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1 Fotovoltaik Vorlesung: Energieumsatz I – Systeme des Energieumsatzes Dozent: Prof. E. Sauer Thema: Fotovoltaik Referenten: Kerstin Becker & Huot Jansen.

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1 1 Fotovoltaik Vorlesung: Energieumsatz I – Systeme des Energieumsatzes Dozent: Prof. E. Sauer Thema: Fotovoltaik Referenten: Kerstin Becker & Huot Jansen Datum: Universität Duisburg-Essen, Campus Essen Fakultät Ingenieurwissenschaft, Abteilung Technik Fach Technologie und Didaktik der Technik

2 2 Gliederung 1.Was ist Fotovoltaik? 2.Geschichte der Fotovoltaik 3.Arten von Solarzellen 4.Aufbau der Solarzelle 5.Funktionsweise der Sollarzelle 6.Solarmodule 7.Leistung 8.Wirtschaftlichkeit 9.Ausblicke 10.Literatur Fotovoltaik

3 3 1.Was ist Fotovoltaik? Fotovoltaik Fotovoltaikanlagen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um.

4 4 Definition Fotovoltaik Der Name Fotovoltaik setzt sich aus dem griechischen Wort photo = Licht und voltaik (nach dem italienischen Physikers ALESSANDRO VOLTA) zusammen.

5 5 Fotovoltaik 2. Geschichte der Fotovoltaik:

6 6 3. Arten von Solarzelle –monokristalline Solarzellen Block besteht aus einem einzigen Kristall (aus flüssigem Silizium gezogen) Bei der Herstellung von Solarzellen werden 0,3 mm dünne Scheiben aus einem Siliziumblock herausgesägt Fotovoltaik –polykristalline Solarzellen Block besteht aus vielen kleineren Kristallen (aus flüssigen Siliziums erstart in Eisblumenstruktur)

7 7 Dünnschichtzellen –benötigt extrem wenig Halbleitermaterial 3. Arten von Solarzelle Fotovoltaik

8 8 4. Aufbau der Solarzelle Fotovoltaik

9 9 Prinzipieller Aufbau der klassische Silizium-Solarzelle ca. 0,001 mm dicken n-Schicht –negativdotiert durch Einbringung von z.B. Phosphoratomen –so dünn, damit das Sonnenlicht besonders in der Raumladungszone am p/n-Übergang absorbiert wird ca. 0,6 mm dicke p-Schicht –positivdotiert durch Einbringung von z.B. Boratomen –dick genug um die tiefer eindringenden Sonnenstrahlen zu absorbieren –gibt Solarzelle mechanische Stabilität p/n-Übergang oder auch Grenzschicht. Fotovoltaik

10 10 5. Funktionsweise der Solarzelle Licht trennt Elektronen und Löcher Durch das Feld in der Sperrschicht (von p-Schicht zur n-Schicht gerichtet) –Elektronen werden zur n-Schicht gezogen –positiven Löcher werden zur p- Schicht gezogen. An den Metallkontakten entsteht eine Spannung von ca. 0,5 V schließt man einen Verbraucher an, werden die Ladungen ausgeglichen, und es fließt ein elektrischer Strom. Fotovoltaik

11 11 6. Solarmodul Für die Praxis ist die elektrische Leistung einer Solarzelle nicht ausreichend man schaltet mehrere Solarzellen zusammen –in Serie (um die Spannung zu erhöhen) –parallel (um die entnehmbare Stromstärke zu erhöhen) Fotovoltaik

12 12 7. Leistung Abhängig von der Strahlungsdichte auf der Oberfläche Fotovoltaik

13 13 Wirkungsgrad der Solarzelle AusführungMaterial Maximaler Wirkungsgrad der Solarzellen im Labor Typischer Wirkungsgrad von handelsüblichen Solarmodulen Zellen Monokristallines Silizium 25%13-16% Zellen Polykristallines Silizium 20%12-14% Dünnfilm Amorphes Silizium 14%6-8% Dünnfilm Kupfer-Indium- Diselenid 19%9-11% DünnfilmCadmiumtellurid16%7-9% Fotovoltaik

14 14 Sonnenscheindauer Sonneneinstrahlung in Deutschland Fotovoltaik

15 15 z. B. Sonnenscheindauer, Sonneneinstrahlung, klimatische Bedingungen, Gelände, Infrastruktur, Anschlussmöglichkeit an das öffentliche Stromnetz, Nutzungszweck … Umfangreiche Standortuntersuchungen sind nötig: Fotovoltaik 8. Wirtschaftlichkeit

16 16 Fotovoltaik Fotovoltaikanlagen in Deutschland:

17 17 Wirtschaftlichkeit und Einsatz von Fotovoltaikanlagen Prinzipiell erzeugen Fotovoltaikanlagen elektrische Energie sehr umweltfreundlich, auch wenn die Herstellung ihrer Grundbausteine der Solarzellen energieaufwändig ist. Leider können Fotovoltaikanlagen noch nicht universell und vor allem wirtschaftlich eingesetzt werden. Fotovoltaikanlagen werden für Einzelversorgung, Inselnetzversorgung und Netzeinspeisung verwendet. (Bild 2) Hauptziel ist die Preis- und Kostensenkung durch technischen Fortschritt und starke Produktionsausweitung bis zur Konkurrenzfähigkeit mit herkömmlichen Kraftwerken. Fotovoltaik Wirtschaftlichkeit + Betrieb einer solchen Anlage ist umweltfreundlich; Prinzipiell erzeugen Fotovoltaikanlagen elektrische Energie sehr umweltfreundlich +Sonnenenergie ist fast unerschöpflich -Herstellung ihrer Grundbausteine der Solarzellen energieaufwändig - Fotovoltaikanlagen können noch nicht universell und vor allem wirtschaftlich eingesetzt werden - die tatsächliche Sonnenscheindauer (kann die Leistungsausbeute erheblich senken) und der große Flächenbedarf

18 18 Fotovoltaik Einsatzgebiete von Solarzellen

19 19 Einsatzgebiete von Solarzellen Fotovoltaik

20 20 Ziele: - bis 2050 rund 50% d. Energieversorgung aus Erneuerbaren Energien - …Preis- und Kostensenkung durch technischen Fortschritt und starke Produktionsausweitung bis zur Konkurrenzfähigkeit mit herkömmlichen Kraftwerken Energiekosteneinsparungen durch Einbau von Fotovoltaikanlagen für private Zwecke, für Heizzwecke von Eigenheimen (in wenigen Tagen realisierbar) trotz hoher Anfangsinvestition; in der Regel genehmigungsfrei Die Bundesrepublik fördert den Einsatz dieser Umwelttechnologien durch Zuschüsse, Steuerrückzahlungen und zinslose Darlehen ( Dächer-Programm) Fotovoltaik Ausblick

21 21 FOTOVOLTAIK …. DER ZUKUNFTSMARKT? Umweltaspekte Geld Neue Märkte Politisches Prestige … Fotovoltaik

22 22 Fotovoltaik 9. Literatur - Würfel, Peter: Physik der Solarzellen; Spektrum Akademischer Verlag; Heidelberg Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG Mannheim und paetec Gesellschaft für Bildung und Technik mbH Berlin: Duden – Technik: Basiswissen (Link:


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