Solarzellen

Photovoltaik – erleben,
verstehen, anwenden
Fortbildung für Physiklehrer
an Mittelschulen
Königsbrück, 27.11.08
Dipl.-Phys. Ronny Timmreck
Wer ist leXsolar?
z
Der Spezialist für Lehrmittel zu Erneuerbaren Energien
z
Hersteller von leXsolar-Experiment
Æ dem Experimentiersystem zur Photovoltaik,
Elektrik, Halbleiter- und Festkörperphysik
entstanden aus einem Schülerprojekt beim
Wettbewerb „Jugend forscht“
z
z
Gewinner des Worlddidac Award
2
Gliederung
I.
Theoretische Einführung
1.
2.
3.
4.
Einführung in die Photovoltaik (PV)
Physikalische Grundlagen der PV
Daten und Fakten
Marktdaten zur PV
II. Experimente
1.
2.
3.
Unterrichtsziele
Das Experimentiersystem leXsolar-Experiment
Experimente
3
1. Einführung in die Photovoltaik (PV)
1.1 Definition
1.2 Die PV im Spektrum der regenerativen Energien
1.3 Energiebilanz der Erde
4
1.1 Definition
Photovoltaik ist die direkte Umsetzung
von Lichtenergie in elektrische Energie.
Die PV ist eine regenerative Energiequelle
5
1.2 Die PV im Spektrum der regenerativen Energien
Sonnenenergie
Windenergie
Wasserkraft
Biomasse
Solare Einstrahlung
Umweltwärme
Radioaktive Zerfallsenergie im Erdinneren
Erdwärme
Rotationsenergie
der Erde
Gezeitenenergie
6
1.3 Energiebilanz der Erde
7
2. Physikalische Grundlagen der PV
2.1
2.2
2.3
2.3
2.5
Grundbedingungen
Konzepte
Halbleitersolarzellen
Die Entstehung des Photostroms
Aufbau
8
2.1 Grundbedingungen für die Funktion von
Solarzellen
1) Die Strahlung muss eingefangen werden (Absorption)
2) Die Lichtabsorption muss zur Anregung
beweglicher negativer und positiver Ladungsträger führen
3) Die Ladungen müssen getrennt werden
absorbierendes Material
Umwandlung von Lichtteilchen (Photonen)
in Ladungsträgerpaare
9
2.2 Konzepte und Materialien für die PV
Es gibt verschiedene Materialien und Konzepte, mit denen sich die
Bedingungen von 2.1 erfüllen lassen, z.B.:
z
organische Verbindungen
– hoch absorbierende Verbindungen
wie z.B. Zink-Phthalocyanin
Æ organische Solarzellen
z
Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle
Æ Grätzel-Zelle
z
Halbleiter
– z.B. Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid
(CdTe) oder Germanium (Ge)
– am besten erforscht und am meisten verbreitet sind
Halbleitersolarzellen (Marktanteil ~100%)
– unter den Halbleitern ist Silizium der wichtigste Rohstoff für die
Solarzellenfertigung (Anteil ~99%)
10
2.3 Grundlagen: Eigenschaften von Halbleitern
Leitungseigenschaften
z
z
z
Geringe elektrische Leitfähigkeit (kleiner als Metall aber größer
als z.B. Plastik)
Leitfähigkeit sinkt bei sehr niedrigen Temperaturen auf Null ab
Leitfähigkeit steigt tendenziell mit der Temperatur und bei
Beleuchtung (Photoleitung)
Leitungsband
Energie
Energielücke Eg
verbotene Zone
Valenzband
11
Anregung von Ladungsträgern
z
z
z
¾
¾
Durch Absorption eines Lichtteilchens (Photons) kann ein Elektron
aus dem Valenzband in das Leitungsband gehoben werden
Das Elektron kann sich als negative Ladung im Leitungsband
bewegen
Im Valenzband fehlt nun ein Elektron. Diese Fehlstelle verhält sich
wie ein positiv geladener Ladungsträger (vgl. Luftblase im
Wasserrohr). Sie wird als Loch bezeichnet
Beleuchtung führt zur Anregung von Elektron-Loch-Paaren
Bedingung (1) und (2) erfüllt!
Leitungsband
Energie
Energielücke Eg
hf
Valenzband
12
Dotierung von Halbleitern
z
z
z
Silizium hat vier Elektronen in seiner äußersten Schale
Im Siliziumkristall bildet jedes Außenelektron ein Elektronenpaar
mit einem Außenelektron des Nachbaratoms
Dotierung heißt Verunreinigung (Einbau von Fremdatomen)
n-Dotierung:
(z.B. mit
Phosphor)
p-Dotierung:
(z.B. mit Bor)
13
p/n-Übergang
z
z
z
z
p-Halbleiter und n-Halbleiter im Kontakt
Elektronen aus dem n-Gebiet und Löcher aus dem p-Gebiet
mischen sich im Grenzgebiet (Diffusion) und löschen sich
gegenseitig aus (Rekombination)
Es entsteht eine von Ladungsträgern verarmte Zone
Die zurückgebliebenen Dotanden verursachen ein elektrisches
Feld (Raumladungszone)
neutrale Gebiete:
gleiche Zahl an freien Ladungsträgern
und ortsfesten, geladenen Dotanden
Zeichenerklärung:
Raumladungszone:
nur ortsfeste, geladene Dotanden
ortsfeste Dotanden
(z.B. Phosphor und Bor)
freie Ladungsträger
(Elektronen und Löcher)
14
2.4 Entstehung des Photostroms
z
z
z
z
z
Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares in der Verarmungszone
durch ein Photon
Elektron wird von positiver Raumladung zum n-Gebiet gezogen
Loch wird von negativer Raumladung zum p-Gebiet gezogen
Das Elektron-Loch-Paar wird in der Raumladungszone getrennt
Bedingung (3) erfüllt
Licht
15
Absorption außerhalb der Raumladungszone
z
z
z
Wird ein Photon außerhalb der Verarmungszone absorbiert,
entsteht dort ein Ladungsträgerpaar, auf das zunächst keine Kraft
wirkt
Die Ladungsträger werden durch die thermischen Schwingungen
des Halbleiterkristalls umhergestoßen, d.h. sie führen willkürliche
Bewegungen aus
Gelangen sie dabei zufällig in die Raumladungszone, werden sie
dort getrennt und tragen auch zum Photostrom bei.
p-Gebiet
Raumladungzone
n-Gebiet
16
2.5 Aufbau einer Si-Solarzelle
Æ Animation
17
3. Daten und Fakten
z
Typische Wirkungsgrade:
–
–
–
z
Energierücklaufzeiten:
–
–
–
z
monokristalline Si-Zelle: 16%
polykristalline Si-Zelle: 14%
organische Solarzelle: 4% (Forschung)
abhängig von der Technologie (mono- oder polykristallin)
aktuell: 3-6 Jahre
Prognose 2010: ~2 Jahre
Die Einheit Wp: (Watt peak)
–
–
–
die Solarzellenleistung ist beleuchtungsstärkeabhängig
zur Vergleichbarkeit wird die Spitzenleistung Wp (peak: engl. Spitze)
herangezogen
Wp gibt die Leistung einer Solarzelle bei Normbedingungen an
z
z
z
1000W/m² Einstrahlungsleistung
Genormtes Spektrum (AM1,5)
25°C
18
4. Marktdaten zur PV
x
kumulierte installierte Leistung
z
z
z
mehr als Verzehnfachung in 10 Jahren
Prognose 2012: 45 GW
zum Vergleich: Kraftwerksleistung in Deutschland: ~70 MW
19
II. Experimente
1. Unterrichtsziele der Experimente
Kennen lernen der Solarzelle als Spannungsquelle
z Kennen lernen der Solarzelle als Halbleiterbauelement
z Verständnis der physikalischen Grundlagen der PV
Æ ideologiefreie Einschätzung der Technologie und
deren Potentials
z Die Solarzelle als Spannungsquelle für ElektrikGrundlagenversuche nutzen
z
20
2. Das System leXsolar-Experiment
z
Verfügbar in verschiedenen Ausstattungen:
z
Hauptbestandteile:
–
–
–
–
–
z
Grundeinheit
Solarmodule
Beleuchtungsmodul
diverse Steckmodule
optionale Erweiterungen: - “Messen ohne Messgeräte
- leXsolar-Brennstoffzelle
Funktionsweise (virtuelle Experimente starten)
21
3. Experimente
z
z
z
z
z
z
z
Experiment M 1.1: Untersuchungen am leXsolar
Stecksystem
Experiment M 1.2: Vergleich von Reihen- und
Parallelschaltung der Solarzellen mit dem leXsolarHupenmodul
Experiment M 3.1: Abschattung von Solarzellen bei
Reihenschaltung 1
Experiment L 1: Reihen- und Parallelschaltung von
Solarzellen
Experiment L 10.1: Abschattung von Solarzellen bei
Reihenschaltung
Experiment L 8.1: U-I-Kennlinie der Solarzelle
Experiment L 9: Temperaturabhängigkeit der Solarzelle
22
Experiment M 1.1:
Untersuchungen am leXsolar-Stecksystem
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
23
Experiment M 1.2:
Vergleich von Reihen- und Parallelschaltung der
Solarzellen mit dem leXsolar-Hupenmodul
x
x
x
x
x
x
24
Experiment M 3.1:
Abschattung von Solarzellen bei Reihenschaltung 1
x
z
x
die abgeschattete Solarzelle verbraucht den Strom der
anderen beiden
25
Experiment 1: Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen
z
Ergebnis:
-Reihenschaltung:
Die Spannungen addieren sich
Die Stromstärke bleibt konstant
-Parallelschaltung:
Die Stromstärken addieren sich
Die Spannung bleibt konstant
z
Erklärung:
-siehe Verhalten von Spannung und Stromstärke im verzweigten
und unverzweigten Stromkreis
-folgt aus den Kirchhoff‘schen Gesetzen
26
Experiment 10.1: Abschattung von Solarzellen
bei Reihenschaltung
z
Ergebnis:
-
z
Erklärung:
-
z
Wird bei einer Reihenschaltung von drei Solarzellen eine abgedeckt,
so sinkt die Leistung um weit mehr als 1/3 der Ausgangsleistung
Schaltet man eine Diode parallel zur abgedunkelten Solarzelle fällt
die Leistung nur um den Anteil der abgedunkelten
Wenn die Solarzelle abgedunkelt wird, hat sie einen sehr hohen
Innenwiderstand (Sperrrichtung!)
Ein großer Teil der Leistung der anderen beiden Solarzellen wird
durch die abgedunkelte verbraucht
Wird eine Diode parallel geschaltet, so fungiert sie als „Umleitung“ für
den Strom
Anwendung:
-
Bei großen Anlagen müssen solche Dioden (Bypass-Dioden genannt)
eingebaut werden, um Verluste durch Teilverschattung zu vermeiden
27
Experiment 8.1: Kennlinie und Füllfaktor der Solarzelle
Ergebnis:
-
-
Die Solarzelle gibt nur an einem Punkt Ihrer Kennlinie (also nur
bei einer bestimmten Spannung) ihr maximale Leistung ab!
Um eine optimale Ausbeute zu erzielen, muss in der Praxis der
MPP immer neu eingestellt werden
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Ergebnis: Füllfaktor
-
Der Füllfaktor ist das Verhältnis der beiden schraffierten Flächen
Der Füllfaktor ist ein Maß für die Qualität einer Solarzelle
Je näher er an 100% liegt (je näher die Kennlinie also einem
Rechteck kommt), desto besser ist die Solarzelle
29
Experiment 9: Temperaturabhängigkeit
der Solarzellenleistung
z
Ergebnis: Entgegen den Erwartungen sinkt die Leistung mit
steigender Temperatur.
z
Erklärung:
-
Durch die höhere Temperatur sind die Ladungsträger stärker
thermisch angeregt
Das durch die Dotierung eingebaute elektrische Feld kann deshalb
weniger Ladungsträger „einfangen“
Dieser Effekt überwiegt den der höheren Leitfähigkeit!
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Weitere Informationen
z
leXsolar-CD
–
–
z
leXsolar-Schülerhefte
leXsolar-Lehrerhefte
Kontakt:
leXsolar GmbH
c/o Technische Universität Dresden
01062 Dresden
Besucheranschrift: König-Bau der TU Dresden, 3. Etage
www.leXsolar.de
Ihr Ansprechpartner:
Ronny Timmreck
Tel.: 0351 – 41 38 99 60
[email protected]
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