TEIL C

Photoelektrische Nutzung

Das Prinzip der Photozelle beruht darauf, daß bestimmte Materialien bei der Aufnahme von Licht Elektronen freisetzen, welche sich bei einem Spannungsgefälle in gleicher Richtung bewegen und dadurch einen Gleichstrom erzeugen. Der Strom von Lichtteilchen (Photonen) geht auf die Zelle nieder, die mit einer Antireflexschicht überzogen ist, damit möglichst wenige Teilchen zurückgespiegelt werden. Die Mehrzahl der Photonen geben ihre Energie an die Atome der Siliziumscheibe ab, wobei Elektronen freigeschlagen werden. Dadurch entsteht in der Atomhülle jeweils ein Loch, das wiederum von einem freien Elektron ausgefüllt wird.

Die obere der beiden Zellenschichten ist z.B. durch Zusatz von Phosphor-Atomen negativ dotiert, wodurch die Silizium-Schicht einen Überschuß an Elektronen erhält. Die untere Schicht ist z.B. durch Bor-Atome positiv dotiert und hat dadurch einen Überschuß an Löchern. Somit baut sich zwischen den Schichten ein Spannungsfeld auf, das die Richtung der Elektronen definiert. Über ein Metallgitter an der Sonnenseite werden die Elektronen dann als elektrischer Strom abgenommen – und kehren zu einer dünnen Metallschicht an der Schattenseite, d.h. zu dem Plus-Pol zurück.

Von der Strahlungsleistung der Sonne ist besonders der Bereich 400 - 750 µm (entsprechend einer Energie der Photonen von 3,5 - 1,8 eV) für die Bildung von Elektronen im angeregten Zustand mit anschließendem Elektronen- oder Energietransfer nutzbar. Und während amorphes Silizium das kurzwellige grüne und blaue Licht des Sonnenspektrums in elektrische Energie umsetzt, eignet sich mikrokristallines Silizium besonders für die Umsetzung des langwelligen roten und infraroten Anteils.

Für lange Zeit fanden Photozellen lediglich in photographischen Belichtungsmessern Anwendung, doch 1954 erkennen die amerikanischen Wissenschaftler Chaplin, Fuller und Pearson, daß für diesen Prozess Silizium besonders gut geeignet ist – und stellen die erste Solarzelle her. Damit beginnt das bereits 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckte photoelektrische Prinzip in der Energieversorgung eine neue Rolle zu spielen – anfänglich, ab 1958, besonders in der Satellitentechnik, da der Strom damit erstmals auch vor Ort im Orbit erzeugbar ist.

Die entsprechende Entwicklung habe ich im Einzelnen schon weiter oben im allgemeinen geschichtlichen Rückblick dokumentiert. Hier folgen nun explizit die weiteren Fortschritte der photovoltaischen Nutzung und ihre verschiedenen Anwendungsformen ab Anfang der 1970er Jahre.

Entwicklung der photovoltaischen Nutzung 1973 – 1994

1973 wird an der University of Delaware die weltweit erste dachintegrierte photovoltaische Hausanlage gebaut, ein PV-Thermal-Hybrid mit dem Namen Solar One. Lüfter kühlten die Module, die warme Luft wurde zum Heizen genutzt.

Auf die Idee, die korrosionsempfindlichen Zellen in zähes Acryl einzukapseln, kommt Mitte der 1970er Jahre der Deutsche Bernd Melchior, Besitzer der Firma bmc Solar Industrie GmbH in Wermelkirchen. Später wird unter dem ersten Rahmenprogramm der EU ein entsprechendes Forschungsprojekt initiiert.

1976 stellen David Carlson und Christopher Wronski in den RCA Laboratories die erste amorphe Siliziumzelle her, sie hat eine Fläche von 3,5 cm² und ihr Wirkungsgrad beträgt bescheidene 1,1 %. Mit einer größeren Zelle erreichen sie etwas später schon 2,4 %.

1977 beträgt die weltweite Leistung von Solarzellen etwa 500 kW - anderen Quellen zufolge sei dies die weltweite jährliche Produktionskapazität für PV-Zellen.

Im Dezember 1978 wird durch die NASA das weltweit erste Solardorf mit Solarzellen ausgestattet – im Reservat der Papago-Indianer in  Schuchuli, Arizona. Das 3,5 kW System betreibt Wasserpumpen und versorgt 15 Familien mit Licht und Energie zum Kühlen, für die Näh- und Waschmaschinen. Als das Reservat 1983 an das öffentliche Stromnetz angeschlossen wird, beschränkt man die Solaranlage auf den Pumpbetrieb.

Der deutsche Künstler Prof. Jürgen Claus, ein Pionier der biosphärischen Kunst, beginnt 1978 die Photovoltaik zur Stromversorgung netzunabhängiger Kunstwerke zu nutzen, wie z.B. bei dem Unterwasserkunstgarten Gardens of Sharm im Roten Meer. Später arbeitet er daran, das PV-Material direkt in skulpturale Werke einzubauen, weshalb er hier etwas ausführlicher vorgestellt werden soll.

Zwei Zitate stellen den Standpunkt des Künstler klar dar: „Wenn die Veränderung zu einem Solarzeitalter unsere Zivilisation stabilisieren soll, muß die Veränderung eine kulturelle sein“ und „Die Idee der Biosphäre betrachtet die lebende Materie in ihrer Gesamtheit als Bereich für die Akkumulation und Transformation der Sonnenenergie.“

Die erste Solarskulptur von Claus entsteht 1984, ist pyramidenförmig, besteht aus acht 150 cm langen Argon-Leuchtstoffröhren und heißt Pyramid of the Sun. Im Jahr 1993 sind er und seine Gattin Nora Begründer des SolArt Global Network mit dem Ziel, die Arbeit von Künstlern, die weltweit mit der Sonne arbeiten, zu verbinden und zu erweitern.

Das Netzwerk ist bis 1996 aktiv und umfaßt Künstler aus den USA, Deutschland und Japan, darunter Dale Eldred mit seinen Diffraktions-Skulpturen, Peter Erskine, Alex und Martha Nicoloff, Seth Riskin, Otto Piene und Sally Weber. Ebenfalls 1993 wird in Baelen, Belgien, das Symposium Solarenergie – Kunstenergie veranstaltet.

In vier Ausgaben der Zeitschrift Leonardo, einer akademischen Zeitschrift für Kunst und Technologie, veröffentlichen die Wissenschaftler, Künstler und Erfinder des Netzwerks Artikel, in denen die künstlerische Bedeutung der Sonne hervorhoben und die Herausforderungen und Möglichkeiten beim Übergang zum Solarzeitalter aufgezeigt werden.

Weitere Arbeiten sind der hier abgebildete und 1995 entstandene 6 m hohe Solarkristall, der aus sechs 53 W Solarmodulen besteht, die von elf tetraederförmigen Farblichtern umgeben sind. Das Werk, das seit 2010 auf einem mehrfarbigen dreieckigen Metallgerüst im Römerpark Aldenhoven bei Aachen steht, ist völlig energieautark, und die Lichter schalten sich selbständig bei Einbruch der Dunkelheit ein. Im Jahr 1997 entsteht ein ebenfalls 6 m hoher Solar-Ikosaeder, bei dem fünf 81 W Paneele auf der Oberseite dafür sorgen, daß er sich tagsüber langsam dreht und dabei Energie in Batterien speichert.

Gegen Ende der 1990er ist Claus der künstlerische Leiter des Projekts BIMODE, einer europäischen Zusammenarbeit zwischen Designern, Architekten und Wissenschaftlern aus Universitäten, Behörden und der Industrie, die sich um die Entwicklung ästhetisch ansprechenderer PV-Module bemüht und neue Designs für Form, Farbe und Größe von PV-Zellen entwickelt. Das Ergebnis sind Prototypen von Buntglasfenstern mit integrierten Zellen sowie ein mehrfarbiges dreieckiges Modul.

Im Jahr 2018 erscheint das Buch Die Sonne übernimmt. Wie die Kultur das solare Zeitalter formt, in welchem Claus über den solaren Städtebau und die Beziehungen zwischen dem Künstler, der Sonne und dem Klima referiert.

Ebenfalls 1978 bekommt die Welt den ersten solarbetriebenen Taschenrechner.

Für Silizium-Solarzellen gilt 1979 ein theoretisch maximaler Wirkungsgrad von 20 %, während in der Praxis lange nicht einmal 10 % erreicht werden. 15 Jahre später zeigt sich jedoch, daß diese ‚magische Grenze’ gar nicht existiert. Nun gilt die Barriere eines Wirkungsgades von 30 % als technisch unüberwindbar. Da man inzwischen jedoch mit vielen anderen Materialen und Zusammensetzungen experimentiert, verdoppeln sich später sowohl der theoretisch erreichbare, als auch der tatsächlich erreichte Wirkungsgrad (s.u.).

Pro Kilowatt installierte Leistung wird um diese Zeit noch mit Investitionskosten von 50.000 - 150.000 DM gerechnet. Für ein 1.000 MW Kraftwerk wäre eine Solarzellenfläche von ca. 10 km² erforderlich. Als Alternative zu den erdgebundenen Kraftwerken werden daher auch Satellitenkraftwerke vorgeschlagen, auf die ich später noch gesondert zu sprechen komme. Übrigens wird die Herstellung der Solarzellen noch sehr lange manuell betrieben, erst in den 1990er Jahren werden vollautomatische Produktionslinien entwickelt und installiert.

1980 ist die Firma ARCO Solar das erste Unternehmen, das mehr als 1 MW Solarzellenkapazität pro Jahr produziert (s.u. Hersteller).

Anfang der 1980er Jahre werden unabhängig voneinander in den Laboratorien von MBB in Ottobrunn und der Ecole Polytechnique bzw. bei Solems in Paris die ersten Solarzellen auf Basis von amorphem Silizium hergestellt. Beide Forschergruppen kommen zu der Erkenntnis, daß nur dünne in automatisierten Fertigungslinien hergestellte große Module die Chance bieten, Strom aus Sonnenlicht zu akzeptablen Kosten zu produzieren.

Ebenfalls Anfang der 1980er gründet der amerikanische PV-Pionier Joseph Lindmayer die später stark florierende Firma Solarex.

In Berlin wird Benoît Maubrey bekannt, dessen Solar Ballerinas auch auf der EXPO 2000 zu sehen sind.

Auf ihren Tutus aus Plexiglas sind Solarzellen, Mikrofone, Verstärkerplatinen mit Prozessoren und Lautsprecher eingelassen. Sie nehmen Töne der Umwelt auf und geben sie verstärkt und verfremdet wieder.

1981/1982 bricht der Markt für Solarzellen in Deutschland fast völlig zusammen.

Ab 1982 wird Solarstrom beim Kathodenschutz von Pipelines in Oman eingesetzt. Der britische Hersteller dieser Anti-Korrosions-Geräte verspricht eine Lebensdauer von 15 – 20 Jahren.

1982 beträgt die weltweite Produktionskapazität für Solarzellen bereits knapp 10 MW.

Ein speziell umgebauter Solar Trek fährt 1983 in fast 20 Tagen 4.000 km lang durch Australien. Das Fahrzeug besitzt eine 1 kW Solaranlage, später im Jahr fährt der Wagen in 18 Tagen eine ähnlich lange Strecke durch die USA.

1983 beträgt die weltweite Produktionskapazität für Solarzellen schon 21,3 MW, die Umsätze mit der Photovoltaik überschreiten erstmals 250 Mio. $.

Im November 1984 findet im japanischen Kobe die First International Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC) statt.

Im Jahr 1984 wird in Stockholm die erste netzgekoppelte PV-Anlage Schwedens installiert, die mit  ihren 2,1 kW die Bewohner eines Mehrfamilienhauses mit umweltfreundlichem Strom versorgt. In einem Bericht von 2011 heißt es, daß die durchschnittliche jährliche Stromerzeugungsleistung der Module nach wie vor zuverlässig ist und sich seit der Installation der Anlage 27 Jahre zuvor nicht wesentlich verändert hat.

Im gleichen Jahr errichtet Kyocera das Sakura Solar Energy Center in der Nähe von Tokio, das mit einem 43 kW Solarenergiesystem ausgestattet wird.

1985 wird eine Art ‚natürlicher Solarzelle’ entdeckt, als man feststellt, daß eisenhaltiger Rutil im Wüstensand die Ammoniak-Bildung aus Luftstickstoff und absorbiertem Wasser mittels Sonnenlicht katalysiert - und und das Zentrum für Photovoltaiktechnik an der University of New South Wales entwickelt Zellen mit einem Wirkungsgrad von 20 %.

Ebenfalls 1985 spendet Kyocera ein 10 kW Solarenergiesystem an ein kleines Bauerndorf ohne elektrische Infrastruktur in der Provinz Gansu in China, das auf einer Höhe von 2.600 m liegt. Im Jahr 1993 erhält das Gebiet einen Elektrizitätsanschluß, und die Solarmodule werden in eine regionale Forschungseinrichtung für saubere Energie verlegt, wo sie auch nach mehr als 25 Jahren immer noch gleichmäßig Strom produzieren.

1986 bringt ARCO Solar das weltweit erste Dünnschicht-Modul (G – 4000) auf den Markt.

1987 tun sich mehrere deutsche Firmen zusammen, um ein solarbetriebenes Röntgengerät zu entwickeln, das in Containerform transportiert und auch fernab der Stromnetze eingesetzt werden kann. Die Unternehmen BMC Schein, BMC Solartechnik, Jodag Containerbau und Philips Medizintechnik sehen einen Markt für derartige mobile Diagnosestationen, deren aufwendige Isolation auch ihren Einsatz bei tropischen oder arktischen Temperaturen erlaubt.

1988 ist die Schweiz das einzige Land in Europa, in dem auch private Erzeuger das Recht haben, ihren Solarstrom gegen eine angemessene Vergütung in das Netz einzuspeisen.

Zwischen 1980 und 1988 steigt die jährliche weltweite Produktionsrate von etwa 1 MW auf knapp 35 MW. Es folgt eine Auflistung der Hersteller und Produktionskapazitäten weltweit (Stand 1988):

Land	Firma	Zellenmaterial	Fertigung in MWp	Marktanteil in %	Produktionskapazität (geschätzt) in MWp
USA	Arco Solar	CZ/a-Si	7,0	22	10 – 15
Japan	Sanyo	a-Si	2,9	9	3 – 5
USA	Chronar	a-Si	2,5	8	3 – 5
USA	Solarex	Poly/a-Si	1,6	5	3 – 5
Japan	Kyocera	Poly	1,6	5	3 – 5
Indien	CEL	Poly	2,3	4	2 – 3
Japan	Fuji	a-Si	1,2	4	2 – 3
Japan	Toiyo	a-Si	1,1	4	2 – 3
BRD	Siemens Solar	CZ/a-Si	0,9	3	2 – 3
BRD	Telefunken	Poly	0,9	3	3 – 4
Japan	Hoxan	Poly	0,8	3	9
		Summe =	21,8	70	42 – 60
	Andere Firmen	(rund 50)	~ 10	30	10 – 60
		Gesamt =	~ 32	100	~ 50 - 80

1989 startet ein dreijähriges Forschungsprojekt zur Solarzellennutzung in der Landwirtschaft, an dem BASF, Siemens, der Bezirksverband Pfalz, der Stromlieferant Pfalzwerke sowie die Universitäten Kaiserslautern und Hohenheim beteiligt sind. Dazu gehören Bewässerungsanlagen, Stall-Klimaanlagen, elektrische Weidezäune sowie die Oligolyse. Bei diesem Verfahren wird Gülle mit einem schwachen Gleichstrom von 1 – 2 A und 24 V behandelt. Mehrere Kupferstäbe in der Exkrementgrube dienen als Elektroden und scheiden Kupfer-Ionen ab, wodurch die Geruchsbelästigung deutlich vermindert wird.

Ebenfalls 1989 wird mit großem Tamtam auf Fehmarn ein Klärwerk für 7 Mio. DM eingeweiht, das seinen Eigenstrombedarf mit Solarmodulen und Windkrafträdern deckt und Überschußstrom ins Netz einspeist. (2010 ist das Projekt nur noch ein Schrotthaufen, wie man unschwer an dem Zustand der Solarpanele erkennen kann.)

Ende der 1980er Jahre hat die in Kalifornien installierte Solarzellen-Fläche bereits eine Gesamtleistung von über 70 MW.

1990 wird die schwimmende Rettungsstation Bremen der Deutschen Lebens-Rettungs-Gesellschaft e.V. (DLRG) mit einer 400 W Solarzellenanlagen ausgerüstet, mit der Radio, Funkgerät, Kühlschrank und Licht versorgt werden. Die Anlage für 12.000 DM ist ein Geschenk der Berliner Bewag.

1991 beträgt die weltweite Produktionskapazität für Solarzellen schon 60 MW. Weltweit sind PV-Anlagen mit insgesamt etwa 10 MW Netzstromerzeugung angeschlossen, darüber hinaus besteht allerdings ein weit größerer Markt für diverse Kleinanwendungen.

Nach einer Untersuchung des Marktforschungsinstituts Strategies Unlimited aus Kalifornien existieren 1992 weltweit reale Produktionskapazitäten für rund 90 MW – allerdings werden in diesem Jahr aufgrund der geringen Nachfrage tatsächlich nur 52 MW hergestellt (in Europa: 17 MW). Die ersten Solarzellenanlagen in den neuen Bundesländern werden 1992 installiert (Brandenburg: Neu Zittau / Thüringen: Gera / Sachsen: Reichenbach usw.). Pro Bundesland werden 150 derartige Anlagen als Anschauungs- und Demonstrationsobjekte zu 70 % vom BMFT gefördert. In der Schweiz plant man derweil die Umrüstung aller Bahnhöfe – auf den Dächern sollen Solarkollektoren mit eine Gesamtleistung von 24 MW installiert werden.

Im Bayerischen Wald experimentieren das Bayernwerk und Siemens Solar erstmals in Deutschland mit einer autarken Energie-Mustersiedlung. Der Weiler Flanitzhütte mit zehn Bewohnern und bis zu 60 Feriengästen wird nicht mehr über die reparaturbedürftige 20.000 Volt Freileitung versorgt, sondern mittels 840 Solarmodulen, die 40 kW erzeugen. Eine 18 t schwere wartungsfreie Gel-Pufferbatterie kann die Energieversorgung bis zu drei Tagen sicherstellen, außerdem wird ein 40 kW Gasgenerator in Reserve gehalten. Das Modellvorhaben kostet rund 3,6 Mio. DM, von denen das BMFT 1,3 Mio. trägt, und geht nach dem erfolgreichen Probebetrieb im September in Betrieb.

Ebenfalls 1992 beginnt das Tankstellenunternehmen Aral mit den Einsatz von Solaranlagen auf Tankstellen-Dächern. Erst 1999 ziehen Shell und BP Amoco nach, wobei letztere Firma innerhalb von zwei Jahren rund 50 Mio. $ für die je 400 Solarpanele pro Tankstelle investier.

Ende 1992 beträgt die Gesamtleistung aller in Deutschland installierten Photovoltaikanlagen etwa 3,6 MW. Daran hat das 1.000-Dächer-PV-Förderprogramm des Bundes und der Länder einen Anteil von über 1,1 MW (s.d.).

Schallschutzwände an Autobahnen werden erstmals 1993 südlich von Chur (Schweiz) an der N 13 installiert – eine Idee, für die der Schweizer Thomas Nordmann seit 1989 wirbt.

Kyocera, Hersteller der besonders robusten Module, soll nun insgesamt vier derartige Anlagen in der Schweiz installieren. Man geht davon aus, daß ein Kilometer Solarwand den jährlichen Energiebedarf von etwa 100 Personen decken kann.

Weitere derartige Projekte werden in einem eigenen Kapitelteil Solare Schallschutzwände umfassend dokumentiert (s.d.)

Ebenfalls 1993 installiert die evangelische Christusgemeinde in Speyer die bundesweit erste Solaranlage auf einem Kirchendach.

1993 werden weltweit etwa 60 MW Modulleistung produziert. Mit einem Anteil von 23 % (andere Quellen: 25 %) ist Siemens Solar Weltmarktführer. Das Unternehmen schreibt 1992 mit einem Verlust von über 90 Mio. DM allerdings tiefrote Zahlen.

Ab 1994 werden an der Werft Barth insgesamt 14 Leuchttonnen auf Solarbetrieb umgebaut, die in der Ostsee zwischen der Lübecker Bucht und der polnischen Grenze installiert sind.

Im selben Jahr veröffentlich die Plattenfirma Greenpeace die Kompilation Alternative NRG, deren Tracks ausnahmslos mit einem solarbetriebenen Mischpult aufgenommen worden sind. Auf der Kompilation sind insbesondere Gruppe vertreten, die sich im Umweltbereich engagieren, darunter U2, R.E.M., Midnight Oil, Sonic Youth und Soundgarden.

In Australien entsteht über eine Strecke von 2.500 km die längste Mikrowellenübertragungsstrecke der Welt – mit 41 solarbetriebenen Relais, während die RWE im Essener Stadtteil Gerschede 25 Reihenhäuser mit jeweils 2 kW (= 20 m²) Solarzellen versorgt – und mit Investitionskosten von 1,2 Mio. DM die erste Solarstromsiedlung in Europa in Betrieb nimmt.

Die historische Straßenbahn, die in der Sächsischen Schweiz seit 1898 Bad Schandau mit dem Lichtenhainer Wasserfall verbindet, soll in Zukunft mit Solarstrom fahren. Im Rahmen eines PV-Demonstrationsprojektes des BMFT erhält die Kirnitzschtalbahn auf ihrem Depot eine 40 kW leistende Anlage im Wert von 750.000 DM.

 

Ebenfalls 1994 installiert der Stromkonzern Schleswag die ersten 200 m Sonnenstromwand an der A 23 im schleswig-holsteinischen Rellingen. Die Stadtwerke Saarbrücken planen während dessen die Installation eigens entwickelter Energiewände an einem Autobahnkreuz der A 6.

Das Unternehmen Foto Quelle bringt eine Kamera auf den Markt, bei der auf die bedenklichen Lithium- oder Quecksilberbatterien verzichtet wird – statt dessen laden drei Solarzellen auf der Oberseite einen Kondensator auf, dessen Energie ausreicht, um vier Filme zu belichten.

Und für etwa 5.000 DM bietet das schwedische Unternehmen Husqvarna den ersten solarbetriebenen Rasenmäher an, der sich vollautomatisch durch den mit einem Spezialdraht eingezäunten Garten bewegt. Das von dem schwedischen Erfinder Lars Anderson entwickelte Gerät kostet zwei Jahre später immerhin nur noch ca. 4.000 DM. Vor Langfingern schützt es sich durch eine Alarmanlage mit Eingabecode.

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