Die Solarzelle Ein Vortrag zur Einführung in die Physik der Solarzellen und deren experimenteller Untersuchung

Gliederung Einleitung Physikalische Grundlagen 1 2 3 4 5 6 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 1 2 3 4 5 6

Einleitung: Die Sonne als Energiequelle 1 2 3 4 5 6 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

Grundlagen: Halbleiter 1 2 3 4 5 6 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] Quelle Schaubild: Wikipedia.de

Grundlagen: Dotierung 1 2 3 4 5 6 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 107 Si-Atome, 1 Akzeptor auf 106 Si-Atome Quelle Schaubild: Wikipedia.de

Grundlagen: pn-Übergang 1 2 3 4 5 6 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 Quelle Schaubild: Wikipedia.de

Grundlagen: Kennlinie 1 2 3 4 5 6 Grundlagen: Kennlinie A V Quelle Schaubild: Wikipedia.de

Aufbau und Funktionsweise: Si-Solarzelle G 1 2 3 4 5 6 Aufbau und Funktionsweise: Si-Solarzelle 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

Versuche: Einfallswinkel - Hintergrund 1 2 3 4 5 6 Versuche: Einfallswinkel - Hintergrund Vertikaler Schnitt Horizontaler Schnitt Sommer Frühling / Herbst Winter Tageslauf Wegen der Entfernung und Größe der Sonne Einstrahlung nahezu parallel Einfallswinkel unterschiedlich je nach Breitengrad Winkeländerungen in zwei Achsen über Jahres- und Tagesverlauf

Versuche: Einfallswinkel - Ergebnisse 1 2 3 4 5 6 Versuche: Einfallswinkel - Ergebnisse Aufbau: 88,888 Digitalmultimeter Solarzelle Meßschiene Strahler Messung bei konstanter Entfernung, d.h. konstanter Bestrahlungsstärke ISC hängt nicht-linear vom Winkel ab, ISC ~ cos(α) ISC wird maximal für Auslenkungswinkel α= 0° [ Licht  Solarzelle] ISC proportional der Projektionsfläche senkrecht zum Strahler

Versuche: Lichtintensität - Hintergrund 1 2 3 4 5 6 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. s Atmosphäre Erdoberfläche

Versuche: Lichtintensität - Ergebnisse 1 2 3 4 5 6 Versuche: Lichtintensität - Ergebnisse Aufbau: 88,888 Digitalmultimeter Solarzelle Meßschiene Strahler UOC ≈ konst. Aus ISC ~ B und UOC ≈ konst. 1/Ri ~ B ISC ~ B

Versuche: Genutzte Zellenfläche - Ergebnisse 1 2 3 4 5 6 Versuche: Genutzte Zellenfläche - Ergebnisse Aufbau: 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 88,888 Digitalmultimeter Solarzelle Meßschiene Strahler Blende Prinzipiell würde sich folgende Ergebnisse einstellen: Messung bei konstanter Entfernung, d.h. konstanter Bestrahlungsstärke ISC hängt linear von der bestrahlten Fläche ab ISC wird maximal für komplett freigelegte Solarzelle

Versuche: Leistungsanpassung - Ergebnisse 1 2 3 4 5 6 Versuche: Leistungsanpassung - Ergebnisse Aufbau: 88,888 Digitalmultimeter Solarzelle Meßschiene Strahler Mini Ω Dekade Ω Bei einem Abstand von 0,9 Metern Bei einer Intensität von 233,44 W/m² Maximale Leistung bestimmt zu Pmax ≈ 70,4 mW RL= Ri ; hier RL ≈ 700 Ω Pmax

Auswertung und Diskussion 1 2 3 4 5 6 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

Stand der Technik Im Labor Wirkungsgerade von η ≈ 30 % erreicht 1 2 3 4 5 6 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. 5000 €/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]

Fragen und Anmerkungen? Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 1 2 3 4 5 6 Abschluß: Fragen und Anmerkungen? Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

88,888 Digitalmultimeter Thermosäule Meßschiene Strahler