Die Solarzelle. 1. Einleitung

Die Solarzelle 1. Einleitung 1.1. Allgemeines Strom ist für jeden von uns heutzutage eine Selbstverständlichkeit. Nicht nur das, wir geradezu von ihm abhängig sind. Ohne Strom könnten wir keine Computer, Telefone, Kühlschränke, Fernseher, Radios usw. verwenden. Ein Leben ohne Strom wäre in unserer heutigen Konsumgesellschaft gar nicht möglich. Ohne ihn würden wir geradewegs zurück ins Mittelalter versetzt werden. Um den aus unserer Abhängigkeit enorm hohen Strombedarf zu decken zu können, ist man ein sehr hohes Risiko eingegangen. Umweltverschmutzende Energieträger wie zum Beispiel Braun- und Steinkohle und der Strom aus den, wie viele Störfälle beweisen, äußerst gefährlichen Atomkraftwerken, decken bis heute ca. 90% des Energiebedarfs ab. Das dies keine dauerhafte Lösung für die Zukunft ist, liegt zu einem daran, das die natürlichen Energieträger wie zum Beispiel Erdöl (man rechnet damit das unsere Erdölreserven in ca. 30 Jahren verbraucht sein werden), Kohle und Erdgas nicht erneuerbar sind und in gar nicht mal allzu ferner Zukunft verbraucht sein werden. Abgesehen von dem enormen Verbrauch der sogenannten fossilen Brennstoffe gibt es noch ein Problem von bedenklichem Ausmaße: Die Umweltverschmutzung. Beim Verbrennen von solchen Brennstoffen entsteht das Treibhausgas CO 2, Stickstoffoxyde und viele andere Schadstoffe, die für unsere Umwelt aber auch für uns schädlich sind. Aber auch die Kernenergie bietet keine Lösung die für die Zukunft geeignet ist und sein darf. Ein Kernkraftwerk kann und wird niemals sicher vor Unfällen sein, zusätzlich besteht weiterhin das Problem mit einer sichereren und endgültigen Endlösung. Es liegt also dringend auf der Hand, dass Alternativlösungen für die Energieversorgung gefunden werden müssen. Die Energiequelle sollte unerschöpfbar sein, weder gefährlich für die Umwelt oder den Menschen sein und es dürfen keine schädlichen Abfallprodukte überbleiben. Wir suchen hier nach sogenannten regenerativen Energiequellen. Zur Zeit tragen regenerative Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasser nur mit knapp 4% zur Energieversorgung bei. Dies muss sich schnellstens ändern. Eine Möglichkeit aus der Kernenergie auszusteigen bietet die Solarzelle... 1.2. Geschichte Die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom nennt man Photovoltaik. Photo kommt aus dem Griechischen und bedeutet soviel wie Licht. Der Name Volta ist zu Ehren des italienischen Forschers Alessandro Graf Volta enthalten, der die elektrische Spannung entdeckte. Die Beobachtung der Photovoltaik machte erstmals 1839 Alexandre Edmond Bequerl. Er tauchte zwei Metallplatten in eine verdünnte Säure und bemerkte, dass dieses Element mehr Strom erzeugt, wenn man es der direkten Sonnenbestrahlung aussetzte. Der konkrete Nachweis dieses Effekts erfolgte allerdings erst ein halbes Jahrhundert später durch Charles Fritts. Er benutzte allerdings eine Selenzelle, so dass die neue Technik vorerst an den hohen Kosten des benötigten Selens scheiterte. Zudem wurden gerade mal 1 bis 2 Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt. Erich S. / Raphael B. / Patrick P. 1 4bMNG

Erst 1954 wurde in den USA am Bell Telephone Laboratory von den Wissenschaftlern D.M. Chapin, C.S. Fuller und G.L. Pearson eine Silicium-Solarzelle entwickelt, die gegenüber der Selenzelle kostengünstiger war und schon einen Wirkungsgrad von 6% besass. Drei Jahre später, also 1957, startete der erste nur von Solarzellen mit elektrischer Energie versorgte Satellit ins Weltall. Der Durchbruch war geschafft! Seitdem arbeitet man ständig an der Verbesserung von Solarzellen. 1.3. Arten: Die drei wichtigsten industriell gefertigten Solarzellen 1.3.1. Amorphe Silicium-Solarzellen Amorphe Silicium-Solarzellen bestehen aus amorphem Silicium. Es ist nicht so stark gereinigt, wie es zum Beispiel bei monokristallinen Solarzellen erforderlich ist. Daher ist das Material preiswerter als bei vielen anderen Solarzellen. Amorphe Solarzellen können aus sehr dünnen Halbleiterschichten hergestellt werden, wodurch eine erhebliche Einsparung an Material möglich ist. Der Wirkungsgrad der Zellen konnte im Labor bereits auf ca. 15 Prozent gesteigert werden, in der Praxis jedoch sind leider nur vier Prozent möglich. Durch die guten Laborergebnisse besteht jedoch die Hoffnung, daß in absehbarer Zeit amorphe Silicium-Solarzellen mit einem größeren Wirkungsgrad in Serienproduktion gehen können. Amorphe Silicium-Solarzellen werden heute zum Beispiel in Uhren, Taschenrechnern und Spielzeugen verwendet. 1.3.2. Monokristalline Solarzellen Monokristalline Solarzellen werden aus monokristallinen, das heißt hochreinen Silicium hergestellt. Sie erreichen einen Wirkungsgrad von 15 bis 22 Prozent, sind aber sehr teuer. Dies liegt vor allem an dem aufwendigen Herstellungsverfahren. 1.3.3. Polykristalline Solarzellen Polykristalline Solarzellen bestehen aus vielen verschiedenen, willkürlich angeordneten Kristallen. Zwar ist ein Fertigungsablauf verglichen mit den monokristallinen weitestgehend gleich, jedoch wird für polykristalline Solarzellen ein weniger reines Silicium benötigt. Der Wirkungsgrad liegt überlicherweise bei etwa 10 bis 13 Prozent. 1.4. Herstellung Solarzellen werden aus Silicium hergestellt. Dieses kommt in reiner Form in der Natur nicht vor, man findet es überwiegend als Quarz, einem Siliciumoxid. Um hieraus Silicium zu gewinnen, wird es zusammen mit Kohle in einem Elektroofen eingeschmolzen. Als Ergebnis erhält man zunächst ein stark verunreinigtes Rohsilicium. Auf Grund der starken Verunreinigung läßt sich jedoch noch keine Solarzelle herstellen, das Rohsilicium muß zunächst raffiniert (gereinigt) werden. Um das Rohsilicium zu raffinieren, wendet man die Destillation an, ähnlich dem Verfahren zur Gewinnung von Weinbrand aus Wein. Während jedoch bei der Weindestillation Wasser zurückbleibt, bleibt bei der Siliciumraffination die Verunreinigungen zurück. Durch mehrmaliges Wiederholen dieses Destillationsprozesses gelingt es schließlich, die Verunreinigung des Siliciums um etwa das 100.000fache zu senken. Erich S. / Raphael B. / Patrick P. 2 4bMNG

Das auf diese Weise gewonnene Silicium wird nochmals eingeschmolzen und kann dann schließlich in die Zellproduktion gehen. Um aus dem Silicium jetzt eine Solarzelle herzustellen, gibt es verschiedene Verfahren, je nachdem, welche Art von Zelle produziert werden soll: 1.4.1. Amorphe Silicium-Solarzellen Am einfachsten ist der Bau einer amphoren Silicium-Solarzelle. Da das Silicium direkt aus der Gasphase auf das Trägermaterial (entweder eine Glasscheibe oder aber eine flexible Metallfolie) gelangt, müssen keine einzelnen Zellen hergestellt werden. Sie werden mit einem Laserstrahl ausgeschnitten. 1.4.2. Monokristalline Solarzellen Die Herstellung von monokristallinen Solarzellen ist am aufwendigsten, denn hier wird aus dem geschmolzenen Silicium ein einziger Kristall gefertigt. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig, da der Kristall nur sehr langsam wächst. 1.4.3. Polykristalline Solarzellen Die Herstellung von polykristallinen Solarzellen erfolgt durch Einschmelzen des Siliciums, welches anschließend in eine Kokille (Gußeisen) gegossen wird. Durch das langsame Abkühlen der Schmelze entstehen Siliciumkristalle. Die Vorteile im Gußverfahren liegen in der höheren Produktionsgeschwindigkeit und im geringeren Energieverbrauch während der Herstellung. Die nun folgenden Schritte sind bei allen drei Arten identisch: Durch ein thermisches Verfahren muß die Solarzelle zunächst mit Bor und Phosphor leitfähiger für den elektrischen Strom gemacht werden. Dieses nennt man Dotierung. Nun ist die Solarzelle im Prinzip funktionsfähig. Sie muss nur noch mit metallischen Kontakten an der Oberfläche bestückt werden (die Kontakte ziehen sich wie ein Spinnennetz über die gesamte Oberfläche) und mit eine Antireflexschicht abgedampft werden. Jetzt ist die Solarzelle einsatzbereit. 1.5. Funktionsweise: Die Geschichte von Halbleitern und Elektronen In der Solarzelle wird die elektrische Energie durch den photovoltaischen Effekt erzeugt. Dieser Effekt ist das direkte Umwandeln von Licht in elektrischen Strom mit der Hilfe eines Halbleiters. Dieser aus Silicium bestehend Halbleiter besitzt ein Kristallgitter. Die Atome des Silicium haben jeweils vier Elektronen auf der Achterschale. Da das Silicium in seiner jetzigen Form Strom nur ungenügend leitet, werden Atome anderer Stoffe in das Siliciumgitter eingelagert (Dotierung). Möglich sind Phosphor und Bor. Dotiert man die Unterseite des Siliciumkristalles mit Phosphor, so ziehen die vier positiv geladenen Siliciumprotonen die negativ geladenen Phosphorelektroen in das entsprechende Loch. Ein Phosphorelektron findet allerdings keinen Bindungspartner, da Erich S. / Raphael B. / Patrick P. 3 4bMNG

Phosphor fünf Elektronen besitzt. Da wir nun auf der Unterseite ein Überschuss an negativ geladenen Teilchen haben, heißt diese Seite n-schicht. Nun wird die Oberseite mit Bor dotiert. Dort tritt das genaue Gegenteil, von der mit Phosphordotierten Seite ein. Bor hat nur drei negativ geladene Elektronen, das bedeutet ein Siliciumproton findet keinen Bindungspartner. Es entsteht eine Unterversorgung, ein Loch, ein sogenanntes Defektelektron. Da wir auf dieser Seite einen Überschuss an positiv geladenen Teilchen haben, heißt diese Seite p- Schicht. Das Elektron aus der n-schicht versucht sich nun in das freie Gitternetz mit dem Protonen der p-schicht zu setzen. Es wechselt die Seiten. Dabei entsteht eine elektrische Spannung von 0,5 V, die sogenannte Photospannung 5V. Die p- und die n-schicht bilden einen pn-übergang (Sperrschichtbereich). Dieser Übergang erstreckt sich über die gesamte Fläche der Solarzelle. Er liegt dicht unterhalb der Oberfläche und kann daher vom Licht erreicht werden. Durch die Lichteinwirkung entstehen auf diesem Übergang frei Elektronen und Defektelektronen (Elektronen wandern zu den Defektelektronen und erzeugen dabei eine Spannung), die zu den p- und n-schichten fließen. Die Zelle beginnt Strom zu liefern, dessen Stärke von der Beleuchtungsstärke und deren Temperatur abhängig ist. 2. Experimente 2.1. Aufbau der Schaltung Unsere einfache Schaltung erlaubt es uns gleichzeitig die Spannung und die Stromstärke mit verschiedenen Lastwiderständen zu messen. Um die Spannung zu messen benutzen wir ein der Solarzelle parallelgeschaltetes Voltmeter, ebenfalls den Widerstand und das Ampèremeter die selbst in Serie geschaltet waren. 2.2. Kennlinie der Solarzelle Erich S. / Raphael B. / Patrick P. 4 4bMNG

R [Ω] U [V] I [ma] 10 2.7 142 56 7.4 112 100 8.4 74 150 8.7 55 220 8.8 38.8 330 8.86 25 560 9 16.8 680 9 13.3 1000 9.09 9.13 160 140 120 100 Kennlinie der Solarzelle I [ma] 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 U [V] Wie man sieht sinkt bei grösserer Spannung (U gegen 10) die Stromstärke markant. Dies erschliesst sich aus dem Zusammenhang U = R * I. 2.3. Innenwiderstand Den Innenwiderstand haben wir mit Hilfe der Messung der Leerlaufspannung berechnet, die in unserem Falle 9.5 V betrug. Die Berechnung erfolgte wie folgt: Leerlaufspannung Verbraucherspannung Ri = Verbraucherstrom R [Ω] U [V] I [ma] Ri 10 2.7 142 47.89 56 7.4 112 18.75 100 8.4 74 14.86 150 8.7 55 14.55 220 8.8 38.8 18.04 330 8.86 25 25.60 560 9 16.8 29.76 680 9 13.3 37.59 1000 9.09 9.13 44.91 Erich S. / Raphael B. / Patrick P. 5 4bMNG

Innenwiderstand Ri [Ohm] 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 U [V] An und für sich müsste der Innenwiderstand der Solarzelle mit steigender Spannung sinken, da aber die Solarzelle heiss wird, steigt der Innenwiderstand bei den letzten Messungen (hohe Spannung) wieder an. 2.4. Charakteristik der Solarzelle R [Ω] U [V] P [mw] 10 2.7 383.4 56 7.4 828.8 100 8.4 621.6 150 8.7 478.5 220 8.8 341.44 330 8.86 221.5 560 9 151.2 680 9 119.7 1000 9.09 82.9917 Erich S. / Raphael B. / Patrick P. 6 4bMNG

Charakteristik der Solarzelle 1000 800 P [mw] 600 400 200 0 0 2 4 6 8 10 U [V] Dem Diagramm kann man klar entnehmen, dass eine hohe Spannung nicht automatisch eine hohe Leistung zur Folge hat. Dies scheint auch logisch, wenn man den Zusammenhang zwischen U und I berücksichtigt auf den wir bereits früher eingegangen sind. Wie man auf dem Graph erkennen kann, gibt es einen Punkt mit maximaler Leistung, der durch v.a. den Lastwiderstand bestimmt wird, worauf im nächsten Kapitel eingegangen wird. 2.5. Maximum Power Point Erich S. / Raphael B. / Patrick P. 7 4bMNG

MPP P [mw] 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 MPP 0 200 400 600 800 1000 1200 R [Ohm] Wie aus dieser Darstellung klar hervorgeht, ist die Leistung vom Widerstand abhängig. Der Punkt der höchsten Leistung liegt in unserem Experiment im Bereich von 56 Ω. Genauer konnten wir den Wert jedoch nicht ermitteln, da wir in diesem Bereich nur wenige Widerstände zur Verfügung hatten. 2.6 Faktoren die den optimalen Lastwiderstand beeinflussen Faktoren, die den optimalen Lastwiderstand beeinflussen können: Lichteinfallswinkel Temperatur Intensität des Lichtes Auf die Einflüsse von Lichteinfallswinkel und Temperatur wird im Folgenden genauer eingegangen. 2.6.1 Einfluss des Lichteinfallswinkels auf die Leistung der Solarzelle Um die Veränderung der Leistungsfähigkeit bei schrägem Lichteinfall abschätzen zu können, mussten wir weitere Messungen vornehmen. Da uns leider hierzu die Zeit Erich S. / Raphael B. / Patrick P. 8 4bMNG

nicht gereicht hat, mussten wir die Messungen von David Gubler und Daniel Bachmann übernehmen. Testtag: 23.05.01 11:00 Sonniges Wetter Testbedingungen R (Ohm) U (V) I (ma) P (mw) genau auf die Sonne ausgerichtet 200 9,3 44,3 413 Horizontal richtung Sonne, vertikal senkrecht zum Boden 200 9,0 42,7 383 Waagrecht zum Boden 200 9,0 42,9 387 Horizontal von der Sonne weg, vertikal senkrecht zum Boden 200 3,0 14,2 43 nach Süden ausgerichtet, Neigung 45 200 8,4 40,1 337 Bewölkung (auf Sonne ausgerichtet, simuliert) 200 5,9 28,4 169 einzelner der seriell geschalteten Solarzelleneinheiten abgedeckt 200 2,7 12,9 34 Lichteinfallswinkel 30 vom Lot entfernt 200 9,1 43,3 395 Lichteinfallswinkel 60 vom Lot entfernt 200 8,7 41,0 355 Die Messresultate zeigen, dass die optimale Ausrichtung auf die Sonne zwar einen Einfluss auf die Leistung hat, sich die Leistungsdifferenz zwischen optimaler und nicht optimaler Ausrichtung aber in Grenzen hält. Bei Bewölkung dagegen sinkt die Leistung erheblich (70-80%). 2.6.2. Einfluss der Temperatur auf die Leistung der Solarzelle Aufgrund der Vermutung, dass sich die Temperatur der Solarzelle auf ihre Leistungsfähigkeit auswirken könnte, nahmen wir einige Messungen vor um diese zu untersuchen. Wärmeabhängigkeit 1200 1000 P [mw] 800 600 400 200 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Temperatur [ C] Die Resultate der Messungen haben wir im hier vorliegenden Graph zusammen gefasst. Wie hier ganz klar ersichtlich ist, nimmt die Leistung bei höheren Temperaturen recht massiv ab. Eine Temperatur von ungefähr 60 und mehr ist in der Praxis durchaus realistisch, da die Solarzelle ständig der Sonne ausgesetzt ist. Die Abnahme der Leistung scheint ungefähr linear zur Zunahme der Temperatur zu verlaufen. Die Messungen erfolgten mit einem Lastwiderstand von 56 Ω. Erich S. / Raphael B. / Patrick P. 9 4bMNG

3. Aufgaben 3.1. Laptop Das von uns verwendete Laptop benötigt eine Versorgungsspannung von 20 V Gleichstrom bei maximal 2.8 Ampère. Um auf die benötigte Spannung zu kommen schalten wir jeweils 3 Solarzellen in Serie und verwenden 30 dieser Dreierkonstellationen, die wir parallel schalten um auf 2.8 Ampère zu kommen. Um die Spannung konstant zu halten, müsste man einen Spannungsstabilisator verwenden. Diese Schaltung funktioniert nur unter guten Wetterbedingungen, es stellt sich jedoch die Frage wie sinnvoll es sein mag mit 90 Solarzellen in die Ferien zu fahren. 3.2. Solarkonstante Unser Experiment zur Bestimmung der Solarkonstante würde wie folgt funktionieren: Wir würden eine Heizplatte mit Sonnenenergie erhitzen, dies unter optimalen Bedingungen (d.h. Senkrechte Sonneneinstrahlung und keine Bewölkung). Das tun wir, bis wir die maximale Temperatur erreicht haben. Danach erhitzen wir dieselbe Heizplatte elektrisch bis zum vorherigen Punkt und berechnen die aufgewendete Leistung je Flächeneinheit. Diese wird im Bereich von ca. 700 W/m 2 liegen. 3.3. Wirkungsgrad Für die Berechnung des Wirkungsgrades benötigten die wir die Fläche der Solarzelle (=0.01m 2 ), die maximale Leistung in unseren Experimenten (=830mW) und die Solarkonstante (=700W/ m 2 ). Danach berechneten wir die Leistung pro Quadratmeter wie folgt: 0.830 W / 0.01 m 2 = 83 W Erich S. / Raphael B. / Patrick P. 10 4bMNG

Mit einer direkten Proportion berechneten wir den Wirkungsgrad. 83 W / 700 W *100% = 11.86 % Zum Vergleich haben wir hier die ungefähren Wirkungsgrade der meistverwendeten Solarzellentypen aus dem Internet zusammengestellt. Amorphe Silicium-Solarzellen 5-10% Polykristalline 10-15% Monokristalline 12-15% 4. Anwendungen: Von der Armbanduhr bis zum Weltraumsatelliten Eine einzelne Solarzelle würde bei weitem nicht genug Strom liefern, um auch nur einen Taschenrechner zu versorgen. Deshalb schließt man mehrere Solarzellen zu sogenannten Solarmodulen zusammen, indem man sie parallel als auch seriell verbindet. Solche Solarmodule haben dann normalerweise eine Größe von ca. 10 x 10 cm². Große Versorger mit Solarstrom, zum Beispiel Solarkraftwerke, benutzen sogenannte Solarbatterien, die nächste Größenordnung. Im alltäglichen Gebrauch finden wir jedoch vor allem kleinere Solarmodule, so zum Beispiel in Taschenrechnern, Uhren, Spielzeug und anderen Geräten, die netzunabhängig, also selbstversorgend, betrieben werden sollen. Zu solchen Geräten zählen beispielsweise Bojen auf Schifffahrtswegen oder Überwachungskameras im Freien, beispielsweise zur Sicherung von militärischen Übungsplätzen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit sieht man zur Zeit noch eher selten, obwohl ihr bei einer Weiterentwicklung von vielen Seiten gute Zukunftsperspektiven bescheinigt werden: Das Solarauto. Zur Zeit ist es jedoch noch nicht so weit die Verbrennungsmotoren abzulösen. Welchem Automobilantrieb, ob Solarenergie, Elektrizität, Wasserstoff oder etwas anderem, die Zukunft gehören wird, ist ohnehin noch völlig offen. Auch auf den Häusern werden Solarzellen eingesetzt. Sie werden üblicherweise auf dem Dach des Hauses montiert und tragen dann als Ergänzung zur normalen Netzversorgung zur Deckung des Energiebedarfs in einem Haus bei. Schon lange (seit 1957) ist auf einem anderem Gebiet die Versorgung mit elektrischem Strom durch Solarzellen üblich: Für Satelliten ist zur Zeit die einzige längerfristige Energieversorgung die Versorgung durch Solarzellen. 5. Quellen Internet Bücher Unterlagen aus Praktikum Erich S. / Raphael B. / Patrick P. 11 4bMNG