Solarzellen - physik.fh

Bestimmung des Wirkungsgrads einer Solarzelle 1. Der Versuch im Überblick Im Rahmen des Praktikumsversuchs soll der Wirkungsgrad einer Solarzelle bestimmt werden. Hierzu sind folgende Messungen durchzuführen: 1. Messung der Leistung einer Glühbirne mit Hilfe einer Thermosäule 2. Messung der Leerlaufspannung einer Solarzelle 3. Messung der Strom‐ Spannungskennlinie einer Solarzelle 2 Grundlagen 2.1 Solarzelle Eine Solarzelle ist ein elektrisches Bauelement, das z.B. Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt (Abbildung 1). Die physikalische Grundlage der Umwandlung ist der photovoltaische Effekt. Hierbei wird durch Absorption eines Photons ein sogenanntes Elektron‐Loch‐Paar erzeugt. Das Elektron wird aus der Bindung gelöst und ist dann frei beweglich. Es hinterlässt eine Lücke, die man als Loch bezeichnet. Da sich dieses Loch wie eine positive Ladung verhält, können sowohl das Elektron als auch das Loch zur elektrischen Leitung beitragen. Abbildung 1: Prinzip einer Solarzelle Solarzellen werden aus Halbleitermaterialien gebaut. Die Besonderheit von Halbleitern ist, dass durch zugeführte Energie frei bewegliche Ladungsträger erzeugt werden. Um aus diesen freien Ladungen einen elektrischen Strom zu erzeugen, ist ein internes elektrisches Feld nötig. Dieses 1 interne elektrische Feld wird erzeugt, indem man zwei Halbleiterschichten unterschiedlicher Dotierung zusammenfügt. Als Dotierung bezeichnet man das Einbringen von Fremdatomen in eine Schicht eines Halbleitermaterials. Die bei diesem Vorgang eingebrachte Menge ist dabei sehr klein im Vergleich zum Trägermaterial (zwischen 0,1 und 100 parts per million). Das für Solarzellen häufig verwendete Silizium (vier Außenelektronen) wird zum Beispiel mit Bor und Phosphor dotiert. Bor ist in der 3. Hauptgruppe, hat also 3 freie Elektronen, Phosphor dagegen steht in der 5. Hauptgruppe, hat also 5 freie Elektronen. Ein Phosphoratom im Siliziumverbund hat somit ein zusätzliches, freies Elektron, während ein Boratom im gleichen Verbund ein Elektron zu wenig hat – man spricht in dem Zusammenhang auch von einem vorhandenen Loch (Abbildung 2). Dotierung mit einem Element der 5. Hauptgruppe, welches ein freies Elektron erzeugt, bezeichnet man als n‐Dotierung, Dotierung mit Elementen der 3. Hauptgruppe, die ein Loch erzeugen, als p‐
Dotierung. Abbildung 2: n‐ und p‐Dotierung eines Siliciumverbunds mit Phosphor und Bor Kontaktiert man die n‐ und p‐dotierten Halbleiterschichten, so fließen die überzähligen freien Elektronen an der Kontaktfläche der n‐Dotierung zu den nahegelegenen Löchern der p‐Dotierung und rekombinieren. Dabei entsteht eine Übergangszone, die, aufgrund der Ladungsträgerbewegung, zur einen Hälfte positiv und zur anderen Hälfte negativ geladen ist. Diese Zone wird als Raumladungszone bezeichnet und erzeugt das interne elektrische Feld (Abbildung 3). Abbildung 3: Raumladungszone eines pn‐Übergangs. 2 Wenn in dieser Übergangszone nun Photonen einfallen und Elektronen aus dem Verbund gelöst werden, entstehen Elektronen‐Loch‐Paare. Durch das elektrische Feld werden die Löcher zum untenliegenden p‐Material beschleunigt und umgekehrt die Elektronen zum n‐Kontakt auf der (lichtzugewandten) Oberseite. Ein Teil der Ladungsträger rekombiniert auf dieser Strecke und geht als Wärme der elektrischen Leitung verloren. Der übrige Strom kann direkt von einem Verbraucher benutzt, in einem Akkumulator zwischengespeichert oder in das Stromnetz eingespeist werden. 1.2
Thermosäule Zur Messung der Intensität der im Praktikum eingesetzten Lichtquelle wird eine Thermosäule (Abb.4) genutzt. Abbildung 4: Thermosäule sowie schematische Darstellung der Funktionsweise. Die Thermosäule nach Moll dient als Strahlungssensor und misst die abgegebene elektromagnetische Strahlung für den Spektralbereich von 0,3 µm bis 3 µm. Der Grundbestandteil jeder Thermosäule ist das Thermoelement. Jede Thermosäule besteht aus mehreren Thermoelementen, die thermisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Ein Thermopaar ist geschwärzt und wird bestrahlt, während das andere vor der Strahlung geschützt wird. Dadurch tritt eine messbare Spannung auf, die sogenannte Thermospannung. Diese Spannung ist abhängig vom Abstand zur Lichtquelle und kann mit Hilfe einer entsprechenden Empfindlichkeit in eine Leistung oder Intensität umgewandelt werden. 1.3
Bestimmung des Wirkungsgrades Der Wirkungsgrad ist ein Maß für die Effizienz von Energiewandlungen und Energieübertragungen. Er ist eine dimensionslose Größe und beschreibt das Verhältnis der Nutzleistung zur zugeführten Leistung (Abbildung 5). Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muss die Nutzleistung also möglichst nah an der zugeführten Leistung liegen. Üblicherweise wird der Wirkungsgrad mit dem griechischen Buchstaben bezeichnet. 3 Abbildung 5: Wirkungsgrad einer Glühlampe. In diesem Praktikum wird zunächst die zugeführte Leistung mit Hilfe der Thermosäule bestimmt. Anschließend wird die Nutzleistung der Solarzelle über einen veränderlichen Lastwiderstand bestimmt. Zur Maximierung des Wirkungsgrades und somit zur Maximierung der Nutzleistung des Lastwiderstands erfolgt eine Leistungsanpassung. Unter Leistungsanpassung versteht man die Anpassung der Geräteeigenschaften von Quelle und Verbraucher mit dem Ziel, im Verbraucher die maximal mögliche Leistung umzusetzen. Bei Gleichstrom oder bei rein ohmschen Widerständen gilt: (Widerstandsanpassung). Ein Schaltkreis wird als leistungsangepasst bezeichnet, wenn der Außenwiderstand und der Innenwiderstand gleich groß sind (Abbildung 6). Abbildung 6: Schaltplan zur Leistungsanpassung. Im Rahmen dieses Praktikumsversuchs werden die zugeführe Leistung und die Nutzleistung von zwei verschiedenen Geräten gemessen. Die Leistung der Thermosäule kann also nicht direkt mit der Leistung der Solarzelle verglichen werden. Um die Leistungen vergleichen zu können müssen die unterschiedlich großen Flächen der Thermosäule und der Solarzelle berücksichtigt werden. Hierzu wird die Intensität bestimmt. Als Intensität bezeichnet man Energie pro Zeit und Fläche, also die Leistung pro Fläche. Der Zusammenhang zwischen Leistung und Intensität ist dabei wie folgt gegeben: , wobei A die bestrahlte Fläche bezeichnet. Zur Bestimmung des Wirkungsgrades der Solarzelle gilt somit folgender Zusammenhang: ä
ä
4 ä
2 Versuchsanordnung In diesem Praktikum sollen Sie den Wirkungsgrad einer Solarzelle bestimmen. Dafür stehen Ihnen die folgenden Komponenten zur Verfügung (Abbildung 7): 1.
2.
3.
4.
5.
6.
Leuchte mit 120W Glühbirne, Thermosäule zur Bestimmung der Eingangsleistung, Solarzelle zur Bestimmung der abgegebenen Leistung, Multimeter, Messverstärker, Schiebewiderstand. Abbildung 7: Von links nach rechts: Leuchte, Thermosäule, Solarzelle. Auf einer Profilschiene ist eine Leuchte installiert. Zusätzlich können sowohl die Thermosäule als auch die Solarzelle auf der Profilschiene verschiebbar angeordnet werden. 2.1 Aufbau mit Thermosäule Da die Spannungswerte sehr klein sind, muss ein Messverstärker zwischengeschaltet werden. Die Thermosäule ist am Eingang und das Multimeter am Ausgang des Messverstärkers (Abb.8) angeschlossen. Abbildung 8: Aufbau mit Thermosäule. 5 2.2 Aufbau mit Solarzelle Die Thermosäule wird durch die Solarzelle ersetzt und das Multimeter direkt an die Solarzelle angeschlossen. Da die Spannungswerte ausreichend groß sind, wird der Messverstärker nicht benötigt. 2.3 Aufbau mit Solarzelle und Lastwiderstand Als Lastwiderstand dient ein Potentiometer. Es bestimmt die von der Solarzelle abgegebene Leistung. Der Widerstandswert des Potentiometers wird von bis verändert und die entsprechenden Strom‐ und Spannungswertepaare mit Hilfe zweier Multimeter gemessen. Das Amperemeter ist hierzu in Reihe und das Voltmeter parallel zum Lastwiderstand ( siehe Abbildung 9 und 10) angeschlossen. Abbildung 9: Aufbau Solarzelle mit Lastwiderstand. Abbildung 10: Schaltplan Solarzelle mit Lastwiderstand. 6 3 Versuchsdurchführung 3.1 Messung mit der Thermosäule Schließen Sie Multimeter und Messverstärker an die Thermosäule an, und wählen Sie folgende Werte zur Einstellung des Messverstärkers: 10 Ω, Verstärkung
100 Zur Beseitigung des Offsets ist ein Eichknopf vorhanden. Decken Sie die Öffnung der Thermosäule mit einem Blatt Papier ab und drehen Sie solange am Knopf bis das angeschlossene Multimeter 0V anzeigt. Messen Sie anschließend die Thermospannung in Abhängigkeit des Abstandes und bestimmen Sie daraus die Intensität und die Leistung der Thermosäule. Wählen Sie Abstände zwischen 50 cm und 100 cm und nehmen alle 5 cm einen Messpunkt auf. Benutzen Sie zur Berechnung von Leistung und Intensität die Sensitivität , die im Datenblatt der jeweiligen Thermosäule gegeben ist („for a homogeneous irradiance on the front window“), nach der Formel . Die Thermosäule hat eine Detektorfläche von 4,908 10
. Erstellen Sie eine Tabelle mit den folgenden Parametern: Abstand / Gemessene cm Spannung U / V Tatsächliche Spannung U / V Intensität I / W/m² Stellen Sie in einem Diagramm die Spannung (in V) als Funktion des Abstands (in cm) dar. In einem zweiten Diagramm stellen Sie die Intensität als Funktion des Abstands in doppellogarithmischer Form dar. Da die Punkte auf einer Geraden liegen, muss für die dargestellte Funktion ln(f(x)) = a ln(x) + b gelten. Umgeformt ergibt sich: Bestimmen Sie a und b Ihrer Geraden, und diskutieren Sie das Ergebnis. 3.2 Messung der Leerlaufspannung der Solarzelle Verbinden Sie die Solarzelle mit dem Multimeter, so dass Sie die Leerlaufspannung messen können. Nehmen Sie die Messwerte mit den gleichen Messpunkten wie bei Aufgabe 3.1 auf, und tragen Sie diese in eine Tabelle ein. Bestimmen Sie anschließend die anderen Werte. Die Zellnutzfläche der Solarzelle beträgt 50
. Abstand / cm Spannung U / V 7 Stellen Sie in Diagrammen die Spannung als Funktion des Abstands dar. 3.3 Messung der Strom‐Spannungs‐Kennlinien einer Solarzelle Verkabeln Sie die beiden Multimeter, den Schiebewiderstand und die Solarzelle laut Abbildung 9. Führen Sie nun Messungen durch, indem sie bei festem Abstand (d = 50 cm) den Schiebewiderstand von bis durchlaufen lassen. Messen Sie Strom und Spannung für ungefähr 10 Messpunkte und bestimmen Sie daraus die anderen Werte. Spannung U / V Strom I / mA Intensität I / W/m² Hinweis! Achten Sie beim Aufnehmen der Messwerte auf den Kipppunkt in Strom und Spannung. Nehmen Sie die Messwerte also nicht linear auf, sondern vermehrt dort, wo die Spannungsänderung abnimmt und die Stromänderung zunimmt. 3.3.1 Leistung und MPP Stellen Sie Ihre Messergebnisse in Diagrammen grafisch dar, indem Sie die Spannung als Funktion des Stroms und die Leistung über die Spannung auftragen. Tragen Sie den MPP (Maximum Power Point) in die Diagramme ein, und bestimmen Sie den Widerstand der Solarzelle für diesen Punkt. . 3.4 Bestimmung des Wirkungsgrades für d = 50 cm Berechnen Sie nun den Wirkungsgrad η. Verwenden Sie dabei folgenden Zusammenhang: Berücksichtigen Sie die unterschiedlichen Bestrahlungsflächen! 4 Fehlerrechnung Bestimmen Sie mit Hilfe des Gauß’schen Fehlerfortpflanzungsgesetzes den Fehler des Wirkungsgrades. Beachten Sie hierzu die Hinweise des Assistenten/der Assistentin. 5 Zusammenfassung und Diskussion der Messergebnisse Ihr Protokoll endet mit der Zusammenfassung der Messergebnisse, z.B. Leerlaufspannung als Funktion des Abstands, ….. , Wirkungsgrad der Solarzelle. Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse. 8 .