Photovoltaik: Licht zu Strom - und die Decke darüber
Photovoltaik ist die am stärksten ausgebaute Erzeugungstechnik des vergangenen Jahrzehnts und diejenige, deren Preissturz nahezu jede Prognose verfehlt hat. Die Physik ist hundert Jahre alt und hat sich kaum geändert. Geändert hat sich die Fertigung - und zu verstehen, warum die Zelle eine harte Decke hat, erklärt zugleich, warum der Fortschritt jahrzehntelang langsam wirkte und warum stattdessen die Kosten fielen.
Was in der Zelle geschieht
Licht kommt als Photonen an, und ein Photon mit genügend Energie kann in einem Halbleiter ein Elektron aus seiner Bindung schlagen und eine positiv geladene Leerstelle zurücklassen, ein sogenanntes Loch. So weit ist das der photoelektrische Effekt, und für sich genommen liefert er nichts Nutzbares: Elektron und Loch treiben umher und rekombinieren binnen Mikrosekunden, wobei die Energie wieder als Wärme frei wird.
Die Photovoltaikzelle fügt das Stück hinzu, das daraus eine Energiequelle macht. Zwei Schichten Silizium werden unterschiedlich dotiert - eine mit geringem Elektronenüberschuss, eine mit geringem Mangel -, und wo sie aufeinandertreffen, verschiebt sich Ladung, bis sich über den Übergang ein dauerhaftes inneres elektrisches Feld ausbildet. Das ist der p-n-Übergang, und das Feld beträgt typischerweise einen Bruchteil eines Volts über einen Bereich von unter einem Mikrometer.
Setzt ein Photon innerhalb oder nahe dieses Bereichs ein Paar frei, schiebt das Feld das Elektron in die eine und das Loch in die andere Richtung, bevor sie rekombinieren können. Getrennte Ladungen an den beiden Kontakten ergeben eine Spannung, und ein angeschlossener Stromkreis lässt die Elektronen den langen Weg zurück nehmen, wobei sie Arbeit verrichten.
Das ist direkte Umwandlung im strengen Sinn, ohne Zwischenstufe Wärme. Die thermischen Grenzen, die ein Kohle- oder Kernkraftwerk bei 33 bis 45 Prozent deckeln, greifen nicht. Eine Photovoltaikzelle hat ihre eigene Decke, und die kommt von ganz woanders.
Das Shockley-Queisser-Limit
1961 fragten William Shockley und Hans-Joachim Queisser, was die bestmögliche Zelle mit einem Übergang leisten kann, allein aus dem Sonnenspektrum und den Hauptsätzen der Thermodynamik heraus. Die Antwort lautete rund 33 Prozent, und keine Einzelübergangszelle aus irgendeinem Material hat das je überschritten.
Die Begründung hängt an der Bandlücke - der geringsten Photonenenergie, die ein bestimmter Halbleiter braucht, um ein Elektron freizusetzen. Bei Silizium sind das etwa 1,1 Elektronenvolt. Jedes Photon mit weniger Energie geht geradewegs durch die Zelle hindurch und trägt überhaupt nichts bei; im Sonnenlicht sind das rund 20 Prozent der ankommenden Energie, größtenteils Infrarot.
Jedes Photon mit mehr Energie setzt genau ein Elektron frei, nicht mehr, und die überschüssige Energie geht im Kristall unmittelbar als Wärme verloren. Ein blaues Photon trägt fast drei Elektronenvolt; die Zelle behält 1,1 davon und verwirft den Rest. Dieser Thermalisierungsverlust macht weitere etwa 30 Prozent aus.
Die beiden Verluste ziehen in entgegengesetzte Richtungen, und genau das macht die Grenze zur Grenze. Senkt man die Bandlücke, um mehr Infrarot einzufangen, wächst die Thermalisierungsverschwendung. Hebt man sie, um die Verschwendung zu senken, gehen mehr Photonen ganz verloren. Bei etwa 1,3 Elektronenvolt gleichen sich beide aus, und Silizium liegt mit 1,1 nah genug daran, dass seine Verfügbarkeit und Reife den Unterschied aufwiegen.
Mehrfachzellen entkommen dem, indem sie Schichten mit verschiedenen Bandlücken stapeln, von denen jede einen Ausschnitt des Spektrums nimmt. Unter konzentriertem Licht überschreiten sie 47 Prozent und kosten weit zu viel für alles außer Satelliten und Konzentratoranlagen. Perowskit-Schichten auf Silizium sind der aktuelle Versuch, dasselbe günstig zu erreichen.
Warum der Preis zusammenbrach
Der Zellwirkungsgrad hat sich langsam und stetig verbessert: Handelsübliche Siliziummodule stiegen von rund 15 Prozent im Jahr 2010 auf heute 22 bis 24 Prozent. Das ist ein spürbarer Gewinn, und er ist nicht das, was die Branche verändert hat.
Verändert haben sich die Kosten je Watt, die zwischen 1975 und heute um über 99 Prozent fielen und allein in den 2010er Jahren um rund 90 Prozent. Der Mechanismus war die Fertigungsmenge und die damit verbundene Lernkurve: Jede Verdopplung der kumulierten Produktion brachte historisch eine Preissenkung von etwa 20 Prozent - ein Zusammenhang, der vier Jahrzehnte und drei Produktionskontinente lang gehalten hat.
Praktisch bedeutete das größere Wafer, dünnere Scheiben, weniger Silber in den Kontakten, Drahtsägen mit Diamantbesatz, die weniger Material vernichten, und Fabriken im Gigawatt- statt im Megawattmaßstab. Nichts davon ist spektakuläre Physik. Alles davon ist der Grund, warum Photovoltaik heute in den meisten Teilen der Welt die günstigste Quelle neuen Stroms ist.
Für die Zukunft der Technik folgt daraus, dass Wirkungsgradgewinne weniger zählen als früher. Als Module teuer waren, rechtfertigte ein Prozentpunkt Wirkungsgrad erhebliche Mehrkosten. Da Module heute günstig sind, bestimmen die übrigen Systemkosten - Gestell, Verkabelung, Wechselrichter, Arbeit, Genehmigung - den Installationspreis, und die sinken mit dem Wirkungsgrad nur mittelbar.
Was Photovoltaik löst und was nicht
Eine Solarzelle liefert Leistung in dem Augenblick, in dem Licht auftrifft, und hört auf, sobald das Licht aufhört. Es gibt keine Schwungmasse, keinen Brennstoffvorrat, keine Anfahrrampe. Kapazitätsfaktoren liegen entsprechend zwischen etwa 10 Prozent in Nordeuropa und 25 Prozent in Wüstenregionen - eine Anlage mit einem Megawatt liefert also im Jahresmittel 100 bis 250 Kilowatt.
Das ist eine Eigenschaft der Ressource und kein Mangel der Technik, und dieselbe Unterscheidung gilt für Windkraft. Die technische Antwort besteht entweder darin, den Überschuss zu speichern - weshalb Energiespeicher und Photovoltaik gemeinsam gewachsen sind -, oder darin, sie mit Erzeugung zu koppeln, die unabhängig vom Wetter läuft.
Die tägliche Diskrepanz ist die leichtere Hälfte. Solarstrom hat mittags seine Spitze, der Bedarf am Abend, eine Lücke von wenigen Stunden, die Batterien gut abdecken und die den Vierstundenspeicher zum Standardprodukt im Netz gemacht hat. Die saisonale Diskrepanz ist schwerer: In nördlichen Breiten kann der Dezemberertrag ein Zehntel des Juniertrags betragen, und keine Batterieflotte überbrückt eine Jahreszeit.
Dieser Rest ist der Grund, warum ein Netz nicht aus Photovoltaik allein besteht, und warum Forschung an Quellen, die durchgehend erzeugen - von Geothermie und Kernspaltung bis zu Umgebungsenergie-Ansätzen, die noch im Labor stehen -, einen anderen Teil des Problems adressiert statt um denselben zu konkurrieren.
Häufige Fragen
Wie hoch ist der maximale Wirkungsgrad eines Solarmoduls?
Bei einer Siliziumzelle mit einem Übergang rund 33 Prozent, festgelegt durch das Shockley-Queisser-Limit. Handelsübliche Module erreichen 22 bis 24 Prozent, Laborzellen aus Silizium etwa 27. Mehrfachzellen stapeln verschiedene Materialien und überschreiten unter konzentriertem Licht 47 Prozent, zu Kosten, die sie auf Satelliten und Spezialanlagen beschränken.
Warum kann eine Solarzelle nicht das gesamte Sonnenlicht nutzen?
Wegen zweier unvermeidbarer Verluste. Photonen mit weniger Energie als die Bandlücke gehen hindurch, ohne ein Elektron freizusetzen - bei Silizium rund 20 Prozent des Sonnenlichts. Photonen mit mehr Energie setzen je ein Elektron frei und verschwenden den Überschuss als Wärme, weitere etwa 30 Prozent. Die Bandlücke zu ändern senkt den einen Verlust und erhöht den anderen.
Ist eine Solarzelle dasselbe wie der photoelektrische Effekt?
Der photoelektrische Effekt ist der zugrunde liegende Schritt: Ein Photon setzt ein Elektron frei. Eine Photovoltaikzelle ergänzt einen p-n-Übergang, dessen inneres elektrisches Feld das freigesetzte Elektron von seinem Loch trennt, bevor beide rekombinieren - und genau das macht aus dem Effekt eine nutzbare Spannung.
Warum wurde Solarstrom so schnell so günstig?
Durch Fertigungsmengen, nicht durch Physik. Die Modulkosten je Watt fielen mit jeder Verdopplung der kumulierten Produktion um rund 20 Prozent, ein Zusammenhang, der vier Jahrzehnte gehalten hat. Der Wirkungsgrad stieg ebenfalls, von etwa 15 auf 23 Prozent seit 2010, aber der Preissturz kam aus Fabriken, Waferhandhabung und Materialeinsatz.
Wann hat ein Solarmodul die Energie seiner Herstellung zurückgezahlt?
Je nach Standort und Strommix der Fertigung nach etwa sechs Monaten bis zwei Jahren, bei einer Nutzungsdauer von 25 bis 30 Jahren und einer Leistung, die im Jahr 25 typischerweise noch über 80 Prozent des Anfangswerts liegt. Die Siliziumreinigung ist der energieintensivste Schritt, weshalb die Rückzahlung kürzer ausfällt, wo das Fabriknetz sauberer ist.
