Thema: Fotovoltaik Fotovoltaik Universität Duisburg-Essen, Campus Essen Fakultät Ingenieurwissenschaft, Abteilung Technik Fach Technologie und Didaktik der Technik Vorlesung: Energieumsatz I – Systeme des Energieumsatzes Dozent: Prof. E. Sauer Thema: Fotovoltaik Referenten: Kerstin Becker & Huot Jansen Datum: 27.01.2005

Gliederung Fotovoltaik Was ist Fotovoltaik? Geschichte der Fotovoltaik Arten von Solarzellen Aufbau der Solarzelle Funktionsweise der Sollarzelle Solarmodule Leistung Wirtschaftlichkeit Ausblicke Literatur

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

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

2. Geschichte der Fotovoltaik:

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

3. Arten von Solarzelle Fotovoltaik Dünnschichtzellen benötigt extrem wenig Halbleitermaterial

Fotovoltaik 4. Aufbau der Solarzelle

Prinzipieller Aufbau der klassische Silizium-Solarzelle Fotovoltaik 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.

5. Funktionsweise der Solarzelle Fotovoltaik 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.

6. Solarmodul Fotovoltaik 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)

7. Leistung Fotovoltaik Abhängig von der Strahlungsdichte auf der Oberfläche

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

Fotovoltaik Sonnenscheindauer Sonneneinstrahlung in Deutschland

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

Fotovoltaikanlagen in Deutschland:

Wirtschaftlichkeit Fotovoltaik 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

Einsatzgebiete von Solarzellen Fotovoltaik Einsatzgebiete von Solarzellen

Einsatzgebiete von Solarzellen Fotovoltaik Einsatzgebiete von Solarzellen

Fotovoltaik Ausblick 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 („100.000-Dächer-Programm“) 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

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

9. Literatur Fotovoltaik Würfel, Peter: Physik der Solarzellen; Spektrum Akademischer Verlag; Heidelberg 1995 Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG Mannheim und paetec Gesellschaft für Bildung und Technik mbH Berlin: Duden – Technik: Basiswissen (Link: www.schuelerlexikon.de)