Die Solarzelle als Diode

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1 Die Solarzelle als Diode ENT Schlüsselworte Sonnenenergie, Fotovoltaik, Solarzelle, Diode, Dunkelkennlinie Prinzip Eine Solarzelle ist aus einer p-dotierten und einer n-dotierten Schicht aufgebaut. Bei Lichteinfall entstehen jeweils freie Ladungsträger, welche durch das elektrische Feld nach außen gedrängt werden und so eine Spannung erzeugen. Durch diesen Aufbau ist die Orientierung der Spannung eindeutig festgelegt, was den folgenden Versuch ermöglicht. In diesem Versuch wird eine Spannung an die abgedunkelte Solarzelle angelegt, um an einem einfachen Beispiel zu zeigen, dass die Solarzelle Eigenschaften einer Diode aufweist. In einem zusätzlichen Teilversuch kann dann noch die Dunkelkennlinie der Solarzelle ermittelt werden. Material *2 Leitungsbaustein, gerade, DB *4 Leitungsbaustein, winklig, DB *1 Leitungsbaustein, unterbrochen, DB *1 Lampenfassung, DB *1 Solarzelle, DB *1 Glühlampe 4 V / 0,04 A, 1 Stück von *1 Karton, schwarz, 1 Stück von Klebefilm **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy **1 Halter für Handmessgeräte **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung 250 mm, blau Verbindungsleitung 250 mm, gelb Verbindungsleitung 750 mm, rot Verbindungsleitung 750 mm, blau Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Netzgerät universal **1 Cobra4 Wireless Manager **1 Cobra4 Wireless-Link PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 1 Klebefilm * In Set ENT 1 enthalten ** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Die Solarzelle als Diode 1. Diode (qualitativ) Aufbau - Den Stromkreis nach Abb. 1 aufbauen und an den Gleichspannungsausgang des Netzgerätes anschließen, dabei auf die richtige Polung des Anschlusses achten. - Das Netzgerät ist ausgeschaltet. - Schwarze Pappe so schneiden oder falten und mit Klebefilm fixieren, dass sechs Lagen Pappe übereinander sind und den Solarzellenbaustein vollständig abdecken können. Durchführung - Am Netzgerät eine Spannung von 0 V einstellen. - Netzgerät einschalten. - Langsam die Spannung von 0 V auf 4 V erhöhen. - Prüfen, ob die Glühlampe leuchtet. - Die Spannung auf 0 V drehen. - Im Schaltkreis das rote und das blaue Kabel vertauschen (Abb. 2). - Die Spannung wieder langsam von Null auf 4 V erhöhen. - Prüfen, ob die Glühlampe leuchtet. - Die Spannung auf 0 V drehen. - Netzgerät ausschalten. Abb. 2 Abb. 3: Messwertaufnahme: Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bei einer abgedunkelten Solarzelle 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Die Solarzelle als Diode ENT Beobachtung Wenn der positive Pol des Netzgerätes an den mit + gekennzeichneten Pol der abgedeckten Solarzelle angeschlossen ist, leuchtet die Glühlampe. Im anderen Fall leuchtet sie nicht. Auswertung Eine Diode ist ein elektrisches Bauteil, durch das Strom nur in eine Richtung fließen kann. Da die Solarzelle genau diese Eigenschaft aufweist, handelt es sich also um eine Diode. 2. Dunkelkennlinie (quantitativ) Aufbau - Den Stromkreis nach Abb. 4 aufbauen, dabei die Polung berücksichtigen. - Darauf achten, dass das rote Kabel vom Netzgerät mit der ma -Buchse der Cobra4 Sensor-Unit Energy verbunden wird. Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. - Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten wird die Sensor-Unit automatisch erkannt und dem Cobra4 Wireless-Link wird eine ID-Nummer zugewiesen, die im Display sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager und dem Cobra4 Wireless-Link wird durch die LED Data angezeigt. Abb. 4: Versuchsaufbau Dunkelkennlinie P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Die Solarzelle als Diode - Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit Energy einschalten. Die Sensor-Unit und die elektrischen Größen U, I, P und W werden als Messkanäle angezeigt. - Experiment laden (Experiment>Experiment öffnen> ). - Die Spannung am Netzgerät auf 0 V stellen. - Das Netzgerät einschalten. - Spannung auf 1 V einstellen. - Messwertaufnahme in measure starten. - Sehr langsam die Spannung wieder auf 0 V drehen. - Das gelbe und blaue Kabel in der Schaltung vertauschen. - Sehr langsam die Spannung wieder auf 1 V drehen. - Messwertaufnahme beenden. - Spannung auf 0 V stellen und Netzgerät ausschalten. - Alle Messungen in das measure Hauptprogramm übertragen. Beobachtung Abb. 5: Messauswertung: Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bei einer abgedunkelten Solarzelle Auswertung Unter Verwendung der Funktion Vermessen lässt sich in Abb. 5 feststellen, dass erst ab einer Spannung von etwa 0,5 V ein Strom durch die abgedunkelte Solarzelle fließt. Bei negativer Spannung fließt kein Strom. Ab 0,5 V steigt der Strom an und geht ab einer Spannung von etwa 0,7 V in eine Gerade über. Die Solarzelle hat damit die Kennlinie einer Diode, wobei die Schwellenspannung aufgrund des Materials der Solarzelle bei 0,5 V liegt. 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Die Solarzelle als Diode ENT Anwendung Bei einer Reihenschaltung von mehreren Solarzellen muss darauf geachtet werden, dass keine Solarzelle abgeschattet wird oder sogar völlig dunkel ist. Dies würde dazu führen, dass die Stromstärke sehr viel geringer würde oder dass sogar gar kein Strom fließen würde. Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN 2.6 Die Solarzelle als Diode (P ) 2.9 Die Dunkelkennlinie einer Solarzelle (P ) Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1) aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt: Versuch P Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Sensor-Unit Energy Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Digitale Großanzeige Versuch P Analog-Digital-Multimeter ADM P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Die Solarzelle als Diode Raum für Notizen 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P