Strom aus Sonnenenergie

Den meisten Strom lieferten nach wie vor Kohlekraftwerke. Der Anteil der Energieträger Braun- und Steinkohle an der Stromerzeugung betrug hierzulande mehr als 42 Prozent. Die Gewinnung von Solarstrom ist für die Menschheit eine junge Errungenschaft – was nicht heißt, dass sich Menschen die Energie der Sonne nicht schon sehr viel früher zunutze zu machen wussten. Diese Fähigkeit entwickelten sie bereits vor Jahrtausenden, das heißt in vorchristlicher Zeit. So wurden beispielsweise Häuser im antiken Griechenland so angelegt, dass Wohnräume im Winter vom Sonnenlicht durchflutet wurden. Dem griechischen Mathematiker Archimedes (etwa 287 bis 212 vor Christus) wird nachgesagt, mithilfe von Spiegeln Sonnenstrahlung gebündelt und damit römische Schiffe in Brand gesteckt zu haben. Wissenschaftler haben allerdings immer wieder Zweifel am Wahrheitsgehalt dieser Geschichte geäußert. So wurde betont, dass sich die zur Entzündung von Holz benötigte Temperatur von etwa 300 Grad Celsius mit den damals zur Verfügung stehenden Spiegeln kaum habe erreichen lassen.

Der Ausdruck Photovoltaik setzt sich aus dem griechischen Wort für Licht (photo) und dem Nachnamen des italienischen Physikers Alessandro Volta (1745 bis 1827) zusammen, auf den auch die Bezeichnung Volt als Maßeinheit für die elektrische Spannung zurückgeht. Der Erste, der die elektrische Wirkung des Sonnenlichts, den sogenannten photoelektrischen Effekt, beobachtete, war allerdings nicht etwa Volta, sondern der Franzose Alexandre Edmond Becquerel. Er erzeugte 1839 mithilfe von zwei Platinplatten, die er in verdünnte Säure tauchte, eine elektrische Spannung. Dabei stellte er fest, dass die Spannung größer wurde, wenn er das Ganze dem Sonnenlicht aussetzte.

Heute verstehen Physiker den photoelektrischen Effekt als einen Vorgang, bei dem Licht – das nichts anderes ist als elektromagnetische Strahlung – auf Materie trifft und dabei elektrisch geladene Teilchen entweder ganz herauslöst oder zumindest aus ihren Bindungen befreit. Einen wesentlichen Beitrag zur Erklärung dieses Vorgangs leistete 1905 Albert Einstein. In seiner Arbeit, für die er 1921 den Nobelpreis erhielt, zeigte er, dass sich Licht in bestimmten Situationen nicht wie eine Welle, sondern wie ein Strom aus Teilchen – er sprach von Photonen – verhält. Wird ein Elektron von einem Lichtteilchen mit entsprechender Energie getroffen, löst es sich aus seiner Bindung heraus.

Von dieser Erkenntnis bis zur ersten Solarzelle dauerte es allerdings etwa ein halbes Jahrhundert. Erst 1954 wurde die erste Solarzelle in den USA vorgestellt. Wie die weitaus meisten der heutigen Solarzellen bestand auch sie aus Silizium. Das Wort Silizium geht auf das lateinische silex für Kiesel zurück und deutet damit bereits an, dass es sich um ein in der Erdkruste enthaltenes Element handelt. Nur Sauerstoff kommt in der Erdkruste häufiger vor als Silizium. Dieses Element ist ein Halbleiter, das heißt ein Material, dessen elektrische Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur stark ansteigt. Bei tiefen Temperaturen wirken Halbleiter isolierend.

Um aus Silizium, das aus Quarzsand gewonnen wird, Solarzellen herzustellen, müssen dem Halbleitermaterial gezielt Elemente wie Phosphor und Bor zugesetzt werden. Auf diese Weise entstehen zwei verschiedene Siliziumschichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Am Übergang zwischen diesen beiden dünnen Schichten, die in der Solarzelle übereinander liegen, baut sich ein elektrisches Feld auf. Wenn Licht auf die Solarzelle trifft, werden Paare aus entgegengesetzt, das heißt negativ und positiv geladenen Ladungsträgern freigesetzt. Normalerweise würden sie sich unmittelbar nach der Freisetzung wieder vereinigen, dies aber wird durch das elektrische Feld verhindert. Die Folge: Die Siliziumschichten bilden einen Plus- und einen Minuspol, und zwischen den Metallkontakten auf der Ober- und der Unterseite der Zelle entsteht eine elektrische Spannung.

Ein wichtiges Ziel heutiger Forscher besteht darin, den Wirkungsgrad von Solarzellen zu erhöhen. Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie in nutzbringende Energie umgewandelt wird. Im Falle von Solarzellen heißt das, dass es um die Frage geht, wie viel von der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Von einem Forschungserfolg berichteten kürzlich das niedersächsische Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) und die Universität Hannover. Sie geben den Wirkungsgrad ihrer Siliziumsolarzelle mit 25 Prozent an. In der Regel liegen die Wirkungsgrade solcher Zellen deutlich niedriger, nämlich bei weniger als 20 Prozent.