Ökostrom für Wuppertal WSW Strom Grün

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1 SolarChallenge CrossNational 2009

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3 Inhalt Vorwort 1 SolarChallenge CrossNational Das Solar-Projekt 1.1 Solarenergie - Gewinnung und Nutzung in der Theorie Gradlinige Ausbreitung des Lichts/Licht als Teilchen Licht als Welle Anwendung von Solarzellen Aufbau und Herstellung von Solarzellen Funktion von Solarzellen Verschiedene Typen von Solarzellen Die Fotosynthese 1.2 Von der Theorie in die Praxis - Sonne für Bewegung nutzen Exkursion nach Dresden - Solar World Solarenergie hautnah Solarbootrennen am Lake Alexander Wettrennen mit der Sonne Die Regeln Die Geschichte Unser Besuch in Australien Die Fahrer World Solar Challenge SolarChallenge CrossNational Australien Austausch-Projekt 2.1 Wissenswertes über Australien Klima in Darwin Die Fauna im Norden Australiens Die Flora Australiens Die Flora rund um Darwin 2.2 Die Outback-Tour Outback Australia Naturparks Im Outback - Kakadu National Park 2.3 Schüleraustauschprogramm GymBay - DHS Das australische Schulsystem Unterricht am anderen Ende der Welt GymBay - DHS Impressionen Impressum Sponsoren Seite

4 Vorwort Der hier vorgelegte Reader dokumentiert in Text und Bild ein Projekt, das von Schülerinnen und Schülern des GymBay Wuppertal in Kooperation mit ihren australischen Freunden von der Darwin High School in der Zeit von Oktober 2008 bis Dezember 2009 durchgeführt wurde: SolarChallenge CrossNational 2009 Das Projekt verfolgte den Zweck, bei allen Beteiligten das Interesse an den Naturwissenshaften, insbesondere an der Physik zu fördern. Im Mittelpunkt des Interesses stand der Bereich der Solartechnologie. Aufbauend auf den Kenntnissen, Fertigkeiten und Fähigkeiten, die den teilnehmenden Jugendlichen in einem extracurricularen Physikkurs vermittelt wurden, bauten die Schülerinnen und Schüler solarangetriebene Boote, mit denen während der Abschlussreise in das Northern Territory Australiens auf einem Binnengewässer ein sportlicher Wettkampf veranstaltet wurde. Highlight des Projektes war die Teilnahme an den Vorbereitungen des deutschen Jungingenieurteams aus Bochum und Wuppertal für den Solar Car Contest 2009 in Darwin. Dieses alternative Autorennen über eine Distanz von km von Darwin bis Adelaide wird alle zwei Jahre von innovativen Physiker-Teams aus Ländern der ganzen Welt veranstaltet und verfolgt den Zweck, solare Energie als Fahrzeugantrieb zu erproben, dabei jeweils neueste physikalische Erkenntnisse umzusetzen und nicht zuletzt Impulse für ein Umdenken hinsichtlich der Frage zukünftig wünschenswerter Mobilitätskonzepte zu setzen. Unsere Schülerinnen und Schüler konnten während der Zeit ihrer Mitwirkung bei den Startvorbereitungen als junge Solarexperten ihre erworbenen Kenntnisse vor Ort praktisch erproben und im Gespräch mit den Ingenieuren aus Deutschland, aber auch aus anderen Ländern, zusätzliches Wissen erwerben. Der australische Teil des Projektes umfasste auch zahlreiche schulische Veranstaltungen an der Darwin High School sowie einen Besuch des Kakadu National Parks, der den physikalischen Schwerpunkt durch biologische Akzentuierungen sinnvoll ergänzte. Für die Umsetzung dieses Projektzieles zeichneten die beiden begleitenden Vertreterinnen der biologischen Disziplin, Studienreferendarin Nicole Finger und die Studentin Désirée Henning verantwortlich. Besonderer Dank gebührt unserem ehemaligen Schüler und jetzigen Diplomstudenten der Physik, Justus Just, der den Vorbereitungskurs in Wuppertal inhaltlich gestaltete und in Darwin als Mitglied des deutschen Ingenieurteams die Arbeitskontakte zwischen den Schülerinnen und Schülern und den jungen Wissenschaftlern organisierte. Bei den schulischen Vorbereitungen in Wuppertal wirkte stets Martin Wilhelmi mit, der es sich nicht nehmen ließ, seinen Sachverstand und sein pädagogisches Geschick als Oberstudienrat für Physik und Mathematik nutzbringend einzusetzen, obwohl er sich bereits im wohlverdienten Ruhestand befindet. Unser ganz herzlicher Dank gilt unseren Sponsoren, ohne deren finanzielles Engagement die hohen Projektkosten nicht hätten aufgebracht werden können. Hervorgehoben sei vor allem die Rütgers- Stiftung, die als Hauptförderer auftritt, dann aber auch die Stadtsparkasse Wuppertal sowie die Firma E/D/E, mit der das GymBay zahlreiche Kontakte zum beiderseitigen Nutzen verbinden. Den Leserinnen und Lesern wünsche ich viel Spaß bei der Lektüre der sämtlich von den Schülerinnen und Schülern produzierten Texte, den Naturwissenschaften an unserer Schule wünsche ich weiterhin guten Erfolg und der Solartechnologie eine bedeutende Zukunft! Detlef Appenzeller, Schulleiter 4

5 1 SolarChallenge CrossNational 2009 Das Solar-Projekt Wir, 16 Schülerinnen und Schüler des Gymnasiums Bayreuther Straße aus den Jahrgangsstufen 10, 11 und 12, besuchten im Oktober 2009 die Darwin High School in Australien. Die Grundidee des Projekts bestand nicht nur aus dem dreiwöchigen Austausch, sondern auch daraus, dass wir uns mit Licht und Solarenergie beschäftigten, da es in Australien ein Solarrennen gibt. Deswegen haben wir uns in einer ca. einjährigen Unterrichtsreihe mit den Themen der Solarenergie und Solarzellen auseinander gesetzt. In einer zweitätigen Exkursion nach Dresden besuchten wir die Solarfirma Solarworld und erfuhren etwas über den Gebrauch und die Herstellung von Solarzellen. Zurück in Wuppertal konnten wir mit unserem neu erworbenem Wissen Solarboote bauen, die wir auf dem Lake Alexander in Darwin fahren ließen. Unser erlerntes Wissen und die schönen Erfahrungen, die wir gemacht haben, möchten wir mit Ihnen in diesem Reader teilen. Johanna und Asya 5

6 1.1 Solarenergie Gewinnung und Nutzung in der Theorie In diesem Teil des Heftes möchten wir Ihnen den theoretischen Hintergrund unseres Projektes vorstellen. Zum einen erfahren Sie etwas über den Aufbau und die Anwendung von Solarzellen, zum anderen finden Sie einen Artikel über die Fotosynthese vor. Vielleicht können Sie anhand unserer Texte herausfinden welche der vorliegenden Behauptungen, Licht ist eine Welle und Licht besteht aus Teilchen, wahr ist. Johanna und Asya Geradlinige Ausbreitung des Lichts/Licht als Teilchen (Photonen) Wer hat sich eigentlich schon mal Gedanken gemacht ohne Licht leben zu müssen? Für uns ist es nur natürlich einen dunklen Raum zu betreten und einen Lichtschalter zu betätigen. Dabei ist Licht eines der wichtigsten physikalischen Phänomene für den Menschen. Schon seit Beginn der Menschheit ist Licht bis auf wenige Ausnahmen die notwendige Voraussetzung für Leben auf der Erde. Einen großen Teil der auf der Erde verfügbaren Energie verdanken wir dem Licht der Sonne. Außerdem nehmen wir einen großen Teil unserer Umgebung mit den Augen, also durch den Empfang von Licht wahr. Schon 300 v.chr. wurde von Wissenschaftlern das Phänomen des Lichts erforscht. Euklid hat sich in seiner Schrift über die Optik bemüht, seine Überle- gungen in Theorie der geometrischen Optik, die besagt, dass Licht sich strahlenförmig, auf geradlinigen Bahnen im Raum ausdehne, zu begründen. Die Ausbreitung von Licht lässt sich also geometrisch beschreiben. Euklid hatte damit entdeckt, dass sich das Licht geradlinig ausbreitet. Dies lässt sich jederzeit beweisen: Hält man einen Gegenstand (z.b. eine Tasse) in das Licht, so entsteht parallel zur Tasse ein Schatten. Da sich das Licht geradlinig ausbreitet, hat der Schatten genau dieselbe Form wie das Objekt, was man in der Hand hält. Zudem entsteht der Schatten in einer geraden Linie vom Objekt aus gesehen. Somit ist bewiesen, dass sich das Licht geradlinig ausbreitet, es läuft also im Allgemeinen nicht auf gekrümmten oder geknickten Bahnen. Daher kommt auch die Beschreibung des Lichts als Strahl (Sonnenstrahlen), der höchstens an Grenzflächen (Luft, Wasser o.ä.) abknickt. Abb.1: Beispiel dafür, dass sich das Licht geradlinig ausbreitet 6

7 Im Projekt haben wir Experimente mit Prismen und Linsen gemacht, die zeigen, dass ein Lichtstrahl abgelenkt oder auf einen Punkt fokussiert werden kann. Es ist möglich, dass Euklid 300 v. Chr. Einen ähnlich einfachen Versuchsaufbau (siehe Abb.1) benutzt hat, um seine Theorie wissenschaftlich zu begründen Jahre später, um genau zu sein im Jahre 1675 nutzte Isaac Newton die geradlinige Ausbreitung des Lichts dazu, die Emissionstheorie zu begründen. Die Theorie besagt, dass das Licht aus kleinen und nicht sichtbaren Teilchen besteht. Diese Partikel bewegen sich geradlinig in einem Strahl, bis sie auf ein Hindernis treffen. Die Lichtteilchen können von Hindernissen abprallen und die Richtung ihrer Flugbahn verändern. Jedoch müsste, wenn diese Theorie stimmt, die Lichtgeschwindigkeit im Medium größer sein als die im Vakuum, was durch moderne Forschungen, insbesondere im Weltraum, widerlegt wurde, Weitere Physiker und Wissenschaftler stellten im weiteren Lauf der Jahre und Jahrhunderte ebenfalls ihre Theorien zum Licht auf. Neben Christiaan Huygens und Louis Malus hat sich ein noch heute bekannter Forscher, dessen Name eigentlich eher auf dem Gebiet der Elektronik bekannt ist, mit dem Phänomen des Lichts befasst. Sein Name ist Heinrich Hertz, der der Auffassung war, dass Licht eine Welle sei. Parallel zu den Forschern, die die Theorie des Lichts als Welle vertraten, arbeiteten Max Planck und Albert Einstein an der Begründung der Teilchentheorie. Letzterer hat festgestellt, dass Licht die Eigenschaft hat, dass es von jeder Art von Materie nur in bestimmten Portionen aufgenommen oder abgegeben werden kann. Die von Materie aufgenommenen Lichtportionen werden als Photonen bezeichnet. Dieser Ausdruck sollte jeden Star Trek Liebhaber aufhorchen lassen (Photonentorpedos). Einstein war also der Meinung, dass sich Licht wie eine Teilchenstrahlung verhält und daher aus Photonen besteht. Abschließend lässt sich sagen, dass die Frage ob Licht als Teilchen oder als Welle zu betrachten ist, bis heute nicht eindeutig beantwortet worden ist. Wie die Theorien der vorgenanten Forscher zeigen gibt es Beweise dafür, dass Licht sowohl als Teilchen als auch als Welle betrachtet werden kann. Der Widerspruch zwischen diesen beiden Theorien lässt sich nicht lösen und ist daher in die Physik aufgenommen worden. In der modernen Physik existiert daher der sogenannte Welle-Teilchen-Dualismus. Die Welleneigenschaft des Lichts wird durch die Intensität und die Wellenlänge charakterisiert. Bei Brechung, Beugung, Polarisation, Interferenz verhält sich Licht wie eine Welle. Die Teilcheneigenschaften des Lichts werden dadurch dargestellt, dass sich das Licht bei Wechselwirkung mit Atomen wie eine Teilchenstrahlung verhält. Unabhängig davon ob Licht nun ein Teilchen oder eine Welle ist, wird es doch immer eine große Bedeutung in unserem Ökosystem haben, insbesondere deshalb weil andere von uns zurzeit genutzte Energiequellen (Erdöl, Erdgas, Kohle etc.) bald an ihr natürliches Ende gelangen. Alexander Ranft Jgst. 11 TISCH & BETT 7

8 1.1.2 Licht als Welle Es gibt verschiedene Vorstellungen was Licht ist. Newton stellte sich das Licht als kleine elastische Teilchen vor. Durch diese Vorstellung konnte die Reflektion und Brechung des Lichtes erklärt werden. Doch Christian Huggens behauptete, dass das Licht nicht aus kleinen elastischen Teilchen besteht, sondern wellenförmig ist. Es bewegt sich wie eine Welle im Wasser. So konnte auch die Beugung, die Interferenz und die Polarisation des Lichtes erklärt werden. Hindernis Abb. 2: Interferenz Wenn sich zwei parallel laufende Lichtwellen schneiden, herrscht bei den Schnittpunkten Dunkelheit. Licht plus Licht ergibt Dunkelheit. Die Lichtwellen bestehen aus Wellenbergen und Wellentälern. Je enger die Wellenbergspitzen zusammen liegen, desto höher ist die Frequenz. Egal ob die Frequenz hoch oder niedrig ist, das Licht hat immer eine konstante Geschwindigkeit, die Lichtgeschwindigkeit. Svenja, Cansu Lichtwellen Abb. 1: Die Brechung der Lichtwellen 8

9 1.1.3 Anwendung von Solarzellen Die heutige Technik ist bekanntermaßen sehr weit vorangeschritten, während die Bevölkerung zusehends wächst und die Frage der Energieversorgung bleibt. Denn man kann behaupten, dass die Uranvorkommen bis 2020 möglicherweise aufgebraucht sind, Kernkraftwerke als strahlende Ruinen in der Landschaft stehen werden und Homer Simpson seinen Job verliert. Man muss doch irgendwie dagegen halten können! Zum Beispiel mit den erneuerbaren Energiequellen. Was heute manch ein Haus auf dem Dach hat, könnte morgen oder in ein paar Jahren in der Sahara flächendeckend zu finden sein. Ich spreche von Solarzellen! (Nein, Homer müsste umziehen!) Die Sahara ist daher sehr geeignet, weil sie eine riesige Fläche besitzt, in der fast das ganze Jahr die Sonne scheint und es wenig Niederschlag gibt. Denn die Sonne strahlt jeden Tag 700-mal mehr Energie auf die Wüsten der Erde als wir verbrauchen! In anderen unfruchtbaren Gebieten sind ähnliche Projekte realisierbar, beispielsweise in der Mojave- Wüste in Kalifornien. Hier existiert bereits seit 20 Jahren ein Parabolrinnenkraftwerk, (Juhuu, doch nicht umziehen!) das so funktioniert: Spiegel fangen die Sonnenstrahlen ein und richten die Energie auf ein Rohr mit einem Spezialöl, das sich auf bis zu 400 C aufheizt. Das Rohrsystem endet in einem Kraftwerk und die Hitze wird mit Hilfe von Wärmetauschern, Wasserdampf, Turbinen und Generatoren in elektrischen Strom umgewandelt. Nach Einschätzung von Siemens würde eine Fläche von 90000km 2 (300 mal 300km) mit dieser Art des Kraftwerkes ausreichen um den gesamten Strombedarf der Erde zu decken. Allein die Fläche von 50 Quadratkilometer würde genügen um Deutschland komplett mit Strom zu versorgen. In einem Quadratmeter Sonnenlicht ist sehr viel Energie enthalten, die sehr viele Rohstoffe ersetzen kann. Zugegeben, eine Solarzelle hat nur eine geringe Wirksamkeit von 10-20%, aber bei einer dementsprechenden Vergrößerung der Kollektorenfläche können die in der Grafik gezeigten Heizmittel erspart werden. 9

10 Die Forscher haben wenig Bedenken hinsichtlich möglicher Probleme. Ob sich die Folgen (z.b. Schatten) positiv oder negativ auf die in der Wüste heimische Tier- und Pflanzenwelt auswirkt lässt sich aber nicht beurteilen. Sicher ist aber, dass die nordafrikanischen Länder ihren eigenen Stromverbrauch quasi nebenbei decken können und dass der Bau und Betrieb der Kraftwerke Beschäftigung und Know-how in die Regionen bringt. Afrika bringt für Europa den entscheidenden Vorteil, dass der Übertragungsverlust mit einem Super-Grid (eine Hochspannungsgleichstromleitung mit einer Kapazität von 5000 MW) nur bei etwa 15% liegt. Mit solch einer Leitung könnte man die gewonnene Energie nach Spanien transportieren, die dort in ein EU-Gemeinschaftsnetz eingespeist wird. Das ist aber noch Zukunftsmusik. Nach einer Kalkulation ergeben sich demnach Kosten von 4,5 Cent/kWh. Strom, der mit Windkraftanlagen an der Nordseeküste produziert wird, kostet hingegen 2 Cent pro Kilowattstunde mehr. Zusätzlich erspart jede kwh Sonnenstrom der Atmosphäre im Schnitt rund 600 Gramm des Treibhausgases Kohlendioxid (CO 2 ). Die drei größten Hindernisse an der Durchführung des Konzepts sind aber noch immer der hohe Stromverbrauch für die Herstellung der Solarzellen, der günstiger wird, sobald genug Strom aus den ersten montierten Solarzellen gewonnen wurde, die teure Vernetzung der EU samt der Super-Grids und die Hauptverantwortung in der Politik. Diese Schwierigkeiten wurden aber Mitte Juni angegangen. 15 deutsche Großkonzerne gründeten eine Initiative um geplante 15% der europäischen Stromversorgung durch Sonnenenergie zu decken. Für den Bau in der afrikanischen Wüste sind etwa 400 Milliarden Euro veranschlagt. Die Verantwortlichen sind sehr optimistisch, dass sich Italien, Spanien und auch nordafrikanische Länder an dem Großprojekt beteiligen, allerdings würden die Franzosen noch immer zu stark auf Atompolitik setzen. Bis 2050 soll dieses Riesenprojekt namens Desertec stehen. Sowohl dieses, als auch das Parabolspiegel Projekt sind sowohl technologisch überzeugend und auch realisierbar. 10

11 Im weitaus kleineren Maße sind Solarzellen, wie oben schon erwähnt, heutzutage oft auf Dächern zu finden. In Wuppertal ging die Zahl der Solarund Photovoltaikanlagen in den letzten 10 Jahren stark nach oben. als Energiequelle für Lampen im Garten und Motoren von kleinen Booten, wie wir sie selbst gebaut und auf dem Lake Alexander getestet haben. Johannes Berghaus Der dort gewonnene Strom wird größtenteils in das örtliche Stromnetz eingespeist und vom jeweiligen Anbieter bezahlt. Pro verkaufte kwh ist der Preis höher als der Strom, der vom Lieferanten abgegeben wird. Unsere eigene Photovoltaikanlage hat im Zeitraum von einem Jahr etwa 3700 kwh Strom erzeugt, für die wir je 0,49 bekommen haben. Das macht einen Gesamtbetrag von 1813! Uns ist der Ertrag/kWh für 20 Jahre garantiert, allerdings sinkt er für Neueinsteiger um ein paar Cent pro Jahr, so dass sie mit dem Bau der Photovoltaikanlage abwarten. Nach etwa zehn Jahren rentiert sich die Ausgabe - das wäre doch auch für die Simpsons eine lohnende Anschaffung! Des Weiteren finden Solarzellen auch immer häufiger Anwendung im Außenbereich, beispielsweise 11

12 Ihr Recht steht bei uns im Mittelpunkt! Seit vielen Jahren steht unsere Kanzlei Privatpersonen und mittelständischen Unternehmen als kompetenter Ansprechpartner bei sämtlichen rechtlichen Fragestellungen zur Verfügung. Unser Leistungsspektrum umfasst sowohl die beratende und rechtsgestaltende Tätigkeit als auch die außergerichtliche und gerichtliche Vertretung Ihrer rechtlichen Interessen. Schwerpunktgebiete unserer anwaltlichen Tätigkeit sind das allgemeine Zivil- und Vertragsrecht, Familienrecht, Arbeitsrecht, Miet- und Wohnungseigentumsrecht sowie die Verteidigung in Straf- und Bußgeldverfahren. Wir freuen uns, Sie als Mandanten kennenzulernen! Michael Koepchen Andreas Ranft Michael Rellmann Rechtsanwalt Rechtsanwalt Rechtsanwalt & Mediator Fachanwalt für Miet- und Wohnungseigentumsrecht KOEPCHEN RANFT RELLMANN Schöne Gasse 3 Telefon 0202 / Rechtsanwälte Wuppertal Telefax 0202 /

13 1.1.4 Aufbau und Herstellung von Solarzellen Abb 1: Benötigte Fläche der Solarzellen je nach Zellmaterial. Solarzellen sind elektrische Bauelemente, die das Licht( normalweise Sonnenlicht) auf direkte Art und Weise in elektrische Energie umwandeln. Solarzellen werden meist durch die Dicke des benutzten Materials unterschieden. Es gibt Dick- und Dünnschichtzellen. Das meist benutzte Material, das zur Herstellung von Solarzellen benutzt, wird ist Silicium. Früher wurden Solarzellen aus rundem Material hergestellt, dies ist heutzutage nicht mehr gängig. Nun werden quadratische oder halbwegs quadratische mit leicht abgeschrägten Ecken verwendet. Als Standard werden Zellen mit einer Kantenlänge von 125 und 150 mm hergestellt. Um Solarzellen herzustellen braucht man das Grundmaterial Silicium welches in der Erdkruste vorkommt. Es liegt in Form von Silikaten oder als Quarz vor. Aus Quarzsand kann in einem Hochofenprozess Rohsilizium, sogenanntes metallurgisches Silizium, mit Verunreinigungen von circa 1-2 % hergestellt werden. Aus dem Rohsilizium wird dann über einen mehrstufigen auf Trichlorsilan (farblose, rauchende, hochentzündliche Flüssigkeit) basierenden Prozess polykristallines (aus kleinen Einzelkristallen bestehendes) Reinstsilizium hergestellt. Für Solarzellen ist die Reinheit des Wafers in seiner gesamten Stärke wichtig, um eine möglichst lange Ladungsträger-Lebensdauer zu gewährleisten. Der gesamte Herstellprozess für hochreines Silizium ist zwar sehr energieaufwändig, aber dennoch können die heute verwendeten Solarzellen die für ihre Produktion erforderliche Energiemenge - je nach Bauart - innerhalb von 1,5 bis 5 Jahren wieder kompensieren. Sie haben also eine positive Energiebilanz. Das hochreine Silizium wird in einem Ofen mit Hilfe von einer Induktionsheizung aufgeschmolzen und dann in eine quadratische Wanne gegossen, in der es möglichst langsam abgekühlt wird. Dabei sollen möglichst große Kristalle in den Blöcken entstehen. Die Kantenlänge der Wanne beträgt etwa 50 cm, die Höhe der erstarrten Schmelze etwa 30 cm, diese wird daraufhin in mehrere kleine Blöcke von etwa 30 cm Länge zerteilt. Hat man nun Kristallstäbe hergestellt, müssen nun mit einem Drahtsägeverfahren, diese in sogenannte Wafer gesägt werden. Dabei entsteht aus einem großen Teil des Siliziums Sägestaub, der daraufhin nicht mehr verwendbar ist. Die Dicke der entstehenden Scheiben liegt bei etwa 0,18 0,28 mm. Die fertig gesägten Wafer durchlaufen daraufhin mehrere chemische Bäder um Sägeschäden zu beheben und eine Oberfläche auszubilden, die gut dafür geeignet ist Licht einzufangen. Im Normalfall sind die Wafer mit einer Grunddotierung mit Bor versehen. Diese trägt dazu bei, dass es überschüssige freie positive Ladungen gibt, das heißt, dass Elektronen eingefangen werden können. Man nennt diesen Vorgang auch p-dotierung. 13

14 Eine fertige Solarzelle hat einen p-n-übergang, somit muss die Oberfläche eine n-dotierung bekommen, was in einem Ofen mit einer Phosphor- Atmosphäre geschieht. Die Phosphoratome schaffen eine Zone mit Elektronenüberschuss auf der Zelloberfläche. Schließlich wird die Zelle mit den nötigen Lötzonen und der Struktur, welche für den besseren Abgriff des generierten Stoffes sorgt, ausgestattet. Die Vorderseite der Solarzellen erhält meist zwei Streifen, auf denen später die Bändchen zum Befestigen anderer Solarzellen angebracht werden. Dadurch wird ein Raster kreiert, das den Lichteinfall so wenig wie möglich behindert Funktion von Solarzellen S olarzellen Irina Suslo bestehen meist aus Halbleitermaterialien. Das Besondere an Halbleitern ist, dass sie durch zugeführte Energie bewegliche Elektronen und Defektelektronen erzeugen können. Ein Defektelektron ist ein fehlendes Elektron in der Anzahl der Valenzelektronen, dieses wirkt wie eine bewegliche positive Elementarladung. Defektelektronen werden umgangssprachlich auch Löcher genannt. Um aus diesen transportierten Ladungen elektrischen Strom zu erzeugen braucht man ein internes elektrisches Feld, um die erzeugten Ladungsträger in verschiedene Richtungen zu lenken. Dieses interne elektrische Feld wird durch einen p-n-übergang erzeugt. Ein p-n-übergang ist ein Materialübergang bei Halbleiterkristallen zwischen Bereichen mit unterschiedlicher Dotierung. Übergangszone mit dem elektrischen Feld sollte möglichst weit in das Material hineinreichen. Diese Übergangszone wird durch gezielte Dotierung des Materials eingestellt. Um das gewünschte Profil zu erzeugen, wird gewöhnlich eine dünne Oberflächenschicht stark n-dotiert, die dicke Schicht darunter schwach p-dotiert. Dies hat eine weitreichende Raumladungszone zur Folge. Wenn in dieser Übergangszone nun Photonen einfallen und Elektronen-Loch-Paare erzeugen, so werden durch das elektrische Feld die Löcher zum untenliegenden p-material beschleunigt und umgekehrt die Elektronen zum n-kontakt auf der Oberseite. Ein Teil der Ladungsträger geht in Wärme verloren, der übrige Strom kann direkt von einem Verbraucher benutzt, in einem Akkumulator zwischengespeichert oder mit einem netzgeführten Wechselrichter in das Stromnetz eingespeist werden. Um die Leistung von Solarzellen zu erhöhen wird außerdem immer eine Antireflexionsschicht angebracht um Lichtverlust zu vermeiden. Diese Schicht sorgt meist für die dunkelblau bis schwarze Farbe der Solarzellen. Zellen ohne diese Beschichtung sind silbrig grau. Manchmal wird die Vorderseite der Solarzellen strukturiert oder aufgeraut um die Reflexionsfähigkeit weiter zu senken. Schwarzes Silizium hat eine aufgeraute, nadelförmige Oberfläche, die somit geringe Reflexionen hindeutet. Die Antireflexionsschicht wird bei modernen Solarzellen aus Siliziumnitrid hergestellt. Irina Suslo An diesen p-n-übergangstellen wechselt die Dotierung von positiv nach negativ. Da Licht in Materialien meist exponentiell schwächer wird, muss dieser Übergang möglichst nahe an der Oberfläche liegen, und die 14

15 Verschiedene Typen von Solarzellen Es gibt 5 Typen von Silizium Solarzellen. Diese werden durch den Kristallaufbau unterschieden. a) Monokristalline Zellen werden aus Wafern hergestellt und sind verhältnismäßig teuer. b) Polykristalline Zellen bestehen aus Scheiben, die nicht überall die gleiche Kristallorientierung aufweisen. Sie können z. B. durch Gießverfahren hergestellt werden und sind preiswerter und in Photovoltaik-Anlagen am meisten verbreitet. Abb.1: Polykristalline Zelle mit Siebdruck- Frontkontakten Abb.2: Monokristalline Zelle mit Laser-Frontkontakten c) Amorphe Solarzellen bestehen aus einer dünnen, nicht-kristallinen (amorphen) Siliziumschicht und werden daher auch als Dünnschichtzellen bezeichnet. Sie können etwa durch Aufdampfen hergestellt werden und sind preiswert. Sie haben im Sonnenlicht einen nur geringen Wirkungsgrad, bieten jedoch Vorteile bei wenig Licht, Streulicht und bei hoher Betriebstemperatur. Zu finden sind die amorphen Zellen beispielsweise auf Taschenrechnern oder Uhren. Abb. 3: Amorphe Solarzelle 15

16 d) Mikrokristalline Zellen sind Dünnschichtzellen mit mikrokristalliner Struktur. Sie weisen einen höheren Wirkungsgrad als amorphe Zellen auf und sind nicht so dick wie die gängigen polykristallinen Zellen. Sie werden teilweise für Photovoltaikanlagen verwendet, sind jedoch noch nicht sehr weit verbreitet. Abb.4: Mikokristalline Zelle Abb. 5: Tandem - Solarzelle e) Tandem-Solarzellen sind übereinandergeschichtete Solarzellen, meist eine Kombination von polykristallinen und amorphen Zellen. Die einzelnen Schichten bestehen aus unterschiedlichem Material und sind so auf einen anderen Wellenlängenbereich des Lichtes abgestimmt. Durch ein breiteres Aus- nützen des Lichtspektrums der Sonne haben diese Zellen einen besseren Wirkungsgrad als einfache Solarzellen. Sie werden teilweise auf Photovoltaikanlagen verwendet, sind jedoch noch relativ teuer. Außer den Silizium Solarzellen gibt es noch sogenannte Konzentratorzellen, diese sparen Halbleiterfläche ein, indem sie das Sonnenlicht auf einen kleinen Bereich durch Linsen konzentrieren. Diese Linsen sind im Vergleich zu Halbleitern sehr billig in der Herstellung. Verwendete Materialien für Konzentratorsolarzellen sind III-V-Halbleiter, häufig in Dreischicht-Bauweise. Sie arbeiten noch zuverlässig bei mehr als dem 500-fachen der Sonnenintensität. Konzentratorsolarzellen müssen jedoch dem Sonnenstand nachgeführt werden damit ihre Optik die Sonnenstrahlung auf die Zellen bündeln kann. Bei den Elektrochemischen-Farbstoff Solarzellen, auch bekannt als Grätzel-Zellen, wird der Strom anders als bei den bisher aufgeführten Zellen über die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewonnen; als Halbleiter wird Titandioxid benutzt. Als Farbstoffe werden hauptsächlich Komplexe des seltenen Metalls Ruthenium verwendet, zu Demonstrationszwecken können aber selbst organische Farbstoffe, zum Beispiel der Blattfarbstoff Chlorophyll, als Lichtakzeptor verwendet werden. Organische Solarzellen sind sehr günstig was die Herstellung anbelangt und bestehen aus organischen Stoffen der Chemie, wie zum Beispiel Kohlenwasserstoff Verbindungen. Jedoch liegt der Wirkungsgrad dieser Zellen mit 5% weit unter dem Standard der Halbleiter Solarzellen. Bei Fluoreszenz-Zellen handelt es sich um Solarzellen, die zunächst in einer Platte durch Fluoreszenz Licht größerer Wellenlänge erzeugen, um dieses an den Plattenkanten zu wandeln. Unter dem Namen Thermische Photovoltaik-Zellen werden Zellen verstanden, die nicht Sonnenlicht verwerten, sondern Wärmestrahlung, also Licht wesentlich höherer Wellenlänge. Der Wirkungsgrad ist hierbei durch neuere Arbeiten bis auf 12 % gesteigert worden (vorher maximal 9 %). Eine solche Zelle wäre auf dem Markt gut zu gebrauchen, da bisher Wärme bei großtechnischen Anwendungen durch komplizierte Prozesse entsorgt werden musste. Irina Suslo 16

17 1.1.7 Die Fotosynthese Wer kam eigentlich auf die Idee Licht als Energiequelle zu nutzen? Nicht nur wir Menschen wissen Sonnenenergie zu nutzen. Auch Pflanzen wandeln das Sonnenlicht zu Energie um. Dieser biologische Vorgang nennt sich Fotosynthese. Die Fotosynthese ist die wichtigste chemische Reaktion in der Natur. Die Fotosynthese ist ein biochemischer Vorgang, den alle grünen Pflanzen, verschiedene Algengruppen und Bakteriengruppen betreiben. Sie ermöglicht den Bakterien, Lichtenergie in chemische Energie umzuwandeln und so zum Aufbau organischer Substanzen zu nutzen. Grüne Pflanzen erzeugen ihre Nährstoffe selbst und speichern sie beispielsweise in Früchten, Knollen und Wurzeln. Menschen und Tiere sind auf diese organische Stoffe angewiesen. Sie benötigen den Zucker für ihren Stoffwechsel. Zusammen mit Sauerstoff wird der Zucker dazu genutzt, um Energie freizusetzen. Um die Fotosynthese durchzuführen, benötigt die Pflanze dazu Wasser, das über die Wurzeln aufgenommen wird, und Kohlenstoffdioxid. Dieses gelangt aus der Atmosphäre durch die Spaltöffnungen in das Innere der Blätter. Hier wird mithilfe des Blattgrüns (Chlorophyll), das die Energie des Sonnenlichts umwandeln kann, zunächst Traubenzukker und daraus Stärke hergestellt. Bei der Fotosynthese wird außerdem Sauerstoff und ein geringer Teil Kohlenstoffdioxid und Wasser freigesetzt. In den frühen Morgen- und späten Abendstunden, abhängig von der Belichtungsstärke, verlaufen die entgegengesetzten Prozesse von Fotosynthese und Atmung gleich stark. Zu diesen Zeiten wird Genauso viel Glukose durch Fotosynthese hergestellt, wie Glukose durch Atmung abgebaut wird. Im Experiment ist dies leicht nachzuweisen. Wir lernen die Fotosynthese nur vereinfacht mit Hilfe von Experimenten kennen. In Wirklichkeit ist die Reaktion viel komplexer, für ihre Erforschung bekam der amerikanische Chemiker Melvin Calvin im Jahr 1961 den Nobelpreis. Asya Canadan 17

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19 1.2 Von der Theorie in die Praxis Sonne für Bewegung nutzen Solarenergie ist in der Theorie ein interessantes Thema, aber in der Praxis noch spannender. Mit einem Besuch bei SolarWorld in Dresden bekamen wir Einblicke in die Entwicklung und Produktion von Solarzellen, nachdem wir bereits in unseren wöchentlichen Projekttreffen die technisch-physikalischen Grundlagen der Solarenergie erarbeitet hatten. Nach unserer Rückkehr aus Dresden konnten wir ausgestattet mit gesponserten Solarzellen von SolarWorld unseren Plan verwirklichen eigene Solarboote zu bauen. Kaum gebaut gingen die fertigen Boote in Australien an den Start. Und während unsere Boote auf dem Lake Alexander ihr Rennen machten, bereiteten sich die Teams der World Solar Challenge auf den Wettkampf vor. Mit der besten Unterstützung von Justus Just war es uns möglich das deutsche Team bei ihren Vorbereitungen für das große Solar-Rennen zu begleiten Exkursion nach Dresden SolarWorld in genauen Schritten erkennen. monokristalline und Polykristalline Module waren aufgestellt und uns schon vom Unterricht her bekannt. Das Silizium wurde in allen vorhandenen Schritten gezeigt und die Veränderungen waren deutlich sichtbar, doch waren in diesem Schaubild nur die Ergebnisse der einzelnen Vorgänge dargestellt und dies war nicht der interessanteste Teil unserer Exkursion. Wir hatten die Möglichkeit uns die eigentliche Herstellung der Solarzellen anzusehen. Um unserem Projekt einen gewissen Höhepunkt zu verleihen und um das Aufgenommene besser zu verarbeiten unternahmen wir eine Exkursion nach Dresden zu dem größten Solarwafer, Zellen und Modulen Konzern der Welt. Außerdem ist SolarWorld der einzige Solarzellen Produzent, der in der Lage ist 100% von allen verwendeten Materialien in Solarzellen wieder zu verwenden. Bereits im Vorraum des eigentlichen Hauptgebäudes konnten wir die ganze Solarzellen Produktion Beim Betreten des eigentlichen Industriegebietes wurden uns viele Maßnahmen bewusst, die zur Herstellung von Solarzellen nötig sind; z.b. muss bei der Herstellung von Reinsilizium für Sauberkeit und klare Luft sorgen. Um dies zu erreichen wird ein Druckunterschied zwischen beiden Bereichen aufgebaut und im Klarluftraum herrscht Überdruck, sodass die Luft nur nach außen dringt und die unreine Luft nicht nach innen dringen kann. Diesen Bereich konnten wir nicht betreten aber dafür die anderen Herstellungsbereiche. Uns wurde eine Wafersäge gezeigt, welche Siliziumblöcke durch ein feines Fädenprinzip in 0,2 mm dicke Scheiben schneidet. Dieser Prozess dauert meist 4 Stunden und beruht auf in einem Viereck auf vier Rollen verteilten Fäden, welche sich von 19

20 einer großen Rolle auf eine nächste drehen und somit glatt durch das Silizium fahren. Die verwendeten Fäden sind mit Diamantstaub überzogen und schneiden somit durch die vorhandenen Unreinheiten. Als nächstes wurde uns die eigentlich Herstellung der Zellen gezeigt und auch kaputte Wafer wurden uns vorgeführt. Die Wafer wurden durch Maschinen mit einer Antireflexionsschicht versehen und mit den jeweils nötigen Kontakten. Die fertigen Zellen wurden dann nochmals überprüft und in fertigen Packungen an die Modulfabrik weiter gegeben. In der Modulfabrik wurde uns das Anreihen der einzelnen Zellen näher gebracht. Die Zellen wurden immer in 10er Schaltungen zusammen geschlossen und dann in Module verpackt. Die vielen verschiedenen Herstellungsschritte waren sehr interessant und haben uns das Gelernte viel näher gebracht als es vorher war. Besonders da eine weitere Erklärung folgte und das Gesagte mit den Augen bestätigt wurde. Insgesamt war die Exkursion sehr interessant und hat und allen sehr gefallen. Irina Suslo Solarenergie hautnah Wie aus einem Stück Styropor ein Rennboot wurde Es ist Dienstag, drei Uhr am Nachmittag. Die Physikräume des Gymnasium Bayreuther Straße verwandeln sich für drei Stunden in ein kleines Juniorlabor. Die Schülerinnen und Schüler des Projektes arbeiten mit Hochdruck. Sie bauen zusammen mit ihrem Projektleitern Herrn Wilhelmi, Herrn Just und Frau Finger Boote der besonderen Art. Im Projekt entstehen Solarboote. Sonnenenergie, die durch das Verfahren der Photovoltaik in elektrischen Strom umgewandelt wird, wird genutzt um einen Elektromotor anzutreiben, der mit Hilfe einer Schiffsschraube das Boot antreibt. Bei den ersten Planungen steht für alle fest: Ein Solarboot muss leicht gebaut werden. Die Schü- lerinnen und Schüler entscheiden sich für Styropor als Herstellungsmaterial. Der Rumpf der Solarboote wird durch die Schülerinnen und Schüler nach eigenen Entwürfen und Versuchen konstruiert und gefertigt. Aus einem kleinem Stück Styropor werden zunächst Modelle von ihnen hergestellt. Im Miniaturwasserkanal testen die Projektteilnehmer den Strömungswiderstand ihrer Boote. Nicht jedes Modell besteht direkt den Test. So manches Boot kommt zu Beginn noch ganz schön ins Schwanken. Wiederholt wird die Pfeile angelegt und mit größter Sorgfalt das Objekt optimiert. Die Projektteilnehmer müssen den bestmöglichen Kompromiss zwischen Stabilität und Gewichtseinsparung finden. Schließlich soll ihr Boot das schnellste auf dem Lake Alexander sein. Bald darauf verwandeln sich die kleinen Modelle maßstabsgetreu in Boote mit einer Länge von einem Meter. Immer wieder gleichen die Schülerinnen und Schüler ihr praktisches Tun mit den in der Theorie angefertigten technischen Zeichnungen ab. Schmirgeln des Bootsrumpfs 20