Solarzellen

Ein kleiner Taschenrechner ohne Batteriefach rechnet trotzdem los, sobald Licht auf das dunkle Feld über den Tasten fällt. Dieses Feld ist eine Solarzelle, und sie kann etwas Erstaunliches: Sie verwandelt Licht direkt in elektrischen Strom, ohne Umweg über Feuer, Dampf oder Bewegung. Nichts dreht sich, nichts verbrennt, nichts nutzt sich ab. Dasselbe Prinzip versorgt Satelliten im All, Parkautomaten am Straßenrand und ganze Hausdächer. Wie schafft ein stilles Stück Material das?

Licht wird Strom

Eine Solarzelle besteht fast immer aus Silizium, demselben Halbleiter, aus dem auch Computerchips gemacht werden. In die Zelle werden zwei hauchdünne Schichten mit unterschiedlichen Fremdatomen eingebaut, und an ihrer Grenze entsteht ein eingebautes elektrisches Feld. Trifft nun Licht auf die Zelle, schlagen seine Energiepakete, die Photonen, einzelne Elektronen aus ihren Plätzen im Silizium. Das eingebaute Feld schiebt diese freien Elektronen alle in dieselbe Richtung, und sobald die Zelle in einem Stromkreis steckt, fließt ein Strom. Die erste brauchbare Siliziumzelle zeigten Forscher der Bell Labs im Jahr 1954, sie verwandelte etwa 6 Prozent des Lichts in Strom und galt als Sensation.

Wie viel Strom die Zelle liefert, hängt dabei direkt vom Licht ab. Je heller die Sonne scheint, desto mehr Photonen treffen pro Sekunde auf die Zelle, desto mehr Elektronen werden losgeschlagen, und desto größer ist der Strom. Dem Taschenrechner reicht deshalb schon das schwache Licht einer Schreibtischlampe für seine winzige Anzeige, ein Dachmodul dagegen bringt seine volle Leistung erst in praller Sonne. Aus demselben Grund richten Ingenieure Solarmodule so aus, dass die Sonne möglichst senkrecht auf sie trifft: Fällt das Licht schräg ein, verteilt sich dieselbe Lichtmenge auf eine größere Fläche.

Vom Taschenrechner zum Kraftwerk

Eine einzelne Zelle liefert nur etwa 0,5 Volt, weniger als eine Taschenlampenbatterie. Deshalb schalten Hersteller viele Zellen in Reihe, sodass sich ihre Spannungen addieren, und schützen sie gemeinsam unter Glas: fertig ist das Solarmodul. Ein modernes Dachmodul ist rund 2 Quadratmeter groß, leistet in voller Sonne über 400 Watt und verwandelt gut 20 Prozent des einfallenden Lichts in Strom. Diesen Anteil nennt man Wirkungsgrad. Aus der Zelle kommt dabei Gleichstrom, ein Wechselrichter macht daraus den Wechselstrom für die Steckdose. Schon 1958 flogen die ersten Solarzellen mit dem Satelliten Vanguard 1 ins All, heute bedecken sie Hausdächer und riesige Solarparks.

Stark, aber launisch

Die größte Schwäche der Solarzelle kennt jeder: Nachts liefert sie nichts, und an einem trüben Wintertag oft weniger als ein Zehntel ihrer vollen Leistung. Deshalb gehören Speicherbatterien und andere Kraftwerke als Partner dazu. Dafür ist die Technik unschlagbar günstig geworden: Die Preise für Module sind seit 2010 um mehr als 90 Prozent gefallen, und in vielen Ländern ist Sonnenstrom heute die billigste Art, neue Elektrizität zu erzeugen. Aus der Laborkuriosität von 1954 ist so eine der wichtigsten Energiequellen der Welt geworden, und sie wächst schneller als jede andere.