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1 Solarzellen Friedrich-Schiller-Realschule Böblingen Basiswissen Elektronik - Wissen Schaltzeichen einer Solarzelle Geschichte: Wann wurde die erste Solarzelle entwickelt? Der photovoltaische Effekt wurde vor fast 200 Jahren entdeckt. Es war der franz. Physiker Becquerel, dem 1839 diese Entdeckung gelang. Das Wort Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort Licht (=Photo) und dem Namen des italienischen Physikers Alessandro Volta. Unter diesem Begriff versteht man die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mit Hilfe einer Solarzelle. Unter dem Photoeffekt versteht man die Freisetzung von positiven und negativen Ladungen in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung. Die ersten nutzbaren Solarzellen wurden 1954 entwickelt (aus dem Halbleiter Silizium). Funktion und Aufbau einer Solarzelle Photovoltaik ist direkte Umwandlung von Licht in elektrische Energie. Die heute erhältlichen Solarzellen können bis zu 18% der eingestrahlten Sonnenenergie in Strom umwandeln. Sie bestehen meist aus dem Grundmaterial Silizium, einem der häufigsten chemischen Elemente der Erdrinde. Zur Herstellung ist eine hochentwickelte Halbleitertechnologie notwendig. Eine Solarzelle ist grundsätzlich wie eine Halbleiterdiode aufgebaut. Die nur einige Zehntel- Millimeter dicke p-dotierte Schicht wird aus der dem Licht zugewandten wenige Tausendstel- Millimeter tiefen Vorderseite n-leitend dotiert. Auf beiden Seiten werden zusätzlich Metallkontakte für die Stromabnahme aufgedampft, auf der Vorderseite als Gitter, das aber nur 10% der Fläche abdeckt, um möglichst viel Sonneneinstrahlung durchzulassen. Im Grenzbereich zwischen dem p- und n-dotierten Halbleiter, dem pn-übergang, baut sich ein inneres elektrisches Feld auf. Gelangen nun Lichtstrahlen in diese Grenzschicht, löst die Energie der Protonen Elektronen aus ihrer Bindung, erzeugt also freie Elektronen und sogenannte Löcher. Unter dem Einfluss des inneren Feldes wandern die Elektronen in die n- Schicht, die Löcher in die p-schicht. Die n-dotierte Schicht wird negativ (-), die p-dotierte Schicht positiv (+) aufgeladen. An beiden Schichten kann man an den Metallelektroden die entstehende Ladungsdifferenz als elektrische Spannung abnehmen. Wird die Spannung so erzeugt, handelt es sich um die Sperrspannung einer Siliziumdiode. Diese ist auf Maximal 0,5V begrenzt, die der Spitzenleistung liegt bei 0,01W/m!. Um größere Leistungen zu Seite 1 von 6

2 erreichen, werden viele Zellen zu einem Modul zusammengeschaltet. So können mit einem Quadratmeter pro Jahr ca. 100kWh elektrische Energie erzeugt werden. Werdegang (Herstellung) einer Silizium-Solarzelle Arten von Solarzellen Wie wirkungsvoll eine Solarzelle die Lichtenergie in elektrische Energie umsetzt, hängt vorwiegend vom Herstellungsverfahren ab. Hier unterscheidet man: Monokristalline Zellen = mittlerer Wirkungsgrad, aufwendig und teuer, Anwendung zuerst in der Raumfahrt Polykristalline Zellen = mittlerer Wirkungsgrad Amorphe Zellen = günstiges Herstellungsverfahren, aber geringer Wirkungsgrad Seite 2 von 6

3 Spannung Die Spannung einer Zelle ist abhängig von der Beleuchtungsstärke und erreicht einen Maximalwert von ca. 0,5V pro Zelle bei vollem Sonnenlicht. Ist es trüb, ist es wesentlich weniger. Beim Bestrahlen entstehen in der p-schicht des Siliziums zusätzlich freie Elektronen und auch Löcher. Diese innere Spannung zieht einen Teil der Elektronen von der p- zur n-schicht. In der n-schicht entsteht somit ein Überschuss an negativer Ladung, in der p-schicht ein Überschuss an positiver Ladung. Dies ist an den Anschlussklemmen als Spannung messbar. Wird nun ein Verbraucher angeschlossen, so fließt ein Strom. Stromstärke Die Stromstärke ist, wenn man die Beleuchtungsstärke und den Solarzellentyp ausgeklammert, abhängig von der Zellengröße. Je größer die Zellenfläche ist, umso mehr Elektronen und positive Löcher können durch das Licht aus ihrem Bindungsverband herausgelöst werden. Mehr Elektronen bedeuten mehr Strom! Eine Solarzelle kann, unabhängig von der Größe, eine elektrische Spannung von ca. 0,5V erzeugen. Wird an die Solarzelle ein Gerät bzw. Verbraucher (z.b. Motor, LED usw.) angeschlossen, so wird der Stromkreis geschlossen und es fließt elektrischer Strom. Wirkungsgrad Nur ein relativer Teil der auftreffenden Lichtenergie kann in elektrische Energie umgesetzt werden. Man spricht in diesem Zusammenhang von einem Wirkungsgrad von 8-12%. Wenn Seite 3 von 6

4 man davon ausgeht, dass uns bei voller Sonneneinstrahlung 1000 Watt pro m! erreichen, bedeutet dies, dass man bei einer Solarzellenfläche von 1 dm! eine Leistung von höchstens ca. 1 Watt erhalten kann (1 Watt = 0,5 Volt x 2 Ampere). Der Wirkungsgrad hängt aber vorwiegend vom Herstellungsverfahren ab. Reihen- und Parallelschaltungen von Solarzellen a) Reihe Mit einer einzelnen Zelle, die eine maximale Spannung von 0,5 Volt liefert, lässt sich nicht viel anfangen. Da man im Allgemeinen höhere Spannungen benötigt, schaltet man mehrere Zellen in Reihe. Dadurch addieren sich die Einzelspannungen, aber die erreichbare Stromstärke bleibt dabei die gleiche. Eine einzelne Solarzelle, die normalerweise die Größe von 12 cm! besitzt, liefert in der Regel bei voller Sonneneinstrahlung eine Spannung um 0,5V und eine Stromstärke von etwa 100mA. Da mit so niedrigen Werten nicht sehr viel anzufangen ist, können mehrere Solarzellen zusammengeschaltet werden. b) Parallel Um die mögliche Stromstärke zu erhöhen schaltet man einzelne Zellen parallel. Da dies bei einer Spannung von 0,5 Volt wenig Sinn macht, bringt man zunächst durch eine Reihenschaltung mehrerer Einzelzellen die Spannung auf den gewünschten Wert, um diese Reihenschaltung dann weitere Reihenschaltungen parallel zu schalten. Man spricht hier von Modulen. Sind mehrere Module zusammengeschaltet, spricht man von einem Solargenerator. c) eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung Bei der Reihenschaltung addiert sich die Spannung jeder einzelnen Solarzelle, die Stromstärke wird jedoch nicht erhöht, es wird also nur die Menge einer Einzelzelle geliefert. Bei der Parallelschaltung erhöht sich wiederum die Stromstärke, die Spannung bleibt jedoch die gleiche wie bei einer Einzelzelle. Um beide Effekte, eine höhere Spannung und eine höhere Stromstärke, zu erzielen, wird die Kombination von Reihen- und Parallelschaltung Seite 4 von 6

5 benötigt. Man nennt dies einen Solargenerator. Kennlinie der Solarzelle Die Kennlinie der Solarzelle gibt Aufschluss über deren elektrischen Eigenschaften, insbesondere über deren Leistung (Arbeitsverhalten). Aufnahme der Kennlinie: Ist der Belastungswiderstand auf 0" eingestellt, so ergibt dies eine Spannung von ca. 0V. Die Stromstärke ist jedoch erheblich höher. Wird der Widerstand langsam erhöht, so steigt die Spannung der Zelle, die Stromstärke wird aber kaum beeinflusst. Ab ca. 0,5 Volt sinkt die Stromstärke stark ab, ohne dass die Spannung noch erheblich steigt. Die Kunst beim Einsatz von Solarzellen besteht darin, die Spannung der Solarzellen und den Energiewandler mit seinem Widerstandswert so aufeinander abzustimmen, dass das Solarmodul in seinem Leistungsmaximum arbeitet. Seite 5 von 6

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