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Im Rahmen des Experimentalphysik Labors unter der Leitung von Prof. Dr. Strehlow und Dipl. Ing. Martens Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester.

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Präsentation zum Thema: "Im Rahmen des Experimentalphysik Labors unter der Leitung von Prof. Dr. Strehlow und Dipl. Ing. Martens Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester."—  Präsentation transkript:

1 Im Rahmen des Experimentalphysik Labors unter der Leitung von Prof. Dr. Strehlow und Dipl. Ing. Martens Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Ein Vortrag zur Einführung in die Physik der Solarzellen und deren experimenteller Untersuchung

2 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Gliederung Einleitung Physikalische Grundlagen Halbleiter, Dotierung, pn-Übergang, Kennlinie Aufbau und Funktionsweise Die einfache Silizium-Solarzelle Zu den Versuchen Betriebsparameter: Lichtintensität, Einfallswinkel, genutzte Fläche Leistungsanpassung Auswertung und Diskussion Stand der Technik Wirkungsgerade, Typen, Materialien, Kosten, Forschung G123456

3 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Einleitung: Die Sonne als Energiequelle Die Leuchtkraft der Sonne entspricht einer Strahlungsleistung von 3,8*10^26 W. Davon erreicht nur ein Bruchteil die Erde, treibt dort aber alle wichtigen Prozesse an. Die eingestrahlte Energiemenge übersteigt den derzeitigen Weltenergiebedarf um das Zehntausendfache. 1839: A.E. Becquerel entdeckt den photoelektrischen Effekt 1954: Die Bell Laboratorien präsentieren erste Solarzelle G123456

4 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Grundlagen: Halbleiter Energiezufuhr bewirkt Leitfähigkeit [Lichtquant E=h*f ] Halbleiter haben kleine Bandlücken [Si: ~1,1 eV; InAs: ~0,4 eV; GaAs: ~1,5 eV] G Quelle Schaubild: Wikipedia.de

5 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Grundlagen: Dotierung Darstellung hier nur für Silizium, für andere Halbleiter kann entsprechend verfahren werden Dotierung ändert Leitfähigkeit von Halbleitern und Größe der Bandlücke Üblich: 1 Donator auf 10 7 Si-Atome, 1 Akzeptor auf 10 6 Si-Atome G Quelle Schaubild: Wikipedia.de

6 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Grundlagen: pn-Übergang Grenzschicht stabil durch Gleichgewicht zwischen Diffusionskraft und Culombkraft Schaltung in Sperrrichtung erhöht Potentialdifferenz unterdrückt Diffusion Schaltung in Durchlaßrichtung senkt Potentialdifferenz fördert Diffusion G Quelle Schaubild: Wikipedia.de

7 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Grundlagen: Kennlinie G Quelle Schaubild: Wikipedia.de A V

8 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Aufbau und Funktionsweise: Si- Solarzelle G Besteht aus einer p- und einer n-dotierten Schicht Dazwischen befindet sich die Grenzschicht [vergl. pn-Übergang] Metallkontakte zum Abgreifen der Spannung Bei modernen Hochleistungszellen noch eine Vielzahl von Verbesserungen

9 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Versuche: Einfallswinkel - Hintergrund Wegen der Entfernung und Größe der Sonne Einstrahlung nahezu parallel Einfallswinkel unterschiedlich je nach Breitengrad Winkeländerungen in zwei Achsen über Jahres- und Tagesverlauf G Vertikaler Schnitt Frühling / Herbst WinterSommer Horizontaler Schnitt Tageslauf

10 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Versuche: Einfallswinkel - Ergebnisse G Aufbau: 88,888 Digitalmultimete r Solarzelle Meßschiene Strahler Messung bei konstanter Entfernung, d.h. konstanter Bestrahlungsstärke I SC hängt nicht-linear vom Winkel ab, I SC ~ cos(α) I SC wird maximal für Auslenkungswinkel α= 0° [ Licht Solarzelle] I SC proportional der Projektionsfläche senkrecht zum Strahler

11 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Versuche: Lichtintensität - Hintergrund Intensität variiert nach Einfallswinkel Intensität nimmt dabei ab durch längere Wegstrecken durch die Atmosphäre Und durch die von einem Strahlenbündel an der Erdoberfläche bestrichenen Fläche Weitere Faktoren können durch das Klima zustande kommen: Wolken, Nebel, Regen etc. G Atmosphäre Erdoberfläche s

12 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Versuche: Lichtintensität - Ergebnisse U OC konst. G Aufbau: 88,888 Digitalmultimete r Solarzelle Meßschiene Strahler I SC ~ B Aus I SC ~ B und U OC konst. 1/R i ~ B

13 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Versuche: Genutzte Zellenfläche - Ergebnisse Dieser Versuch war in dieser Form so nicht durchführbar Die Elemente der Versuchszelle waren in Reihe geschaltet Ist ein Element vollständig verdeckt arbeitet es als Diode in Sperrrichtung Strom bricht zusammen G Aufbau: 88,888 Digitalmultimete r Solarzelle Meßschiene Strahler Blende Prinzipiell würde sich folgende Ergebnisse einstellen: Messung bei konstanter Entfernung, d.h. konstanter Bestrahlungsstärke I SC hängt linear von der bestrahlten Fläche ab I SC wird maximal für komplett freigelegte Solarzelle

14 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Bei einem Abstand von 0,9 Metern Bei einer Intensität von 233,44 W/m² Maximale Leistung bestimmt zu P max 70,4 mW R L = R i ; hier R L 700 Ω P max G Aufbau: 88,888 Digitalmultimete r Solarzelle Meßschiene Strahler Mini Ω Dekade Ω Versuche: Leistungsanpassung - Ergebnisse

15 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Auswertung und Diskussion Wirkungsgrad der untersuchten Solarzelle liegt bei η 1,6 % Hohe Lichtintensität führt zur besten Energieausbeute Licht-Einfallswinkel möglichst bei 90° Maximale Leistung bei gleich großem Arbeits- und Innenwiderstand Arbeitswiderstand anpassen Bei Abdeckung wird Solarzelle zur Diode Bei in Reihe geschalteten Elementen Abdeckung in jedem Fall vermeiden G123456

16 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Stand der Technik Im Labor Wirkungsgerade von η 30 % erreicht Günstige Dünnschicht Solarzellen aus Silizium mit einem Wirkungsgrad von η 15 % allgemein erhältlich Nutzung in Alltagsgegenständen wie Taschenrechnern und Uhren, sowie an entlegenen Orten z.B. Bojen oder in der Raumfahrt Zunehmende Verwendung auch als integriertes Element in Gebäuden Aktuelle Preise für private Anlagen ca /kWp und eine Vergütung von ca. 0,50 /kWh bei Einspeisung Amortisationsdauer ca. 5 Jahre [bei 950 kWh/kWp] [Zum Vergleich Endkundenpreis konvent. 0,23 /kWh] G123456

17 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle Abschluß: Fragen und Anmerkungen? Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! G123456

18 Jacob A. Strahl und Simon Romaker im Wintersemester 2005/2006 Die Solarzelle 88,888 Digitalmultimete r Thermosäule Meßschiene Strahler


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