ENT 2.4 Die Solarzelle als Diode

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ENT
2.4
Die Solarzelle als Diode
Schlüsselworte
Sonnenenergie, Fotovoltaik, Solarzelle,
Diode, Dunkelkennlinie
Klebefilm
Prinzip
Eine Solarzelle ist aus einer p-dotierten und einer n-dotierten Schicht aufgebaut. Bei Lichteinfall entstehen jeweils freie Ladungsträger, welche durch das elektrische Feld nach außen gedrängt werden und so
eine Spannung erzeugen. Durch diesen Aufbau ist die Orientierung der Spannung eindeutig festgelegt,
was den folgenden Versuch ermöglicht. In diesem Versuch wird eine Spannung an die abgedunkelte Solarzelle angelegt, um an einem einfachen Beispiel zu zeigen, dass die Solarzelle Eigenschaften einer
Diode aufweist. In einem zusätzlichen Teilversuch kann dann noch die Dunkelkennlinie der Solarzelle
ermittelt werden.
Material
*2
*4
*1
*1
*1
*1
*1
1
1
**1
**1
Leitungsbaustein, gerade, DB
Leitungsbaustein, winklig, DB
Leitungsbaustein, unterbrochen, DB
Lampenfassung, DB
Solarzelle, DB
Glühlampe 4 V / 0,04 A, 1 Stück von 10
Karton, schwarz, 1 Stück von 10
09401-01
09401-02
09401-04
09404-00
09470-00
06154-03
06306-01
Zusätzlich wird benötigt
Demo Physik Hafttafel mit Gestell
Netzgerät universal
Cobra4 Wireless Manager
Cobra4 Wireless-Link
02150-00
13500-93
12600-00
12601-00
Abb. 1:
**1
**1
**1
1
1
1
1
Cobra4 Sensor-Unit Energy
Halter für Handmessgeräte
Software measure für Cobra4
Verbindungsleitung 250 mm, blau
Verbindungsleitung 250 mm, gelb
Verbindungsleitung 750 mm, rot
Verbindungsleitung 750 mm, blau
12656-00
02161-00
14550-61
07360-04
07360-02
07362-01
07362-04
1 PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7
1 Klebefilm
* In Set ENT 1 enthalten
** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten
09492-88
12608-88
Versuchsaufbau
www.phywe.com
P9502460
PHYWE Systeme GmbH & Co. KG © All rights reserved
1
ENT
2.4
Die Solarzelle als Diode
1. Diode (qualitativ)
Aufbau
Den Stromkreis nach Abb. 1 aufbauen und an den Gleichspannungsausgang des Netzgerätes anschließen, dabei auf die richtige Polung des Anschlusses achten.
Das Netzgerät ist ausgeschaltet.
Schwarze Pappe so schneiden oder falten und mit Klebefilm fixieren, dass sechs Lagen Pappe
übereinander sind und den Solarzellenbaustein vollständig abdecken können.
Durchführung
Am Netzgerät eine Spannung von 0 V einstellen.
Netzgerät einschalten.
Langsam die Spannung von 0 V auf 4 V erhöhen.
Prüfen, ob die Glühlampe leuchtet.
Die Spannung auf 0 V drehen.
Im Schaltkreis das rote und das blaue Kabel vertauschen (Abb. 2).
Die Spannung wieder langsam von Null auf 4 V erhöhen.
Prüfen, ob die Glühlampe leuchtet.
Die Spannung auf 0 V drehen.
Netzgerät ausschalten.
Abb. 3:
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Abb. 2
Messwertaufnahme: Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bei einer abgedunkelten Solarzelle
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Die Solarzelle als Diode
ENT
2.4
Beobachtung
Wenn der positive Pol des Netzgerätes an den mit „+“ gekennzeichneten Pol der abgedeckten Solarzelle
angeschlossen ist, leuchtet die Glühlampe. Im anderen Fall leuchtet sie nicht.
Auswertung
Eine Diode ist ein elektrisches Bauteil, durch das Strom nur in eine Richtung fließen kann. Da die Solarzelle genau diese Eigenschaft aufweist, handelt es sich also um eine Diode.
2. Dunkelkennlinie (quantitativ)
Aufbau
Den Stromkreis nach Abb. 4 aufbauen, dabei die Polung berücksichtigen.
Darauf achten, dass das rote Kabel vom Netzgerät mit der mA -Buchse der Cobra4 Sensor-Unit
Energy verbunden wird.
Durchführung
PC und Windows starten.
Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken.
Softwarepaket measure am PC starten.
Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten wird die Sensor-Unit automatisch erkannt und dem Cobra4 Wireless-Link wird eine ID-Nummer zugewiesen, die
im Display sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager und dem Cobra4 Wireless-Link wird durch die LED Data angezeigt.
Abb. 4:
Versuchsaufbau Dunkelkennlinie
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ENT
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Die Solarzelle als Diode
Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit Energy einschalten. Die Sensor-Unit
und die elektrischen Größen U, I, P und W werden als Messkanäle angezeigt.
Experiment laden (Experiment>Experiment öffnen> …).
Die Spannung am Netzgerät auf 0 V stellen.
Das Netzgerät einschalten.
Spannung auf 1 V einstellen.
Messwertaufnahme in measure starten .
Sehr langsam die Spannung wieder auf 0 V drehen.
Das gelbe und blaue Kabel in der Schaltung vertauschen.
Sehr langsam die Spannung wieder auf 1 V drehen.
Messwertaufnahme beenden .
Spannung auf 0 V stellen und Netzgerät ausschalten.
Alle Messungen in das measure Hauptprogramm übertragen.
Beobachtung
Abb. 5:
Messauswertung: Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bei einer abgedunkelten Solarzelle
Auswertung
lässt sich in Abb. 5 feststellen, dass erst ab einer
Unter Verwendung der Funktion „Vermessen“
Spannung von etwa 0,5 V ein Strom durch die abgedunkelte Solarzelle fließt. Bei negativer Spannung
fließt kein Strom.
Ab 0,5 V steigt der Strom an und geht ab einer Spannung von etwa 0,7 V in eine Gerade über.
Die Solarzelle hat damit die Kennlinie einer Diode, wobei die Schwellenspannung aufgrund des Materials der Solarzelle bei 0,5 V liegt.
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Die Solarzelle als Diode
Anwendung
Bei einer Reihenschaltung von mehreren Solarzellen muss darauf geachtet werden, dass keine Solarzelle abgeschattet wird oder sogar völlig dunkel ist. Dies würde dazu führen, dass die Stromstärke sehr viel
geringer würde oder dass sogar gar kein Strom fließen würde.
Hinweise
Korrespondenz Schülerversuche TESS EN
2.6 Die Solarzelle als Diode (P9511600)
2.9 Die Dunkelkennlinie einer Solarzelle (P9511900)
Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1)
aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt:
Versuch P9502463
1
1
1
1
1
Cobra4 Mobile-Link
Cobra4 Sensor-Unit Energy
Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger
Halter für Handmessgeräte
Digitale Großanzeige
12620-00
12656-00
12623-88
02161-00
07157-93
Versuch P9502400
2 Analog-Digital-Multimeter ADM 2
13820-00
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Die Solarzelle als Diode
Raum für Notizen
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