Schüler Experimentieren
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ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht EMDEN Sensibelchen Solarzelle Alike Eertmoed Schule: Johannes-Althusius Gymnasium Emden Jugend forscht 2015 SCHÜLER EXPERIMENTIEREN Physik Sensibelchen Solarzelle 2015 Alike Eertmoed Projekt-Nr.: 133020 Johannes-Althusius Gymnasium Emden Betreuer: Stefan Wild; Hochschule Emden/Leer Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ Kurzfassung Schüler experimentieren 2015 – Physik (Projekt-Nr.: 133020) Alike Eertmoed Betreuer: Johannes-Althusius Gymnasium Emden Stefan Wild Hochschule Emden Sensibelchen Solarzelle Untersuchung der Eigenschaften von Solarzellen. Die Eigenschaften von Solarzellen waren mir beim Bau meines ersten Solarautos erstmal völlig egal, sie sollten einfach nur funktionieren: „Licht drauf … Strom raus!“ Bei meinen ersten Tests unter Kunstlicht, merkte ich, dass das Solarauto unter verschiedenen Lampen unterschiedlich gut funktionierte. Unter Halogenstrahlern fuhr das Solarauto sehr gut, unter Leuchtstofflampen gar nicht. Beim Solarwettbewerb, der bei 34°C und 900Watt Sonnenstrahlung stattfand, fuhr das Solarauto dann vormittags schneller als mittags, was mich ohne erkennbaren Defekt am Auto wunderte. Beide Probleme waren für mich der Grund, genauer zu recherchieren und zu untersuchen was für Eigenschaften Solarzellen abhängig von der Lichtquelle und der Temperatur haben. Für die Experimente habe ich einen Versuchsaufbau zusammengestellt, mit dem es möglich ist, die elektrischen Werte an einer Solarzelle in Abhängigkeit der Lichtmenge, der Lichtfarbe und der Temperatur zu messen. Die gemessenen Ergebnisse lassen sich sehr gut mit den Literaturwerten vergleichen. Viele unterschiedliche Bauteile und Geräte machten meine Experimente zu einer kniffeligen aber sehr interessanten Angelegenheit. __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 1 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ Inhaltsverzeichnis Seite 1. Einleitung 3 2. Aufbau und Funktion einer Solarzelle 3 3. Experimente 5 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.4 3.4.1 3.4.1.1 3.4.1.2 3.4.2 3.4.2.1 3.4.2.2 3.4.3 3.4.3.1 3.4.3.2 3.5 3.5.1 3.5.2 Die elektrische Messschaltung an der Solarzelle Position und Ausleuchtung der Solarzelle Versuchsaufbau zu 3.2 Ergebnis zur Lichtposition auf einer Solarzelle Verhalten von Solarzellen bei verschiedenen Lichtleistungen Versuchsaufbau zu 3.3 Messergebnisse und Auswertung zu 3.3 Solarzellen unter verschiedenen Lichtquellen Lampentypen und deren Spektren Versuchsaufbau zu 3.4.1 Messergebnisse und Auswertung zu 3.4.1 Solarzellen unter verschiedenen Lampentypen Versuchsaufbau zu 3.4.2 Messergebnisse und Auswertung zu 3.4.2 Farbabhängigkeit von Solarzellen Versuchsaufbau zu 3.4.3 Messergebnisse und Auswertung zu 3.4.3 Temperaturabhängigkeit von Solarzellen Versuchsaufbau zu 3.5 Messergebnisse und Auswertung zu 3.5 5 5 6 6 6 6 7 8 8 8 8 9 9 10 11 11 12 13 14 15 4. Diskussion der Ergebnisse 16 5. Verbesserungsmöglichkeiten und Ausblick 16 6. Zusammenfassung 17 7. Literaturverzeichnis 17 8. Anhang 18 __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 2 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ 1 Einleitung Die Eigenschaften von Solarzellen waren mir beim Bau meines ersten Solarautos erstmal völlig egal. Sie sollten einfach nur funktionieren: „Licht drauf … Strom raus!“ Bei meinen ersten Tests unter Kunstlicht, merkte ich, dass das Solarauto unter verschiedenen Lampentypen unterschiedlich gut funktionierte. Unter Halogenstrahlern fuhr mein Solarauto sehr gut, unter Leuchtstofflampen gar nicht. Eine weitere Erfahrung machte ich während des Solarautowettbewerbes, der bei ungewöhnlichen 34°C und fast 900Watt Sonneneinstrahlung stattfand. Mein Solarauto fuhr am Vormittag schneller als um die Mittagszeit, was mich ohne erkennbaren Defekt am Auto doch wunderte. Ich machte die fühlbar sehr hohe Temperatur der Solarzellen dafür verantwortlich. Beide Probleme waren für mich der Grund, genauer zu recherchieren und zu untersuchen was für Eigenschaften Solarzellen abhängig von der genutzten Lichtquelle und der Temperatur haben. Für die Experimente habe ich einen Versuchsaufbau zusammengestellt, mit dem es möglich ist, die elektrischen Werte von Spannung und Strom an einer Solarzelle in Abhängigkeit der auftreffenden Lichtmenge, der Lichtfarbe und der Temperatur zu messen. Viele unterschiedliche Bauteile und Geräte machten meine Experimente zu einer kniffeligen aber sehr interessanten Angelegenheit. 2 Aufbau und Funktion einer Solarzellen Bei der normalen Anwendung sollen Solarzellen die Energie des Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln. Das Sonnenlicht trifft in Form von vielen kleinen Lichtteilchen, den Photonen, auf die Solarzelle. Dort übertragen die Photonen ihre Energie auf Elektronen wodurch ein elektrischer Strom fließen kann. Es gibt verschieden Solarzellenarten, hier nutze ich nur monokristalline Solarzellen. Die normale Solarzelle besteht aus dem Halbleitermaterial Silizium. Dieses Material ist gerade auf der Kippe zwischen einem elektrischen Leiter und einem Isolator, daher lassen sich seine Eigenschaften sehr leicht ändern. Jedes Siliziumatom hat vier äußere Elektronen, mit denen ist es mit seinen Nachbaratomen verbunden. Diese Elektronen sind fest im Siliziumkristallgitter eingebaut, daher kann kein Strom fließen. Um das zu ändern, muss man bewegliche Elektronen hinzubringen. Dieses geschieht wenn man andere zum Beispiel Phosphoratome in den Siliziumkristall einbaut. Die Phosphoratome haben fünf äußere Elektronen. Ist ein Phosphoratom im Siliziumkristallgitter bleibt eine positive Ladung im Atomkern und ein zusätzliches Elektron übrig. Dieses Elektron nimmt nicht an der Bindung teil und kann sich frei im Silizium bewegen. Dieses nennt man n-Dotierung. Bei vielen __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 3 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ Phosphoratomen gibt es dann viele bewegliche Elektronen die dann einen Strom leiten können, die elektrische Eigenschaft des Siliziums hat sich damit geändert. Macht man diesen Prozess mit z.B. Bor-Atomen, die drei äußere Elektronen haben, fehlt dann ein Elektron im Siliziumkristallgitter. Es bleibt eine Art positives Loch im Kristallgitter das dann ein Elektron aufnehmen kann. Dieses nennt man p-Dotierung. Bei vielen Bor-Atomen erzeugt man dann viele positive Löcher in die Elektronen hineinfallen können. Um eine Solarzelle zu einer Stromquelle zu machen, bringt man n- und p-dotiertes Silizium zusammen. Auf einer Seite einer ca. 0,5mm dicken Solarzelle werden Phosphoratome eingebracht. So entsteht ein n-dotierter Bereich. Auf der anderen Seite der Solarzelle werden Bor-Atome in das Silizium eingebracht wodurch ein p-dotierter Bereich mit positiven Löchern entsteht. Auf der n-dotierten Seite drängeln sich jetzt die freien Elektronen. Im Bereich der Grenzschicht zwischen n- und p-dotiertem Silizium verteilen sich jetzt die beweglichen Elektronen im Material und fallen dabei in die Löcher im p-dotierten Bereich. Im p-dotierten Bereich sind jetzt mehr Elektronen und somit ein Bereich mit negativer Ladung. Im ndotieren Bereich dieser Grenzschicht bleiben positive Atomkerne zurück und erzeugen einen positiv geladenen Bereich. In dieser Grenzschicht entsteht ein Bereich positiver und negativer Ladung mit einer Kraft die die Elektronen in den n-dotierten Bereich schiebt. Dieser Kraft ist eine Spannung die bei einer Solarzelle ca. 0,5Volt beträgt. Trifft Licht auf eine Solarzelle, werden Elektronen auf eine höhere Energiestufe gehoben. Passiert das in der Grenzschicht, wirkt die Spannung, sie fallen nicht mehr zurück und werden beschleunigt. Schließt man ein Kabel an, kann ein Strom fließen. Die Elektronen fließen durch den Stromkreis über den Verbraucher zurück zur p-dotierten Schicht. [zusammengestellt aus Literaturquellen 1, 2, 4 und 5] Abb.1: Schema des Aufbaus einer Solarzelle [Quelle-1] __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 4 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ 3 Experimente Wie ich bei meinen ersten Überlegungen zu den Untersuchungen der Eigenschaften von Solarzellen feststellte, sind eine ganze Menge Geräte und Bauteile für die einzelnen Versuche nötig. Ein Ziel meiner Experimente war es daher, nur einen möglichst einfachen Versuchsaufbau für alle Experimente zu entwickeln. Dieser soll es möglich machen alle Experimente durch z.B. leicht wechselbare Bauteile durchzuführen. Die beiden wichtigen Untersuchungen sind dabei die Experimente zur Farbabhängigkeit und zur Temperaturabhängigkeit von Solarzellen. 3.1 Die elektrische Messschaltung an der Solarzellen Für alle Untersuchungen war es natürlich nötig die elektrische Spannung und den Strom an der Solarzelle zu messen. Die genutzte Schaltung wird in Abb.2 (Skizze) und Abb.3 (Foto) beschrieben. 1-Solarzelle 2-Amperemeter 3-Voltmeter 4-Widerstand Abb.2: Schaltplan [Quelle-7] Abb.3: Versuchsaufbau der Schaltung Für die Messung der Spannung U in Volt [V] und des Stromes I in Ampere [A] werden zwei Multimeter genutzt. Die elektrische Leistung Pelektrisch in Watt [W] berechnet man aus: ๐ธ๐๐๐๐ก๐๐๐ ๐โ๐ ๐ฟ๐๐๐ก๐ข๐๐ [๐] = ๐๐๐๐๐๐ข๐๐[๐] โ ๐๐ก๐๐๐[๐ด] (Formel 1) 3.2 Position und Ausleuchtung der Solarzellen Bei den ersten Experimenten unter einem Halogenstrahler stellte ich fest, dass es sehr schwierig ist eine Fläche gleichmäßig hell auszuleuchten. Um das Problem zu vermeiden habe ich als erstes untersucht ob es einen Unterschied macht, an welcher Stelle man die Solarzelle mit einem unterschiedlich großen Lichtfleck beleuchtet. __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 5 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ 3.2.1 Versuchsaufbau zu 3.2 Für dieses Experiment habe ich einen kleinen Laserpointer genutzt. Dieser strahlt nur eine Farbe aus und man kann den Laserstrahl leicht mit einer Linse bündeln oder vergrößern. Abb.4: Skizze zum Versuch 3.2 Bauteile in Abb.4: Abb.5: Position am Rand Abb.6: Mittig und vergrößert 1-Laser (Leistung ≤1mW; Klasse1); 2-Linse; 3-monokristalline Solarzelle (52x52mm); 4-Multimeter; 5-Haltersystem 3.2.2 Ergebnis zur Lichtposition auf einer Solarzelle Wie die gleichbleibenden elektrischen Werte bei unterschiedlichen Auftreffpunkten und Lichtfleckgrößen zeigen, spielt es keine Rolle wo ein Lichtpunkt auf eine Solarzelle trifft und wie groß er ist. Solange die gesamte Lichtmenge auf die Zelle trifft, ergeben sich keine anderen Strom- und Spannungswerte. Aufpassen muss man allerdings, dass man nicht mit einem kleinen Lichtpunkt nur die Leiterbahn oben auf der Solarzelle trifft. Man sollte auch immer darauf achten ob Licht von anderen Lichtquellen (Deckenlampe, Sonne) auf die Solarzelle trifft. Diese können die Messwerte stark beeinflussen. Um das Problem mit dem Umgebungslicht zu vermeiden habe ich viele der Experimente mit einer leicht wechselbaren Pappröhre gegen das Umgebungslicht abgeschirmt. 3.3 Verhalten von Solarzellen bei verschiedenen Lichtleistungen Eine wichtige Frage ist, bei welcher Lichtleistung eine Solarzelle wieviel elektrische Leistung erzeugt. 3.3.1 Versuchsaufbau zu 3.3 Als Lichtquelle habe ich hier einen starken Halogenstrahler (Glühlampe) genutzt. Diesen konnte ich heller oder dunkler einstellen und dadurch die Lichtleistung die auf die Solarzelle strahlt verändern. Die Lichtleistung habe ich mit einem Lichtleistungsmessgerät (Powermeter) gemessen. Dabei muss der Lichtfleck so klein gebündelt werden, dass er ganz auf die Fläche des Messgerätes passt. __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 6 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ Abb.7: Versuchsskizze 1-Halogenlampe 2-Linse 3-Solarzelle 4-Multimeter 5-Haltersystem Abb.8: Versuchsaufbau Bei diesen Experimenten und auch allen folgenden sollte nicht zu viel Licht und nicht zu lange auf die Solarzelle eingestrahlt werden, da diese dadurch schnell warm oder sogar heiß werden kann. Wie ich später nachweise, funktionieren Solarzellen, wenn sie warm werden, nicht mehr so gut. In den Experimenten habe ich also möglichst schnell bei kurzer Beleuchtung der Solarzelle gemessen und ich habe vor die Lampe einen Infrarot-Wärmefilter gebaut der einen großen Teil der Wärmestrahlung abgehalten hat. 3.3.2 Messergebnisse und Auswertung zu 3.3 Tab. 1: Messwerte für verschiedene Lichtleistungen Lichtleistung P [W] Spannung U [V] Strom I [A] Elektrische Leistung Pel=U·I 40mW 466mV 12,9mA 0,006W = 6mW 50mW 478mV 16,8mA 0,008W = 8mW 100mW 512mV 38,8mA 0,020W = 20mW 200mW 540mV 86,0mA 0,046W = 46mW 300mW 552mV 128,1mA 0,067W = 67mW 400mW 555mV 170,0mA 0,094W = 94mW 500mW 560mV 215,2mA 0,120W= 120mW Wie man an den Messwerten der Lichtleistung und der von der Solarzelle produzierten elektrischen Leistung sieht, erhöht sich die elektrische Leistung um etwa 20mW wenn die Lichtleistung um 100mW steigt. Aus Formel 2 (Kap. 3.4.3.2 Seite 13) erhält man den Wirkungsgrad der Solarzelle mit diesen Messwerten bei etwa 20%. __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 7 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ 3.4 Solarzellen unter verschiedenen Lichtquellen Wie in meiner Einleitung beschrieben habe ich beim Bau eines Solarautos gemerkt, dass Solarzellen unterschiedlich auf verschiedene Lampentypen reagieren. Bei Sonnenlicht und Licht von Glühlampen produziert eine Solarzelle anscheinend mehr Energie als bei Leuchtstofflampen und LEDs. Um den Grund herauszufinden habe ich erst einmal das Licht der verschiedenen Lampen untersucht. Alle strahlen weißes Licht ab, nur wie sich im folgenden Kapitel zeigt ist weiß nicht gleich weiß. 3.4.1 Lampentypen und deren Spektren Um die Lichtfarben (Wellenlängen) von unterschiedlichen Lampentypen zu bestimmen habe ich ein Spektrometer genutzt. Spektrometer zerlegen z.B. weißes Licht in seine Farbanteile. Ein Regenbogen oder auch der Blick auf eine CD zeigen als Beispiel ein vergleichbares Ergebnis. 3.4.1.1 Versuchsaufbau zu.3.4.1 Für die Messung der Lichtspektren habe ich folgende Lichtquellen untersucht: die Sonne, Glühlampen, Leuchtstofflampen/Energiesparlampen und LEDs. An das genutzte Spektrometer war eine Glasfaser angeschlossen die es einfacher macht das Licht von der Lichtquelle zum Spektrometer zu transportieren. Abb.9: Versuchsskizze zu 3.4.1 1-Glühlampe (Schaltsymbol [Quelle-6]) 2-Leuchtstofflampe (Symbol [Quelle-6]) 3-LED (Schaltsymbol [Quelle-6]) 4-Glasfaser zum Lichttransport 5-Gitterspektrometer 6-Computer zur Darstellung der Spektren Abb.10: Versuchsaufbau zur Messung der Spektren 3.4.1.2 Messergebnisse und Auswertung zu 3.4.1 Die folgenden Bilder zeigen die Spektren verschiedener Lichtquellen. Diese wurden mit einem Gitterspektrometer aufgenommen. Auf der Y-Achse ist die eintreffende Lichtmenge für die jeweilige __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 8 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ Farbe aufgetragen, auf der X-Achse sind die Farben (Wellenlängen in nm (Nanometer)) aufgetragen. Dabei fängt das Spektrum links bei ca. 300nm mit UV-Strahlung an geht über das Blau ab 400nm, Grün um 500nm, Rot ab ca. 600nm bis zur Infrarotstrahlung ab ca. 750nm bis 1100nm. Der Mensch kann nur den sichtbaren Bereich von ca. 400nm (blau) bis 750nm (rot) sehen, nur diesen Bereich darf man eigentlich Licht nennen. Abb.11: Spektrum einer Glühlampe Abb.12: Spektrum einer Leuchtstofflampe Abb.13: Spektrum einer weißen LED Abb.14: Sonnenspektrum Wie man in den Grafiken sieht ist, obwohl alle Lichtquellen für uns scheinbar gleiches weißes Licht abstrahlen, die farbliche Zusammensetzung bei den verschiedenen Lichtquellen sehr unterschiedlich. 3.4.2 Solarzellen unter verschiedenen Lampentypen Um zu untersuchen welche künstliche Lichtquelle am besten für Solarzellen geeignet ist, habe ich folgenden Versuchsaufbau genutzt. 3.4.2.1 Versuchsaufbau zu 3.4.2 Um vergleichbare Messwerte zu erhalten muss die auf die Solarzelle treffenden Lichtleistungen der verschiedenen Lampen immer gleich eingestellt werden. Dies habe ich ganz einfach durch Verändern des Lampenabstandes und Aufweitung durch eine Linse und eine Blende erreicht. Die Position und die Größe des Lichtflecks spielt wie in Kap. 3.2 gesehen ja keine Rolle. Da auch die Messwerte des benutzten Lichtleistungsmessgeräts von der Lichtfarbe abhängen, muss man dieses auf die richtige Farbe einstellen. Da aber alle Lampe unterschiedliche Farbanteile haben, habe ich mich für die Farbe Grün (500nm) entschieden. Diese liegt in der Mitte vom Spektrum und ist auch bei allen Lampen da. __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 9 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ Da die Lichtleistungen von den verschiedenen Lampen gleich sein sollten, musste ich die Lampe mit der kleinsten Lichtleistung als Ausgangswert nehmen. Bei der sehr großen Leuchtstofflampe die viel Licht in alle Richtungen abstrahlt, ließ sich nur einen Lichtfleck mit 1mW Leistung erzeugen. Abb.15: Skizze zum Versuchsaufbau Bauteile in Abb.15: Abb.16: Versuchsaufbau zu 3.4.2.1 1-Verschiedene Lampen; 2-Linse; 3-Solarzelle; 4-Multimeter; 5-Haltersystem; 6-Blende; 7-Lichtleistungsmessgerät 3.4.2.2 Messergebnisse und Auswertung zu 3.4.2 Tab. 2: Messwerte für verschiedene Lampentypen bei 1mW Lichtleistung Lichtleistung 1mW Glühlampe Leuchtstofflampe LED-Strahler Spannung 5,6mV 5,0mV 4,9mV Strom 0,55mA 0,50mA 0,49mA 0,0031mW 0,0025mW 0,0024mW Elektrische Leistung Wie man an der von der Solarzelle erzeugten elektrischen Leistung sieht, wird das Licht der Glühlampe von der Solarzelle am besten genutzt. Dafür scheint der Farbbereich zwischen ca. 600nm (rot) bis ca.900nm (IR) verantwortlich zu sein. Dort strahlt die Glühlampe und auch die Sonne deutlich mehr ab als die Leuchtstoffröhre und die LED, dies zeigen ja auch die Spektren in Kapitel 3.4.1.2. Die interessante Frage, welche Farbe denn von einer Solarzelle am besten in elektrische Energie umgewandelt wird soll folgende Untersuchung in Kap. 3.4.3 zeigen. __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 10 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ 3.4.3 Farbabhängigkeit von Solarzellen Für die Untersuchung der Farbabhängigkeit einer Solarzelle mussten möglichst viele einzelne Lichtfarben hergestellt werden. Diese Aufgabe stellte sich als die Schwierigste bei allen meinen Experimenten heraus. Um einzelne scharfe Farben herzustellen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Man kann einen Monochromator benutzen. Dieser ist ähnlich wie ein Spektrometer aufgebaut und zerlegt z.B. weißes Licht in seine einzelnen Farbanteile. Meine Versuche mit einem Monochromator zeigten, dass man damit sehr schön scharfe einzelne Farben von UV über sichtbares Licht bis zum Infraroten herstellen kann. Leider war die Lichtleistung pro Farbe aber so klein, dass ich damit keine guten Messwerte an der Solarzelle messen konnte. Eine einfache andere Möglichkeit bieten Farbfilter, diese lassen nur bestimmte Farben einer weißen Lampe hindurch. Mit Farbfiltern ist der Farbbereich etwa 20nm breit. Die beste Möglichkeit wäre es natürlich Laser mit verschiedenen Farben zu nutzen. Laser strahlen einen sehr schmalen Farbbereich von etwa 1nm ab und der Laserstrahl hat eine hohe Leistung und einen schönen parallelen Strahl. Leider sind Laser relativ teuer und bei hohen Leistungen gefährlich. 3.4.3.1 Versuchsaufbau zu 3.4.3 Als Lichtquelle habe ich eine starke Glühlampe kombiniert mit Farbfiltern genutzt. Wie man in der Grafik 3.4.1.2: Abb.11 sieht, liefert eine Glühlampe alle Farben zwischen UV über sichtbares Licht bis zum IR. Die von mir genutzten Farbfilter lassen nur einen schmalen Farbbereich von ca. 20-50nm durch (siehe Abb.17 bei rot). Da mir leider nicht sehr viele passende Farbfilter zu Verfügung standen, habe ich einige Laser genutzt, um die Lücken im Farbspektrum aufzufüllen. Wie man in Abb.17 und Abb.18 sieht, sind die Farbbereiche von Lasern und Farbfiltern nicht gleich breit. Ich hoffe aber, dass der Unterschied sich nicht so stark auf die elektrischen Messwerte auswirkt. Für alle genutzten Farben muss die Lichtleistung auf der Solarzelle natürlich gleich eingestellt werden. Dies wird wieder durch die regelbare Spannung an der Lampe, durch den Abstand der Lampe eine Linse und eine Blende oder bei den Lasern durch einen Abschwächerfilter erreicht. Abb.17: Spektrum eines Farbfilters (rot) Abb.18: Spektrum einer Laserfarbe (rot) __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 11 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ Abb.19: Versuchsskizze zur Farbabhängigkeit Bauteile in Abb.19: Abb.20: Versuchsaufbau 1-Glühlampe; 2-Linse; 3-Solarzelle; 4-Multimeter; 5-Haltersystem; 6-Blende; 7-Lichtleistungsmessgerät; 8-Farbfilter Die Lichtleistung habe ich für jede Farbe einzeln immer auf 3mW eingestellt, auch das Lichtleistungsmessgerät musste bei jedem Farbwechsel neu auf die Farbe eingestellt werden. Die genutzten Laser hat mein Betreuer eingestellt und ich musste bei den Messungen eine zum Laser passende Laserschutzbrille tragen sowie weitere Sicherheitsregeln beachten. 3.4.3.2 Messergebnisse und Auswertung zu 3.4.3 Die elektrische Leistung [W = Watt] berechnet man aus: ๐ธ๐๐๐๐ก๐๐๐ ๐โ๐ ๐ฟ๐๐๐ก๐ข๐๐ [๐] = ๐๐๐๐๐๐ข๐๐[๐] โ ๐๐ก๐๐๐[๐ด] (Formel 1) Tab. 3: Messwerte für verschiedene Lichtfarben (Lichtleistung jeweils 3mW) Wellenlänge Farbe Spannung Strom Elektrische Leistung Wirkungsgrad 405nm violett 327mV 1,13mA 0,000369W = 0,37mW 12,3 % 436nm blau 348mV 1,45mA 0,000505W = 0,51mW 16,8 % 532nm grün 357mV 1,74mA 0,000621W = 0,62mW 20,0 % 546nm grün 360mV 1,79mA 0,000644W = 0,64mW 21,4 % 578nm gelb 363mV 1,82mA 0,000661W = 0,66mW 22,0 % 632nm (Laser) rot 374mV 2,24mA 0,000838W = 0,84mW 27,9 % 805nm (Laser) Infrarot 383mV 2,44mA 0,000935W = 0,94mW 31,1 % 930nm (Laser) Infrarot 373mV 1,95mA 0,000727W = 0,73mW 24,2 % 1064nm (Laser) Infrarot 340mV 1,75mA 0,000595W = 0,59mW 18,8 % __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 12 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ Abb.21+22: Kennlinie der Farbabhängigkeit einer Solarzelle (Links gemessen, rechts aus [Quelle-3]) Wie man in der Grafik sieht, wandelt eine Solarzelle bei einer Wellenlänge von ca. 800nm (Nahes Infrarot) die Energie des Lichtes am besten in elektrische Energie um. Bei UV und IR dagegen wird die Energie gar nicht mehr gut umgewandelt. Die von mir gemessene Kennlinie passt auch sehr gut zu der aus der Literatur Abb.22 [aus Literaturquelle: 3] Schaut man darauf, wie gut eine Solarzelle das Licht umwandelt, findet man in der Literatur für monokristalline Solarzellen einen Wirkungsgrad von 16-18% für Sonnenlicht. Der Wirkungsgrad berechnet sich aus der elektrischen Leistung, die man aus der Solarzelle herausbekommt, wenn man eine bestimmte Lichtleistung hineinsteckt: ๐๐๐๐๐ข๐๐๐ ๐๐๐๐ = ๐๐๐๐๐ก๐๐๐ ๐โ๐ ๐ฟ๐๐๐ ๐ก๐ข๐๐ ๐ฟ๐๐โ๐ก๐๐๐๐ ๐ก๐ข๐๐ % (Formel 2) Bei meinen Messwerten liegen die Werte für den Wirkungsgrad bei rotem und nahem Infraroten Licht über 20%. Schätzt man den Mittelwert in meiner Kennlinie über alle Farben, so erhält man den bei etwa 0,5mW bis 0,6mW und daraus ergibt sich ein Wirkungsgrad zwischen 16-20%. So scheinen auch diese Werte ganz gut zu den Literaturwerten zu passen. 3.5 Temperaturabhängigkeit von Solarzellen Wie ich während der Solar-Rallye im Sommer 2014 bei meinem Solarauto gemerkt habe, wurden die Solarzellen sehr heiß, wenn man sie nur kurze Zeit in der Sonne stehen ließ. Mein Solarauto fuhr am Vormittag schneller als mittags mit den heißen Solarzellen. Dieses Temperaturverhalten soll im folgenden Experiment untersucht werden. Interessant wäre natürlich die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit von Solarzellen bei den Bedingungen, wenn sie z.B. auf einem Hausdach aufgestellt sind. Das würde für die Temperaturen ca. -10°C bis ca. 80°C bedeuten. Da es technisch aber schwierig ist einen Versuchsaufbau zu bauen der etwas einfrieren und auch stark aufheizen kann, habe ich mich entschieden das Verhalten einer Solarzelle für den Temperaturbereich dem mein Solarauto ausgesetzt sein könnte zu untersuchen. Für diese Temperaturen zwischen ca. 10°C bis ca. 80°C benötigt man eigentlich nur eine einstellbare Heizung. __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 13 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ Für den ersten Test habe ich mit einem starken Halogenstrahler auf eine Solarzelle gestrahlt. Die elektrischen Werte bei dieser hohen Lichtleistung waren am Anfang bei der Solarzelle (Größe: 52x52mm) 0,56V und 0,66A. Die Solarzelle wurde unter der Lampe aber sehr schnell heiß und die Spannung sank auf 0,48V bei 0,66A. Als Lichtquelle für die Beleuchtung habe ich mich dann für eine Halogenlampe mit Farbfilter (Grün) entschieden. Dieser liefert eine ausreichend scharfe Farbe und Lichtleistung. Das grüne Licht (532nm) erhitzt die Solarzelle auch nicht so stark wie das Infrarot bei einem Halogenstrahler. Die Lichtleistung bleibt beim Versuch immer gleich bei 10mW eingestellt. 3.5.1 Versuchsaufbau zu 3.5 Für diese Untersuchung habe ich die Solarzelle auf eine Metallplatte gelegt unter die ich eine Heizfolie geklebt habe. Die Heizfolie kann man mit einem Netzgerät über die einstellbare Spannung auf verschiedene Temperaturen einstellen. Die Temperatur wird durch ein einfaches Digitalthermometer mit Messfühler auf der Oberseite der Solarzelle gemessen. Man muss den metallischen Messfühler des Thermometers durch z.B. eine ganz dünne Plastikfolie elektrisch isolieren, sonst kann Strom von der Oberseite der Solarzelle über das Thermometer fließen. Abb.23: Versuchsskizze zur Temperaturabhängigkeit Bauteile in Abb.23: Abb.24: Versuchsaufbau 1-Glühlampe; 2-Linse; 3-Solarzelle; 4-Multimeter; 5-Haltersystem; 6-Blende; 7-Lichtleistungsmessgerät; 8-Farbfilter (Grün 532nm); 9-Heizfolie und Netzgerät; 10-Digitalthermometer __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 14 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ 3.5.2 Messergebnisse und Auswertung zu 3.5 Tab. 4: Messwerte für verschiedene Temperaturen (Lichtleistung 10mW bei 532nm (grün)). Temperatur [°C] Spannung [mV] Strom [mA] Elektrische Leistung [mW] 23,0°C 416mV 4,4mA 1,83W 29,0°C 394mV 4,4mA 1,73W 30,7°C 378mV 4,4mA 1,66W 36,0°C 359mV 4,4mA 1,58W 39,0°C 353mV 4,4mA 1,55W 41,7°C 342mV 4,4mA 1,51W 46,5°C 324mV 4,4mA 1,43W 49,9°C 310mV 4,3mA 1,36W 54,0°C 301mV 4,3mA 1,33W 56,7°C 295mV 4,3mA 1,27W 59,8°C 284mV 4,3mA 1,22W 63,0°C 272mV 4,3mA 1,17W 65,4°C 264mV 4,3mA 1,13W 68,6°C 255mV 4,3mA 1,09W 71,9°C 247mV 4,2mA 1,03W 74,4°C 241mV 4,2mA 1,01W 77,7°C 233mV 4,2mA 0,98W Wie man an den Messwerten sieht, wird die Lichtenergie bei höheren Temperaturen an der Solarzelle nicht mehr so gut in elektrische Energie umgewandelt. Die Umwandlung startet bei 23° mit 1,83mW bei 10mW Lichteinstrahlung und sinkt bis auf weniger als 1mW bei 77,7°C. Die Leistungsausbeute sinkt deutlich um etwa 50%. Dieses Verhalten hat wohl damit zu tun, dass sich bei hohen Temperaturen die Atome des Halbleitermaterials mehr bewegen. Die durch das Licht bewegten Elektronen fallen dann wohl schneller in die positiven Löcher zurück. __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 15 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ 4 Diskussion der Ergebnisse Schaut man sich die Versuchsaufbauten für die einzelnen von mir durchgeführten Experimente an, so sieht man nur bei genauem Hinsehen die unterschiedlichen Bauteile oder Messgeräte. Das Grundgerüst ist fast immer gleich und in den Versuchsskizzen als Haltersystem beschrieben. Dieses besteht aus einem stabilen Stativfuß, einer langen Stativstange und einigen verschiebbaren Verbinderelementen. Die unterschiedlichen Bauteile wie Lampen, Linsen, Blenden und Farbfilter kann man einfach an diese Verbinderelemente montieren. Die Solarzelle wird einfach auf eine Platte auf den Stativfuß gelegt und an ein Multimeter angeschlossen. So lässt sich der Versuchsaufbau sehr leicht für verschiedene Experimente mit Solarzellen umbauen. (Für die Fotos in diesem Bericht habe ich die einzelnen Versuche sehr zusammengeschoben und die manchmal benutzte Papprolle weggenommen. Die Lichtmenge der Lampen wurde für die Fotos auch sehr schwach eingestellt, da sonst alle Fotos überbelichtet waren.) Für die einzelnen Experimente, speziell bei der Untersuchung der Farbabhängigkeit einer Solarzelle, musste ich viele kleine aber kniffelige Probleme lösen. Es musste dort z.B. möglichst viel Licht bei den einzelnen Farben erzeugt werden. Gleichzeitig musste der Lichtfleck so klein sein, dass er auf die Messfläche des Lichtleistungsmessgerätes passt. Wie die Experimente gezeigt haben, ist eine Solarzelle wirklich ein kleines Sensibelchen, das zum einen sehr empfindlich auf unterschiedliche Lichtfarben reagiert, zum anderen auf hohe Temperaturen gar nicht gut zu sprechen ist. Das Problem bei der Temperaturabhängigkeit einer Solarzelle ist es, dass sie schon durch den Lichteinfall selber warm wird und damit schlechter funktioniert. Bei den Messungen musste also immer möglichst schnell gearbeitet werden, damit sich die Solarzelle nicht so stark aufheizt. Sehr schön ist, dass die Messergebnisse und Kennlinien aus den einzelnen Experimenten so auch in der Literatur zu finden sind. Meine Experimente scheinen also nicht ganz falsch zu sein. 5 Verbesserungsmöglichkeiten und Ausblick Auch wenn die in den durchgeführten Experimenten erzielten Ergebnisse gut zu den theoretischen Vorgaben passen, sind einige Punkte in meinen Versuchen zu verbessern. Das Grundgerüst meiner Versuche kann bestimmt durch bessere und noch stabilere Bauteile ersetzt werden. Für die Untersuchung der Farbabhängigkeit wäre es möglich einen sehr starken Halogenstrahler mit einem Monochromator zu benutzen. Damit könnte man dann eine ausreichende Lichtmenge bei stufenlos veränderbaren Farben produzieren. __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 16 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ Eine zweite Möglichkeit wäre es, in z.B. 50nm-Schritten starke farbige LEDs zu kaufen. Damit könnte man in dem Spektrum 16 scharfe Farben mit ausreichend Licht erzeugen. Ideal wären natürlich viele Laser mit unterschiedlichen Farben, diese wäre aber wohl ein sehr teures Projekt. Beim Bau meines neuen Solarautos ist auf jeden Fall klar, dass ich es beim Solar-Wettbewerb in einer Kühlbox aufbewahren werde. Falls der Wettbewerb bei Kunstlicht stattfinden sollte, wäre da zu überlegen, ob es nicht starke Lampen mit einem Farbspektrum nur bei 700-900nm (rot bis IR) gibt. 6 Zusammenfassung Für die in diesem Projekt durchgeführten Experimente zu einigen Eigenschaften von Solarzellen wurden viele unterschiedliche Geräte und Bauteile benötigt. Hinter diesen unterschiedlichen Geräten und Bauteilen steckten wieder viele Eigenschaften, die doch eine ganze Menge Physik beinhalten. Dieses machte meine Projektarbeit manchmal nicht ganz einfach aber sie war immer unheimlich interessant und spannend. Das meine Messwerte so gut zur Theorie der Eigenschaften einer Solarzelle passen, ist ein sehr schönes Ergebnis. Die Ergebnisse bestätigen das sensible Verhalten der Solarzelle bei verschiedenen Lichtfarben und Temperaturen. Für die tolle Unterstützung möchte ich mich bei meinem Betreuer Stefan Wild bedanken. 7 Literaturverzeichnis Alle im Text erwähnten Quellen sind mit [Quelle-Nummer] gekennzeichnet. Quelle-1: http://www.waermepumpe-installation.de/photovoltaikanlagen.html. Solarzelle.gif: 13.01.2105 Quelle-2: http://www.planet-schule.de/sf/multimedia-interaktive-animationen-detail.php?projekt=solarzelle Quelle-3: http://www.rapp-instruments.de/foto/Unvis/infrared/images/Silizium.gif Silizium.gif: 08.01.2015 Quelle-4: Dorn, Bader: PHYSIK in einem Band, Schroedel Verlag, Braunschweig 2013 Quelle-5: Meyer, Lothar: Basiswissen Schule Physik, Seite 271, Duden Schulbuchverlag, Berlin 2010 Quelle-6: http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Schaltzeichen_(Elektrik/Elektronik)#Lichtquellen .08.01.2015 Quelle-7: http://www.seilnacht.com/versuche/solar06.gif __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 17 Schüler experimentieren 2015 JAG-Emden Alike Eertmoed __________________________________________________________________________________ 8 Anhang Detailfotos zu einigen, der in den Experimenten verwendeten Geräte und Bauteile. Abb.25: Multimeter Abb.26: Lichtleistungsmessgeräte Abb.27: Farbfilter (blau, grün, gelb, Infrarot) Abb.28: Lampentypen Abb.29: Heizfolie __________________________________________________________________________________ Sensibelchen Solarzelle 18
