Schülerexperimente mit Solarzellen

Elektrodynamik:
Halbleiter
D. 7. 8
Schülerexperimente mit Solarzellen
Die Schüler werden in 4 bzw. 8 Kleingruppen (ca. 3 – 4 Schüler pro Gruppe)
eingeteilt. Jede Kleingruppe wird einem der Experimente zugeteilt, die an den
Stationen A bis D vorbereitet sind.
Damit werden im Unterricht alle 4 Experimente gleichzeitig bzw. bei 8 Gruppen
alle Experimente doppelt bearbeitet. Je nach Anzahl der Schüler kann das
vierte Experiment entfallen und als theoretische Aufgabe gestellt werden.
Auf den Experimentiertischen der Stationen werden für die Experimente die
folgenden Geräte sowie das entsprechende Aufgabenblatt bereitgelegt. Die
Hinweise zum Experimentieren, die auf Seite 2 abgedruckt sind, werden vorab
gemeinsam besprochen.
Station A:
100-W-Strahler, Solarzelle, Vielfachmessgerät, Kabel, Messlatte (Lineal)
Station B:
100-W-Strahler, Solarzelle, Strommessgerät, Spannungsmessgerät,
5-Ω-Widerstand, Kabel, Messlatte (Lineal)
Station C:
100-W-Strahler, Solarzelle, Strommessgerät, Spannungsmessgerät, Kabel,
Messlatte (Lineal), Potentiometer
Das Potentiometer muss einen bis 220 Ω fein regelbaren Widerstand besitzen.
Damit das Experiment gelingt, müssen sich mehrere Widerstandswerte mit
R ≤ 3 Ω am Potentiometer einstellen lassen.
Station D:
100-W-Strahler, 2 Solarzellen, Vielfachmessgerät, Kabel, Messlatte (Lineal)
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D. 7. 8
Elektrodynamik:
Halbleiter
Hinweise zu den Experimenten
• Arbeite bei den Messungen und der grafischen Auswertung präzise.
• Fertige die Diagramme mit Bleistift und Lineal bzw. mithilfe des Computers
und einem Tabellenkalkulationsprogramm an.
• Nimm eine Messreihe aus mindestens aus 8 verschiedenen Messungen bzw.
Messpunkten auf. Damit wird der Kurvenverlauf im Diagramm aussagekräftig.
• Vermeide Abstände zwischen der Solarzelle und dem Lichtstrahler, die
kleiner als 20 cm sind. Bei diesen Abständen wird die Solarzelle nicht gleichmäßig ausgestrahlt und zusätzlich verfälscht die abgestrahlte Wärme der
Lichtquelle die Messung.
Kompetenzprofil
I
I
I
I
I
I
I
I
Niveau: Mittelstufe/ Oberstufe, grundlegend
Fachlicher Bezug: Halbleiter
Kommunikation: argumentieren, präsentieren
Problemlösen: vernetztes Denken
Modellierung: –
Medien: Tabellenkalkulation
Methode: Schülerexperimente
Inhalt in Stichworten: Elektron, elektrisches Feld, Halbleiter, Ladung, Spannung,
Solarzelle, Fotovoltaik, Stromquelle, p-n-Übergang
Autor: Dr. Bardo Diehl
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Elektrodynamik:
Halbleiter
D. 7. 8
Station A:
Stromstärke und Spannung der Solarzelle in Abhängigkeit vom Abstand
Solarzelle
Messgerät
Strahler
V
Abstand r
Abb. A1
A.1 Versuchsanweisung:
• Schließe die Solarzelle unmittelbar an das Spannungsmessgerät an (siehe
Abbildung A1). Achte auf die richtige Polung.
• Stelle den Wählschalter auf 1 V und Gleichspannung.
• Stelle die Solarzelle in einem Abstand r von mindestens 20 cm vor den
Strahler, sodass beide sich möglichst parallel gegenüberstehen.
• Miss den Abstand und die Spannung U.
• Erstelle eine Messreihe zu unterschiedlichen Abständen und trage die
Messwerte in eine Tabelle ein.
• Zeichne das zugehörige r-U-Diagramm. Der Abstand wird auf der waagrechten Achse und die Spannung auf der senkrechten Achse aufgetragen.
• Gib an, was du beobachtest.
A.2 Versuchsanweisung:
• Stelle den Wählschalter auf 100 mA und Gleichstrom.
• Protokolliere die Stromstärken I zu unterschiedlichen Abständen r.
• Zeichne das r-I-Diagramm und gib deine Beobachtung an.
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Elektrodynamik:
Halbleiter
D. 7. 8
Station B:
Leistung der Solarzelle in Abhängigkeit vom Abstand
Messgerät
Messgerät
A
Solarzelle
Strahler
V
Abstand r
Abb. B1
B.1 Überlege mithilfe einer Zeichnung, wie sich der Energiestrom, der auf die
Solarzelle trifft, verändert, wenn sich der Abstand r zwischen Lampe und
Solarzelle verdoppelt. Erläutere deine Überlegung.
Stelle deine Hypothese, wie sich der Energiestrom in Abhängigkeit von r
ändert, in einer Gleichung bzw. Funktion dar.
B.2 Versuchsanweisung:
• Schließe den Widerstand von 5 Ω in Reihe mit dem Strommessgerät an
die Solarzelle an und schalte parallel dazu ein Spannungsmessgerät.
Achte auf die richtige Polung der Solarzelle.
• Stelle die Wählschalter an den Messgeräten auf 100 mA und Gleichstrom
bzw. 1 V und Gleichspannung.
• Positioniere die Solarzelle in einem Abstand r von mindestens 25 cm vor
den Strahler, sodass beide sich möglichst parallel gegenüberstehen.
• Miss die Stromstärke und Spannung in Abhängigkeit vom Abstand r zum
Strahler.
• Berechne jeweils die Leistung P.
• Erstelle eine Wertetabelle und zeichne ein r-P-Diagramm.
B.3 Interpretiere die Ergebnisse und überprüfe deine Hypothese.
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Elektrodynamik:
Halbleiter
D. 7. 8
Station C:
Kennlinie der Solarzelle und Bestimmung des Maximal Power Point (MPP)
Messgerät
Messgerät
Strahler
A
V
Solarzelle
Potentiometer
Abb. C1
C.1 Versuchsanweisung:
• Ein bis 220 Ω regelbarer Widerstand (Potentiometer) und das Strommessgerät sind mit der Solarzelle in Reihe, das Spannungsmessgerät ist
dazu parallel geschaltet (siehe Abbildung C1).
• Stelle die Wählschalter an den Messgeräten auf 300 mA und Gleichstrom
bzw. auf 1 V und Gleichspannung.
• Die Solarzelle soll optimal auf den 100-W-Strahler ausgerichtet sein. Der
Abstand bleibt unverändert. Protokolliere ihn.
• Verändere den Widerstand und lies jeweils die Spannung U sowie die
Stromstärke I ab.
• Erstelle eine Messreihe mit möglichst vielen Messwerten. Wichtig sind
viele Messwerte bei sehr kleinen Widerständen, da sich dort die Spannung erheblich ändert. Dazu ist es erforderlich, den regelbaren Widerstand in ganz kleinen Schritten zu ändern.
C.2 Erstelle das U-I-Diagramm. Dieser Graph ist die Kennlinie der Solarzelle.
Was beobachtest du an der Kennlinie für die Spannung und die Stromstärke?
Vergleiche deine Beobachtungen mit einem elektrischen Leiter und einer
elektrischen Stromquelle.
Gib an, wie die Kennlinie einer optimalen Solarzelle aussieht, und zeichne
eine ideale Kennlinie.
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D. 7. 8
Elektrodynamik:
Halbleiter
C.3 Berechne zu jeder Messung die elektrische Leistung P und zeichne das
U-P-Diagramm.
Wie verläuft der Graph, wenn die Spannung gegen null geht?
Ergänze das Diagramm und lies den höchsten Punkt im Diagramm ab.
Dieser Punkt ist der Maximal Power Point (MPP). Interpretiere deine
Beobachtung.
Hinweis: Der MMP hängt von der Qualität der Solarzelle, aber auch von der
Intensität des Lichts ab. In Solaranlagen wird zur optimalen Nutzung der
MMP häufig elektronisch angesteuert.
C.4 Bestimme zeichnerisch und rechnerisch, bei welchem Widerstand R die
Solarzelle einen maximalen Energiestrom liefert.
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Elektrodynamik:
Halbleiter
D. 7. 8
Station D:
Parallel- und Reihenschaltung von Solarmodulen
Solarzellen
Strahler
Messgerät
V
Abb. D1
D.1 Versuchsanweisung:
• Schließe eine Solarzelle direkt an ein Spannungsmessgerät an. Achte auf
die richtige Polung.
• Der Abstand zwischen Solarzellen und Strahler wird in den folgenden
Versuchen nicht geändert.
• Stelle den Schalter auf 1 V und Gleichspannung und miss die Spannung.
• Stelle den Wählschalter auf 100 mA und Gleichstrom und miss die
Stromstärke.
D.2 Erkläre, was zu erwarten ist, wenn zwei Solarzellen parallel bzw. in Reihe
geschaltet werden.
D.3 Erläutere, was passiert, wenn die Solarzellen falsch aneinander gepolt
werden.
D.4 Überprüfe experimentell deine Vermutungen.
D.5 Begründe, was du erwartest, wenn eine der beiden Solarzellen abgedeckt
wird.
Hinweis: In einem Solarmodul werden Solarzellen in Reihe und parallel geschaltet. Wird in einer Reihenschaltung eine Solarzelle abgeschattet oder
liegt ein Fabrikationsfehler vor, kann durch das Solarmodul nicht der gewünschte Strom fließen. Durch eine Bypass-Diode (Freilaufdiode) wird in
diesem Fall die Solarzelle überbrückt.
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Elektrodynamik:
Halbleiter
D. 7. 8
Lösung
A.1 Messungen der Spannung in Abhängigkeit von der Entfernung
Messwerttabelle:
r in cm
20
25
30
35
40
45
50
60
70
U in V
0,575
0,56
0,545
0,53
0,52
0,51
0,495
0,48
0,465
Tab. A1
r-U-Diagramm:
Abb. A2
Beobachtung:
Die Spannung nimmt mit dem Abstand zwischen Strahler und Solarzelle
geringfügig ab.
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Elektrodynamik:
Halbleiter
D. 7. 8
A.2 Messungen der Stromstärke in Abhängigkeit von der Entfernung
Messwerttabelle:
r in cm
22
25
30
35
40
45
50
60
70
I in mA
300
250
183
138
110
90
78
55
43
Tab. A2
r-I-Diagramm:
Abb. A3
Beobachtung:
Die Stromstärke nimmt mit zunehmendem Abstand stark ab. Die Stromstärke nimmt nahezu quadratisch mit dem Abstand ab.
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D. 7. 8
B.1 Der Energiestrom verteilt sich bei einem doppelt so großen Abstand auf die
vierfache Fläche, denn jede Seitenlänge verdoppelt sich aufgrund des Strahlensatzes. Auf die konstante Fläche der Solarzelle trifft somit nur noch 14
des Lichts auf.
a
a
b
b
Abb. B2
Vermutung:
Es ist also zu erwarten: P ∼ 12
r
B.2 Leistung einer Solarzelle in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen
Lampe und Solarzelle
Messwerttabelle:
r in m
0,25
10
U in mV
285
U in V
0,285
I in mA
83
I in A
0,083
P in W
0,0237
0,3
265
0,265
77
0,077
0,0204
0,35
235
0,235
69
0,069
0,0162
0,4
210
0,21
60
0,06
0,0126
0,45
180
0,18
53
0,053
0,0095
0,5
160
0,16
47
0,047
0,0075
0,55
140
0,14
41
0,041
0,0057
0,6
122,5
0,1225
36
0,036
0,0044
0,65
110
0,11
32
0,032
0,0035
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Elektrodynamik:
Halbleiter
r in m
D. 7. 8
U in mV
U in V
I in mA
I in A
P in W
0,7
95
0,095
28
0,028
0,0027
0,75
85
0,085
25
0,025
0,0021
0,8
72,5
0,0725
22
0,022
0,0016
0,85
65
0,065
19
0,019
0,0012
0,9
60
0,06
17
0,017
0,0010
0,95
50
0,05
15
0,015
0,00075
1
45
0,045
13,5
0,0135
0,00061
Tab. B1
r-P-Diagramm:
Abb. B3
Beobachtung:
Die elektrische Leistung P = U ⋅ I der Solarzelle nimmt mit dem Abstand ab.
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D. 7. 8
Elektrodynamik:
Halbleiter
B.3 Vermutung:
Wird r12 berechnet und darüber die gemessene Leistung P aufgetragen, lässt
sich eine Ursprungsgerade einzeichnen.
1
r2
-P-Diagramm:
Abb. B4
Beobachtung:
Die Gerade in Abbildung B4 verläuft nicht genau durch den Ursprung.
Außerdem knickt die Gerade bei großen Werten auf der horizontalen Achse,
also der r12 -Achse, ab, d. h. bei kleinen r-Werten, also bei kleinen Abständen.
Mögliche Ursachen für diese Beobachtungen sind:
• Hintergrundbeleuchtung
• Ist der Abstand zu gering (hier 25 cm und 30 cm), liefert die Solarzelle
nicht die erwartete Leistung. Durch die große Strahlungswärme sinkt die
Spannung und damit die Leistung der Solarzelle.
Die Abbildung B4 bestätigt die Proportionalität P ∼ 12 für größere Abr
stände.
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Elektrodynamik:
Halbleiter
D. 7. 8
C.1 Messreihe (Auszug):
In der vierten Spalte der Tabelle C1 sind die Lösungen zu Aufgabe C3
notiert und vorerst nicht zu beachten.
U in mV
I in mA
R in Ω
P in W
135
130
1,04
0,0176
142
129
1,10
0,0183
271
98
2,77
0,0266
307
81
3,79
0,0249
337
66
5,11
0,0222
364
49
7,43
0,0178
388
29
13,4
0,0113
399
17
23,5
0,0068
400
16
25,0
0,0064
401
14
28,6
0,0056
402
12
33,5
0,0048
403
10
40,3
0,0040
406
10
40,6
0,0041
410
0
220
0
Tab. C1
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Elektrodynamik:
Halbleiter
D. 7. 8
C.2 U-I-Diagramm:
Abb. C2
Beobachtung:
Die Spannung und die Stromstärke sind jeweils begrenzt.
Bei einem elektrischen Widerstand gilt: Je größer die angelegte Spannung,
desto größer ist auch der Strom durch den „Verbraucher“.
Bei der Solarzelle ist ein entgegengesetztes Verhalten zu beobachten: Die
größte Spannung wird gemessen, wenn kein Strom fließt (Leerlaufspannung). Wenn der maximale Strom fließt (Kurzschlussstrom), geht die Spannung gegen null, das ist genau wie bei einer gewöhnlichen Stromquelle. Die
Solarzelle ist eine Stromquelle.
Eine optimale Solarzelle hält bei zunehmender Spannung die
Stromstärke möglichst konstant. Ihre
Kennlinie tendiert zu
einer rechteckigen
Form.
Abb. C3
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Elektrodynamik:
Halbleiter
D. 7. 8
C.3 Die berechneten Werte sind in der vierten Spalte der Tabelle C1 dargestellt.
U-P-Diagramm:
Abb. C4
Wenn Strom oder Spannung null sind, ist die elektrische Leistung der Solarzelle null. Bei einer Spannung von ca. 270 mV erreicht diese Solarzelle ihre
größte Leistung, den Maximal Power Point.
C.4 Die für die Lösung relevanten Werte sind in der dritten und vierten Spalte
der Tabelle C1 dargestellt.
Rechnerische Lösung:
Bei 270 mV erreicht die Leistung ihren maximalen Wert (siehe Abbildung C4). Dort fließt ein Strom von 98 mA, wie man aus Abbildung C2 und
Tabelle C1 ablesen kann.
Somit ist der Widerstand:
R=
U
I
=
0,27 V
0,098 A
= 2,8 Ω
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15
D. 7. 8
Elektrodynamik:
Halbleiter
Zeichnerische Lösung:
Im R-P-Diagramm (siehe Abbildung C5) kann man direkt ablesen, dass die
Leistung P bei einem Widerstand R = 2,7 Ω maximal ist.
Abb. C5
16
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Elektrodynamik:
Halbleiter
D. 7. 8
D.1 Messwerttabelle:
Spannung U mV
Stromstärke I mA
442
43
440
49
Tab. D1
D.2 Bei der Reihenschaltung von Stromquellen addieren sich die Spannungen,
während die Stromstärke konstant bleibt.
In der Parallelschaltung addieren sich die Stromstärken und die Spannung
bleibt konstant.
D.3 Werden die Solarzellen in der Reihenschaltung falsch aneinander geschlossen, fließt kein Strom. Die Solarzellen „pumpen“ gegeneinander. Der
p-n-Übergang kann nur in eine Richtung leiten, in die umgekehrte Richtung
sperrt er.
Werden die Solarzellen in einer Parallelschaltung falsch aneinander geschlossen, fließt ein Kurzschlussstrom zwischen den Solarzellen. Aber es
fließt kein Strom zum Verbraucher.
D.4 Messwerte bei einer Reihenschaltung mit 2 Solarzellen:
Spannung U mV
Stromstärke I mA
821
49,2
833
52
Tab. D2
Bei der Reihenschaltung addieren sich die Spannungen in etwa und die
Stromstärke bleibt konstant:
Summe der Spannungen von 2 Solarzellen (vergleiche Tabelle D1):
440 mV + 442 mV ≈ 882 mV
Mittelwert der Spannung der Reihenschaltung (siehe Tabelle D2):
1 (821 mV + 833 mV) ≈ 827 mV
2
Die Stromstärken bei der Reihenschaltung der 2 Solarzellen und bei der
Schaltung mit einer Solarzelle sind ungefähr gleich:
43 mA; 49 mA; 49,2 mA; 52 mA
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Elektrodynamik:
Halbleiter
D. 7. 8
Messwerte bei einer Parallelschaltung mit 2 Solarzellen:
Spannung U mV
Stromstärke I mA
415
79,8
423
87,5
Tab. D3
Bei der Parallelschaltung addieren sich die Stromstärke in etwa und die
Spannung bleibt konstant:
Summe der Stromstärken von 2 Solarzellen (vergleiche Tabelle D1):
43 mA + 49 mA ≈ 92 mA
Mittelwert der Stromstärke der Parallelschaltung:
1 (79,8 mA + 87,5 mA) ≈ 83,7 mA
2
Die Spannungen bei der Parallelschaltung der 2 Solarzellen und bei der
Schaltung mit einer Solarzelle sind ungefähr gleich:
442 mV; 440 mV; 415 mV; 423 mV
Systematisch bleiben die gemessenen Werte bei 2 Solarzellen jeweils unter
den theoretisch zu erwartenden Werten. Ein Grund ist sicherlich, dass die
gleichmäßige Bestrahlung zweier nebeneinander stehender Zellen nicht
optimal gelingt.
D.5 Wird eine Solarzelle abgedeckt, kann durch diese Solarzelle kein Strom
fließen. In Halbleitern erfolgt die elektrische Leitung mit Elektronen und
Löchern. Diese Elektronen-Löcher-Paare entstehen nur durch Photoneneinfall. Ohne Licht sind Solarzellen Isolatoren.
In der Reihenschaltung fließt somit kein Strom, in der Parallelschaltung nur
der Strom der nicht abgedeckten Schaltung.
Bei nicht vollständiger Abdeckung ist jeweils eine Abschwächung zu beobachten.
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