Für die Energiewende ist die Sonne eine der wichtigsten Quellen, um nachhaltig Strom und Wärme zu erzeugen. In den letzten Jahren hat sich die Technologie weiterentwickelt. Die Idee dahinter gibt es allerdings schon seit mehreren hundert Jahren.

Wenn die Sonne scheint, geht es uns gut. Sie ist also nicht nur praktisch, um Wärme und Strom zu erzeugen, sondern tut auch unserer Seele gut. Ohne Sonne gäbe es kein Leben auf der Erde. Denn auch Pflanzen brauchen sie, um zu wachsen. Die Solarenergie selbst entsteht im Inneren der Sonne durch Kernfusion. Dabei verschmelzen zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren Kern. Dessen Masse ist aber geringer als die Masse der beiden leichten Kerne zusammen. Dieser Massenunterschied wird bei der Kernfusion in Form von Energie freigesetzt. Diese gelangt wiederum über elektromagnetische Strahlen auf die Erde und erzeugt dort Wärme. Wenn wir die Strahlen auf Solarmodulen bündeln, können wir Strom (Photovoltaik) und warmes Wasser erzeugen (Solarthermie).

Wie alles begann

Um etwa 300 vor Christus erkannten die Menschen, dass die Sonne Wärme abgibt, die man bündeln und auffangen kann. Die ersten Experimente führten sie mit einer Art Brennspiegel durch. Damit erwärmten sie Flächen, wodurch eine starke Hitze und somit Feuer entstand. Das kennst du vielleicht auch heute noch, wenn Sonnenstrahlen durch eine Lupe scheinen und auf der anderen Seite ein Feuer entsteht. Gefährlich kann das übrigens in der Architektur bei großen Glasfronten werden. Reflektieren diese das Sonnenlicht zu lange auf einer Fläche, wird es dort so heiß, dass es zu brennen beginnt.

Zuerst kam die Solarthermie

Der erste, der versuchte die Sonnenenergie wirklich zu nutzen war der französische Naturforscher Horace-Bénédict de Saussure. Im 18. Jahrhundert erfand er den ersten Solarkollektor. Dieses Gerät kann man nicht mit den heutigen Kollektoren vergleichen, aber es kommt trotzdem nah heran.

Saussure baute einen Holzkasten mit einem dunklen Boden und benutzte eine Glasscheibe als Deckel für die Kiste. Das Innere in der Kiste erwärmte sich bei der Sonneneinstrahlung auf bis zu 87 Grad. Das liegt daran, dass dunkle Farben nur sehr wenige Sonnenstrahlen reflektieren. Ähnlich wie schwarze Autos, die sich viel mehr aufheizen als hell lackierte.

Weiter kam Saussure allerdings nicht. Erst im 19. Jahrhundert tüftelte der Gymnasiallehrer und Techniker Augustin Bernard Mouchot weiter an dieser Erfindung und entwickelte eine solarbetriebene Dampfmaschine. Dafür bündelte er die Sonnenstrahlen mit einem Hohlspiegel in einem mit Wasser gefüllten Glaszylinder. Das Wasser wurde dadurch so heiß, dass es verdampfte und die Maschine dadurch zum Laufen brachte.

1891 erhielt der amerikanische Metallfabrikant Clarence M. Kemp das erste Patent für eine Solarthermieanlage. Ab diesem Zeitpunkt entwickelte sich die Technik immer weiter und wurde den heutigen Anlagen immer ähnlicher.

Zur Info:

Laut Statistischem Bundesamt lag die EU-weite Stromerzeugung durch PV-Anlagen 2021 bei 162 Gigawatt. Den höchsten Anteil daran hatte Deutschland mit 37 Prozent. Das waren 59 Gigawatt. Laut dem aktuellen Stromreport von 2023 wurden insgesamt 53,5 Milliarden Kilowattstunden Strom nur durch PV-Anlagen in das deutsche Stromnetz eingespeist. Mit 12,4 Prozent ist die Stromerzeugung mit Solarenergie so hoch wie nie zuvor in Deutschland.

Strom erzeugen mit Sonnenenergie

Die Solarthermie kam also vor der Stromerzeugung mit Sonnenenergie. Erst im 19. Jahrhundert beschäftigten sich Forschende und Physiker:innen explizit mit Photovoltaik. Der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel experimentierte mit elektrolytischen Zellen und entdeckte dabei zufällig den photoelektrischen Effekt. Das bedeutet, ihm fiel auf, dass der Stromanteil bei einer belichteten Zelle höher ist als bei jener, die im Schatten liegt. Allerdings hatte er keine Erklärung dafür. Diesen photoelektrischen Effekt stellten verschiedene Forschende dann auf diversen Materialien fest. Die erste Solarzelle die wirklich funktionierte, stammte 1883 vom Amerikaner Charles Fritts. Er orientierte sich dabei an den Erkenntnissen von Becquerel. Die Solarzelle bestand aus dem Halbleiter Selen, war aber mit einem Wirkungsgrad von ein bis zwei Prozent nicht besonders effektiv. Immerhin liegt der Weltrekord heute bei 47 Prozent. Die leistungsstärksten Solarmodule schaffen heute etwas mehr als 30 Prozent.

Obwohl Fritts einen Meilenstein schaffte, konnte er sich den Effekt noch immer nicht genau erklären. Erst Albert Einstein verstand im Zuge seiner Arbeit mit dem Titel: „Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt“ 1905, dass Licht Energie besitzt. Diese Energie sorgt dafür, dass sich bei bestimmten Materialien unter Sonneneinstrahlung Elektronen lösen und damit ein Elektronenfluss stattfindet.

Mehrere Forschende der ehemaligen Forschungsabteilung der Telefongesellschaft AT&T – den sogenannten Bell Laboratories – widmeten sich fortan diesem Effekt. Dabei experimentierten die Menschen auch mit Silizium und fanden heraus, wie genau der Stromfluss mit dem Licht zusammenhängt.

Und das passierte so: In einer der Proben entstand ein Riss. Sobald Licht darauf fiel, floss der Strom. Man entdeckte also, dass dieser Riss ein sogenannter PN-Übergang war. An den beiden Enden des Risses entstand elektrische Spannung mit einem positiven und negativen Ende. Basierend auf dieser Erkenntnis werden bis heute Solarzellen gebaut.

In erster Linie profitierte die Raumfahrt von diesem Ereignis. Denn die Forschenden entwickelten daraufhin eine Silizium-Solarzelle mit einem maximalen Wirkungsgrad von sechs Prozent. Damit konnte man Satelliten auch im All mit Strom versorgen. Der erste mit Solar betriebene Satellit stieg 1958 ins All. Dort funktionierte er über sechs Jahre.

Solarenergie: Eine ziemlich kostspielige Angelegenheit

Während der Ölkrise in den 1970er-Jahren stiegen die Energiekosten immens und die Menschen verlangten nach Alternativen. Dabei wurde die Nachfrage nach Solaranlagen immer größer. Schließlich wollte man unabhängiger bei der Strom- und Wärmeerzeugung werden.

Die Ölkrise und auch die Nuklearunfälle in Harrisburg 1979 und Tchernobyl 1986 wirkten sich auf die Photovoltaik-Branche aus. Alternative Energiequellen gewannen immer mehr an Bedeutung und Solarenergie trat als wichtiger Versorgungszweig der Zukunft in den Fokus. Das trieb wiederum die Forschung an. Anders als heute waren Solaranlagen damals eine noch viel größere finanzielle Investition, die sich nur wenige Menschen leisten konnten.

Deshalb startete die deutsche Bundesregierung das 1000-Dächer-Programm. Mit diesem 1990 bis 1992 laufenden Subventionierungsprogramm sollte die Installation von PV-Anlagen auf Wohnhäusern gefördert werden. Damit wollte man zeigen, dass Photovoltaik tatsächlich eine Lösung sein kann, die öffentlichen Netze zu entlasten. Wer sich eine neue Anlage zulegte, bekam 70 Prozent des Gesamtpreises zurück.

Nachdem das Programm 1992 auslief, standen viele kleine Unternehmen vor finanziellen Herausforderungen. Immerhin hatten vor allem Handwerksbetriebe eine neue Chance gesehen, konnten sich die Anlagen ohne Zuschuss aber nicht mehr leisten. Erst sieben Jahre später gab es mit dem 100.000-Dächer-Programm eine neue Förderung. Allerdings nur lokal und sehr unkoordiniert. Immerhin konnten mit beiden Programmen bis 2003 PV-Anlagen mit einer Leistung von über 300 MW installiert werden.

Schließlich trat im Jahr 2000 das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) in Kraft. Es sollte den Ausbau der Erneuerbaren und damit der Photovoltaik noch mehr fördern. Über die Jahre hinweg wurde das Gesetz immer wieder überarbeitet. Während die Kosten für Solarmodule sanken, sank auch die Einspeisevergütung, die man für eingespeisten Strom pro Kilowattstunde erhielt. Das Ziel des EEG ist es, dass Strom in Deutschland bis 2050 zu 80 Prozent aus erneuerbaren Energien kommt. Dafür führten einige Bundesländer ab 2022 sogar eine Solarpflicht ein. Die Umsetzung ist allerdings eine etwas kompliziertere Geschichte. Schließlich hat jedes Bundesland seine eigenen Richtlinien erstellt. Manche fokussieren sich dabei nur auf Neubauten oder Parkplätze ab einer bestimmten Größe. In Baden-Württemberg müssen zum Beispiel seit 2023 Dächer auch bei Sanierungen und nicht nur bei Neubau mit einer PV- oder Solarthermie-Anlage nachgerüstet werden.?Bis 2040 will das Bundesland klimaneutral werden. Von so einer deutschlandweiten, flächendeckenden Bestimmung ist man allerdings noch weit entfernt.

Innovationen und Ideen: So sieht Solarenergie heute aus

Die Devise lautet heute: Mehr Energie durch Sonne erzeugen. Das funktioniert mit immer leistungsstärkeren Modulen mit einem immer höheren Wirkungsgrad. Dazu forscht man an Tandem-Solarzellen, bei denen die Zellen übereinander geschichtet sind. Und längst weicht man auf Alternativen zu Hausdächern aus. Module werden also nicht mehr nur auf Häusern verbaut, sondern in Zäunen, auf Terrassen- oder Garagendächern, an Balkonen oder auf Freiflächen aufgestellt. Es gibt auch schwimmende Anlagen, die sogenannte Floating-PV am Wasser. An Land verbindet Agriphotovoltaik Landwirtschaft mit Sonnenenergie. Dabei werden Solarmodule auf Gerüsten direkt über landwirtschaftlichen Flächen installiert. Darunter können Äcker weiterhin bepflanzt werden oder Tiere darauf weiden. Eine doppelte Nutzung also. Umweltschützer fordern, dass man vor allem asphaltierte Straßen und Fahrradwege mit Modulen überdacht. So können ohnehin versiegelte Flächen nachhaltig genutzt werden.

Heute kann jeder Mensch Strom am eigenen Dach oder ums Haus erzeugen, sein E-Auto laden und sich sogar beim Stromausfall mit der richtigen Ausrüstung ein paar Stunden ganz autark versorgen.

Aktuell tüftelt die Bundesregierung an einer Überarbeitung der Solarpakete I und II. Damit soll es noch einfacher werden, sich mit günstig und unbürokratisch mit Solarstrom zu versorgen.