Koblmiller, Kornhuber
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Protokoll zur Station 10 Solarzelle Schulversuchspraktikum Physik Wintersemester 2001/2002 bei Mag. Monika Turnwald ’’Versuche mit Solarzellen’’ Arbeitsgruppenprotokoll • Michael Kornhuber Matrikelnummer: 9755463 • Michael Koblmiller Matrikelnummer: 9655047 Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 1 Protokoll zur Station 10 Solarzelle Inhaltsverzeichnis: 1. • • • 2. • • • • 3. • • • • • • • • 4. • • • • • • • • • 5. • • 6. Einleitung Der Begriff Photovoltaik ..............................................................3 Die Energieproblematik...............................................................3 Solare Energie...........................................................................4 Grundlagen Bändermodell ............................................................................4 Photoeffekt ...............................................................................5 Halbleiter..................................................................................5 Dioden .....................................................................................6 Fotoelemente Funktionsweise ..........................................................................6 Leerlauf und Kurzschluss.............................................................7 Verluste....................................................................................7 Optimierung..............................................................................8 Wirtschaftlichkeit .....................................................................10 Vorteile ..................................................................................11 Anwendungen ........................................................................12 Bemerkungen..........................................................................13 Versuche mit Solarzellen Die Solarzelle als Energielieferant...............................................14 Aufbau einer Solarzelle .............................................................17 Die Leerlaufspannung einer Silicium-Solarzelle .............................20 Der Kurzschlußstrom einer Silicium-Solarzelle ..............................22 Leerlaufspannung und Kurzschlußstrom bei unterschiedlicher Bestrahlungstärke ......................................24 Reihenschaltung von Solarzellen ................................................27 Parallelschaltung von Solarzellen................................................30 Wirkung eines Schattens auf eine beleuchtet Solarbatterie .....................................................33 Der Kurzschlußstrom einer Solarzelle bei unterschiedlichem Einfallswinkel des Lichts..................................35 Eignung für den Unterricht Unterstufe ..............................................................................39 Oberstufe ...............................................................................40 Literaturangabe .....................................................................40 Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 2 Protokoll zur Station 10 Solarzelle Einleitung Der Begriff Photovoltaik Bei der Photovoltaik handelt es sich um Umwandlung von Lichtenergie zu elektrischer Energie. Dies wird oft mit dem Prinzip der Sonnenkollektoren verwechselt, bei denen die bei der Lichtabsorption entstehende Wärme genützt wird. Es entsteht zwar auch in Photoelementen Wärme, sie ist hier aber ein Störfaktor, der die Effizienz herabsetzt. Das Grundprinzip der Gewinnung von elektrischer Energie beruht auf dem Aufbau von Spannung; im konkreten Fall auf der Trennung von durch Licht freigesetzten Ladungsträgern in einer speziellen Diode. Aus dieser Funktionsweise heraus wird der Begriff Photovoltaik - durch Photonen erzeugte Spannung - verständlich. Die Energieproblematik Es wurde in den letzten ein bis zwei Jahrzehnten zwar viel über Energiepolitik und die Problematik der fossilen Energien diskutiert, getan wurde von Seiten der Politik wenig bis nichts. Es scheint, als ob das Zeitalter der fossilen Energien noch bis weit in dieses Jahrhundert andauern könnte, vor allem weil die fossilen Ressourcen noch länger nicht zur Gänze aufgebraucht sind. Erst wenn die Förderungskosten explodieren und die niedrigen Kosten der fossilen Energieträger nicht mehr haltbar sind, wird der Konkurrenzkampf mit den Alternativtechnologien härter und diese werden sich in immer größerem Maße gegen die bisher etablierten Technologien durchsetzen. Der Wechsel zu neuen, regenerativen und umweltverträglichen Energiequellen wird in diesem Jahrhundert daher fließend vor sich gehen. Zu diesen neuen Technologien zählt unter anderem auch die Fotovoltaik, die es derzeit im Konkurrenzkampf aufgrund der Preislage noch besonders schwer hat. Wie die meisten der regenerativen, umweltschonenden Energiequellen bietet die Fotovoltaik den oftmals unterschätzten grundsätzlichen Vorteil, dezentral zu sein und somit auch für infrastrukturell wenig erschlossene Gebiete in Frage zu kommen, wie dies in beinahe der gesamten Dritten Welt der Fall ist. Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 3 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Solare Energie Abgesehen von Gezeitenkraftwerken (Mond) und geothermischen Kraftwerken (Erde) stammt alle erneuerbare Energie direkt oder indirekt von der Sonne. Beispiele dafür sind Wasserkraftwerke, Windkraftwerke, Wärmepumpen, Aufwindkraftwerke sowie Biomasseverbrennung (sofern bei dieser auf Nachhaltigkeit gesetzt wird). Die Sonne kann auf die Erdoberfläche pro m2 bis zu 1370 W abstrahlen (Solarkonstante). Auf Österreich strahlt sie im Jahr ca. 80000 TWh Energie (Gesamtenergieverbrauch 1994: 316,87 TWh). Das entspricht einer jährlichen mittleren Leistung von 108 W/m2. Bei einem Wirkungsgrad von 15% (zur Zeit nur von Labormodellen erreicht) würden etwa 0,54% der Fläche Österreichs (entspricht einem Quadrat mit 21 x 21 km) ausreichen, um die gesamte benötigte Elektrizität vollständig über Solarenergie zu gewinnen. Dies wäre sicherlich übertrieben und unrealistisch, es könnten jedoch im Verbund mit anderen erneuerbaren Energiequellen zumindest die etwa 30% des Stroms die derzeit nicht aus der Wasserkraft stammen sinnvoll ersetzt werden, und dies sollte langfristig das Ziel einer umweltfreundlichen und nachhaltigen Energiepolitik in Österreich sein. Grundlagen Bändermodell Im Bändermodell sind die möglichen Energieniveaus der Elektronen für ein einzelnes Element dargestellt. Diese Energieniveaus werden nun mit dem Kernabstand und der Anzahl der Atome in einem Kristallgitter in Zusammenhang gebracht. Man kann dabei beobachten, daß sich die schmalen Energieniveaus der Elektronen durch das Pauli-Prinzip im Kristallgitter zu sich teilweise überlappenden Energiebändern verbreitern. Das energiereichste Band ist das Leitungsband, in dem die Elektronen (als ‘Elektronengas’) die Leitfähigkeit des Stoffes hervorrufen. Das darunterliegende Band ist das Valenzband, aus dem die Elektronen ins Leitungsband gehoben werden müssen. Je nach der Größe des Bandabstandes (‘Energielücke’, ‘verbotene Zone’) handelt es sich bei dem betrachteten Material um einen elektrischen Leiter (keine Lücke), einen Halbleiter oder einen Isolator (Bandabstand einige eV). Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 4 Protokoll zur Station 10 Solarzelle Photoeffekt Unter Photoeffekt versteht man, daß unter Einwirkung von Licht Elektronen aus der Atomhülle befreit werden. Entdeckt wurde der lichtelektrische Effekt durch die Beobachtung, daß elektromagnetische Strahlung in der Lage sein kann, negativ aufgeladene Stoffe zu entladen. Der für die Befreiung der Elektronen notwendige Energiebetrag läßt sich im Bändermodell ablesen. Nach heutigem Verständnis wissen wir, daß mindestens dieser Energiebetrag notwendig ist, um die Elektronen vom Valenzband über die ‘verbotene Zone’ hinweg in das Leitungsband anzuheben. Obwohl auch Wärme diese Energie zuführen kann, ist es zumeist hochfrequentes, kurzwelliges Licht. Bei Gasen zeigt sich der Photoeffekt als Ionisierung, bei Feststoffen unterteilt man ihn in den äußeren und den inneren. Bei ersterem werden Elektronen aus dem Material herausgeschlagen, bei letzterem verbleiben sie als ‘Elektronengas’ im Festkörper. Halbleiter Halbleiter sind im allgemeinen kristalline Stoffe, die eine mit der Temperatur veränderliche elektrische Leitfähigkeit besitzen. Diese veränderliche Eigenleitung kommt durch eine Energielücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband von etwa 0,5 bis 3 eV zustande. Die Lücke kann bei höheren Temperaturen von zunehmend mehr Elektronen übersprungen werden. Von praktischer Bedeutung sind die Elemente Germanium, Silizium und Verbindungen wie FeS2, Cu2S, InP, GaAs, CdTe, GeS, CdSe, Cu2O, GaP, CdS, ZnSe,... Um die Leitfähigkeit zu erhöhen, kann man dem hochreinen Halbleitermaterial nun Fremdatome in geringster Dosierung beimengen. Verwendet werden bei der Dotierung Elemente mit einem Valenzelektron mehr (n-Dotierung) oder weniger (p-Dotierung) als der Basisstoff. Die Fremdatome fügen sich ins Kristallgitter ein, sind aber aufgrund dessen Struktur gern bereit, ein Elektron abzugeben oder aufzunehmen. Die Leitung erfolgt also durch das Wandern des schwachgebundenen Elektrons des n-Leiters bzw. des Defektelektrons (‘Loch’) beim p-Leiter. Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 5 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Dioden Wenn man einen n-Leiter und einen p-Leiter zusammenwachsen läßt, erhält man eine Diode. An der Grenzschicht, dem p-n-Übergang, befinden sich die valenzelektronreichen und -armen Fremdatome in großer Nähe und beginnen durch das Kristallgitter ‘unter Druck gesetzt’ Elektronen diffundieren zu lassen. Bei deren Wanderung vom grenzschichtnahen Teil des n-Leiters zu dem des p-Leiters entsteht eine Zone mit elektrisch geladenen Fremdatomen. Die Dicke dieser Ladungszone beträgt 1µm, das entspricht etwa 50 Atomlagen. Durch die elektrostatische Kraft kommt die Wanderung schließlich zum erliegen; das an der Grenzschicht aufgebaute elektrische Feld ist aufgrund des Kristallgitters jedoch stabil. Diese stabile Raumladungszone erst eröffnet der modernen Elektronik die Fülle an Möglichkeiten. Photoelemente Funktionsweise Eine Photozelle besteht aus einer großflächigen Diode, die für ihre Zwecke speziell optimiert wird. Das Licht fällt durch die n-Schicht der Solarzelle ein und erzeugt durch den inneren Photoeffekt in der Nähe des p-n-Überganges ein Elektron-Loch-Paar. Durch die in der Raumladungszone herrschende Spannung wird eine Rekombination (das Zurückfallen des Elektrons in das Valenzband) verhindert und die beiden Ladungen werden getrennt. In ihr jeweiliges Majoritätsgebiet transportiert (Elektron: n-Leiter, Defektelektron: p-Leiter) bauen die getrennten Ladungsträger nun die Ladungswälle ab und die elektrische Kraft kann die an der Grenzschicht herrschende Diffusionsspannung nicht mehr ausgleichen. Es baut sich nach außen Spannung auf. Die Energie der Photonen, die nun in diesem System steckt, kann im angeschlossenen Stromkreis abgenommen werden. (Bei nicht zu hohem Widerstand läßt die Diffusionsspannung des p-n-Überganges die Elektronen über den außen angeschlossenen Stromkreis auf die pSeite fließen.) Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 6 Protokoll zur Station 10 Solarzelle Leerlauf und Kurzschluß Bei Leerlauf (und Lichteinfall) ist die Spannung am größten, da die getrennten Ladungen nicht außen abfließen können (Rohm ≈ ∞). Durch die Raumladungszone läßt sich die Grenzschicht (der Ladungswall) nur anfangs leicht abbauen; ab einer bestimmten Lichtintensität ändert sich die Spannung praktisch nicht mehr (li.o.). Bei Kurzschluß der Zelle (Rohm ≈ 0) können getrennte Ladungsträger sofort über den Stromkreis abfließen und es baut sich nach außen keine Spannung auf. Der Kurzschlußstrom ist weiters mit der Lichtintensität proportional. Aus diesen zwei Extrembedingungen kann man bereits vermuten, daß es einen optimalen Betriebswiderstand für jede Zelle und jede Lichtintensität gibt. Verluste energiearme Photonen: Für den Photoeffekt müssen die Photonen eine unbedingt notwendige Mindestenergie besitzen, die sie dann auf ein Elektron übertragen können. Diese Aktivierungsenergie hängt vom Material ab. Ist die Energie eines Photons zu gering, kann sie nicht für den Spannungsaufbau genützt werden. Ca. 23% der Strahlungsenergie gehen so verloren. energiereiche Photonen: Die überschüssige Energie eines Photons kann kein zusätzliches Elektron auslösen und wird über die kinetische Energie des befreiten Elektrons schließlich in Wärme umgewandelt. Der Energieverlust beträgt fast 33%. Spannungsaufbau: Hier entstehen Verluste vor allem durch Korngrenzen, weil diese oft mit unerwünschten Fremdatomen wie Cu, Ni,... verunreinigt und dadurch elektrisch aktiv sind. Auch Gitterversetzungen und kleinste Mengen von Minoritätsträgern (Fremdatome auf der falschen Diodenseite) tragen zu den Verlusten bei. Die unerwünschten Rekombinationen bewirken eine sehr kurze ‘Lebensdauer’ der freien Ladungsträger (einige µ-Sekunden) und somit eine kleinere ∅-Diffusionslänge (ca. 200 µm). Dies bedeutet einen Verlust von etwa 17% (Spannungsfaktor). Leistungsentnahme, Reflexionen: Weitere Verluste entstehen bei der Leistungsentnahme (Füllfaktor) und durch uner- Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 7 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle wünschte Reflexionen. Neben den Reflexionen spielt auch die Absorptionsfähigkeit des Materials eine Rolle. Es gehen wieder bis zu 11% der Strahlungsenergie verloren. Optimierung Halbleiterbandabstand: Die Größe der Energielücke muß ans Sonnenspektrum angepaßt werden, damit die Strahlungsenergie der Sonne optimal umgesetzt wird. Es ist nicht unbedingt so, daß ein kleinerer Bandabstand den Wirkungsgrad erhöht; bei einer zu kleinen ‘verbotenen Zone’ können zwar mehr Photonen genützt werden, es fällt dann aber bei jedem befreiten Elektron ein kleinerer Energieertrag ab. Aus diesem Grund sollte die Aktivierungsenergie der Elektronen in einer ans Sonnenlicht optimal angepaßten Solarzelle etwa 1,5 eV betragen. Korngrenzen und Fremdatome: Die einzelnen Halbleitermaterialien neigen beim Kristallisationsprozeß verschieden stark zur Bildung von Korngrenzen. Durch Fremdatome im Gitter und eindiffundierte Elemente wie Kupfer und Nickel an den somit elektrisch aktiven Korngrenzen wird der Wirkungsgrad der Solarzelle erheblich herabgesetzt. Die Korngrenzen lassen sich jedoch mit Wasserstoff passivieren und auch die im Kristall verteilten Fremdatome können großteils wieder entfernt werden. Im ‘Getterprozeß’ kurz vor der Fertigstellung der Zelle diffundieren die störenden Atome aus dem Halbleiter in flüssiges Metall. Schichtdicke: Damit alle erzeugten Elektron-Loch-Paare getrennt werden, muß die Absorption möglichst nahe bei der Raumladungszone stattfinden; diese soll also nahe der Oberfläche liegen. Man versucht heute, auch nicht zuletzt aus Gründen der Materialersparnis, neue Photoelemente aus möglichst dünnen Schichten aufzubauen. Bereits bei Schichtdicken von 4 µm werden bei Silizium 50% der maximal möglichen Absorption erreicht. Dünne Schichten erlauben außerdem bei der Herstellung Abscheidungsverfahren wie die Flüssigund Gasphasenepitaxie, die den Vorteil haben, daß sie sehr reine Kristallgitter (fast ohne Korngrenzen und Fremdstoffe) entstehen lassen. Einer japanischen Firma gelingt es bereits, durch ein raffiniertes Verfahren polykristalline Si-Dünnfilmzellen in großer Menge von einem Siliziumwafer abzuziehen. Einige der Halbleitermaterialien scheiden leider aufgrund ihres Absorptionskoeffizienten für den Bau von Dünnschichtzellen aus. Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 8 Protokoll zur Station 10 Solarzelle Substrat: Das Substrat in dem sich die n- und die p-Schicht befinden, muß die Zelle vor Verunreinigungen schützen und darf keine nachteiligen optischen Eigenschaften besitzen. Es sollte billig, leicht zu bearbeiten und unempfindlich sein. Derzeit wird daran gearbeitet, Silizium direkt auf billiges Glas abzuscheiden, um so großflächige Module in einem Stück fertigen zu können. Elektroden: Auf der Seite des p-Leiters (lichtabgewandt) wird als Elektrode eine Metallschicht auflegiert. Auf der lichtzugewandten Seite der Zelle sind schmale Kontaktstege für die Stromableitung verantwortlich. Optimal sind möglichst widerstandsarme (und eventuell sogar lichtdurchlässige) Elektroden. Lichtfallen und Faltstrukturen: Computergestützt werden sogenannte ‘sunrays’ entworfen. Das sind Strukturen, die das in ein Photoelement einfallende Licht innerhalb von diesem reflektieren sollen, bis es schließlich absorbiert wird. Diese Strukturen werden bereits vor dem Auftragen der Halbleiterschichten in das Grundsubstrat eingeprägt. Durch diese Verbesserungen des optischen Einschlusses erreichen auch extrem dünne Schichten ca. 80% der maximal erreichbaren Absorption. Antireflexionsbelag, Deckoxid: Die Oberfläche der Solarzelle muß speziell präpariert werden, um Reflexionen weitgehend zu verhindern und um den Lichteintritt auch bei flach einfallendem Licht zu gewährleisten. Weiters kann die Oberflächenrekombination durch eine Deckoxidschicht verringert werden. Konzentratorzellen: Alle Solarzellen, die ihren Wirkungsgrad auch bei extrem großer Energieeinstrahlung behalten, bezeichnet man als Konzentratorzellen. Mit billigen Brenngläsern, Parabolspiegeln und sehr effektiven Konzentratorzellen kann man z.B. bei zukünftigen Solarkraftwerken viel Geld sparen. Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 9 Protokoll zur Station 10 Solarzelle Wirtschaftlichkeit Wirkungsgrade: Derzeit sind in der Praxis Wirkungsgrade von etwa 15% üblich. Es werden zwar im Labor (mit den gleichen Zellen) viel höhere Erträge erzielt, getestet wird hier aber bei konstanter Temperatur (25°C) und mit genormtem Spektrum. Die in Massen hergestellten Zellen erreichen (durch die billigere Herstellung bedingt) nicht so hohe Wirkungsgrade wie die Laborzellen. Amortisation: Obwohl Solarzellen unter normalen Bedingungen eigentlich sehr langlebig sind und kaum gewartet werden müssen, ist die Amortisation (ungefähr 10 Jahre) ein heikler Aspekt. Gerade beim Hausbau werden die hohen Anschaffungskosten der Solarmodule gescheut. Gerade von den neuentwickelten Zellen gibt es noch keine verläßlichen Daten über eventuelle Alterungsprozesse. Auch wenn der Wirkungsgrad installierter Photoelemente im Laufe der Zeit etwas abnimmt, so kann man heute doch davon ausgehen, daß sich Solarzellen bei richtiger Nutzung amortisieren. Strompreis: Die hohen Anschaffungskosten der Solarmodule und der niedrige Stromtarif behindern die Entwicklung der Solartechnik gewaltig. Bei höheren Strompreisen wäre die Photovoltaik schon bald in der Lage mit den neuen Solarmodulen eine preisgünstige Selbstversorgung mit elektrischem Strom zu ermöglichen. Die Elektrizitätsgesellschaften sollten deshalb gesetzlich verpflichtet werden, entweder selber in die Photovoltaik einzusteigen (in sie zu investieren), oder privaten Solarmodulbesitzern angemessene Einspeistarife für überschüssigen Photostrom bieten müssen. Herstellung: Die Herstellung der Zellen ist derzeit sehr teuer, weil viele Arbeitsschritte noch nicht von Maschinen ausgeführt werden können. Ein großes Problem ist, daß die Materialien extrem rein sein müssen, um bessere Wirkungsgrade zu ermöglichen. Auch der preisgünstige Zusammenbau der einzelnen Photozellen zu ganzen Solarmodulen stellt ein Problem dar. Stückzahlen: Wie bei allen Produkten spielt die Stückzahl bei der Herstellung eine große Rolle. Ohne Massenherstellung werden die Kosten auch für technisch ausgereifte Zellen sehr hoch bleiben. Bis jetzt fehlt den meisten Betrieben der Mut in die Produktion groß einzusteigen. Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 10 Protokoll zur Station 10 Solarzelle Vorteile Flexibilität: Solaranlagen bieten große Flexibilität durch ihren modularen Aufbau. Sie können in beinahe beliebiger Menge zusammengeschaltet und jederzeit erweitert werden. Auch in schwierigem Gelände kann man sie ohne großen Aufwand installieren. Installation: Zur Installation sind keine hochqualifizierten Techniker nötig; die Module lassen sich leicht montieren und zu größeren Systemen zusammenschließen. Dies ist auch eine wichtige Eigenschaft, die für die Dritte Welt in Zukunft entscheidend sein wird. Die Photovoltaik kann neben der Windkraft am besten dezentral eingesetzt werden und kann so helfen, die Dritte Welt vor der Abhängigkeit durch die teuer importierte Atomkraft zu bewahren. Wartung: Solarzellen können fast wartungsfrei betrieben werden. Die einzige Pflege die sie brauchen ist das Warten der Akkumulatoren, der (der Witterung ausgesetzten) Leitungen und eventuell das Reinigen der Moduloberfläche. Obwohl höhere Temperaturen die Spannung geringfügig herabsetzen, sind keine Kühlmedien notwendig. Umwelt: Abgesehen vom Herstellungsprozeß und dem meist notwendigen Energiespeicher sind Solarzellen ausgesprochen umweltfreundlich. Sie produzieren keine Schadstoffe, erzeugen keine unnatürliche Abwärme, verbrauchen keine Rohstoffe und erfordern keine größeren Eingriffe in die Umwelt. Der Herstellungsprozeß ist von Zelle zu Zelle verschieden und es werden in wenigen Jahren Photoelemente auf den Markt kommen, die auch in der Herstellung (Rohstoffe, Energiebilanz) neue Maßstäbe setzen. Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 11 Protokoll zur Station 10 Solarzelle Anwendungen Leistungen im mW bis Watt-Bereich: Hier werden Photozellen vor allem in Geräten mit integrierten Schaltkreisen und mit minimalem Energieverbrauch verwendet. Beispiele dafür sind Taschenrechner, Uhren,... Leistungen im Watt-Bereich: Es ist vor allem die Unabhängigkeit vom Stromnetz (und von Batterien), die bei kleinen Meßstationen im Gelände entscheidend ist. Auch Warnanlagen und Notrufsäulen können mit Solarstrom kostengünstiger versorgt werden. Leistungen im kW-Bereich: Gerade bei diesen Leistungen ist die Kostenfrage entscheidend. Photovoltaischer Strom ist vor allem für Schutzhütten, abgelegene Pumpanlagen und Leuchttürme interessant, weil bei diesen ein Netzanschluß zu teuer wäre. Bei normalen Wohnhäusern hält die Solartechnik erst langsam Einzug. Leistungen im MW-Bereich: Langfristig werden Solarkraftwerke (vor allem im wärmeren Süden) gewaltig an Bedeutung gewinnen; heute gibt es noch kaum welche. Verwendung im Weltraum: Sonnenpaddel mit Solarzellen sind heute bei Satelliten unverzichtbar geworden. Man hatte jedoch lange zu kämpfen, um robuste Zellen zu entwickeln, die gegen die harte Weltraumstrahlung relativ unempfindlich sind, und deren Wirkungsgrad trotz der harten Strahlung im Weltraum gut erhalten bleibt. Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 12 Protokoll zur Station 10 Solarzelle Bemerkungen Die Silizium-Solarzelle: Silizium ist derzeit das einzige in Massenproduktion hergestellte Halbleitermaterial. Seine Vorteile sind hohe Temperaturverträglichkeit, routinemäßige Herstellung und Dotierung, hohe Lebensdauer, sein häufiges Vorkommen und seine Umweltverträglichkeit. Silizium wird in Photozellen als Einkristall, polykristallin und amorph eingesetzt. andere Solarzellen: Die meisten anderen Photoelemente beinhalten Schwermetalle und giftige Verbindungen oder bestehen aus seltenen, teuren Elementen. Aus diesem Grund ist es angebracht, sie nur dort einzusetzen, wo ihre speziellen Eigenschaften sie nicht durch z.B. Siliziumzellen ersetzbar machen. Wirkungsgrade (Si-zelle, Stand 1996): Die Wirkungsgrade bei Siliziumeinkristallzellen lagen 1996 bei 17,3% (polykristallin etwa 12%). Durch Verbesserung des optischen Einschlusses erreichte man bis zu diesem Zeitpunkt 20,6% (Rekord: 24%). Die theoretische Obergrenze liegt damaligen Abschätzungen zufolge bei etwa 30%. Energiespeicherung: Um die momentan überschüssige Energie eines Solarmoduls speichern zu können, verwendet man derzeit gewöhnliche Akkumulatoren. In naher Zukunft werden vermutlich Elektrolyse-Einheiten und Brennstoffzellen für die Speicherung verwendet werden. Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 13 Protokoll zur Station 10 Solarzelle Versuche mit Solarzellen Solarzelle als Energiewandler Eingesetze Geräte: Stromversorgungsgerät Experimentierleuchte Solarzelle Elektromotor für 0,4V Gleichspannung Versuchsaufbau: Erwartungen an den Versuch: Was geschieht wenn die Lampe eingeschaltet wird? Wie wirkt sich eine Veränderung des Abstands zwischen der Experimentierleuchte und der Solarzelle aus? Was geschieht wenn die Verbindungskabel zwischen Elektromotor und Solarzelle an dieser umgepolt werden? Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 14 Protokoll zur Station 10 Solarzelle Versuchsdurchführung: Die Lampe wird eingeschaltet und so justiert, daß sie die Solarzelle gleichmäßig ausleuchtet. Falls der Elektromotor nicht von selbst anspringen sollte, muß er mit den Fingern angeworfen werden. Nach und nach wird der Abstand zwischen Solarzelle und Leuchte erhöht. Beobachtung: Nach dem Einschalten der Experimentierleuchte beginnt sich auch der Motor zu drehen (in unserem speziellen Fall dreht sich natürlich die zweifärbige Kreisscheibe, die am Motor angebracht ist). Bei einer Vergrößerung des Abstandes zwischen Leuchte und Solarzelle dreht sich der Motor immer langsamer, bis er schließlich vollkommen zum Stillstand kommt. Dann kann er auch durch Anwerfen nicht mehr in Gang gebracht werden. Das Umpolen der Verbindungskabel ist bei diesem Versuchsaufbau leider nicht möglich, doch würde es dazu führen, daß sich der Elektromotor in die entgegengesetzte Richtung dreht. Bilder: Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 15 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Schlußfolgerungen: Eine Solarzelle ist also in der Lage Lichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln, mit der ein Elektromotor betrieben werden kann. Lichtenergie Solarzelle elektrische Energie Bei einer Vergrößerung der Entfernung wird der Motor immer langsamer und bleibt letztendlich stehen, daraus folgt, es trifft nicht mehr genügend Lichtenergie auf die Solarzelle, so daß diese nicht mehr genügend elektrische Energie erzeugen kann. Letztendlich dreht sich der Motor bei einer Umpolung der Zuleitungskabel in die entgegengesetzte Richtung, was bedeutet, daß eine Solarzelle Gleichstrom erzeugt. Weiterführende Informationen: In Mitteleuropa strahlt die Sonne auf 1 m² waagerechte Fläche im Mittel 1000 kWh pro Jahr solare Energie. In Österreich mit einer Fläche von rund 84000 km² = 84 Mrd.m2 wären das insgesamt 84000 Mrd. kWh/a. Bereits ein kleiner Teil dieser Solarenergie würde ausreichen, um den Jahresbedarf an elektrischer Energie Österreichs mit Hilfe von Solarzellen zu erzeugen. Dafür spricht folgende Überlegung: 2% der eingestrahlten Solarenergie entsprechen 1680 Mrd. kWh. Bei einem Wirkungsgrad heutiger Solarzellen von etwa 10% ließen sich daraus 168 Mrd. kWh erzeugen. Der Bedarf Österreichs an elektrischer Energie beträgt derzeit gut 300 Mrd. kWh/a. Im nächsten Jahrhundert werden also solarelektrische Stromversorgungsanlagen eine immer größere Rolle spielen. Die Solarzelle wandelt Lichtenergie direkt in elektrische Energie um. Es existiert nur eine Umwandlungsstufe. Bei Wärmekraftwerken, in denen heute mehr als 90% der elektrischen Energie erzeugt wird, finden vier Energieumwandlungen statt: Primärenergie (Brennstoff/Kernenergie) (pot. Energie) Bewegungsenergie Wärmeenergie Spannenergie elektrische Energie. Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 16 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Aufbau einer Solarzelle Eingesetzte Geräte: Stromversorgungsgerät Experimentierleuchte Transistor Spannungsmeßgerät Versuchsaufbau: Definition Transistor: Ein Transistor besteht aus drei Halbleiterschichten. Sie sind entweder in der in der Reihenfolge n-Leiter, p-Leiter, n-Leiter (npn-Transistor) oder p-Leiter, n-Leiter, p-Leiter (pnp-Transistor) aneinandergefügt. Die drei Schichten nennt man Emitter, Basis und Kollektor. Die Basisschicht ist sehr dünn (~ 0,5mm) ausgeführt und bildet sowohl mit dem Emitter als auch mit dem Kollektor je eine Diode. Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 17 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Erwartungen an den Versuch: Kann mit einem Transistor, wenn er beleuchtet wird, eine elektrisch Spannung erzeugen? Zwischen welchen Anschlüssen kann sich eventuell eine Spannung aufbauen? Versuchsdurchführung: Der Transistor wird beleuchtet und die Spannungen zwischen den einzelnen Schichten gemessen. Beobachtung: Es kann tatsächlich eine Spannung gemessen werden, die etwa um 0,4V liegt. Diese kann jedoch nur zwischen Basis und Emitter bzw. Basis und Kollektor gemessen werden. Zwischen Emitter und Kollektor beträgt die Spannung U0=0. Schlußfolgerung: Eine elektrische Spannung entsteht hier nur zwischen einer n-Schicht und einer pSchicht. Der Minuspol ist im Falle dieses npn-Transistors eine n-Schicht, also entweder Emitter oder Kollektor, der Pluspol die p-Schicht, also die Basis. Weiterführende Informationen: Auch Solarzellen bestehen aus einer n-leitenden und einer p-leitenden Schicht. Die zum Licht hinweisende Schicht ist so dünn, daß das Licht in die darunter befindliche ladungsträgerarme Grenzschicht gelangen kann, in der sogenannte Elektronen-Löcher– Paare erzeugt werden. Im elektrischen Feld , das sich zwischen der n-Schicht und der pSchicht aufgebaut hat, werden diese Ladungsträger getrennt, sobald Licht in die Solarzelle fällt. Zwischen den Kontaktfingern und der rückseitenmetallisierung läßt sich dann eine Spannung von ca. 0,5V abgreifen. Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 18 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Solarzellen bestehen heute in der Regel aus Silicium. Silicium ist das zweithäufigste Element in der Erdrinde (Anteil 25,7%). Silicium-Solarzellen werden aus monokristallinem Silicium (Verwendung in der Raumfahrt), multikristallinem Silicium (terrestrische Anwendung) und auch aus amorphem Silicium (terrestrisch Anwendungen, z.B. auch Solartaschenrechner) hergestellt. Eine Steigerung des Wirkungsgrades von Dünnschichtsolarzellen aus amorphem Silicium erhofft man sich von der Verwendung anderer Halbleitermaterialien (z.B. Galliumarsenid, Aluminiumarsenid, Cadmiumsulfid, Kupfersulfid) bzw. durch Kombination verschiedener Halbleitermaterialien in sogenannten Tandem-Zellen. Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 19 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Die Leerlaufspannung einer Silicium-Solarzelle Eine Silicum-Solarzelle ist aus einer n-Schicht und einer p-Schicht aufgebaut. Sie kann mit Hilfe von Licht eine elektrische Spannung aufbauen. Eingesetzte Geräte: Stromversorgungsgerät Experimentierleuchte Solarzelle Spannungsmeßgerät Versuchsaufbau: Erwartungen an den Versuch: Wie ändert sich die Leerlaufspannung mit der Größe der beleuchteten Solarzelle? Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 20 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Versuchsdurchführung: Die beleuchtete Solarzelle wird schrittweise mit schwarzer Pappe abgedeckt, und die Leerlaufspannung dabei gemessen. Beobachtung: Die Leerlaufspannung der Solarzelle ändert sich auch durch die Veränderung der beleuchteten Fläche kaum. Schlußfolgerung: Die Leerlaufspannung einer Solarzelle ist nahezu konstant und ändert sich kaum mit der Größe der beleuchteten Solarzelle. Warum dies so ist, läßt sich auf folgende Weise erklären. Die Vergrößerung einer Solarzelle ist praktisch gleichbedeutend einer Parallelschaltung von Spannungsquellen, wobei sich ja ebenfalls die Spannung nicht ändert. Weiterführende Informationen: Die maximale Leerlaufspannung einer Silicium – Solarzelle beträgt U0 = 0.56 V. Diesen Wert erhält man jedoch nur bei einer ausreichenden Bestrahlungsstärke von E = 1000 W/m² = 100mW/cm² , bei Licht mit einem dem Sonnenlicht ähnlichen Spektrum und bei einer Temperatur von 25°C. Steigt die Temperatur, sinkt die Leerlaufspannung mit etwa – 2,3 mV/K ab. Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 21 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Der Kurzschlußstrom einer Silicium-Solarzelle Mit einer Silizium – Solarzelle kann eine elektrische Spannung von etwa 0.5 V erzeugt werden. Wird an die Solarzelle ein Leiterkreis angeschlossen, fließt natürlich auch ein elektrischer Strom. Eingesetze Geräte: Stromversorgungsgerät Experimentierleuchte Solarzelle Strommeßgerät Versuchsaufbau: Erwartungen an den Versuch: Wie hängt die maximale Stromstärke (Kurzschlussstromstärke) von der Größe der Solarzellenfläche ab? Versuchsdurchführung: Die beleuchtete Solarzelle wird schrittweise mit schwarzer Pappe abgedeckt und der Kurzschlußstrom dabei gemessen. Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 22 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Beobachtung: Die Stromstärke verringert sich mit zunehmender Abdeckung der Solarzelle. Schlußfolgerung: Man kann erkennen, daß die Stromstärke umso größer ist, je größer die beleuchtete Fläche der Solarzelle. Bei Sonnenlicht würde gelten: 2 fache Fläche 2 fache Kurzschlussstromstärke 3 fache Fläche 3 fache Kurzschlussstromstärke Das heißt also, die Kurzschlußstromstärke wächst proportional zu der beleuchteten Fläche der Solarzelle. Die Erklärung hierfür kann man wieder aus einem Vergleich mit der Parallelschaltung von Solarzellen gewinnen. Die Vergrößerung der Fläche einer Solarzelle ist ja eigentlich nichts anderes als die Parallelschaltung von mehreren Solarzellen oder eben auch Spannungsquellen. Schaltet man jedoch mehrere Spannungsquellen parallel zueinander so addiert sich deren Stromstärke. Weiterführende Informationen: Die Kurzschlussstromstärke ist von der Bestrahlungsstärke, dem Spektrum des einfallenden Lichtes und in geringem Maße auch von der Temperatur abhängig. Bei steigender Temperatur erhöht sich die Kurzschlussstromstärke geringfügig um 0.01 %K. Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 23 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Leerlaufspannung und Kurzschlußstorm bei unterschiedlicher Bestrahlungsstärke Die Sonne sendet Licht und Wärmestrahlen auf die Erdoberfläche. Die Stärke der Bestrahlung ist von den Wetterbedingungen, der Tageszeit und der Jahreszeit abhängig. Der Betrag an Lichtenergie, den aufgestellte Solarzellenflächen aufnehmen, schwankt deshalb beachtlich. Eingesetzte Geräte: Stromversorgungsgerät Experimentierleuchte Solarbatterie Multimeter Versuchsaufbau: Erwartungen an den Versuch: Wie werden sich die Leerlaufspannung und der Kurzschlußstrom gegenüber einer Änderung der Bestrahlungsstärke verhalten? Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 24 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Versuchsdurchführung: Die Verringerung der Bestrahlungsstärke geschieht durch eine Vergrößerung des Abstandes zwischen Leuchte und Solarzelle. Dabei werden immer sowohl Leerlaufspannung als auch Kurzschlußstrom gemessen. Beobachtung: Die Leerlaufspannung ändert sich bei einer Vergrößerung des Abstandes zwischen Leuchte und Zelle nur geringfügig. Der Kurzschlußstrom hingegen fällt deutlich ab. Abstand in cm 10 15 20 25 30 40 50 70 90 Kurzschlußstrom in 139 99 68 55 41 24 13 6 2 0,48 0,48 0,46 0,45 0,45 0,45 0,45 mA Leerlaufspannung in 0,44 0,41 V 160 140 I in mA 120 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 d in cm Schlußfolgerung: Die Leerlaufspannung hängt nur sehr geringfügig von der Bestrahlungsstärke ab, wogegen der Kurzschlußstrom sich doch deutlich mit der Bestrahlungsstärke ändert. Bei Sonnenlicht gilt: 2fache Bestrahlungsstärke 2facher Kurzschlußstrom 3fache Bestrahlungstärke 3facher Kurzschlußstrom Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 25 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Weiterführende Informationen: Die Bestrahlungsstärke des Sonnenlichtes ist auf der Erde und im Weltraum sehr verschieden. Für den erdnahen Weltraum ist der Begriff AMO (Air Mass Zero) Eingeführt worden. Auf der Erde Gelten die Bezeichnungen AM1, AM2, AM3 usw., je nachdem , ob das Sonnenlicht den kürzesten Weg durch die Atmosphäre nimmt (senkrechte Einstrahlung) oder ob sich ein zweimal, dreimal usw. so langer Weg ergibt. AM- Angabe AM1 AM2 AM3 Zenitwinkel der 0° 60° 70,5° Sonne Bei senkrechtem Einfall der Sonnenstrahlen (AM1), beträgt die Bestrahlungsstärke auf der Erde 1000W/m² = 100mW/cm², an den äußersten Schichten der Atmosphäre 1385W/m². diesen Leistungsbetrag, der bei mittlerer Entfernung zwischen Sonne und Erde auftritt, nennt man Solarkonstante. Da der Himmel in den nördlichen Bereichen Europas häufig bedeckt ist, tritt neben der direkten Sonneneinstrahlung immer auch diffuse Strahlung. Auf. Die Summe aus direkter und diffuser Einstrahlung wird Globalstrahlung genannt. Für Hamburg beispielsweise liegen folgende Meßwerte vor: Jahreszeit Sommer und direkte diffuse Einstrahlung Einstrahlung 30.....40% 60.....70% 0.....20% 80.....100% Übergangszeit Winter Da Solarzellen auch diffuse Lichtstrahlung in elektrische Energie umwandeln, können sie also auch in Mittel- und Nordeuropa eingesetzt werden. Bei bedecktem Himmel fällt jedoch die Leistung eines Solargenerators unter 10%. Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 26 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Reihenschaltung von Solarzellen Eine beleuchtete Solarzelle stellt eine Spannungsquelle dar die in etwa 0,5 V liefern kann. Für die meisten verwendeten elektrischen Geräte benötigt man jedoch eine höhere Spannung (3V, 5V, 12V, 220V, 380V). Eingesetzte Geräte: Stromversorgungsgerät Experimentierleuchte Solarbatterie Spannungsmeßgerät Versuchsaufbau: Erwartungen an den Versuch: Wie läßt sich mit Solarzellen eine Spannung erzeugen die höher als 0,5V ist? Wie wird sich die Gesamtspannung verändern, wenn mehrere Solarzellen in Serie geschaltet werden? Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 27 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Versuchsdurchführung: Zuerst werden die Leerlaufspannungen der einzelnen Solarzellen festgestellt, anschließend werden diese schrittweise in Reihe geschaltet, indem jeweils der Minuspol der einer Zelle mit dem Pluspol der nächsten Zelle verbunden wird. Beobachtung: Je mehr Zellen zueinander in Serie geschaltet werden, umso größer wird auch die gesamte Leerlaufspannung. Nummer der Zelle Leerlaufspannung in V Anzahl der in Reihe 1 2 3 4 5 0,48 0,46 0,49 0,47 0,48 1 2 3 4 5 geschalteten Zellen 2 1,8 U in V 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 1 2 3 4 5 Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen Leerlaufspannung 0,48 0,91 1,38 1,78 2,25 in V Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 28 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Schlußfolgerung: Je mehr Solarzellen in Reihe geschaltet werden umso höher ist auch die erhaltene Leerlaufspannung. Die Leerlaufspannungen der einzelnen in Reihe geschalteten Solarzellen verhalten sich additiv. Das heißt, gleichmäßige Beleuchtung vorausgesetzt, 2 Zellen hintereinandergeschaltet ergeben etwa 2fache Leerlaufspannung, 3 Zellen hintereinandergeschaltet ergeben etwa 3fache Leerlaufspannung..... Daraus folgt daß die Leerlaufspannung der Anzahl der Zellen proportional ist. U~n Weiterführende Informationen: Für technische Anwendungen werden eine größere Anzahl von Solarzellen in Reihe geschaltet. Zum Schutz sind sie in einem Flachgehäuse untergebracht, das mit einer Glasabdeckung versehen ist. Eine solche Anordnung von Solarzellen wird Modul genannt. Die bei der solarelektrischen Stromversorgungsanlage Pellworm verwendeten Module haben die Abmessungen 56 cm x 46 cm x 1 cm und eine Masse von etwa 3.5 kg. In ihnen sind 20 Solarzellen 10 cm x 10 cm in Reihe geschaltet. Da die maximale Spannung einer Solarzelle 0.56 V beträgt, ergibt sich für ein Modul eine Leerlaufspannung von höchstens U0 = 20 x 0.56V = 11.2 V. 48 Module sind in einem Strang in Reihe geschaltet. Die theoretisch mögliche Leerlaufspannung würde danach U0 = 48*11.2 V = 537.6 V betragen. In der Praxis erhält man etwa 500 V. Die Nennspannung zum Betrieb der Wechselrichter und zum Laden der Batterie beträgt 346 V. Solarzellenmodul der solarelektrischen Reihenschaltung von 20 Solarzellen in einem Modul Stromversorgungsanlage Pellworm Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 29 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Parallelschaltung von Solarzellen Je größer die Fläche einer Solarzelle ist, desto größer ist auch die bei Beleuchtung maximal zur Verfügung stehende Stromstärke. Eingesetzte Geräte: Stromversorgungsgerät Experimentierleuchte Solarbatterie Strommeßgerät Versuchsaufbau: Erwartungen an den Versuch: Was geschieht wenn mehrere Solarzellen parallel zueinander geschaltet werden. Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 30 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Versuchsdurchführung: Es werden mehrere Solarzellen nacheinander parallel zueinander geschaltet . Dabei wird immer die Spannung und auch die Stromstärke gemessen. Beobachtung: Die Leerlaufspannung ändert sich nur sehr geringfügig, wogegen der Kurzschlußstrom deutlich ansteigt, wenn mehrere Solarzellen parallel zueinander geschaltet werden. Bilder: Die Leerlaufspannung ändert sich nur geringfügig. Der Kurzschlußstrom ändert sich hingegen deutlich. Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 31 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Weiterführende Informationen: Bei senkrechter Lichteinstrahlung, wolkenlosem Himmel und 25°C liefert ein Modul (20 in Reihe geschaltete Solarzellen 10cm * 10cm) einen Kurzschlußstrom von 2,41A. Dieselbe Stromstärke ergibt sich auch bei den einzelnen Strängen aus 48 Modulen. Bei der solarelektrischen Stromversorgungsanlage Pellworm liegen 366 Stränge parallel und würden im Kurzschlußfall eine Stromstärke von Ik = 366*2,41A ~ 882A abgeben. Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 32 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Wirkung eines Schattens auf eine beleuchtete Solarbatterie Eingesetzte Geräte: Stromversorgungsgerät Glühlampe mit Reflektor Solarbatterie Elektromotor Versuchsaufbau: Erwartungen an den Versuch: Was geschieht wenn mehrere Zellen in Serie geschaltet werden? Was geschieht wenn eine der in Reihe geschalteten Zellen abgedunkelt wird. Versuchsdurchführung: Die einzelnen Zellen der Solarbatterie werden nach und nach zueinander in Serie geschlossen. Dabei wird der Elektromotor beobachtet. Nachdem alle Zellen zueinander in Reihe geschaltet sind, wird eine Zelle abgedunkelt und dabei wieder der Motor beobachtet. Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 33 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Beobachtung: Der Motor dreht sich immer schneller, je mehr Zellen zueinander in Reihe geschaltet werden. Wird aber eine der in Serie geschalteten Zellen abgedunkelt, so bleibt der Motor stehen. Schlußfolgerung: Der Motor dreht sich schneller, da sich die einzelnen von den Solarzellen gelieferten Spannungen bei einer Reihenschaltung addieren. Wird nun eine Solarzelle abgedunkelt so steigt ihr Innenwiderstand an. Die von der Solarbatterie erzeugte Spannung fällt dann zum größten Teil an der abgedunkelten Zelle ab. Die verbleibende Spannung reicht zum Betrieb des Elektromotors nicht mehr aus. Weiterführende Informationen: Bei größeren Solarbatterien (Solargeneratoren), die im Freien aufgestellt sind, muß darauf geachtet werden, daß ein ausreichender Abstand zu Bauwerken, Bäumen und ähnlichem besteht. Dadurch soll verhindert werden, daß bei niedrigem Sonnenstand Schatten auf die Solarzellenfläche fällt. Die solarelektrische Stromversorgungsanlage auf der Nordseeinsel Pellworm besitzt eine Solarzellenfläche von 3168m², die auf 40° aufgerichteten Traggestellen montiert sind. Da bis zu 15 Traggestellreihen parallel angeordnet sind, muß zwischen ihnen ein ausreichender Abschattungungsabstand vorhanden sein. Die Grundstücksfläche beträgt unter anderem auch aus diesem Grund 16000m² (ca. so groß wie 2 Fußballfelder) Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 34 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Der Kurzschlußstrom einer Solarzelle bei unterschiedlichem Einfallswinkel des Lichts Bei einer feststehenden Solarzellenfläche ändert sich der Einfallswinkel des Sonnenlichtes mit der Tages- und mit der Jahreszeit. So trifft das Licht z.B. am Morgen in einem anderen Winkel auf als am Mittag. Eingesetze Geräte: Taschenlampe Solarzelle Strommeßgerät Versuchsaufbau: Einer weiterer möglicher Versuchsaufbau ist hier noch angeführt, da dieser wahrscheinlich einfacher und übersichtlicher durchzuführen ist. Bei unten abgebildeten Aufbau muß durch Drehen der Solarzelle die verschiedenen Winkel eingestellt werden. Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 35 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Erwartungen an den Versuch: Welche Beziehung besteht zwischen dem Einfallswinkel des Lichtes und der Kurzschlußstromstärke? Versuchsdurchführung: Mit einer Taschenlampe wird die Solarzelle beleuchtet. Die Lampe wird um einen bestimmten Winkel gedreht, wobei darauf zu achten ist, daß der Abstand zwischen Lampe und Zelle konstant bleibt Beobachtung: Der Kurzschlußstrom ist dann maximal wenn der Lichtstrahl senkrecht auf die Solarzelle trifft. Bei größer werdendem Winkel wird die Stromstärke immer kleiner. α in ° 0 20 40 50 90 Stromstärke in mA 84 75 59 48 0 cosα 1 0,94 0,77 0,64 0 Imax*cosα 84 78,93 64,35 53,99 0 in mA Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 36 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle 90 80 70 I in mA 60 50 40 30 20 10 0 -10 10 30 50 70 90 Winkel in ° Bilder: Schlußfolgerung: Die maximale Kurzschlußstromstärke einer Solarzelle ergibt sich wenn das Licht senkrecht einfällt. Fallen die Lichtstrahlen nun aber nicht mehr senkrecht auf die Solarzelle, d. h. ist die Solarzelle etwas gegen die Einfallsrichtung des Lichts geneigt, so wirkt diese Neigung praktische genauso wie eine Verringerung der Fläche. Eine Neigung Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 37 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle von z.B. 40° (cos40= 0,7661) verringert die beleuchtete Fläche scheinbar um das 0,77fache. Weiterführende Informationen: Damit die Sonnenstrahlen während eines möglichst großen Tageszeitraumes senkrecht auf die Solarzellen fallen, wurden bereits Anlagen mit automatischer Nachführung entwickelt. Die Solarzellenflächen folgen dann in einem bestimmten Bereich der scheinbaren Bewegung der Sonne. Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 38 Protokoll zur Station 10 Solarzelle Eignung für den Unterricht Unterstufe In der 3. Klasse werden zwar die prinzipiellen Grundlagen für Halbleiter durchgenommen, jedoch aber nicht die Diode. Somit fehlt also diese wesentlich Grundlage zur Erklärung des Aufbaus einer Solarzelle. Es wäre daher nicht sinnvoll näher auf deren Aufbau einzugehen. Die Solarzelle sollte als alternative Energiequelle besprochen werden, welche in der Lage ist Lichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Falls es den Rahmen nicht sprengen sollte, können zusätzlich auch noch andere alternative Energiequellen wie z.B. die Windenergie besprochen werden. Einsetzbarkeit der Versuche: Solarzelle als Energiewandler Zeigt sehr schön auf, daß es möglich ist, Lichtenergie mittels einer Solarzelle in elektrische Energie umzuwandeln. Er eignet sich wunderbar als Einstiegsversuch. Die Leerlaufspannung und der Kurzschlußstrom einer Solarzelle Hierbei kann die Solarzelle schön als Spannungsquelle bzw. Stromquelle wie z.B. eine Batterie demonstriert werden. Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen Auch hier kann wieder sehr schön aufgezeigt werden, daß sich beleuchtete Solarzellen wie einfache Stromquellen verhalten. Die anderen Versuche sind unserer Meinung nach für die Unterstufe nicht geeignet, da sie ein größeres Hintergrundwissen erfordern. Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 39 Schulversuchspraktikum Physik Protokoll zur Station 10 WS 2001/2002 Solarzelle Oberstufe In der Oberstufe sind hinzukommen zum Unterstufenwissen die Grundlagen der Halbleiterphysik vertieft worden, sowie zusätzlich Diode und Transistor besprochen worden. D.h. die Grundlagen für den Aufbau einer Solarzelle sind bekannt, und daher sollte dieser auch besprochen werden. Einsetzbarkeit der Versuche: Grundsätzlich würden wir die Versuche in der Reihenfolge durchführen wie sie in diesem Protokoll angeben ist. Denn so kann man mit einer alternativen Stromquelle beginnen und gleich deren Aufbau hinterfragen. Weiterführend kann die Solarzelle als einfache Spannungsquelle behandelt werden (Leerlaufspannung, Kurzschlußstrom, Reihen- und Parallelschaltung) und somit auch die Serien- und Parallelschaltung von Spannungsquellen wiederholt werden. Ebenso wird die Frage gestellt wie sich unterschiedlich Bestrahlungstärken auf den von der Solarzelle gelieferten Strom auswirken. Weiterführend werden die Fragen gestellt wie sich ein Schatten auf die beleuchtete Solarbatterie auswirkt und welchen Einfluß unterschiedliche Einfallswinkel des Lichts auf Kurzschlußstrom und Leerlaufspannung haben. Literaturangabe: • Arbeitsblätter „Experimente mit Solarzellen“ von Martin Volkmer; Blatt 1.1-4.10 (aufliegend im SVP) • Verschiedene andere Literaturquellen (in denen vor allem fachliches Wissen nachgelesen wurde) sind leider im Nachhinein nicht mehr eruierbar, verwiesen sei auf Fachliteratur aus dem Gebiet der Festkörperphysik bzw. der Halbleiterphysik Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 40
