Solarzellen /photovoltaik

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welche physikalischen Gesetze oder besser gesagt, welche physikalischen Abläufe liegen hier vor? Wie wird nur aus Sonnenlicht und ein wenig Sand elektrischer Strom erzeugt? Diese Fragen sollen mit Hilfe dieser Hausarbeit geklärt werden. Dazu wird erst der Aufbau einer Solarzelle erläutert, dies geschieht in (Kapitel 2). Im Anschluss werden die dafür benötigten Materialien mit ihren Eigenschaften dem Leser näher gebracht (Kapitel 2.1). Darauf folgt die Funktionsweise, hier wird dann ein Schaubild benutzt um dies zu veranschaulichen (Kapitel 3). Im Anschluss kommen wir direkt zu den eigentlichen physikalischen Abläufen, mit dem Photoeffekt (siehe 3.1) und dem photovoltaischen Effekt (siehe 3.2). Daraufhin wird die Spannung, der Wirkungsgrad und die Stromstärke einer Solarzelle eingehend erläutert (Kapitel 4). 1. Solarzellen 2 Aufbau der Solarzellen U positive E itive Elektrode negative Elektrode 2012/12/wafer-solarzelle-aufbau.gif 2 n-dotiertes Silizium 3 Grenzschicht 4 p-dotiertes Silizium Abbildung 1: Aufbau der Solarzelle https://www.photovoltaiksolarstrom.com/wp-content/uploads/ 4 2.1 Materialien Die Elektroden bestehen zumeist aus Aluminium oder Silber. Die n-dotierte Silizium-schicht besteht aus Silizium und zugesetzten Phosphoratomen. Dotieren bedeutet nämlich etwas mit Absicht zu ,,verunreinigen", damit etwas besser leitet (Phosphor ,,verunreinigt" das Silizium). Durch das Einbringen des Phosphors ist der Halbleiter Silizium jetzt in einer besseren Lage Elektronen abzugeben. Dies lässt sich mit dem freien Außenelektron des Phospors erklären. Es besitzt fünf Stück benötigt jedoch nur vier, weshalb es dieses Fünfte gerne abgeben kann (Nr.2 in der Abbildung). Es ist negativ geladen, wodurch auch das n im Namen zu erklären ist. Das p-dotierte Silizium ist positiv (p) dotiert, hier wurden Boratome beigemengt. Bor hat nur 3 Außenelektroden und ist auf der Suche nach einem Weiteren. Es ist somit ungesättigt und daher herrscht in dieser Schicht ein Elektronenmangel. (Nr.4 in der Abbildung) Die Grenzschicht, liegt wie der Name schon sagt zwischen den beiden Silizium schichten als Grenze. Hier herrschen Elektronenbewegungen, da die zwei Schichten jeweils eine unterschiedliche Ladung haben, und + und − sich bekanntlicher Weise anziehen. Durch 1. Solarzellen diesen Ladungsunterschied und die daraus resultierende Elektronenbewegung entsteht ein elektrisches Feld (6). In dieser Grenzschicht sind die Atome nicht geladen (Nr.3 in der Abbildung) Es entsteht jedoch im negativ geladen Gebiet, eine positive Raumladung, und im positiven Gebiet eine negative Raumladung. Da die Elektronen sich bewegen und sich gegeneinander verschieben, sie diffundieren. (6) n-dotiert DO n-datiert n-dotiert DO ONO Elektrisches Feld F p-dobiert enstehung_verarmungszone1.gif p-dotiert p-dobiert Zeichenerklärung: DOO Raumladungszone → Abbildung 2: Raumladungen verstehen https://www.photovoltaiksolarstrom.com/wp-content/uploads/2012/09/ OO este positive Ladung ortsfeste negative Ladung freies Elektron freie Löcher Diffusionsstrom Feldstrom 5 2.2 Dotieren nochmals erklärt Als dotieren wird das gezielte Einbauen von Elementen der III und V Hauptgruppe in ein Element der IV Hauptgruppe bezeichnet. Dabei unterscheidet man zwischen n-dotierten und p-dotierten Halbleitern. Das Einbringen eines fünfwertigen Elementes, sorgt für ein negativ geladenen Halbleiter, da es ein Elektron zuviel gibt. Das Einbringen eines dreiwertigen Elementes, sorgt somit für ein positiv geladenen Halbleiter. 00 DO Norbert Auer 1. Solarzellen Beim n-Halbleiter wird das ausgeglichene Silizium mit Phosphor verunreinigt. Phosphor hat fünf Valenzelektronen. Vier werden benötigt um an das Silizium zubinden, es bleibt eines übrig. Dieses ist schwach an das Phosphor gebunden und kann mit wenig Energie losgelöst werden. Wird es losgelöst bleibt ein positiv geladenes Atom und ein freibewegliches Elektron zurück. Do DO OO Si B OO is is 00:00:01 (Si P (Si) ᎣᎣ Der p-Halbleiter wird Bor in das ausgeglichene Silizium gegeben. Bor hat drei Valenzelektronen, und kann somit nicht an alle vier Atome des Siliziums binden. Um das auszugleichen holt das Bor sich ein Elektron aus der Umgebung, beispielsweise wird dieses vom Silizium genommen. Somit herscht beim Bor eine negative Ladung und beim Silizium eine positive Ladung. Diese postive Ladung, auch als Loch bezeichnet ist frei beweglich. 6 06 1. Solarzellen 3 Funktionsweise der Solarzellen Die Funktionsweise der Solarzelle ist, wenn man das erste davon hört womoglich sehr komplex, weshalb im Anschluss noch einmal eine vereinfachte Erklärung anhand eines Beispieles folgt. Um eine Elektronenbewegung zu erzeugen wodurch dann Strom entsteht, benötigen wir nun Sonnenlicht, oder viel eher die Lichtteilchen. Diese Lichtteilchen, oder aber auch Photonen genannt sind mit Energie beladen. Diese Energie benötigen sie um die Elektronen zu lösen (6). Die losgelösten Elektronen werden nun durch die positive Raumladung, nach oben gezogen (+ und - ziehen sich an). Hier ist ein Verbindungskabel angebracht, welches die Elektroden miteinander verbindet, wodurch die freien Elektroden übers Kabel nach unten zum Pluspol wandern. Dadurch wurde ein Kreislauf geschaffen und der Verbraucher kann den erschaffenen Gleichstrom nutzen (6). positive Elektrode negative Elektrode n-dotiertes Silizium Grenzschicht p-dotiertes Silizium 7 Abbildung 3: Grafische Darstellung zur Funktion https://www.photovoltaiksolarstrom.com/wp-content/uploads/ 2012/12/wafer-solarzelle-aufbau.gif Sinnbildlich gesehen, kann man sich die Silizium schichten ebenfalls als Ebenen vorstellen, dabei liegt die obere leicht schräg über der unteren ersten Ebene. In der unteren Ebene sind Kuhlen, welche mit Wasser befüllt sind. Unsere Photonen ( Lichtteilchen ) werden jetzt einfach durch Bälle ersetzt, welche auf die erste Ebene geworfen werden. Treffen sie nun eine mit Wasser gefüllte Kuhle, so spritzt das Wasser auf die Zweite, höher liegende Ebene. Diese zweite Ebene hat keinerlei Kuhlen, sie ist lediglich ein wenig geneigt, sodass das Wasser in die hinten angebaute Abflussrinne fließen kann. Diese Abflussrinne ist mit der unteren Ebene verbunden, sodass ein geschlossener Kreislauf entstanden ist. Damit wir 1. Solarzellen jedoch Strom haben, schalten wir hier bei der Abflussrinne noch ein Wasserrad an, dieses ist mit einem Dynamo (6) verbunden. So entsteht auch hier wieder Strom. Gummibälle Zweite Ebene Erste Ebene Wasserrad Wassergefüllte Kuhlen Abbildung 4: Sinnbildliche Darstellung zur vereinfachten Erklärung Abbildung1.png (1596×404) (volker-quaschning.de) 8 Dynamo 3.1 Innerer Photoeffekt Der innere Photoeffekt ist der erste Physikalische Prozess, der in unserer Solarzelle abläuft, er funktioniert wie folgt. Das Sonnenlicht besteht wie bereits erwähnt aus Photonen (Lichtteilchen), trifft dieses Photon auf die Solarzelle, wird ein Elektron losgelöst und es entsteht an seinem damaligen Platz eine Art Loch (6). Dieses Loch ist positiv geladen, da jetzt das negativ geladene Elektron fehlt. Zusammen bilden sie ein Elektronen-Loch-Paar, wobei sowohl das Loch, als auch das Elektron frei beweglich sind. Strom wird durch frei bewegliche Ladungsträger erzeugt, diese Bedingung wurde soeben mit dem Elektronen-Loch-Paar erfüllt. Damit sie sich jetzt aber nicht rekombinieren, also sich wieder vereinen gibt es den Photovoltaischen Effekt. Da eine Bewegung der Teilchen erwünscht ist, durch diese entsteht nämlich die Spannung (6). 3.2 Photovoltaische Effekt Das elektrische Feld sorgt für das Trennen des Elektronen-Loch-Paares. Durch die unterschiedliche Ladung (Fehler: Verweis nicht gefunden) entstand, wie zuvor erwähnt eine positive Raumladung im negativen Silizium Bereich. Diese positive Raumladung zieht jetzt die negative Elektronen an, hier können sie sich nicht mehr rekombinieren, da durch das Phosphor bereits ein Elektronenüberschuss vorhanden ist. Das Loch welches positiv geladen 1. Solarzellen ist, wird von der negativen Raumladung angezogen und bewegt sich somit in den positiven Bereich. Auch hier ist eine Rekombination eher ausgeschlossen. Jedoch wird durch die Bewegung eine elektrische Spannung erzeugt. freibewegliche Löcher (p-Teil) freibewegliche Elektronen (n-Teil) ortsfeste Ladung (Donator) ortsfeste Ladung (Akzeptor) Tampe 9 Abbildung 5: Raumladung Veranschaulichung http://gfs.khmeyberg.de/1314/1314Klasse9dPh/1314Material9dPh/201406209dPh06.jpg Wird nun der Stromkreis geschlossen, fließen die freien Elektronen durch den Vorderkontakt, über das Kabel an den Rückseitenkontakt. Hier können sie sich dann wieder mit den Löchern rekombinieren. 1. Solarzellen 4 Wirkungsgrad, Spannung und die Stromstärke Strom in A 2 - % 1000 W/m² 0,1 600 W/m² 200 W/m² 0,2 0,3 0,4 Spannung in V Abbildung 6: Stromstärke und Spannung in Abhängigkeit vom Sonnenlicht https://www.solarserver.de/wp-content/uploads/Strom- 10 0,5 Spannungs-Kennlinie.jpg Die Spannung (6) ist abhängig vom Halbleitermaterial, jedoch beträgt sie in unserem Fall mit Silizium ungefähr eine Spannung zwischen 0,5 bis 0,7 Volt. Die Zahl variiert durch die Betriebstemperatur. Haben wir eine Siliziumzelle mit den Maßen 156mm / 156mm, so erreicht diese eine Maximale Stromstärke (Fehler: Verweis nicht gefunden ) von 5,5 Ampere, solange die Bestrahlung 1000 W/m² beträgt. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von der Strahlungsenergie, die in Deutschland ungefähr 1000kW/m^2 beträgt, zur erzeugten Energie. Die Sonneneinstrahlung bei 10cm^2 beträgt daher 10 Watt, die Solarzelle kann aber nur 0,8-15 Watt erzeugen und abgeben. Daher ist der Wirkungsgrad in diesem Beispiel mit 8-15% relativ gering. Der Aktuelle Rekord bezüglich des Wirkungsgrades beträgt 25,54%, er wurde kürzlich von der Firma Sundrive aufgestellt. Es gibt dauernd neue Modelle und Inspiration um die Solarzelle zu kompremieren. Schlussbemerkungen 1. Solarzellen 5 Quellenverzeichnis (1) https://www.solaranlagen-portal.com/photovoltaik/ratgeber/photovoltaik-effekt (14.09.2021/ 20:44 Uhr) (6) (7) (2) https://www.volker-quaschning.de/artikel/pv-grundlagen/index.php (11.09.2021/ 14:10 Uhr) (3) https://www.kesselheld.de/aufbau-solarzelle/ (23.08.2021/ 19:30 Uhr) (4) https://service.focus.de/solaranlagen/solarzelle (23.08.2021/ 20:15 Uhr) (5) https://www.enbw.com/blog/energiewende/solarenergie/was-passiert-eigentlich-in-der- solarzelle/ (14.09.2021/ 20:45 Uhr) https://photovoltaiksolarstrom.com/solarzelle-funktion/ (08.09.2021/ 12:00 Uhr) https://www.leifiphysik.de/elektronik/halbleiterdiode/grundwissen/silizium-solarzellen (14.09.2021/20:50 Uhr) (8) https://www.enerix.de/produkte/photovoltaikanlangen/ (07.09.2021) (9) https://photovoltaiksolarstrom.com/photovoltaiklexikon/volt/ (08.09.2021/ 12:00 Uhr) (10) https://www.solarserver.de/wissen/basiswissen/photovoltaik-typen-und-eigenschaften- von-solarzellen/ (11) (12) https://www.pv-magazine.de/2021/09/10/sundrive-stellt-mit-2554-prozent- https://www.ikz.de/ikz-praxis-archiv/p0405/040506b.php (09.09.2021/ 09:48 Uhr) 11 wirkungsgrad-neuen-rekord-fuer-silizium-solarzellen-auf Uhr) (13.09.2021/ 14:02 Uhr) (13) https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/das-baendermodell Uhr) (10.09.2021/ 14:50 (14) https://studyflix.de/ingenieurwissenschaften/photoeffekt-1695 (14.09.2021/18:00 (15) https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/plancksches- wirkungsquantum 1. Solarzellen (14.09.2021/ 18:18 Uhr) (16) aufbau.gif (06.09.2021/ 20:42 Uhr) (17) https://www.wegatech.de/wp-content/uploads/2017/03/photoelektrischer-effekt-pv- modul-1200x1135-300x284.png (07.09.2021/ 17:04 Uhr) (18) Abbildung1.png (1596×404) (volker-quaschning.de) (07.09.2021/ 17:55 Uhr) (19) https://www.photovoltaiksolarstrom.com/wp-content/uploads/2012/12/wafer-solarzelle- http://gfs.khmeyberg.de/1314/1314Klasse9dPh/1314Material9dph/ 201406209dPh06.jpg (13.09.2021/ 09:50 Uhr) (20) https://www.solarserver.de/wp-content/uploads/Strom-Spannungs-Kennlinie.jpg (13.09.2021/ 10:35 Uhr) (21) https://www.photovoltaiksolarstrom.com/wp-content/uploads/2012/09/ enstehung_verarmungszone1.gif (22.09.2021/10:11 Uhr) 12 Abbildungsverzeichnis Aufbau der Solarzelle Raumladungen verstehen Grafische Darstellung zur Funktion. Sinnbildliche Darstellung zur vereinfachten Erklärung Raumladung Veranschaulichung Stromstärke und Spannung in Abhängigkeit vom Sonnenlicht 5 .7 .7 .9 .10 6 Anhang 1. Bändermodell: Man unterscheidet zwischen dem Valenz - und dem Leitungsband. Das Valenzband enthält Elektronen mit dem niedrigeren Energieniveau. Hier sind die Elektronen nicht frei beweglich, jedoch sind sie das auf dem Leitungsband. Wie der Name schon sagt sind die Elektronen hier frei beweglich, da sie in der Lage sind zu leiten. Hier ist das Energieniveu höher, weshalb man die Elektronen auf dem Valenzband, mit Energie `füttern` muss. Bei den Solarzellen wird dafür die Energie der Photonen genutzt. Würde man die Elektronen nicht auf das Leitungsband anheben, so würde der Stoff nicht leiten können. 1. Solarzellen 2. Gleichstrom/ Wechselstrom: Man spricht von einem Stromfluss, wenn sich Ladungsträger in eine Richtung x bewegen. Bleibt diese Richtung konstant, so spricht man von einem Gleichstrom. Liegt eine periodische/regelmäßige Richtungsänderung vor, so spricht man von einem Wechselstrom. 3. Spannung: Gibt die Stärke des Antriebes für den elektrischen Strom an. 4. Stromstärke: Wie viel Ladung fließt durch einen bestimmten Punkt innerhalb einer Sekunde? (Bsp.von Herr. Reimer mit dem Stadion) 5. Ladung: Elektronenmangel oder Elektronenüberschuss sorgen für eine elektrische Ladung, innerhalb eines Stoffes. 6. Leistung: In einer Zeitspanne x umgesetzte Energie, bzw. wie viel Energie in andere Energie umgewandelt wird. In Anbetracht dieser Zeitspanne. 13 7. Elektrisches Feld: Ein geladener Körper übt Kraft aus und erzeugt so in einem Raum ein elektrisches Feld. 8. Raumladungszone: Bringt man die p-Schicht und die n-Schicht zusammen, so erhält man eine sogenannte Halbleiterdiode. Diese hat die Eigenschaft das ihr Widerstand von der Stromflussrichtung abhängt. Es gibt also eine Durchlass-und eine Sperrrichtung. Innere des Ventils www Innere des Ventils Durchlassrichtung https://www.leifiphysik.de/sites/default/files/images/ ww Sperrichtung d174da1c189ee7832e1964c9586c624f/992halbleiterdiode-analogie-diode-ventil.svg 9. Dynamo: Maschine zur Erzeugung von elektrischem Strom. 10. Wirkungsgrad: Wie viel Energie des Sonnenlicht wird in eigentlich in nutzbaren Strom umgewandelt (Verluste durch zu niedrige Energie der Photonen, oder aber die 1. Solarzellen 14 Energie ist zu hoch. Es kann nur ein Teil genutzt werden, die andere wird in Wärme umgewandelt.) 1. Solarzellen 15 Eidesstattliche Erklärung Ich versichere hiermit an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und ohne unzulässige fremde Hilfe erbracht habe. Ich habe keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt so wie wörtliche und sinngemäße Zitate kenntlich gemacht. Die Arbeit hat in gleicher oder ähnlicher Form noch für keine Oberstufenleistung vorgelegen. Ort, Datum, Unterschrift nicht vergessen Erklärung zur schulinternen Verwendung Ich bin damit einverstanden, dass meine Arbeit anderen Schülerinnen und Schülern der GeFa zugänglich gemacht wird. Ort, Datum, Unterschrift nicht vergessen