Die Sonne ist eine unerschöpfliche Energiequelle. Selbst wenn der Himmel grau und bewölkt ist, kommen Sonnenstrahlen auf der Erde an. Sie lassen sich zur Stromerzeugung nutzen. Nötig dazu ist eine Photovoltaik-Anlage.
Der Begriff Photovoltaik setzt sich aus dem griechischen Wort für Licht ("Photos") und dem Namen des Erfinders der Batterie, Alessandro Volta, zusammen. Gemeint ist die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom. In der Natur bewirkt Sonnenlicht einen einzigartigen Prozess, die das Leben erst möglich macht: Pflanzen erzeugen aus Sonnenlicht Energie, in diesem Fall Sauerstoff. Solarzellen funktionieren ähnlich.
Ihre Entwicklung begann 1839. Da entdeckte der französische Physiker Alexandre Becquerel den photovoltaischen oder photoelektrischen Effekt. Er beobachtete, wie die elektrische Spannung in einer Batterie bei der Bestrahlung mit Licht zunahm. Warum das so war, konnte Becquerel sich noch nicht erklären. 1883 baute der US-Amerikaner Charles Fritts das erste Solarmodul aus Selen-Solarzellen.
Mit der Sonne ins All
Das erste große Einsatzgebiet der Photovoltaik war die Raumfahrt. Aus der Not heraus geboren, denn im All ist jedes Kraftwerk weit weg. Zunächst setzten die Wissenschaftler auf Batterien, doch die versagten unweigerlich nach einer gewissen Zeit. Der erste Fernmelde-Satellit "Sputnik" blieb 1957 nur drei Wochen im All – dann waren die Batterien leer. Die USA waren dennoch schockiert vom erfolgreichen Projekt des Rivalen Sowjetunion. Ein Erfolg musste her. Der deutsche Weltraum-Ingenieur Hans Ziegler empfahl den US-Weltraumforschern, Solarzellen einzusetzen. Diese würden von der Sonne immer wieder aufgeladen. Die Skepsis war enorm, führende Ingenieure beharrten auf der Batterielösung. Doch schließlich startete 1958 der Satellit Vanguard I ins All, ausgerüstet mit Batterien und Solarzellen. Ein Erfolg. Der Satellit sendete sechs Jahre lang Signale an die Erde, betrieben mit Solarstrom. Damit hatte Solarzellen ihr erstes großes Einsatzgebiet gefunden. Für viele Jahre wurden Solarzellen fast ausschließlich für Raumfahrtzwecke weiterentwickelt. Heute beziehen fast alle der weltweit rund 1000 Satelliten im All ihren Strom aus Solarzellen. Die Raumsonde Juno, die 2011 gestartet ist und nach fünf Jahren Reisezeit den Jupiter erreichen soll, fliegt ebenfalls mit "Sonnenkraft".
Bereits 1954, schon vor seinem "Tipp" an die US-Weltraumforscher hatte der Weltraum-Ingenieur Hans Ziegler eine "Vision": "Die Belegung aller Dächer der Städte und Gemeinden würde ausreichen, um den gesamten Bedarf an elektrischer Energie für das Land zu decken." Die terrestrische Nutzung der Solarkraft begann dort, wo das nächste Kraftwerk weit entfernt war: Auf Ölbohrinseln, im australischen Outback, bei der Küstenwache der USA. Hier wurden die ersten Photovoltaikanlagen installiert und meist mit Erfolg betrieben. Der Erfolg dieser Projekteließ das Vertrauen in die Solar-Technologie wachsen. Der Störfall im Atomkraftwerk Harrisburg und die Ölkrise 1979 stießen zudem ein Umdenken in Richtung regenerativer Energien an.
Von Halbleitern und Wafern
In den letzten Jahrzehnten hat sich die Technik, aus Sonne Strom zu gewinnen, weiterentwickelt. Solarenergie ist ein Hoffnungsträger der Energiewende. Immer mehr private Haushalte, kommunale Einrichtungen und Unternehmen entscheiden sich für eine Solaranlage. Der gewonnen Strom kann selbst genutzt oder ins Netz eingespeist, also verkauft werden. Riesige Solarparks können mehrere Tausend Haushalte mit Strom versorgen. Mini-Solaranlagen betreiben Parkuhren in Innenstädten. Doch wie funktioniert eine solche Solaranlage, die Photovoltaik, auf dem Dach genau?
Solarzellen sind elektrische Bauteile aus Halbleitermaterialien. Halbleiter sind Stoffe, die bei Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden. Das gängigste Halbleiter-Material zur Produktion von Solarzellen ist Silizium. Bei der Produktion eines "Wafers", der hauchdünnen Scheiben in einer Solarzelle, wird das Silizium "dotiert". Das bedeutet, zwei zusätzliche Elemente, meist Bor und Phosphor, werden hinzugefügt. Dadurch entstehen zwei Schichten: eine mit positivem, eine mit negativem Ladungsträgerüberschuss. An der Grenze entsteht ein sogenannter p-n-Übergang.
Wenn die Elektronen wandern gehen
Im Inneren der Sonne schmelzen bei mehreren Millionen Grad Celsius Atomkerne. Die Energie, die dabei entsteht, kommt auf der Erde als Sonnenstrahlen an. Das Sonnenlicht besteht aus kleinen Teilchen, den Photonen. Wenn sie auf die hauchdünnen Scheiben aus Silizium treffen, lösen sich Elektronen aus der Oberfläche heraus. Am p-n-Übergang entsteht ein Elektronenaustausch. Damit Strom fließen kann, brauchen die Elektronen noch einen Ausgang, also etwa einen Draht.
Deshalb ist die Oberfläche des Wafers mit feinem Draht überzogen, dem Grid. Mehrere Solarzellen werden miteinander verlötet, auf eine Glasplatte geklebt und mit einem Rahmen verklebt: Fertig ist das Solarmodul. Nötig ist dann noch ein Wechselrichter, der den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Das Gute daran: Solarzellen können nicht verschleißen. Denn die Elektronen, die von den Photonen aus dem Sonnenlicht von ihrem Platz "geschubst" werden, kehren wieder an ihren Platz zurück nachdem sie durch den Draht gewandert sind.
Die Photovoltaik der Zukunft soll in der Lage sein, einen noch größeren Teil der Sonneneinstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln. Ob und wie schnell die Technik sich weiterentwickelt, ist offen. Klar ist: Jährlich trifft eine Menge an Sonnenenergie auf der Erde ein, die 15.000 mal größer ist als der weltweite Energieverbrauch. An mangelndem Angebot wird die Solartechnik also nicht scheitern.
