Von Bell Labs bis zur Solarindustrie: Die Geschichte der Siliciumsolarzelle

13.10.2026

1954 präsentierten drei Forscher der Bell Laboratories eine Siliciumsolarzelle mit rund sechs Prozent Wirkungsgrad. Aus einer Stromquelle für abgelegene Telefonanlagen wurde zunächst Raumfahrttechnik und schließlich eine weltweite Industrie – dank besserer Wafer, neuer Zellarchitekturen und immer günstigerer Fertigung.

Von Bell Labs bis zur Solarindustrie: Die Geschichte der Siliciumsolarzelle

Bild: ChatGPT

Am 25. April 1954 stellten die Bell Laboratories in Murray Hill, New Jersey, eine Erfindung vor, die zunächst wenig spektakulär aussah: kleine, dunkel glänzende Plättchen aus Silicium, zusammengeschaltet zu einer sogenannten Solar Battery. Unter Sonnenlicht lieferte diese Anordnung genug elektrischen Strom, um unter anderem ein kleines Spielzeug-Riesenrad anzutreiben und einen Funksender zu versorgen. Was die Vorführung besonders machte, war nicht die geringe Leistung, sondern ihre Herkunft: Die elektrische Energie entstand unmittelbar im Halbleiter, ohne bewegliche Teile, Brennstoff oder Generator.

Die Entwickler Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson erreichten mit ihren Zellen ungefähr sechs Prozent Wirkungsgrad. Heute klingt das bescheiden. Für die damalige Photovoltaik war es ein gewaltiger Fortschritt, denn ältere Selenzellen wandelten weniger als ein Prozent des einfallenden Sonnenlichts in elektrische Energie um. Dennoch konnte 1954 niemand erwarten, dass aus den handgefertigten Laborzellen einmal ein Industriezweig mit gigantischen Fertigungslinien für Siliciumwafer, Solarzellen und Solarmodule entstehen würde. Dazu waren noch viele technische Hürden zu überwinden – und die ersten wirklich überzeugenden Kunden kamen nicht aus der Elektrizitätswirtschaft, sondern aus der Raumfahrt.

1839–1883: Sonnenlicht erzeugt Strom

Die Geschichte der Solarzelle begann mehr als ein Jahrhundert vor der Vorführung bei Bell Labs. 1839 beobachtete der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel, dass in einer elektrochemischen Anordnung unter Lichteinfall eine elektrische Spannung beziehungsweise ein Strom entstehen konnte. Das Experiment zeigte den photovoltaischen Effekt, führte aber noch nicht zu einer brauchbaren Energiequelle.

1873 entdeckte Willoughby Smith bei Untersuchungen für die Telegrafentechnik, dass sich die elektrische Leitfähigkeit von Selen unter Beleuchtung verändert. Zehn Jahre später fertigte der amerikanische Erfinder Charles Fritts Solarzellen aus Selen, das mit einer sehr dünnen Goldschicht bedeckt war. Damit entstand ein früher Festkörperansatz zur direkten Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Die Ausbeute blieb allerdings so niedrig, dass diese Zellen keine realistische Alternative zu den damals etablierten Stromquellen darstellten.

Die zentrale Schwierigkeit bestand darin, dass Licht zwar Ladungsträger im Material beeinflussen kann, aus dieser Anregung aber noch kein nennenswerter nutzbarer Strom wird. Dafür müssen positive und negative Ladungen wirksam voneinander getrennt und über geeignete Kontakte abgeführt werden. Erst mit einem tieferen Verständnis von Halbleitern und ihren Grenzschichten wurde aus einem interessanten physikalischen Effekt die Grundlage eines zuverlässigen Bauelements.

1940: Russell Ohl entdeckt den entscheidenden Übergang

Bei Bell Labs untersuchte der Halbleiterforscher Russell Shoemaker Ohl Siliciumproben für elektronische Gleichrichter. Um 1940 fiel ihm auf, dass eine Probe unter Beleuchtung eine deutliche elektrische Wirkung zeigte. An einer Grenze zwischen unterschiedlich verunreinigten Bereichen des Kristalls hatte sich ein pn-Übergang gebildet. Ohls Untersuchungen und seine darauf aufbauende Patentanmeldung machten eine wichtige Eigenschaft von Silicium sichtbar: Ein geeigneter Halbleiterübergang konnte Lichtenergie unmittelbar in elektrische Energie umwandeln.

Bei einem pn-Übergang treffen zwei unterschiedlich dotierte Bereiche aufeinander. Im p-Gebiet sind Löcher die beweglichen Mehrheitsladungsträger, im n-Gebiet Elektronen. Durch Ladungsausgleich bildet sich an der Grenzfläche eine Raumladungszone mit einem eingebauten elektrischen Feld. Wird im Halbleiter Licht absorbiert, können Elektron-Loch-Paare entstehen. Gelangen diese Ladungsträger in den Einflussbereich des Feldes, werden sie getrennt; eine äußere elektrische Verbindung ermöglicht dann den Stromfluss durch einen Verbraucher.

Ohls Solarzelle erreichte allerdings nur etwa ein Prozent Wirkungsgrad. Das Prinzip war damit nachgewiesen, doch geeignete Kristallqualität, kontrollierte Dotierung und stabile elektrische Kontakte fehlten noch. Genau an diesen Punkten setzte die Halbleiterforschung der nächsten Jahre an.

1953: Drei Forscher, drei unterschiedliche Aufgaben

Daryl Chapin arbeitete bei Bell Labs an der Frage, wie sich abgelegene Telefonanlagen mit elektrischer Energie versorgen ließen. Besonders an feuchten, schwer zugänglichen Standorten waren Batterien problematisch: Sie mussten ausgetauscht werden und waren unter ungünstigen Bedingungen nicht zuverlässig genug. Chapin prüfte mehrere Möglichkeiten der dezentralen Stromversorgung und experimentierte auch mit Selen-Solarzellen. Deren geringe Leistungsfähigkeit war jedoch enttäuschend.

Zur gleichen Zeit beschäftigten sich der Chemiker Calvin Souther Fuller und der Physiker Gerald Pearson mit der gezielten Veränderung der elektrischen Eigenschaften von Halbleitern. Fuller untersuchte Diffusionsverfahren, mit denen Fremdatome in Silicium eingebracht werden konnten. Pearson überprüfte die elektrischen Eigenschaften entsprechender Proben. Als er an einer dotierten Siliciumprobe einen auffallend starken photovoltaischen Effekt beobachtete, erkannte er die Verbindung zu Chapins Problem.

Aus drei zunächst getrennten Forschungsrichtungen wurde ein gemeinsames Projekt: Chapin brachte die Anforderungen an eine praktische Energiequelle ein, Fuller die chemisch-technologischen Verfahren für die Dotierung und Pearson das Verständnis der Halbleiterphysik sowie die elektrische Charakterisierung. Dass sich die Arbeiten bei Bell Labs gegenseitig ergänzten, war entscheidend. Eine Solarzelle erforderte nicht nur eine Idee, sondern ein reproduzierbares Herstellungsverfahren.

1954: Die erste praktisch nutzbare Siliciumsolarzelle

Die ersten vielversprechenden Siliciumproben waren noch nicht ausreichend stabil. Unter anderem erwies sich Lithium als problematisch, weil es sich im Kristall bewegen und damit die Lage des pn-Übergangs verändern konnte. Das Team verfeinerte deshalb die Dotierung, arbeitete mit Bor und Arsen und entwickelte zuverlässigere elektrische Kontakte. Entscheidend war, dass der photovoltaisch aktive Übergang nahe genug an der beleuchteten Oberfläche lag und die erzeugten Ladungsträger nicht überwiegend durch Rekombination verloren gingen.

Am Ende stand eine kleine Siliciumsolarzelle, die etwa sechs Prozent der eingestrahlten Lichtenergie in elektrische Energie umsetzen konnte. Gegenüber den bis dahin bekannten Selenzellen bedeutete das eine Verbesserung um ein Vielfaches. Mehrere Zellen ließen sich elektrisch zusammenschalten und unter Beleuchtung als Stromquelle einsetzen. Am 25. April 1954 präsentierten die Bell Laboratories das Ergebnis der Öffentlichkeit; einen Tag später berichteten auch große amerikanische Zeitungen darüber.

Die Bezeichnung Solar Battery war anschaulich, aber technisch nicht ganz präzise. Eine Solarzelle speichert elektrische Energie nicht wie eine elektrochemische Batterie. Sie erzeugt bei Lichteinfall einen elektrischen Strom; für eine Versorgung während der Dunkelheit wird weiterhin ein Speicher benötigt. Schon dieser Unterschied deutete an, welche zusätzlichen Komponenten für spätere Solaranlagen erforderlich sein würden.

Der große Nachteil der neuen Zellen lag im Preis. Reines, einkristallines Silicium war schwer herzustellen, die Bearbeitung aufwendig und die Produktion kaum automatisiert. Als großflächiger Ersatz für Kraftwerke war die Erfindung wirtschaftlich noch völlig ungeeignet. Für Anwendungen, in denen ein Wechsel der Energiequelle teuer oder unmöglich war, ergab sich jedoch eine andere Rechnung.

1958: Die Raumfahrt wird zum ersten großen Anwendungsfeld

Am 17. März 1958 starteten die Vereinigten Staaten den Satelliten Vanguard 1. Er war mit Siliciumsolarzellen ausgestattet, die einen seiner Funksender versorgten. Anders als eine Batterie musste die photovoltaische Stromquelle im Sonnenlicht nicht durch einen mitgeführten Energievorrat ersetzt werden. Die Leistung war klein, aber für die Funktechnik des Satelliten ausreichend. Das Experiment bewies, dass Solarzellen im Weltraum über längere Zeit sinnvoll eingesetzt werden konnten.

Hier passten die Eigenschaften der Solarzelle nahezu ideal zur Aufgabe. Gewicht und Zuverlässigkeit waren wichtiger als der Preis pro Watt. Sonnenlicht stand außerhalb des Erdschattens regelmäßig zur Verfügung, während Wartungsarbeiten ausgeschlossen waren. Schon geringe elektrische Leistungen hatten im Weltraum einen hohen Wert, weil jede zusätzliche Batterie die Startmasse erhöhte und ihre Lebensdauer begrenzt war.

In den folgenden Jahren wurden Solarzellen bei Satelliten und Raumsonden zu einer wichtigen Energiequelle. Verbesserte Wirkungsgrade, widerstandsfähigere Kontakte und Schutz gegen Strahlenschäden erhöhten die Zuverlässigkeit. Der Raumfahrtmarkt finanzierte so weitere Forschung und Produktion. Für die Stromversorgung auf der Erde blieb Silicium noch lange zu teuer – aber die Technologie hatte erstmals einen Markt gefunden, in dem ihr Nutzen den hohen Preis rechtfertigte.

Die technische Grundlage: Was eine Siliciumsolarzelle ausmacht

Die moderne kristalline Siliciumsolarzelle ist im Kern weiterhin ein großflächiges Halbleiterbauelement mit einem pn-Übergang beziehungsweise funktional vergleichbaren ladungsträgerselektiven Kontakten. Absorbierte Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare. Damit daraus elektrische Leistung wird, müssen diese Ladungsträger zu den richtigen Kontakten gelangen, bevor sie sich wieder vereinigen. Der Wirkungsgrad hängt daher nicht allein davon ab, wie viel Licht das Silicium absorbiert, sondern ebenso von den Verlusten im Kristall, an seinen Oberflächen und an den Metallkontakten.

Silicium besitzt bei Raumtemperatur eine Bandlücke von ungefähr 1,12 Elektronenvolt. Photonen mit geringerer Energie werden für die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren im Silicium nicht genutzt; bei energiereicheren Photonen wird ein Teil der Energie als Wärme abgegeben. Hinzu kommen Reflexion an der Vorderseite, unvollständige Absorption, Rekombination von Ladungsträgern und elektrische Widerstandsverluste. Diese Grenzen erklären, warum eine einzelne Siliciumzelle nicht die gesamte Strahlungsenergie der Sonne in Strom umwandeln kann.

Viele Verbesserungen der folgenden Jahrzehnte dienten genau diesen Aufgaben: mehr Licht im Silicium halten, die Lebensdauer der Ladungsträger erhöhen und den Strom mit möglichst geringen Verlusten an den äußeren Stromkreis übertragen. Was äußerlich wie eine einfache blaue oder schwarze Scheibe aussieht, ist deshalb ein komplexes Schichtsystem aus gezielt dotierten Halbleiterbereichen, dielektrischen Passivierungsschichten, Kontaktmaterialien und optisch optimierten Oberflächen.

1970er-Jahre: Aus Raumfahrttechnik wird eine irdische Stromquelle

Während der 1960er-Jahre verbesserten Hersteller die Zellen vor allem für Luft- und Raumfahrtprogramme. Der nächste Schritt verlangte jedoch einen anderen Blick auf die Technik: Nicht das letzte Prozent Wirkungsgrad war entscheidend, sondern ein möglichst niedriger Preis je erzeugtem Watt. Für Warnleuchten, Funkstationen, Bojen und Messgeräte an entlegenen Orten konnte Photovoltaik trotz hoher Anschaffungskosten bereits sinnvoll sein, weil Leitungen oder regelmäßige Batteriewechsel noch teurer waren.

Ein wichtiger Impuls kam ausgerechnet von einem Erdölkonzern. Mit Unterstützung von Exxon arbeitete Elliot Berman an preiswerteren Siliciumzellen und deren Verpackung. Die 1973 gegründete Solar Power Corporation setzte auf kostengünstigere Materialien, einfachere Fertigung und Produkte, bei denen nicht jede Eigenschaft den Anforderungen der Raumfahrt genügen musste. Dadurch konnte der Preis deutlich reduziert werden. Die Ölkrise von 1973 und die Diskussion über die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern steigerten zugleich das politische Interesse an alternativen Energiequellen.

Die jungen Solarunternehmen verkauften ihre Module zunächst vielfach für autarke Anwendungen: Navigationshilfen, Telekommunikation, Pumpen und Versorgungssysteme ohne Netzanschluss. Diese Märkte waren verhältnismäßig klein, bildeten aber einen Lernraum für die Industrie. Dort zeigte sich, dass nicht nur die Solarzelle funktionieren musste. Erst eine wetterfeste Verkapselung, robuste elektrische Verbindungen und eine über viele Jahre beständige Konstruktion machten sie zum zuverlässigen Produkt.

Vom Kristall zum Modul: Die Geburt einer Fertigungskette

Die Solarfertigung übernahm zahlreiche Verfahren aus der Halbleiterindustrie, passte sie aber an andere Maßstäbe an. Für integrierte Schaltkreise stehen kleinste Strukturen, hohe Reinheit und sehr präzise Lithografie im Mittelpunkt. Für Solarzellen ist dagegen entscheidend, große lichtempfindliche Flächen in hoher Stückzahl und mit möglichst geringen Kosten herzustellen. Beide Industriezweige verwenden Siliciumwafer, stellen jedoch unterschiedliche Anforderungen an Größe, Dicke, Defekttoleranz und Prozessführung.

Am Anfang steht die Gewinnung und Reinigung des Siliciums. Aus metallurgisch erzeugtem Rohsilicium wird hochreines Polysilicium hergestellt, etwa über chlorhaltige Zwischenprodukte und einen Abscheideprozess nach dem Siemens-Verfahren. Daraus werden Kristallblöcke gezogen oder erstarrt; für hochwertige monokristalline Wafer ist das Czochralski-Verfahren besonders wichtig. Die Blöcke werden mit dünnen Drähten in Scheiben gesägt. Bei jedem Schnitt geht wertvolles Material verloren – ein Grund, warum dünnere Wafer und verbesserte Sägeverfahren erhebliche Kostenvorteile brachten.

Aus dem Wafer entsteht durch Oberflächenbehandlung, Dotierung und Beschichtung die eigentliche Solarzelle. Eine mikroskopische Textur aus kleinen Pyramiden reduziert die Reflexion und verlängert den Weg des Lichts im Silicium. Diffusions- oder andere Dotierprozesse bilden die benötigten Übergänge. Siliciumnitrid, Siliciumoxid oder Aluminiumoxid können Oberflächen passivieren und optische Aufgaben erfüllen. Schmale Metallfinger sammeln den Strom, ohne übermäßig viel Licht abzuschatten. Die Zellen werden anschließend durch Leiterbänder oder andere Verbindungstechniken zu größeren Einheiten verschaltet und zwischen schützenden Materialien, meist unter Glas, einlaminiert.

Mit jeder Verbesserung dieser Prozesskette sanken Materialverbrauch, Bruchrate und Fertigungszeit. Die eigentliche Revolution der Solarindustrie bestand daher nicht in einer einzigen neuen Erfindung, sondern darin, immer größere Flächen aus reproduzierbaren, leistungsfähigen Halbleiterbauelementen kostengünstig produzieren zu können.

1980er-Jahre: Die ersten Solarparks und der Kampf gegen Verluste

In den 1980er-Jahren begann die Photovoltaik, den Bereich kleiner Inselanlagen zu verlassen. Der US-Hersteller ARCO Solar fertigte 1980 als eines der ersten Unternehmen mehr als ein Megawatt an Modulen innerhalb eines Jahres. 1982 entstand bei Hesperia in Kalifornien ein netzgekoppeltes Photovoltaikkraftwerk mit einer Leistung von ungefähr einem Megawatt. Verglichen mit heutigen Solarparks war es klein, doch es demonstrierte erstmals in dieser Größenordnung, dass sich viele Einzelmodule zu einer zentralen Stromerzeugungsanlage verbinden ließen.

Parallel dazu setzte die Forschung an einer anderen Stellschraube an. Selbst bei hochwertigem Silicium gingen viele der erzeugten Ladungsträger an der Oberfläche oder an Metallkontakten verloren. Forscher der University of New South Wales (UNSW) in Australien untersuchten unter Leitung von Martin Green, wie sich diese Rekombinationsverluste reduzieren ließen. Daraus entstanden Konzepte mit passivierten Oberflächen und kleinflächigen Kontakten, die später das Design kommerzieller Solarzellen grundlegend verändern sollten.

1983 formulierte Green das Konzept der PERC-Zelle (Passivated Emitter and Rear Cell). Anstatt die Rückseite des Siliciums fast vollständig mit einem direkt kontaktierenden Metall zu bedecken, wird sie weitgehend passiviert. Nur an ausgewählten Stellen verbinden lokale Metallkontakte den Halbleiter mit dem äußeren Stromkreis. Dadurch können weniger Ladungsträger an der Rückseite rekombinieren. Die australische Gruppe demonstrierte Ende der 1980er-Jahre entsprechende hocheffiziente Zellen und erreichte in den folgenden Jahren immer höhere Wirkungsgrade.

Doch zwischen Laborrekord und Massenfertigung lag erneut ein langer Weg. Zusätzliche Beschichtungsschritte und die präzise Strukturierung der Rückseitenkontakte mussten für hohe Durchsätze zuverlässig funktionieren. Erst Jahrzehnte nach der ursprünglichen Idee wurde PERC zum industriellen Standard.

1990er- und 2000er-Jahre: Dächer schaffen einen Massenmarkt

Für eine dauerhafte Solarindustrie reichte technischer Fortschritt allein nicht aus. Solarmodule mussten in großen Stückzahlen verkauft werden, damit Fabriken wachsen, Anlagenhersteller bessere Maschinen entwickeln und Zulieferer ihre Materialien günstiger anbieten konnten. Neue Nachfrage entstand zunächst besonders durch staatliche Förderprogramme. Deutschland begann 1991 mit dem 1000-Dächer-Programm, Japan unterstützte ab den 1990er-Jahren die Installation von Photovoltaik auf Wohnhäusern.

Mit dem deutschen Erneuerbare-Energien-Gesetz von 2000 und späteren Anpassungen der Förderung gewann der Markt erheblich an Dynamik. Planbare Vergütungen für eingespeisten Solarstrom erleichterten die Finanzierung von Dachanlagen und größeren Projekten. In Deutschland, Japan und anderen Ländern entstanden neue Produktionskapazitäten für Wafer, Zellen und Module. Auch Wechselrichter, Montagegestelle, Netzanschlusstechnik und Planungssysteme wurden zu eigenen industriellen Geschäftsfeldern.

Gleichzeitig verlagerte sich das Zentrum der Produktion zunehmend nach Asien. 2001 gründete der an der UNSW ausgebildete Ingenieur Zhengrong Shi das Unternehmen Suntech in China. In den folgenden Jahren entstanden dort zahlreiche weitere Solarunternehmen. Investitionen, große Fertigungsstätten, die Nähe zu Zulieferern und der Wettbewerb zwischen den Herstellern beschleunigten den Ausbau der Kapazitäten. Der Weltmarkt wuchs, aber der Preisdruck nahm ebenfalls stark zu; viele frühere Hersteller verschwanden oder wurden übernommen.

Aus einem Technologieprodukt für Spezialanwendungen war ein weltweit gehandeltes Industrieerzeugnis geworden. Sein Erfolg beruhte auf zwei sich verstärkenden Effekten: Größere Märkte ermöglichten größere Fabriken, und größere Fabriken senkten die Kosten – was wiederum neue Märkte erschloss.

2010er-Jahre: PERC kommt in die Massenfertigung

Über lange Zeit verwendeten viele Siliciumsolarzellen eine einfache Aluminium-Rückseitenkontaktierung mit einem sogenannten Back Surface Field (Al-BSF). Diese Bauweise ließ sich robust und vergleichsweise günstig fertigen, verursachte aber zusätzliche Rekombinationsverluste. Die PERC-Architektur verbesserte die elektrische und optische Nutzung der Rückseite: Eine dielektrische Schicht verringerte die Rekombination und konnte Licht zurück in das Silicium reflektieren; lokale Öffnungen ermöglichten weiterhin die Kontaktierung.

Nachdem geeignete Abscheide-, Laser- und Metallisierungsverfahren für die Großproduktion verfügbar wurden, begann in den 2010er-Jahren die rasche industrielle Einführung. Um 2018 entwickelte sich PERC zur dominierenden Zellarchitektur. Die Hersteller konnten den Wirkungsgrad erhöhen, ohne die gesamte Fertigungskette neu erfinden zu müssen. Höhere Zellwirkungsgrade bedeuteten nicht nur mehr Strom aus derselben Fläche, sondern auch geringere Kosten für Glas, Rahmen, Transport und Montage je erzeugter Leistung.

Daneben entwickelten sich weitere hocheffiziente Konzepte. Bei Heterojunction-Zellen werden dünne Schichten aus amorphem Silicium mit kristallinem Silicium kombiniert, um die Oberflächenverluste zu reduzieren. Bei Rückkontaktzellen liegen beide elektrischen Kontaktpolaritäten auf der Rückseite, sodass die Vorderseite nicht durch Metallfinger abgeschattet wird. Verschiedene Konzepte konkurrierten damit nicht nur um Rekordwerte im Labor, sondern auch um die beste Balance aus Wirkungsgrad, Materialbedarf und Fertigungskosten.

2013: TOPCon verbessert den elektrischen Kontakt

Eine weitere große Entwicklungsstufe entstand aus der Frage, wie Metallkontakte Ladungsträger möglichst verlustarm abführen können. Bereits in früheren Jahrzehnten hatten Wissenschaftler, darunter Forscher um Martin Green an der UNSW, Passivierung und dünne Oxidschichten in Verbindung mit Siliciumkontakten untersucht. Auf diesem Forschungsfeld stellten Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE 2013 eine moderne Architektur unter dem Namen TOPCon vor: Tunnel Oxide Passivated Contact.

Das Prinzip kombiniert eine extrem dünne Siliciumoxidschicht mit einer hochdotierten Siliciumschicht. Das Oxid passiviert die Grenzfläche und unterdrückt die unerwünschte Rekombination. Gleichzeitig ist es so dünn, dass geeignete Ladungsträger die Barriere durch quantenmechanisches Tunneln überwinden können. Damit entsteht ein ladungsträgerselektiver Kontakt, der elektrischen Strom abführt, ohne die Halbleiteroberfläche großflächig zu einem starken Verlustort zu machen.

Fraunhofer ISE berichtete 2013 über eine n-Typ-Siliciumsolarzelle mit 24 Prozent Wirkungsgrad und neuartigem Rückseitenkontakt. In den folgenden Jahren wurde das Konzept schrittweise für industrielle Anlagen adaptiert. TOPCon setzte sich schließlich in der Massenproduktion gegen zahlreiche ältere Zellaufbauten durch. Gerade dieser Übergang zeigt die ungewöhnlich lange Zeitspanne technischer Ideen: Grundlagen passivierter Kontakte reichen Jahrzehnte zurück, während die industrielle Durchsetzung erst durch neue Prozesskontrolle, hohe Durchsätze und wirtschaftliche Fertigung möglich wurde.

2020er-Jahre: Silicium wird zur globalen Solarindustrie

Inzwischen werden Solarzellen in Fabriken gefertigt, deren Jahreskapazitäten in Gigawatt angegeben werden. Automatisierte Produktionslinien verarbeiten große Waferformate, beschichten zahlreiche Scheiben parallel, drucken feine Metallkontakte und prüfen jede Zelle elektrisch sowie optisch. Bildgebende Verfahren machen Mikrorisse, fehlerhafte Kontakte und andere Defekte sichtbar. Der Wafer wird dabei zunehmend dünner, während der Anteil der nutzbaren Fläche und der elektrische Ertrag steigen.

Die International Energy Agency Photovoltaic Power Systems Programme (IEA PVPS) bezifferte die weltweit installierte Photovoltaikleistung zum Ende des Jahres 2024 auf mehr als 2,26 Terawatt. Hinter dieser Zahl steht eine globale Lieferkette von der Polysiliciumproduktion über Kristallzucht und Waferfertigung bis zu Zellen und Modulen. China ist dabei zum wichtigsten Produktionsstandort geworden. Diese Konzentration ermöglicht große Skaleneffekte, wirft aber zugleich Fragen nach resilienten Lieferketten, fairem Wettbewerb, Energiebedarf bei der Herstellung und Abhängigkeiten von einzelnen Regionen auf.

Mit der Größe der Industrie verändern sich die technischen Herausforderungen. Neben Wirkungsgrad und Herstellkosten spielen Lebensdauer, Temperaturverhalten, Materialverbrauch und Recyclingfähigkeit eine immer größere Rolle. Silberkontakte, Glas, Aluminiumrahmen, Polymere und Silicium müssen in gewaltigen Mengen bereitgestellt werden. Dünnere Wafer verringern den Materialbedarf, sind aber empfindlicher gegenüber Bruch. Die Weiterentwicklung der Solarzelle bleibt deshalb eng mit den Fortschritten der Werkstofftechnik und der industriellen Prozessführung verbunden.

Der nächste Schritt: Tandemsolarzellen und die Grenzen des Siliciums

Eine einzelne Siliciumsolarzelle kann nur einen Teil des Sonnenspektrums optimal nutzen. Photonen unterhalb der Bandlücke tragen nicht zur Stromerzeugung bei; bei energiereicheren Photonen geht überschüssige Energie verloren. Eine Möglichkeit zur Überwindung dieser Beschränkung sind Tandemsolarzellen, in denen zwei unterschiedliche lichtabsorbierende Halbleiterschichten übereinander angeordnet werden.

Besonders intensiv untersucht wird die Kombination aus einer Silicium-Unterzelle und einer oberen Zelle aus Perowskitmaterialien. Die obere Zelle kann energiereichere Photonen nutzen, während längerwelliges Licht teilweise zur Siliciumzelle gelangt. Im Labor wurden mit solchen Kombinationen bereits Wirkungsgrade von deutlich über 30 Prozent erreicht. Anders als bei einer einzelnen Siliciumzelle sind damit zusätzliche Reserven erschließbar.

Entscheidend für die industrielle Anwendung werden jedoch nicht allein Rekordwerte sein. Perowskitschichten müssen unter Sonnenlicht, Wärme, Feuchtigkeit und elektrischer Belastung langfristig stabil bleiben. Auch gleichmäßige Beschichtungen auf großen Wafern, geeignete Kontaktmaterialien und die Integration in vorhandene Produktionslinien sind anspruchsvoll. Es ist daher noch offen, wie schnell und in welchen Bauformen sich Tandemzellen in großen Mengen durchsetzen werden.

Die Geschichte der Siliciumsolarzelle ist damit nicht abgeschlossen. Sie begann mit der Frage, wie sich eine kleine Telefonanlage ohne regelmäßigen Batteriewechsel versorgen ließe. Über Satelliten, abgelegene Signalanlagen, erste Solarparks und die Dächer ganzer Städte führte sie zu einer der größten Halbleiterindustrien der Welt. Der eigentliche Durchbruch war nicht allein die Entdeckung des photovoltaischen Effekts oder die Zelle von 1954. Er entstand, weil es über viele Jahrzehnte gelang, Halbleiterphysik, Materialqualität und automatisierte Fertigung so miteinander zu verbinden, dass aus Sonnenlicht bezahlbarer Strom wurde.