PHOTOVOLTAIK. TU Kaiserslautern, FB Physik, FP I: Photovoltaik

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1 PHOTOVOLTAIK In diesem Versuch sollen die Grundbausteine photovoltaischer Anlagen - die Solarzellen - untersucht werden. Dabei geht es um das grundlegende physikalische Verständnis der Funktionsweise und das Kennenlernen verschiedener Typen von Solarzellen. Die Interpretation der Ergebnisse führt auf grundsätzliche Fragen der Festkörper- bzw. Halbleiterphysik zurück. Der photovoltaische Effekt ist schon seit 1839 bekannt (Becquerel) und fand 1958 als Stromversorgung eines Satelliten seine erste Anwendung in der Raumfahrt. Durch die Weiterentwicklung und den Einsatz neuer Materialien werden Solarzellen zunehmend auch in terrestrischer Anwendung eingesetzt. Die Forschung konzentriert sich zur Zeit auf die kostengünstige Optimierung der kristallinen Solarzellen (überwiegend aus einkristallinem Si oder GaAs für Spezialanwendungen) und auf die Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen mit dem Ziel einer großflächigeren sowie weniger material- und energieintensiven Herstellung. Für den FP-Versuch Photovoltaik stehen eine Auswahl von verschiedenen Solarzellen und ein Versuchsaufbau zu deren Untersuchung zur Verfügung. Es sollen Strom-Spannungs-Kennlinien unter unterschiedlichen Bedingungen (Beleuchtungsspektrum, Intensität, Temperatur) aufgenommen werden. Die Messung der Kennlinien erfolgt mit einem rechnergesteuerten Aufbau, wobei der Computer gleichzeitig zur graphischen Darstellung bzw. zur Auswertung bzgl. der Kenngrößen Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom, Füllfaktor und Wirkungsgrad dient. Ziel des Versuchs ist es, die Abhängigkeit der Kenngrößen von oben genannten Bedingungen für die verschiedenen Solarzellentypen zu verstehen und einen Einblick in die messtechnischen Schwierigkeiten bei deren Bestimmung zu geben. Außerdem werden Abweichungen in den Eigenschaften realer Solarzellen vom idealen Verhalten deutlich. Dies ist eine vorläufige Version der Versuchsanleitung. Für Korrektur- oder Verbesserungsvorschläge jeglicher Art ist der Betreuer sehr dankbar. Betreuer: Frank Heussner Mail: heussner@rhrk.uni-kl.de Raum: Büro: Handy: Stand: Juli 2016 i

2 Inhaltsverzeichnis 1 Aufgabenstellung Messaufbau Einflüsse auf die Kenngrößen Zusatzaufgabe Hinweise zur Versuchsdurchführung Messaufbau Einflüsse auf die Kenngrößen Zusatzaufgabe Bestandsliste 6 4 Erforderliche Kenntnisse 7 5 Literaturliste 8 6 Anhang 9 ii

3 1 Aufgabenstellung Bitte beachten Sie auch die Hinweise zur Versuchsdurchführung in Kapitel 2. Solarzellen vorsichtig handhaben! Achtung auch mit den elektrischen Kontakten! Auf richtige Polung der Solarzelle achten: bei positiver Klemmenspannung fließt negativer Strom (im Verbraucherbild, welches dem Multimeter zugrunde liegt). 1.1 Messaufbau (i) Einstellen der Beleuchtung Versuchen Sie, einen geeigneten Versuchsaufbau für Messungen bei einer Beleuchtungsstärke von annähernd AM 1.5 herzustellen. Hierbei muss ein guter Kompromiss zwischen Beleuchtungsstärke und Homogenität gefunden werden. Benutzen Sie dazu die Solarzelle BP114, deren Kennwerte bei Normintensität im Datenblatt zu finden sind. Beachten Sie ggf. die später im Strahlengang stehenden Wärmeschutzmaßnahmen. Skizzieren Sie die gefundene Geometrie und verwenden Sie diese Einstellungen ab jetzt für alle Hell-Messungen. Vergewissern Sie sich, dass ein Vergleich der Messungen unterschiedlicher Solarzellen gewährleistet werden kann und überprüfen Sie die Homogenität des Beleuchtungsfeldes. (ii) Wärmeschutz Stellen Sie durch Vergleich der verschiedenen Wärmeschutzmöglichkeiten (Lüfter, Wärmefilter, Wasserküvette) sicher, dass die Solarzellen sich nicht wesentlich über Raumtemperatur erwärmen. Benutzen Sie hierfür die Solarzelle mit dem Thermopaar. (iii) U OC -Methode Bestimmen Sie den Einfluss der Temperatur auf die Leerlaufspannung U OC bei Verwendung der verschiedenen Wärmeschutzmöglichkeiten. Welche Solarzelle eignet sich hier am besten? Begründen Sie! (iv) Beleuchtungsspektrum Bestimmen Sie mittels der bekannten spektralen Empfindlichkeit S(λ) (siehe Anhang) der Eichdiode BP34 und dem Spektralfiltersatz das Beleuchtungsspektrum der Halogen-Lampe. Vergleichen Sie ihr Beleuchtungsspektrum mit dem AM 1.5 Spektrum und mit dem Spektrum eines schwarzen Strahlers. Ermitteln Sie außerdem die Transmissionskurven von Wärmefilter und Wasserküvette. Interferenzfilter mit verspiegelter Seite zur Lichtquelle! Nur an den Rändern anfassen bzw. Handschuhe benutzen! 1

4 1.2 Einflüsse auf die Kenngrößen (i) Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung Bestimmen Sie j SC und U OC (mittels Multimeter), sowie die Fläche für alle vorhandenen Zellen. Können Sie aus den Kenndaten bereits erste Erkenntnisse über die Solarzellen gewinnen? (ii) Hellkennlinien Nehmen Sie für mindestens 4 Zellen die Hellkennlinien auf. Bestimmen Sie die Kenngrößen η, FF, P MAX, j SC und U OC und erstellen Sie eine Vergleichstabelle. Treffen Sie bei den vermessenen Zellen eine Auswahl, die Ihnen sinnvoll erscheint und begründen Sie Ihre Entscheidung! (iii) Variation der Temperatur Für die Messung der temperaturabhängigen Kennlinien steht eine Solarzelle aus polykristallinem Silizium zur Verfügung welche auf einem Peltier-Element montiert ist (Zelle F). Somit ist eine Abkühlung sowie Erwärmung der Zelle möglich. Nehmen Sie Hellkennlinien in Abhängigkeit der Temperatur auf und bestimmen Sie die Temperaturabhängigkeit der Kenngrößen η, FF, P MAX, j SC und U OC. Diskutieren Sie anhand der Ergebnisse die U OC -Methode aus Aufgabe 1.1 (iii) und überlegen Sie sich weiter, wie Sie aus den temperaturabhängigen Messungen die Energie der Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials bestimmen können. Versuchen Sie dabei einen möglichst großen Temperaturbereich zu erreichen, die Temperatur sollte dabei jedoch +5 C nicht unter- und +90 C nicht überschreiten). Der Strom für das Peltier-Element darf 8 A nicht überschreiten! Für einen genügend großen Temperaturbereich reichen jedoch bereits 4 A aus. (iv) Variation der Intensität Variieren Sie für mindestens eine der Solarzellen mit Hilfe der Graufilter die Intensität der einfallenden Strahlung und stellen Sie die Intensitätsabhängigkeit der Kenngrößen dar. Zusätzlich sollen aus den gewonnenen Daten der Qualitätsfaktor n sowie der Sperrsättigungsstrom j 0 bestimmt werden (vgl. Aufgabe 1.2 (v)). Filter nur an den Kanten anfassen bzw. Handschuhe benutzen! Achten Sie darauf, dass die Filter am Versuch bleiben. (v) Spektrale Empfindlichkeit Ermitteln Sie mittels des Beleuchtungsspektrums und dem Spektralfiltersatz aus Aufgabe 1.1 (iv) die spektrale Empfindlichkeit von mindestens 2 verschiedenen Solarzellen. Überlegen Sie sich, welche Auswahl geeignet ist und begründen Sie Ihre Entscheidung! 2

5 1.3 Zusatzaufgabe Simulieren Sie durch externes Zuschalten eines Serien- und Parallelwiderstandes deren Einfluss auf die Hellkennlinie einer Solarzelle. Übergeben Sie dem Betreuer alle aufgenommenen Daten und Bilder bspw. auf USB- Stick oder einer dem Heft beigefügten CD! 3

6 2 Hinweise zur Versuchsdurchführung 2.1 Messaufbau Stellen Sie einen Versuchsaufbau her, der eine reproduzierbare Untersuchung der Solarzellen erlaubt. Um die Erwärmung der Solarzellen in Grenzen zu halten, stehen ein Wärmeschutzfilter, eine Wasserküvette sowie Lüfter zur Verfügung. Finden Sie einen guten Kompromiss zwischen Intensität und Homogenität des Beleuchtungsfeldes! Bestimmen Sie mit Zelle B114 die Beleuchtungsstärke Ihres Aufbaus. Die Leistungsdaten dieser Zelle bei einer Bestrahlungsleistung von 1000 W/m 2 ) wurden unter Normbedingungen an einem Sonnensimulator gemessen und sind im Datenblatt im Anhang zu finden. Legen Sie den Abstand der Solarzelle zur Lichtquelle auf der optischen Bank fest, indem Sie versuchen die Werte möglichst gut zu reproduzieren. Messen Sie zur Bestimmung des Beleuchtungsspektrum den Kurzschlussstrom mit Hilfe eines Multimeters und vergleichen Sie Ihr Beleuchtungsspektrum mit dem AM1.5 Referenzspektrum (Datei ASTM G173.xls, Global Tilt 37 ) und dem Spektrum eines schwarzen Strahlers. 2.2 Einflüsse auf die Kenngrößen (ii) Hellkennlinien Das Messprogramm am Versuch bietet die Möglichkeit die meisten Kenngrößen direkt aus den Kurven zu berechnen. Vergleichen Sie diese Daten zunächst mit den Werten aus entsprechenden Fits der Kurven, da die Hellkennlinien an den Endbereichen Artefakte aufweisen können. Zudem bietet die Software die Möglichkeit die Anzahl der Messpunkte zu reduzieren indem Messpunkte nur aufgenommen werden, wenn die aktuelle Spannung oder der Strom eine einstellbare Differenz zum vorigen Punkt überschreiten. Nutzen Sie diese Funktion exemplarisch für einige Kennlinien, wozu ist diese Funktion sinnvoll? Vergleichen Sie die aus den Kennlinien bestimmten Größen für Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung mit den Multimeter-Werten aus Aufgabe 1.2 (i). (iii) Spektrale Empfindlichkeit Messen Sie analog zu Aufgabenteil 1.1 (iv) für verschiedene Wellenlängen die Kurzschlussströme mit dem Multimeter. Berechnen Sie daraus die spektrale Empfindlichkeit S(λ) und tragen Sie diese auf. Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse im Hinblick auf Unterschiede zwischen den Zellen und auf die theoretischen Grundlagen. 4

7 2.3 Zusatzaufgabe Überlegen Sie sich, wie man aus den Kennlinien graphisch den Serien- oder Parallelwiderstand bestimmen kann. Durch externes Zuschalten von Widerständen unterschiedlicher Stärke während der Kennlinienmessung können Sie diese simulieren. Beschreiben Sie mit den Ergebnissen welchen Einfluss ein zusätzlicher Serien- bzw. Parallelwiderstand auf die Hellkennlinie und die Kenngrößen einer Solarzelle hat. Begründen Sie Ihre Wahl der Solarzelle. Können Sie mit dem gewonnenen Wissen Aussagen über bereits gemessene Hellkennlinien anderer Solarzellen machen? 5

8 3 Bestandsliste Lichtquelle Netzteil Wasserküvette Wärmeschutzfilter Lüfter Multimeter Graufiltersatz Interferenzfiltersatz Netzteil für Peltier-Element Digitalthermometer Linsen Verschiebetisch Solarzellen A C D E F BPW34, monokristallines Si (bekannte spektrale Empfindlichkeit) Modul, a-si:h (pin), 8 Zellen Modul, a-si:h (pin), 8 Zellen drei Solarzellen, a-si:h (pin) polykristallines Si, montiert auf Peltier-Element G B114, GaAs (Fläche: 1 cm 2 ; I SC = 22, 4 ma, U OC = 1010, 33 mv unter Normbedingungen) H A n C n M 3 K, B n, D n CdTe Solarzelle monokristallines Si Dünnschicht-Solarzelle a-si CIS Solarzelle monokristallines Si Unbekannt 6

9 4 Erforderliche Kenntnisse Festkörperphysik elektronische Eigenschaften (Bändermodell) optische Eigenschaften (Absorption, Transmission, Reflexion) Peltier-Effekt Halbleiter kristalline und amorphe Halbleiter Dotierung Ladungsträgerkonzentration Diffusion- und Driftgeschwindigkeit Rekombination und Generation Diode, Photodiode, LED pn-übergang Shockley-Gleichung Elektromagnetische Strahlung Planck sches Strahlungsgesetz Sonnenspektrum (AM 0, AM 1.5) Sonnensimulator Solarzellen Wirkungsgrad Leerlaufspannung Kurzschlussstrom Füllfaktor spektrale Empfindlichkeit Quantenwirkungsgrad 7

10 5 Literaturliste P. Würfel - Physik der Solarzelle A. Goetzberger, B. Voß, J. Knobloch - Sonnenenergie: Photovoltaik H.G. Wagemann, H. Eschrich - Grundlagen der photovoltaischen Energiewandlung D. Meissner - Solarzellen, Phys. Grundlagen und Anwendungen in der Photovoltaik W. Demtröder - Experimentalphysik 3 - Atome, Moleküle und Festkörper Nutzen Sie die oben aufgeführte Literaturliste sowie den Katalog der Universitätsbibliothek um sich mit den Grundlagen zu diesem Versuch vertraut zu machen. 8

11 Anhang 9