mini |hochkant=1.5 |Anteil der Stromerzeugung aus Sonnenenergie an der Gesamterzeugung, 2025. Seit ihrer Entdeckung 1839 hat sich die Photovoltaik nach Schaffung erster praktisch nutzbarer Energiequellen in den 1950ern zu einer weltweit genutzten Stromquelle entwickelt. Die Photovoltaik dient der direkten Wandlung von einfallendem Licht in elektrische Energie (vgl. Sonnenenergie). Die Geschichte der Photovoltaik beginnt im Jahr 1839, als eine erste Variante des zugrundeliegenden photoelektrischen Effekts durch Alexandre Edmond Becquerel entdeckt wurde. Es dauerte jedoch noch über einhundert Jahre, bis es zu einer Nutzung dieser erneuerbaren Energie in der Energieversorgung kam. In den Jahren 2022, 2023 und 2024 war die Photovoltaik die Stromquelle mit den höchsten Zuwachsraten und hatte 2024 bei einem Zuwachs von 474 TWh mit über 2.131 TWh einen Anteil von 6,9 % an der weltweiten Stromerzeugung (Stand April 2025).

Die Entdeckung mini|hochkant=1.5|Der erste Absatz der Veröffentlichung „Aufzeichnung über die elektrischen Effekte, die unter dem Einfluss der Sonnenstrahlen erzeugt werden“ von Edmond Becquerel 1839 Im Jahr 1839 stieß Alexandre Edmond Becquerel (1820–1891) bei Experimenten auf den später nach ihm benannten Becquerel-Effekt. Ein spezieller photoelektrischer Effekt, der das Auftreten einer elektrischen Spannung zwischen zwei zunächst gleichen Elektroden in einem Elektrolyten, von denen nur eine belichtet wird, beschreibt. Damit entdeckte er die Entstehung von freien Ladungsträgern durch Licht, die Grundlage der Photovoltaik. Zu einer praktischen Anwendung kam es jedoch erst Generationen später.

Grundlegende Forschung 1873 entdeckten der britische Ingenieur Willoughby Smith und sein Assistent Joseph May, dass Selen bei Belichtung seinen elektrischen Widerstand veränderte. Willoughby Smith ging mit dieser Entdeckung an die Öffentlichkeit und löste damit weitere Forschungen zu diesem Thema aus.

1876 entdeckte dann William Grylls Adams zusammen mit seinem Schüler Richard Evans Day, dass Selen Elektrizität produziert, wenn man es Licht aussetzt. Obwohl Selen nicht geeignet ist, genügend elektrische Energie zur Versorgung damals verwendeter elektrischer Bauteile zur Verfügung zu stellen, war hiermit der Beweis erbracht, dass ein Feststoff Licht direkt in elektrische Energie wandeln kann, ohne den Umweg über Wärme oder kinetische Energie. mini |hochkant=1.5 |Werbung der Firma P. Gossen für ihren Belichtungsmesser „Photolux“ mit Selenzelle, 1933 1883 baute der New Yorker Charles Fritts ein erstes Modul aus Selenzellen, den Vorläufer des Photovoltaikmoduls. Das Modul hatte eine Fläche von etwa 30 cm². Die Selenschicht war auf eine Metallschicht aufgebracht und war von einer sehr dünnen Goldschicht bedeckt, die lichtdurchlässig war. Seine Leistung liegt bei 4,9 W/m², der Wirkungsgrad also bei einem halben Prozent, was zu Beginn der Entwicklung von Silizium-Zellen mit handelsüblichen Selenzellen als Vergleichswert ermittelt wurde. Erst jetzt kam es zu grundlegenden Arbeiten über den photoelektrischen Effekt, bei vielen Wissenschaftlern der damaligen Zeit aber auch zu großen Zweifeln an der Seriosität dieser Entdeckung.

Heinrich Hertz (1857–1894) entdeckte ebenfalls 1887 den lichtelektrischen Effekt, dessen genaue Untersuchung er seinem Schüler Wilhelm Hallwachs (1859–1922) übergab. Im gleichen Jahr und unabhängig von Hallwachs kam auch Augusto Righi (1850–1920) zur Entdeckung der Elektronenemission beim Photoeffekt. Zu Ehren der Erkenntnisse von Hallwachs wurde der lichtelektrische Effekt (auch äußerer Photoeffekt genannt) früher auch als Hallwachs-Effekt bezeichnet. Julius Elster (1854–1920) und Hans Friedrich Geitel (1855–1923), die sich zu dieser Zeit mit atmosphärischer Elektrizität befassten, brachten die Veröffentlichungen von Hallwachs und anderen auch zur intensiven Beschäftigung mit dem lichtelektrischen Effekt, die unter anderem 1893 zur Erfindung der Photozelle führte. Auch Philipp Lenard (1862–1947) und Joseph John Thomson trugen am Ende des 19. Jahrhunderts weiter zur Erforschung des lichtelektrischen Effekts bei.

Ein Ergebnis dieser Forschungen – dass die beim Photoeffekt zu beobachtende Energie der austretenden Elektronen von der Frequenz, aber nicht von der Intensität des einfallenden Lichts abhängt – stand im Widerspruch zur Wellentheorie des Lichts und veranlasste Albert Einstein 1905 zu seiner Lichtquantenhypothese und zur Ausarbeitung einer theoretischen Erklärung des lichtelektrischen Effekts, für die er 1921 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt wurde. Robert Andrews Millikan (1868–1953) konnte 1912–1916 die Einstein’schen Überlegungen zum Photoeffekt experimentell bestätigen und wurde unter anderem dafür 1923 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Zwei weitere wichtige Schritte für eine zukünftige technische Nutzung der Photovoltaik erfolgten 1916 und 1925. Jan Czochralski (1885–1953) entdeckte 1916 im Metall-Labor der AEG Berlin das nach ihm benannte Czochralski-Kristallziehverfahren. Es wurde erst in den 1940er Jahren weiterentwickelt und kam in den 1950er Jahren mit dem steigenden Bedarf nach Halbleiterbauteilen in größerem Maßstab zur praktischen Anwendung. David Prince veröffentlichte 1925 in der GE Review seinen Artikel The Inverter, in dem er nicht nur den Begriff „Inverter“ (deutsch „Wechselrichter“) einführte, sondern auch fast alle wichtigen Elemente, die für moderne Wechselrichter erforderlich sind, beschrieb.

Eine erste breite Anwendung fand die Photovoltaik – die direkte Wandlung von einfallendem Licht in elektrische Energie – ab 1932, als batterieloser Belichtungsmesser. In diesen Geräten lieferten Selenzellen den Strom für ein Drehspulmesswerk. Die Stärke des Stroms und damit der Ausschlag des Drehspulmesswerks wuchs „mit der Zunahme der Helligkeit“. Belichtungsmesser dieser Art wurden etwa zeitgleich von Weston Electrical Instrument in den USA und P. Gossen in Deutschland entwickelt. Das Modell Photolux von Gossen wurde auf der Leipziger Frühjahrsmesse 1933 in den Handel gebracht.

Photovoltaische Zellen mini|links|Die Erfinder der Silizium-Solarzelle G. Pearson, D. Chapin und C. Fuller (v.l.n.r) 1954 in den Bell Laboratories mini|hochkant|Die 1954 vorgestellte „Solarbatterie“. Die ersten Silizium-Solarzellen in diesem Solarmodul lieferten 60 W/m²

Im Jahr 1934 wurde an einer dünnen Solarzelle geforscht, die Kupfer(I)-oxid, auch Cuprit oder Kupferoxydul genannt, auf der Oberfläche einer Kupferanode als Halbleiter nutzte.Sun's rays to drive Aerial Landing Field. In: Modern Mechanix (Zeitschrift), Oktober 1934, S. 85, (englisch). , Abruf am 13. September 2014., Abruf am 12. September 2014. Zur Ableitung der Ladungsträger von der Oxidoberfläche und zum Schutz vor Umwelteinflüssen bestand die Kathode aus einem leitfähigen wie auch lichtdurchlässigen Kupferfilm. Autoren der Modern Mechanix nahmen an, irgendwann 33 W/m²Zitat: 86,300 kilowatts ... per hour in an area of a square mile => 86.300 kW/mi² = 86300000 W/(1609*1609) m² = 86300000 W/2588881 m² = 33,33486553 W/m² waagerecht installierter Solarzellenfläche zu erreichen (86.300 kW pro mi²). Als mögliche Anwendung waren zu der Zeit bereits Hausdächer aus Solarzellen und autarke Energieversorgungen (Inselsysteme) angedacht, z. B. bei Luftschiffen. Undotiert produziert die Zelle 12,5 mW/m². Durch eine Dotierung des Metalloxids und die (erst sehr viel später entwickelte) Feldeffekt-Technologie für Solarzellen (SFPV, entwickelt 2012) kann die Effizienz verbessert werden.

1940 stellte Russell S. Ohl (1898–1987) bei Versuchen unerwartet fest, dass bei Beleuchtung einer von ihm untersuchten Siliziumprobe das angeschlossene Messgerät eine Änderung anzeigte. Er bemerkte, dass durch die Beleuchtung des Siliziums ein Strom erzeugt werden konnte. Durch weitere Untersuchungen konnten die Ergebnisse bestätigt werden. Im Jahre 1941 wurde die Erfindung zum Patent angemeldet. Ohl war bei den Bell Laboratories auch an der Entdeckung beteiligt, bei Halbleitern durch gezielte Dotierung mit Fremdstoffen die elektrischen Eigenschaften zu ändern und so einen p-n-Übergang zu schaffen.

1948 kam es durch Kurt Lehovec (1918–2012) zu einem ersten Konzept der Halbleiter-Photovoltaik mit Schottky-Dioden. 1950 erstellte William Bradford Shockley (1910–1989) ein theoretisches Modell für den p-n-Übergang und schuf damit auch die Voraussetzung für das Verständnis der heutigen Solarzellen als Photodioden. Zusammen mit Walter H. Brattain und John Bardeen wurde er 1956 „für die Untersuchungen an Halbleitern und die Entdeckung des Transistoreffekts“ mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

+ Meilensteine der Photovoltaik-LeistungTabelle der im Artikel zitierten PV-Leistungen Jahr Solarzellen-material Verwendung/ Projekt Leistung[W/m²] Wirkungs-gradWirkungsgrad bezogen auf eine Einstrahlung von 1000 W/m² entsprechend der Standard-Testbedingungen 1883 Selen Forschung 4,9 0,5 % 1934 Kupfer(I)-oxid (Schätzung) 33 3,3 % 1953 Silizium Forschung 40 4,0 % 1954 Silizium erstes Serienmodul 60 6,0 % 1958 Silizium Vanguard 1 67 6,7 % 1986 Silizium gekoppelte PV-Anlage 120 12,0 % 2000 Silizium Serienmodul 154 15,4 % 2025 Silizium Serienmodul 226 22,6 % Die Bell Laboratories in New Jersey waren in diesen Jahren eines der weltweit aktivsten und erfolgreichsten Forschungslaboratorien. 1953 wurden dort von Daryl Chapin (1906–1995), Calvin Souther Fuller (1902–1994) und Gerald Pearson (1905–1987) kristalline Silizium-Solarzellen, jeweils zirka 2 cm² groß, mit Wirkungsgraden von über 4 Prozent entwickelt – eine Zelle erreichte sogar 6 Prozent Wirkungsgrad. Am 25. April 1954 wurde diese Solarzellen als neues elektrisches Bauelement der Öffentlichkeit präsentiert. Die New York Times brachte die Vorstellung des „Solarbatterie“ genannten Solarmoduls am nächsten Tag mit der Überschrift „Die enorme Kraft der Sonne wird durch Batterie mit Sandanteil genutzt“ auf der Titelseite. Die Leistung der verwendeten Solarzellen wurde mit 60 W/m² beziffert („ … can deliver power from the sun at the rate of 50 watts a square yard of surface“). Die Solarzellen hatten einen definierten p-n-Übergang und gute Kontaktierungsmöglichkeiten, wodurch erstmals wichtige Voraussetzungen für die industrielle Produktion gegeben waren. 2002 wurde eine 1955 von den Bell Laboratories hergestellte, eingekapselte und damals mit 6 Prozent Wirkungsgrad vermessene Zelle erneut vermessen und wies noch 5,1 Prozent Wirkungsgrad auf. Nach weiteren Verbesserungen konnte der Wirkungsgrad von Solarzellen auf bis zu 11 Prozent gesteigert werden.

Der erste technische Anwendungstest der „Bell-Solarbatterie“ war ab Oktober 1955 die Stromversorgung von Telefonverstärkern.History of Solar Cells, abgerufen am 11. Januar 2011. Dabei stellte sich die Technologie zu diesem Zeitpunkt aufgrund der hohen Herstellungskosten für die Solarmodule als zu teuer heraus.

Die Hoffman Electronics Corporation war die einzige Firma in America, die von Bell eine Lizenz für Silicium-Solarzellen erwarb, eine Serienproduktion aufbaute und ab 1955 in der Lage war, Solarzellen herzustellen. Bis 1960 verbesserte die Firma den Wirkungsgrad von Silicium-Solarzellen von 2 auf 14 Prozent. Sie lieferte ab 1958 die Zellen für die ersten damit ausgerüsteten amerikanischen Satelliten.

Anwendungen im Weltall

mini |links |Vanguard-I-Entwickler montieren 1958 den kugelförmigen Satelliten, der einen Durchmesser von 16,5 cm hat, in die Raketenspitze. Eins der sechs rechteckigen Solarmodule, die auf der Kugel angebracht sind und einige Milliwatt Leistung bringen, ist gut zu erkennen. mini|Ein Solarzellenpaddel der Raumsonde Dawn mit 5 kW Leistung, 2007 mini |Die Internationale Raumstation hat eine Solarzellengesamtleistung von über 215 Kilowatt Peak (Stand 2023)