So fand die Solarzelle ins Licht

Die Photovoltaik ist eine noch eher junge Industrie. Ihre Grundlage, der photoelektrische Effekt, wurde allerdings schon 1839 von Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. Aber erst nach der Ölkrise von 1973 ging es mit der Solarenergie wirklich los. Auch die Schweiz spielte dabei eine wichtige Rolle.

Die Photovoltaik dient der direkten Wandlung von einfallendem Licht in elektrische Energie. Der ihr zu Grunde liegende photoelektrische Effekt wurde bereits im Jahr 1839 entdeckt durch Alexandre Edmond Becquerel (1820 – 1891). Bei Experimenten mit elektrolytischen Zellen, bei denen er eine Anode und eine Kathode aus Platin einsetzte, 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.

Grundlagenforschung

Verschiedene Ingenieure und Forscher beschäftigten sich im 19. Jahrhundert weiter mit dem Thema. So baute etwa der New Yorker Charles Fritts 1883 ein erstes Modul aus Selenzellen und schuf damit quasi den Vorläufer der Photovoltaikmodule. Das löste verschiedene grundlegende Arbeiten zum Thema photoelektrischer Effekt aus.

Aber erst 1907 lieferte Albert Einstein eine theoretische Erklärung des lichtelektrischen Effekts: Licht sei nicht nur als wellenförmige Strahlung zu interpretieren, sondern auch als Fluss winziger Energiepakete, die ähnliche Eigenschaften aufwiesen wie Materie. Für seine Lichtquantenhypothese erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik.

1940 stellte Russell S. Ohl fest, dass bei einer Beleuchtung von Silizium Strom erzeugt werden konnte. Ohl war bei den Bell Laboratories in New Jersey (USA) auch an der Entdeckung beteiligt, bei Halbleitern durch gezielte Dotierung mit Fremdstoffen die elektrischen Eigenschaften zu ändern. In den Bell Laboratories wurden auch die ersten rund zwei Zentimeter grossen, kristallinen Silizium-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von über vier Prozent hergestellt und 1954 der Öffentlichkeit vorgestellt. Bis heute bestehen die meisten Solarzellen aus dotierten Siliziumkristallen.

Erster Höhenflug

Bereits vier Jahre nach diesem Durchbruch startete die Photvoltaik zu ihrem ersten Höhenflug. Der US-Satellit Vangurard 1 wurde mit 108 Solarzellen bestückt.

Der Erfolg dieses kleinen Satelliten bestärkte die Wissenschaftler die bis dahin noch nahezu unbekannten und vor allem sehr teuren Solarzellen für die Raumfahrt weiterzuentwickeln. Sie erwiesen sich denn auch als ideale Stromversorgung für Satelliten und Raumsonden – bis heute.

Schweizer an vorderster Front

Für eine terrestrische Nutzung waren die Photovoltaik-Module allerdings noch viel zu teuer. Sie wurden nur äusserst selten und weit weg vom nächsten Energienetz eingesetzt. Mit der Ölkrise von 1973 veränderte sich dies allerdings. Vor allem in den USA setzte man stark auf die Forschung in diesem Bereich, entwickelte die Module weiter und es kam auch zu ersten grösseren kommerziellen Einsätzen. Kein Wunder lag der US-Anteil am Weltmarkt der Photovoltaik 1983 bei rund 21 Prozent, wobei es sich hier oft um PV-Grossanlagen handelt. 

Die Idee statt auf grosse Anlagen auf viele, kleinere dezentrale Anlagen zu setzen, stammt aus der Schweiz. ETH-Professor Pierre Fornallaz erkannte den «Charme des Dezentralen». Hier setzte auch der Schweizer Ingenieur Markus Real an, welcher die Photovoltaik in den USA im Einsatz gesehen hatte. Er baute 1979 auf einem Dach eines Geräteschuppens in Würenlingen (AG) die erste solche Anlage in der Schweiz, verband sie mit dem Stromnetz und sorgte damit für einen weiteren Rekord: die erste netzgekoppelte Solaranlage in Europa. Im Sommer 1986 lancierte er ein Grossprojekt zum Bau von 333 dezentralen, Solaranlagen (3 kWp-Anlagen) und fand genügend Hausbesitzer, die bereit waren für eine solche Anlage auf ihrem Dach 41'000 CHF auszugeben (Was das heute kostet und wie das geht, findet man hier).

Mit der Tour de Sol (einem Solarmobilrennen durch die Schweiz/1985 bis 1993) wurde die Werbetrommel für die Photovoltaik in der Schweiz weiter gerührt– und bereits 1992 bauten die Elektrowatt AG und die BKW auf dem Mont Soleil einen weiteren Meilenstein, eine Solaranlage mit einer Leistung von 500 kWp; es war die damals grösste Anlage in ganz Europa.

Später waren es dann vor allem politische Fördermassnahmen welche die Installation von Photovoltaik-Anlagen vorantrieben. So insbesondere die EEG- Umlage in Deutschland. Heute gehört unser Nachbarland mit China, den USA und Japan zu den vier Ländern mit am meisten installierte PV-Leistung, insgesamt sind es bereits über 4000 GWp weltweit (siehe Grafik/Stand 2017).