Die Geschichte der Photovoltaik, wie die ersten Solarmodule entstanden

Entdeckungen, Experimente und Theorien

Die Geschichte der Photovoltaik beginnt mit der Entdeckung des photoelektrischen Effekts. Die Schlussfolgerung, dass der Strom zwischen Metallelektroden, die in eine Lösung (Flüssigkeit) eingetaucht sind, mit der Intensität der Beleuchtung variiert, wurde der Französischen Akademie der Wissenschaften auf ihrer Sitzung am Montag, dem 29. Juli 1839, von Alexandre Edmond Becquerel vorgelegt. Anschließend veröffentlichte er einen Artikel.

Sein Vater, Antoine César Becquerel, wird manchmal als Entdecker bezeichnet. Dies mag daran liegen, dass Edmond Becquerel zum Zeitpunkt der Veröffentlichung erst 20 Jahre alt war und noch im Labor seines Vaters arbeitete.

Der große schottische Wissenschaftler James Clerk Maxwell war einer von vielen europäischen Wissenschaftlern, die sich für das Verhalten von Selen interessierten, worauf die wissenschaftliche Gemeinschaft erstmals in einem Artikel von Willoughby Smith aufmerksam gemacht wurde, der 1873 im Journal of the Society of Telegraph Engineers veröffentlicht wurde.

Smith, Chefelektroingenieur der Gutta Percha Company, verwendete Ende der 1860er Jahre Selenstäbe in einem Gerät, um Fehler in Transatlantikkabeln vor dem Tauchen zu erkennen. Während die Selenstäbe nachts gut funktionierten, funktionierten sie schrecklich, wenn die Sonne herauskam.

Smith vermutete, dass die besonderen Eigenschaften von Selen etwas mit der Menge des darauf einfallenden Lichts zu tun hatten, und legte die Stäbe in eine Schachtel mit Schiebedeckel. Als die Schublade geschlossen und das Licht ausgeschaltet war, war der Widerstand der Stäbe – das Ausmaß, in dem sie den Durchgang eines elektrischen Stroms durch sie behindern – maximal und blieb konstant. Doch als man den Deckel der Box abnahm, stieg ihre Leitfähigkeit sofort „entsprechend der Intensität des Lichts“.

Zu den Forschern, die nach Smiths Bericht die Wirkung von Licht auf Selen untersuchten, gehörten zwei britische Wissenschaftler, Professor William Grylls Adams und sein Schüler Richard Evans Day.

In den späten 1870er Jahren unterwarfen sie zahlreiche Experimente mit Selen, und in einem dieser Experimente zündeten sie eine Kerze neben den Selenstäben an, die Smith verwendete. Der Pfeil auf ihrem Messgerät reagiert sofort. Durch die Abschirmung des Selens vor Licht sank die Nadel sofort auf Null.

Diese schnellen Reaktionen schließen die Möglichkeit aus, dass die Hitze der Kerzenflamme einen Strom erzeugt, da Wärme zugeführt oder abgeführt wird in thermoelektrischen Experimenten, die Nadel steigt oder fällt immer langsam. „Daher“, so das Fazit der Forscher, „war klar, dass der Strom im Selen nur unter Einwirkung von Licht freigesetzt werden konnte.“ Adams und Day nannten den durch das Licht erzeugten Strom „Photovoltaik“.

Im Gegensatz zum von Becquerel beobachteten photoelektrischen Effekt, bei dem sich der Strom in einer elektrischen Zelle unter Einwirkung von Licht änderte, wurde in diesem Fall die elektrische Spannung (und der Strom) ohne Einwirkung eines externen elektrischen Feldes nur unter Einwirkung von Licht erzeugt.

Adams und Day erstellten sogar ein Modell einer konzentrierten Photovoltaikanlage, das sie vielen prominenten Leuten in England vorstellten, es jedoch nicht in die Praxis umsetzten.

Ein weiterer Schöpfer Photovoltaik-Zellen Basierend auf Selen war der amerikanische Erfinder Charles Fritts im Jahr 1883.

Er breitete eine breite, dünne Schicht Selen auf einer Metallplatte aus und bedeckte sie mit einem dünnen, durchscheinenden Film aus Blattgold. Dieses Modul aus Selen, sagte Fritz, erzeugte einen Strom „kontinuierlich, gleichmäßig und von beträchtlicher Stärke … nicht nur in …“. Sonnenlicht, aber auch bei schwachem, diffusem Tageslicht und sogar Lampenlicht.

Doch der Wirkungsgrad seiner Photovoltaikzellen lag unter 1 %. Er glaubte jedoch, dass sie mit den Kohlekraftwerken von Edison konkurrieren könnten.

Die vergoldeten Selen-Solarmodule von Charles Fritts auf einem Dach in New York City im Jahr 1884.

Fritz schickte eines seiner Solarmodule an Werner von Siemens, dessen Ruf dem Edisons ebenbürtig war.

Siemens war von der elektrischen Leistung der Panels im eingeschalteten Zustand so beeindruckt, dass ein berühmter deutscher Wissenschaftler das Fritts-Panel der Königlichen Akademie in Preußen schenkte. Siemens teilte der wissenschaftlichen Welt mit, dass die amerikanischen Module „uns erstmals die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie präsentierten“.

Nur wenige Wissenschaftler sind dem Aufruf von Siemens gefolgt. Die Entdeckung schien allem zu widersprechen, was die Wissenschaft damals glaubte.

Die Selenstäbe, die in den „magischen“ Panels von Adams, Day und Frith verwendet wurden, beruhten nicht auf der Physik bekannten Methoden zur Energieerzeugung. Daher schloss die Mehrheit sie aus der weiteren wissenschaftlichen Forschung aus.

Das physikalische Prinzip des photoelektrischen Phänomens wurde von Albert Einstein in seiner Arbeit über das elektromagnetische Feld von 1905 theoretisch beschrieben und auf das elektromagnetische Feld angewendet, das um die Jahrhundertwende von Max Karl Ernst Ludwig Planck veröffentlicht wurde.

Einsteins Erklärung zeigt, dass die Energie eines freigesetzten Elektrons nur von der Frequenz der Strahlung (Photonenenergie) und die Anzahl der Elektronen von der Intensität der Strahlung (Anzahl der Photonen) abhängt. Für seine Arbeit bei der Entwicklung der theoretischen Physik, insbesondere der Entdeckung der Gesetze des photoelektrischen Effekts, wurde Einstein 1921 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Einsteins kühne neue Beschreibung des Lichts, kombiniert mit der Entdeckung des Elektrons und dem darauffolgenden Drang, sein Verhalten zu untersuchen – alles im frühen 19. Jahrhundert – verschaffte der Photoelektrizität eine wissenschaftliche Grundlage, die ihr zuvor gefehlt hatte und die das Phänomen nun in Begriffen erklären konnte für die Wissenschaft verständlich.

In Materialien wie Selen tragen die stärkeren Photonen genug Energie, um lose gebundene Elektronen aus ihren Atombahnen zu stoßen. Wenn die Drähte an den Selenstäben befestigt werden, fließen die freigesetzten Elektronen als Elektrizität durch sie hindurch.

Experimentatoren des 19. Jahrhunderts nannten den Prozess photovoltaisch, doch in den 1920er Jahren nannten Wissenschaftler das Phänomen den photoelektrischen Effekt.

In seinem 1919 erschienenen Buch über SolarzellenThomas Benson lobte die Arbeit der Pioniere mit Selen als Vorläufer des „unvermeidlichen Solargenerators“.

Da jedoch keine Entdeckungen in Sicht waren, konnte der Leiter der Photovoltaik-Abteilung von Westinghouse nur zu dem Schluss kommen: „Photovoltaikzellen werden für praktische Ingenieure erst dann von Interesse sein, wenn sie mindestens fünfzigmal effizienter sind.“

Die Autoren von Photovoltaics and Its Applications stimmten der pessimistischen Prognose zu und schrieben 1949: „Es muss der Zukunft überlassen bleiben, ob die Entdeckung wesentlich effizienterer Zellen die Möglichkeit eröffnen wird, Sonnenenergie für nützliche Zwecke zu nutzen.“

Mechanismen photovoltaischer Effekte: Photovoltaischer Effekt und seine Varianten

Photovoltaik in der Praxis

Im Jahr 1940 schuf Russell Shoemaker Ole versehentlich PN-Übergang auf Silizium und stellte fest, dass es bei Beleuchtung Strom erzeugte. Er ließ seine Entdeckung patentieren. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 1 %.

Die moderne Form von Solarzellen wurde 1954 in den Bell Laboratories geboren. In Versuchen mit dotiertem Silizium wurde dessen hohe Lichtempfindlichkeit nachgewiesen. Das Ergebnis war eine Photovoltaikzelle mit einem Wirkungsgrad von etwa sechs Prozent.

Stolze Führungskräfte von Bell stellen am 25. April 1954 das Bell Solar Panel vor, das aus einer Reihe von Zellen besteht, die ausschließlich auf Lichtenergie basieren, um das Riesenrad anzutreiben. Am nächsten Tag starteten Bell-Wissenschaftler einen solarbetriebenen Radiosender, der Sprache und Musik an die führenden Wissenschaftler Amerikas sendete, die sich zu einem Treffen in Washington versammelt hatten.

Die ersten Photovoltaik-Solarzellen wurden Anfang der 1950er Jahre entwickelt.

Der Elektriker von Southern Bell montiert 1955 ein Solarpanel.

Photovoltaikzellen werden seit den späten 1950er Jahren als Stromquelle für den Betrieb verschiedener Geräte auf Weltraumsatelliten eingesetzt. Der erste Satellit mit Fotozellen war der amerikanische Satellit Vanguard I (Avangard I), der am 17. März 1958 in die Umlaufbahn gebracht wurde.

Amerikanischer Satellit Vanguard I, 1958.

Der Satellit Vanguard I befindet sich noch im Orbit. Es verbrachte mehr als 60 Jahre im Weltraum (gilt als das älteste von Menschenhand geschaffene Objekt im Weltraum).

Vanguard I war der erste solarbetriebene Satellit und seine Solarzellen versorgten den Satelliten sieben Jahre lang mit Strom. Im Jahr 1964 hörte es auf, Signale zur Erde zu senden, aber seitdem nutzen Forscher es immer noch, um Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie sich die Sonne, der Mond und die Erdatmosphäre auf umlaufende Satelliten auswirken.

Amerikanischer Satellit Explorer 6 mit erhöhten Sonnenkollektoren, 1959.

Mit wenigen Ausnahmen ist es die Hauptstromquelle für Geräte, von denen eine lange Betriebsdauer erwartet wird. Die Gesamtkapazität der Photovoltaikmodule auf der Internationalen Raumstation (ISS) beträgt 110 kWh.

Sonnenkollektoren im Weltraum

Die Preise für die ersten Photovoltaikzellen lagen in den 1950er Jahren bei Tausenden von Dollar pro Watt Nennleistung, und der Energieverbrauch für ihre Herstellung überstieg die Strommenge, die diese Zellen im Laufe ihrer Lebensdauer produzierten.

Der Grund lag neben der geringen Effizienz darin, dass bei der Herstellung von Photovoltaikzellen praktisch die gleichen technologischen und energieintensiven Verfahren zum Einsatz kamen wie bei der Herstellung von Mikrochips.

Unter terrestrischen Bedingungen wurden Photovoltaikmodule zunächst zur Stromversorgung kleiner Geräte an abgelegenen Orten oder beispielsweise auf Bojen eingesetzt, wo es äußerst schwierig oder unmöglich wäre, sie an das Stromnetz anzuschließen. Der Hauptvorteil von Photovoltaikmodulen gegenüber anderen Stromquellen besteht darin, dass sie keinen Kraftstoff und keine Wartung benötigen.

Die ersten serienmäßig hergestellten Photovoltaikmodule kamen 1979 auf den Markt.

Das zunehmende Interesse an Photovoltaik als Energiequelle auf der Erde sowie an anderen erneuerbaren Quellen wurde durch die Ölkrise der 1970er Jahre angeheizt.

Seitdem wurde intensive Forschung und Entwicklung betrieben, die zu einer höheren Effizienz, niedrigeren Preisen und einer längeren Lebensdauer von Photovoltaikzellen und -modulen führte. Gleichzeitig ist die Energieintensität der Produktion so weit gesunken, dass das Panel ein Vielfaches mehr Energie erzeugt, als zu seiner Herstellung aufgewendet wurde.

Die ältesten (noch genutzten) großen Küstenanlagen stammen aus den frühen 1980er Jahren. Zu dieser Zeit dominierten noch vollständig kristalline Siliziumzellen, deren Lebensdauer unter realen Bedingungen von mindestens 30 Jahren bestätigt wurde.

Aufgrund der Erfahrung garantieren die Hersteller, dass die Leistung des Panels nach 25 Jahren um maximal 20 % abnimmt (die Ergebnisse der genannten Installationen sind jedoch viel besser). Für andere Paneltypen wird die Lebensdauer anhand beschleunigter Tests geschätzt.

Neben den ursprünglichen monokristallinen Siliziumzellen wurden im Laufe der Jahre eine Reihe neuer Arten von Photovoltaikzellen entwickelt. sowohl kristallin als auch dünnschichtig… Dennoch ist Silizium immer noch das dominierende Material in der Photovoltaik.

Die Photovoltaik-Technologie erlebte seit 2008 einen großen Boom, als die Preise für kristallines Silizium rapide zu sinken begannen, was vor allem auf die Verlagerung der Produktion nach China zurückzuführen war, das zuvor eine Minderheit auf dem Markt war (der Großteil der Photovoltaik-Produktion war in Japan konzentriert). USA, Spanien und Deutschland).

Die Verbreitung der Photovoltaik erfolgte erst mit der Einführung verschiedener Unterstützungssysteme. Das erste war das Subventionsprogramm in Japan und dann das Kaufpreissystem in Deutschland. Anschließend wurden ähnliche Systeme in einer Reihe anderer Länder eingeführt.

Photovoltaik ist heute die am weitesten verbreitete erneuerbare Energiequelle und zudem eine sehr schnell wachsende Branche. Es wird häufig auf Gebäudedächern sowie auf Grundstücken installiert, die nicht für landwirtschaftliche Arbeiten genutzt werden können.

Zu den neuesten Trends gehören auch Wasserinstallationen in Form von schwimmende Photovoltaikanlagen und Agro-Photovoltaikanlagen, die Photovoltaikanlagen mit der landwirtschaftlichen Produktion kombinieren.