im rahmen des experimentalphysik labors unter der leitung von prof. dr. strehlow und dipl. ing....
TRANSCRIPT
Im Rahmen des Experimentalphysik Labors unter der Leitung von Prof. Dr. Strehlow und Dipl. Ing. Martens
Jacob A. Strahl und Simon Romaker
im Wintersemester 2005/2006
Die SolarzelleEin Vortrag zur Einführung in
die Physik der Solarzellen und deren experimenteller
Untersuchung
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die Solarzelle
GliederungEinleitungPhysikalische Grundlagen
Halbleiter, Dotierung, pn-Übergang, Kennlinie
Aufbau und Funktionsweise Die einfache Silizium-Solarzelle
Zu den Versuchen Betriebsparameter: Lichtintensität, Einfallswinkel,
genutzte Fläche Leistungsanpassung
Auswertung und DiskussionStand der Technik
Wirkungsgerade, Typen, Materialien, Kosten, Forschung
1
2
3
4
5
6
G 1 2 3 4 5 6
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die SolarzelleEinleitung: Die Sonne als Energiequelle Die Leuchtkraft der Sonne entspricht einer
Strahlungsleistung von 3,8*10^26 W.
Davon erreicht nur ein Bruchteil die Erde, treibt dort aber alle wichtigen Prozesse an.
Die eingestrahlte Energiemenge übersteigt den derzeitigen Weltenergiebedarf um das Zehntausendfache.
1839: A.E. Becquerel entdeckt den photoelektrischen Effekt
1954: Die Bell Laboratorien präsentieren erste Solarzelle
G 1 2 3 4 5 6
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die Solarzelle
Grundlagen: Halbleiter
Energiezufuhr bewirkt Leitfähigkeit [Lichtquant E=h*f ] Halbleiter haben kleine Bandlücken [Si: ~1,1 eV; InAs:
~0,4 eV; GaAs: ~1,5 eV]
G 1 2 3 4 5 6
Quelle Schaubild: Wikipedia.de
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die Solarzelle
Grundlagen: Dotierung
Darstellung hier nur für Silizium, für andere Halbleiter kann entsprechend verfahren werden
Dotierung ändert Leitfähigkeit von Halbleitern und Größe der Bandlücke
Üblich: 1 Donator auf 107 Si-Atome, 1 Akzeptor auf 106 Si-Atome
G 1 2 3 4 5 6
Quelle Schaubild: Wikipedia.de
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die Solarzelle
Grundlagen: pn-Übergang
Grenzschicht stabil durch Gleichgewicht zwischen Diffusionskraft und Culombkraft
Schaltung in Sperrrichtung erhöht Potentialdifferenz unterdrückt Diffusion
Schaltung in Durchlaßrichtung senkt Potentialdifferenz fördert Diffusion
G 1 2 3 4 5 6
Quelle Schaubild: Wikipedia.de
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die Solarzelle
Grundlagen: KennlinieG 1 2 3 4 5 6
Quelle Schaubild: Wikipedia.de
A
V
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die SolarzelleAufbau und Funktionsweise: Si-Solarzelle
G 1 2 3 4 5 6
Besteht aus einer p- und einer n-dotierten Schicht Dazwischen befindet sich die Grenzschicht [vergl. pn-Übergang] Metallkontakte zum Abgreifen der Spannung Bei modernen Hochleistungszellen noch eine Vielzahl von
Verbesserungen
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die SolarzelleVersuche: Einfallswinkel - Hintergrund
Wegen der Entfernung und Größe der Sonne Einstrahlung nahezu parallel Einfallswinkel unterschiedlich je nach Breitengrad Winkeländerungen in zwei Achsen über Jahres- und Tagesverlauf
G 1 2 3 4 5 6
Vertikaler SchnittFrühling / HerbstWinterSommer
Horizontaler SchnittTageslauf
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die Solarzelle
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 15 30 45 60 75 90 105Auslenkwinkel α / °
I / mA
cos(α)*I(0°)
Messwerte
Versuche: Einfallswinkel - Ergebnisse
G 1 2 3 4 5 6
Aufbau:
88,888
Digitalmultimeter
Solarzelle
Meßschiene
Strahler
Messung bei konstanter Entfernung, d.h. konstanter Bestrahlungsstärke ISC hängt nicht-linear vom Winkel ab, ISC ~ cos(α)
ISC wird maximal für Auslenkungswinkel α= 0° [ Licht Solarzelle]
ISC proportional der Projektionsfläche senkrecht zum Strahler
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die SolarzelleVersuche: Lichtintensität - Hintergrund
Intensität variiert nach Einfallswinkel
Intensität nimmt dabei ab durch längere Wegstrecken durch die Atmosphäre
Und durch die von einem Strahlenbündel an der Erdoberfläche bestrichenen Fläche
Weitere Faktoren können durch das Klima zustande kommen: Wolken, Nebel, Regen etc.
G 1 2 3 4 5 6
Atmosphäre
Erdoberfläche
s
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die Solarzelle
11,251,5
1,752
0 50 100 150 200 250 300 350 400B / (W/m²)
Ri / kΩ
05101520
200 250 300 350 400B / (W/m²)
U / V
Versuche: Lichtintensität - Ergebnisse
UOC ≈ konst.
G 1 2 3 4 5 6
Aufbau:
88,888
Digitalmultimeter
Solarzelle
Meßschiene
Strahler
ISC ~ B Aus ISC ~ B und UOC ≈ konst.
1/Ri ~ B
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die SolarzelleVersuche: Genutzte Zellenfläche - Ergebnisse
Dieser Versuch war in dieser Form so nicht durchführbar
Die Elemente der Versuchszelle waren in Reihe geschaltet Ist ein Element vollständig
verdeckt arbeitet es als Diode in Sperrrichtung
Strom bricht zusammen
G 1 2 3 4 5 6
Aufbau:
88,888
Digitalmultimeter
Solarzelle
Meßschiene
Strahler
Blende
Prinzipiell würde sich folgende Ergebnisse einstellen:
Messung bei konstanter Entfernung, d.h. konstanter Bestrahlungsstärke ISC hängt linear von der bestrahlten Fläche ab
ISC wird maximal für komplett freigelegte Solarzelle
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die Solarzelle
02468101214
0 2 4 6 8 10U / V
I / mA
Bei einem Abstand von 0,9 Metern Bei einer Intensität von 233,44
W/m² Maximale Leistung bestimmt zu Pmax ≈ 70,4 mW
RL= Ri ; hier RL ≈ 700 Ω
Pmax
G 1 2 3 4 5 6
Aufbau:
88,888
Digitalmultimeter
Solarzelle
Meßschiene
Strahler
Mini Ω Dekade
Ω
Versuche: Leistungsanpassung - Ergebnisse
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die Solarzelle
Auswertung und Diskussion Wirkungsgrad der untersuchten
Solarzelle liegt bei η ≈ 1,6 %
Hohe Lichtintensität führt zur besten Energieausbeute Licht-Einfallswinkel möglichst bei 90°
Maximale Leistung bei gleich großem Arbeits- und Innenwiderstand Arbeitswiderstand anpassen
Bei Abdeckung wird Solarzelle zur Diode Bei in Reihe geschalteten Elementen
Abdeckung in jedem Fall vermeiden
G 1 2 3 4 5 6
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die Solarzelle
Stand der Technik Im Labor Wirkungsgerade von η ≈ 30 % erreicht
Günstige Dünnschicht Solarzellen aus Silizium mit einem Wirkungsgrad von η ≈ 15 % allgemein erhältlich
Nutzung in Alltagsgegenständen wie Taschenrechnern und Uhren, sowie an entlegenen Orten z.B. Bojen oder in der Raumfahrt
Zunehmende Verwendung auch als integriertes Element in Gebäuden
Aktuelle Preise für private Anlagen ca. 5000 €/kWp und eine Vergütung von ca. 0,50 €/kWh bei Einspeisung Amortisationsdauer ca. 5 Jahre [bei 950
kWh/kWp][Zum Vergleich Endkundenpreis konvent. 0,23
€/kWh]
G 1 2 3 4 5 6
Jacob A. Strahl und Simon Romakerim Wintersemester 2005/2006
Die Solarzelle
Abschluß:
Fragen und Anmerkungen?
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
G 1 2 3 4 5 6