Die weltweite Entwicklung der Photovoltaik über fast 200 Jahre

Photovoltaik Geschichte
1.1 Entwicklung der Photovoltaik zusammengefasst
1.2 Geschichte der Photovoltaik
1.3 Zukunft der Photovoltaik
1.4 Unterschiede bei Solarmodulen
2.1 Organische Halbleiterwerkstoffe
2.2 Anorganische Halbleiterwerkstoffe
2 .3 Farbstoffsolarzellen

1.1 Entwicklung der Photovoltaik zusammengefasst:

Die Entwicklung der Photovoltaik verläuft über die Meilensteine

  • Entdeckung des Photoeffekts,
  • Entwicklung der ersten Solarzelle mit Arsen, später mit Silicium und weiteren Halbleitermaterialien,
  • Entstehung leistungsfähiger Solarzellen und Solarmodule, die durch Reihenschaltungund Kapselung der Solarzellen entstehen (Link zu: Die Reihenschaltung bei Dünnschichtmodulen geschieht bereits im Prozess der Zellfertigung; bei kristallinen Modulen erfolgt die Reihenschaltung durch Auflöten von Verbindern auf die fertige Solarzelle.),
  • Optimierung der Solarzellen bzw. Solarmodule durch unterschiedlichste Halbleitermaterialien bzw. deren Kombinationen sowie durch weitere Werk- und Farbstoffe,
  • Kontinuierliche Weiterentwicklung der Wirkungsgrade und Lebensdauer sowie Entwicklung neuer Oberflächen und Techniken bzw. Verfahren.

1.2 Geschichte der Photovoltaik

Die Geschichte der Photovoltaik oder auch die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von Energie begann bereits im Jahr 1839 mit Bequerel, der den Photoeffekt entdeckte. Auf dem so genannten Photoeffekt – der die Freisetzung positiver und negativer Ladungsträger und somit Strom zwischen zwei Elektroden durch Lichteinstrahlung nachweist – basieren spätere Entwicklungen im Bereich der Photovoltaik. Es wurden photoleitfähige Materialien wie Kupfer getestet, später auch „klassische“ Photozellen aus Selen hergestellt. Anfang des 19. Jh. lieferte Lenard die Entdeckung, dass Lichtstrahlen Elektronen aus deren Oberfläche herauslösen, wenn sie auf bestimmte Metalle treffen. Dies waren die Anfänge der Photovoltaik. Den Durchbruch schaffte kurz darauf Einstein. Er stellte Zusammenhänge zwischen Licht und Teilchen fest und dass die Energie jedes Lichtteilchens (Photons) von der Wellenlänge (oder der Frequenz) des Lichts abhängt. Für diese Erkenntnisse erhielt er den Nobelpreis für Physik. Weitere Entdeckungen, z.B. die des Kristallgleichrichters im Jahre 1947 und dass Gleichrichter mehr Strom liefern, wenn sie der Sonne ausgesetzt sind, waren große Schritte zur ersten, mit Arsen ausgestatteten Solarzelle, die einen Wirkungsgrad von ca. 4 Prozent besaß. Mit der späteren Verwendung von reinem Silicium, durch weiterhin verbesserte Ausstattungsmöglichkeiten, durch die Reflexion der Minoritätsladungsträger und durch die Reduzierung des Reflexionsvermögens wurde der Wirkungsgrad bis zum Jahr 1975 auf 16 Prozent verbessert. Parallel dazu konnte auch die Lebensdauer der Solarzellen beträchtlich erhöht werden. Die Vervierfachung des Ölpreises Anfang der Siebziger löste in den USA ein Forschungsprogramm für regenerative Energien aus. Die Schaffung von Akzeptanz gegenüber Solarzellen bzw. Photovoltaik seitens der Bevölkerung erfolgte systematisch, durch unterschiedliche Aktionen. So zum Beispiel Anfang der 1980er durch ein großes Rennen mit Solarmobilen oder der Überquerung des Ärmelkanals mit einem Solarkraft angetriebenen Flugzeug. Dünnschichtmodule wurden in Taschenrechnern, Uhren und weiteren Kleingeräten standardisiert verbaut. Die ökologisch verträgliche Form der Energiegewinnung mit Solartechnik wurde weltweit bekannt und gewann auch in der Bevölkerung Akzeptanz und Vertrauen. 1990 erreichte die Umweltbewegung Deutschland. Deutschland wurde im Bereich Solartechnik aktiv und förderte Photovoltaikanlagen z.B. mit dem 1.000-Dächer-Programm. Die Förderung und Aufklärung wurde jedoch nicht ganzheitlich und systematisch betrieben bzw. weitergeführt, so dass viele kleinere Betriebe aufgeben mussten. Erst im Jahr 1999 wurde mit dem 100.000-Dächer-Programm der Ansatz regenerativer Energien bzw. der Nutzung von Sonnenstrahlung über Solarzellen wieder aufgenommen. Es entstand ein florierender Wirtschaftssektor mit solarbasierten Systemen – von der Weiterentwicklung von Solarmodulen, über deren Herstellung und Montage bis zum Monitoring und der Instandhaltung. 2007 lösten Dünnschichtmodule einen Preissturz für Solarmodule aus. Seit 2012 dominieren mit einem sehr guten Preis-Leistungs-Verhältnis chinesische und japanische Module den Markt. In Deutschland wurde geforscht. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE sprach 2013 von einem Rekordwirkungsgrad von 44,7 Prozent bei einer 297-fachen Konzentration des Sonnenlichts (siehe Presseinformation vom 23. September 2013). 2014 bauten Chinesen und Japaner zusammen fast die Hälfte der weltweit neuen Photovoltaikleistung auf. Ein Viertel der Neuinstallationen entfiel auf die USA, Großbritannien und Deutschland. Ein weiteres Viertel verteilte sich auf die Märkte im Nahen Osten, wie Indien und Südostasien. Der gegenwärtige Wirkungsgrad von Silicium-Solarzellen liegt bei ca. 29 Prozent, bei Gallium-Arsenid-Zellen knapp 30 Prozent.

1.3 Zukunft der Photovoltaik

Die weltweit installierte Photovoltaikleistung wird bis 2019 geschätzte 500 Gigawatt erreichen. Somit liegt die geplante / prognostizierte Leistung aller Sonnengeneratoren um 177 Prozent über dem Stand von 2014 mit ca. 282 Gigawatt (Quelle: IHS Technology; Fachzeitschrift photovoltaik). Der weltweite Absatz von Solaranlagen soll 75 Gigawatt erreichen – 66 Prozent mehr als 2014. Analysten gehen davon aus, dass die Preise für normale kristalline Siliziummodule in den nächsten 5 Jahren (bis 2019) um 27 Prozent sinken. Dann soll ein solches Modul 0,45 Dollar pro Watt Leistung kosten. Laut dieser Prognosen sollten dann Siliziummodule für einen großen Teil der Bevölkerung sowie der Wirtschaft Solarmodule erschwinglich werden, was zukünftig ein Auskommen ohne Förderungen oder Einspeisevergütungen bedeuten könnte.

1.4 Unterschiede bei Solarmodulen

Solarmodule bestehen – je nach Hersteller – aus unterschiedlichsten Materialien. Das gegenwärtig verfügbarste und mit über 95 Prozent weltweit verwendete Material ist Silicium. Unsere Erde besteht etwa zu 15 (Gewichts-)Prozent aus Silicium. Der Erdmantel bzw. die Erdkruste bestehen sogar zu knapp 26  Prozent aus Silicium. Somit ist Silicium das zweithäufigste chemische Element auf unserer Erde. Weitere Halbleiterwerkstoffe, wie Cadmiumtellurid oder Galliumarsenid und auch sogenannte Tandem-Solarzellen, die aus Schichten unterschiedlicher Halbleiterwerkstoffe bestehen, kommen ebenfalls zum Einsatz. Durch unterschiedliche Materialien unterscheiden sich Solarmodule auch hinsichtlich ihrer Strukturen. Möglich sind regelmäßig strukturierte Materialien (Kristalle, teilweise mit mikrokristalliner Struktur) oder Materialien ohne geordnete Strukturen – so genanntes amorphes Material. Bei den Kristallen unterscheidet man Monokristalle mit einheitlich homogenen Kristallgittern und Polykristalle. Zur Herstellung einer Solarzelle wird das Halbleitermaterial „dotiert“. Das geschieht mit  unterschiedlichen Verfahren. Durch die unterschiedlichen Materialien/Strukturen und Herstellungsverfahren haben Solarmodule unterschiedlichste Eigenschaften (Wirkungsgrad, Lebensdauer, Wartungs- und Reinigungsaufwand). Die Einordnung der Solarmodule kann zum Beispiel erfolgen:

  1. anhand ihrer Materialdicke in Dickschichtzellen und Dünnschichtzellen – als gängigste Einordnung bzw. Klassifizierung von Modulen – oder
  2. anhand des verwendeten Halbleitermaterialsbzw. Halbleiterwerkstoffs, wie:

2.1 Organische Halbleiterwerkstoffe

…die sich gegenüber herkömmlichen Siliciumsolarzellen z.B. durch geringe Herstellungskosten, hohe Stromausbeuten, Flexibilität, Transparenz, einfache Handhabung, hohe Umweltverträglichkeit (Kunststoffe auf Kohlenstoffbasis) auszeichnen (Link zu: Die organische Chemie bietet Werkstoffe, die teilweise auch eine kostengünstige Solarzellenfertigung erlauben. Nachteile sind derzeit noch der geringe Wirkungsgrad von max. 12 Prozent und die verhältnismäßig kurze Lebensdauer der Solarzellen.)

2.2 Anorganische Halbleiterwerkstoffe

…(wie Silicium) (Link zu: Über 95 Prozent weltweit produzierter Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si).  Silicium-Zellen gibt es als Dickschicht und Dünnschichtzellen. Dickschichtzellen sind Monokristalline Siliciumzellen. Sie weisen einen Wirkungsgrad von über 20 Prozent auf. Poly- oder Multikristalline Zellen weisen einen Wirkungsgrad von 16-18 Prozent auf und besitzen relativ kurze Energierücklaufzeiten. Sie sind die verbreitetsten Zellen. Die etwas geringere Leistung entsteht aus dem Verzicht auf das energie- und zeitaufwändige Rekristallisieren eines Einkristalls. Silicium- Dünnschichtzellen bestehen aus Amorphen und Kristallinen Silicium. Die Wirkungsgrade liegen zwischen 5 und 7 Prozent bzw. 15 Prozent.)

2.3 Farbstoffsolarzellen

…die aus organischen Farbstoffen bestehen und (Link zu: Farbstoffsolarzellen nutzen zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie organische Farbstoffe, ähnlich wie bei der Photosynthese.) 2.4 Anorganisch-organische Hybride, die organische und anorganische Bestandteile enthalten. Dieser Artikel dient zur grundsätzlichen Information und besitzt keine Vollständigkeit.