NILS
Niedersächsische Lernwerkstatt für Solare Energiesysteme
am Institut für Solarenergieforschung Hameln/Emmerthal, einer Einrichtung des Landes Niedersachsen
Was ist Aufbau und Funktion einer Solarzelle I
Klassenstufen 4-6
Eine Solarzelle ist ein Energiewandler, sie wandelt die Strahlungsenergie von Licht in elektrische Energie um. Die Verwendung von Sonnenlicht zur Erzeugung von elektrischer Energie ist sehr umweltfreundlich und nachhaltig, es entstehen bei der Energieumwandlung keine Schadstoffe, wie z.B. CO2.
Diese Technik der Energieumwandlung nennen wir Photovoltaik („Photo“ für Licht, „Voltaik“ für elektrische Energie). Weltweit werden immer mehr Photovoltaikanlagen zur Erzeugung von elektrischer Energie installiert.
Eine Solarzelle besteht aus einer sehr dünnen Scheibe aus Silizium, meist ein Quadrat mit der Kantenlänge 156 mm, mit einem Laser kann man sie auch in kleinere Formate mit kleinerer Leistung schneiden.
Wie eine Batterie hat auch eine Solarzelle 2 Pole, Plus + und Minus -. Bei einer Batterie sind die Pole wie angezeigt oben und unten. Auch bei der Solarzelle sind die Pole oben und unten, auf der Oberseite, auf die wir im Foto blicken, sind die dünnen Silberleiter der Minuspol der Solarzelle, auf der Unterseite ist der Pluspol.
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Aufbau und Funktion einer Silizium- Solarzelle II
ab Klassenstufe 7-8
Silizium- Solarzellen bestehen aus dünnen Silizium- Scheiben (Dicke nur 0,2 mm!), sie sind auf der Oberseite dunkelblau- schwarz, hier ist der Minuspol. Die Unterseite ist graue Aluminiumschicht, hier ist ihr Pluspol. Silizium ist ein häufig vorkommender Rohstoff aus Quarzsand (SiO2).
Die Solarzelle ist ein Energiewandler und wandelt die Strahlungsenergie des Lichts in elektrische Energie um!
Energiewandler Solarzelle
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Aufbau und Funktion einer Silizium-Solarzelle
ab Klassenstufe 8
Eine Solarzelle besteht häufig aus einer großflächigen Silizium – Halbleiterdiode. Der Minuspol ist an der Oberseite der Solarzelle, hier dringt das Licht ein. Die blaue Farbe entsteht durch die durchsichtige (!) dünne Antireflexschicht. Die dünnen Silberleiter des Vorderseiten – Kontaktgitters dienen als elektrische Leiter zur Abnahme des Stroms. Die Unterseite der Solarzelle stellt den Pluspol dar, an ihrem unteren Rand ist eine weitere Antireflexschicht und eine dünne Aluminiumschicht mit grauer Farbe. Aufgebrachte Silberleiter dienen zum Anlöten von Drähten. Der innere lichtelektrische Effekt der Ladungstrennung findet in der Solarzelle statt. Bewegliche Teile gibt es bei einer Solarzelle im Gegensatz zu einem Generator nicht.
Das Foto zeigt die Vorderseite einer monokristallinen 6-Zoll- Solarzelle (1 Zoll = 2,54 cm), die dunkelblaue Farbe entsteht durch die hauchdünne (75 nm!) Antireflexschicht aus Siliziumnitrid Si3N4. Die hellen Striche sind elektrische Leiter aus reinem Silber, die breiteren 3 Leiter sind die Busbars zur Abnahme des Stroms, hier werden Drähte angelötet.
Die Dicke der Solarzelle ist ca. 0,18 mm.
Im inneren der Siliziumscheibe entsteht bei der Herstellung durch das Einbringen von Fremdatomen ein elektrisches Feld, hier werden die Ladungsträger, Elektronen und Löcher, getrennt. Tritt ein Lichtteilchen (Photon) von oben in die Solarzelle ein und trifft auf ein Atom, schlägt es aus der Hülle des Atoms ein Elektron heraus, welches wegen des inneren elektrischen Feldes nach oben zum Vorderseitenkontaktgitter wandert, das Loch dagegen wandert zur Aluminiumschicht an der Unterseite der Solarzelle. Eingedrungene Photonen, die kein Atom getroffen haben, werden an der Rückseiten-Reflexionsschicht zurückgespiegelt.
Die elektrische Spannung Uoc einer Solarzelle
Eine Solarzelle liefert im Leerlauf (= Spannung ohne angeschlossenen Verbraucher) eine typische Spannung von 0,60 – 0,68 V. Der genaue Wert der Leerlaufspannung ist vom Material des Halbleiters, der Zugabe von Fremdatomen, der Temperatur und der Bestrahlungsstärke S abhängig, jedoch unabhängig von der Fläche der Solarzelle!
Die elektrische Stromstärke Isc
Die maximale elektrische Stromstärke Isc (= Kurzschlussstrom), die eine Solarzelle liefern kann, hängt von 2 Faktoren ab:
- Fläche der Solarzelle: Je höher die Fläche, desto höher ist I (direkt proportional)!
- Intensität der auftreffenden Lichtstrahlung: Je höher die Lichtintensität S, desto höher ist Isc (direkt proportional)!
Qualität der Solarzelle
Die Qualität einer Solarzelle wird durch die Stromstärke pro Flächeninhalt angegeben, sehr gute Solarzellen liefern einen Wert von: Isc = 38 – 42 mA/cm².
Die Ursache des elektrischen Stroms sind die durch das einwirkende Licht entstandenen freien Elektronen, die aufgrund eines inneren elektrischen Feldes auf die Oberseite der Solarzelle diffundieren und von dort über den äußeren Stromkreis auf die Unterseite gelangen. Die Entstehung von freien Elektronen heißt „innerer lichtelektrischer Effekt“, erklärt durch Einstein 1905.
Wird der Solarzelle Ladung entnommen, sinkt die Spannung U. Der genaue Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke wird in der U – I – Kennlinie einer Solarzelle (siehe unten) dargestellt. Die maximale Leistung wird nur in einem bestimmten Punkt, d.h. bei einer ganz bestimmten Spannung und Stromstärke erreicht, dieser Punkt heißt MPP = Maximum Power Point, wichtig in der Praxis! Der Wirkungsgrad einer Industrie- Solarzelle liegt bei ca. 18 – 21%, d.h. nur 18– 21% des einfallenden Lichts wird in elektrische Energie umgewandelt. Die Ursachen sind physikalische Faktoren, die hier nicht näher erläutert werden können. Moderne Solarzellenkonzepte erreichen im Labor Wirkungsgrade bis zu 26% bei einer physikalischen Grenze bei Si- Solarzellen von ca. 28%.
Eine weitere Wirkungsgradsteigerung erreicht man mit Stapel- Solarzellen. Hier werden 2 Solarzellen übereinander hergestellt, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und für verschieden Licht- Spektralbereiche empfindlich sind, die obere Zelle für das grün- violette Licht, die untere Zelle für gelbes, rotes und IR- Licht.
Die U(S)- Kennlinie
Die U(S)- Kennlinie zeigt die Abhängigkeit der Solarzellenspannung (Leerlaufspannung Uoc) von der Bestrahlungsstärke S des Lichts (Lichtintensität). Bei Dunkelheit ist keine Spannung vorhanden, schon bei geringer Helligkeit steigt sie stark an und nähert sich dann nur noch langsam steigend dem Wert 0,63 V.
Die I(S)- Kennlinie
Die I(S)- Kennlinie zeigt die Abhängigkeit des Kurzschlussstroms Isc von der Bestrahlungsstärke S (Lichtintensität). Bei Dunkelheit ist kein Strom vorhanden, mit zunehmender Helligkeit steigt die Stromstärke proportional in Form einer Geraden an und erreicht bei 1000 W/m² den Maximalwert 1000 mA.
Die I(U)- Kennlinie zeigt den Zusammenhang zwischen dem Kurzschlussstrom und der Leerlaufspannung bei einer belasteten Solarzelle, die Kurve P(U) ist die Leistungskurve mit dem Punkt MPP der maximalen Leistung.
Um höhere Spannungen zu erhalten, werden einzelne Solarzellen in Reihe geschaltet. Bei dieser Schaltungsart addieren sich die einzelnen Spannungen der Zellen.
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Aufbau und Funktion einer Silizium- Solarzelle III
ab Klassenstufe 9
Schematischer Aufbau einer Standard- Silizium-Industrie- Solarzelle. Moderne Konzepte, z.B. eine PERCSolarzelle, haben einen abweichenden, komplizierteren Aufbau. Größe 6 Zoll: 156,75 mm x 156,75 mm.
Die elektrische Spannung Uoc einer Solarzelle
Eine Solarzelle liefert im Leerlauf (= Spannung ohne angeschlossenen Verbraucher) eine typische Spannung von 0,60 – 0,68 V. Der genaue Wert der Leerlaufspannung ist vom Material des Halbleiters, der Zugabe von Fremdatomen, der Temperatur und der Bestrahlungsstärke S abhängig, jedoch unabhängig von der Fläche der Solarzelle!
Die elektrische Stromstärke Isc
Die maximale elektrische Stromstärke Isc (= Kurzschlussstrom), die eine Solarzelle liefern kann, hängt von 2 Faktoren ab:
- Fläche der Solarzelle: Je höher die Fläche, desto höher ist I (direkt proportional)!
- Intensität der auftreffenden Lichtstrahlung: Je höher die Lichtintensität S, desto höher ist Isc (direkt proportional)!
Qualität der Solarzelle
Die Qualität einer Solarzelle wird durch die Stromstärke pro Flächeninhalt angegeben, sehr gute Solarzellen liefern einen Wert von: Isc = 38 – 42 mA/cm².
Die Ursache des elektrischen Stroms sind die durch das einwirkende Licht entstandenen freien Elektronen, die aufgrund eines inneren elektrischen Feldes auf die Oberseite der Solarzelle diffundieren und von dort über den äußeren Stromkreis auf die Unterseite gelangen. Die Entstehung von freien Elektronen heißt „innerer lichtelektrischer Effekt“, erklärt durch Einstein 1905.
Wird der Solarzelle Ladung entnommen, sinkt die Spannung U. Der genaue Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke wird in der U – I – Kennlinie einer Solarzelle (siehe unten) dargestellt. Die maximale Leistung wird nur in einem bestimmten Punkt, d.h. bei einer ganz bestimmten Spannung und Stromstärke erreicht, dieser Punkt heißt MPP = Maximum Power Point, wichtig in der Praxis! Der Wirkungsgrad einer Industrie- Solarzelle liegt bei ca. 18 – 21%, d.h. nur 18– 21% des einfallenden Lichts wird in elektrische Energie umgewandelt. Die Ursachen sind physikalische Faktoren, die hier nicht näher erläutert werden können. Moderne Solarzellenkonzepte erreichen im Labor Wirkungsgrade bis zu 26% bei einer physikalischen Grenze bei Si- Solarzellen von ca. 28%.
Eine weitere Wirkungsgradsteigerung erreicht man mit Stapel- Solarzellen. Hier werden 2 Solarzellen übereinander hergestellt, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und für verschieden Licht- Spektralbereiche empfindlich sind, die obere Zelle für das grün- violette Licht, die untere Zelle für gelbes, rotes und IR- Licht.
Die U(S)- Kennlinie
Die U(S)- Kennlinie zeigt die Abhängigkeit der Solarzellenspannung (Leerlaufspannung Uoc) von der Bestrahlungsstärke S des Lichts (Lichtintensität). Bei Dunkelheit ist keine Spannung vorhanden, schon bei geringer Helligkeit steigt sie stark an und nähert sich dann nur noch langsam steigend dem Wert 0,63 V.
Die I(S)- Kennlinie
Die I(S)- Kennlinie zeigt die Abhängigkeit des Kurzschlussstroms Isc von der Bestrahlungsstärke S (Lichtintensität). Bei Dunkelheit ist kein Strom vorhanden, mit zunehmender Helligkeit steigt die Stromstärke proportional in Form einer Geraden an und erreicht bei 1000 W/m² den Maximalwert 1000 mA.
Die I(U)- Kennlinie zeigt den Zusammenhang zwischen dem Kurzschlussstrom und der Leerlaufspannung bei einer belasteten Solarzelle, die Kurve P(U) ist die Leistungskurve mit dem Punkt MPP der maximalen Leistung.
Um höhere Spannungen zu erhalten, werden einzelne Solarzellen in Reihe geschaltet. Bei dieser Schaltungsart addieren sich die einzelnen Spannungen der Zellen.
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