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Da die Fotovoltaik eine Schlüsselrolle für die zukünftige Stromversorgung der Schweiz, aber auch der Welt insgesamt, spielen wird, sei hier die Entwicklung dieser Technologie kurz wiedergegeben.
Die Fotovoltaik beruht auf dem Prinzip der Dioden, eines elektronischen Bauteils. Hier wird eine Diode genutzt, welche aus Sonnenlicht, das heisst aus dem Einfall von Photonen, elektrischen Strom erzeugen kann. Dieses Prinzip wurde erstmals 1839 durch den französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. Albert Einstein erklärte den Effekt theoretisch 1905. Die erste Fotozelle auf Basis von monokristallinem Silizium wurde dann erst 1941 entwickelt. Kurz vorher wurde entdeckt, dass der Effekt auch mit Cadmium-Selenid (CdS) erzeugt werden kann.
Ab 1950 wurde in Deutschland und den USA die Entwicklung funktionstüchtiger Fotovoltaikmodule intensiviert, insbesondere um Raumfahrzeuge mit Energie zu versorgen. Ab 1955 konnten erste CdS-PV-Zellen mit 6 % Wirkungsgrad produziert werden. Ziel war es, an Satelliten Strom zu produzieren. 1958 wurden erste PV-Zellen auf Siliziumbasis produziert. Zur gleichen Zeit wurde der erste Satellit mit einem PV-System an Bord gestartet. 1959 kamen in den USA erste kommerzielle PV-Module auf den Markt, mit 10 % Wirkungsgrad, ein Jahr später bereits mit 14 % Wirkungsgrad. 1961 fand eine erste UN-Konferenz statt, an der die Anwendung von Fotovoltaik besprochen wurde. 1963 kam das erste nutzbare Silizium-PV-Modul von Sharp Cooperation auf den Markt. Dann sollte es noch etwa 47 Jahre dauern, bis die Fotovoltaik etwa im Jahr 2010 endgültig ihren Siegeszug rund um die Welt antrat. 1976 startete die Nutzung von PV-Systemen für die Stromproduktion mit Netzanbindung. In diesem Jahr wurden weltweit ca. 1 MW an PV-Modulen hergestellt (Abb. 10). In der Schweiz wurde 1979 die erste PV-Anlage mit Netzeinspeisung errichtet, mit 2 kW Leistung.12 Ein weiterer Meilenstein in der Schweiz war 1992 die Einweihung des damals grössten PV-Kraftwerkes in Europa mit 500 kW AC-Leistung auf dem Mont Soleil. Diese Anlage produziert seitdem fast ohne Degradation zuverlässig ca. 550 MWh Solarstrom pro Jahr.
Abb. 10: Herstellung von PV-Modulen nach Regionen 13
Im Jahr 2019 wurden weltweit etwa 115 GW neue PV-Module installiert. Dies entspricht der Leistung von ca. 100 Kernkraftwerken der Grösse von Leibstadt. Die Gestehungskosten für Solarstrom sanken seit 1992 um mehr als den Faktor 20, von mehr als 1.20 CHF/kWh auf ca. 5 Rp./kWh für grosse Anlagen in der Schweiz, und auf 2 Rp/kWh für neue grosse Anlagen in südlichen Ländern. Mit grossen Fotovoltaikanlagen an guten Standorten kann heute Strom so billig wie mit keiner anderen Technologie erzeugt werden.
Abb. 11: Produktion PV-Module nach Technologie 14
Nicht so rasch wie der Zerfall der PV-Modulpreise und die Zunahme der Produktion von PV-Modulen erfolgte die Verbesserung des Wirkungsgrades der Fotovoltaikzellen. Von den max. 14 % im Labor gemessenen Wirkungsgrad ums Jahr 1960 stieg dieser bis heute auf etwa 24 % für monokristalline Zellen. Die besten PV-Module mit monokristallinen Siliziumzellen erreichen 2020 etwa 21 % Modulwirkungsgrad. Dieser Technik werden für die Jahre nach 2020 die grössten Chancen auf dem Weltmarkt eingeräumt. Aufgrund verbesserter Herstellung monokristalliner Siliziumkristalle wird diese Technik die bisher noch verbreiteten multikristallinen PV-Zellen wohl verdrängen. Alle anderen, seit vielen Jahren entwickelten Technologien, wie Dünnschichtmodule und amorphe Zellen auf der Basis anderer Materialien als Silizium, konnten sich bisher auf dem Weltmarkt nicht durchsetzen.