Vorschau - Netzwerk Lernen

RAAbits Hauptschule 7–9 · Naturwissenschaften 101
Solarboot
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Mit der Sonne unterwegs – wir bauen ein Solarboot
Jost Baum, Wuppertal
Mit Illustrationen von Oliver Wetterauer
Physik
Den Aufbau und die Funktionsweise einer Solarzelle kennen; eine Reihen- und
Parallelschaltung aufbauen können; über die Unterschiede zwischen Reihenund Parallelschaltung Bescheid wissen; den Bau eines Solarbootes planen und
es mit einfachen Mitteln bauen
Wissenswertes über Solarzellen
U
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Solarzellen sind Halbleiterbauelemente aus Silizium, in denen durch Lichteinstrahlung freie Ladungsträger entstehen. Zumeist wird dabei das Sonnenlicht genutzt. Im Bereich des p-n-Übergangs werden die Ladungsträger getrennt und es entsteht dort eine Spannung. Der p-n-Übergang befindet sich
zwischen zwei Bereichen mit unterschiedlicher Dotierung. Beim Dotieren werden Fremdatome in
das Halbleitermaterial eingebracht. Je nachdem, wie die Wertigkeit dieser Fremdatome ist, spricht
man von einer n- oder einer p-Dotierung. Haben diese eingefügten Fremdatome überschüssige Elektronen, so handelt es sich um eine n-Dotierung. Es existieren dann überschüssige Elektronen, die für
den Stromfluss genutzt werden können. Bei der p-Dotierung hingegen fehlen Elektronen, wodurch
ein Stromfluss möglich wird. Zwischen dem p-n-Übergang entsteht eine Spannung.
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Um eine höhere Spannung zu erreichen, werden die Elemente in Reihe geschaltet. Beim Hintereinanderschalten von Spannungsquellen addieren sich die Spannungen. Schaltet man hingegen
Spannungsquellen parallel, so kann man der Schaltung stärkere Ströme entnehmen als bei einer
einzelnen Spannungsquelle. Auch durch ein Hintereinanderschalten von Solarzellen lässt sich so
eine höhere Spannung erzielen.
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Didaktisch-methodische Hinweise
Das Ziel der Unterrichtseinheit besteht darin, dass Ihre Schülerinnen und Schüler mit einfachen
Mitteln ein Solarboot in Gruppenarbeit bauen. Zuvor lernen sie die Funktionsweise einer Solarzelle
kennen. Diese wird dabei in stark vereinfachter und didaktisch streng reduzierter Form vorgestellt:
Die Lernenden erkennen, dass die Sonnenstrahlung in der Solarzelle eine Ladungstrennung bewirkt
und so eine Spannung entsteht. Sie schalten Solarzellen in Reihe und parallel und erkunden so
im Versuch, bei welcher Schaltung der Propeller des Motors schneller läuft. Dabei sollten sie sich
als Lernvoraussetzung schon einmal mit der Reihen- und Parallelschaltung beschäftigt haben. Das
Unterrichtskonzept ist handlungsorientiert ausgelegt. Ihre Lernenden üben dabei nicht nur ihre praktischen Fertigkeiten, sondern trainieren auch ihre soziale Kompetenz.
Zu den Materialien im Einzelnen
In Material M 1 erfahren die Schülerinnen und Schüler anhand eines Lückentextes etwas über die
Funktionsweise einer Solarzelle.
Mit M 2 erkunden die Jugendlichen im Experiment den Einfluss des Einfallswinkels der Sonnenstrahlen auf die Leistungsfähigkeit der Solarzellen.
In M 3 untersuchen die Schülerinnen und Schüler im Versuch die Reihen- und Parallelschaltung von
Solarzellen. Sie erkennen, dass sich bei der Reihenschaltung aufgrund der Addition der Spannungen der Motor schneller dreht als bei der Parallelschaltung.
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RAAbits Hauptschule 7–9 · Naturwissenschaften 101
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Was hat es mit den Solarzellen auf sich?
Foto: Thinkstock/
iStockphoto
M1
Solarboot
Mit Solarzellen, die auch Fotozellen heißen, kann die Sonnenenergie genutzt werden.
Aufgabe 1: Solarzellen liefern nicht nur auf Hausdächern
Strom. Wo kommen sie noch vor?
Solarzellen auf dem Hausdach
liefern den Haushalten Strom
Aufgabe 2: Erfahre, wie eine Solarzelle funktioniert. Setze dazu die Begriffe aus
dem Kasten in den Text ein.
U
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zwei – Energie – Sonnenlicht – leuchtet – Stromkreis – Elektronen –
Metallkontakten – fließen
Solarzellen wandeln die
der Sonnenstrahlen in elektrische Energie um.
H
C
Solarzellen haben
Schichten aus Silizium. Die eine Schicht heißt
n-Schicht (n = negativ), die andere p-Schicht (p = positiv).
bewirkt, dass Elektronen angeregt und aus ihren Bindungen „herausgerissen“
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werden. Diese
bewegen sich zu den Metallkontakten der n-Schicht.
Dort entsteht ein Elektronenüberschuss. Dort, wo die Elektronen „herausgerissen“
werden, entstehen „Löcher“. Sie wirken wie positive Ladungen. Die positiven
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Ladungen sind an der p-Schicht. Dort herrscht also ein Elektronenmangel.
So entsteht eine elektrische Spannung, da die freien Elektronen in die „Löcher“
wollen. Eine Sperrschicht am p-n-Übergang verhindert aber den
Ladungsausgleich. Schließt man den
durch Anschluss eines
Verbrauchers (z. B. einer Glühlampe), fließt ein Strom. Die Glühlampe
Verbraucher
.
Sonnenstrahlen
Metallkontakte
(Elektronenüberschuss)
n-Schicht
p-n-Übergang
p-Schicht
positive Ladungen
So funktioniert eine Solarzelle
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RAAbits Hauptschule 7–9 · Naturwissenschaften 101
Solarboot
Aufgabe 1: Solarzellen liefern nicht nur auf Hausdächern Strom. Wo kommen sie noch vor?
Manche Taschenrechner verwenden anstatt von Batterien Solarzellen als Stromlieferanten. Solarzellen versorgen zudem Parkautomaten, Ladegeräte, Uhren, Solarzellen auf dem
Hausdach liefern den
Lampen und Spielzeug mit Strom.
Haushalten Strom
Foto: Thinkstock/
iStockphoto
Lösung (M 1)
Aufgabe 2: Erfahre, wie eine Solarzelle funktioniert. Setze dazu die Begriffe aus dem Kasten in
den Text ein.
zwei – Energie – Sonnenlicht – leuchtet – Stromkreis – Elektronen – Metallkontakten – fließen
Solarzellen wandeln die Energie der Sonnenstrahlen in elektrische Energie um.
Solarzellen haben zwei Schichten aus Silizium. Die eine Schicht heißt
n-Schicht (n = negativ), die andere p-Schicht (p = positiv). Sonnenlicht
bewirkt, dass Elektronen angeregt und aus ihren Bindungen „herausgerissen“
werden. Diese Elektronen bewegen sich zu den Metallkontakten der n-Schicht.
Dort entsteht ein Elektronenüberschuss. Dort, wo die Elektronen „herausgerissen“
werden, entstehen „Löcher“. Sie wirken wie positive Ladungen. Die positiven
Ladungen sind an der p-Schicht. Dort herrscht also ein Elektronenmangel.
So entsteht eine elektrische Spannung, da die freien Elektronen in die „Löcher“
fließen wollen. Eine Sperrschicht am p-n-Übergang verhindert aber den
Ladungsausgleich. Schließt man den Stromkreis durch Anschluss eines
Verbrauchers (z. B. einer Glühlampe), fließt ein Strom. Die Glühlampe leuchtet.
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Hinweise
Zeigen Sie als Einstieg eine Solarzelle. Lassen Sie Ihre Lernenden sich spontan dazu äußern. Einige
wissen bestimmt, dass Solarzellen Strom liefern. Demonstrieren Sie dies, indem Sie mit der Solarzelle einen kleinen Elektromotor betreiben. Fragen Sie nach weiteren Anwendungsmöglichkeiten
von Solarzellen. Dabei sollten alltagsnahe Beispiele zur Sprache kommen (z. B. Taschenrechner,
Solarzellen auf dem Hausdach, Ladegeräte, Lampen etc.). Erklären Sie das Funktionsprinzip von
Solarzellen mit der Zeichnung in M 1 (Zeichnung zuvor auf Folie kopieren und dann mit dem
Overheadprojektor zeigen). Voraussetzung für das Verständnis ist, dass den Jugendlichen einige
bedeutende Begriffe und Sachverhalte bekannt sind. Diese sollten Sie zuvor unbedingt durchnehmen. So muss der Begriff „Elektron“ bekannt sein. Die Lernenden sollten wissen, dass Elektronen
negative Teilchen sind, die um einen positiv geladenen Atomkern kreisen. Zudem sollte ihnen klar
sein, dass ein elektrischer Stromfluss zustande kommt, indem negative Ladungen (Elektronen) im
geschlossenen Stromkreis fließen. Die Begriffe „Stromstärke“ und „Spannung“ sollten Sie ebenfalls
bereits durchgenommen haben. Auf dieses Vorwissen bauen Sie dann auf, wenn Sie an der Zeichnung von M 1 im Unterrichtsgespräch die Funktionsweise der Solarzellen besprechen. Erklären Sie,
dass Solarzellen aus zwei verschiedenen Schichten des Halbleiters Silizium bestehen (n-Schicht,
p-Schicht). Machen Sie den Schülerinnen und Schülern deutlich, dass die Sonnenenergie in der
Solarzelle zu einer Ladungstrennung führt: An der n-Schicht sammeln sich Elektronen und es entsteht
ein Elektronenüberschuss. An der p-Schicht hingegen sind Atome, denen ein Elektron fehlt und die
daher positiv geladen sind. Damit den Lernenden dies klar wird, verwenden Sie aus didaktischen
Gründen eine bildhafte Sprache: Sprechen Sie davon, dass die Elektronen durch das Sonnenlicht
aus ihrem Platz im Atom „herausgerissen“ werden und dann dem Atom „fehlen“. Es entstehen dort
„Löcher“ und die Atome sind positiv geladen. Die Elektronen wandern dann zur n-Schicht, weshalb
dort ein Elektronenüberschuss entsteht.
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RAAbits Hauptschule 7–9 · Naturwissenschaften 101
M4
Solarboot
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Wir bauen ein Solarboot
Baut jetzt euer eigenes Solarboot und geht mit ihm auf große Fahrt.
Das benötigt ihr
1 Lüsterklemmleiste
2 Solarzellen
1 Solarmotor mit Propeller
1 Klemme (zum Befestigen des Solarmotors)
1 Stück Holz (auf diesem Holzblock befestigt ihr die Klemme mit dem Motor)
Klingeldraht
1 Holzschraube (zum Befestigen der Klemme auf dem Holzblock)
doppelseitiges Klebeband
für den Schiffsrumpf: Sperrholz oder 2 Plastikflaschen oder 1 Styroporplatte
Werkzeuge: Abisolierzange, Schraubenzieher, Seitenschneider
Aufgabe 1
Solarzellen
Foto: Jost Baum
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Solarmotor mit Propeller
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Foto: Michael Frey
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Foto: Jost Baum
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Lüsterklemmleiste
Bald beginnt ihr mit dem Bootsbau. Doch zuvor müsst ihr euch genau überlegen, wie
ihr euer Boot am besten baut. Beantwortet dazu die folgenden Fragen.
a) Welches Material ist für den Bootsrumpf am besten geeignet?
Wägt die Vor- und Nachteile folgender Materialien ab:
1. Sperrholzplatte
2. Styroporplatte
3. zwei leere Plastikflaschen
Notiert hier eure Überlegungen:
b) Ist eine Parallel- oder eine Reihenschaltung der Solarzellen besser?
Tipp
Berücksichtigt eure Erkenntnisse bei euren Versuchen mit Solarzellen in Reihen- und Parallelschaltung.
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