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Die Erfindung der Solarzelle

2021

Der große schottische Wissenschaftler James Clerk Maxwell schrieb 1874 an einen Kollegen: „Ich sah, dass die Leitfähigkeit von Selen durch Licht beeinflusst wird. Es ist am plötzlichsten. Wirkung einer Kupferheizung unempfindlich. Das von der Sonne toll. “

Maxwell war unter vielen europäischen Wissenschaftlern fasziniert von einem Verhalten von Selen, das der wissenschaftlichen Gemeinschaft erstmals in einem Artikel von Willoughby Smith, veröffentlicht im Journal der Society of Telegraph Engineers von 1873, zur Kenntnis gebracht worden war. Smith, der Chefelektriker (Elektrotechniker) der Gutta Percha Company, verwendete Ende der 1860er Jahre Selenstangen in einem Gerät zur Erkennung von Fehlern im Transatlantikkabel vor dem Untertauchen. Obwohl die Selenbarren nachts gut funktionierten, schnitten sie schlecht ab, als die Sonne herauskam. Smith vermutete, dass die besondere Leistung von Selen etwas mit der Menge an Licht zu tun hatte, die darauf fiel, und stellte die Riegel in eine Schachtel mit einem Schiebedeckel. Wenn die Box geschlossen und das Licht ausgeschlossen war, war der Widerstand der Balken - der Grad, in dem sie den elektrischen Fluss durch sie behinderten - am höchsten und blieb konstant. Aber als der Deckel der Box entfernt wurde, stieg ihre Leitfähigkeit - die Verbesserung des elektrischen Flusses - sofort "entsprechend der Lichtintensität".

Um festzustellen, ob die Hitze der Sonne oder ihr Licht das Selen beeinflussten, führte Smith eine Reihe von Experimenten durch. In einem stellte er einen Riegel in einen flachen Wassertrog. Das Wasser verhinderte, dass die Hitze der Sonne, aber nicht ihr Licht, das Selen erreichte. Als er den Trog bedeckte und freigab, waren die erzielten Ergebnisse mit den zuvor beobachteten vergleichbar, was ihn zu dem Schluss führte, dass sich der Widerstand [der Selenbarren] je nach Lichtintensität änderte

Unter den Forschern, die nach Smiths Bericht die Wirkung von Licht auf Selen untersuchten, befanden sich zwei britische Wissenschaftler, Professor William Grylls Adams und sein Student Richard Evans Day. In den späten 1870er Jahren unterzog man Selen vielen Experimenten und zündete in einem dieser Versuche eine Kerze an, die nur wenige Zentimeter von denselben Selenstangen entfernt war, die Smith verwendet hatte. Die Nadel an ihrem Messgerät reagierte sofort. Das Abschirmen des Selens von Licht bewirkte, dass die Nadel augenblicklich auf Null fiel. Diese schnellen Reaktionen schlossen die Möglichkeit aus, dass die Wärme der Kerzenflamme den Strom erzeugt hat (ein Phänomen, das als thermische Elektrizität bekannt ist), da die Nadel beim Anlegen oder Abziehen von Wärme in thermoelektrischen Experimenten immer langsam ansteigt oder abfällt. »Von da an«, schlussfolgerten die Ermittler, »war klar, dass allein durch die Einwirkung des Lichts ein Strom im Selen erzeugt werden konnte.« 5 Sie waren zuversichtlich, etwas völlig Neues entdeckt zu haben: Dieses Licht verursachte einen Stromfluss durch ein festes Material. Adams und Day nannten den durch Licht erzeugten Strom „photoelektrisch“

Einige Jahre später brachte Charles Fritts aus New York die Technologie voran, indem er das erste fotoelektrische Modul der Welt konstruierte. Er verteilte eine breite, dünne Schicht Selen auf einer Metallplatte und bedeckte sie mit einem dünnen, halbtransparenten Blattgoldfilm. Fritts berichtete, dass dieses Selenmodul einen Strom erzeugt, der nicht nur durch Sonneneinstrahlung, sondern auch durch Verdunkelung des diffusen Tageslichts und sogar durch Lampenlicht kontinuierlich, konstant und von beträchtlicher Kraft ist In Bezug auf die Nützlichkeit seiner Erfindung sagte Fritts optimistisch voraus, dass that wir die fotoelektrische Platte möglicherweise lange im Wettbewerb mit [Kohlekraftwerken] sehen werden, den ersten Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen betrieben wurden gebaut von Thomas Edison nur drei Jahre bevor Fritts seine Absichten bekannt gab.

Fritts schickte eines seiner Solarmodule an Werner von Siemens, dessen Ruf dem von Edison ebenbürtig war. Die Stromabgabe der Panels unter Licht beeindruckte Siemens so sehr, dass der renommierte deutsche Wissenschaftler der Royal Academy of Prussia das Panel von Fritts vorstellte. Siemens erklärte der wissenschaftlichen Welt, dass die amerikanischen Module uns zum ersten Mal die direkte Umwandlung der Energie des Lichts in elektrische Energie darstellten

Siemens beurteilte die Photoelektrizität als „wissenschaftlich von größter Bedeutung“. James Clerk Maxwell stimmte zu. Er lobte das Studium der Photoelektrizität als einen sehr wertvollen Beitrag zur Wissenschaft. Doch weder Maxwell noch Siemens wussten, wie das Phänomen funktionierte. Maxwell fragte sich: »Ist die Strahlung die unmittelbare Ursache oder bewirkt sie eine gewisse Änderung des chemischen Zustands?« Siemens wagte nicht einmal eine Erklärung, sondern forderte eine gründliche Untersuchung, um festzustellen, auf welche Weise das elektromotorische Licht aufleuchtet -Einwirkung von [dem] Selen abhängt

Nur wenige Wissenschaftler sind dem Ruf von Siemens gefolgt. Die Entdeckung schien all dem zu widersprechen, was die Wissenschaft damals glaubte. Die von Adams and Day verwendeten Selenbarren und Fritts 'magische Platte waren nicht auf Wärme angewiesen, um Energie zu erzeugen, wie alle anderen bekannten Stromversorgungsgeräte, einschließlich Solarmotoren. Die meisten entließen sie daher aus dem Bereich der wissenschaftlichen Nachforschungen.

Ein tapferer Wissenschaftler, George M. Minchin, Professor für angewandte Mathematik am Royal Indian Engineering College, beklagte sich darüber, dass die Ablehnung der Photoelektrizität als wissenschaftlich nicht stichhaltig sei. Soweit wir wissen, ist '[Perspektive -] nichts weniger als Wahnsinn.' Tatsächlich kam Minchin der Erklärung, was passiert, wenn Licht auf eine Selensolarzelle trifft, unter den wenigen Experimentatoren des 19. Jahrhunderts am nächsten. Vielleicht, schrieb Minchin, "handelt es sich einfach um einen Transformator der Energie, die es von der Sonne erhält, während seine eigenen Materialien, die in diesem Prozess verwendeten Werkzeuge, nahezu unverändert bleiben können."

Zu Minchins Zeiten wies die Wissenschaft auch das Potenzial der Photoelektrizität als Stromquelle zurück, nachdem sie die Ergebnisse der Messung der Wärmeenergie der Sonne in einem glasüberzogenen Gerät mit schwarzer Oberfläche, dem idealen Absorber für Sonnenwärme, untersucht hatte. "Aber die Annahme, dass alle Formen der Energie des Sonnenstrahls von einer geschwärzten Oberfläche aufgefangen und in Wärme umgewandelt werden, kann möglicherweise falsch sein", argumentierte Minchin. Tatsächlich glaubte er, dass "es einige Formen von [Sonnen-] Energie geben könnte, die geschwärzte Oberflächen [und] vielleicht die richtigen aufnahmefähigen Oberflächen nicht beachten", um sie zu messen "und entdeckt zu werden". Minchin ahnte dies nur, wenn die Wissenschaft es tat hätten die Fähigkeit, "die Intensitäten des Lichts in Bezug auf jede [seiner] einzelnen Farben [dh die verschiedenen Wellenlängen] zu quantifizieren, könnten Wissenschaftler das Potenzial der Photoelektrizität einschätzen."

Albert Einstein teilte Minchins Vermutung, dass die Wissenschaft der damaligen Zeit nicht die gesamte von der Sonne ausgehende Energie erklären könne. Einstein zeigte in einem gewagten Artikel aus dem Jahr 1905, dass Licht ein Attribut besitzt, das frühere Wissenschaftler nicht erkannt hatten. Er entdeckte, dass Licht Energiepakete enthält, die er Lichtquanten (jetzt Photonen genannt) nannte. Er argumentierte, dass die Menge an Leistung, die Lichtquanten tragen,, wie Minchin vermutete, je nach Wellenlänge des Lichts variiert - je kürzer die Wellenlänge, desto mehr Leistung. Die kürzeste Wellenlänge enthält beispielsweise Photonen, die etwa viermal so stark sind wie die der längsten.

Einsteins kühne und neuartige Beschreibung des Lichts in Kombination mit der Entdeckung des Elektrons und der darauf folgenden Erforschung seines Verhaltens, die allesamt um die Wende des 19. Jahrhunderts stattfand, lieferte der Photoelektrizität einen wissenschaftlichen Rahmen, an dem es zuvor gefehlt hatte und der nun erklärt werden konnte das Phänomen in Bezug auf die Wissenschaft verständlich. In Materialien wie Selen tragen die stärkeren Photonen genug Energie, um schlecht verbundene Elektronen aus ihren Atombahnen zu werfen. Wenn Drähte an den Selenstangen befestigt werden, fließen die freigesetzten Elektronen in Form von Elektrizität durch diese. Experimentatoren des 19. Jahrhunderts nannten den Prozess photoelektrisch, aber in den 1920er Jahren bezeichneten Wissenschaftler das Phänomen als photovoltaischen Effekt.

Diese neue Legitimation stimulierte die weitere Erforschung der Photovoltaik und erweckte den Traum, dass die Industrien der Welt kraftstoff- und umweltfreundlich mit unerschöpflichen Sonnenstrahlen brummen könnten. Dr. Bruno Lange, ein deutscher Wissenschaftler, dessen Sonnenkollektor 1931 dem Entwurf von Fritts ähnelte, sagte voraus, dass „in nicht allzu ferner Zukunft riesige Anlagen Tausende dieser Platten verwenden werden, um Sonnenlicht in elektrischen Strom umzuwandeln, der mit Wasserkraft und Dampf konkurrieren kann Generatoren, die Fabriken betreiben und Häuser beleuchten. “Die Solarbatterie von Lange funktionierte jedoch nicht besser als die von Fritts und wandelte weit weniger als 1 Prozent des gesamten Sonnenlichts in Elektrizität um - kaum genug, um ihre Verwendung als Stromquelle zu rechtfertigen.

Die Pioniere der Photoelektrik erreichten nicht die Ziele, die sie sich erhofft hatten, aber ihre Bemühungen waren nicht umsonst. Ein Zeitgenosse von Minchin schrieb ihnen ihre "teleskopische Vorstellungskraft" zu, die den gesegneten Anblick der Sonne erblickte, die nicht mehr unerwartet in den Weltraum strömte, sondern durch fotoelektrische Zellen ... [seine] Kräfte, die in elektrischen Lagerhäusern der Das völlige Aussterben der Dampfmaschinen und die völlige Unterdrückung von Rauch. “In seinem Buch über Solarzellen von 1919 lobte Thomas Benson die Arbeit dieser Pioniere mit Selen als Vorläuferin des„ unvermeidlichen Solargenerators “. Auch Maria Telkes fühlte sich von der Selen-Legacy: "Ich persönlich glaube, dass Photovoltaik-Zellen die effizientesten Konverter von Solarenergie sein werden, wenn viele weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erfolgreich sind, um ihre Eigenschaften zu verbessern."

Ohne Durchbrüche am Horizont konnte der Leiter des Geschäftsbereichs Photoelektrizität von Westinghouse jedoch nur zu dem Schluss kommen. Die Photovoltaikzellen werden für den praktischen Ingenieur erst interessant, wenn sich der Wirkungsgrad mindestens fünfzig Mal erhöht hat. "Die Autoren von Photoelektrizität und ihre Anwendungen stimmten dem zu pessimistische Prognose, Schreiben von 1949 Es muss der Zukunft überlassen bleiben, ob die Entdeckung von wesentlich effizienteren Zellen die Möglichkeit eröffnet, Sonnenenergie für nützliche Zwecke zu nutzen. "

Nur fünf Jahre später brachte der Beginn der Siliziumrevolution die weltweit erste praktische Solarzelle hervor und versprach ein dauerhaftes Solarzeitalter. Seine Geburt ereignete sich zufällig zusammen mit dem Siliziumtransistor, dem Hauptbestandteil aller heute verwendeten elektronischen Geräte. Zwei Wissenschaftler, Calvin Fuller und Gerald Pearson von den berühmten Bell Laboratories, führten die Pionierarbeit an, die den Siliziumtransistor von der Theorie zum Arbeitsgerät führte. Pearson wurde von einem bewundernden Kollegen als "Experimentalist des Experimentalisten" beschrieben. Der Chemiker Fuller lernte, die Einführung der Verunreinigungen zu kontrollieren, die für die Umwandlung von Silizium von einem armen in einen herausragenden elektrischen Leiter erforderlich sind. Im Rahmen des Forschungsprogramms gab Fuller Pearson ein Stück Silizium mit einer geringen Galliumkonzentration. Die Einführung von Gallium hatte das Silizium positiv geladen. Als Pearson den Stab gemäß Fullers Formel in ein heißes Lithiumbad tauchte, wurde der in das Lithium eingetauchte Anteil des Siliziums negativ geladen. Wo sich das positive und das negative Silizium trafen, entwickelte sich ein permanentes elektrisches Feld. Dies ist der pn-Übergang, das Herz des Transistors und der Solarzelle, an dem alle elektronischen Aktivitäten stattfinden. Silizium, das auf diese Weise hergestellt wurde, benötigt nur eine bestimmte Menge an Energie von außen für die Aktivierung, die bei einem von Pearsons Experimenten durch Lampenlicht erzeugt wurde. Der Wissenschaftler ließ das speziell vorbereitete Silizium mit Drähten an ein Amperemeter anschließen, das zu Pearsons Überraschung einen signifikanten elektrischen Strom aufzeichnete.

Während Fuller und Pearson an der Verbesserung von Transistoren arbeiteten, hatte ein anderer Bell-Wissenschaftler, Daryl Chapin, damit begonnen, kleine Mengen intermittierender Leistung an entlegenen feuchten Orten bereitzustellen. In jedem anderen Klima würde die herkömmliche Trockenbatterie ausreichen, aber in den Tropen könnte die Lebensdauer aufgrund des durch Feuchtigkeit verursachten Abbaus zu kurz sein, erklärte Chapin voll und ganz benötigt. «Bell Laboratories ließ Chapin prüfen, ob alternative Energiequellen wie Windmaschinen, thermoelektrische Generatoren und kleine Dampfmaschinen eingesetzt werden können. Chapin schlug vor, die Untersuchung mit Solarzellen durchzuführen, und seine Vorgesetzten stimmten zu.

Ende Februar 1953 begann Chapin mit seiner Photovoltaik-Forschung. Als er eine handelsübliche Selenzelle ins Sonnenlicht stellte, stellte er fest, dass die Zelle 4, 9 Watt pro Quadratmeter produzierte. Sein Wirkungsgrad, der Prozentsatz des Sonnenlichts, der in Elektrizität umgewandelt werden konnte, betrug etwas weniger als 0, 5 Prozent. Die Sonnenenergiestudien und düsteren Ergebnisse von Chapin gingen auf Pearson zurück. Er sagte zu Chapin: »Verschwenden Sie keinen weiteren Moment mit Selen« und gab ihm die von ihm hergestellte Siliziumsolarzelle. Chapins Tests, die bei starkem Sonnenlicht durchgeführt wurden, ergaben, dass Pearson Recht hatte. Die Silizium-Solarzelle hatte einen Wirkungsgrad von 2, 3 Prozent und war damit etwa fünfmal so hoch wie die der Selenzellen. Chapin ließ die Selenforschung sofort fallen und widmete sich der Verbesserung der Siliziumsolarzelle.

Seine theoretischen Berechnungen des Potenzials waren ermutigend. Eine ideale Einheit, so dachte Chapin, könnte 23 Prozent der einfallenden Sonnenenergie zur Stromerzeugung nutzen. Er setzte sich jedoch das Ziel, einen Wirkungsgrad von fast 6 Prozent zu erreichen, die Schwelle, die die damaligen Ingenieure erreichen mussten, um Photovoltaikzellen ernsthaft als Stromquelle zu betrachten.

Chapin, der den größten Teil der Technik erledigte, musste neue Materialien ausprobieren, verschiedene Konfigurationen testen und verzweifelte Zeiten erleben, in denen nichts zu funktionieren schien. An mehreren Stellen entstanden scheinbar unüberwindliche Hindernisse. Ein großer Durchbruch gelang direkt aus der Kenntnis von Einsteins Lichtquanten (Photonen) -Arbeit. "Es scheint notwendig zu sein, unseren pn-Übergang sehr nahe an der Oberfläche anzubringen", stellte Chapin fest, dass die stärkeren Photonen, die zu Licht mit kürzeren Wellenlängen gehören, Elektronen effektiv dorthin bewegen könnten, wo sie als Elektrizität gewonnen werden könnten. Um eine solche Zelle zu bauen, musste man mit Fuller zusammenarbeiten. Chapin beobachtete auch, dass die glänzende Oberfläche von Silizium viel Sonnenlicht reflektierte, das absorbiert und verwendet werden konnte, und beschichtete seine Oberfläche mit einem matten transparenten Kunststoff. Das Hinzufügen von Bor auf der Oberseite der Zelle ermöglichte eine bessere Photonengewinnung, indem ein guter elektrischer Kontakt auf den Siliziumstreifen ermöglicht wurde, während der pn-Übergang nahe an der Oberfläche gehalten wurde. Chapin siegte schließlich und erreichte sein 6-Prozent-Ziel. Er konnte die von ihm gebauten Zellen nun souverän als „Power Photozellen“ bezeichnen, die als primäre Energiequellen dienen sollten. Das Trio baute eine Reihe von Arrays und demonstrierte diese bei ausreichender Reproduzierbarkeit und Effizienz der Zellen eine Pressekonferenz und das jährliche Treffen der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Stolze Führungskräfte von Bell präsentierten der Presse am 25. April 1954 die Bell-Solarbatterie und zeigten eine Reihe von Zellen, die sich beim Betrieb eines 21-Zoll-Riesenrads ausschließlich auf leichte Leistung stützten. Am nächsten Tag ließen die Bell-Wissenschaftler einen solarbetriebenen Radiosender laufen, der Stimme und Musik an Amerikas Spitzenwissenschaftler sendete, die sich zu einem Treffen in Washington DC versammelten. Die Presse nahm Kenntnis. US News & World Report spekulierte aufgeregt in einem Artikel mit dem Titel "Fuel Unlimited": "Die [Silizium-] Bänder liefern möglicherweise mehr Strom als alle Kohle-, Öl- und Uran-Bänder der Welt. Ingenieure träumen von Silizium-Band-Kraftwerken." Die New York Times stimmte dem zu und stellte auf Seite 1 fest, dass die Arbeit von Chapin, Fuller und Pearson, die zur ersten Solarzelle führte, die in der Lage ist, nützliche Strommengen zu erzeugen, den Beginn einer neuen Ära markieren und schließlich zur Realisierung von führen könnte einer der am meisten geschätzten Träume der Menschheit - die Nutzung der nahezu grenzenlosen Energie der Sonne für die Zwecke der Zivilisation. "

Aus dem Buch Let It Shine. Copyright © 2013 von John Perlin. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung der New World Library.

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