Bericht_Solar. 20.2.04

HÖHERE TECHNISCHE
BUNDESLEHRANSTALT WIEN 10
Abteilung Elektrotechnik
Datum
Jahrgang/Klasse
Name
20.2.2004
3 HEA
Eichinger, Dungel, Caliskan
Photovoltaik
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1. Schaltung
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2. Messaufgabe
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3. Theoretische Grundlagen
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3.1 Allgemeines
3.2 Mikroskopischer Aufbau und Funktionsweiße
3.3 Eigenschaften einer Solarzelle
3.4 Von der Zelle zum Modul
3.5 Natürliche Grenzen beim Wirkungsgrad
3.6 Neue Wege für die Wirkungsgradverbesserung
3.7 MPP (Maximum Power Point)
3.8 Unterschiedliche Zelltypen
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3.9 Kunststoffsolarzellen
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3.10 Kosten von verschiedenen Solarmodule
3.11 Analog-Digital-Umsetzer
3.12 GPIB
3.13 Labview
1. Schaltung
2. Messaufgabe
Die Aufgabe war es bei einer Messschaltung mit einem Photovoltaik- Modul die Modulspannung
[V], Modulstrom[A], Referenzspannung [V] und den Vorwiderstand [Ohm]) zu messen , sodass mit
diesen gemessenen Größen weitere berechnet werden konnten.
Da mit Digitalmultimetern gemessen wurde, und durch die Solarzellen analoge Signale erzeugt
werden, waren diese Messungen nur mit Messgeräten die einen vorgeschalteten A/D- Wandler
besaßen möglich.
Die Messwerterfassung sowie die weitere Berechnung über die erfassten Werter sollte durch ein
selbstprogrammiertes Labview- Programm ermöglicht werden.
Es wurde eine GPIB – Karte für die Umwandlung von analogen Signalen in einen Binärcode
verwendet, sodass das Programm die umgewandelten Größen schließlich über die USBSchnittstelle aufnehmen konnte.
In diesem Programm sollten folgende Vorgänge ermöglicht werden:
 Anzeige der gemessenen Werte (Modulspannung, Modulstrom, Referenzspannung u.
Vorwiderstand)
 Berechnung u. Anzeige von Modulleistung, Strahlungsleistung, Modultemperatur,
Wirkungsgrad
 Aufzeichnung bestimmter Messpunkte und die daraus resultierende Kurve in einem
Diagramm und die Möglichkeit diese Werte und Diagramme abzuspeichern und bei bedarf
aufrufen zu können.
Ein wichtiger Teil des Projekts war auch die Ermittlung des Maximum Power Point (MPP).
Die Lage dieses Punktes wird durch die Diagramme besonders gut dargestellt.
3. Theoretische Grundlagen zur Photovoltaik
3.1 Allgemeines
Das Wort Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für Licht und dem
Namen des Physikers Alessandro Volta. Es bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in
elektrische Energie mittels Solarzellen.
Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in Strom mittels Solarzellen.
Man unterscheidet zwischen Inselsysteme (netzunabhängige Systeme) und netzgekoppelten
Systemen.
Inselsysteme sind unabhängig vom Stromnetz und werden bei Bedarf durch eine andere
Stromquelle, z.B. einen Dieselgenerator unterstützt.
(Bekannt sind die Einsatzmöglichkeiten für Uhren, Taschenrechner oder Parkscheinautomaten.
Inselsysteme haben aber auch dort Sinn, wo die nächste Stromquelle sehr weit entfernt ist, was
beispielsweise einen Einsatz in Ländern der Dritten Welt sinnvoll macht).
Man kann damit ausschließlich Gleichspannung erzeugen
3.2 Mikroskopischer Aufbau und Funktionsweiße
Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialien.
Zu 95 % bestehen sie aus Silizium-Halbleitermaterial (Si) und der Rest sind Galliumarsenid- od.
Cadmiumtellurid-Zellen.
Zur Herstellung von Solarzellen werden Halbleitermaterialien dotiert, d.h. dass durch in das
Silizium Akzeptoren (3 VE) und Denatoren (5VE) eingebracht werden.
Bei der Halbleitermaterial- Denator- Bindung bleibt ein zusätzliches Elektron, das frei beweglich
ist, und bei der Halbleitermaterial- Akzeptor- Bindung ein freier Elektronenplatz.
Aufgrund der Einnahme des energetischen Minimums wandert das frei bewegliche Elektron auf den
freien Platz, sodass eine Grenzschicht entsteht die positiv und negativ geladenes Material
voneinander trennt.
Die Spannungsdifferenz zwischen den positiven und den negativen Materialien beträt 0,5V- 0,7V
wie bei einer Diode.
Treffen Photonen (Licht) auf gebundene (starre)Elektronen fügt es ihnen die notwendige Energie zu,
dass sie sich von der Schale lösen können und somit ein positives Loch hinterlassen.
Durch die Ausrichtung des magnetischen Feldes bei der Grenzschicht werden die von der Schale
gelösten Elektronen in die positiv geladene, n- dotierte Schicht bewegt und die positiven Löcher in
die entgegengesetzte Richtung.
Somit findet Ladungsbewegung statt, also fließt Strom.
Eine durchsichtige Antireflexschicht dient zum Schutz der Zelle und zur Verminderung von
Reflexionsverlusten an der Zelloberfläche.
3.3 Eigenschaften einer Solarzelle
Die an Solarzellen ab greifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt
sie etwa 0,5 V. Die Klemmenspannung ist nur schwach von der Lichteinstrahlung abhängig,
während die Stromstärke bei höherer Beleuchtungsstärke ansteigt. Bei einer 100 cm² großen
Siliziumzelle erreicht die maximale Stromstärke unter Bestrahlung von 1.000 W/m² etwa einen
Wert von 2 A .
Strom-SpannungsKennlinie
einer
Solarzelle
Die Leistung (Produkt aus Strom und Spannung) einer Solarzelle ist temperaturabhängig. Höhere
Zelltemperaturen führen zu niedrigeren Leistungen und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad.
Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie
umgewandelt wird.
3.4 Von der Zelle zum Modul
Um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungen
bereitstellen zu können, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten miteinander verschaltet.
Eine Serienschaltung der Zellen hat eine höhere Spannung zur Folge, eine Parallelschaltung einen
höheren Strom. Die miteinander verschalteten Solarzellen werden meist in transparentem EthylenVinyl-Acetat eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und
frontseitig transparent mit Glas abgedeckt.
Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 10
Wpeak [Wp]
und 100 Wpeak [Wp]. Die Kenndaten der Solarmodule beziehen sich auf die
Standardtestbedingungen von 1000 W/m² Sonneneinstrahlung bei 25 °C Zelltemperatur. Die von
den Herstellern angegebenen Garantiezeiten sind mit in der Regel 10 Jahren recht hoch und
bezeugen den hohen Qualitätsstandard und die hohe Lebenserwartung heutiger Produkte.
3.5 Natürliche Grenzen beim Wirkungsgrad
Außer an der Optimierung von Produktionsprozessen arbeitet man auch an einer Erhöhung der
Wirkungsgrade, um zu einer Verbilligung der Solarzellen zu kommen. Unterschiedliche
Verlustmechanismen setzen diesem Vorhaben aber Grenzen. Grundsätzlich sind die einzelnen
Halbleitermaterialien oder -kombinationen nur für bestimmte Spektralbereiche des einfallenden
Lichtes geeignet. Ein bestimmter Anteil der Strahlungsenergie kann also nicht genutzt werden, weil
die Lichtquanten (Photonen) nicht über ausreichend Energie verfügen, um Ladungsträger
"aktivieren" zu können. Auf der anderer Seite wird ein gewisser Anteil an PhotonenÜberschussenergie nicht in elektrische Energie, sondern in Wärme umgewandelt. Hinzu kommen
optische Verluste, wie die Abschattung der Zelloberfläche durch die Kontaktierung oder die
Reflexion einfallender Strahlung an der Zelloberfläche. Auch elektrische Widerstandsverluste im
Halbleiter und in den Anschlussleitungen sind als Verlustmechanismen zu nennen. Der störende
Einfluss von Materialverunreinigungen, Oberflächeneffekten und Kristalldefekten ist ebenfalls nicht
unerheblich. Einzelne Verlustmechanismen (Photonen mit zu geringer Energie werden nicht
absorbiert, Photonen-Überschussenergie wird in Wärme umgewandelt) können nicht weiter
optimiert werden, weil sie aus physikalischen Gründen durch das verwendete Material vorgegeben
sind. Dies führt zu einem theoretisch maximalen Wirkungsgrad von beispielsweise etwa 28 % bei
kristallinem Silizium.
Maximale theoretische Wirkungsgrade verschiedener Solarzellen bei Standardbedingungen
3.6 Neue Wege für die Wirkungsgradverbesserung
Oberflächenstrukturierung zur Verminderung von Reflexionsverlusten: Zum Beispiel Aufbau
der Zelloberfläche in Pyramidenstruktur, damit einfallendes Licht mehrfach auf die Oberfläche
trifft. Neue Materialien: Zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) oder
Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2).
Tandem- oder Stapelzellen: Um ein breiteres Strahlungsspektrum nutzen zu können, werden
unterschiedliche Halbleitermaterialien, die für verschiedene Spektralbereiche geeignet sind,
übereinander angeordnet.
Konzentratorzellen: Durch die Verwendung von Spiegel- und Linsensystemen wird eine höhere
Lichtintensität auf die Solarzellen fokussiert. Diese Systeme werden der Sonne nachgeführt, um
stets die direkte Strahlung auszunutzen.
MIS-Inversionsschicht-Zellen: Das innere elektrische Feld wird nicht durch einen p-n-Übergang
erzeugt, sondern durch den Übergang einer dünnen Oxidschicht zu einem Halbleiter.
Grätzel-Zelle: Elektrochemische Flüssigkeitszelle mit Titandioxid als Elektrolyten und einem
Farbstoff zur Verbesserung der Lichtabsorption.
Ein aufmerksamer Blick auf aktuelle Meldungen aus der Solarstrombranche zeigt, dass
Materialeinsparung und höhere Wirkungsgrade für die Solarzellenhersteller im Mittelpunkt stehen.
Die Notwendigkeit, beide Ziele gleichzeitig zu erreichen, ergibt sich aus den relativ hohen Kosten
für das Ausgangsmaterial kristallines Silicium, aus dem mehr als 90% aller weltweit hergestellten
Solarzellen bestehen. Im Labor des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE wurde jetzt
eine 37 Mikrometer (µm) dünne kristalline Silicium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 20.2%
hergestellt. Im Vergleich dazu sind heutige Industriezellen noch mit 300 µm (=0,3 mm)
vergleichsweise dick und mit etwa 16% Wirkungsgrad deutlich weniger leistungsfähig.
Papierdünne kristalline Siliciumsolarzelle mit industrienaher Zellstruktur (lasergefeuerte
Rückseitenpunktkontakte), 20% Wirkungsgrad.
Bestwerte des Wirkungsgrades
Das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) meldet einen neuen Wirkungsgrad-Rekord:
Durch die neuen Wege die man fand denn Wirkungsgrad von Solarmodulen zu verbessern erreichte
man erstaunliche Werte bis zu 31 % (Monolithische Tandem-Konzentrator-Solarzellen).
Wird in dieser Richtung konsequent weiter geforscht, so sind Wirkungsgrad- werte bis zu 35 %
durchaus realistisch.
3.7 MPP (Maximum Power Point)
Die maximale gelieferte Leistung einer Solarzelle wird an einem bestimmten Punkt in der StromSpannungs-Kennlinie abhängig von der Zellstruktur, der Einstrahlung und Zellentemperatur
erreicht.
Dieser Punkt wird MPP (maximum power point) genannt. An diesem Punkt wird das Produkt von
Strom und Spannung, also die Leistung, maximal sodass es erstrebenswert ist diesen Wert zu
erreichen da man in diesem Fall den besten Wirkungsgrad erzielt.
Dieser Wert wird als Maßstab für die Qualität von Solarzellen verwendet.
Um Vergleiche anstellen zu können wird die MPP-Leistung unter Standardtestbedingungen
ermittelt. Die Einstrahlung wird mit 1.000 W/m², die Temperatur mit 25° C und AM (Air Mass =
Spektralverteilung des Messlichtes) = 1,5 angenommen. Diese Leistung erhält die Einheit Wp
(Watt- peak, Spitzenleistung).
In der Praxis wird dieser Wert jedoch selten erreicht, da mit zunehmender Einstrahlung auf die
Solarzelle auch die Zellentemperatur ansteigt somit die Modulleistung P ebenfalls sinkt.
3.8 Unterschiedliche Zelltypen
Je nach Kristallart unterscheidet man drei Zelltypen: monokristallin, polykristallin und amorph.
Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt man hochreines Halbleitermaterial.
Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschließend in dünne
Scheiben gesägt. Dieses Herstellungsverfahren garantiert relativ hohe Wirkungsgrade.
Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Dabei wird flüssiges Silizium in
Blöcke gegossen, die anschließend in Scheiben gesägt werden. Bei der Erstarrung des Materials
bilden sich unterschiedlich große Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten. Diese
Kristalldefekte haben einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge.
Wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Siliziumschicht abgeschieden, spricht man von
amorphen- oder Dünnschichtzellen. Die Schichtdicken betragen weniger als 1 µm (Dicke eines
menschlichen Haares: 50-100 µm), so dass die Produktionskosten allein wegen der geringeren
Materialkosten niedriger sind. Die Wirkungsgrade amorpher Zellen liegen allerdings noch weit
unter denen der anderen beiden Zelltypen. Anwendung finden sie vor allem im
Kleinleistungsbereich (Uhren, Taschenrechner) oder als Fassadenelemente.
Material
Wirkungsgrad in %
Labor
Wirkungsgrad in %
Produktion
Monokristallines
Silizium
etwa 24
14 bis 17
Polykristallines
Silizium
etwa 18
13 bis 15
Amorphes
Silizium
etwa 13
5 bis 7
Monokristalline Solarzelle
Wirkungsgrad: 15-18%
Dicke: 0,3mm
Struktur: homogen
Größe: 10x10cm, 12,5 x 12,5cm, ø=15cm
Form: runde, semiquadratische bis quadratische Zellen
Amorphe Solarzelle
Wirkungsgrad: 5-8%
Form: frei wählbar
Größe: max. 0,6 x 1m
Dicke: 0,001 mm Beschichtung
Struktur: homogen
Farbe: rötlich braun bis schwarz
Polykristalline Solarzellen
Form: quadratisch
Größe: 10x10cm, 12,5 x 12,5cm
Dicke: 0,3mm
Struktur: kristallin, Eisblumenstruktur
Farbe: blau, silbergrau, grün, gold, violett, braun
Der Wirkungsgrad : Ist abhängig von der Farbe. Allgemein gilt: Je heller,
desto schlechter wird der Wirkungsgrad.
Solarzellen aus Cadmium-Tellurid (CdTe)
Wirkungsgrad: 10%
Form: frei wählbar
Größe: max. 0,6 x 1,2m
Dicke: 0,003 mm Beschichtung
Struktur: homogen
Farbe: schwarz
Solarzellen aus Kupfer-Indium-Diselenid (CIS)
Wirkungsgrad: 10%
Form: frei wählbar
Größe: max. 0,6 x 1,2m
Dicke: 0,003 mm Beschichtung
Struktur: homogen
Farbe: schwarz
3.9 Kunststoffsolarzellen
Solarzellen auf Kunststoffbasis könnten die Kosten für Photovoltaik-Anlagen dramatisch senken.
Durch einfache und kostengünstige Herstellungsverfahren können große Flächen mit
lichtabsorbierenden Polymeren beschichtet werden. So könnte eine neue Generation von Solarzellen
entstehen. Die mit der Verwendung von organischen Materialien einhergehende mechanische
Flexibilität und das geringe Gewicht würden neue Möglichkeiten der Integration in Fassaden und
Dächer erlauben. Mit einem momentanen Spitzenwirkungsgrad von ca. 3 % sind die
Polymersolarzellen allerdings noch deutlich von den Werten eines Silizium-Bauelementes entfernt.
Während in den konventionellen Halbleitermaterialien durch Absorption des Lichtes sofort
bewegliche Elektronen entstehen und der Stromfluss einsetzen kann, ist die Wirkungsweise in
Kunststoff-Halbleitermaterialien deutlich komplexer. Weltweit gibt es daher zurzeit erhebliche
Anstrengungen, die zugrundeliegenden Mechanismen zu erforschen und die Effizienzen nach oben
zu treiben. Um trotzdem die Wirkungsgrade von Polymersolarzellen zu erhöhen, kann mit ähnlichen
Prinzipien gearbeitet werden, wie sie von Pflanzen in der Photosynthese eingesetzt werden. Hierzu
werden spezielle Mischsysteme aus Polymeren und Fullerenmolekülen hergestellt, in denen positive
und negative Ladungen blitzschnell voneinander getrennt werden und der Stromfluss sofort einsetzt.
Neben einem großem Potential in der Photovoltaik sehen die Forscher auch vielfältige
Einsatzmöglichkeiten in der optischen Sensorik. Entscheidend für eine Anwendung wird neben
einer Steigerung der Wirkungsgrade allerdings auch eine Erhöhung der Langzeitstabilität der
verwendeten Kunststoffe sein.
3.10 Kosten von verschiedenen Solarmodule
Bezeichnung
Kosten
Euro/Stück (in Euro)
Euro
TE-750 75W, 12V polykristallin 1237*556*35
434,00
Euro
BP585 Saturnzelle 85W
monokristallin 1188*530*44 555,00
Euro
Sunline MAP- 75 12V, 72W polykristallin 1220*560*35 510,00
Photowatt PW 1000 12/24V, 100W polykristallin Euro
1335*680*37
628,00
SolarexMST-43
72V/
43Wp
Amorph,
Glas Euro
1230*667*50
205,00
Euro
TGM 1000-24V monokristallin 29 Watt 533*447*25 Glas 255,00
Euro
BP275F Saturnzelle75W
monokristallin 1188*530*44 475,00
SolarexMST-43
12V/
43Wp
Amorph,Euro
Glas 1230*667*50
210,00
pro
Watt
Euro
5,79
Euro
6,53
Euro
7,08
Euro
6,28
Euro
4,77
Euro
8,79
Euro
6,33
Euro
4,88
3.11 Analog-Digital-Umsetzer
In der elektrischen Messtechnik werden sehr oft analoge Größen wie z.B. Spannung, Widerstand,
Temperatur, Gewicht usw. gemessen.
Die anfallenden Messdaten werden später allerdings oft in digitaler Form zur Weiterverarbeitung
benötigt. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn die Werte mit Computern veranschaulicht, gespeichert
oder übertragen werden sollen.
Um diese analogen Größen in einem Zahlenwert zu wandeln benötigt man Analog-DigitalWandler.
Werden allerdings mit digitalen Steuerungen z.B. Computer, SPS usw. Maschinen gesteuert
(Drehzahlregelung) so benötigt man Digital-Analog-Wandler, die die errechneteten Zahlenwerte in
eine analoge Spannung umsetzen.
3.12 GPIB
GPIB (General Purpose Interface Bus). Vom IEEE genormte Schnittstelle zur Datenübertragung
vom Computer zu einem Peripheriegerät. Da IBM-kompatible PCs und Macintosh-Rechner nicht
über diese Schnittstelle verfügen, gibt es entsprechende Zusatzkarten.
3.13 Labview
Ist eine Grafische Mess-Software von Virtuelle Instrumente (VI) für Windows® .
LabVIEW® ist eine Art grafische Programmierumgebung, die auf einer symbolischen Darstellung
beruht. Beispielsweise wird ein Signalschaltplan quasi als Blockdiagramm "verdrahtet" und in
einem zweiten Fenster mit entsprechenden Frontpanel - Symbolen verknüpft, um Schaltzustände
und Messwerte zu visualisieren. Zweck ist es, Mess- und Steuerhardware in Aussehen und Funktion
möglichst praxisnah zu simulieren und dabei komplexe Aufgaben in Kürze zu lösen.
Quellen:
http://www.infotech.tu-chemnitz.de
http://www.8ung.at
http://wikipedia.t-st.de
http://www.solarserver.de
http://www.solarfoerderung.de
http://www.gymnasium-borghorst.de/physikwozu/solarzelle/solar.htm