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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.

Eine einzige Solarzelle hat nur eine kleine Leistung, für große Leistungen verschaltet man viele Solarzellen in einem stabilen Rahmen, unter hagelfestem Glas, wie es das Foto links zeigt. Hier sind 60 Solarzellen verschaltet.

Du kannst Dir hier das Dokument herunterladen.

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

Solarzellen funktionieren sehr gut beim natürlichen Sonnenlicht und beim Licht von Glüh- oder Halogenlampen, weil deren Licht dem Sonnenlicht ähnlich ist. Das Licht von LED- Lampen ist dem Sonnenlicht nicht ähnlich, hier funktionieren Solarzellen nur sehr schlecht!
Wie eine Batterie hat eine Solarzelle auch 2 Pole, Plus und Minus. Der Pluspol ist auf der blauen Oberseite der Solarzelle, der Minuspol auf der grauen Unterseite. Während eine Mignon- Batterie eine Spannung von 1,5 V besitzt, hat eine Solarzelle eine elektrische Spannung von ca. 0,60 – 0,68 V, abhängig von der Lichtintensität. Mit den SUSE- Solarmodulen und Lernstationen kannst Du die Spannungen von Solarzellen messen.
Die hier gezeigte Solarzelle hat eine Größe von 156 mm x156 mm, eine elektrische Spannung von 0,65 V, eine maximale Stromstärke von ca. 9 A und eine Leistung von ca.5 W, gemessen bei strahlendem Sonnenschein. Bei bedecktem Himmel sind die Werte geringer. Auf der Vorderseite erkennt man das Vorderseitenkontaktgitter, es sind dünne elektrische Leiter aus Silber, sie bilden den Minuspol der Solarzelle. An die breiteren Leiter, die Busbars, lassen sich Drähte anlöten. Der Pluspol der Solarzelle ist auf der Rückseite, auch hier sind breitere Silberstreifen zum Anlöten von Drähten. Die dunkelblaue Farbe der Vorderseite ist eine hauchdünne Antireflexschicht aus Siliziumnitrid (Si3N4), die die Reflexion von Licht an der Oberfläche der Siliziumscheibe verhindert. Eine einzige Solarzelle hat nur eine kleine Leistung, deshalb werden in der Praxis Solarmodule verwendet, diese enthalten viele Solarzellen, meist 60 Stück, die miteinander verschaltet werden und so eine Leistung von 300- 400 W erreichen. Eine hagelfeste Glasplatte deckt die Solarzellen sicher gegen Regen und Hagel ab.

Du kannst Dir hier das Dokument herunterladen.

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.

Du kannst Dir hier das Dokument herunterladen.

Aufbau und Funktion einer Silizium- Solarzelle III

ab Klassenstufe 9

Eine Solarzelle ist eine großflächige Silizium- Halbleiterdiode, die n- dotierte Schicht ist die Oberseite der Solarzelle, hier dringt das Licht ein, die blaue Farbe entsteht durch die durchsichtige (!) dünne Antireflexschicht. Die n- dotierte Seite ist der Minuspol der Solarzelle! Die dünnen Silberleiter des Vorderseiten- Kontaktgitters dienen als elektrische Leiter zur Abnahme des Stroms. Die p- dotierte Schicht ist die Unterseite der Solarzelle, an ihrem unteren Rand ist eine weitere Antireflexschicht und eine dünne Aluminiumschicht mit grauer Farbe. Aufgebrachte Silberleiter dienen zum Anlöten von Drähten. Hier ist der Pluspol der Solarzelle. Der innere lichtelektrische Effekt der Ladungstrennung findet am p-n-Übergang statt. Die Oberseite des Si- Wafers ist texturiert, um Lichtreflexionen zu vermindern.

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.

Das Foto zeigt die Vorderseite einer monokristallinen 6-Zoll-Solarzelle, die dunkelblaue Farbe ist die hauchdünne (75 nm!) Antireflexschicht aus Siliziumnitrid Si3N4. Die weißen 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, den inneren Aufbau aus vielen Schichten zeigt die Grafik oben links: Die Siliziumscheibe ist oben mit Phosphor n- dotiert, sonst p- dotiert mit Bor. Am p-n-Übergang entsteht ein inneres elektrisches Feld, hier werden die Ladungsträger, Elektronen und Löcher, getrennt. Tritt ein Lichtteilchen (Photon) von oben in die Solarzelle ein und trifft auf ein Si-Atom, schlägt es aus der Hülle 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 Si- 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.

Du kannst Dir hier das Dokument herunterladen.

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