Schulversuchspraktikum 2000 bei Mag. Monika TURNWALD

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1 PROT OKOLL Versuche zur S OLA RZELLE Schulversuchspraktikum 2000 bei Mag. Monika TURNWALD Arbeitsgruppenprotokoll Günter EIBENSTEINER Matrikelnummer Christian J. ZÖPFL Matrikelnummer

2 Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS 1. EINLEITUNG SEITE 3 2. GRUNDLANGEN SEITE n- und p-leiter 2.2. Aufbau einer Solarzelle 2.3. Lernziele 3. DURCHGEFÜHRTE VERSUCHE Seite Solarzelle als Energiewandler 3.2. Diodenfunktion von Solarzellen 3.3. Leerlaufspannung von Solarzellen 3.4. Kurzschlussstrom von Solarzellen 3.5. Innenwiderstand von Solarzellen 3.6. Reihenschaltung von Solarzellen erstellt am :21 Seite 2

3 1. EINLEITUNG Gratis Strom zu bekommen, spätestens seit den Erdölkrisen der 70er Jahre, ein Wunschtraum der Menschen. Mit dem Fortschritt der Halbleiterphysik, kamen auch die Solarzellen auf, die es ermöglichen aus dem Licht der Sonne elektrischen Strom zu gewinnen. Nun könnte man eigentlich Heureka rufen, auf dem Dach eine große Solaranlage montieren und den Fernseher am besten 24 Stunden am Tag laufen lassen, es kostet ja eh nix. Grundsätzlich stimmt die Sache, nur ist der Wirkungsgrad von Solarzellen (noch immer) relativ gering und Solarzellen haben ein grundsätzliches Problem. Sie liefern eben nur dann Strom, wenn Licht auf sie fällt. Naja aus den 24 Stunden TV täglich wird wohl nichts. Kluge Köpfen werden nun vorschlagen: Macht doch nichts, wir speichern die Energie einfach in Batterien und schon ist die Sache perfekt. Leider wieder nein. Durch die Speicherung sinkt der Wirkungsgrad wieder beträchtlich und Akkumulatoren haben einen relativ geringe Lebensdauer. In der Praxis kann die Solarzelle also nur als Ergänzung zu anderen Energiegewinnungssystemen eingesetzt werden. Hier hat sie allerdings gute Chancen, da die Entwicklungen sehr schnell vor sich gehen und der Wirkungsgrad ständig optimiert wird. 2. GRUNDLAGEN 2.1. n und p Leiter Die Grundlage jeder Solarzelle sind dotierte Halbleitermaterialen. Da auf deren Herstellung und Anwendung bereits im Protokoll Diode bzw. Transistor genau eingegangen wurde, scheint eine erneute Ausführung hier überflüssig. erstellt am :21 Seite 3

4 2.2. Aufbau einer Solarzelle Vergleichbar zur Diode sind bei der Solarzelle ebenfalls ein n und p Leiter aufeinander aufgebracht. Mit diesen beiden Schichten sind Metallelektroden leitend verbunden. Anders als bei der Diode ist die dem Licht zugewandte Seite allerdings sehr dünn (die Gesamtdicke von p und n Leiter liegt bei etwa 30 µm), um den Lichtstrom in die zweite Schicht nicht zu behindern. Die genaue Funktionsweise einer Solarzelle kann auf AHS Niveau nicht erklärt werden, 1 sie kann aber kurz skizziert werden. Durch die einfallenden Photonen, werden Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband (also einfach in ein höheres Energieniveau) gehoben. Die im Leitungsband befindlichen Elektronen sind frei beweglich und werden durch das elektrische Feld zwischen p und n Leiter von den ihnen zugehörigen Atomrümpfen getrennt Lernziele Unterstufe In der Unterstufe (sowohl in der 7. als auch der 8. Schulstufe [3. bzw. 4. Klasse]) wird die Solarzelle lediglich als Gerät zur alternativen Energiegewinnung besprochen. Da die Grundlagen der dotierten Halbleiter noch nicht bekannt sind, ist eine tatsächliche Besprechung des Aufbaues bzw. Funktionsprinzips nicht sinnvoll. Im Zug der Besprechung der Solarzelle, sollten auch andere alternative Energiequellen, wie etwa Wärmepumpen oder Windkraft, besprochen werden. Die Solarzelle kann aber auch im Zuge des Kapitels Versorgung mit elektrischer Energie erfolgen. Auch den möglichen Einsatzgebieten von 1 Vgl. dazu Festkörperphysik erstellt am :21 Seite 4

5 Solarzellen (Taschenrechner, Solarkraftwerk, Hausversorgung, ) sollte Augenmerk gegeben werden. Zusammenfassung: In der Unterstufe soll die Solarzelle als alternative Energiequelle besprochen werden. Auf ihre genau Funktionsweise muss aber nicht eingegangen werden Oberstufe Da in der Oberstufe die Grundlagen der Halbleiterphysik und auch die Funktionsweise von Diode und Transistor bereits bekannt sind, kann die Solarzelle von einem etwas ernsteren Standpunkt betrachtet werden. Die Anwendungsbereich der Photovoltaik, die ja aus der Unterstufe bereits ausführlich bekannt sein sollten, sollten nochmals wiederholt werden. Anschließend soll die Funktionsweise und der Aufbau einer Solarzelle grundsätzlich besprochen werden. Die Solarzelle kann zum Beispiel im Zug der Besprechung der Halbleitermaterialen durchgenommen werden. Zusammenfassung: In der Oberstufe sollten die aus der Unterstufe bekannten Anwendungsbereiche der Photovoltaik wiederholt werden. Der Aufbau und die Funktionsweise werden anschließend besprochen. erstellt am :21 Seite 5

6 3.DURCHGEFÜHRTE VERSUCHE 3.1. Solarzelle als Energiewandler Der Zweck dieses Versuchs ist es, den Schülern klarzumachen, dass eine Solarzelle Lichtenergie in elektrische Energie umwandelt. Lichtenergie wird der Solarzelle zugeführt, elektrische Energie abgegeben. Lässt sich mit der elektrischen Energie, die eine Solarzelle liefert, ein Elektromotor antreiben? Versuchsaufbau: Aufbau gemäß Abbildung Benötigte Geräte: Netzgerät Experimentierleuchte Solarzelle Elektromotor Versuchsdurchführung: Der Abstand zwischen Experimentierleuchte und Solarzelle beträgt ungefähr 10 cm. Nach Einschalten der Experimentierleuchte sollte sich der Elektromotor anlaufen. Wenn der Elektromotor nicht von selbst anläuft, muss er unter Umständen mit den Fingern angeworfen werden. erstellt am :21 Seite 6

7 Versuchsergebnis: Nach Einschalten der Experimentierleuchte beginnt der Elektromotor zu laufen. Wenn die Verbindungskabel an der Solarzelle umgepolt werden, dreht sich der Motor in die andere Richtung. Eine Solarzelle ist also (wie eine Taschenlampenbatterie) eine Gleichstromquelle. Je größer die Entfernung zwischen Experimentierleuchte und Solarzelle ist, desto langsamer dreht sich der Motor. Zum Schluss bleibt er stehen. Wenn nicht mehr genügend Lichtenergie auf die Solarzelle trifft, kann auch nicht mehr genügend elektrische Energie zum Antrieb des Elektromotors erzeugt werden. Der Motor bleibt dann stehen. Welche Energieumwandlungen finden in der Solarzelle und im Elektromotor statt? Licht - Solar elektr. elektr. Elektro Bewegungs - zelle motor energie Energie Energie energie Bemerkung: In Mitteleuropa strahlt die Sonne auf 1 m 2 waagerechte Fläche im Mittel 1000 kwh pro Jahr solare Energie. In der Bundesrepublik Deutschland mit einer Fläche von rund km 2 = 250 Mrd.m 2 wären das insgesamt Mrd. kwh/a. Bereits ein kleiner Teil dieser Solarenergie würde ausreichen, um den Jahresbedarf an elektrischer Energie der Bundesrepublik Deutschland mit Hilfe von Solarzellen zu erzeugen. Dafür spricht folgende Überlegung: 2% der eingestrahlten Solarenergie entsprechen 5000 Mrd. kwh. Bei einem Wirkungsgrad heutiger Solarzellen von etwa 10% ließen sich daraus 500 Mrd. kwh erzeugen. Der Bedarf der Bundesrepublik Deutschland an elektrischer Energie beträgt derzeit nur etwa 400 Mrd. kwh/a. Im nächsten Jahrhundert werden also solarelektrische Stromversorgungsanlagen eine immer größere Rolle spielen. Die Solarzelle wandelt Lichtenergie direkt in elektrische Energie um. Es existiert nur eine Umwandlungsstufe. Bei Wärmekraftwerken, in denen heute mehr als 90% unserer elektrischen Energie erzeugt wird, finden vier Energieumwandlungen statt: Primärenergie (Brennstoff/Kernenergie) Wärmeenergie Spannenergie (pot. Energie) Bewegungsenergie elektrische Energie. erstellt am :21 Seite 7

8 3.2. Diodenfunktion einer Solarzelle Eine Solarzelle setzt sich aus einer n Schicht und einer p Schicht zusammen. Auch eine Halbleiterdiode besteht aus einer n Schicht und einer p Schicht. Solarzelle und Diode haben im Prinzip denselben Aufbau. Kann man also auch eine Solarzelle als Diode verwenden? Versuchsanordnung: Aufbau gemäß Abbildung Benötigte Geräte: Netzgerät Monokristalline Solarzelle Glühlampe Amperemeter Versuchsdurchführung: Die Solarzelle wird in unterschiedlicher Richtung in den Stromkreis gebracht. erstellt am :21 Seite 8

9 Was wird beobachtet? Dann setzt man die Solarzelle so in den Leiterkreis, dass sie den elektrischen Strom sperrt. Dann nimmt man die schwarze Pappe ab und beleuchte die Solarzelle. Was wird beobachtet? Versuchsergebnis: Die Lampe leuchtet nicht. Der Strommesser zeigt eine geringe Stromstärke an. Die Lampe leuchtet. Setzt man die Solarzelle so in den Leiterkreis, dass sie den elektrischen Strom sperrt, nimmt die schwarze Pappe ab und beleuchtet die Solarzelle, dann steigt die Stromstärke an, denn der Widerstand einer Solarzelle verringert sich, sobald sie beleuchtet wird. Bemerkung: Die Höhe der Stromstärke in Sperrrichtung ist von der Größe der Solarzellenfläche abhängig. Bei Flächen in der Größenordnung von fast 40 cm 2 erreicht die Stromstärke in Sperrrichtung leicht 20 ma. Damit dieser Effekt nicht eintritt, wird hier eine kleinere Zelle der Solarbatterie verwendet. Fließt ein elektrischer Strom in Durchlassrichtung durch eine Solarzelle, die als Diode verwendet wird, fällt an ihr eine Spannung ab. Aus dem Spannungsabfall U und der Stromstärke I lässt sich auch die Verlustleistung P berechnen (P=U*I). erstellt am :21 Seite 9

10 3.3. Die Leerlaufspannung einer Silizium solarzelle Eine Silizium Solarzelle besteht aus einer n Schicht und einer p Schicht. Sie kann mit Hilfe von Licht eine elektrische Spannung erzeugen. Ist die Spannung (Leerlaufspannung) von der Größe der Solarzellenfläche abhängig? Versuchsaufbau: Aufbau gemäß Abbildung Benötigte Geräte: Netzgerät Experimentierleuchte Solarzelle Voltmeter Versuchsdurchführung: Der Abstand zwischen Experimentierleuchte und Solarzelle soll ungefähr 10 cm betragen. Dann beleuchtet man die Solarzelle ganz, zur Hälfte und zum Schluss beleuchtet man nur mehr ein Viertel der Solarzelle, und misst jedes Mal die Leerlaufspannung. Versuchsergebnis: Bei einer ganz beleuchteten Fläche der Solarzelle beträgt die Leerlaufspannung 0.41 V erstellt am :21 Seite 10

11 Bei einer halb beleuchteten Fläche der Solarzelle beträgt die Leerlaufspannung 0.4 V Beleuchtet man die Fläche der Solarzelle zu einem Viertel, beträgt die Leerlaufspannung 0.37 V. Die Leerlaufspannung lässt sich nicht erhöhen, indem die beleuchtete Fläche einer Solarzelle vergrößert wird. Bemerkung : Die Leerlaufspannung einer Silicium Solarzelle beträgt U 0 = 0.56 V. Diesen Wert erhält man jedoch nur bei einer ausreichenden Bestrahlungsstärke von E = 1000 W/m 2 = 100 mw/cm 2, bei Licht mit einem dem Sonnenlicht ähnlichen Spektrum und bei einer Temperatur von 25 C. Steigt die Temperatur, sinkt die Leerlaufspannung mit etwa 2,3 mv/k ab. Dass die Leerlaufspannung von der Größe der Solarzellenfläche annähernd unabhängig ist, lässt sich folgendermaßen verständlich machen: Eine Vergrößerung der Solarzellenfläche bedeutet praktisch eine Parallelschaltung von Spannungsquellen. Dabei ändert sich die Spannung nicht. erstellt am :21 Seite 11

12 3.4. Der Kurzschlussstrom einer Silizium solarzelle Mit einer Silizium Solarzelle kann eine elektrische Spannung von etwa 0.5 V erzeugt werden. Wird an die Solarzelle ein Leiterkreis angeschlossen, fließt ein elektrischer Strom. Ist die maximale Stromstärke (Kurzschlussstromstärke) von der Größe der Solarzellenfläche abhängig? Versuchsaufbau: Aufbau gemäß Abbildung Benötigte Geräte: Netzgerät Experimentierleuchte Solarzelle Amperemeter Versuchsdurchführung: Der Abstand zwischen Experimentierleuchte und Solarzelle beträgt wieder 10 cm. Die Solarzelle wird schrittweise mit zwei schwarzen Pappen abgedeckt, und man misst jedes Mal die Kurzschlussstromstärke. Versuchsergebnis: Bei der ganz beleuchteten Fläche der Solarzelle beträgt die Kurzschlussstromstärke 112 ma. erstellt am :21 Seite 12

13 Bei der halb beleuchteten Fläche der Solarzelle beträgt die Kurzschlussstromstärke 60 ma Bei der Beleuchtung von nur einem Viertel der Fläche der Solarzelle beträgt die Kurzschlussstromstärke 30 ma. Je größer die Solarzellenfläche ist, desto größer ist die Kurzschlussstromstärke. Bei Sonnenlicht gilt: 2 fache Fläche bedeutet 2 fache Kurzschlussstromstärke 3 fache Fläche bedeutet 3 fache Kurzschlussstromstärke usw. Bemerkung: Die Kurzschlussstromstärke ist von der Bestrahlungsstärke, dem Spektrum des einfallenden Lichtes und in geringem Maße auch von der Temperatur abhängig. Bei steigender Temperatur erhöht sich die Kurzschlussstromstärke geringfügig um 0.01 %K. Dass die Kurzschlussstromstärke von der Solarzellenfläche abhängig ist, ergibt sich aus einem Vergleich mit der Parallelschaltung von Solarzellen. Eine Vergrößerung der Solarzellenfläche bedeutet praktisch eine Parallelschaltung von Spannungsquellen. Dabei erhöht sich die maximal zur Verfügung stehende Stromstärke. erstellt am :21 Seite 13

14 3.5. Innenwiderstand einer Solarzelle Wird an eine Solarzelle ein Arbeitswiderstand angeschlossen, fließt der elektrische Strom nicht nur durch den äußeren Leiterkreis, sondern auch durch die Solarzelle selbst. Neben dem äußeren Leiterkreis besitzt auch die Solarzelle selbst einen Widerstand, der Innenwiderstand genannt wird. Ist der Innenwiderstand einer Solarzelle von der Bestrahlungsstärke abhängig? Versuchsaufbau: Aufbau gemäß Abbildung Benötigte Geräte: Netzgerät Experimentierleuchte Solarzelle Voltmeter Amperemeter Versuchsdurchführung: Unterschiedliche Bestrahlungstärken werden dadurch eingestellt, dass die Entfernung d verändert wird. erstellt am :21 Seite 14

15 Es werden die Leerlaufspannung und Kurzschlussstromstärke bei unterschiedlichen Bestrahlungsstärken gemessen, und daraus der Innenwiderstand der Solarzelle berechnet. Versuchsergebnis: Bestrahlungsstärke bei den Entfernungen d Leerlaufspannung in V Kurzschlussstromstärke in A Spannung/Stromstärke = Widerstand 10 cm Ω 20 cm Ω 30 cm Ω Der Innen widerstand einer Solarzelle ist von der Bestrahlungsstärke abhängig. Je größer die Bestrahlungsstärke, desto geringer ist der Innenwiderstand. Bemerkung: Die Leerlaufspannung wird auch Urspannung genannt. Sie entsteht aufgrund der Energieumwandlung in der Solarzelle. Direkt gemessen werden kann sie an den Klemmen der unbelasteten Zelle (Klemmenspannung). Wird die Solarzelle belastet, fließt ein elektrischer Strom, und gleichzeitig sinkt die Klemmenspannung ab. Da aber nach wie vor die Urspannung erzeugt wird, muss in der Solarbatterie selbst ein innerer Spannungsabfall auftreten. Bei Belastung gilt deshalb: U kl = U 0 - U i U kl = Klemmenspannung; U 0 = Urspannung; U i = innerer Spannungsabfall Der Innenwiderstand einer Solarzelle und damit auch der innere Spannungsabfall steigen mit der entnommenen Stromstärke. Im Kurzschlussfall wird der elektrische Strom nur durch den Innenwiderstand begrenzt. An dem Innenwiderstand fällt dann die gesamte Spannung, also die Leerlaufspannung, ab. Aus der Leerlaufspannung U 0 und der Kurzschlussstromstärke I k kann man den Innenwiderstand R i berechnen: R i = U 0 /I K Der Innenwiderstand einer Solarzelle ist von der Bestrahlungsstärke abhängig. Je größer die Bestrahlungsstärke ist, desto geringer ist der Innenwiderstand. erstellt am :21 Seite 15

16 3.6. Reihenschaltung von Solarzellen Eine beleuchtete Solarzelle stellt eine Spannungsquelle dar, die etwa 0.5 V liefert. Für die üblichen elektrischen Geräte werden aber höhere Spannungen benötigt (z.b. 5 V, 12 V, 220 V, 380 V). Wie lässt sich mit Solarzellen eine höhere Spannung als 0.5 V erzeugen? Versuchsaufbau: Aufbau gemäß Abbildung Benötigte Geräte: Netzgerät Experimentierleuchte Solarbatterie (8Zellen) Voltmeter Versuchsdurchführung: Die Entfernung d wird so gewählt, dass die acht Solarzellen gleichmäßig ausgeleuchtet sind (z.b. d = 18 cm). Zuerst werden die Leerlaufspannungen an den einzelnen Solarzellen gemessen. Dazu tippt man an der Rückseite der Solarbatterie an die Anschlussbuchsen der einzelnen Zellen. erstellt am :21 Seite 16

17 Dann schaltet man die Solarzellen schrittweise in Reihe, indem man jeweils den Minuspol der einen Zelle mit dem Pluspol der nächsten Zelle verbindet. Es werden die Leerlaufspannungen der in Reihe geschalteten Zellen gemessen. Versuchsergebnis: Nr. der Zelle Leerlaufspannung in V Die einzelnen Zellen liefern Leerlaufspannungen von etwa 0.5 V. Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen Leerlaufspannung in V Je mehr Solarzellen in Reihe geschaltet werden, desto größer ist die Leerlaufspannung. Bei gleichmäßiger Ausleuchtung gilt: 2 Zellen hintereinandergeschaltet ergibt 2 fache Leerlaufspannung 3 Zellen hintereinandergeschaltet ergibt 3 fache Leerlaufspannung usw. Die Spannung U ist der Anzahl der Zellen n proportional U n Bemerkung: Für technische Anwendungen werden eine größere Anzahl von Solarzellen in Reihe geschaltet. Zum Schutz sind sie in einem Flachgehäuse untergebracht, das mit einer Glasabdeckung versehen ist. Eine solche Anordnung von Solarzellen wird Modul genannt. Die bei der solarelektrischen Stromversorgungsanlage Pellworm verwendeten Module haben die Abmessungen 56 cm x 46 cm x 1 cm und eine Masse von etwa 3.5 kg. In ihnen sind 20 Solarzellen 10 cm x 10 cm in Reihe geschaltet. Da die maximale Spannung einer Solarzelle 0.56 V beträgt, ergibt sich für ein Modul eine Leerlaufspannung von höchstens U 0 = 20 x 0.56 V = 11.2 V. erstellt am :21 Seite 17

18 48 Module sind in einem Strang in Reihe geschaltet. Die theoretisch mögliche Leerlaufspannung würde danach U 0 = 48*11.2 V = V betragen. In der Praxis erhält man etwa 500 V. Die Nennspannung zum Betrieb der Wechselrichter und zum Laden der Batterie beträgt U N = 346 V. erstellt am :21 Seite 18