Die Rückkehr der Solarzellen auf die Erde

Sputnik III, der drei Wochen nach der ersten Vanguard gestartet wurde, war der erste russische Satellit, dessen Fernmesssystem mit Siliziumsolarzellen betrieben wurde. Es scheint, dass Russlands führende Raumfahrtexperten die Arbeit von Chapin, Fuller und Pearson, die in der ganzen Welt bekannt wurde, aufmerksam verfolgt hatten und dass sie das Gelernte effektiv umsetzten. Ihr Erfolg mit Solarzellen auf Sputnik III brachte den russischen Raumfahrtexperten Evgenij Fedorov dazu, im Sommer 1958 zu prophezeihen: „Solarbatterien … werden sich als die Hauptenergiequelle im Weltraum durchsetzen.“ Die Geschichte sollte Fedorov Recht geben.

Trotz ihrer Erfolge auf den Satelliten Vanguard und Sputnik III betrachteten viele in der Raumfahrt die Solarzellen als Zwischenlösung, als Technologie, die verwendet wurde, bis die Nuklearenergie entwickelt werden konnte. „Eine Menge Leute befürchteten, dass Solar nicht leistungsfähig genug sein würde für die größeren Raumsonden, die in Arbeit waren“, sagte John Goldsmith, der seine PV-Karriere in den 1960ern in der Raketen- und Raumfahrtabteilung von General Electrics begann. Jedoch, erklärte Goldsmith, „konnten Nukleartechnologien … nie die Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit bieten, die antizipiert worden waren“.

Ganz im Gegensatz dazu erwies sich der Pessimismus in Bezug auf die Grenzen und Zuverlässigkeit der Solarenergie als falsch. Ingenieure und Wissenschaftler, die an Satelliten arbeiteten, akzeptierten schließlich die Solarzelle als „eines der entscheidend wichtigen Bauteile im Raumfahrtprogramm“, da sie sich „als die einzige praktische Energiequelle im Weltraum [in einem vernünftigen Abstand zur] Sonne“ herausstellte. 1972 bezogen etwa 1.000 amerikanische und sowjetische Raumfahrzeuge Strom aus Solarzellen, während weniger als zehn der 600 amerikanischen Satelliten mit Atombatterien betrieben wurden. Die Solarzellen konnten immer mehr Energie liefern, angefangen von einigen Milliwatt auf der Vanguard I bis hin zu mehreren Kilowatt auf der Raumstation Skylab A, wo sie Elektrizität erzeugten für das Senden und Empfangen von Daten, für den Betrieb von Computern, wissenschaftlichen Messinstrumenten und Stabilisierungsanlagen und für das einwandfreie Funktionieren der Temperatursteuerungen.

Unerwarteter Markt

Der dringende Bedarf an Solarzellen über der Erde eröffnete einen unerwarteten und relativ großen Markt für die Unternehmen, die sie herstellten. „Wären sie ökonomisch auf sich selbst gestellt gewesen, wären sie nirgends hingekommen“, bemerkte der verstorbene Dr. Joseph Loferski, der sich sein Leben lang mit Photovoltaik beschäftigt hatte. Doch die in den „Space Race“ mit den Russen verbohrte amerikanische Regierung goss zwischen 1958 und 1969 mehr als 50 Millionen Dollar in die Solarzellenforschung und -entwicklung. „Zum ersten Mal in der langen Geschichte der Solarenergieforschung“, beobachtete der verstorbene John Yellot, „wurden relativ große Mengen staatlicher Mittel Projekten zugewiesen, die zum Bau von … zuverlässigen Solarenergieanlagen führen werden“. In der Tat war, wie der verstorbene Martin Wolf behauptete, „der Beginn des Weltraumzeitalters die Rettung für die Solarzellenindustrie“.

Der astronomische Preis für Siliziumsolarzellen begrenzte jedoch ihr Anwendungsfeld auf den Weltraum. Trotz einer Preissenkung von etwa 300 Prozent zwischen 1956 und 1971 kosteten Solarzellen immer noch 100 US-Dollar pro Watt, 200-mal so viel, wie Elektrizität aus dem Stromnetz damals kostete. Tatsächlich waren es gerade die Anforderungen der Raumfahrtindustrie, die dazu führten, dass die Kosten der Solarzellen so außergewöhnlich hoch blieben.

Raumfahrtzellen brauchten ein extremes „Overengineering“, um dem Bombardement durch hochenergetische Partikel und Mikrometeoriten widerstehen zu können. Es gab keine Fehlertoleranz. Wenn die Zellen nicht funktionierten, war die Mission verloren und Ausrüstungen im Wert von mehreren Millionen Dollar wurden unbrauchbar. In den 1960ern und 1970ern konnte man niemanden hinaufschicken, um Reparaturen vorzunehmen. Bei der Entwicklung der Zellen war ihre Effizienz wichtiger als der Preis der Energie, die sie lieferten. Je mehr Energie pro Kilogramm ein Ingenieur in ein Modul packen konnte, desto leichter das Ladegewicht. Die Gewichtsreduktion verkleinerte das Format des Triebwerks, das für den Start benötigt wurde, was wiederum eine Menge Geld sparte. Zudem benötigte jeder Satellit ein anderes Moduldesign, da jede Mission einen anderen Energiebedarf hatte. Diese sporadische Nachfrage nach maßgeschneiderten Produkten entmutigte die Massenproduktion, die Voraussetzung für eine Senkung der Preise ist.

Während die Aussichten für Solarzellen im Weltraum in den späten 1960ern und den ganz frühen 1970ern gut waren, erschien Sonnenstrom auf der Erde so unerreichbar wie eh und je – mit einer Ausnahme: Staatliche Einrichtungen, die sich mit verdeckten Operationen beschäftigten, entdeckten sofort, welchen Wert die Solarzellen als Hilfsmittel für ihre Intrigen haben könnten. Die CIA zum Beispiel wollte während des Vietnamkrieges wissen, wie stark der Verkehr auf dem Ho-Chi-Minh-Pfad war. Die Umstände schlossen die Verwendung von menschlichen Verkehrszählern eindeutig aus. Stattdessen wurden Spezialeinheiten beauftragt, große, getarnte Photovoltaikanlagen zu installieren, um damit versteckte hitzeempfindliche Messgeräte zu betreiben. Wie beim Raumfahrtprogramm macht man sich bei verdeckten Operationen keine Sorgen über die Kosten. Nach Aussagen eines geschäftstüchtigen Solarzellenhändlers, der einen Laden gleich um die Ecke vom Pentagon eingerichtet hatte, „kamen [Regierungs-]Leute hereinspaziert mit Aktenkoffern voller Geld und gingen hinaus mit Solarmodulen. Für das, was sie taten, war Geld kein Thema.“

Problem Wirtschaftlichkeit

In Bezug auf Anwendungen auf der Erde, bei denen man die Wirtschaftlichkeit durchaus berücksichtigen musste, zeichnete Dr. Harry Tabor, einer der meistrespektierten Solarwissenschaftler jener Zeit, ein düsteres Bild. „Die meisten Experten scheinen sich einig zu sein“, schrieb Tabor, „dass Siliziumzellen, wie wir sie heute kennen, nicht sehr viel billiger werden“. Tabor schien mit seiner bedrückenden Einschätzung richtig zu liegen. In einem Arbeitspapier mit dem Titel „Die Sonne im Dienst der Menschheit“, das für den Internationalen Solargipfel 1973 vorbereitet worden war, klagte der Autor: „[Obwohl] die Raumfahrtforschung insbesondere zu einem beeindruckenden Fortschritt in der … photovoltaischen … Umwandlung führte, hat sie nicht zu parallelen Entwicklungen unter dem Gesichtspunkt einer Verwendung von Solarenergie auf der Erde geführt.“ Doch einen Monat später überraschten Wissenschaftler der Firma Exxon (damals Esso) alle auf der Konferenz durch die Mitteilung, dass ihr Tochterunternehmen Solar Power Corporation „ein [photovoltaisches] Modul vor kurzem zur Marktreife geführt hat und gegenwärtig vermarktet …, das mit anderen Energiequellen um … Anwendungen auf der Erde konkurrieren wird“.

Solar Power Corporation, das Unternehmen, das Solarstrom endlich auf die Erde herunterholte, wurde von Dr. Elliot Berman, einem Industriechemiker, gegründet und geführt und von Exxon finanziert. Bermans solare Entdeckungsreise begann 1968, nachdem er einen zehnjährigen Entwicklungsauftrag abgeschlossen hatte, der seinen ehemaligen Arbeitgeber, Itek Corporation, in das Geschäft mit Fotomaterial einführte. Als sein Chef, Dick Philbrick, ihn fragte, was er als Nächstes machen wolle, antwortete Berman, er wisse es nicht. Der Leiter des Unternehmens machte ihm dann ein großzügiges Angebot: „Ich bezahle Sie dafür, dass Sie darüber nachdenken.“ Nach Monaten des Durchdenkens kam Berman zu dem Schluss, dass er etwas tun wollte, das einen wichtigen gesellschaftlichen Einfluss haben würde. Da er „eine enge Beziehung zwischen Energieverfügbarkeit und Lebensqualität“ entdeckte, entschied er sich dafür, bessere Methoden für die Energiebereitstellung zu erforschen, insbesondere für bedürftige Menschen, für diejenigen, die in den ländlichen Gebieten von Entwicklungsländern lebten. Nach einigem Recherchieren sah es für Berman so aus, dass langfristig „nur Kernfusion den [zukünftigen] Bedarf decken könnte, und dieser einfach denkende Chemiker wählte den einfacheren Weg, unser existierendes Fusionskraftwerk zu nutzen – die Sonne“.

Bermans solarer Traum

Als seine Arbeitgeber ihn fragten, ob sie interessiert sein sollten, war Bermans ehrliche Antwort, dass er sich nicht sicher sei. Also gab man ihm sechs Monate, um einen Forschungsantrag für den wissenschaftlichen Beirat des Unternehmens vorzubereiten. Unter dem Titel „Solar Power“ hieß es darin mutig: „Dieses Dokument umreißt ein Programm für die Verwendung von Solarenergie, das die Weltnachfrage nach Energie decken könnte.“ Herkömmliche Siliziumzellen würden keine Berücksichtigung finden, hieß es, wegen „ihrer extrem hohen Kosten“. Stattdessen solle eine völlig andere Zelle erforscht, entwickelt und vermarktet werden, eine Solarzelle, die wie der fotografische Film gemacht sei, mit dem Berman vorher gearbeitet hatte. Dieser Prozess, glaubte Berman, würde zu einer erheblichen Reduzierung der Kosten der Technologie führen.

Als das Unternehmen Bermans solaren Traum zurückwies, „sammelte ich meine Murmeln ein und ging. Ich sagte meiner Frau, es könnte sechs Monate dauern, bis etwas Geld für mein Solarprojekt gefunden wird.“ Venturekapital-Investoren belächelten jedoch die Idee. „Sie waren nicht sehr risikobereit, und was ich hatte, war nach ihrer Definition kein Projekt“, erzählte Berman. 18 Monate vergingen, bis ein zufälliges Gespräch mit einem Mitglied im Vorstand von Bermans früherem Arbeitgeber, einem Herrn, der für die Rockefellers arbeitete, ihn an die Türschwelle von Exxon führte. Das Timing hätte nicht besser sein können. Exxon hatte gerade eine Arbeitsgruppe gebildet, die 30 Jahre vorausschauen sollte, um zu bestimmen, wie sich die Energiebranche entwickeln würde. Die Gruppe war zu der Schlussfolgerung gekommen, dass die Energiepreise im Jahre 2000 wesentlich höher sein würden und dass diese höheren Preise Möglichkeiten für alternative Energiequellen schaffen würden, wenn deren Kosten ausreichend fielen. Solarenergie, insbesondere Photovoltaik, schien der wahrscheinlichste Kandidat zu sein. Die unbegrenzte Lebensdauer der Solarzellen, ihre Modularität und ihre Fähigkeit, Elektrizität sauber, direkt und ohne sperrige Peripheriegeräte aus einer unerschöpflichen Energiequelle zu generieren, faszinierte die Exxon-Forscher. Als sich die Exxon-Leute Bermans Proposal angehört hatten, ein sehr niedrigpreisiges terrestrisches photovoltaisches Bauteil zu entwickeln, „fanden wir es sehr aufregend. Wir verstanden das Endprodukt als einen sehr billigen Artikel, der als einfaches Dachdeckungsmaterial verwendet werden kann“, erinnerte sich der Gruppenleiter. Exxon lud Berman sofort ein, Ende 1969 in ein Forschungslabor in Linden, New Jersey, einzusteigen, um seine Forschungsarbeit fortzusetzen.

Berman überzeugte Exxon auch davon, ein Interimprodukt zu vermarkten, während das Film-Konzept erforscht würde. Auf diese Weise könne das Unternehmen den Zellmarkt vermessen, die Bedürfnisse der potenziellen Kunden bestimmen und lernen, wie Solarzellen unter Alltagsbedingungen abschneiden. Wie Berman bemerkte: „Leute, die in Forschungslabors sitzen und Produkte entwerfen … kommen am Ende oft mit Dingen, die nicht wirklich praktikabel sind, weil es schwierig ist zu definieren, was die wirkliche Welt braucht, [während] man in einem Elfenbeinturm eingeschlossen ist.“

Um mit den Füßen auf dem Boden zu bleiben, führten Exxon und sein Solarteam Erhebungen durch, um zu bestimmen, wo die Märkte waren – falls es Märkte gab. Beim Preis von 100 US-Dollar pro Watt, erfuhren sie, gebe es kaum Abnehmer. Eine ansehnliche Nachfrage ließ die Studie bei einem Preis von 20 US-Dollar pro Watt erkennen, denn dann könnte man Elektrogeräte außerhalb der Reichweite der Versorgungsleitungen mit Solarzellen billiger betreiben als mit nichtaufladbaren Batterien oder thermoelektrischen Generatoren.

Berman wollte seine langfristigen Forschungsbemühungen nicht durch den Bau von Modulen für den kommerziellen Geschäftsbereich verwässern, deshalb suchten er und sein Team die Welt nach bezahlbaren Solarzellen ab. Niemand konnte sie anbieten, abgesehen von einigen Angeboten von ausgemusterten Raumfahrtzellen zu herabgesetzten Preisen. (Der Aufkauf von ausgemusterten Zellen interessierte die Exxon-Wissenschaftler nicht, weil ihr Bedarf weit über das Angebot von Raumfahrtzellen hinausging.) Das Problem, entdeckte Berman, bestand darin, dass alle im Raumfahrtzellen-Geschäft von Effizienz besessen waren, was einfach auf der Erde kein Thema war. Das Hauptkriterium für jede terrestrische Energieanlage, wusste Berman, „ist, wie viele Kilowattstunden man für einen Dollar bekommt“.

Billigere Zellen entwickelt

Als ihnen nichts anderes übrig blieb, als etwas Eigenes zu entwickeln, folgte Bermans Gruppe dem Vorbild der Raumfahrtindustrie und begann mit kristallinen Siliziumwafern. Doch dort endete auch schon die Ähnlichkeit mit den Raumfahrtprojekten. Als sich Berman und seine Kollegen der Herausforderung stellten, billigere Zellen zu entwickeln, entdeckten sie, dass keine größeren Durchbrüche notwendig waren, um den Preis zu senken. Zum Beispiel startete Solar Power Corporation nicht mit dem sehr teuren, hochreinen kristallinen Silizium nach Halbleiter-Norm, wie es die Raumfahrtindustrie gemacht hatte. Stattdessen kaufte das Unternehmen die viel billigeren Siliziumwafer, die vom rasch wachsenden Halbleitersektor ausgemustert worden waren, sich aber trotzdem ausgezeichnet für die Erzeugung von Energie eigneten. Für Anwendungen auf Satelliten wurden die Wafer von einem zylindrischen Kristall abgeschnitten und dann in rechteckige Form gebracht. Das sorgte für kompakteren Sitz, aber in diesem Prozess wurde eine Menge teures Silizium verschwendet. (Dieser Abfall war jedoch für das Raumfahrtprogramm nebensächlich angesichts der Ersparnisse durch die Größen- und Gewichtsreduktion.) Doch bei Anwendungen auf der Erde war die Begrenzung der Modulgröße nicht so zwingend notwendig wie die sparsame Verwendung des teuren kristallinen Siliziums. Berman verwendete daher kristalline Siliziumwafer, wie sie für den Gebrauch in der Halbleiterindustrie hergestellt wurden.

In der Herstellung von Raumfahrtzellen wurde der Siliziumblock in Wafer zersägt, und dann wurden die rauen Oberflächen poliert und antireflektiv beschichtet, damit die Zelle das Sonnenlicht aufnahm, statt es zu reflektieren. Dabei wurde laut Berman Folgendes nicht erkannt: „Wenn man den Wafer so nahm, wie er abgesägt worden war, hatte er eine schöne, stumpfe, matte Oberfläche, die perfekt unseren Bedürfnissen entsprach.“ Diese Entdeckung bedeutete, dass man zwei Produktionsstufen beseitigen konnte, ohne die Aufnahme von Sonnenlicht durch die Zelle zu beeinträchtigen. Eine weitere Veränderung im Herstellungsprozess sollte die Maße der Zelle vergrößern, was die Anzahl der Zellen pro Modul reduzierte und damit die Anzahl der Leitungen zwischen ihnen. Berman führte auch preiswertere Beschichtungen für die Module ein, wie Acrylfolie für die Moduloberseite, Siliziumgummi zur Ummantelung der Zellen und eine Schaltplatine, auf die die Zellen gelötet wurden. Er war der Erste, der erkannte, dass Siliziumsolarzellen Mängel tolerieren konnten, die von anderen Halbleiterbauteilen nicht vertragen wurden.

Entdeckungen wie diese reduzierten die Kosten im großen Stil. Anfang 1973 stellten die Wissenschaftler der Solar Power Corporation monokristalline Siliziummodule für zehn US-Dollar pro Watt her, verkauften große Mengen für etwa 20 US-Dollar pro Watt und brachten auf diese Weise ein Projekt, das vorher im Wesentlichen auf der Raumfahrt beruhte, auf die Erde.johnperlin@physics.ucsb.edu Der nächste Teil unserer Serie erklärt, warum die Ölindustrie der erste Großabnehmer von Solarzellen war.