Vor 140 Jahren gelang es zum ersten Mal, die Energie der Sonne mit Hilfe einer Photovoltaikzelle in elektrische Energie umzuwandeln. Ohne die Entdeckung des photovoltaischen Effekts wäre die Energiewende niemals dort angekommen, wo sie heute ist. Grund genug, einen Ausflug in die Geschichte der Photovoltaik zu unternehmen.
Ohne die Energie der Sonne wäre kein Leben auf der Erde möglich. Und das Leben hat diese Energie stets schon aktiv genutzt: Blumen, die ihre Blüte in Richtung der Sonne drehen; Eidechsen, die sich in ihrem Licht auf einem Stein warmhalten … Die Menschen, mit ihrem besonderen Geschick sich die Natur zu Eigen zu machen, haben dies eine Stufe weiter getrieben. Sie richteten ihre Wohnbauten so aus, dass die Sonne sie wärmen konnte. In römischen Städten hatten verschiedene Gebäude große verglaste Fenster nach Süden, um diesen Effekt zu verstärken. Verschiedene alte Zivilisationen entwickelten überdies Techniken, um das Sonnenlicht mit Hilfe von Spiegeln gebündelt auf einen Punkt zu lenken, z.B. um feindliche Kriegsschiffe in Brand zu stecken.
Im 18. und 19. Jahrhundert wurden diese solarthermischen Anwendungen immer weiter perfektioniert. In den 1860er Jahren experimentierte der französische Mathematiker Augustin Mouchot mit Solarkochern und einer solar betriebenen Dampfmaschine, wobei er die Bündelung der Sonnenstrahlen durch Parabolspiegel optimierte. Mouchot knüpfte an die Experimente von Horace Bénédict de Saussure aus dem Jahr 1767 an, der in einem präparierten Glaskasten Sonnenlicht ‚gefangen‘ und so einen ersten Schritt zur Erkenntnis des Treibhauseffekts gegangen war. (Dass das Sonnenlicht sowohl für den Treibhauseffekt als auch für die Überwindung der Probleme zuständig ist, die von dessen menschengemachter Verstärkung ausgehen, spiegelt sich somit auch in der Wissenschaftsgeschichte wider.) Von dieser Entwicklungslinie führt auch ein Weg zur solarthermischen Stromerzeugung. Doch die Geschichte des Solarstroms wurde durch eine ganz andere Technik geprägt: die unmittelbare Umwandlung des Sonnenlichts in Elektrizität.
Der photovoltaische Effekt
1839 bemerkte Alexandre Edmont Becquerel, dass Elektrizität entstand, wenn er bestimmte Substanzen mit Licht bestrahlte. Dies war die Entdeckung des „photovoltaischen Effekts“, für den es aber noch lange keine Erklärung gab. In den 1860er und 70er Jahren zeigte sich, dass der Halbleiter Selen ein besonders geeignetes Material war, um diesen Effekt hervorzurufen. Die Experimente mit diesem Material führten Anfang der 1880er Jahre zur Konstruktion der ersten Photovoltaik-(PV-)Zelle durch den US-amerikanischen Erfinder Charles Fritts, bei der das Selen mit einer dünnen Goldschicht überzogen war.
Fritts prophezeite 1885, die „photoelektrische Platte“ werde vielleicht schon bald mit den damals üblichen Kohlekraftwerken konkurrieren. Und er erkannte schon damals das Potenzial der neuen Technik, von immer größeren, zentralen Erzeugungsanlagen abzugehen und den Strom dezentral zu erzeugen. Aber der Wirkungsgrad der Selenzellen blieb im Bereich von 1 % und damit weit entfernt von einer Nutzbarkeit im Alltag. Später entdeckte die Physikerin Maria Telkes zudem, dass Selenzellen unter Sonneneinstrahlung schnell verdarben.
Dennoch rief die neue Technik bei verschiedenen namhaften Wissenschaftler:innen Euphorie hervor. Rollo Appleyard ging 1891 viel weiter als Fritts: Die Energie der „photo-elektrischen Zellen“, schrieb er, werde zur „totalen Ausrottung der Dampfmaschinen und völligen Verdrängung des Rauches“ führen. Man beachte hier die Sensibilisierung für die negativen Umweltfolgen der fossilen Energiegewinnung, bereits im 19. Jahrhundert! Ähnlich wie Appleyard äußerte sich auch die schon erwähnte Maria Telkes. Und der berühmte Erfinder Thomas Alva Edison wies auf ein weiteres Problem der Fossilbrennstoffe hin – ihre Endlichkeit – wenn er 1910 ausrief: „Wir sind wie Pachtbauern, die den Zaun um unser Haus abholzen, um Brennstoff zu gewinnen, anstatt die unerschöpflichen Energiequellen der Natur zu nutzen – Sonne, Wind und Gezeiten. [...] Ich würde mein Geld auf die Sonne und die Solarenergie setzen. Was für eine Energiequelle! Ich hoffe, wir müssen nicht warten, bis Öl und Kohle zur Neige gehen, bevor wir das in Angriff nehmen.“
Weil der photovoltaische Effekt lange nicht erklärt werden konnte, ließen jedoch die meisten Forscher:innen die Finger von dieser Technik, welcher der Geruch eines Perpetuum Mobile anhaftete, also einer unmöglichen Maschine. Es war Albert Einstein, der 1905 im Rahmen seiner speziellen Relativitätstheorie (für die er 1921 den Physik-Nobelpreis erhielt) eine Erklärung für den Effekt entwickelte. Einstein führte hierzu das Konzept der „Lichtquanten“ ein, die bei der Herauslösung von Elektronen aus einem Halbleitermaterial eine Rolle spielen. Heute bezeichnet man sie als Photonen.
Abb 1 — Die Erfinder der ersten „echten“ Solarzelle. Das rechte Bild zeigt das erste „Solarmodul“ der Welt. Foto: Courtesy of AT&T Archives and History Center •
Silizium
Der nach dem Zweiten Weltkrieg einsetzende Siegeszug des Halbleiters Silizium in der Transistor-Technik brachte die Erkenntnis mit sich, dass dieses Material auch für photovoltaische Zellen besser geeignet ist als Selen. In den Bell Laboratories wurden Anfang der 50er Jahre Verfahren entwickelt, den Übergang zwischen positiv und negativ „dotierten“ Bereichen im Silizium (die „p-n-junction“) zu optimieren. Die Ingenieure Calvin Fuller und Gerald Pearson konstruierten so „unbeabsichtigt eine sehr gute Solarzelle“, wie John Perlin, der wichtigste Historiograph der PV, formuliert. Daryl Chapin nahm weitere Verbesserungen an der Zelle vor, welche u.a. die Reflektivität des Siliziums, die genaue Lokation der p-n-Junction oder die Anbringung der Kontakte am Silizium-Material betrafen. So konnten die Bell-Wissenschaftler eine Zelle präsentieren, die einen Wirkungsgrad von 4 % erreichte.
Wenn die Fortschritte nicht zur schnellen Realisierung der optimistischen Prognosen früherer Jahrzehnte führten – der deutsche Physiker Bruno Lange hatte 1931 riesige Fabriken der Solarmodulproduktion vorausgesagt – dann lag dies am Siegeszug zweier anderer Energiequellen: Erdöl und Atomkraft. Der Hype um die Atomkernspaltung war in den 50er Jahren so groß, dass der Bell-Konkurrent RCA 1954 eine „nuclear powered silicon cell“ vorstellte, welche die Photonen nicht vom Sonnenlicht, sondern von radioaktivem Strontium 90 empfangen sollte. Diese Zelle konnte nur in abgedunkelten Räumen demonstriert werden, denn jede Lichtquelle führte auf dem Silizium zu wesentlich größerer Stromproduktion als die Atommüll-Probe.
Doch RCA-Direktor David Sarnoff dekretierte: „Wen interessiert schon die Solarenergie? Sehen Sie, was wir wirklich haben, ist dieser Konverter für radioaktive Abfälle. Das ist die große Sache, die die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit, der Presse und der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf sich ziehen wird." Bei Bell hatte man 1954 den Wirkungsgrad auf fast 6 % steigern können. Die flächenbezogene Leistung dieser Zellen war 50 Millionen mal größer als die der RCA-„Atombatterie“. Die Zeitschrift „Newsweek“ nannte die Solarzelle 1955 „einen möglichen Konkurrenten für die Atomenergie“. Die „New York Times“ hatte schon 1954 vom „Beginn eines neuen Zeitalters“ durch PV gesprochen. Aber ihr Preis war einstweilen viel zu hoch, nicht zuletzt durch das Herstellungsverfahren des hochreinen Siliziums. Erste Anwendungen beschränkten sich auf kleine Spielzeug-Artikel.
Abb 2 — Erste Anwendungen photovoltaischer Zellen beschränkten sich auf kleine Spielzeug-Artikel. Foto: Courtesy of AT&T Archives and History Center •
Von der Erde in den Weltraum
Was einer bescheidenen PV-Industrie zunächst das Leben ermöglichte, war die ebenfalls in den 50er Jahren startende Weltraumfahrt. Auch hier gab es starken Widerstand von Verantwortlichen, die auf atomare Energieversorgung setzen wollten. Als 1958 der zweite US-amerikanische Satellit „Vanguard I“ in eine Erdumlaufbahn geschossen wurde, hatte man der US Navy aber die Stromversorgung per PV abgerungen. Vanguard I hielt sieben Jahre lang den Kontakt zur Erde, während die ersten sowjetischen Sputnik-Satelliten nach wenigen Wochen verstummten, weil sie mit Einweg-Batterien ausgestattet waren. PV wird seitdem bei den allermeisten Satelliten zur Energieversorgung eingesetzt. Die Mission von Vanguard I stand übrigens, wie die der Sputniks, im Zusammenhang mit dem „Internationalen Geophysikalischen Jahr“ 1957/58, das in einer internationalen Anstrengung das Wissen über die Beschaffenheit der Erdoberfläche, der Ozeane und der Atmosphäre stark voranbrachte. Erneut haben wir hier einen Berührungspunkt zwischen der damals deutlich zunehmenden Einsicht in die Klimaprozesse, und dem wichtigen technischen Lösungsansatz für das in diesen Prozessen sich zeigende Problem.
Bei PV für die Satelliten kam es nie auf die Kosten an. Aber schon Vanguard I trug zum Abbau von Vorurteilen gegenüber dieser Technik bei, und die kosmische Anwendung lieferte der PV-Industrie wichtige Erfahrungswerte und sicherte überhaupt ihre Existenz.
Abb 3 — Der Vanguard 1 ist der erste Satellit, der Solarzellen für die Stromversorgung verwendete. Er wog nur 1,5 kg. Foto: NASA •
… und wieder zurück auf die Erde
Terrestrische Anwendungen der PV hingen davon ab, dass sie preiswerter wurde. Elliot Berman von der Solar Power Corporation verwendete Wafer, die von der wachsenden Halbleiterindustrie aus qualitativen Gründen zurückgewiesen worden waren. Und anstatt die Wafer erst zu polieren und dann mit nicht-reflektierender Beschichtung zu versehen, nutzte er direkt die gesägte Oberfläche und vermied so zwei Arbeitsschritte. 1973 hatte er so den Preis pro Watt von 100 auf 20 Dollar heruntergebracht. Nun hatte PV in bestimmten netzunabhängigen Anwendungen Kostenvorteile gegenüber den bisherigen Techniken: nicht wiederaufladbaren Batterien, oder mit Treibstoff betriebenen Generatoren – beide Verfahren waren sehr wartungsintensiv. Ein erster Anwendungsfall waren ab 1973 Offshore-Navigationshilfen (z.B. Leuchtbojen). Die ökonomische Überlegenheit gegenüber herkömmlichen Batterien stieg in diesem Bereich noch, als die US-amerikanische Umweltbehörde 1978 das Verklappen der verbrauchten Batterien im Meer verbot.
So wurden Präzedenzfälle für die Brauchbarkeit der PV geschaffen. Ein weiterer Bereich lag bei der Eisenbahn. Für die Signalisierung unbeschrankter Bahnübergänge, Bahnstrecken-Signalanlagen und die Rücklichter von Nahverkehrszügen erwies sich photovoltaische Stromversorgung ebenfalls als den konkurrierenden Techniken überlegen. Gleiches galt für die Radio- und Telefonkommunikation in abgelegenen Gebieten – hier agierte u.a. die australische Telekommunikationsgesellschaft als Pionier. Für die harten klimatischen Bedingungen der australischen Wüste entwickelte die Firma Philips robuste Module mit einer Glasabdeckung und mit Verringerung der Anzahl unterschiedlicher Werkstoffe.
Schließlich ist als früher Anwendungsbereich noch die Stromversorgung in Regionen des globalen Südens zu nennen, wo vielfach der Aufbau von Stromnetzen nicht rentabel war. In den 80er Jahren wurden nennenswerte Anteile der PV-Produktion z.B. für Wasserpumpen im afrikanischen Sahel-Staat Mali verwendet. Und im Jahr 1983 landeten fast 20 Prozent der weltweit produzierten Solarzellen auf den strohgedeckten Dächern der polynesischen Inselwelt. 1987 war dort die Hälfte aller Haushalte mit PV elektrifiziert. Auch in Kenia empfingen zeitweise mehr Haushalte ihren Strom aus PV-Modulen als aus dem öffentlichen Stromnetz.
Bei all diesen frühen Offgrid-Anwendungen gab es beträchtliche Bedenken im Hinblick auf die Zuverlässigkeit der PV. Aber gerade in diesem Punkt erwies sie sich als den konkurrierenden Systemen (Batterien, fossil betriebene Generatoren, teilweise selbst dem Netzstrom) überlegen. So wurden Vorbehalte gegenüber dieser Technik abgebaut, während die Herstellungskosten langsam sanken.
Die Rolle von Big Oil
Ölbohrplattformen waren ein weiterer früher Offgrid-Anwendungsfall. Überhaupt ist die Rolle der Fossilindustrie bei der frühen terrestrischen Anwendung der PV ein bemerkenswertes Phänomen: Der Energieträger des 20. Jahrhunderts konnte sich nicht selbst mit Energie versorgen! Öl- und Gasförderung fand oft abseits der Stromnetze statt. PV-Installationen setzten sich daher auch für den sogenannten kathodischen Korrosionsschutz bei Bohrköpfen und Pipelines der Fossilindustrie durch.
Die Ölkonzerne investierten bis in die 70er Jahre beträchtliche Geldmittel in die Verbesserung der PV-Zellen. Die schon erwähnte „Solar Power Corporation“ zum Beispiel wurde mit Geldern des Exxon-Konzerns finanziert. Der für „ARCO Solar“, eine BP-Tochter, tätige Charlie Gay argumentierte gegen einen gelegentlich vorgebrachten Verdacht: „Man gibt nicht wie die Ölgesellschaften Hunderte von Millionen Dollar für Forschung und Entwicklung aus, um eine Technologie zu zerstören.“ Und der Solarpionier Bill Yerkes resümierte: „Die Öl- und Gasindustrie hat uns auf den Weg gebracht.” Aber sie hatte nicht daran gedacht, eine Konkurrenz fürs eigene Geschäft großzuziehen. Vielmehr hatte man wohl nur Nischenanwendungen in netzfernen Regionen im Sinn.
Als nach der ersten Ölkrise die PV einen neuen Schub bekam, anschließend aber die Ölpreise wieder sanken, begannen die Fossilkonzerne, sich zurückzuziehen. Zuerst Exxon. Der Konzern verkaufte 1983 nicht etwa seine „Solar Power Corporation“, sondern schloss sie und verramschte das Inventar als Schrott. Man erinnert sich auch an den Schritt des RWE-Kohlekonzerns, aus der Kooperation mit dem Solarautobauer Erich Pöhlmann 1985 wieder auszusteigen, weil sie nicht zum „Geschäftsmodell“ des Konzerns passe. BP und Shell verabschiedeten sich Anfang des neuen Jahrhunderts von der PV, als der Solarboom gerade begann. Aber tatsächlich hatte diese Industrie da bereits ihre Konkurrenz lauffähig gemacht, die sie eines Tages überflüssig machen würde.
Abb 3 — Ölkonzerne finanzierten die Entwicklung der Solarzelle in den 70er Jahren massiv. Foto: John Perlin, "Let It Shine: The 6000-Year Story of Solar Energy" •
Photovoltaik: links und grün?
Die PV wurde im Laufe der Zeit zunehmend politisiert. Schon in den 70er Jahren war ein kleiner Solar-Boom in Kalifornien vor allem von der Gegenkultur der Hippies und Marihuana-Raucher:innen angetrieben, die darin eine diskrete und zugleich ökologisch korrekte Stromversorgung für ihre Pflanzungen gefunden hatten. Die technische Eigenlogik der PV – die Möglichkeit, den Strom dezentral und unabhängig von großen Energiekonzernen zu erzeugen – trug dazu bei, dass sie einen festen Platz im politischen Koordinatensystem erhielt. Konservative politische Lager, für die „Größe“ einen Wert an sich darstellt, konnten mit der PV kaum noch etwas anfangen. Es war eine grüne und emanzipatorische, also linke, Technologie geworden.
Auf die Dächer
Nicht erst die Polynesier:innen hatten die Idee, Solarmodule auf ihre Dächer zu montieren. Das Standardwerk von John Perlin zeigt die Zeichnung aus einer französischen Enzyklopädie von 1929, mit einem Haus, dessen Dach und Wände großflächig mit Modulen belegt sind. Eine ähnliche Abbildung enthält auch ein Artikel der US-amerikanischen Zeitschrift „Modern Mechanix“ aus dem Jahr 1934, der sich eigentlich mit Solar-Luftschiffen beschäftigt, aber nebenbei verkündet: „Das mit Solarzellen bedeckte Dach eines gewöhnlichen Hauses könnte Strom für Geräte und Beleuchtung erzeugen.“
Am Massachusetts Institute of Technology (MIT) wurden zwischen 1939 und 1962 zu Forschungszwecken vier Solarhäuser gebaut – anscheinend handelte es sich dabei aber im Wesentlichen um Solarthermie-Anlagen. Der Schritt, der noch fehlte – die Kopplung einer häuslichen PV-Anlage mit dem öffentlichen Stromnetz – wurde 1978 ebenfalls zuerst in Massachusetts, in einem Appartement-Komplex, realisiert.
Mit diesem Schritt war die Möglichkeit einer netzdienlichen Rolle dezentraler PV gesetzt. Aber in den Ländern des globalen Nordens dachten viele nach wie vor in zentralen Kraftwerksstrukturen: Solarstrom im Netz solle aus Gigawatt-Freiflächenanlagen kommen. Dass dies nicht alternativlos war, bewies im Jahr 1986 der Schweizer Markus Real. Seine Idee war, mit dem von ihm gegründeten Unternehmen „Alpha Real“ ein netzgekoppeltes Megawatt PV dezentral auf 333 Züricher Hausdächern zu realisieren. „Die Dächer sind da, die Dächer sind frei, die elektrischen Anschlüsse sind da“, fasste er die Vorteile gegenüber einer zentralen Freiflächenanlage zusammen. Innerhalb weniger Wochen hatte er die 333 Kund:innen beisammen. In diesem ersten komplexen Feldversuch konnten viele Probleme, nicht zuletzt mit den Wechselrichtern, erkannt und behoben werden. Die Züricher Solarpioniere durften schließlich ihren überschüssigen Strom nach dem Prinzip des „Net Metering“ einspeisen, bei dem jede ins Netz eingespeiste Kilowattstunde ebenso hoch vergütet wird, wie die von dort bezogene Kilowattstunde kostet.
Dies – die Frage der Vergütung und der Förderwege für PV-Anlagen – blieb die letzte große Unbekannte vor dem Siegeszug der Solarstromerzeugung. Denn die Anlagen waren durch die bisherigen Anwendungen zwar bereits deutlich im Preis gesunken, aber doch noch weit davon entfernt, für die einzelnen Anwender:innen etwa per „Net Metering“ lukrativ zu sein. Hier sollte – neben weiteren technischen Fortschritten bei der Modulproduktion – eine Idee des Solarenergie-Förderverein Deutschland noch Furore machen. Aber das ist eine andere Geschichte …
Zu den Quellen dieses Beitrags
Die wichtigste Literatur zur Geschichte der PV stammt aus der Feder des kalifornischen Technikhistorikers John Perlin. Dem vorliegenden Aufsatz wurde sein Buch zugrundegelegt: „From Space to Earth. The Story of Solar Electricity”. Cambridge, Massachusetts/London: Harvard University Press 2002. Die kurzen historischen Passagen in den meisten Einführungsbänden in die PV beziehen sich ebenfalls auf Perlin.
Eine weitere detaillierte Aufarbeitung der Geschichte enthält der Band von Bob Johnstone: Switching to Solar. What We Can Learn from Germany’s Success in Harnessing Clean Energy. Amherst, N.Y. 2011. Hier wird die Entwicklung der PV bis ins erste Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts dargestellt und die Wichtigkeit des deutschen EEG sowie die Rolle des SFV bei dessen Entstehung betont.
Einige weitere Details des vorliegenden Artikels stammen aus früheren Veröffentlichungen des SFV; so der Hinweis auf „Modern Mechanix“ aus dem Beitrag „Fliegen mit Solar-Luftschiffen“, und die Bemerkung zum Pöhlmann-Solarauto aus dem Beitrag „Photovoltaik-Antriebe im Verkehrssektor”.