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photovoltaik geschichte, solarenergie verstehen

Photovoltaik Historie | Interessanter Leitfaden zur Entwicklung der Solarenergie

28. Juni 2023 | Von Daniela Shams

Photovoltaik Geschichte – Ein informativer Abriss über eine atemberaubende Technologie

Längst sind nicht alle Dächer mit Photovoltaikanlagen besetzt. Doch hat Solarenergie bereits einen festen Platz im Alltag. Denken wir an Solar-Outdoorjacken, faltbare Solarpaneele, Solarduschen, Leuchten mit Solarlicht etc. All diese Geräte funktionieren Gott sei Dank bereits ohne Kabel, Steckdose aber mit Sonnenenergie. Legen wir den Fokus also auf praktikable Werte im Alltag, ohne nur allein Stromkosten im Blick zu haben. Denn Photovoltaik auf die Reduzierung der Stromkosten zu reduzieren, käme dieser ausserordentlichen Technologie nicht gerecht.

Nein, Geräte mit Solarenergie sind extrem praktikabel weil sie weder Steckdose noch Verbindung benötigen. Und das macht sie zu wahren Allroundern. So, wie sich einst das Telefon vom Kabel löste, befreien sich auch weitere Geräte von Steckdose und Stromnetz. Lampen können aufgestellt werden, wo sie benötigt werden, auch dann, wenn eben keine Steckdose in der Nähe ist. Vorbei ist auch die Ära der hässlichen, herunterhängenden Kabel! 

Deshalb ist es interessant, sich einmal die Photovoltaik Geschichte näher anzuschauen. Das Wissen und die Nutzung von Sonnenenergie ist nämlich keine Erfindung grüner Parteien und Klima-Aktivisten, sondern findet seinen Ursprung zu Zeiten, die Sie nicht vermuten. 

Die Entwicklung von Photovoltaik aus historischer Sicht

Photovoltaik beeindruckt aufgrund seiner langen Geschichte. Denn um Photovoltaik kennenzulernen, müssen wir zurück in das Jahr 1909 gehen, als George Cove womöglich das erste Photovoltaik-Panel erfand, 40 Jahre nach dem Bell Labs von 1950. Es dauerte weitere 40 Jahre, bis sich das deutsche Forschungsministerium zu einem offiziellen Programm zur Finanzierung von PV-Dächern durchrang. Zu damaliger Zeit kamen rund 2200 Gebäude in den Genuss einer Photovoltaikanlage. 

Vorläufer der Photovoltaik Technologie bestand schon immer in der Nutzung der Sonnenenergie. Und diese liegt sehr weit zurück. Denn schon im 7. Jahrhundert vor Christus nutzte der Mensch das Sonnenlicht, um mittels Lupenmaterial ein Feuer zu entfachen.

Einige Jahrhunderte später, im 3. Jahrhundert vor Christus waren es die Römer und Griechen, die intelligent genug waren, die Sonnenenergie mit Spiegeln zu nutzen. Überliefert ist, dass sie so ihre Fackeln entzündeten und diese für religiöse Rituale verwendeten.

Der sogenannte Brennspiegel fand von vielen Generationen Anwendung und erreichte so auch die Chinesen, die das Spiegeln auf dieselbe Art nutzen. Allerdings besagt die Geschichte, dass es sich dabei um das Jahr 20 nach Christus handelte. Die Nutzung von Sonnenlicht oder Sonnenenergie finden wir auch in der Architektur von Gebäuden.

In unseren Breitengraden sind Kirchen das beste Beispiel. Der vordere Teil der Kirche, indem sich der Altar mit riesig hohen Fenstern befindet, zeigt immer nach Osten. Dort, wo die Sonne aufgeht, erstrahlt der Kirchenraum im Licht der Sonne und erzeugt eine magische Atmosphäre. 

Auch sogenannte Sonnenzimmer sind Zeugnis der Nutzung des Sonnenlichts vor der Erfindung gegenwärtiger Photovoltaik Technologien. Diese Sonnenzimmer folgten einem ähnlichen Prinzip wie dem des Kirchenschiffes, indem riesige Fenster so angelegt wurden, dass sie einen bestimmten Bereich des Raumes mit hellem Sonnenlicht beleuchteten.

Deshalb ist die Südseite von historischen Gebäuden häufig mit einer überschwänglichen Fensterfront ausgestattet, so auch römische Badehäuser. Auch hier wurden sie als Sonnenräume bezeichnet. Die Pueblo-Indianer um 1200 nach Christus bauten ihre Häuser auf Klippen so, dass in den kalten Jahreszeiten das Sonnenlicht ihre Räume erwärmte. 

Und so zieht sich die Photovoltaik Geschichte durch die Zeit. Zunehmend wurden Energie und Kraft des Sonnenlichts über die Jahrhunderte hinweg angewendet. So fanden Wissenschaftler im 17. und 18. Jahrhundert heraus, wie man Sonnenlicht als wärmenden Ofen auf langen Reisen nutzte.

Selbst solarbetriebene Dampfschiffe sind keine Erfindung der Gegenwart. All diese Beispiele verdeutlichen, dass das Wissen um die Sonnenenergie schon seit Jahrtausenden besteht und schon lange vor Photovoltaikanlagen, wie wir sie heute kennen, genutzt wurden.

Im Zuge der Nutzung von Sonnenlicht lag der Gedanke von Sonnenkollektoren nah. Doch bis es dazu kam, brauchte es kluge Wissenschaftler und viel Zeit, bis die Erfindungen veröffentlicht wurden. Aufgrund dieser langen Phase war es letztlich unmöglich, einen Wissenschaftler oder exakten Zeitpunkt der Erfindung „Sonnenkollektor“ zu benennen, waren im Laufe der Jahre doch so viele damit beschäftigt.

Bekannt innerhalb dieser Debatte wurde der französische Wissenschaftler Edmond Becquerel, der herausfand, dass Sonnenlicht die Erzeugung von Strom erhöht, wenn man zwei Metallelektroden in eine leitende Lösung hineinlegt. Diese Beobachtung wird als „photovoltaischer Effekt“ bezeichnet und beeinflusste im weiteren Verlauf auch die Entwicklung von Photovoltaik in Verbindung mit dem chemischen Element Selen. 

Photovoltaik Geschichte – Auf dem Weg neuer Erfindungen 

Neben der Nutzung von Sonnenenergie machte im Jahr 1873 Willoughby Smith eine bemerkenswerte Entdeckung. Er beobachtete, dass Selen photoleitendes Potenzial aufweist. Die Erkenntnis, dass Selen Elektrizität erzeugt, sobald es dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, wurde 1876 von Richard Evans Day und Grylls Adams entdeckt.

Der Entdeckung folgt einige Jahre später die Herstellung erster Solarzellen in Form von Selenscheiben. Historisch gesehen wird die Erfindung der Solarzelle deshalb Charles Fritts zugeschrieben, der 1883 für diese Herstellung verantwortlich war. 

Von der Selenscheibe zu Albert Einstein und der Solarzelle aus Silizium 

Kein geringerer als Albert Einstein beschrieb im Jahr 1905 die Natur des Lichts und den photoelektrischen Effekt, auf dem Photovoltaik beruht. Für diese Arbeit wurde er später mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. 

Vom Zeitpunkt der ersten Selenscheibe bis heute wurden Solarzellen weiterentwickelt. Wie wir wissen, bestehen sie heute aus Silizium. Dies ist einer der tiefgreifendsten Schritte in der gesamten Photovoltaik Geschichte.

Für diese Erfindung wiederum werden in Fachkreisen Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson benannt. Ihrer gemeinschaftlichen Arbeit ist es zu verdanken, dass im Jahr 1954 die erste Silizium-Photovoltaikzelle im Bell Lab entstand. Aufgrund dessen wird dieses Datum mit der Erfindung der Photovoltaik Technologie in Verbindung gebracht.

Zu diesem Zeitpunkt war es das erste Mal möglich, mithilfe eines elektrischen Gerätes die Solartechnologie anzuwenden, um für mehrere Stunden am Tag Strom zu erzeugen. Übrigens betrug der damalige Wirkungsgrad der Silizium-Solarzelle gerade einmal vier Prozent, damit nur weniger als ein Viertel von dem, was moderne Solarzellen heute leisten. 

Was ist Photovoltaik und wie funktioniert diese Technologie?

Photovoltaik nutzt Solarzellen und Wechselrichter, um Sonnenlicht aufzunehmen und in nutzbare, elektrische Energie umzuwandeln. Im ersten Schritt sind dafür Solarzellen verantwortlich. Jede einzelne Solarzelle hat eine durchschnittliche Leistung von ca. 1 – 2 Watt. In diesen Zellen sind Halbleitermaterialien von minimaler Grösse, vergleichsweise dünner als vier menschliche Haare. Damit diese Zellen viele Jahre haltbar sind, werden sie zwischen Glas gelegt. Es entsteht die charakteristische Solarzellenstruktur. 

Da 1 – 2 Watt natürlich nicht für den Hausgebrauch ausreichen, wird die Leistung der Solarzellen erhöht, indem man einzelne Zellen zu grossen Ketten verbindet und eine Einheit erzielt, die in den handelsüblichen Grössen als Solarmodul oder Paneel bekannt ist.

Jedes Modul kann einzeln oder im Verbund mit weiteren Modulen verwendet werden. Dabei werden die Module miteinander verbunden und bilden eine vollständige Photovoltaikanlage, die ein Gebäude mit Strom versorgt und an das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden kann. Mit der Möglichkeit, einzelne oder mehrere Module nutzen zu können, kann der jeweilige Strombedarf eines Hauses nahezu präzise abgedeckt werden.

Funktionalität von Photovoltaik einfach erklärt

Solarmodule bestehen aus einzelnen Solarzellen. Diese werden mit dem Halbleitermaterial Silizium hergestellt und lassen sich auch in der Mikroelektroindustrie finden. Zur Herstellung von Solarzellen wird die extrem dünne Halbleiterscheibe behandelt, damit sie ein elektrisches Feld erzeugen kann, das auf einer Seite positiv und auf der anderen Seite negativ ist.

Trifft Lichtenergie auf diese Solarzelle, werden Elektronen aus den Atomen des Halbleitermaterials herausgeschlagen. An der jeweils positiven und negativen Seite der Solarzelle sind elektrische Leiter montiert, die einen Stromkreis bilden. Somit können die Elektronen in Form des elektrischen Stroms aufgenommen werden. Dieser Strom wird mithilfe des Wechselrichters in Haushaltsstrom umgewandelt und kann sofort verwendet werden. 

Photovoltaik Komponenten 

Natürlich funktionieren nicht allein Solarmodule um elektrischem Strom zu erzeugen. Die gesamte Photovoltaikanlage benötigt weitere Komponenten, die die Funktionalität sicherstellen. Dazu gehört in erster Linie der Wechselrichter, der zwingend notwendig ist, um den zuvor erzeugten Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom umzuwandeln. Erst dann kann Strom im Haus genutzt werden. 

Meilenstein der Photovoltaik Geschichte: Die grösste Solaranlage weltweit

Weltweit wurden bereits gigantisch grosse Photovoltaikanlagen gebaut. Es wundert nicht, dass China mit einem 2.200 MWAC Solarkraftwerk den ersten Platz für die weltweit grösste PV-Anlage inne hat. Mit einer Grösse von 5000 Hektar baute Huanghe Hydropower Development in der Halbwüste von Gonghe, in der Präfektur Hainan, ein solches Solarkraftwerk mit einer Leistung von 2,2 Gigawatt und einem gigantischen Speicher von 202,8 Megawatt. 

Solarenergie in den Weiten des Weltalls 

Eine der frühesten Anwendungen der Solartechnologie begann Ende der 50er Jahre im Weltall. Im Jahr 1958 begann die Testphase des Satelliten Vanguard I, der mit einem 1 Watt Paneel ausgestattet wurde, um die Stromversorgung der Funkgeräte zu sichern. Schon einige Monate später waren es weitere Satelliten, die mit der damals neuen Photovoltaik-Technologie ins All flogen. Bis 1964 wuchs die Solaranlage bereits auf 470 Watt an, für den Nimbus-Satelliten, der für die NASA ins Weltall geschickt wurde.

Die uns heute bekannte Firma Tesla verwendet im Dach von Einfamilienhäusern integrierte Solarmodule. Diese Idee gab es schon 1973, als für die Universität von Delaware das erste Solargebäude mit einer hybriden Energieversorgung aus Photovoltaik und Solarthermie erbaut wurde. Mit dieser ersten Solarresidenz verwirklichte man eine gebäudeintegrierte Photovoltaik-Technologie, die über ein integriertes Solarsystem arbeitete, statt der Solarmodule auf dem Dach.

Steigerung des Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen

Mit zunehmender Nutzung bekamen Wissenschaftler immer mehr Resultate und Daten der ersten Solarmodule und Photovoltaikanlagen. Zwischen dem Ende der 50er Jahre bis zur Jahrtausendwende arbeitete man kontinuierlich daran, die solare Umwandlungseffizienz zu steigern. Zu Beginn der 60er Jahre waren Verbesserungen der Leistungseffizienz zwischen 8 und 14 Prozent noch wahre Durchbrüche in der Solartechnologie.

Mitte der 80er Jahre konnte der Wirkungsgrad von neuen Solarmodulen basierend auf Siliziumzellen auf 20 Prozent erhöht werden. Diese Verbesserungen waren unter anderem der University of South Wales zu verdanken, ebenso dem National Rentable Energy Laboratory in Zusammenarbeit mit Spector Lab, dass 1999 einen Wirkungsgrad von 33,3 Prozent entwickelte. Die gleiche Universität konnte den eigenen Rekord im Jahr 2016 brechen, als die 34,5 Prozent Marke erreicht wurde. 

In der Photovoltaik Geschichte: Flugzeuge und Yachten mit Solarenergie

Ein Meilenstein in der Entwicklung der Solarenergie sind solarbetriebene Flugzeuge. Anfang der 80er Jahre baute Paul MacCready die „Solar Challenger“. Das erste Flugzeug, das von Frankreich nach Grossbritannien mit Solarenergie über den Ärmelkanal flog. Selbst riesige Katamarane, Speedboote und Yachten fahren heute mit Solarenergie und gelten als Trendsetter der Marine und Luxusliebhaber von Booten. 

Vergessen wir nicht, dass es bei solarbetriebenen Fahrzeugen immer um die Photovoltaiktechnologie geht, die heute auch unsere Dächer schmücken. All diese Beispiele verdeutlichen, dass Solarenergie und Photovoltaik untrennbar mit einer immer grösser anwachsenden Anwendungsflächen verbunden sind. Mit jeden Jahrzehnt, ja sogar fast mit jedem neuen Jahr verbessert sich die gesamte Technologie und arbeitet immer effizienter an der Nutzung der Sonnenenergie. 

Anekdoten aus der Solarenergie

Der beliebte US-Präsident Jimmy Carter liess während seiner Amtszeit Sonnenkollektoren auf dem Weissen Haus installieren. Was für ein zukunftsweisender Präsident! Leider ordnete der nächste Präsident Ronald Reagan an, die Paneele vom Weissen Haus wieder zu entfernen. Es dauerte bis zum Jahr 2010, als Präsident Obama erneut Solarzellen sowie eine Solarheizung auf dem Weissen Haus installieren liess. 

Dieser kurze Abriss zeigt die faszinierende Entwicklung der Solarenergie. Es sind solide und doch eher unbekannte Geschichten, die uns die weltweite Entwicklung näherbringen. Gleichzeitig wird klar, dass Solarenergie einen so hohen Status hat, dass diese Entwicklung nicht mehr umkehrbar ist. Und gerade weil wir Photovoltaik bereits in so vielen Produkten finden, wächst das Verlangen, auch in die Solarenergie einzusteigen. 

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Mit der Weiterentwicklung von Photovoltaik steigt auch das Interesse an neuen Produkten aus der Solarenenergiebranche. Aufgrund wachsender Stromkosten liegt es nahe, das eigene Haus mit einer Solaranlage auszustatten, um dieser Preisspirale zu entkommen. Die Gesamtheit aller Photovoltaik Komponenten wird individuell konfiguriert, sodass jede Immobilie die PV-Anlage zum jeweiligen Bedarf erhält.

Der internationale Markt der Produkte im Bereich der Solarenergie zeigt zwei Tendenzen. Auf der einen Seite haben wir eine wachsende Nachfrage von Solarmodulen und kompletten Photovoltaikanlagen.

Auf der anderen Seite haben wir erhebliche Preissenkungen, die dem sprunghaften Anstieg der Verbraucher zu verdanken sind. Nicht zuletzt führt auch der Preisanstieg der Stromkosten zu einem Wechsel von regionalen Stromanbietern zur eigenen Photovoltaikanlage. 

Es wäre wünschenswert, dass die deutsche Politik wieder eine geradlinige Strecke fährt, und sämtliche Verirrungen und Verwirrungen rund um Solaranlagen beiseite schiebt. Die beeindruckende Photovoltaik Geschichte zeigt ohnehin, dass sich diese Technologie langfristig in jedem Haushalt wiederfinden wird. Notwendig ist deshalb ein reales Preisniveau von PV-Anlagen, das es in anderen Ländern längst gibt.

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