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Fotovoltaik
Vorlesung: Energieumsatz I – Systeme des Energieumsatzes
Dozent: Prof. E. Sauer
Thema: Fotovoltaik
Referenten: Kerstin Becker
& Huot Jansen
Datum: 27.01.2005
Universität Duisburg-Essen, Campus Essen
Fakultät Ingenieurwissenschaft, Abteilung Technik
Fach Technologie und Didaktik der Technik
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Gliederung
1. Was ist Fotovoltaik?
2. Geschichte der Fotovoltaik
3. Arten von Solarzellen
4. Aufbau der Solarzelle
5. Funktionsweise der Sollarzelle
6. Solarmodule
7. Leistung
8. Wirtschaftlichkeit
9. Ausblicke
10. Literatur
Fotovoltaik
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1. Was ist Fotovoltaik?
Fotovoltaik
Fotovoltaikanlagen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um.
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Definition
Fotovoltaik
Der Name Fotovoltaik setzt sich aus
dem griechischen Wort „photo = Licht“ und „voltaik“
(nach dem italienischen Physikers ALESSANDRO VOLTA)
zusammen.
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Fotovoltaik
2. Geschichte der Fotovoltaik:
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3. Arten von Solarzelle
– monokristalline Solarzellen
• Block besteht aus einem einzigen Kristall (aus flüssigem Silizium gezogen)
Bei der Herstellung von Solarzellen werden 0,3 mm dünne Scheiben aus einem Siliziumblock herausgesägt
Fotovoltaik
– polykristalline Solarzellen
• Block besteht aus vielen kleineren Kristallen (aus flüssigen Siliziums erstart in Eisblumenstruktur)
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• Dünnschichtzellen
– benötigt extrem wenig Halbleitermaterial
3. Arten von Solarzelle
Fotovoltaik
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4. Aufbau der Solarzelle
Fotovoltaik
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Prinzipieller Aufbau der klassische Silizium-Solarzelle
• ca. 0,001 mm dicken n-Schicht– negativdotiert durch Einbringung von z.B.
Phosphoratomen – so dünn, damit das Sonnenlicht besonders
in der Raumladungszone am p/n-Übergang absorbiert wird
• ca. 0,6 mm dicke p-Schicht – positivdotiert durch Einbringung von z.B.
Boratomen– dick genug um die tiefer eindringenden
Sonnenstrahlen zu absorbieren– gibt Solarzelle mechanische Stabilität
• p/n-Übergang oder auch Grenzschicht.
Fotovoltaik
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5. Funktionsweise der Solarzelle
Licht trennt Elektronen und Löcher
• Durch das Feld in der Sperrschicht (von
p-Schicht zur n-Schicht gerichtet)
– Elektronen werden zur n-Schicht gezogen
– “positiven Löcher” werden zur p-Schicht gezogen.
• An den Metallkontakten entsteht eine Spannung von ca. 0,5 V
• schließt man einen Verbraucher an, werden die Ladungen ausgeglichen, und es fließt ein elektrischer Strom.
Fotovoltaik
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6. Solarmodul
• Für die Praxis ist die elektrische Leistung einer Solarzelle nicht ausreichend
• man schaltet mehrere Solarzellen zusammen
– in Serie (um die Spannung zu erhöhen)
– parallel (um die entnehmbare Stromstärke zu erhöhen)
Fotovoltaik
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7. Leistung
Abhängig von
• der Strahlungsdichte auf der Oberfläche
Fotovoltaik
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• Wirkungsgrad der Solarzelle
Ausführung MaterialMaximaler Wirkungsgrad der Solarzellen im Labor
Typischer Wirkungsgrad von handelsüblichen Solarmodulen
ZellenMonokristallines Silizium
25% 13-16%
ZellenPolykristallines Silizium
20% 12-14%
DünnfilmAmorphes Silizium
14% 6-8%
DünnfilmKupfer-Indium-Diselenid
19% 9-11%
Dünnfilm Cadmiumtellurid 16% 7-9%
Fotovoltaik
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•Sonnenscheindauer
Sonneneinstrahlung in Deutschland
Fotovoltaik
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z. B. Sonnenscheindauer,
Sonneneinstrahlung,
klimatische Bedingungen,
Gelände,
Infrastruktur,
Anschlussmöglichkeit an das öffentliche Stromnetz,
Nutzungszweck …
Umfangreiche Standortuntersuchungen sind nötig:
Fotovoltaik
8. Wirtschaftlichkeit
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Fotovoltaik
Fotovoltaikanlagen in Deutschland:
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Fotovoltaik
Wirtschaftlichkeit
+ Betrieb einer solchen Anlage ist umweltfreundlich; Prinzipiell erzeugen Fotovoltaikanlagen elektrische Energie sehr umweltfreundlich
+ Sonnenenergie ist fast unerschöpflich
- Herstellung ihrer Grundbausteine „der Solarzellen“ energieaufwändig
- Fotovoltaikanlagen können noch nicht universell und vor allem wirtschaftlich eingesetzt werden
- die tatsächliche Sonnenscheindauer (kann die Leistungsausbeute erheblich senken) und der große Flächenbedarf
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Fotovoltaik
Einsatzgebiete von Solarzellen
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Einsatzgebiete von Solarzellen
Fotovoltaik
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Ziele:
- bis 2050 rund 50% d. Energieversorgung aus Erneuerbaren Energien
- …Preis- und Kostensenkung durch technischen Fortschritt und starke
Produktionsausweitung bis zur Konkurrenzfähigkeit mit herkömmlichen
Kraftwerken
Energiekosteneinsparungen durch Einbau von Fotovoltaikanlagen für private Zwecke, für Heizzwecke von Eigenheimen (in wenigen Tagen realisierbar) trotz hoher Anfangsinvestition; in der Regel genehmigungsfrei
Die Bundesrepublik fördert den Einsatz dieser Umwelttechnologien durch Zuschüsse, Steuerrückzahlungen und zinslose Darlehen („100.000-Dächer-Programm“)
Fotovoltaik
Ausblick
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FOTOVOLTAIK …. DER ZUKUNFTSMARKT?
Umweltaspekte
Geld
Neue Märkte
Politisches Prestige …
Fotovoltaik
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Fotovoltaik
9. Literatur
- Würfel, Peter: Physik der Solarzellen; Spektrum Akademischer Verlag; Heidelberg 1995
- Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG Mannheim und
paetec Gesellschaft für Bildung und Technik mbH Berlin:
Duden – Technik: Basiswissen
(Link: www.schuelerlexikon.de)