Effizienter, weniger nachhaltig

Seit Bell Labs in den 1950er Jahren das erste praktische Solar-PV-Modul vorstellte, konzentrierte sich die technologische Entwicklung auf die Reduzierung von Kosten und die Steigerung der Effizienz von Solarzellen. Nach diesen Maßstäben haben die Forscher große Fortschritte gemacht. Der Wirkungsgrad von Solarmodulen stieg von weniger als 5 % in den 1950er Jahren auf über 20 % heute, während die Kosten von 30 Dollar pro Watt-Peak im Jahr 1980 auf weniger als 0,2 Dollar pro Watt-Peak im Jahr 2020 sanken. Niedrigere Kosten – bis hin zu höhere Wirkungsgrade tragen dazu bei – gelten als äußerst wichtig, da sie es Solar-PV-Modulen ermöglichen, auf dem Markt mit Strom aus fossilen Brennstoffen zu konkurrieren.

Im Hinblick auf die Nachhaltigkeit wurden jedoch nur sehr geringe Fortschritte erzielt. Erstens sind Solarpaneele seit den 1950er Jahren nicht für das Recycling geeignet, was zu einem Abfallstrom führt, der auf Mülldeponien landet. Dieser Abfallstrom wird in den kommenden Jahren erheblich zunehmen. Solarmodule werden erst nach mindestens 25 bis 30 Jahren entsorgt und die meisten wurden erst in den letzten Jahren installiert. Bis zum Jahr 2050 gehen Forscher davon aus, dass fast 80 Millionen Tonnen Solarmodule das Ende ihrer Lebensdauer erreichen werden. ^1 2 3 Das ist eine erhebliche Verschwendung von Ressourcen und eine Gefahr für die Umwelt – weggeworfene Solar-PV-Module enthalten giftige Elemente und stellen eine Brandgefahr dar.

Der Bedarf an kapitalintensiver Technologie und langen Lieferwegen verhindert die lokale Produktion von Solarmodulen durch weniger wohlhabende Gesellschaften oder DIY-Gemeinschaften.

Ebenso problematisch ist die Herstellung von Solar-PV-Modulen. Es produziert Giftmüll und erfordert eine globale Lieferkette, einschließlich kapitalintensiver Fabriken, komplexer Maschinen, abgebauter Materialien und einer stetigen Zufuhr fossiler Brennstoffe. Bei Lebenszyklusanalysen von Solarmodulen berechnen Wissenschaftler, wie viel Energie und Materialien für den Bau eines Solarmoduls erforderlich sind . Sie ignorieren jedoch die enorme Menge an Energie und Materialien, die für den Aufbau und die Aufrechterhaltung der Solar-PV-Lieferkette selbst erforderlich sind. ^{4 5 6 7 8 9 10 11} Folglich zeigen diese Studien nicht die tatsächlichen Kosten von Solarmodulen im Hinblick auf die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, Emissionen und andere Umweltverschmutzungen auf. Darüber hinaus verhindert der Bedarf an kapitalintensiver Technologie und langen Versorgungsleitungen die lokale Produktion von Solarmodulen durch weniger wohlhabende Gesellschaften oder DIY-Gemeinschaften.

Inspiration in der Vergangenheit finden

Sind Solar-PV-Module von Natur aus nicht nachhaltig, nicht recycelbar und auf hochtechnologische und kapitalintensive Herstellungsprozesse angewiesen? Oder ist es möglich, sie mit lokalen, wiederverwertbaren und weniger energieintensiven Materialien und Produktionsmethoden zu bauen? Mit anderen Worten: Können wir Low-Tech-Solarmodule bauen? Und wenn ja, was würde das für Kosten und Effizienz bedeuten?

Bevor wir versuchen, diese Frage zu beantworten, ist es wichtig zu beachten, dass die beste Low-Tech-Alternative für ein High-Tech-Solarmodul oft kein Low-Tech-Solarmodul, sondern die direkte Nutzung von Solarenergie ist. Das heißt, Sonnenenergie nutzen, ohne sie vorher in Elektrizität umzuwandeln. Beispielsweise sind eine Wäscheleine und ein solarthermischer Warmwasserbereiter viel effizienter, nachhaltiger und wirtschaftlicher als ein elektrischer Wäschetrockner und ein Warmwasserbereiter, der mit Solar-PV-Modulen betrieben wird. Die direkte Nutzung von Solarenergie kann mit lokalen Materialien, relativ einfachen Herstellungstechnologien und kurzen Versorgungsleitungen erfolgen.

Dennoch nehme ich in diesem Artikel die Frage wörtlich: Können wir Low-Tech-Photovoltaikanlagen bauen, die Sonnenlicht in Strom umwandeln? In einem früheren Artikel haben wir gesehen, dass die Geschichte Inspiration für den Bau nachhaltigerer Windkraftanlagen bietet . Kann uns die Geschichte auch dazu inspirieren, nachhaltigere Solarzellen herzustellen?

Die Vorgeschichte der Solarzellen

Das 1954 vorgestellte Solar-PV-Modul von Bell Labs kam nicht aus dem Nichts. Die Silizium-Solarzelle hatte ihren Ursprung in weniger komplexen Geräten, die entweder aus Licht oder Wärme Strom erzeugen konnten.

Im Jahr 1821 fand Thomas Seebeck heraus, dass in einem Stromkreis aus zwei unterschiedlichen Metallen, deren Verbindungsstellen unterschiedliche Temperaturen aufweisen, ein elektrischer Strom fließt. Dieser „thermoelektrische Effekt“ bildete die Grundlage für den „thermoelektrischen Generator“, der Wärme (zum Beispiel von einem Holzofen ) direkt in Strom umwandelt. Im Jahr 1839 entdeckte Antoine Becquerel, dass sich Licht auch in Elektrizität umwandeln kann, und in den 1870er Jahren wiesen mehrere Wissenschaftler diesen Effekt in Festkörpern nach, vor allem in Selen. Dieser „photoelektrische Effekt“ bildete die Grundlage für den „photoelektrischen Generator“, den wir heute „Photovoltaik“-Generator oder Solar-PV-Zelle nennen. Im Jahr 1883 konstruierte Charles Fritts das erste Photovoltaikmodul überhaupt, bei dem er Selen auf einer dünnen Goldschicht verwendete. ^12 13 14

Während dieser Zeit – und bis in die 1950er Jahre – waren die praktischen Einsatzmöglichkeiten thermoelektrischer und fotoelektrischer Geräte begrenzt. Erfinder bauten viele experimentelle thermoelektrische Generatoren, die normalerweise von einer Gasflamme angetrieben wurden, deren Wirkungsgrad jedoch 1 % nicht überstieg. Ebenso erreichten das Solarpanel von Charles Fritts und die später hergestellten Selen-Solarzellen nur einen Wirkungsgrad von 1–2 % bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität. ¹⁵ Kurz gesagt, die Zeit vor den 1950er Jahren scheint nicht viel Inspiration für den Bau nachhaltigerer Solar-PV-Module zu bieten.

Ein vergessener Pionier der Solarenergie

Allerdings ist die Vorgeschichte des Solarpanels möglicherweise unvollständig. Im Jahr 2019 erhielt ich eine E-Mail von Philip Pesavento, einem Leser des Low-tech Magazine:

„Seit den frühen 1990er Jahren beschäftige ich mich mit einem frühen Pionier der Solarzellentechnologie aus der Zeit vor dem Ersten Weltkrieg. Ich werde zu alt, um damit weiterzumachen, und obwohl es ein oder zwei wissenschaftliche Artikel über Mr. Cove gab, haben sie völlig übersehen, was er erreicht hat. Ich füge ein PDF einer PowerPoint-Präsentation bei, die ich 2015 zusammengestellt und nie jemandem präsentiert habe. Wenn Sie daran interessiert sind, selbst eine Arbeit zu schreiben, könnte ich Ihnen einen USB-Stick mit dem gesamten Hintergrundmaterial zusenden, das ich gesammelt habe.“

Wenn Philip Pesaventos historischer Bericht und seine Hypothesen stimmen, wollte George Cove einen thermoelektrischen Generator bauen, baute aber versehentlich einen Photovoltaikgenerator – eine PV-Solarzelle. Obwohl dies bereits im frühen 20. Jahrhundert geschah, erzielte Cove 1954 eine mit den Wissenschaftlern der Bell Labs vergleichbare Leistungsausbeute und Effizienz. Sein Entwurf zeigte auch eine viel höhere Leistung als die zwischen den 1880er und 1940er Jahren gebauten Selen-Solarzellen. ¹⁶ Philipp Pesavento:

„Es wäre ziemlich spannend zu beweisen, dass relativ hocheffiziente Solarzellen 40 Jahre vor der Entwicklung von Siliziumzellen erfunden wurden. Noch wichtiger: Wenn sich herausstellt, dass es vor dem Ersten Weltkrieg ein Solarzellen- und -paneelsystem gab, könnte es auch einige Vorteile haben, was die Billigkeit der Rohstoffe, den geringen Energieaufwand für die Umwandlung der Erze in metallische Materialien und die Effizienz des Endprodukts betrifft PV-Zellen und einfache Herstellung.“

Mit anderen Worten: Wenn Philip Pesaventos historischer Bericht und seine Hypothesen stimmen, könnte es möglich sein, Low-Tech-Solarmodule zu bauen.

Der Solarstromgenerator von George Cove

George Cove präsentierte 1905 seinen ersten „solarelektrischen Generator“ im Metropole Building in Halifax, Nova Scotia, Kanada. Außer einem Bild gibt es keine Daten zu diesem Panel. ¹⁷ Seine Leistung und Effizienz waren jedoch so bemerkenswert, dass US-Investoren einen Experten nach Halifax schickten. Basierend auf der Untersuchung der Maschine durch diesen Experten brachten sie Cove dann in die USA (Sommerville, Massachusetts), um die Entwicklung seines Geräts fortzusetzen.

Cove stellte dort 1909 seinen zweiten Solarstromgenerator vor. Dieses 1,5 m² große Panel konnte 45 Watt Leistung erzeugen und hatte einen Wirkungsgrad von 2,75 % bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität. Mitte 1909 war Cove nach New York City gezogen, wo er seinen dritten Prototyp vorstellte, eine Solaranlage bestehend aus vier Solarpaneelen mit jeweils 60 Watt Peak, die insgesamt fünf Blei-Säure-Batterien aufluden. Die Gesamtfläche betrug 4,5 m2, die maximale Leistung betrug 240 Watt und der Wirkungsgrad stieg auf 5 % – ähnlich wie beim ersten von Bell Labs vorgestellten Solarpanel. ¹⁸

Obwohl George Cove in den meisten historischen Berichten über Solarenergie fehlt, beeindruckte sein Solarstromgenerator einige populäre Tech-Medien der damaligen Zeit. Beispielsweise schrieb das Technical World Magazine 1909: „Eine solche Maschine ist billig und als Küchenherd unzerstörbar. Selbst in seinem jetzigen, etwas groben und experimentellen Zustand kann es bei zwei Sonnentagen ausreichend elektrische Energie speichern, um ein gewöhnliches Haus eine Woche lang zu beleuchten. Das beweist der Erfinder nun seit Monaten in seinem Betrieb.“ ¹⁹

In Asphalt eingelassene Stopfen

Wie gelang es George Cove, ein Solarpanel zu bauen, das seiner Zeit 40 Jahre voraus war? Laut Philip Pesavento, der über einen Hintergrund in der Halbleitertechnik verfügt, hatte Cove vor, einen besseren thermoelektrischen Generator (TEG) zu bauen. Er setzte seinen Generator der Hitze eines Holzofens und direkter Sonnenenergie aus – Edward Weston hatte 1888 den ersten experimentellen solarthermischen Generator (STEG) hergestellt. Coves Absichten werden auch aus der Beschreibung seines Geräts deutlich:

„Der Rahmen enthält eine Reihe violetter Glasscheiben, hinter denen durch eine Asphaltverbundunterlage viele kleine Metallstopfen angebracht sind. Ein Ende der Stecker ist immer dem Sonnenlicht ausgesetzt, während das andere Ende kühl und geschützt ist.“

Die Erzeugung eines größtmöglichen Temperaturunterschieds ist der Schlüssel zur thermoelektrischen Stromerzeugung , daher ist Coves Design sinnvoll. Das Problem besteht darin, dass er bei der Messung der Ausgangsleistung seines Generators feststellte, dass dieser nicht auf Wärme reagierte, wie es ein thermoelektrischer Generator tun sollte. Cove stellt zunächst fest, dass seine Erfindung sowohl Wärme als auch Licht nutzt, um Strom zu erzeugen, wenn er der Sonnenenergie ausgesetzt wird:

„Der Hauptteil meiner Erfindung ist die besondere Zusammensetzung der Metallpfropfen, auf die die Sonne so einwirkt, dass der Strom nicht nur durch Wärmestrahlen, sondern auch durch violette Strahlen erzeugt wird.“

Nach weiteren Experimenten sowohl mit dem Holzofen als auch mit Solarenergie stellt Cove jedoch fest:

„Wenn die Maschine verschiedenen künstlichen Wärmequellen ausgesetzt wird, gibt sie überhaupt keinen Strom ab. Anders als die Wärmestrahlen der Sonne (kurzwelliges Infrarot) sind möglicherweise die violetten oder ultravioletten Strahlen aktiv am Aufbau des elektrischen Stroms beteiligt.“

Die Primärzelle des Solar-PV-Moduls von Cove war ein drei Zoll langer Stecker oder Stab aus metallischer Zusammensetzung, einer Legierung aus mehreren unedlen Metallen. Das 1,5 m2 große Panel hatte 976 Stäbe, während das 4,5 m2 große Array 4 x 1804 Stecker hatte. Es spielte jedoch keine Rolle, die Stäbe auf der einen Seite kühl und auf der anderen – getrennt durch eine Asphaltschicht – heiß zu halten. Entscheidend war, dass Cove unwissentlich einen Metall-Halbleiter-Kontakt hergestellt hatte.

Die Halbleiterbandlücke

George Cove verstand nicht, wie sein Solargenerator funktionierte, und auch sonst niemand verstand es damals. Erst mit Einsteins Arbeiten zum photoelektrischen Effekt (1905) und späteren Arbeiten zur Quantenmechanik (1930er Jahre und später) wurde das Konzept einer Halbleiterbandlücke verwirklicht. Elektronen umkreisen den Atomkern in verschiedenen „Zuständen“, die Bereiche bilden, die „Bänder“ genannt werden. Diese Bänder halten ihre Elektronen fest an Ort und Stelle. Zwischen diesen Bändern liegen „Bandlücken“ – Zustände, in denen sich kein Elektron befinden kann.

George Cove verstand nicht, wie sein Solargenerator funktionierte, und auch sonst niemand verstand es damals.

Leiter haben keine Bandlücken und daher fließen Elektronen durch sie. Deshalb leitet beispielsweise ein Kupferdraht Strom. In Isolatoren (wie Holz, Glas, Kunststoff oder Keramik) gibt es eine sehr große Bandlücke, die den Stromfluss blockiert. Schließlich gibt es bei Halbleitern eine relativ schmale Bandlücke. Dadurch können sie entweder als Isolator oder als Leiter fungieren. Halbleiter können zu Leitern werden, wenn sie ein „Photon“ (ein Elementarteilchen des Lichts) absorbieren, dessen Energiepotential gleich oder größer als die Bandlücke des Halbleitermaterials ist. ²⁰

Das Verständnis von Halbleitern führte in den 1950er Jahren zur Geburt der modernen Solar-PV-Zelle. Es verbesserte auch die Leistung thermoelektrischer Generatoren – aus unterschiedlichen Gründen. Thermoelektrische Generatoren nutzen die Halbleiterbandlücke nicht aus. Allerdings haben Halbleiter höhere Thermospannungen und geringere Wärmeleitfähigkeiten als Metalle und Metalllegierungen ohne Bandlücke, was thermoelektrische Generatoren effizienter macht.

Die Schottky-Kreuzung

Damit ein photovoltaischer Effekt entsteht, muss es eine gewisse Inhomogenität im System geben. Dies gelang den Wissenschaftlern des Bell Labs in den 1950er Jahren mit dem sogenannten pn-Übergang, der eine Grenze zwischen einem positiv geladenen und einem negativ geladenen Halbleiter bildet. Halbleiter vom P-Typ haben Elektronenlücken, sogenannte „Löcher“ (die Elektronen anziehen), während Halbleiter vom N-Typ zusätzliche Elektronen haben. An der Verbindungsstelle zwischen beiden liegt ein elektrisches Potential.

Es ist jedoch auch möglich, eine PV-Zelle aus einem sogenannten Schottky-Kontakt zu erstellen, der einen Halbleiter mit einem Metall verbindet. In diesem Fall fungiert das Metall als n-Halbleiter. Philip Pesavento:

„Meine Hypothese ist, dass George Cove auf eine Schottky-Kontakt-Photovoltaikzelle gestoßen ist, Jahrzehnte bevor sie von Walter Schottky beschrieben wurde. ²¹ Es besteht die Möglichkeit sowohl photovoltaischer (vorwiegend) als auch thermoelektrischer Reaktionen dieser Geräte. Der Stecker bestand aus einer Legierung aus Zink und Antimon – von dem wir heute wissen, dass es sich um einen Halbleiter handelt. Es war abwechselnd mit Neusilber (einer Nickel-, Kupfer- und Zinklegierung) und Kupfer an den gegenüberliegenden Enden bedeckt. Dadurch entstand ein ohmscher Kontakt bzw. ein Schottky-Kontakt. Das ist ein Photovoltaikgerät.“

Zufällige Entdeckung

Laut Philip Pesavento begann George Cove wahrscheinlich mit „Neusilber“ als negativem Material an beiden Enden der Stecker und einer Antimon-Zink-Legierung (ZnSb) als positivem Material. Dies waren damals die besten verfügbaren thermoelektrischen Materialien:

„Wahrscheinlich ging ihm das Neusilber aus und er ersetzte es durch Kupfer, um eine Reihe von Steckern fertigzustellen, da der Unterschied in der Thermospannung zwischen der Verwendung von Kupfer und Neusilber gering war. Während des Tests stellte Cove dann fest, dass diese Stecker (mit einer Neusilberkappe an einem Ende und einer Kupferkappe am anderen Ende) eine viel höhere Spannung lieferten: Hunderte mV im Vergleich zu den üblichen zehn mV für einen thermoelektrischen Generator.“

Was ist passiert? Durch die Verwendung von Kupfer hatte Cove unwissentlich eine Schottky-Verbindung gebaut. Dadurch wurde sein thermoelektrischer Generator in einen „thermophotovoltaischen Generator“ umgewandelt. Ein solches Gerät funktioniert genauso wie eine Photovoltaik-Solarzelle, jedoch mit einer anderen Wellenlänge. Das Sonnenspektrum umfasst einen Bereich von etwa 0,5 bis 2,9 Elektronenvolt (eV), von Infrarot bis Ultraviolett. Ein Halbleiter mit einer Bandlücke zwischen 1 und 1,7 eV wandelt sichtbares Licht effizient in Elektrizität um (ein Photovoltaikgenerator) – während ein Halbleiter mit einer Bandlücke zwischen 0,4 und 0,7 eV kurzwellige Infrarot-Sonnenenergie effizient in Elektrizität umwandelt (ein Thermophotovoltaikgenerator).

Wir wissen jetzt, dass ZnSb – das negative Material in Coves Steckern – ein Halbleiter mit einer Bandlücke von 0,5 eV ist. Das erklärt größtenteils, warum der Erfinder zunächst beobachtete, dass sein Solargenerator sowohl Wärme als auch Licht in Strom umwandelte. Ein thermophotovoltaischer Generator entspricht nicht nur dem Infrarotschweif des Sonnenspektrums, sondern auch dem direkten Spektrum einer brennenden Flamme oder einer glühenden emittierenden Oberfläche, die durch die Verbrennung von Holz oder Erdgas erhitzt wird. Es wandelt auch den unteren Teil des sichtbaren Spektrums in Elektrizität um, wenn auch sehr ineffizient.

Laut Philip Pesavento gelang es Cove dann, die Zusammensetzung der Legierung nahe an Zn4Sb3 zu verfeinern – eine Zink-Antimon-Legierung mit Anteilen von 4 Teilen Zink zu 6 Teilen Antimon. Das ist, wie wir jetzt wissen, ebenfalls ein Halbleiter. Allerdings hat es eine Bandlücke von 1,2 eV – sehr nahe an der Bandlücke von Silizium (1,1 eV). Dadurch wurde aus seinem Thermophotovoltaik-Generator ein Photovoltaik-Generator:

„In seinem Enthusiasmus hat Cove wahrscheinlich eine größere Anzahl von Steckern hergestellt und bei einer Charge irgendwie die Proportionen „falsch“ hinbekommen. Dann maß er eine noch größere Spannung. Schließlich führte er eine sorgfältige Untersuchung von Zink-Antimon-Legierungen durch und stellte fest, dass die Zinklegierung im Bereich von 40–42 % die höchste Spannung ergab (im Vergleich zu 35 % Zink in ZnSb). Nachdem er – zufällig – Zn4Sb3 entdeckt hatte, führte die größere Bandlücke dieses Halbleiters dazu, dass er nicht mehr funktionierte, wenn er der Hitze eines Holzofens ausgesetzt wurde. Allerdings funktionierte es noch besser, wenn es der Sonnenenergie ausgesetzt war – denn es wandelte nun einen weitaus größeren Teil des sichtbaren Spektrums des Sonnenlichts effizient in Elektrizität um.“

Mithilfe von Farbglasfiltern stellte George Cove fest, dass der größte Teil der Reaktion vom violetten Ende des Spektrums stammte und nur ein kleiner Teil von den sogenannten Wärmestrahlen. Seine früheren PV-Stecker reagierten gleichermaßen gut auf Wärmestrahlen und violette Strahlen, während die älteren thermoelektrischen Generatoren (auf beiden Seiten Neusilber) überhaupt nicht auf violette Strahlen reagierten.

Die Schottky-Solarzelle zurückbringen?

Schottky-Solarzellen haben bei Forschern und Unternehmen nur wenig Aufmerksamkeit auf sich gezogen – nur wenige Solarzellendesigns verwenden Metalle im aktiven Bereich, außer für Kontakte. ²² Dennoch glaubt Philip Pesavento, dass es sich lohnen würde, den Versuch zu unternehmen, einige Schottky-Solarzellen nach Coves Design herzustellen:

„Wenn nachgewiesen werden könnte, dass Zn4Sb3 (Bandlücke 1,2 eV) in einer Photovoltaikzelle verwendet werden kann, besteht eine gute Chance, dass ein solches Solarzellendesign nachhaltig sein wird. Es wäre ein guter Kandidat für einen schnellen EROI und hätte eine akzeptabel lange Betriebslebensdauer mit einer überschüssigen Energieabgabe über mehrere Jahrzehnte. Es ist erstaunlich, dass anscheinend jeder dieses Material und seine Anwendung in Photovoltaikzellen vermisst hat und dass keine Entwicklung erfolgt ist – selbst nachdem Forscher es Anfang bis Mitte der 1980er Jahre kurzzeitig als mögliche Option erkannten. Es passt in die Kategorie einer vorzeitigen Entdeckung, was bedeuten sollte, dass es heutzutage sehr schnell entwickelt werden könnte.“

Abgesehen von Solar-PV sieht Philip Pesavento Potenzial in der Thermophotovoltaik für Holzöfen, Solarthermie oder Dual-Junction-Tandem-Anwendungen, bei denen ZnSb anstelle von Zn4Sb3 verwendet wird. Sollten sich die Plug-Solarzellen außerdem als effektiv erweisen, würden sie seiner Meinung nach den Bau von Linienkonzentrator-Solarkollektoren – wie Parabolrinnen oder unvorstellbaren CPC-Konzentratoren – zu deutlich geringeren Kosten ermöglichen.

Low-Tech-Fertigung

Der Hauptvorteil des Cove-Designs wäre seine Low-Tech-Fertigungsmethode. In den 1970er und 1980er Jahren untersuchten Wissenschaftler Zn4Sb3 für den Einsatz in der Photovoltaik und kamen zu dem Schluss, dass die „offensichtlichen Vorteile des Materials in der scheinbaren Einfachheit und der relativ niedrigen Temperatur des Herstellungsverfahrens liegen“. ²³ Der Schmelzpunkt von Zn4Sb3 liegt bei 570 Grad Celsius, während er bei Silizium bei 1.400 Grad liegt.

In den 1970er Jahren untersuchten Forscher Metall-Halbleiter-Solarzellen, die auf anderen Halbleitertypen als Zn4Sb3 basierten. Ihre Motivation war wiederum das einfache und kostengünstige Herstellungsverfahren im Vergleich zu Silizium-PN-Übergangssolarzellen zu dieser Zeit. ^24 25 Schottky-Zellen erfordern keinen Hochtemperatur-Phosphordiffusionsschritt, der heute normalerweise die n-Schicht des pn-Übergangs in Silizium erzeugt. Allein dadurch reduziert sich der Energieeinsatz im Solarzellenproduktionsprozess um 35 %. ²²

In den 1980er Jahren machten Forscher wichtige Fortschritte bei Silizium-pn-Übergängen, und das Interesse an alternativen Konfigurationen ließ nach. In den letzten Jahren ist das Interesse jedoch wieder gestiegen. Untersuchungen zu Graphen/Silizium-Schottky-Solarzellen kommen beispielsweise zu dem Schluss, dass „einer der Vorteile die einfache und kostengünstige Geräteherstellung ist, die keine hohen Temperaturen erfordert.“ ²⁶ In anderen neueren Studien kommen Wissenschaftler zu dem Schluss, dass Selenbauelemente vom Schottky-Typ „extrem einfach und kostengünstig herzustellen“ sind. ^{27 28 29 30}

Einfacheres Recycling

Ein weiterer Vorteil von Schottky-Solarzellen könnte das einfachere Recycling sein. Siliziummodule werden zwischen zwei Laminat-Einkapselungsschichten (normalerweise EVA, ein Ethylen/Vinylacetat-Copolymer) eingelegt. Diese Schichten sind wichtig, um die Lebensdauer des Moduls sicherzustellen. ^1 2 3 Um das Silizium – den wertvollsten Bestandteil eines Solarmoduls – zu recyceln, müssen diese Schichten getrennt werden, aber durch deren Verbrennung werden auch die Module zerstört. Siliziumzellen können nur durch eine Kombination aus thermischen, chemischen und metallurgischen Schritten recycelt werden. Das ist ein teurer Prozess mit Auswirkungen auf die Umwelt. Obwohl es Aussagen gibt, dass etwa 10 % der Solarmodule „recycelt“ werden, handelt es sich eher um ein „Downcycling“. Die Module werden geschreddert und das resultierende Material als Füllmaterial in der Asphalt- und Zementindustrie verwendet.

Im Gegensatz dazu waren die von George Cove gebauten Solarzellen vollständig recycelbar. Sie benötigten keine Schutzschicht und enthielten nicht einmal Lot. Philip Pesavento:

„Wenn man die Zellen genau so bauen würde, wie Cove es gemacht hat, indem man die Kappen presspasst und sie dann mit Draht umwickelt, um zu versuchen, sie dicht zu halten, wären sie auch einfacher zu recyceln, da es sich um einen rein mechanischen Vorgang handelt, für den keine Chemikalien erforderlich sind.“ involviert sein. Es wäre arbeitsintensiv, sie zusammenzusetzen und wieder auseinanderzunehmen, aber es könnte auch automatisiert werden.“

Pesavento glaubt, dass es auch möglich ist, aus Coves Material flache Solarzellen zu bauen. Es bleibt jedoch abzuwarten, ob diese eine Schutzschicht benötigen, die das Recycling beeinträchtigt. In den 1970er Jahren benötigten Schottky-Solarzellen auf Basis anderer Materialien nicht immer Schutzschichten, um eine Lebenserwartung von mehr als 20 Jahren zu erreichen. ²⁴

Effizienz

Wenn wir mehr Low-Tech-Solarmodule bauen könnten, wie effizient könnten wir sie herstellen? Laut Philip Pesavento sind Schottky-Zellen bei denselben Materialien etwas weniger effizient als pn-Übergänge, da pn-Übergänge eine höhere Spannung erzeugen – sie erhalten mehr Energie in den Photonen, die sie absorbieren.

„Wenn jedes bisschen Effizienz zählt, dann tun Sie das. Wenn Ihr Ziel darin besteht, die Herstellung von Solarzellen mithilfe manueller oder handwerklicher Methoden zu vereinfachen, wäre die Schottky-Diode die logischere Wahl.“

Andererseits könnte es möglich sein, Schottky-Zellen dünner zu bauen als Silizium-Solarzellen – und das würde ihre Effizienz steigern. Philip Pesavento:

„Ich habe die spezifischen Zahlen für die Parameter – Trägergeschwindigkeit, Rekombinationslebensdauer, Absorptionskoeffizient – ​​nicht gefunden, um dies eindeutig zu sagen. Aber die Tatsache, dass Cove so lange, dünne Zellen herstellte und so hohe Wirkungsgrade erzielte wie er, verheißt Gutes dafür, sie dünner zu machen.“

Auch hier scheinen neuere Forschungen zu Schottky-Zellen auf Basis anderer Materialien dies zu bestätigen. Jüngste Experimente mit Schottky-Selenzellen brachten beispielsweise eine Schichtdicke von nur noch 100 µm, verglichen mit 200 bis 500 µm bei Siliziumzellen. ^27 31 Wissenschaftler erreichten außerdem einen experimentellen Wirkungsgrad von 17 % für eine Graphen/Silizium-Schottky-Zelle, gegenüber 1,5 % zehn Jahre zuvor. ²⁶

Wir können auch die derzeitige Besessenheit von höheren Wirkungsgraden in Frage stellen. Viele Leute werden argumentieren, dass wir mehr Solarmodule benötigen würden, um die gleiche Leistung zu erzeugen, wenn Low-Tech-Solarmodule weniger effizient wären. Folglich würden die durch Low-Tech-Produktionsmethoden eingesparten Ressourcen durch die zusätzlichen Ressourcen für den Bau weiterer Solarmodule ausgeglichen. Effizienz ist jedoch nur dann von entscheidender Bedeutung, wenn wir den Energiebedarf als selbstverständlich betrachten . Ein gewisser Verzicht auf Effizienz kann uns viel bei der Nachhaltigkeit bringen.

Was ist mit George Cove passiert?

Wenn das Solarpanel von Cove so revolutionär war, warum wird es dann vergessen? Zu dieser Frage liest sich Philip Pesaventos Recherchematerial wie ein Kriminalroman. Coves Versuch, sein Solarenergiegerät zu produzieren und zu vermarkten, scheiterte auf mysteriöse Weise.

Der Erfinder schloss sich einem Aktienmanipulator an – Elmer Burlingame –, der 1909 und 1910 Aktien von Unternehmen ausgab, die ihm nicht gehörten, darunter Coves Start-up-Unternehmen Sun Electric Generator Company. Im Oktober 1909 wurde Cove angeblich entführt und sein Leben wurde bedroht, wenn er die Entwicklung seiner Solarerfindung nicht einstellte. Die Polizei wies Coves Entführung jedoch als Scherz ab. Im Jahr 1911 wurden sowohl Cove als auch Burlingame wegen Aktienbetrugs verhaftet und verbrachten ein Jahr im Gefängnis. Obwohl Cove danach an weiteren Erfindungen arbeitete, hatte keine davon etwas mit Solarenergie zu tun. ³²

Im Oktober 1909 wurde Cove angeblich entführt und sein Leben wurde bedroht, wenn er die Entwicklung seiner Solarerfindung nicht einstellte.

War George Cove ein Scharlatan? War er das Opfer eines solchen? Oder wurde sein Ruf zerstört, weil der Solarstromgenerator die Interessen anderer Unternehmen bedrohte? Es gibt viele historische Beispiele für die Unterdrückung technologischer Innovationen durch große US-Konzerne. George Cove war im gleichen Zeitraum aktiv wie die Edison Electric Illuminating Company aus New York, deren skrupelloses Vorgehen gegenüber Konkurrenten gut dokumentiert ist. Wenn der Solarstromgenerator von Cove funktioniert hätte, hätte er die wachsende Nachfrage nach Edisons Kohle- und Ölkraftwerken reduzieren können. ³² Zuvor, in den 1880er Jahren, hatte Edison das Unternehmen gekauft, das den damals besten thermoelektrischen Generator herstellte – Clamonds‘ Improved Thermopile – und stoppte anschließend die Entwicklung der Maschinen. ³³

Weitere Geheimnisse

Obwohl es verlockend ist, George Cove als Opfer zu sehen, können wir nur spekulieren. Das Archivmaterial von Philip Pesavento birgt weitere Geheimnisse, wie zum Beispiel Coves Patent – ​​angemeldet im Jahr 1905, erteilt im Jahr 1906. In seinem Patent beschreibt der Erfinder die Herstellung seiner Zn4Sb3-Stecker im Detail, was Pesavento bei der Berechnung der Leistungsabgabe und Effizienz des Plugs half Solaranlagen. Cove beschreibt diese Stecker jedoch zur Umwandlung der Wärme eines Holzofens in Strom, was mit seiner Materialwahl nicht vereinbar ist. Damit der Ofengenerator funktioniert, waren ZnSb-Stecker mit einer Bandlücke von 0,5 eV erforderlich. Philip Pesavento:

„War diese Fehlleitung seitens Cove, um Leute daran zu hindern, sein Ofenpatent zu kopieren und es zum Laufen zu bringen? Ich weiß nicht.“

Noch überraschender ist, dass ein Bild, das Cove neben einem seiner Solarmodule zeigt, auch in John Perlins historischem Überblick über Solarenergie „ Let It Shine: The 6,000-Year Story of Solar Energy“ aus dem Jahr 2013 erscheint . Allerdings wird das Solarpanel im Bild Charles Fritts zugeschrieben, dem Erfinder der Selen-Solarzelle. Darüber hinaus ist George Cove selbst vom Bild verschwunden. Auszüge aus dem Buch sowie das Foto sind auf mehreren Websites erschienen . Philip Pesavento war nicht überrascht, als ich mich wieder meldete:

„Diese Entdeckung habe ich vor einigen Jahren gemacht. Ich vermute, dass jemand dringend ein Bild von Fritts‘ Solarpaneelen brauchte, dieses Bild fand und dann George Cove mit Photoshop daraus herausarbeitete. Schließlich ist Cove völlig unbekannt, und wenn bekannt, wird vermutet, dass es einen thermoelektrischen Solargenerator und kein Solar-PV-Panel erfunden hat. Wenn man sich die beiden Fotos genau anschaut, erkennt man, dass die Oberseite des rechten Säulenportikus hinter ihm ausgeschnitten und an die Stelle geklebt wurde, an der Cove gestanden hatte, was aus der Perspektive nicht ganz stimmt.“

Update: Bellingcat hat das Geheimnis des Bildes gelüftet .