PV4A | Fast 10 Nobelpreise

Die Entwicklung der Photovoltaik ist eng mit den Entdeckungen der modernen Physik verbunden. Daher verwundert es nicht, dass viele der Nobelpreise, die im Zusammenhang mit der Photovoltaik stehen, schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts vergeben wurden, obwohl deren technologische Entwicklung erst viel später einsetzte.

Max Planck

* 23. April 1858 in Kiel 
† 4. Oktober 1947 in Göttingen

Max Karl Ernst Ludwig Planck war ein deutscher Physiker auf dem Gebiet der theoretischen Physik

Max Planck gilt als einer der Begründer der Quantenphysik. Für die Entdeckung einer später nach ihm benannten Konstanten in einer physikalischen Grundgleichung, des Planck’schen Wirkungsquantums, erhielt er 1919 den Nobelpreisfür Physik des Jahres 1918.

Max Planck hat mit seiner Erklärung des Strahlungsquants (Planck’sches Wirkungsquantum) einen elementaren Grundstein für die Entwicklung der Photovoltaik gelegt.

Seine Forschung von 1900 führte zum Verständnis, dass Licht aus diskreten Energiepaketen (Quanten) besteht. Diese Erkenntnis war die theoretische Basis für Einsteins Arbeiten zum photoelektrischen Effekt – dem Prinzip, auf dem jede Solarzelle beruht.

Die von Planck eingeführte Quantentheorie besagt, dass Energie nicht kontinuierlich, sondern in bestimmten, kleinsten Portionen übertragen wird (Photonen). Erst dadurch ließ sich der photoelektrische Effekt korrekt beschreiben. Ohne Plancks Einführung der Lichtquanten wäre Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts, die für die Entwicklung von Solarzellen maßgeblich war, nicht möglich gewesen.

Als sich der vielseitig begabte Schüler nach den Berufsperspektiven in der Physik informierte, riet ihm der Münchner Physikprofessor Philipp von Jolly im Jahr 1874 von einem Studium ab: »In dieser Wissenschaft sei schon fast alles erforscht und es gelte, nur noch einige unbedeutende Lücken zu schließen.« Eine Vielzahl von Physikern teilte zu der damaligen Zeit diese Einschätzung. Die klassische Physik erklärte die meisten der Phänomene. Zu den »unbedeutenden Lücken« gehörte auch der genaue Verlauf der Schwarzkörperstrahlung, also etwa das Spektrum der Sonne. Die genaue theoretische Beschreibung des Strahlungsgesetzes gelang Max Planck im Jahr 1900. Mit dieser Beschreibung legte er die Grundlagen der Quantenphysik und revolutionierte damit die Wissenschaft.

Das mithilfe des Planck’schen Strahlungsgesetzes beschriebene Sonnenspektrum ist die Energiequelle jedes PV-Moduls. Die Auswahl der Materialien, die für ein Solarmodul geeignet sind, hängt maßgeblich von dem Sonnenspektrum ab.

Albert Einstein

* 14. März 1879 in Ulm 
† 18. April 1955 in Princeton, New Jersey

Albert Einstein war theoretischer Physiker. Er gilt als einer der bedeutendsten Physiker der Wissenschaftsgeschichte und weltweit als einer der bekanntesten Wissenschaftler der Neuzeit.

Einsteins Forschungen zur Struktur von Materie, Raum und Zeit sowie zum Wesen der Gravitation veränderten maßgeblich das zuvor geltende newton’sche Weltbild.

Albert Einstein trug aber auch grundlegend zur Entwicklung der Photovoltaik bei, indem er 1905 den photoelektrischen Effekt theoretisch erklärte und damit die Grundlage für Solarzellen legte. Heinrich Hertz hatte 1886 festgestellt, dass mit ultraviolettem Licht bestrahlte Metallplatten einen Stromstoß abgeben. Mit den damaligen Theorien war der merkwürdige Effekt nicht zu klären. Einstein, führte eine völlig neue Theorie des Lichts ein: Statt einer elektromagnetischen Welle oder eines Wellenbündels definierte er das Licht als Teilchen, besser gesagt als Zwitter aus Welle und Teilchen. Damit konkretisierte er das Modell, mit dem Planck die Strahlung schwarzer Körper beschrieben hat. Die Teilchen bezeichnete er als Lichtquant, welches seine Energie beim Übergang ins Metall an gebundene Elektronen im Metallgitter abgibt und diese so aus dem Gitterverbund befreit.

Damit lieferte Einstein die physikalische Erklärung dafür, warum die Energie eines einzelnen Photons für die Freisetzung eines Elektrons ausreicht, wenn die Frequenz des Lichts hoch genug ist. Auf genau diesem Prinzip beruht auch die Funktionsweise einer Solarzelle, da beim Auftreffen von Licht auf das Material Elektronen freigesetzt werden.

Für diese Arbeit wurde ihm 1921 der Nobelpreis für Physik verliehen, nicht etwa für seine spezielle oder allgemeine Relativitätstheorie, sondern explizit für den photoelektrischen Effekt.

So erhielt Einstein den Nobelpreis für seine Theorie des Lichts und nicht für seine viel bekanntere Formel E = m x c2. Man könnte auch sagen, er bekam ihn für die theoretische Grundlage der Photovoltaik und nicht für die theoretische Grundlage der Atombombe.

Werner Heisenberg

* 5. Dezember 1901 in Würzburg
 † 1. Februar 1976 in München

Werner Karl Heisenberg war ein  deutscher Physiker, der als Begründer der Quantenmechanik gilt und zu den bedeutendsten Physikern des 20. Jahrhunderts zählt.

Werner Heisenberg lieferte einen wichtigen theoretischen Beitrag zur Entwicklung der Photovoltaik, indem er als Mitbegründer der Quantenmechanik das Verständnis des Elektronenverhaltens in Halbleitermaterialien ermöglichte, was für die Funktionsweise moderner Solarzellen grundlegend ist. Seine Arbeiten halfen, die Wechselwirkungen und Bewegungen von Elektronen und Löchern in Halbleitern zu beschreiben, wodurch die Entwicklung effizienterer Photovoltaik-Materialien später erst möglich wurde.

Die Quantenmechanik, von Wissenschaftlern wie Bohr, Heisenberg, Schrödinger und Dirac entwickelt, bildet das theoretische Fundament für ein Verständnis der Vorgänge im Halbleiter – dem zentralen Werkstoff moderner Solarzellen. Dank dieser physikalischen Grundlagen konnten die Mechanismen des photoelektrischen Effekts und die Kontrolle von Elektronenflüssen gezielt für die Energieumwandlung in Solarzellen genutzt werden.

Die theoretischen Beiträge aus der Quantenmechanik bildeten das notwendige Wissen, um spätere praktische Durchbrüche wie die Silizium-Solarzelle in den 1950er Jahren zu erzielen.

John Bardeen

* 23. Mai 1908 in Madison, Wisconsin 
† 30. Januar 1991 in Boston, Massachusetts

John Bardeen war ein US-amerikanischer Physiker und zweifacher Nobelpreisträger der Physik. Er ist der einzige zweifache Preisträger in dieser Kategorie und einer von nur fünf Menschen, die den Nobelpreis zweimal erhielten.

Bardeen spezialisierte sich auf die Quantentheorie im Bereich der Festkörperphysik. An den Bell Telephone Laboratories in Murray Hill (New Jersey, 1945–1951) beschäftigte er sich gemeinsam mit den Physikern William B. Shockley und Walter Brattain hauptsächlich mit der elektrischen Leitfähigkeit von Halbleitern und Metallen.

Mithilfe des Halbleiters Germanium entdeckten sie 1947 den Transistoreffekt. Sie konstruierten den ersten Bipolartransistor, der durch die Möglichkeiten der Miniaturisierung die komplette Entwicklung der Mikroelektronik auslöste. Für diese Entdeckung erhielt Bardeen 1956 gemeinsam mit seinen beiden Kollegen den Nobelpreis für Physik. Auf diesen Grundlagen und diesen Technologien beruhen auch Funktionsweise und Herstellung von Solarzellen auf Basis von halbleitenden Materialien, wie etwa Silizium.

Ihre Forschungen waren Voraussetzung für die Nutzung von Halbleitern in der Photovoltaik und machten die Entwicklung von Silizium-Solarzellen Ende der 1940er- und Anfang der 1950er-Jahre erst möglich.

Alan J. Heeger

* 22. Januar 1936 in Sioux City, Iowa

Alan J. Heeger ist ein US-amerikanischer Physiker und Chemiker.

Zusammen mit Alan G. MacDiarmid und Hideki Shirakawa erhielt er im Jahr 2000  den Chemie-Nobelpreis für die Entdeckung und Entwicklung leitfähiger Polymere.

Diese leitfähigen Polymere bilden die Grundlage der organischen Photovoltaik, einer Technologie, die auf Kohlenwasserstoff-Polymeren basiert und als Alternative zur klassischen anorganischen Silizium-Photovoltaik gilt.

Heegers Arbeit ermöglichte die Entwicklung von flexiblen, kostengünstigen und großflächig einsetzbaren Solarzellen auf Polymerbasis. Organische Solarzellen nutzen das Prinzip der Photovoltaik durch die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels speziell entwickelter leitender Polymere. Diese Technologie ist zwar aktuell weniger leistungsfähig als die herkömmlichen Siliziumzellen, bietet aber Vorteile wie geringere Herstellungskosten, Flexibilität und neue Anwendungsmöglichkeiten.

Heeger trug damit maßgeblich zu einem neuen Zweig der Solarenergie bei, der das Potenzial hat, den Markt in Zukunft zu verändern und nachhaltige Energiequellen zu fördern. Seine Forschungslinie umfasst auch die Verbesserung der Effizienz und Stabilität organischer Solarzellen durch molekulare und Prozessoptimierungen.

Neben seiner Forschungstätigkeit an der University of California, Santa Barbara, hat Heeger auch die Firmen »Konarka« und »Uniax« gegründet, welche die organische Photovoltaik kommerzialisieren sollten.

John B. Goodenough

* 25. Juli 1922 in Jena 
† 25. Juni 2023 in Austin, Texas

John Bannister Goodenough war ein US-amerikanischer Physiker und Materialwissenschaftler.

Er war Professor an der University von Texas in Austin und hat wichtige Beiträge zur Entwicklung moderner Lithium-Ionen-Akkus geleistet. Insbesondere war er an der Entdeckung der bedeutendsten Kathodenmaterialien beteiligt.

Das grundsätzliche Manko des elektrischen Stroms, dass er zwar leicht über elektrische Leitungen über Hunderte von Kilometern blitzschnell transportierbar ist, aber nur relativ aufwendig speicherbar ist, legt auch bei der Photovoltaik einen besonderen Fokus auf die Verfügbarkeit von günstigen elektrischen Energiespeichern. Während über Jahrzehnte kaum ein Fortschritt (sowohl preislich als auch technisch) bei herkömmlichen Blei-Säure-Akkumulatoren zu bemerken war, war die Entwicklung bei Lithium-Ionen-Speichern rasant. Einen wichtigen Beitrag dazu hat John Bannister Goodenough geleistet.

Er war von 1976 bis 1986 Professor für anorganische Chemie an der Universität von Oxford in England. Dort entdeckte er die Eignung von Lithiumkobaltoxid als Material für den Pluspol (Kathode) von wiederaufladbaren Batterien. Ab 1986 arbeitete er als Professor an der Universität von Texas in Austin. Dort entdeckte er zusammen mit einem Doktoranden Lithium-Eisenphosphat als mögliches Kathodenmaterial – ein entscheidender Beitrag zur Entwicklung moderner und kostengünstiger Lithium-Ionen-Akkus.

2019 erhielt er im Alter von 97 Jahren gemeinsam mit M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino den Nobelpreis für Chemie. Damit war er die älteste Person, der je ein Nobelpreis verliehen wurde. Goodenough starb am 25. Juni 2023, einen Monat vor seinem 101. Geburtstag.