendem Elektronen- oder Energietransfer nutzbar. Und während amorphes Silizium das kurzwellige grüne und blaue Licht des Sonnenspektrums in elektrische Energie umsetzt, eignet sich mikrokristallines Silizium besonders für die Umsetzung des langwelligen roten und infraroten Anteils.

Für lange Zeit fanden Photozellen lediglich in photographischen Belichtungsmessern Anwendung, doch 1954 erkennen die amerikanischen Wissenschaftler Chaplin, Fuller und Pearson (s.o.), daß für diesen Prozess Silizium besonders gut geeignet ist – und stellen die erste Solarzelle her. Damit beginnt das bereits 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckte photoelektrische Prinzip in der Energieversorgung eine neue Rolle zu spielen – anfänglich, also ab 1958, besonders in der Satellitentechnik, da der Strom damit erstmals auch vor Ort erzeugbar ist.

Einen großen Teil der damaligen Entwicklung habe ich im Einzelnen schon im geschichtlichen Rückblick weiter oben besprochen. Hier folgen nun die weiteren Fortschritte der photovoltaischen Nutzung und ihrer Anwendungsformen ab Anfang der 1970er Jahren bis heute.

Entwicklung der photovoltaischen Nutzung 1973 – 1994


1973 wird an der University of Delaware die weltweit erste dachintegrierte photovoltaische Hausanlage gebaut, ein PV-Thermal-Hybrid mit dem Namen Solar One. Lüfter kühlten die Module, die warme Luft wurde zum Heizen genutzt.

Auf die Idee, die korrosionsempfindlichen Zellen in zähes Acryl einzukapseln, kommt Mitte der 1970er Jahre der Deutsche Bernd Melchior, Besitzer der Firma bmc Solar Industrie GmbH in Wermelkirchen. Später wird unter dem ersten Forschungsrahmenprogramm der EU ein entsprechendes Forschungsprojekt initiiert.

1976 stellen David Carlson und Christopher Wronski in den RCA Laboratories die erste amorphe Siliziumzelle her, sie hat 3,5 cm2 und ihr Wirkungsgrad beträgt bescheidene 1,1 %. Mit einer größeren Zelle erreichen sie etwas später schon 2,4 %.

1977 beträgt die weltweite Produktionskapazität für Solarzellen etwa 500 kW.

Im Dezember 1978 wird durch die NASA das weltweit erste ‚Solardorf’ mit Solarzellen ausgestattet – im Reservat der Papago-Indianer in  Schuchuli, Arizona. Das 3,5 kW System betreibt Wasserpumpen und versorgt 15 Familien mit Licht und Energie zum Kühlen, für die Näh- und Waschmaschinen. Als das Reservat 1983 an das öffentliche Stromnetz angeschlossen wird, beschränkt man die Solaranlage auf den Pumpbetrieb.

Für Silizium-Solarzellen gilt 1979 ein theoretisch maximaler Wirkungsgrad von 20 %, während in der Praxis lange nicht einmal 10 % erreicht werden. 15 Jahre später zeigt sich jedoch, daß diese ‚magische Grenze’ gar nicht existiert. Nun gilt die Barriere eines Wirkungsgades von 30 % als technisch unüberwindbar. Da man inzwischen jedoch mit vielen anderen Materialen und Zusammensetzungen experimentiert, verdoppeln sich später sowohl der theoretisch erreichbare, als auch der tatsächlich erreichte Wirkungsgrad (s.u.).

Pro Kilowatt installierte Leistung wird um diese Zeit noch mit Investitionskosten zwischen 50.000 und 150.000 DM gerechnet. Für ein 1.000 MW Kraftwerk wäre eine Solarzellenfläche von ca. 10 km2 erforderlich. Als Alternative zu den erdgebundenen Kraftwerken werden daher auch sogenannte Satellitenkraftwerke vorgeschlagen, auf die ich später noch gesondert zu sprechen komme. Übrigens wurde die Herstellung der Solarzellen noch sehr lange manuell betrieben, erst in den 1990er Jahren werden vollautomatische Produktionslinien entwickelt und installiert.

1980 ist ARCO Solar das erste Unternehmen, das mehr als 1 MW Solarzellenkapazität pro Jahr produziert (s.u. Hersteller).

Anfang der 1980er Jahre werden unabhängig voneinander in den Laboratorien von MBB in Ottobrunn und der Ecole Polytechnique bzw. bei Solems in Paris die ersten Solarzellen auf Basis des amorphen Silizium hergestellt. Beide Forschergruppen kamen zu der Erkenntnis, daß nur dünne in automatisierten Fertigungslinien hergestellte große Module die Chance bieten, Strom aus Sonnenlicht zu akzeptablen Kosten zu produzieren.

Solar-Audio Ballerinas

Solar-Audio Ballerinas

Ebenfalls Anfang der 1980er gründet der amerikanische PV-Pionier Joseph Lindmayer die inzwischen florierende Firma Solarex. Und der deutsche Jürgen Claus beginnt zusammen mit seiner Frau Nora die ersten Solarskulpturen zu entwickeln, von denen die Solarpyramide (1984), der Solar-Kristall und der  Solar-Ikosaeder (1995) die wohl bekanntesten sind. Weitere Künstler, die innerhalb des 1993 entstandenen Sol-Art Global Network mit Solarenergie arbeiten, sind Dale Eldred mit seinen Diffraktions-Skulpturen, Peter Erskine, Alex and Martha Nicoloff, Seth Riskin, Otto Piene, Sally Weber und Franz Leher. In Berlin wird Benoît Maubrey bekannt, dessen Solar Ballerinas auch auf der EXPO 2000 zu sehen sind. Auf ihren Tutus aus Plexiglas sind Solarzellen, Mikrofone, Verstärkerplatinen mit Prozessoren und Lautsprecher eingelassen. Sie nehmen Töne der Umwelt auf und geben sie verstärkt und verfremdet wieder.

1981/1982 bricht der Markt für Solarzellen in Deutschland fast völlig zusammen.

Ab 1982 wird Solarstrom beim Kathodenschutz von Pipelines in Oman eingesetzt. Der britische Hersteller dieser Anti-Korrosions-Geräte verspricht eine Lebensdauer von 15 – 20 Jahren.

1982 beträgt die weltweite Produktionskapazität für Solarzellen bereits knapp 10 MW.

Ein speziell umgebauter Solar Trek fährt 1983 in fast 20 Tagen 4.000 km lang durch Australien. Das Fahrzeug besitzt eine 1 kW Solaranlage, später im Jahr fährt der Wagen in 18 Tagen eine ähnlich lange Strecke durch die USA.

1983 beträgt die weltweite Produktionskapazität für Solarzellen schon um 20 MW, die Umsätze mit der Photovoltaik überschreiten erstmals 250 Mio. $.

Im November 1984 findet im japanischen Kobe die First International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC) statt.

1985 wird eine Art ‚natürlicher Solarzelle’ entdeckt, als man feststellt, daß eisenhaltiger Rutil im Wüstensand die Ammoniak-Bildung aus Luftstickstoff und absorbiertem Wasser mittels Sonnenlicht katalysiert.

1986 bringt ARCO Solar das weltweit erste Dünnschicht-Modul (G – 4000) auf den Markt.

1987 tun sich mehrere deutsche Firmen zusammen, um ein solarbetriebenes Röntgengerät zu entwickeln, das in Containerform transportiert und auch fernab der Stromnetze eingesetzt werden kann. Die Unternehmen BMC Schein, BMC Solartechnik, Jodag Containerbau und Philips Medizintechnik sehen einen Markt für derartige mobile Diagnosestationen, deren aufwendige Isolation auch ihren Einsatz bei tropischen oder arktischen Temperaturen erlaubt.

1988 ist das einzige Land in Europa, in dem auch private Erzeuger das Recht haben, ihren Solarstrom gegen eine angemessene Vergütung in das Netz einzuspeisen – die Schweiz.

Zwischen 1980 und 1988 steigt die jährliche weltweite Produktionsrate von etwa 1 MW auf knapp 35 MW. Es folgt eine Auflistung der Hersteller und Produktionskapazitäten weltweit (1988):

Land Firma Zellenmaterial Fertigung in MWp Marktanteil in % Produktionskapazität (geschätzt) in MWp
USA Arco Solar CZ/a-Si 7,0 22 10 – 15
Japan Sanyo a-Si 2,9 9 3 – 5
USA Chronar a-Si 2,5 8 3 – 5
USA Solarex Poly/a-Si 1,6 5 3 – 5
Japan Kyocera Poly 1,6 5 3 – 5
Indien CEL Poly 2,3 4 2 – 3
Japan Fuji a-Si 1,2 4 2 – 3
Japan Toiyo a-Si 1,1 4 2 – 3
BRD Siemens Solar CZ/a-Si 0,9 3 2 – 3
BRD Telefunken Poly 0,9 3 3 – 4
Japan Hoxan Poly 0,8 3 9
    Summe = 21,8 70 42 – 60
  Andere Firmen (rund 50) ~ 10 30 10 – 60
    Gesamt = ~ 32 100 ~ 50 - 80


1989
startet ein dreijähriges Forschungsprojekt zur Solarzellennutzung in der Landwirtschaft, an dem BASF, Siemens, der Bezirksverband Pfalz, der Stromlieferant Pfalzwerke sowie die Universitäten Kaiserslautern und Hohenheim beteiligt sind. Dazu gehören Bewässerungsanlagen, Stall-Klimaanlagen, elektrische Weidezäune sowie die Oligolyse. Bei diesem Verfahren wird Gülle mit einem schwachen Gleichstrom von 1 – 2 A und 24 V behandelt. Mehrere Kupferstäbe in der Exkrementgrube dienen als Elektroden und scheiden Kupfer-Ionen ab, wodurch die Geruchsbelästigung deutlich vermindert wird.

Ebenfalls 1989 wird mit großem Tamtam auf Fehmarn ein Solar-Klärwerk für 7 Mio. DM eingeweiht, das seinen Eigenstrombedarf mit Solarmodulen und Windkrafträdern deckt und Überschußstrom ins Netz einspeist. (2010 ist das Projekt nur noch ein Schrotthaufen, wie man unschwer an dem Zustand der Solarpanele erkennen kann.)

Ehemalige Solaranlage auf Fehmarn

Ehemalige Solaranlage
auf Fehmarn

Ende der 1980er Jahre hat die in Kalifornien installierte Solarzellen-Fläche bereits eine Gesamtleistung von über 70 MW.

1990 wird die schwimmende Rettungsstation Bremen der Deutschen Lebens-Rettungs-Gesellschaft e.V. (DLRG) mit einer 400 W Solarzellenanlagen ausgerüstet, mit der Radio, Funkgerät, Kühlschrank und Licht versorgt werden. Die Anlage für 12.000 DM ist ein Geschenk der Berliner Bewag.

1991 beträgt die weltweite Produktionskapazität für Solarzellen schon 60 MW. Weltweit sind PV-Anlagen mit insgesamt etwa 10 MW Netzstromerzeugung angeschlossen, darüber hinaus besteht allerdings ein weit größerer Markt für diverse Kleinanwendungen.

Nach einer Untersuchung des Marktforschungsinstituts Strategies Unlimited aus Kalifornien existieren 1992 weltweit reale Produktionskapazitäten für rund 90 MW – allerdings werden in diesem Jahr aufgrund der geringen Nachfrage (?) tatsächlich nur 52 MW hergestellt (in Europa: 17 MW). Die ersten Solarzellenanlagen in den neuen Bundesländern werden 1992 installiert (Brandenburg: Neu Zittau / Thüringen: Gera / Sachsen: Reichenbach usw.). Pro Bundesland werden 150 derartige Anlagen als Anschauungs- und Demonstrationsobjekte zu 70 % vom BMFT gefördert. In der Schweiz plant man die Umrüstung aller Bahnhöfe – auf den Dächern sollen Solarkollektoren mit eine Gesamtleistung von 24 MW installiert werden.

Im Bayerischen Wald experimentieren das Bayernwerk und Siemens Solar erstmals in Deutschland mit einer autarken Energie-Mustersiedlung. Der Weiler Flanitzhütte mit 10 Bewohnern und bis zu 60 Feriengästen wird nicht mehr über die reparaturbedürftige 20.000 Volt Freileitung versorgt, sondern mittels 840 Solarmodulen, die 40 kW erzeugen. Eine 18 t schwere wartungsfreie Gel-Pufferbatterie kann die Energieversorgung bis zu drei Tagen sicherstellen, außerdem wird ein 40 kW Gasgenerator in Reserve gehalten. Das Modellvorhaben kostet rund 3,6 Mio. DM, von denen das BMFT 1,3 Mio. trägt, und geht nach dem erfolgreichen Probebetrieb im September in Betrieb.

Ebenfalls 1992 beginnt das Tankstellenunternehmen Aral mit den Einsatz von Solaranlagen auf Tankstellen-Dächern. Erst 1999 ziehen BP Amoco – hier investiert man innerhalb von zwei Jahren rund 50 Mio. $ für die je 400 Solarpanele pro Tankstelle – und Shell nach.

Ende 1992 beträgt die Gesamtleistung aller in Deutschland installierten Photovoltaikanlagen etwa 3,6 MW. Daran hat das 1.000-Dächer-PV-Förderprogramm des Bundes und der Länder einen Anteil von über 1,1 MW (s.d.).

Schallschutzwände an Autobahnen werden erstmals 1993 südlich von Chur (Schweiz) an der N 13 installiert – eine Idee, für die der Schweizer Thomas Nordmann seit 1989 wirbt. Kyocera, Hersteller der besonders robusten Module, soll nun insgesamt vier derartige Anlagen in der Schweiz installieren. Man geht davon aus, daß ein Kilometer Solarwand den jährlichen Energiebedarf von etwa 100 Personen decken kann. Ebenfalls 1993 installiert die evangelische Christusgemeinde in Speyer die bundesweit erste Solaranlage auf einem Kirchendach.

1993 werden weltweit etwa 60 MW Modulleistung produziert. Mit einem Anteil von 23 % (andere Quellen: 25 %) ist Siemens Solar Weltmarktführer. Das Unternehmen schreibt 1992 mit einem Verlust von über 90 Mio. DM allerdings tiefrote Zahlen.

Ab 1994 werden an der Werft Barth insgesamt 14 Leuchttonnen auf Solarbetrieb umgebaut, die in der Ostsee zwischen der Lübecker Bucht und der polnischen Grenze installiert sind. Im selben Jahr veröffentlich die Plattenfirma Greenpeace die Kompilation Alternative NRG, deren Tracks ausnahmslos mit einem solarbetriebenen Mischpult aufgenommen worden sind. Auf der Kompilation sind insbesondere Gruppe vertreten, die sich im Umweltbereich engagieren, darunter U2, R.E.M., Midnight Oil, Sonic Youth und Soundgarden. In Australien entsteht über eine Strecke von 2.500 km die längste Mikrowellenübertragungsstrecke der Welt – mit 41 solarbetriebenen Relais, während die RWE im Essener Stadtteil Gerschede 25 Reihenhäuser mit jeweils 2 kW (= 20 m2) Solarzellen versorgt – und mit Investitionskosten von 1,2 Mio. DM die erste Solarstromsiedlung in Europa in Betrieb nimmt.

Solarbetriebener, automatischer Rasenmäher

Solar-Rasenmäher

Die historische Straßenbahn, die in der Sächsischen Schweiz seit 1898 Bad Schandau mit dem Lichtenhainer Wasserfall verbindet, soll in Zukunft mit Solarstrom fahren. Im Rahmen eines PV-Demonstrationsprojektes des BMFT erhält die Kirnitzschtalbahn auf ihrem Depot eine 40 kW leistende Anlage im Wert von 750.000 DM.

Ebenfalls 1994 installiert der Stromkonzern Schleswag die ersten 200 m Sonnenstromwand an der A 23 im schleswig-holsteinischen Rellingen. Die Stadtwerke Saarbrücken planen die Installation eigens entwickelter Energiewände an einem Autobahnkreuz der A 6. Das Unternehmen Foto Quelle bringt eine Kamera auf den Markt, bei der auf die bedenklichen Lithium- oder Quecksilberbatterien verzichtet wird – statt dessen laden drei Solarzellen auf der Oberseite einen Kondensator auf, dessen Energie ausreicht, um vier Filme zu belichten.

Und für etwa 5.000 DM bietet das schwedische Unternehmen Husqvarna den ersten solarbetriebenen Rasenmäher an, der sich vollautomatisch durch den mit einem Spezialdraht eingezäunten Garten bewegt. Das von dem schwedischen Erfinder Lars Anderson entwickelte Gerät kostet zwei Jahre später immerhin nur noch ca. 4.000 DM. Vor Langfingern schützt es sich durch eine Alarmanlage mit Eingabecode.


Weiter mit der photovoltaischen Nutzung ab 1995...