Strom und Spannungsmessung, Addition von Widerständen, Kirchhoffsche Regeln, Halbleiter, p-n-übergang, Dioden, fotovoltaischer Effekt

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1 Versuch 27: Solarzellen Seite 1 Aufgaben: Vorkenntnisse: Lehrinhalt: Literatur: Messung von Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung von Solarzellen, Messung der I-U-Kennlinien von Solarzellen, Bestimmung der maximalen Leistung Strom und Spannungsmessung, Addition von Widerständen, Kirchhoffsche Regeln, Halbleiter, p-n-übergang, Dioden, fotovoltaischer Effekt Solarzellen, Kennlinien von Solarzellen, Wirkungsgrad Regenerative Energiesysteme, Hanser-Verlag, Lehr- und Praktikumsbücher der elektrischen Messtechnik, Internet 1. Einführung Die direkte Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie nennt man Photovoltaik. Die erste Beobachtung der Photovoltaik machte 1839 Alexandre Edmond Bequerl. Der konkrete Nachweis dieses Effekts gelang 50 Jahre später Charles Fritts. Solarzellen sind eine Möglichkeit, die Photovoltaik zu nutzen. Eine Solarzelle ist im Prinzip eine Halbleiterdiode mit einem p-n-übergang. Das typische Halbleitermaterial ist das 4-wertige Silizium. Der p-n- Übergang wird realisiert, indem eine Seite mit 3-wertigen Atomen (z.b. Bor, Akzeptor) und die andere Seite mit 5-wertigen Atomen (z.b. Phosphor, Donator) dotiert werden. Bezüglich der 4-wertigen Bindungsstruktur des Halbleiters hat das 5-wertige Atom ein Bindungselektron zu viel und das 3-wertige ein Bindungselektron zu wenig. Weil die Bindungsenergie der überzähligen Donatorelektronen sehr klein ist, sind bei Zimmertemperatur praktisch alle Elektronen frei. Die Donatorelektronen diffundieren in den p-dotierten Halbleiter. Dadurch wird der p-bereich in der so genannten Raumladungszone negativ und der n-bereich positiv geladen (s. Abb. 1). Es entsteht also ein elektrisches Feld. Der Diffusionsprozess kommt zum Erliegen, wenn die Elektronen gegen die Diffusionsspannung U D nicht mehr ankommen. Typische Werte für U D sind V. Abb. 1: p-n-übergang mit Raumladungszone. Bei einem Halbleiter ist das Leiterband vom Valenzband durch eine Energielücke von etwa 1 ev getrennt. Wird die Solarzelle mit hinreichend energiereichem Licht bestrahlt, können Elektronen vom Valenz- in das Leitungsband gehoben werden. Aufgrund der Diffusionsspannung kommt es zu einer Trennung der entstehenden Ladungsträger. Die Elektronen wandern in den n-bereich und laden diesen negativ auf. Der p-bereich wird

2 Versuch 27: Solarzellen Seite 2 entsprechend positiv. Die Anreicherung von Elektronen im n-gebiet und von Löchern im p- Gebiet wird gestoppt, wenn das entsprechende Potenzial gleich der Diffusionsspannung des p- n-übergangs ist. Werden die beiden Seiten der Solarzelle verbunden, kann ein Strom fließen, der proportional zur Beleuchtungsstärke ist (s. Abb. 2). Abb. 2: Vorgänge in einem p-n-übergang bei Lichteinstrahlung. Wird die Solarzelle mit weißem Licht bestrahlt, können nur diejenigen Photonen zum Photostrom beitragen, deren Energie mindestens so groß wie die Energielücke des Halbleiters ist. Andererseits tragen die Photonen mit höherer Energie auch nur ein Elektron bei. Zusätzlich gibt es Verluste durch Reflexion von Licht auf der Zellenoberseite sowie teilweise Rekombination von Ladungsträgern bevor diese getrennt wurden. Dadurch ist der reale Wirkungsgrad von Solarzellen je nach Bauart auf 5-25% begrenzt. Im Versuch kommen vier Solarzellen zum Einsatz (Abb. 3, links). Zum Schutz vor Streulicht und zur Gewährleistung konstanter Lichtverhältnisse befinden sie sich innerhalb eines Metallbehälters. Die Zellen werden von einer 100W Halogenlampe in 30 cm Höhe bestrahlt. Die Verschaltung der Solarzellen wird außerhalb des Metallbehälters vorgenommen. Dazu dient eine Plexiglasscheibe (Zellendummy), auf der die vier Zellen angedeutet sind (Abb. 3, rechts). Wichtig: Bitte vermeiden Sie die Berührung der Solarzellen. Sie sind sehr empfindlich!! Stellen Sie sicher, dass die Solarzellen in der Metallbox zentriert sind (Abschattung). Bitte die Bananenstecker auf dem Zellendummy, die von den Solarzellen kommen nicht entfernen

3 Versuch 27: Solarzellen Seite 3 2. Aufgaben Abb. 3: Die vier zum Einsatz kommenden Solarzellen (links) und der Solarzellendummy zum Verschalten der Zellen (rechts). 1.) Bestimmen Sie den Kurzschlussstrom I K und die Leerlaufspannung U 0 einer Solarzelle. 2.) Bestimmen Sie den Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung für die Reihenschaltung von 2, 3 und 4 Solarzellen. Bestimmen Sie den Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung für die Parallelschaltung von 2, 3 und 4 Solarzellen. 3.) Messen Sie die I-U-Kennlinie einer Solarzelle. Bestimmen Sie die maximale Leistung und den Innenwiderstand der Solarzelle. 4.) Bauen Sie ein Solarmodul aus jeweils zwei in Reihe geschalteten Solarzellen auf. Messen Sie den Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung. Nehmen sie die I-U- Kennlinie des Solarmoduls auf. Bestimmen Sie die maximale Leistung und den Innenwiderstand des Solarmoduls. 5.) Bestimmen Sie näherungsweise den Wirkungsgrad der Solarmodule. Schätzen Sie die benötigte Fläche von Solarzellen ab, die ein Kraftwerk mit einer elektrischen Leistung von 1 GW im Mittel ersetzen. 3. Durchführung 1 Verbinden Sie eine Solarzelle mit dem Zellendummy. Messen Sie den Kurzschlussstrom I K und die Leerlaufspannung U 0. Beachten Sie, dass sich I K und U 0 nicht gleichzeitig messen lassen. Verwenden Sie für diese Messung das Analogmultimeter. Beim Umschalten von Spannungs- auf Strommessung bitte Gerät von der Spannungsquelle abtrennen.

4 Versuch 27: Solarzellen Seite 4 2 Schalten Sie nacheinander jeweils 2, 3, und 4 Zellen in Reihe (Abb. 4) und messen Sie I K und U 0. Wie verhält sich I K und U 0 als Funktion der Zellenzahl? Schalten Sie nacheinander jeweils 2, 3, und 4 Zellen parallel (Abb. 5) und messen Sie I K und U 0. Wie verhält sich I K und U 0 als Funktion der Zellenzahl? Abb. 4: Reihenschaltung von Solarzellen. Abb. 5: Parallelschaltung von Solarzellen. 3 Messen Sie die I-U-Kennlinie einer Solarzelle. Dazu variieren Sie den Lastwiderstand R L. Verwenden Sie folgende Widerstandswerte: 0.5Ω, 1Ω, 3Ω, 5Ω, 6Ω, 7Ω, 8Ω, 9Ω, 10Ω, 11Ω, 12Ω, 13Ω, 14Ω, 15Ω, 20Ω, 50Ω, 120Ω, 200Ω. Die nicht direkt zu Verfügung stehenden Werte (z.b. 0.5Ω oder 200Ω) können Sie durch geeignete Parallel- oder Reihenschaltung der vorhandenen Widerstände erhalten. Für die Spannungsmessung verwenden Sie das Digitalmultimeter VC140 und für die Strommessung das Analogmultimeter. Wählen sie als Messbereich immer 0.1 A, auch wenn der Strom relativ kleine Werte annimmt. Tragen Sie den Strom gegen die Spannung auf (am Praktikumstag). Finden Sie den Punkt auf der Kurve, welcher der größten abgegebenen Leistung P=UI entspricht. In dem I-U-Diagramm ist die Leistung die Fläche eines Rechtecks. Tragen Sie das Rechteck gemäß der maximalen Leistung ein. Tragen Sie die

5 Versuch 27: Solarzellen Seite 5 Leistung gegen den Logarithmus des Lastwiderstands auf. Tragen Sie die Leistung gegen den Widerstand im Bereich 0 bis 20Ω linear auf. Wie groß ist die maximale Leistung bei dieser Methode? Der Innenwiderstand der Zelle ist gleich dem Lastwiderstand bei maximaler Leistungsabgabe. 4 Bauen Sie ein Solarmodul mit einer Parallelschaltung aus jeweils zwei in Reihe geschalteten Zellen (Abb. 6). Messen Sie I K und U 0. Dann nehmen Sie die I-U- Kennlinie des Solarmoduls auf. Gehen Sie wie in Aufgabe 3 vor. Für die Widerstände 0.5Ω, 1Ω und 3Ω wählen sie als Messbereich 0.3A, sonst 0.1A. Abb. 6: Solarmodul mit Lastwiderstand. 5 Bestimmen Sie näherungsweise den Wirkungsgrad des Solarmoduls. Die Leistung der Lampe ist 100W bei einem Wirkungsgrad von 15%. Der Radius des Lichtkegels ist 20cm, der effektive Radius des Solarmoduls ist 5cm. Wie groß muss die Fläche an Solarzellen sein, um ein Kraftwerk mit einer elektrischen Leistung P=1GW zu ersetzen. Gehen Sie von einem Zellenwirkungsgrad von 10% und einer Lichtleistung bei senkrechtem Sonneneinfall von 1300W/m 2 aus. Reicht diese Fläche wirklich? 4. Fehlerbetrachtung Tragen Sie in die Diagramme Fehlerbalken ein. Der Fehler der Digitalmultimeter beträgt 5% der Anzeige, der Fehler der Analogmultimeter beträgt 1% vom Vollausschlag. Der Fehler der Widerstände beträgt 5%. Der Fehler der Leistung ergibt sich durch: P = UI U I

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