Es ist eine unglaubliche Reise – und sie ist noch nicht zu Ende. In einem informativen Beitrag über die Photovoltaik zeichnet unser englischer Kollege und Caravaning-Experte Terry Owen die Entwicklung der Photovoltaik von ihrer Entdeckung im 19. Jahrhundert bis zum heutigen Tag und darüber hinaus nach und untersucht die aktuellen sowie voraussichtlichen Auswirkungen auf unsere Freizeitbranche.
Text: Terry Owen
Als ich (Terry) 1974 mit dem Caravaning begann, kam ich einem Solarpanel erstmals am nächsten, als ich das kleine Rechteck auf meinem Belichtungsmesser sah. Ein Belich-tungsmesser war etwas, das man brauchte, um seine “professionelle” Kamera einzustellen, bevor man ein Foto machte. Glücklicherweise brauchten die damaligen Kodak Brownie-Kameras nie einen Belichtungsmesser. Rückblickend ist es erstaunlich, dass sie überhaupt funktionierten, aber sie taten es.
Im Jahr 2017 sorgte das e.home Wohnmobil von Dethleffs für Aufsehen, als es in rein elektrischer Form erschien und jeder Zentimeter der Außenfläche mit Solarzellen bedeckt war. Natürlich war das nur ein Konzeptfahrzeug, aber es war und ist richtungsweisend für die Zukunft in diesem Bereich.
Die frühen Jahre
Die Geschichte der Photovoltaik begann mit einem jungen Physiker Edmond Becquerel, der 1839 in Frankreich den photovoltaischen Effekt entdeckte. Dabei handelt es sich um einen Prozess, bei dem unter Lichteinwirkung eine Spannung in einem Material erzeugt wird. Für sein Gerät verwendete er Silberchlorid oder Silberbromid, die auf Platinelektroden aufgetragen wurden.
Viele Jahre lang blieb der Effekt eine Laborkuriosität, aber 1883 baute Charles Fritts die erste photovoltaische Festkörperzelle aus mehreren einzelnen Zellen, indem er den Halbleiter Selen mit einer dünnen Goldschicht überzog, um eine Verbindung unter den Zellen herzustellen. Dies war ein großer Schritt nach vorn, aber das Gerät war teuer und hatte nur einen Wirkungsgrad von etwa ein Prozent. Dennoch zeigte sie, was möglich war und führte zur weltweit ersten Solaranlage auf einem Dach, die 1883 in New York City installiert wurde. Der eigentliche Durchbruch gelang 1946, als der amerikanische Erfinder Russell Ohl, der für die Bell Labs arbeitete, die moderne, verbundene Halbleiter-Solarzelle patentierte. In dem Forschungslabor der bekannten US-Telefongesellschaft sollte nach einer unabhängigen Stromversorgung für abgelegene Telefonanlagen in den Tropen geforscht werden. Sie basierte auf dem Element Silizium und war Teil einer Reihe von Entwicklungsschritten, die später zur Erfindung des Transistors führen sollten.
Doch erst in den 1950er Jahren begannen die Bell Labs, Silizium für die Herstellung von Solarzellen zu verwenden. Dieses herrliche Bild stammt aus einer Anzeige, die 1956 in der Ausgabe des Look Magazine erschien und der amerikanischen Öffentlichkeit die “Bell Solar Battery” vorstellte. So etwas könnte man heute zum Campen mitnehmen! Damals betrug der Wirkungsgrad nur etwa zwei Prozent und jede Zelle erzeugte nur wenige Mil-liwatt. Mit einem Preis von fast 2.000 Dollar pro Watt war es jedoch weit davon entfernt, eine erschwingliche Option für den Durchschnittsverbraucher zu sein.
1960er Jahre – Raketen und das Wettrennen im All
In den 1960er Jahren begann das Wettrennen im Weltraum und mit ihm die Verwendung von Solarzellen für die Stromversorgung von Satelliten und Raumfahrzeugen. In diesen Szenarien standen die Kosten an zweiter Stelle vor der Leistung sowie Zuverlässigkeit, und es wurden enorme Summen in die Entwicklung gesteckt. Mit der Verbesserung des Wirkungsgrads und der Kosten nahm die Verwendung von Solarzellen zu. Doch erst in den 1970er Jahren sanken die Preise erheblich, so dass die Nutzung von Solarenergie an abgelegenen Orten, an denen ein Netzanschluss nicht zu rechtfertigen war, kosteneffektiv wurde. Eine Entwicklung, die sich schnell durchsetzte, war die Verwendung von Dünnschicht-Solarzellen in Geräten wie Taschenrechnern, die ab 1978 aufkamen und bei denen amorphes Silizium anstelle der bis dahin verwendeten kristallinen Form verwendet wurde. Dadurch sind sie viel billiger in der Herstellung, wenn auch etwas weniger effizient. Die geringe Leistung war und ist jedoch für Kleingeräte wie Taschenrechner bestens geeignet.
1985 durchbrachen die Forscher der University of New South Wales in einem weiteren Laborprototyp endlich die 20%-Wirkungsgradgrenze. Anfang der 1990er Jahre hatten Solarzellen einen marktfähigen Wirkungsgrad erreicht. Tragbare Solarpaneele für das Camping kamen zu dieser Zeit auf den Markt, und ich erinnere mich, dass ich mein erstes um 1995 kaufte. Es war für 55 Watt ausgelegt und hatte einen Wirkungsgrad von etwa 18 %. Im Sommer konnte mein Wohnwagen ohne Probleme eine Woche oder länger ohne Stromnetz auskommen. Im Jahr 2014 rüsteten die Freizeitfahrzeug-Hersteller einige ihrer Wohnmobile serienmäßig mit Sonnenkollektoren aus. Dies erwies sich als große Hilfe für die netzunabhängige Lagerung, insbesondere wenn Nachführsysteme eingebaut waren.
Aktueller Stand
Heute sind Solarmodule billiger und effizienter als je zuvor und haben die Erzeugung erneuerbarer Energie zusammen mit der Windenergie revolutioniert. Während ich diese Zeilen an einem hellen, kalten Tag Anfang Februar schreibe, werden 13,1% des Stroms im Vereinigten Königreich durch Sonnenenergie erzeugt. Wer hätte das noch vor zehn Jahren gedacht? Darüber hinaus haben verschiedene Industriezulieferer und Hersteller PV-Anlagen auf ihren Fabrikdächern installiert, um Kosten zu senken und gleichzeitig umweltfreundlicher zu werden.
In der Tat hat die Photovoltaik (PV) im letzten Jahrzehnt den stärksten Kostenrückgang aller Stromtechnologien erlebt. Einem Bericht der Internationalen Agentur für erneuerbare Energien (IRENA) zufolge sind die Kosten der Photovoltaik zwischen 2010 und 2019 weltweit um 82% gesunken.
Die Dünnschichttechnologie, bei der amorphes Silizium verwendet wird, hat erhebliche Fortschritte gemacht und der Produktion flexibler Module einen großen Schub gegeben. Sie sind zwar nicht so effizient und langlebig wie herkömmliches kristallines Silizium, punkten aber durch Gewichtseinsparungen und die Möglichkeit, sie auf gekrümmten Oberflächen montieren zu können. Ein großer Teil der heutigen Wohnmobile ist entweder serienmäßig oder optional mit einem Solarmodul ausgestattet, um dem Trend zum autarken Campen Rechnung zu tragen. Der Wirkungsgrad ist inzwischen so gut, dass Solarmodule oft auch zur Stromversorgung von Kompressor-Kühlschränken verwendet werden können, wenn man nicht am Stromnetz angeschlossen ist.
Eines der Probleme bei Solarzellen ist, dass mit zunehmendem Alter die Leistung nach-lässt. Das Sonnenlicht führt dazu, dass sich Bor und Sauerstoff in der N-Schicht der Zelle miteinander verbinden, wodurch ein Defekt entsteht, der Elektrizität ableitet und die vom Solarmodul erzeugte Energiemenge verringern kann. Es ist seit langem bekannt, dass Gallium gegenüber Bor in dieser Funktion überlegen ist, aber ein 20-jähriges Patent verhinderte seinen Einsatz. Allerdings lief das Patent im Mai 2020 aus. Seitdem ist die Industrie bei der Konstruktion der Panels schnell von Bor auf Gallium umgestiegen, um Silizium des Typs N vor der Alterung zu schützen. Anfang 2022 schätzte der führende Hersteller Hanwha Q Cells, dass etwa 80 % aller im Jahr 2021 hergestellten Solarmodule von Bor auf den Einsatz von Gallium umgestellt worden sind – eine massive Umstellung in so kurzer Zeit. Derzeit haben die besten kommerziell erhältlichen Silizium-Solarmodule einen Wirkungsgrad von etwa 24 %, ein Wert, der in der kommerziellen Produktion wahrscheinlich nicht wesentlich überschritten wird.
Die (gar nicht so ferne) Zukunft
Die Zukunft liegt eindeutig in dem Versuch, Wirkungsgrad und Kosten weiter zu verbessern. Es sieht so aus, als ob die Silizium-Kontaktzelle so gut wie ausgereizt ist und wir uns nun anderen Materialien zuwenden müssen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Gallium in Form von Galliumarsenid ist Silizium in Bezug auf den Wirkungsgrad überlegen. Solche Zellen erreichen unter Laborbedingungen fast 30 % Wirkung. Aufgrund der hohen Kosten wird es jedoch wahrscheinlich weiterhin nur für Spezialanwen-dungen wie in der Raumfahrt eingesetzt werden. Materialien, die jetzt das ganze Interesse auf sich ziehen, ist die Gruppe der Perowskite. Perowskit wurde erstmals 1839 von Gustav Rose im russischen Uralgebirge entdeckt und nach dem russischen Mineralogen Lew Perowski (1792-1856) benannt. Perowskit hat eine diamantähnliche, fast kubische Struktur. Es handelt sich eigentlich um Calciumtitanat mit der Formel CaTIO3. Wissenschaftler haben entdeckt, dass sie ähnliche Stoffe mit der gleichen Struktur herstellen können, allerdings aus anderen Chemikalien, von denen viele leicht verfügbar und preiswert sind. Diese neue Klasse von Materialien wird als “Perowskite” bezeichnet und hat die allgemeine Formel ABX3, wobei A und B als Kationen und X als Anion fungieren. (Ein Kation, ausgesprochen cation, ist ein negativ geladenes Ion, ein Anion ist ein positiv geladenes Ion).
Warum also die ganze Aufregung? Es hat sich herausgestellt, dass sich mit Perowskiten hocheffiziente und billige Solarzellen herstellen lassen, und das mit viel weniger Material als bei Silizium. Das wiederum ist ideal für die Herstellung dünner Schichten, um Gewicht zu sparen. Darüber hinaus lassen sich Perowskite durch die Verwendung verschiedener Substanzen in ihrer Zusammensetzung für bestimmte Wellenlängen optimieren. Dies ermöglicht die Herstellung von Tandem- oder Mehrfachzellen, die einen viel größeren Teil des Lichtspektrums ausnutzen können als herkömmliche Solarzellen. Der Wirkungsgrad solcher Zellen hat bereits 30 % erreicht und könnte sogar 40 % oder mehr erreichen. Bislang hatten Perowskit-Solarzellen einen großen Nachteil: Die Stabilität, oder besser gesagt, das Fehlen dieser Stabilität. Bislang war es nicht möglich, eine Zelle mit einer kommerziell vertretbaren Lebensdauer herzustellen. Einige Exemplare halten sogar nur wenige Stunden, wenn sie mit hellem Licht und Wärme beaufschlagt werden.
Ein Team an der Princeton University in den USA behauptet nun jedoch, ein Paneel hergestellt zu haben, das äußerst langlebig ist und gleichzeitig die derzeitigen Umwandlungs-Wirkungsgrade erfüllt. Die Details sind recht technisch, aber es geht darum, eine spezielle Schutzschicht zwischen zwei der Schichten innerhalb der Zelle anzubringen. Das bisher beste Ergebnis zeigt, dass die Zellen bei einer durchschnittlichen Temperatur von 35 °C fünf Jahre lang mindestens 80 % des Spitzenwirkungsgrads erreichen. Das Team rechnet damit, dass dies etwa einem Betrieb von 30 Jahren im Freien entspricht.
Auch andere Unternehmen arbeiten an den Themen Effizienz sowie Haltbarkeit und erzielen bereits gute Ergebnisse. Bei all diesen Arbeiten ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis Solarzellen auf Perowskit-Basis auf den Markt kommen. Eine Eigenschaft, in der sich Perowskit-Zellen im Vergleich zu Silizium auszeichnen, ist ihre Fähigkeit, den blauen Teil des Lichtspektrums in Strom umzuwandeln. Das können Siliziumzellen nicht, so dass eine frühe Anwendung in einer Tandemanordnung mit Siliziumzellen liegen könnte. In der Zwischenzeit dürften die Produktionskosten weiter sinken, was durch die niedrigen Kosten von Perowskit-Zellen begünstigt wird. Das Ergebnis ist, dass wir wahrscheinlich immer mehr Solarzellen sehen werden, die unsere Wohnmobile schmücken, sobald sie die Fabrik verlassen. Die für Perowskit geeignete Dünnschichttechnologie bedeutet, dass Solarzellen leicht an gekrümmten Oberflächen angebracht (sogar nachgerüstet) und auf nicht immer offensichtliche Weise in die Außenhaut des Wohnmobils integriert werden können. Das vollelektrische Wohnmobil, bei dem ein Großteil des Stroms direkt von der Sonne kommt, ist damit definitiv einen Schritt näher gerückt.
Anatomie einer… …photo-voltaischen (PV) Zelle
Eine PV-Zelle besteht aus einem halbleitenden Material (wie Silizium), das in zwei über-einander liegende Schichten aufgeteilt ist. Die obere (sehr dünne) Schicht wird mit einer Substanz wie Bor dotiert (Siehe Info Dotierung). Dieser Prozess wird als “n”-Dotierung bezeichnet, da er eine negativ geladene Oberfläche, das heißt einen Überschuss an Elektronen, erzeugt. Die zweite (viel dickere) Schicht darunter ist in umgekehrter Weise dotiert, so dass sie eine positive Ladung, das heißt einen Überschuss an “Löchern” (Atome, denen Elektronen fehlen) aufweist. Wenn die beiden Schichten miteinander ver-schmolzen werden, entsteht eine Verarmungszone, in der Elektronen die Löcher füllen. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld, das verhindert, dass Elektronen in der n-Typ-Schicht Löcher in der p-Typ-Schicht füllen. Wenn Sonnenlicht-Photonen auf die Oberflä-che treffen, werden die Elektronen aus dem Halbleiter herausgeschleudert und hinter-lassen positiv geladene “Löcher”. Wenn die beiden Schichten miteinander verbunden werden, fließt ein elektrischer Strom.