Die Solarzelle

Die Solarzelle
1. Einleitung
1.1. Allgemeines
Strom ist für jeden von uns heutzutage eine Selbstverständlichkeit. Nicht nur das, wir
geradezu von ihm abhängig sind. Ohne Strom könnten wir keine Computer,
Telefone, Kühlschränke, Fernseher, Radios usw. verwenden. Ein Leben ohne Strom
wäre in unserer heutigen Konsumgesellschaft gar nicht möglich. Ohne ihn würden
wir geradewegs zurück ins Mittelalter versetzt werden.
Um den aus unserer Abhängigkeit enorm hohen Strombedarf zu decken zu können,
ist man ein sehr hohes Risiko eingegangen. Umweltverschmutzende Energieträger
wie zum Beispiel Braun- und Steinkohle und der Strom aus den, wie viele Störfälle
beweisen, äußerst gefährlichen Atomkraftwerken, decken bis heute ca. 90% des
Energiebedarfs ab. Das dies keine dauerhafte Lösung für die Zukunft ist, liegt zu
einem daran, das die natürlichen Energieträger wie zum Beispiel Erdöl (man rechnet
damit das unsere Erdölreserven in ca. 30 Jahren verbraucht sein werden), Kohle und
Erdgas nicht erneuerbar sind und in gar nicht mal allzu ferner Zukunft verbraucht
sein werden. Abgesehen von dem enormen Verbrauch der sogenannten fossilen
Brennstoffe gibt es noch ein Problem von bedenklichem Ausmaße: Die
Umweltverschmutzung. Beim Verbrennen von solchen Brennstoffen entsteht das
Treibhausgas CO2, Stickstoffoxyde und viele andere Schadstoffe, die für unsere
Umwelt aber auch für uns schädlich sind. Aber auch die Kernenergie bietet keine
Lösung die für die Zukunft geeignet ist und sein darf. Ein Kernkraftwerk kann und
wird niemals sicher vor Unfällen sein, zusätzlich besteht weiterhin das Problem mit
einer sichereren und endgültigen Endlösung.
Es liegt also dringend auf der Hand, dass Alternativlösungen für die
Energieversorgung gefunden werden müssen. Die Energiequelle sollte
unerschöpfbar sein, weder gefährlich für die Umwelt oder den Menschen sein und es
dürfen keine schädlichen Abfallprodukte überbleiben. Wir suchen hier nach
sogenannten regenerativen Energiequellen. Zur Zeit tragen regenerative
Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasser nur mit knapp 4% zur
Energieversorgung bei. Dies muss sich schnellstens ändern. Eine Möglichkeit aus
der Kernenergie auszusteigen bietet die Solarzelle...
1.2. Geschichte
Die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom nennt man
Photovoltaik. Photo kommt aus dem Griechischen und bedeutet soviel wie „Licht“.
Der Name Volta ist zu Ehren des italienischen Forschers Alessandro Graf Volta
enthalten, der die elektrische Spannung entdeckte.
Die Beobachtung der Photovoltaik machte erstmals 1839 Alexandre Edmond
Bequerl. Er tauchte zwei Metallplatten in eine verdünnte Säure und bemerkte, dass
dieses Element mehr Strom erzeugt, wenn man es der direkten Sonnenbestrahlung
aussetzte.
Der konkrete Nachweis dieses Effekts erfolgte allerdings erst ein halbes Jahrhundert
später durch Charles Fritts. Er benutzte allerdings eine Selenzelle, so dass die neue
Technik vorerst an den hohen Kosten des benötigten Selens scheiterte. Zudem
wurden gerade mal 1 bis 2 Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische
Energie umgewandelt.
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1
4bMNG
Erst 1954 wurde in den USA am Bell Telephone Laboratory von den
Wissenschaftlern D.M. Chapin, C.S. Fuller und G.L. Pearson eine Silicium-Solarzelle
entwickelt, die gegenüber der Selenzelle kostengünstiger war und schon einen
Wirkungsgrad von 6% besass.
Drei Jahre später, also 1957, startete der erste nur von Solarzellen mit elektrischer
Energie versorgte Satellit ins Weltall. Der Durchbruch war geschafft!
Seitdem arbeitet man ständig an der Verbesserung von Solarzellen.
1.3. Arten: Die drei wichtigsten industriell gefertigten Solarzellen
1.3.1. Amorphe Silicium-Solarzellen
Amorphe Silicium-Solarzellen bestehen aus amorphem Silicium. Es ist nicht so stark
gereinigt, wie es zum Beispiel bei monokristallinen Solarzellen erforderlich ist. Daher
ist das Material preiswerter als bei vielen anderen Solarzellen.
Amorphe Solarzellen können aus sehr dünnen Halbleiterschichten hergestellt
werden, wodurch eine erhebliche Einsparung an Material möglich ist. Der
Wirkungsgrad der Zellen konnte im Labor bereits auf ca. 15 Prozent gesteigert
werden, in der Praxis jedoch sind leider nur vier Prozent möglich. Durch die guten
Laborergebnisse besteht jedoch die Hoffnung, daß in absehbarer Zeit amorphe
Silicium-Solarzellen mit einem größeren Wirkungsgrad in Serienproduktion gehen
können.
Amorphe Silicium-Solarzellen werden heute zum Beispiel in Uhren, Taschenrechnern
und Spielzeugen verwendet.
1.3.2. Monokristalline Solarzellen
Monokristalline Solarzellen werden aus monokristallinen, das heißt hochreinen
Silicium hergestellt. Sie erreichen einen Wirkungsgrad von 15 bis 22 Prozent, sind
aber sehr teuer. Dies liegt vor allem an dem aufwendigen Herstellungsverfahren.
1.3.3. Polykristalline Solarzellen
Polykristalline Solarzellen bestehen aus vielen verschiedenen, willkürlich
angeordneten Kristallen. Zwar ist ein Fertigungsablauf verglichen mit den
monokristallinen weitestgehend gleich, jedoch wird für polykristalline Solarzellen ein
weniger reines Silicium benötigt. Der Wirkungsgrad liegt überlicherweise bei etwa 10
bis 13 Prozent.
1.4. Herstellung
Solarzellen werden aus Silicium hergestellt. Dieses kommt in reiner Form in der
Natur nicht vor, man findet es überwiegend als Quarz, einem Siliciumoxid. Um
hieraus Silicium zu gewinnen, wird es zusammen mit Kohle in einem Elektroofen
eingeschmolzen. Als Ergebnis erhält man zunächst ein stark verunreinigtes
Rohsilicium. Auf Grund der starken Verunreinigung läßt sich jedoch noch keine
Solarzelle herstellen, das Rohsilicium muß zunächst raffiniert (gereinigt) werden. Um
das Rohsilicium zu raffinieren, wendet man die Destillation an, ähnlich dem
Verfahren zur Gewinnung von Weinbrand aus Wein. Während jedoch bei der
Weindestillation Wasser zurückbleibt, bleibt bei der Siliciumraffination die
Verunreinigungen
zurück.
Durch
mehrmaliges
Wiederholen
dieses
Destillationsprozesses gelingt es schließlich, die Verunreinigung des Siliciums um
etwa das 100.000fache zu senken.
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4bMNG
Das auf diese Weise gewonnene Silicium wird nochmals eingeschmolzen und kann
dann schließlich in die Zellproduktion gehen.
Um aus dem Silicium jetzt eine Solarzelle herzustellen, gibt es verschiedene
Verfahren, je nachdem, welche Art von Zelle produziert werden soll:
1.4.1. Amorphe Silicium-Solarzellen
Am einfachsten ist der Bau einer amphoren Silicium-Solarzelle. Da das Silicium
direkt aus der Gasphase auf das Trägermaterial (entweder eine Glasscheibe oder
aber eine flexible Metallfolie) gelangt, müssen keine einzelnen Zellen hergestellt
werden. Sie werden mit einem Laserstrahl ausgeschnitten.
1.4.2. Monokristalline Solarzellen
Die Herstellung von monokristallinen Solarzellen ist am aufwendigsten, denn hier
wird aus dem geschmolzenen Silicium ein einziger Kristall gefertigt. Dieses
Verfahren ist sehr aufwendig, da der Kristall nur sehr langsam wächst.
1.4.3. Polykristalline Solarzellen
Die Herstellung von polykristallinen Solarzellen erfolgt durch Einschmelzen des
Siliciums, welches anschließend in eine Kokille (Gußeisen) gegossen wird. Durch
das langsame Abkühlen der Schmelze entstehen Siliciumkristalle.
Die Vorteile im Gußverfahren liegen in der höheren Produktionsgeschwindigkeit und
im geringeren Energieverbrauch während der Herstellung.
Die nun folgenden Schritte sind bei allen drei Arten identisch:
Durch ein thermisches Verfahren muß die Solarzelle zunächst mit Bor und Phosphor
leitfähiger für den elektrischen Strom gemacht werden. Dieses nennt man Dotierung.
Nun ist die Solarzelle im Prinzip funktionsfähig. Sie muss nur noch mit metallischen
Kontakten an der Oberfläche bestückt werden (die Kontakte ziehen sich wie ein
Spinnennetz über die gesamte Oberfläche) und mit eine Antireflexschicht
abgedampft werden. Jetzt ist die Solarzelle einsatzbereit.
1.5. Funktionsweise: Die Geschichte von Halbleitern und Elektronen
In der Solarzelle wird die elektrische Energie durch den photovoltaischen Effekt
erzeugt. Dieser Effekt ist das direkte Umwandeln von Licht in elektrischen Strom mit
der Hilfe eines Halbleiters. Dieser aus Silicium bestehend Halbleiter besitzt ein
Kristallgitter. Die Atome des Silicium haben jeweils vier Elektronen auf der
Achterschale.
Da das Silicium in seiner jetzigen Form Strom nur ungenügend leitet, werden Atome
anderer Stoffe in das Siliciumgitter eingelagert (Dotierung). Möglich sind Phosphor
und Bor.
Dotiert man die Unterseite des Siliciumkristalles mit Phosphor, so ziehen die vier
positiv
geladenen
Siliciumprotonen die negativ
geladenen Phosphorelektroen
in das entsprechende „Loch“.
Ein Phosphorelektron findet
allerdings
keinen
Bindungspartner,
da
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Phosphor fünf Elektronen besitzt. Da wir nun auf der Unterseite ein Überschuss an
negativ geladenen Teilchen haben, heißt diese Seite n-Schicht.
Nun wird die Oberseite mit Bor dotiert. Dort tritt das genaue Gegenteil, von der mit
Phosphordotierten Seite ein. Bor hat nur drei negativ geladene Elektronen, das
bedeutet ein Siliciumproton findet keinen Bindungspartner. Es entsteht eine
„Unterversorgung“, ein „Loch“, ein sogenanntes Defektelektron. Da wir auf dieser
Seite einen Überschuss an positiv geladenen Teilchen haben, heißt diese Seite pSchicht.
Das Elektron aus der n-Schicht versucht sich nun in das freie Gitternetz mit dem
Protonen der p-Schicht zu setzen. Es wechselt die Seiten. Dabei entsteht eine
elektrische Spannung von 0,5 V, die sogenannte Photospannung ≈ 5V.
Die p- und die n-Schicht bilden einen pn-Übergang (Sperrschichtbereich). Dieser
Übergang erstreckt sich über die gesamte Fläche der Solarzelle. Er liegt dicht
unterhalb der Oberfläche und kann daher vom Licht erreicht werden. Durch die
Lichteinwirkung entstehen auf diesem Übergang frei Elektronen und
Defektelektronen (Elektronen wandern zu den Defektelektronen und erzeugen dabei
eine Spannung), die zu den p- und n-Schichten fließen. Die Zelle beginnt Strom zu
liefern, dessen Stärke von der Beleuchtungsstärke und deren Temperatur abhängig
ist.
2. Experimente
2.1. Aufbau der Schaltung
Unsere einfache Schaltung erlaubt es uns gleichzeitig die Spannung und die
Stromstärke mit verschiedenen Lastwiderständen zu messen.
Um die Spannung zu messen benutzen wir ein der Solarzelle parallelgeschaltetes
Voltmeter, ebenfalls den Widerstand und das Ampèremeter die selbst in Serie
geschaltet waren.
2.2. Kennlinie der Solarzelle
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R [Ω
Ω]
10
56
100
150
220
330
560
680
1000
U [V]
2.7
7.4
8.4
8.7
8.8
8.86
9
9
9.09
I [mA]
142
112
74
55
38.8
25
16.8
13.3
9.13
Kennlinie der Solarzelle
160
140
120
I [mA]
100
80
60
40
20
0
0
2
4
6
8
U [V]
Wie man sieht sinkt bei grösserer
Spannung (U gegen 10) die Stromstärke markant. Dies erschliesst sich aus dem
Zusammenhang U = R * I.
2.3. Innenwiderstand
Den Innenwiderstand haben wir mit Hilfe der Messung der Leerlaufspannung
berechnet, die in unserem Falle 9.5 V betrug. Die Berechnung erfolgte wie folgt:
Ri =
Leerlaufspannung − Verbrauche rspannung
Verbraucherstrom
R [Ω
Ω]
10
56
100
150
220
330
560
680
1000
U [V]
2.7
7.4
8.4
8.7
8.8
8.86
9
9
9.09
I [mA]
142
112
74
55
38.8
25
16.8
13.3
9.13
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Ri
47.89
18.75
14.86
14.55
18.04
25.60
29.76
37.59
44.91
5
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10
Innenwiderstand
60
Ri [Ohm]
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
10
U [V]
An und für sich müsste der Innenwiderstand der Solarzelle mit steigender Spannung
sinken, da aber die Solarzelle heiss wird, steigt der Innenwiderstand bei den letzten
Messungen (hohe Spannung) wieder an.
2.4. Charakteristik der Solarzelle
R [Ω
Ω]
10
56
100
150
220
330
560
680
1000
U [V]
2.7
7.4
8.4
8.7
8.8
8.86
9
9
9.09
P [mW]
383.4
828.8
621.6
478.5
341.44
221.5
151.2
119.7
82.9917
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6
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Charakteristik der Solarzelle
1000
P [mW]
800
600
400
200
0
0
2
4
6
8
10
U [V]
Dem Diagramm kann man klar entnehmen, dass eine hohe Spannung nicht
automatisch eine hohe Leistung zur Folge hat. Dies scheint auch logisch, wenn man
den Zusammenhang zwischen U und I berücksichtigt auf den wir bereits früher
eingegangen sind. Wie man auf dem Graph erkennen kann, gibt es einen Punkt mit
maximaler Leistung, der durch v.a. den Lastwiderstand bestimmt wird, worauf im
nächsten Kapitel eingegangen wird.
2.5. Maximum Power Point
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7
4bMNG
P [mW]
MPP
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
MPP
0
200
400
600
800
1000
1200
R [Ohm]
Wie aus dieser Darstellung klar hervorgeht, ist die Leistung vom Widerstand
abhängig. Der Punkt der höchsten Leistung liegt in unserem Experiment im Bereich
von 56 Ω. Genauer konnten wir den Wert jedoch nicht ermitteln, da wir in diesem
Bereich nur wenige Widerstände zur Verfügung hatten.
2.6 Faktoren die den optimalen Lastwiderstand beeinflussen
Faktoren, die den optimalen Lastwiderstand beeinflussen können:
Lichteinfallswinkel
Temperatur
Intensität des Lichtes
Auf die Einflüsse von Lichteinfallswinkel und Temperatur wird im Folgenden genauer
eingegangen.
2.6.1 Einfluss des Lichteinfallswinkels auf die Leistung der Solarzelle
Um die Veränderung der Leistungsfähigkeit bei schrägem Lichteinfall abschätzen zu
können, mussten wir weitere Messungen vornehmen. Da uns leider hierzu die Zeit
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nicht gereicht hat, mussten wir die Messungen von David Gubler und Daniel
Bachmann übernehmen.
Testtag: 23.05.01 11:00 Sonniges Wetter
Testbedingungen
R (Ohm)
genau auf die Sonne ausgerichtet
200
Horizontal richtung Sonne, vertikal senkrecht zum Boden
200
Waagrecht zum Boden
200
Horizontal von der Sonne weg, vertikal senkrecht zum Boden
200
nach Süden ausgerichtet, Neigung 45°
200
Bewölkung (auf Sonne ausgerichtet, simuliert)
200
einzelner der seriell geschalteten Solarzelleneinheiten abgedeckt
200
Lichteinfallswinkel 30° vom Lot entfernt
200
Lichteinfallswinkel 60° vom Lot entfernt
200
U (V)
9,3
9,0
9,0
3,0
8,4
5,9
2,7
9,1
8,7
I (mA)
44,3
42,7
42,9
14,2
40,1
28,4
12,9
43,3
41,0
P (mW)
413
383
387
43
337
169
34
395
355
Die Messresultate zeigen, dass die optimale Ausrichtung auf die Sonne zwar einen
Einfluss auf die Leistung hat, sich die Leistungsdifferenz zwischen optimaler und
nicht optimaler Ausrichtung aber in Grenzen hält. Bei Bewölkung dagegen sinkt die
Leistung erheblich (70-80%).
2.6.2. Einfluss der Temperatur auf die Leistung der Solarzelle
Aufgrund der Vermutung, dass sich die Temperatur der Solarzelle auf ihre
Leistungsfähigkeit auswirken könnte, nahmen wir einige Messungen vor um diese zu
untersuchen.
Wärmeabhängigkeit
1200
P [mW]
1000
800
600
400
200
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Temperatur [°C]
Die Resultate der Messungen haben wir im hier vorliegenden Graph zusammen
gefasst. Wie hier ganz klar ersichtlich ist, nimmt die Leistung bei höheren
Temperaturen recht massiv ab. Eine Temperatur von ungefähr 60° und mehr ist in
der Praxis durchaus realistisch, da die Solarzelle ständig der Sonne ausgesetzt ist.
Die Abnahme der Leistung scheint ungefähr linear zur Zunahme der Temperatur zu
verlaufen. Die Messungen erfolgten mit einem Lastwiderstand von 56 Ω.
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4bMNG
3. Aufgaben
3.1. Laptop
Das von uns verwendete Laptop benötigt eine Versorgungsspannung von 20 V
Gleichstrom bei maximal 2.8 Ampère. Um auf die benötigte Spannung zu kommen
schalten wir jeweils 3 Solarzellen in Serie und verwenden 30 dieser
Dreierkonstellationen, die wir parallel schalten um auf 2.8 Ampère zu kommen. Um
die Spannung konstant zu halten, müsste man einen Spannungsstabilisator
verwenden. Diese Schaltung funktioniert nur unter guten Wetterbedingungen, es
stellt sich jedoch die Frage wie sinnvoll es sein mag mit 90 Solarzellen in die Ferien
zu fahren.
3.2. Solarkonstante
Unser Experiment zur Bestimmung der Solarkonstante würde wie folgt funktionieren:
Wir würden eine Heizplatte mit Sonnenenergie erhitzen, dies unter optimalen
Bedingungen (d.h. Senkrechte Sonneneinstrahlung und keine Bewölkung). Das tun
wir, bis wir die maximale Temperatur erreicht haben. Danach erhitzen wir dieselbe
Heizplatte elektrisch bis zum vorherigen Punkt und berechnen die aufgewendete
Leistung je Flächeneinheit. Diese wird im Bereich von ca. 700 W/m2 liegen.
3.3. Wirkungsgrad
Für die Berechnung des Wirkungsgrades benötigten die wir die Fläche der Solarzelle
(=0.01m2), die maximale Leistung in unseren Experimenten (=830mW) und die
Solarkonstante (=700W/ m2).
Danach berechneten wir die Leistung pro Quadratmeter wie folgt:
0.830 W / 0.01 m2 = 83 W
Erich S. / Raphael B. / Patrick P.
10
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Mit einer direkten Proportion berechneten wir den Wirkungsgrad.
83 W / 700 W *100% = 11.86 %
Zum Vergleich haben wir hier die ungefähren Wirkungsgrade der meistverwendeten
Solarzellentypen aus dem Internet zusammengestellt.
Amorphe Silicium-Solarzellen
Polykristalline
Monokristalline
5-10%
10-15%
12-15%
4. Anwendungen: Von der Armbanduhr bis zum Weltraumsatelliten
Eine einzelne Solarzelle würde bei weitem nicht genug Strom liefern, um auch nur
einen Taschenrechner zu versorgen. Deshalb schließt man mehrere Solarzellen zu
sogenannten Solarmodulen zusammen, indem man sie parallel als auch seriell
verbindet. Solche Solarmodule haben dann normalerweise eine Größe von ca. 10 x
10 cm².
Große Versorger mit Solarstrom, zum Beispiel Solarkraftwerke, benutzen
sogenannte Solarbatterien, die nächste Größenordnung.
Im alltäglichen Gebrauch finden wir jedoch vor allem kleinere Solarmodule, so zum
Beispiel in Taschenrechnern, Uhren, Spielzeug und anderen Geräten, die
netzunabhängig, also selbstversorgend, betrieben werden sollen. Zu solchen
Geräten
zählen
beispielsweise
Bojen
auf
Schifffahrtswegen
oder
Überwachungskameras im Freien, beispielsweise zur Sicherung von militärischen
Übungsplätzen.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit sieht man zur Zeit noch eher selten, obwohl ihr
bei einer Weiterentwicklung von vielen Seiten gute Zukunftsperspektiven bescheinigt
werden: Das Solarauto. Zur Zeit ist es jedoch noch nicht so weit die
Verbrennungsmotoren abzulösen. Welchem Automobilantrieb, ob Solarenergie,
Elektrizität, Wasserstoff oder etwas anderem, die Zukunft gehören wird, ist ohnehin
noch völlig offen.
Auch auf den Häusern werden Solarzellen eingesetzt. Sie werden üblicherweise auf
dem Dach des Hauses montiert und tragen dann als Ergänzung zur normalen
Netzversorgung zur Deckung des Energiebedarfs in einem Haus bei.
Schon lange (seit 1957) ist auf einem anderem Gebiet die Versorgung mit
elektrischem Strom durch Solarzellen üblich: Für Satelliten ist zur Zeit die einzige
längerfristige Energieversorgung die Versorgung durch Solarzellen.
5. Quellen
Internet
Bücher
Unterlagen aus Praktikum
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