mini|Verschiedene Dächer mit Photovoltaikanlagen in Fischen im Allgäu, 2015 mini|hochkant|Entwicklung der Stromerzeugung aus Solarenergie und weiteren modernen erneuerbaren Energien mini|hochkant|Anteil von Solar- und Windenergie an der Stromerzeugung in ausgewählten Ländern weltweit
Unter Photovoltaik bzw. Fotovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Lichtenergie, meist aus Sonnenlicht, mittels Solarzellen in elektrische Energie. Seit 1958 wird sie in der Raumfahrt genutzt, später diente sie auch zur Energieversorgung einzelner elektrischer Geräte wie Taschenrechnern oder Parkscheinautomaten. Heute ist mit großem Abstand die netzgebundene Stromerzeugung mit Photovoltaikanlagen auf Dachflächen und mit Freiflächenanlagen das wichtigste Anwendungsgebiet.
Ende 2025 waren weltweit Photovoltaikanlagen mit einer Leistung von ca. 2,8 Terawatt (TW, 1 TW = 1000 GW) installiert, wobei mehr als 600 GW neu zugebaut wurden.Global Energy Review 2026. Internetseite der IEA. Abgerufen am 22. April 2026. Zwischen 2016 und 2025 stieg die weltweit installierte Photovoltaik-Leistung mit einer Wachstumsrate von durchschnittlich 27 % pro Jahr. Nach einer 2019 erschienenen Arbeit in Science wird erwartet, dass die installierte Leistung bis 2030 ca. 10 TW erreichen und 2050 bei 30 bis 70 TW liegen könnte. Die Stromerzeugung aus Photovoltaik lag 2025 bei 2.778 TWh; das waren 8,7 % der weltweiten Stromerzeugung. Damit lag sie erstmals vor der Windenergie (2715 TWh) und nur noch minimal hinter der Kernenergie (2812 TWh). Binnen eines Jahres stieg die PV-Stromerzeugung um 636 TWh bzw. 29,7 % an. Mit Stand April 2026 verdoppelt sich die Solarstromerzeugung alle drei Jahre.Global Electricity Review 2026. Ember Climate. Abgerufen am 21. April 2026. In 42 Staaten lieferte die Photovoltaik 2025 mindestens 10 % der Stromerzeugung; den größten Anteil hatte sie in Ungarn mit 25 %.Global Electricity Review 2025. Ember Climate. Abgerufen am 8. April 2025.
Die Internationale Energieagentur hielt 2020 fest, dass Photovoltaikanlagen, die auf guten Standorten und mit günstigen institutionellen Bedingungen errichtet werden, inzwischen die günstigste Form der Stromerzeugung der Geschichte seien. Dank der durch Massenproduktion stark gefallenen Preise der Anlagenkomponenten war damit die lange Zeit akzeptierte Einschätzung überholt, dass die Photovoltaik die teuerste Form der Stromerzeugung mittels erneuerbarer Energien sei. Bereits 2014 lagen die Stromgestehungskosten der Photovoltaik in bestimmten Regionen der Erde auf gleichem Niveau oder sogar niedriger als bei fossilen Konkurrenten.Asegun Henry, Ravi Prasher: The prospect of high temperature solid state energy conversion to reduce the cost of concentrated solar power. In: Energy and Environmental Science 7, (2014), 1819–1828, S. 1819, doi:10.1039/c4ee00288a. Unter Berücksichtigung externer Kosten der fossilen Stromerzeugung (d. h. Umwelt-, Klima- und Gesundheitsschäden) war Solarstrom schon davor bereits konkurrenzfähig; tatsächlich waren diese Kosten jedoch nur zum Teil internalisiert.Can Sener, Vasilis Fthenakis: Energy policy and financing options to achieve solar energy grid penetration targets: Accounting for external costs. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews 32, (2014), 854–868, S. 859, doi:10.1016/j.rser.2014.01.030.
Von 2011 bis 2017 fielen die Kosten der Stromerzeugung aus Photovoltaik um fast 75 %. In den USA waren 2017 bei Solarparks bereits Vergütungen von unter 5 US-Cent/kWh ( Euro-Cent/kWh) üblich; ähnliche Werte waren zu diesem Zeitpunkt unter günstigen Umständen auch in anderen Staaten möglich. In mehreren Staaten wurden 2017 in Ausschreibungen sogar Rekordwerte von 3 US-Cent/kWh ( Euro-Cent/kWh) erreicht. 2020 wurden mehrere Solarparks vergeben, bei denen die Vergütung deutlich unter 2 US-Cent/kWh liegt. Das mit Stand April 2020 günstigste bezuschlagte Angebot liegt bei 1,35 US-Cent/kWh ( ct/kWh) für einen Solarpark in Abu Dhabi. Das Juni 2022 günstigste bezuschlagte Angebot lag bei 1,04 US-Cent/kWh für einen Solarpark in Saudi-Arabien. Auch in Deutschland liegen die Stromgestehungskosten von neu errichteten Photovoltaik-Großanlagen seit 2018 niedriger als bei allen anderen fossilen oder erneuerbaren Energien.
Geschichte der Photovoltaik
mini|Dem Sonnenstand nachgeführte Photovoltaikanlage in Berlin-Adlershof mini|Verkauf von Solaranlagen in Ouagadougou, Burkina Faso
Die Photovoltaik basiert auf der Fähigkeit bestimmter Materialien, Licht direkt in Strom umzuwandeln. Der Photoelektrische Effekt wurde bereits im Jahre 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. Dieser wurde daraufhin weiter erforscht, wobei insbesondere Albert Einstein mit seiner 1905 erschienenen Arbeit zur Lichtquantentheorie großen Anteil an dieser Erforschung hatte, für die er 1921 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde. 1954 gelang es, die ersten Siliziumsolarzellen mit Wirkungsgraden von bis zu 6 % zu produzieren. Die erste technische Anwendung wurde 1955 bei der Stromversorgung von Telefonverstärkern gefunden. In Belichtungsmessern für die Photographie fand Photovoltaik weite Verbreitung.
Seit Ende der 1950er Jahre werden Photovoltaikzellen in der Satellitentechnik verwendet; als erster Satellit mit Solarzellen startete Vanguard 1 am 17. März 1958 in die Erdumlaufbahn und blieb bis 1964 in Betrieb. In den 1960er und 1970er Jahren führte die Nachfrage aus der Raumfahrt zu Fortschritten in der Entwicklung von Photovoltaikzellen, während Photovoltaikanlagen auf der Erde nur für bestimmte Inselanlagen eingesetzt wurden.Vgl. Konrad Mertens: Photovoltaik. Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis. München 2015, S. 35–40.
Ausgelöst durch die Ölkrise von 1973/74 sowie später verstärkt durch die Nuklearunfälle von Harrisburg und Tschernobyl, setzte jedoch ein Umdenken in der Energieversorgung ein. Seit Ende der 1980er Jahre wurde die Photovoltaik in den USA, Japan und Deutschland intensiv erforscht; später kamen in vielen Staaten der Erde finanzielle Förderungen hinzu, um den Markt anzukurbeln und die Technik mittels Skaleneffekten zu verbilligen. Infolge dieser Bemühungen stieg die weltweit installierte Leistung von 700 MWp im Jahr 2000 auf 2.246 GWp im Jahr 2024 an und wächst stetig weiter.
Anfang 2021 initiierte ein Branchenverband eine „European Solar Initiative“ mit dem Ziel, bis 2025 in Europa eine Produktionskapazität von 20 GW an Photovoltaik aufzubauen. Die Initiative wird von der EU-Kommission unterstützt. Angesichts gestiegener Transport- und gesunkener Produktionskosten soll die Produktion in Europa wettbewerbsfähig mit der Herstellung in Asien sein. Stand 2021 planten mehrere Unternehmen, in europäischen Ländern neue Kapazität zur Produktion von Solarmodulen und Vorprodukten zu schaffen. Zum Vergleich: Die chinesische Solarindustrie hatte Ende 2021 eine jährliche Produktionskapazität von 361 GW an Solarmodulen.
2024 betrug der weltweite Marktanteil von kristallinen Siliziumzellen über 90 %. Prognosen gehen davon aus, dass Siliziumzellen auch langfristig die dominierende Photovoltaik-Technik bleiben und gemeinsam mit Windkraftanlagen die „Arbeitspferde“ der Energiewende sein werden.Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani: Solar Electricity and Solar Fuels: Status and Perspectives in the Context of the Energy Transition. In: Chemistry – A European Journal 22, Issue 1, (2016), 32–57, doi:10.1002/chem.201503580.
Schreibweise Der Begriff Photovoltaik leitet sich aus dem griechischen Wort für „Licht“ (φῶς, phos, im Genitiv: φωτός, photos) sowie aus der Einheit für die elektrische Spannung, dem Volt (nach Alessandro Volta) ab. Die Photovoltaik ist ein Teilbereich der Solartechnik, die weitere technische Nutzungen der Sonnenenergie einschließt.
Üblicherweise wird die Schreibung Photovoltaik und die Abkürzung PV angewendet. Seit der deutschen Rechtschreibreform ist die Schreibweise Fotovoltaik ebenfalls eine zulässige Schreibung. Im deutschen Sprachraum ist die Schreibweise Photovoltaik die gebräuchliche Variante. Auch im internationalen Sprachgebrauch ist die Schreibweise PV üblich.Vgl. Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz, München 2018, S. 130. Für technische Fachgebiete ist auch die Schreibweise in der Normung (hier ebenfalls Photovoltaik) ein Kriterium.
Technische Grundlagen Zur Energiewandlung wird der photoelektrische Effekt von Solarzellen genutzt, die ihrerseits wiederum zu so genannten Solarmodulen verbunden werden. Die erzeugte Elektrizität kann direkt genutzt, in Stromnetze eingespeist oder in Akkumulatoren gespeichert werden. Zur Einspeisung in Wechselspannungs-Stromnetze wird die erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter umgewandelt. Das System aus Solarmodulen und den anderen Bauteilen (Wechselrichter, Stromleitung) wird als Photovoltaikanlage bezeichnet.
Funktionsprinzip mini|400px|Photovoltaik-Funktionsprinzip am Beispiel einer Dünnschicht-Solarzelle aus Silizium (Erläuterungen zu den Ziffern siehe Text) Das Photovoltaik-Funktionsprinzip wird hier am Beispiel einer Dünnschicht-Solarzelle aus Silizium erläutert (waferbasierte Silizium-Solarzellen funktionieren anders, siehe Solarzelle#Funktionsprinzip). Silizium ist ein Halbleiter. Die Besonderheit von Halbleitern ist, dass durch zugeführte Energie (z. B. in Form von Licht bzw. elektromagnetischer Strahlung) in ihnen freie Ladungsträger erzeugt werden können.
Die obere Siliziumschicht ist mit Elektronendonatoren (Elektronenspender, z. B. Phosphoratome) durchsetzt. Daher gibt es hier zusätzliche Elektronen, die frei beweglich sind (n-dotierter Bereich bzw. n-Schicht). Die untere Siliziumschicht ist mit Elektronenakzeptoren (Elektronenempfänger, z. B. Boratome) durchsetzt. Daher gibt es hier zusätzliche Fehlstellen bzw. Löcher, die frei beweglich sind (p-dotierter Bereich bzw. p-Schicht). Im Grenzbereich der beiden Schichten (p-n-Übergang) kompensieren die freien Elektronen der n-Schicht die Fehlstellen bzw. Löcher der p-Schicht, d. h. sie besetzen die Fehlstellen im Valenzband. Dadurch gibt es in diesem Bereich praktisch keine frei beweglichen Ladungsträger (Verarmungszone): Oben herrscht Elektronen- und unten Fehlstellenmangel. Weil es in diesem Bereich aber auch die ortsfesten Donatoren (positiv geladen) und Akzeptoren (negativ geladen) gibt, bildet sich dort ein ständig vorhandenes internes elektrisches Feld aus (Pluspol bei der n-Schicht, Minuspol bei der p-Schicht). Die Verarmungszone ist also zugleich eine Raumladungszone. Die p- und n-dotierten Bereiche sind mit externen Kontakten versehen. Die Unterseite ist ganzflächig kontaktiert, auf der Oberseite gibt es schmale Gridfinger, die in Stromsammelbahnen münden. Auf der Siliziumoberfläche zwischen Gridfingern und Stromsammelbahnen befindet sich eine Anti-Reflex-Schicht. Photonen (Lichtquanten, „Sonnenstrahlen“) gelangen in die Solarzelle. Photonen mit ausreichender Energiemenge übertragen in der Verarmungszone ihre Energie an die locker gebundenen Elektronen im Valenzband des Siliziums. Das löst diese Elektronen aus ihrer Bindung und hebt sie ins Leitungsband, wobei im Valenzband jeweils eine Fehlstelle bzw. ein Loch entsteht; beide sind frei beweglich. Einige dieser Elektron-Loch-Paare verschwinden nach kurzer Zeit durch Rekombination wieder. Viele freie Ladungsträger driften – bewegt vom internen elektrischen Feld – in die gleichartig dotierten Bereiche (s. o.) und gelangen zu den Kontakten; d. h. die Elektronen werden von den Löchern getrennt, die Elektronen driften nach oben, die Löcher nach unten. Eine Spannung und ein nutzbarer Strom entstehen, solange weitere Photonen ständig freie Ladungsträger erzeugen. Der „Elektronen“-Strom fließt durch den „äußeren Stromkreis“ zur unteren Kontaktfläche der Zelle und rekombiniert dort mit den zurückgelassenen Löchern.
Nennleistung und Ertrag mini|Strahlungsatlas aufgrund von Satellitendaten aus den Jahren 1991–1993 mini|Solarstrahlungspotenzial in Europa