Schon im Jahre 1839 wurde von Alexandre Edmond Becquerel der photovoltaische Effekt entdeckt. Erst etwas mehr als hundert Jahre nach der Entdeckung von Becquerel wurden Solarzellen erstmals für die Energieversorgung von Satelliten eingesetzt. Um die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie effizient genug zu gestalten, mussten erst neue Technologien erfunden werden. Die Entwicklung der Photovoltaik konnte dabei bis heute stark von der Halbleiterindustrie profitieren. Ein Teil des Siliziums, das die hohen Reinheitsanforderungen bei der Chipherstellung nicht erfüllt, kommt durchaus noch für die Produktion von Solarzellen in Frage. So wurden nicht nur Technologien wie der Siebdruck transferiert, sondern es war auch die Versorgung mit dem wichtigsten Grundmaterial sichergestellt. Inzwischen ist die Herstellung von Solarzellen so günstig geworden, dass sich eine kommerzielle Produktion rentiert.
Der Begriff Photovoltaik(PV) setzt sich aus den Bestandteilen
Photos - das griechische Wort für Licht - und Volta - nach dem
italienischen Naturwissenschaftler Alessandro Volta - zusammen.
Seit der Rechtschreibreform ist auch die Schreibweise Fotovoltaik
zulässig. Der photovoltaische Effekt bezeichnet die direkte
Umwandlung von Strahlungsenergie (meist von der Sonne)
in elektrische Energie. Umwege wie über fossile Brennstoffe
oder Windkraft sind bei dieser Energieumwandlung nicht nötig.
Der Beitrag der Photovoltaik zur Stromerzeugung in Deutschland ist von 1 GWh im Jahr 1990 bis auf 1000 GWh im Jahr 2005 angewachsen [PV3.1]. Dadurch ist die Nachfrage nach Silizium und damit dessen Preis angestiegen. Zu den Zielen der aktuellen Solarzellenforschung zählt neben der weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades deshalb vor allem auch die Einsparung von teuren Materialien wie Silizium.

Ein viel versprechender Ansatz zur Materialeinsparung ist die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen. Dabei werden die Absorber nicht als 300 µm dicke Scheiben aus einem gezogenen Kristall gesägt. Das Halbleitermaterial wird stattdessen mit Schichtdicken von nur einigen Mikrometern auf ein Substrat abgeschieden. Wegen der speziellen Materialien (wie z.B. Galliumarsenid) genügen diese geringen Schichtdicken, um das Sonnenlicht zu absorbieren. Dünnschichtsolarzellen haben bis heute allerdings den Nachteil eines geringen Wirkungsgrades (siehe Tabelle 0.1).

Es gibt aber auch bei kristallinen Siliziumsolarzellen, die einen Marktanteil von über 80 % ausmachen, noch Möglichkeiten Material einzusparen. Hier werden die Kristallscheiben in Zukunft wohl möglichst dünn ausgesägt oder das Silizium als dünne kristalline Folie gezogen. (Einen Überblick über verschiedene Herstellungsverfahren gibt z.B. [PV1.3].) Falls die spröden Siliziumscheiben in Zukunft nur noch etwa 200 µm dick sind, könnten aber herkömmliche Bearbeitungsverfahren nicht mehr ausreichen. Bei mechanischem Strukturieren oder Siebdruck müsste man in der Produktion wohl mit einer erhöhten Bruchrate rechnen. Neben zukunftsweisenden Zellkonzepten [PV3.2], die hohe Wirkungsgrade über 20 % versprechen, sind also auch innovative Bearbeitungsverfahren gefragt.

Tabelle 0.1: Die wichtigsten Solarzellengruppen und
ihre maximalen Laborwirkungsgrade, Stand November 2007 [
PV2.1].




Lohnt sich der ganze Aufwand überhaupt? Um Energie für die Versorgung mit Strom und Wärme zu "erzeugen", werden üblicher Weise organische Stoffe (z.B. Benzin) in Kohlenstoffdioxid (CO_2) umgewandelt. Dazu wird Sauerstoff (O_2) benötigt, den die Umgebungsluft liefert. In Deutschland wird zur Energieversorgung allerdings mehr Sauerstoff verbraucht, als von den Pflanzen in Deutschland durch Photosynthese nachgeliefert werden kann [PV1.1]. Wenn Deutschland in einer großen Glasglocke eingeschlossen wäre (oder es auf der ganzen Welt so wie in Deutschland aussehen würde), müssten wir wegen unseres Energiekonsums also ersticken: wir hätten nicht mehr genug Sauerstoff zum Atmen.
Zum Glück weht uns der Wind Sauerstoff aus Gebieten mit geringerem Verbrauch (z.B. Waldgebiete in Polen) zu. Daher wird der Sauerstoff bei uns nicht knapp. Aus dieser Überlegung erkennt man aber schon, dass es "irgendwie nicht so weiter gehen kann". Lange bevor der Sauerstoff knapp wird, werden wir die Auswirkungen des Verbrennungsprodukts CO_2 zu spüren bekommen.

Eine globale Energieversorgung nur mit Hilfe von Photovoltaik und Solarthermie ist prinzipiell möglich [PV1.1]. Von den 10 x 10^13 kWh/a, die weltweit verbraucht werden, wird das meiste zur Erzeugung von Wärme, zum Heizen und Kochen, verwendet. Die Hälfte davon kann mit Sonnenkollektoren (selbst in Ländern wie Schweden) bei guter Wärmeisolation vor Ort gedeckt werden. Die restlichen 5 x 10^13 kWh/a könnten photovoltaisch mit Solarzellen erzeugt werden. Bei einem Gesamtwirkungsgrad von 10 % und einer sonnenreichen Gegend (mehr als 2000 kWh/(a m^2) Einstrahlung) würde dazu eine Fläche von 500 km mal 500 km benötigt werden. Ein vielfaches dieser Fläche steht in den sonnenreichen Wüsten zur Verfügung. Der größte Teil der gewonnenen Energie müsste in einem transportierbaren Energieträger (z.B. Wasserstoff) gespeichert werden.

Auch wenn diese Vision aus politischen Gründen momentan nicht realisierbar ist: einen relevanten Beitrag zur Energieversorgung kann die Photovoltaik auch in Deutschland leisten. Bei einem Wirkungsgrad von 20 % bräuchte man etwa 33 m^2/Kopf an Fläche zur Versorgung mit elektrischer Energie [PV1.1]. In Deutschland werden im Mittel etwa 23 m^2/Kopf an Stellfläche von Gebäuden bedeckt. Die theoretisch für Photovoltaik nutzbare Dach-und Fassadenfläche ist etwas größer. Grob geschätzt gibt es auf und an den bestehenden Gebäuden also schon etwa die Fläche, die zur Deckung des momentanen elektrischen Energieverbrauchs nur mit Solarzellen benötigt würde.

Zum Glück gibt es dieses Potential. Nur dadurch können in Industrieländern die Techniken entwickelt werden, die in Zukunft für die Wüste gebraucht werden. Das Potential, mit Solarzellen elektrische Energie ohne Zerstörung unserer Umwelt zu erzeugen, rechtfertigt die größten Anstrengungen.
In der näheren Zukunft wird die Photovoltaik auf jeden Fall ihren Anteil zum Mix aus erneuerbaren Energien beitragen. Einige Daten dazu können z.B. aus folgenden Quellen entnommen werden:

Erwartete Entwicklung der PV-Kosten bis 2010 (*.pdf, Stand 2007)
Zahlen zu erneuerbaren Energien (*.pdf, Stand 2007)


Diese Wiki-Seite befasst sich vor allem mit der Entwicklung und Herstellung von Solarzellen und soll an aktuelle Forschungsthemen heranführen. Für das theoretische Verständnis der folgenden Kapitel ist ein naturwissenschaftliches Studium von Vorteil, da einige mathematische und physikalische Grundlagen erforderlich sind. So weit möglich wird versucht, allgemein verständliche Formulierungen zu verwenden, so dass auch Abiturwissen als Grundlage ausreicht.

Im nächsten Kapitel "Heidi's Kreis" geht es darum, wie eine Solarzelle prinzipiell funktioniert und in welche Strukturkomponenten sie gedanklich aufgeteilt werden kann. Wichtigster Inhalt des Kapitels ist der Begriff des "elektrochemischen Potentials" bzw. des "Quasi-Fermi-Niveaus" oder "Imref" (Fermi rückwärts). Er ist für das Verständnis von Solarzellen von zentraler Bedeutung. Im Kapitel könnte manchmal der Eindruck entstehen, das etwas "abgeschwiffen" wird: Da ein gemeinsamer Startpunkt für die folgenden Kapitel nützlich ist, wird allerdings auf ausführliche Beschreibungen grundlegender Begriffe großer Wert gelegt. Der Einsteiger/die Einsteigerin sollte dafür etwas Geduld aufbringen. Erfahrene können die Grundlagenkapitel natürlich überfliegen oder direkt zu den entsprechenden Unterkapiteln wechseln. Auch für Einsteiger lohnt es, erst mal einen Gesamteindruck zu sammeln, indem die Inhaltsverzeichnisse der Teilkapitel überflogen werden. Viel Spaß und Erfolg!

>Heidi's Kreis



Hier oder im Bereich "discussion" ist Raum für konstruktive Kritik/Verbesserungsvorschläge/Hinweise...