Die Geschichte der Solarzelle
 

 

Geschichtliche Betrachtung von 1839 bis Heute

Die Energiemenge die von der Sonne auf die Erde gelangt ist schätzungsweise 30000 mal höher als die gegenwärtig von der Menschheit produzierte Energie.

Das man sich diese Energie aktiv zunutze machen kann wußten schon die alten Griechen, angeblich bündelten sie mittels Spiegeln das Sonnenlicht bei der Belagerung von Syracus im Jahre 212 v.C. und richteten die gebündelten Sonnenstrahlen gegen die römische Flotte, deren Segel darauf zu brennen anfingen.

Die Griechen nutzen aber auch die Sonnenenergie zu friedlichen Zwecken wie zum Entfachen der olympischen Flamme im Tempel zu Delphie.

Die Nutzung der Sonne zur Gewinnung von elektrische Energie kann man grob in das Jahr 1839 datieren.
Der Franzose Antoine Becquerel stellte fest, dass eine Batterie, wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzt, eine höhere Leistung hat als ohne Sonnenlicht. Später wies man nach, das auch andere Materialien wie Kupfer photoleitfähig sind.

Die Photoleitfähigkeit wurde bei Selen 1873 nachgewiesen. Zehn Jahre später wurde die erste ,,klassische" Photozelle aus Selen gefertigt. Wiederum zehn Jahre später, 1893, wurde die erste Solarzelle zur Erzeugung von Elektrizität gebaut.

1904 entdeckt der deutsche Physiker Philipp Lenard, dass Lichtstrahlen beim Auftreffen auf bestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberfläche herauslösen und lieferte damit die ersten Erklärungen für den Effekt der Photovoltaik.
Ein Jahr später erhält er den Nobelpreis für Physik für die Erforschung des Durchganges von Kathodenstrahlen durch Materie und für seine Elektronentheorie.

Ein wieder sehr entscheidender Schritt hin zur Solarzelle ereignete sich 1949. W. Shockley entdeckt den Effekt des Kristallgleichrichters (pn-Übergang/Sperrschicht).

Somit waren von diesem Zeitpunkt an auch die praktischen Voraussetzungen zur Fertigung von Solarzellen geschaffen. Doch der Anstoß zur Konstruktion der ersten wirtschaftlichen Solarzelle aus Silizium entstand durch einen Zufall.
Anfang der Fünfziger machten Wissenschaftler der ,,Bell- Telephone- Laboratorien" in New Jersey eine überraschende Beobachtung: Gleichrichter, die mit Hilfe von Silizium (damals ein neues Material in der E-Technik) arbeiteten, lieferten mehr Strom wenn sie im Sonnenlicht standen als wenn sie abgedeckt waren.
Morton Price war der Teamleiter bei Bell und fand die Ursache heraus.
Bei Bell erkannte man schnell den Nutzen dieser Entdeckung zur Versorgung des Telefonnetzes von ländlichen Regionen mit Strom, was bis dahin noch mit Batterien geschah.

Die Firma Bell, genauer die Herren Chapin, Fuller und Pearson, entwickelte 1953 so die ersten Solarzellen aus Silizium welche mit Arsen dotiert waren und einen Wirkungsgrad von etwa 4 % besaß. Durch Wahl einer anderen Dotierung konnte der Wirkungsgrad auf etwa 6 % erhöht werden.

Die Raumfahrt erkannte sehr schnell den Nutzen der Solartechnik und rüstete 1958 den ersten Satelliten mit Solarzellen aus. Vanguard I startete am 17. März 1958, er besaß ein Solarpaneel, welches mit 108 Si-Solarzellen ausgestattet war. Diese dienten nur als Ladestation der Akkus und nicht zur direkten Stromversorgung. Dabei wurde errechnet, dass die Zellen einen Wirkungsgrad von 10,5 % besaßen.

Somit arbeiteten die Solarzellen besser als erwartet.
Die Techniker dachten, die Solarzellen würden die Batterien nicht in diesem Ausmaß unterstützen und schneller kaputt gehen, so das man diesen Satelliten nicht mit einem ,,Ausschalter" versehen hatte. Dieses hatte zur Folge, daß der Satellit noch fünf Jahre später munter Signale sendete und nicht ans Aufhören dachte. Nach acht Jahren ging der Satellit an Strahlenschäden kaputt.

Kurz darauf entstand die CdS-Cu2S-Solarzelle, die bis Anfang der 90ziger noch in Satelliten eingesetzt wurden. Heutige Satelliten sind zum Vergleich mit Vanguard I mit rund 40000 Solarzellen ausgestattet.

Im Weltraum steht der natürlichen Sonnenstrahlung im Vergleich zur Erdoberfläche nichts entgegen, keine Tag-Nacht- Rhythmen, keine Wolkendecken und keine mehr oder weniger saubere Atmosphäre die das Sonnenlicht behindert.

Seit 1958 hat sich in der Solarzellen-Entwicklung einiges getan. Durch die Verwendung reineres Siliziums und besserer Dotierungsmöglichkeiten wurde der Wirkungsgrad gesteigert und die Lebensdauer erhöht.

Mandelkorn und Lamneck verbesserten die Lebensdauer der Zellen 1972 durch eine Reflexion der Minoritätsladungsträger in dem sie ein sogenanntes black surfaces field (BSF) in die p-leitende Schicht einbrachten.
1973 stellten Lindmayer und Ellison die sog. violette Zelle vor, die bereits einen Wirkungsgrad von 14 % besaß.
Durch das Reduzieren des Reflexionsvermögens 1975 wurde der Wirkungsgrad auf 16 % gesteigert.
Diese Zellen heißen CNR - Solarzellen (Comsat Non Reflection; Comsat = Telefonsatellit ) und wurden für Satelliten entwickelt.

Inzwischen sind von Green, sowie an der Stanford Universität und bei Telefunken Solarzellen mit Wirkungsgraden um 20% entwickelt worden.
Maßgeblicher Anstoß für diese Entwicklung war Anfang der siebziger die Vervierfachung des Ölpreises. Bis dahin kostete jedes Watt 200 Dollar und das sprach nicht gerade für eine rosige Zukunft der Solarzelle in der Energiepolitik jener Zeit. Nach dieser Preissteigerung rief Richard Nixon 1974 ein Forschungsprogramm ins Leben welches sich mit regenerativen Energien auseinander setzte.
Um die Akzeptanz und das Vertrauen bei der Bevölkerung zu gewinnen, wurden Anfang der 80ziger Rennen mit Solarmobielen ausgetragen und im Juli 1981 überquerte ein mit Solarkraft angetriebene Flugzeug den Ärmelkanal.

Literaturverzeichnis:

  • Photovoltaik Springer Verlag Energie Oldenbourg Verlag
  • Physik für Ingenieure VDI Verlag
  • Bahnbrechende Erfindungen Reader's Digest