Entwicklung der Photovoltaik: Die Geschichte der Solarenergie

Photovoltaik bezeichnet die Umwandlung von Lichtenergie – meistens von Sonnenenergie – in elektrische Energie, also in Strom. Heutzutage geschieht dies mithilfe von Solarmodulen auf Freiflächen und auf Dächern. Solarenergie ist nachhaltig, klimaschonend und macht unabhängig von steigenden Strompreisen. Aus diesen Gründen statten immer mehr Privathaushalte ihre Dächer mit einer eigenen Photovoltaikanlage aus.

Doch die Idee, die Sonne als Energielieferantin zu nutzen, ist alt. In diesem Artikel bieten wir Ihnen einen geschichtlichen Überblick über die Entwicklung der Photovoltaik.

Seit wann gibt es Solarenergie?

Bereits im Altertum wurde die Energie der Sonne als Wärmequelle genutzt. Entscheidend für die Entwicklung der Photovoltaik ist jedoch die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Diese nahm ihren Anfang mit einer interessanten Beobachtung: Bereits im Jahr 1839 entdeckte der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel den sogenannten "photoelektrischen Effekt" – und damit die Grundlage der heutigen Photovoltaik.

Der Entdecker der Photovoltaik: Alexandre Edmond Becquerel

Alexandre Edmond Becquerel war erst 19 Jahre alt, als er den photoelektrischen Effekt oder kurz Photoeffekt eher zufällig entdeckte. Er experimentierte mit elektrolytischen Zellen mit einer Anode und Kathode aus Platin und maß den zwischen den Elektroden fließenden Strom. Hierbei stellte er fest, dass der Strom stärker floss, wenn er seine Vorrichtung mit Licht bestrahlte. Physikalisch erklären konnte er sich diesen Effekt noch nicht – das tat später niemand Geringeres als Albert Einstein, der im Jahr 1921 für seine Lichtquantentheorie sogar den Nobelpreis für Physik erhielt.

Trotzdem legte Alexandre Edmond Becquerel durch seine zufällige Entdeckung des photoelektrischen Effekts den Grundstein für die Photovoltaik und der Solarzelle, wie wir sie heute kennen. Generell wird zwischen dem inneren und dem äußeren Photoeffekt unterschieden. Photonen (also Licht) treffen auf eine Oberfläche – zum Beispiel ein Metall – und lösen Elektronen aus den Atomen dieses Materials heraus. Es fließt Strom. Während die herausgelösten Elektronen beim äußeren Photoeffekt das Material verlassen, findet der innere Photoeffekt hauptsächlich in Halbleitern statt. Halbleiter sind Festkörper, deren Leitfähigkeit für elektrischen Strom sich unter bestimmten Umständen verändert – zum Beispiel durch die Zufuhr von Energie, wie Wärme oder Licht.

Silizium und Selen – Meilensteine in der Entwicklung der Photovoltaik

Becquerels Entdeckung hat jahrzehntelange weitere Forschungen ausgelöst, die die Entwicklung der Photovoltaik beeinflusst haben. Vor allem wollten Wissenschaftler:innen herausfinden, welche Materialien bei Belichtung ihren elektrischen Widerstand veränderten, also wo der photoelektrischer Effekt zu beobachten war.

Der britische Physiker William Grylls Adams entdeckte bereits im Jahr 1876 die direkte Umwandlung von Licht in Elektrizität in Selen. Zwar wiesen die Selen-Zellen nur einen geringen Widerstand von etwa 2 % auf. Dennoch lieferte Adams mit seinem Nachweis, dass ein fester Stoff mit Hilfe von Solarenergie elektrische Energie produzieren kann, einen wichtigen Meilenstein der Entwicklung der Photovoltaik. Nur wenige Jahre später, im Jahr 1883, baute der Erfinder Charles Fritts aus New York die erste Solarzelle auf Basis von Selen, die allerdings noch wenig effektiv war: Fritts Proto-Solarzellen hatten einen Wirkungsgrad von 1 bis 2 %.

Die ersten Silizium-Solarzellen wurden Mitte des 20. Jahrhunderts entwickelt. Im Jahr 1954 experimentierten Forschende der Bell Labs in den USA mit Silizium-Proben. Wie bereits bei Becquerel, kam Ihnen auch der Zufall zu Hilfe: Eine der Proben hatten einen Riss und den Forscher:innen fiel auf, dass Strom floss, sobald die Probe Lichteinfall ausgesetzt war.

Wer hat die erste Solarzelle erfunden?

Auf Basis dieser Entdeckungen wurden die ersten Silizium-Solarzellen entwickelt. Diese wiesen bereits einen Wirkungsgrad von 6 % auf. Hiermit waren die Voraussetzungen für eine industrielle Herstellung von Solarzellen geschaffen. Als Erfinder gelten hier der US-amerikanische Physiker Gerald Pearson sowie der Chemiker Calvin Souther Fuller.

Vor allem für die Raumfahrt war Solarenergie von Bedeutung, denn Satelliten im All galt es mit Strom zu versorgen. Und so wurde im Jahr 1958 mit Vanguard I der erste mit Solarzellen ausgestattete Satellit in Betrieb genommen.

Solarenergie erwies sich als die ideale Stromversorgung für Satelliten und Raumsonden, denn Solarzellen waren aufgrund ihrer langen Nutzungsdauer Batterien weit überlegen. Noch heute werden die meisten Raumflugkörper mit Solarzellen ausgestattet, um sie mit Energie zu versorgen.

Entwicklung ab 1980: Photovoltaik auf dem Vormarsch

Aus dem All fand die Entwicklung der Photovoltaik wieder ihren Weg zurück auf die Erde. Nicht zuletzt aufgrund der Ölkrise in den 1970er-Jahren und nuklearer Unfälle wie in Tschernobyl im Jahr 1986 suchte die Menschheit nach Alternativen zu bisherigen Stromerzeugungs-Technologien und nach nachhaltigen Energiequellen zur zivilen Nutzung.

Solarenergie zum Betreiben von Ölbohrinseln

Ab Anfang der 1970er-Jahre wurden Solarzellen zur Stromerzeugung auf unbemannten Bohrinseln sowie für Signal- und Meldeanlagen in abgelegenen Gegenden eingesetzt. Sie entpuppten sich auch hier als eine effiziente Möglichkeit, Batterien zu ersetzen. Diese mussten zuvor mit großem finanziellem und personellem Aufwand ausgetauscht werden, was sich durch den Einsatz von Solarzellen erübrigte.

Die Sonne scheint auch in abgelegene Winkel und Nischen – und somit entwickelte sich die Versorgung unbemannter Bohrinseln zum ersten Massenmarkt in der Entwicklung der Photovoltaik. Noch heute werden Förderplattformen durch Solarmodule mit Energie versorgt.

Solarzellen für die private Nutzung

Ihren ersten großen Boom erlebte die Solarenergie in den 1980er-Jahren, als Solaranlagen günstiger wurden und Solarenergie für die Allgemeinheit attraktiver wurde. Die Technologie wurde rasant weiterentwickelt und es ergaben sich immer neue Anwendungsmöglichkeiten für Solarmodule. Das führte in den 1990-er Jahren zu den ersten privaten Photovoltaikanlagen in Deutschland.

Den absoluten Durchbruch nahm die Entwicklung mit dem 1000-Dächer-Programm der Bundesregierung zwischen 1990 und 1992. Im Zuge dieses flächendeckenden Subventionierungsprogramms wurden zahlreiche private Ein- und Zweifamilienhäuser mit Photovoltaikanlagen ausgestattet.

Bereits im Jahr 1999 folgte das 100.000-Dächer-Programm als Teil des Enerneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG). Spätestens seit diesem Punkt ist die Entwicklung der Photovoltaik in Deutschland nicht mehr aufzuhalten.

Photovoltaik heute

Photovoltaik ist heute nicht nur in Deutschland ein flächendeckendes Phänomen. Die Abkehr vom fossil-nuklearen Energiesystem hin zu nachhaltigen, erneuerbaren Energien wird immer wichtiger. Das Ziel der Energiewende in Deutschland ist es, den Anteil erneuerbarer Energien am Stromverbrauch bis zum Jahr 2050 auf 80 % zu steigern.

Zeitleiste: Geschichte der Sonnenenergie von der Antike bis in die Neuzeit

Die Nutzung der Sonnenenergie hat nicht erst mit der Erfindung der Solarzelle begonnen: Schon im Altertum wurde die Sonne als Licht- und Wärmequelle genutzt.

• 2500 v. Chr.: Bereits die alten Ägypter leiteten das Sonnenlicht mit Hilfe von Spiegeln ins Innere der Pyramiden, damit sie im Dunkeln etwas sehen konnten.
• 640 v. Chr.: Unter Einsatz geschliffener Linsen wurde im 7. vorchristlichen Jahrhundert in Assyrien die Sonne zum Feuermachen genutzt. Dieses Prinzip kennt man noch heute als Brennglas.
• 400 v. Chr.: Die erste energiesparende Stadt bauten die alten Griechen rund 400 v. Chr. Sie hieß Olynthus und lag auf der griechischen Halbinsel Chalkidiki. Hier wurden die Häuser so an den Südhängen errichtet, dass kein Gebäude im Schatten eines anderen stand. Außerdem speicherten die Griechen die Sonnenenergie, indem sie Steine oder Schlacken als Wärmequelle nutzten. Im Grunde genommen kann man hier von einer Vorläuferin der solarbetriebenen Nachtspeicherheizung sprechen.
• 287 bis 212 v. Chr.: Über den Wahrheitsgehalt dieser Geschichte ist man sich nicht einig, aber Archimedes (287 bis 212 v. Chr.) soll mit Hilfe von Bronzespiegeln und Sonnenlicht die römische Flotte in Brand gesetzt haben. Nicht nur die Griechen verwendeten Brennspiegel, z.B. um die Olympische Flagge zu entzünden. Auch Chinesen, Römer und Inka setzten dieses Geschick ein. Die Araber nutzten Brennspiegel sogar, um Wasser zu destillieren.
• 20 v. Chr. Die Römer bauten Häuser ähnlich unsere heutigen Wintergärten. Der sogenannte Sonnenofen (Heliocaminus) machte sich die Energie geschickt zu eigen, in dem große, verglaste Fenster viel Sonnenlicht ins Innere ließen. Laut Archäolog:innen diente der Heliocaminus als Sauna.
• 1767: Der Schweizer Naturforscher de Saussure entdeckte, dass ein Beet stärker von der Sonne erwärmt wird, wenn Strahlen durch eine Verglasung scheinen. Daraus resultierend entwickelte er eine „Hitzekiste“ und machte sich den photoelektrischen Effekt zu Nutze.

Die Entwicklung der Photovoltaik nahm ihren ersten großen Schritt mit der Entdeckung des photoelektrischen Effekts durch Alexandre Edmond Becquerel im 19. Jahrhundert. Bis zum heutigen Tag wird ihm zu Ehren der Becquerel-Preis für herausragende Leistungen auf dem Gebiet der Photovoltaik verliehen.

Fazit: Photovoltaik wird sich auch in Zukunft weiterentwickeln

Die Menschheit hat sich die Kraft der Sonne schon immer zunutze gemacht – zunächst einmal für Wärme und Licht, später für die Erzeugung elektrischen Stroms. Nach der Entdeckung Becquerels ist die Photovoltaik immer fortschrittlicher geworden. Längst sind Solarzellen effizient für die Stromerzeugung nutzbar – und die Entwicklung ist noch lange nicht abgeschlossen. Mit Blick auf die Zukunft wird die Innovation im Bereich erneuerbare Energien eher zunehmen als nachlassen. SENEC möchte hierzu seinen Beitrag leisten.