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Solarzelle - Referat
Gliederung
• Aufgaben:
 Aufbau und Wirkungsweise einer Solarzelle (S. 2)
 Unterschied zwischen einem Sonnenkollektor und einer Solarzelle (S. 3)
 Übersicht über die Anwendungsgebiete von Solarzellen (S. 4)
 Erläuterung einer Anwendung (S. 5)
 Vor- und Nachteile des Einsatzes von Solarzellen (S. 6)
• Protokolle:
 Bedeckung einer Solarzelle (S. 8,9)
 Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen (S. 10,11)
• Quellenangabe (S. 12)
 
Aufbau und Wirkungsweise einer Solarzelle
Aufbau:
Solarzellen bestehen aus dem Halbleiterelement Silizium. Bei der Herstellung werden durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen (z.B. Phosphor oder Bor) in das Kristallgitter des Silizium-Kristalls zwei Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften geschaffen. Die p-dotierte und die n-dotierte Schicht. Dieser Vorgang ist wichtig, da Halbleiter nur sehr schwach leiten, doch durch das Verfahren der Dotierung bekommen sie ein großes Potential an freien Außenelektronen, die als Ladungsträger genutzt werden. An der Kontaktstelle der beiden Schichten bildet sich eine Grenzschicht, oder auch „p/n-Übergang“. Dies ist ein an Ladungsträgern verarmter Raum. Um die elektrische Energie abführen zu können, sind Kontakte an den dotierten Siliziumschichten angebracht. An der von der Sonne abgewandten Seite sind diese Flächendeckend angebracht, um auch eine stabilisierende Wirkung zu erzielen. Dagegen können auf der, der Sonne zugewandter Seite die Kontakte nur so angeordnet werden, dass möglichst viel Licht auf das Silizium trifft. Daher verwendet man sehr schmale Metallleiterbahnen. Diese sogenannten „Kontaktfinger“ sind mit „Sammelschienen“ verbunden, um die Spannung ableiten zu können.
Dieser Aufbau entspricht einer monokristallinen Solarzelle, welche auf der Halbleiterphysik basiert. Es gibt noch weitere Solarzellentypen (z.B. polykristalline oder amorphe)
Wirkungsweise:
In der p-dotierten-Schicht liegt ein Überschuss an freien, positiven Ladungsträgern vor. In der n-dotierten Schicht sind dies negative Ladungsträger. Zwischen diesen beiden Schichten hat sich ein p/n-Übergang gebildet.
Trifft Licht auf das Silizium, so wird ein Elektron aus dem Gitter gelöst. Dadurch entsteht ein elektrisch positiv geladenes „Loch“. Dieses Loch wirkt auf die umliegenden elektrisch negativ geladen Elektronen, welche nun aus dem Gitter gelöst werden. Das entstandene freie Elektron besetzt das Loch, weshalb wiederum ein Loch entsteht, welches auf ein weiteres Elektron einwirkt. In Folge dessen bildet sich ein Elektronenfluss, der an den Kontakten eine Spannung bewirkt (ca. 0,5 V). Je mehr Licht einwirkt und je größer die Fläche der Grenzschicht ist, desto mehr Elektronen-Loch-Paare entstehen und umso größer ist die Stromstärke, die die Solarzelle liefert. Man kann pro beleuchteten Quadratzentimeter Solarzellenfläche mit einer Stromentnahme von ca. 20mA rechnen. Der Wirkungsgrad einer heutigen Solarzelle liegt im Bereich von 10% - 18%, da nicht jedes „Lichtteilchen“ ein Elektronen-Loch-Paar bilden kann.
Unterschied zwischen einem Sonnenkollektor und einer Solarzelle
Beide Techniken sehen sich sehr ähnlich und können schnell verwechselt werden. Sowohl der Sonnenkollektor als auch die Photovoltaikanlage ist ein flaches Gebilde und dient dazu, umweltfreundliche Energie zu erzeugen.
Eine Solarzelle ist ein großflächiges Photoelement, welches die Lichtenergie der Sonne direkt in elektrische Energie umwandelt. Dies geschieht durch das Freisetzen von Elektronen beim Auftreffen von Licht auf eine Solarzelle. Eine solche Zelle besteht aus einem Halbleiter wie z.B. Silizium, Galliumarsenid oder Cadmiumtellurid. Die gewonnene elektrische Energie kann direkt an einen Verbraucher weitergeleitet werden. Mehrere Solarzellen können zu Solarbatterien oder Solargeneratoren zusammengeschlossen werden.
Ein Sonnenkollektor hingegen dient dazu die Sonnenergie in Wärme umzuwandeln, das Sonnenlicht wird „gesammelt“. In einem solchen Kollektor befinden sich viele sehr dünne Rohre, durch die eine Flüssigkeit geleitet wird. Dadurch erreicht man eine möglichst große Oberfläche des Wassers, was dazu führt, dass das Wasser schnell von der Sonne erwärmt werden kann. Zusätzlich wird dieser Effekt durch eine schwarze Farbe erhöht. Mit einem Sonnenkollektor kann man bis zu drei Viertel seiner benötigten Energie für warmes Wasser aus dem Sonnenlicht beziehen.
Mit beiden Anlagen trägt man dazu bei die Energie-Ressourcen der Welt zu schonen.
Aufbau einer Solarzelle
Aufbau eines Sonnenkollektors
Solarzelle Sonnenkollektor
Übersicht über die Anwendungsgebiete von Solarzellen
1. schematische Übersicht:
2. Erläuterungen:
Bei Solarstromanlagen unterscheidet man zwischen netzunabhängigen- und netzgekoppelten Anlagen. Netzunabhängige Solarstromanlagen sind nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen. Diese gliedern sich in zwei Arten, die autonomen- und die Hybridanlagen.
Autonome Anlagen, auch Inselanlagen genannt, liefern ausschließlich Solarstrom. Hierbei werden ebenfalls zwei Arten unterschieden. Es handelt sich um mobile
oder stationäre Solarstromanlagen. Mobile Anlagen können netzunabhängig an verschiedenen Orten angewendet werden. Kleinere Gebrauchsgegenstände
dieses Typs sind beispielsweise Uhren oder Taschenrechner mit Solartechnik.
Größere Beispiele sind solarbetriebene Fahrzeuge, Roboter oder Anwendungen
in der Raumfahrttechnik, wobei hauptsächlich die Satelliten genannt werden
müssen. Einige neuere Erfindungen in diesem Bereich sind Handys bzw. deren
Ladegeräte oder Digitalkameras mit Solartechnik. Die zweite Art der autonomen Solarstromversorgung sind die stationären Anlagen, die netzunabhängig und
immer am selben Ort betrieben werden. Beispiele hierfür sind Wetterstationen, Beleuchtungsanlagen oder Parkscheinautomaten. Dieser Typ ist aber auch vor-wiegend in abgelegenen Regionen oder Entwicklungsländern zu finden.
Der zweite Bereich der netzunabhängigen Solarstromanlagen, sind die Hybrid-anlagen. Sie nutzen neben der Photovoltaik noch eine weitere Energiequelle. Wichtige Beispiele sind Photovoltaikanlage- Dieselgeneratoren, Photovoltaikanlage- Windgeneratoren, sowie Photovoltaikanlage- Sonnenkollektoren.
Netzgekoppelte Solarstromanlagen sind an das öffentliche Stromnetz angeschlossen. Deren beide Arten sind die häuslichen Anlagen und die Kraftwerke.
Bei häuslichen Anlagen werden die Solarzellen auf das eigene Haus, bzw. Garagendach installiert. Der zwischenzeitlich überschüssig umgewandelte Strom wird ins öffentliche Netz eingespeist, wofür es eine Bezahlung gibt. Außerdem ist es ebenso möglich, bei zu geringer Sonneneinstrahlung den Strom aus dem öffentlichen Netz zu beziehen.
Neben den häuslichen Anlagen gibt es Photovoltaikkraftwerke, die in größerem Stil arbeiten und ihren Strom ausschließlich ins öffentliche Netz einspeisen.
Erläuterung einer Anwendung
Anwendung: Taschenrechner mit Solarbetrieb (Casio fx-115)
Technische Daten:
 Länge: 13,6 cm
 Breite: 7,5 cm
 Höhe: 1,4 cm
 Gewicht: 73 g
 wesentliche Bestandteile: Gehäuse, Tastatur, Display, Leitplatine mit Rechenchip, Kondensator, Diode, Solarmodul mit Verbindungsleitern
Solarmodul:
 Länge: 1,6 cm
 Breite: 5,5 cm
 Höhe: 0,15 cm
 Die Art ist ein amorphes Solarmodul, welches aus vier 1,3 cm x 1,3 cm großen Solarzellen besteht, die in Reihe geschalten sind. Amorphe Solarzellen unterscheiden sich durch die Herstellung von anderen Typen. Bei der Fertigung dieser wird das Silizium auf ein Trägermaterial (meist Glas, Metall, Kunststoff) aufgedampft. Bei dem vorliegenden Solarmodul ist das Trägermaterial Glas. Durch die Herstellung ordnen sich die Atome nicht mehr kristallin, sondern ungeordnet (amorph) an, woher sich auch der Name ableiten lässt. Amorphe- oder Dünnschichtsolarmodule haben den Vorteil, dass nur sehr wenig Material benötigt wird. Außerdem sind sie sehr dünn und eignen sich deshalb zu Einsatz in mobilen Geräten, wie zum Beispiel in diesem Taschenrechner. Diese Art Solarzelle ist in der Herstellung am günstigsten, hat aber den geringsten Wirkungsgrad (6-8%). Dieser sinkt nach 20 Jahren jedoch auf 70% des Anfangswertes. Eine weitere Eigenschaft amorpher Solarzellen ist, dass sie auch mit wenig Licht arbeiten bzw. dieses in düsterer Umgebung in mehr elektrische Energie umwandeln kann, als andere Arten. Dies ist ein weiterer Grund für den Einsatz in meinem Taschenrechner.
Auch durch die rötlich- braune Farbgebung lässt die amorphe Solarzelle sich von anderen unterscheiden.
Vor- und Nachteile des Einsatzes von Solarzellen
Solarzellen haben viele Vor- und Nachteile, daher ist es für viele Leute eine schwierige Entscheidung, wenn sie sich eine solche Anlage zulegen möchten. Heutzutage sind Solarzellen noch recht teuer, sodass viele eventuelle Käufer ein finanzielles Risiko eingehen müssen. Doch mit einer Solaranlage ist man vom Energiemarkt weitgehend abhängig und durch die umweltfreundliche Energiequelle können Schäden in der Umwelt vermieden werden.
Vorteile:
 Solaranlagen sind größtenteils wartungsfrei
 Bis zu 25 Jahren Garantie auf Solarmodule
 Solarzellen erzeugen weder Lärm noch Emissionen
 Sonnenlicht ist eine unerschöpfliche Energiequelle, steht frei zur Verfügung und kostet nichts
 Als Besitzer ist man unbeeinflusst von schwankenden Energiepreisen
 Sonnenenergie ist sehr umweltfreundlich
 Kein Verbrauch fossiler Energieträger
Nachteile:
 Die Stromproduktion ist vom Klima und dem Wetter abhängig
 Solarzellen sind Nachts sehr ineffektiv
 Große Flächen sind zur Installation nötig
 Sehr hoher Anschaffungspreis
 Nach 20 bis 25 bringen Solarzellen nur noch ca. 80% ihrer Leistung
 Für viele sind Solaranlagen eine „Verunstaltung“ ihres Daches
 
Protokoll: Bedeckung einer Solarzelle
Aufgabe:
Messen Sie die Leerlaufspannung und die Kurzschlussstromstärke bei unterschiedlicher Bedeckung einer Solarzelle.
Benötigte Geräte:
 Stromstärkemessgerät
 Spannungsmessgerät
 Solarzellen
 Verbindungsleiter
 Abdeckungsmaterial
 Lichtquelle
Durchführung:
 Die Leerlaufspannung wird gemessen, indem man das Spannungsmessgerät direkt mit einer Solarzelle verbindet.
 Die Kurzschlussstromstärke wird gemessen, indem man das Stromstärkemessgerät direkt mit einer Solarzelle verbindet.
 Die Schaltung wird aufgebaut.
 Leerlaufspannung und Kurzschlussstromstärke werden nacheinander ohne Bedeckung und bei ¼, ½, ¾, sowie kompletter Bedeckung gemessen.
Schaltplan:
Messwerte:
Bedeckung der Solarzelle Leerlaufspannung in V Kurzschlussstromstärke in mA
keine 0,43 25,00
1/4 0,40 16,00
1/2 0,39 9,50
3/4 0,39 5,00
komplett 0,00 0,00
Fehlerbetrachtung:
 Messfehler
 Ablesefehler
 ungenaue Messgeräte
 Probleme bei der optimalen Ausleuchtung der Solarzellen
 Wiederstand der Leiter
Auswertung:
 Wie verhält sich die Leerlaufspannung?
Die Leerlaufspannung ändert sich bei der ¼- Bedeckung der Solarzelle geringfügig, danach gar nicht mehr. Bei kompletter Bedeckung ist jedoch keine Spannung abzulesen.
 Wie verhält sich die Kurzschlussstromstärke?
Bei der Kurzschlussstromstärke ist eine Abnahme der Änderung zu beobachten. Je mehr von der Solarzelle bedeckt wird, desto kleiner wird die Änderung. Bei kompletter Bedeckung ist keine Stromstärke abzulesen.
Protokoll: Reihen- und Parallelschaltung mehrerer Solarzellen
Aufgabe:
Untersuchen Sie das Verhalten von Leerlaufspannung und Kurzschlussstromstärke bei Reihen- und Parallelschaltung mehrerer Solarzellen.
Benötigte Geräte:
 Stromstärkemessgerät
 Spannungsmessgerät
 Solarzellen
 Verbindungsleiter
 Lichtquelle
Durchführung:
 Die Leerlaufspannung wird gemessen, indem man das Spannungsmessgerät direkt mit einer Solarzelle verbindet.
 Die Kurzschlussstromstärke wird gemessen, indem man das Stromstärkemessgerät direkt mit einer Solarzelle verbindet.
 Die Reihenschaltung wird aufgebaut.
 Leerlaufspannung und Kurzschlussstromstärke werden nacheinander bei 2, 3 und 4 Solarzellen in Reihenschaltung gemessen.
 Die Parallelschaltung wird aufgebaut.
 Leerlaufspannung und Kurzschlussstromstärke werden nacheinander bei 2, 3 und 4 Solarzellen in Parallelschaltung gemessen.
Schaltpläne:
 Reihenschaltung:
 Parallelschaltung:
Messwerte:
 Reihenschaltung:
Anzahl Solarzellen Leerlaufspannung in V Kurzschlussstromstärke in mA
2 0,1 42
3 0,15 43
4 0,19 43
 Parallelschaltung:
Anzahl Solarzellen Leerlaufspannung in V Kurzschlussstromstärke in mA
2 0,12 39
3 0,13 80
4 0,13 100
Fehlerbetrachtung:
 Messfehler
 Ablesefehler
 ungenaue Messgeräte
 Probleme bei der Verbindung der Solarzellen
 Probleme bei der optimalen Ausleuchtung der Solarzellen
 Wiederstand der Leiter
Auswertung:
 Wie verhält sich die Leerlaufspannung bei Reihen- und Parallelschaltung?
Reihenschaltung: Die Leerlaufspannung erhöht sich beim Hinzufügen einer Solarzelle in den Stromkreis um jeweils circa 0,05 V.
Parallelschaltung: Die Leerlaufspannung bleibt beim Hinzufügen einer Solarzelle in den Stromkreis etwa bei selben Wert, der circa 0,13 V beträgt.
 Wie verhält sich die Kurzschlussstromstärke bei Reihen- und
Parallelschaltung?
Reihenschaltung: Die Kurzschlussstromstärke bleibt beim Hinzufügen einer Solarzelle in den Stromkreis etwa beim selben Wert, der circa 43 mA beträgt.
Parallelschaltung: Die Kurzschlussstromstärke erhöht sich beim Einbinden von 3 in den Stromkreis von 39 mA auf 80 mA und beim einbinden von 4 Solarzellen in den Stromkreis von 80 mA auf 100 mA.
Quellenangabe
Aufgabe 1:
http://www.referate10.com/referate/Biologie/18/Solarzellen-reon.php
http://www.leifiphysik.de/web_ph10/umwelt-technik/16solarzelle/funktion.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle
http://klimainfo.net/Solarenergie/aufbau-solarzelle.php
Aufgabe 2:
http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB128-01.htm
Aufgabe 3:
http://www.hausarbeiten.de/faecher/vorschau/96350.html#inside
Aufgabe 4:
http://www.solarstromerzeugung.de/amorphe-solarzellen.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle
http://www.rechner-photovoltaik.de/photovoltaiklexikon/amorphe-solarzelle
Aufgabe 5:
http://alf3.urz.unibas.ch/kidz4kidz/energie/solar/vorna.htm
http://www.solarstromerzeugung.de/vor-und-nachteile-photovoltaik.html
*Notice: Dokument mit Bildern, Tabellen, Schema, etc. beachten!*
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