Solarzelle, Die Solaranlage - Monokristalline Zellen, Polykristalline Zellen, Amorphe Zellen

Gliederung

1. Einleitung
2. Silizium
3. Aufbau einer Solarzelle         a) Monokristalline Zellen

b) Polykristalline Zellen

c) Amorphe Zellen

4. Funktionsweise
5. Die Solaranlage          a) Inselbetrieb

b) Netzgekoppelte Anlage

c) Netzbetrieb

6. Rentabilität und Kosten einer Solaranlage im Haushalt

Quellen: E.ON GmbH, Encarta, Internet

1. Einleitung

bedeutet Spannung (Voltaik) aus Licht (Photo)

Photovoltaik beruht auf der direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie

+ die Erzeugung elektrischer Energie direkt aus der Sonnenstrahlung ist extrem sauber und umweltfreundlich

+ Photovoltaikanlagen produzieren keine Geräusche und Abgase, benötigen kaum Wartung und die erforderlichen Rohstoffe sind ausreichend verfügbar

entdeckt hat diesen Effekt der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel bereits 1839 beim Experimentieren mit galvanischen Elementen

lange Jahre wurde dieser Effekt nur in der Fotografie bei der Belichtungsmessung ausgenutzt

den Durchbruch erzwang die Raumfahrt ab Mitte der 50er-Jahre

hier ist die Photovoltaik die einzige Möglichkeit der Energieversorgung von Satelliten und Raumschiffen über längere Zeiträume hinweg

der Ölpreisschock im Jahre 1973 bewirkte, dass auch die Photovoltaik verstärkt in die Bemühungen um die Erschließung der erneuerbaren Energiequellen einbezogen wurde

seit 1974 wurden Forschungen an möglicherweise verwendbaren Materialien durchgeführt, dabei erwies sich Silizium am effektivsten

2. Silizium

Symbol Si im Periodensystem

Ordnungszahl 14

steht in der vierten Hauptgruppe des Periodensystems

halbmetallisches Element

ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element auf der Erde

erstmals 1823 von dem schwedischen Chemiker Jöns Jakob Berzelius isoliert

kann als Rohstoff als braunes Pulver oder in Form von grauschwarzen Kristallen dargestellt werden

Schmelzpunkt liegt bei 1420°C

man erhält es z. B. durch Erhitzen von Siliziumdioxid SiO (Sand; Quarz) mit einem Reduktionsmittel (z. B. Kohlenstoff oder Magnesium)

dabei wird der Sauerstoff entzogen und es entsteht reines Silizium

ist etwa 28 Prozent der Erdkruste

ist ein Halbleiter

Leitfähigkeit kann durch so genannte Dotiermittel beeinflusst werden

[Dotiermittel: verwendete  Stoffe die bei der Dotierung: - gezielte Verunreinigung des Reinst-Siliziums mit Fremdatomen (z.B. Bor[3HG,n-Schicht], Phosphor[5HG,p-Schicht]), die Elektronen abgeben können. Sie werden unter die Oberfläche des Wafers gebracht.]

es gibt verschiedene Herstellungsverfahren für die einzelnen Siliziumarten, diese werden später unter dem jeweiligen Punkt genauer erklärt

3. Aufbau einer Solarzelle

etwa 10 × 10 cm groß

besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Schichten:            - n-Schicht

- p-Schicht

an der Grenzschicht zwischen der n-Schicht und der p-Schicht entsteht ein Gleichgewichtszustand

beide Schichten werden mit Leitern verbunden, über die die Gleichspannung an der Solarzelle abgegriffen werden kann

an der unteren Fläche befindet sich eine durchgehende Metallschicht

die Oberfläche ist mit einer “Antireflexschicht' versehen, die dafür sorgt, dass möglichst viel Licht in den Halbleiter eindringt

sie verleiht der Solarzelle das typische dunkel- bis schwarzblaue Aussehen, ein Zeichen dafür, dass wenig Licht reflektiert wird

da der größte Teil der Strahlungsenergie der Sonne durch Licht des Wellenlängenbereichs zwischen 0,3 mm und 1,4 mm transportiert wird, können wesentliche Teile des Sonnenspektrums durch die Siliziumsolarzelle genutzt werden

da durch Wolken der infrarote Bereich des Sonnenspektrums sehr viel weniger als der sichtbare Bereich geschwächt wird, erzeugen Siliziumsolarzellen auch bei leicht bedecktem Himmel elektrische Energie

3a. Monokristalline Zellen

Format 10 × 10 cm

am aufwendigsten in der Produktion, da sie aus monokristallinem Silicium hergestellt werden (d.h. ein Kristall)

monokristallines Silicium wird heutzutage nach einem besonderen Schmelzverfahren aus Polysilizium gewonnen (Zonenschmelzen)

eine Heizspule wird so über den Stab geführt, dass die Schmelzzone langsam über den Stab hinweg wandert und unmittelbar dahinter wieder abgekühlt wird

das geschmolzene und wieder erstarrte Silicium rekristallisiert dabei in Form eines Einkristallstabes

man gewinnt dadurch einen zusätzlichen Reinigungseffekt, denn die noch möglichen Verunreinigungen im Polysilizium reichern sich stärker in der Schmelze an und werden so zum Stabende transportiert

dieses unreine Stabende wird nach erkalten abgesägt

durch mehrmaliges Durchlaufen dieses Verfahrens erhält man sehr hohe Reinheitsgrade

weisen den höchsten Wirkungsgrad mit Werten von 12 bis 16 % auf

Im Laborbetrieb wird bereits ein Wirkungsgrad von 24 % erzielt

die Ecken sind abgerundet, weil diese Zellen aus runden Scheiben mit 12,7 cm (5”) Durchmesser herausgesägt sind

die Dicke der Zellen liegt zwischen 400 und 600 µm (<1mm)

auf der Zellenvorderseite befindet sich ein fingerförmiger Metallkontakt, auf der Rückseite ein ganzflächiger oder ebenfalls gitterförmiger Metallkontakt

relativ großer Materialeinsatz etwa 250 g Silizium pro 0,5 m² Modulfläche

3b. Polykristalline Zellen

Silizium wird in Würfeln von 20 cm Kantenlänge unter Vakuum gegossen

diese Würfel werden dann in Säulen mit 10 × 10 cm Querschnitt aufgeteilt und mit Spezialsägen in Scheiben zerteilt

durch gezieltes Abkühlen der Würfel nach dem Gießen erreicht man, dass sich relativ große Kristallite von einigen Millimetern bis einigen Zentimetern Durchmesser bilden

Produktion wesentlich billiger

Wirkungsgrad allerdings um etwa 2 Prozent niedriger

erreichen Wirkungsgrade zwischen 11 und 14 %

3c. Amorphe Zellen

Rohstoff ist Siliziumpulver

werden meist im Kleinstleistungsbereich verwendet, wie z. B. für Taschenrechner, Armbanduhren etc.

Die Vorteile der Dünnschichttechnologie sind:

geringer Materialverbrauch durch hauchdünne (0,3 mm) aufgedampfte Schichten mit einem Materialbedarf von nur 0,6 g Silizium pro 0,5 m² Modulfläche

Trägermaterial ist Glas oder Kunststoff

hohe Flexibilität bei der Gestaltung neuer Solarprodukte, auch auf transparenten und/oder gekrümmten Flächen

Wirkungsgrad liegt derzeit bei maximal 6 %

4. Funktionsweise

Sonnenstrahlen treffen auf Solarzelle Schlagen in der n-Schicht Elektronen aus dem Gitternetz es entstehen sog. Elektronenlöcher die Elektronen werden über die Kontaktfinger abgeleitet über den Verbraucher geführt über die Metallblatte an Zellenhinterseite wieder in die Zelle geleitet und füllt Löcher wieder

5. Diagrammerklärung

Allgemein: Im Sommer wird wesentlich mehr Strom produziert als verbraucht wird. Im Winter ist es genau umgekehrt.

Inselbetrieb: Den überproduzierten Strom im Sommer kann ein Akkumulator nur zum Teil speichern. Im Winter muss, sobald die Batterie entladen ist, Strom mit einem Generator erzeugt werden.

Netzkopplung: Der Stromüberfluss im Sommer wird in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Im Winter muss Strom gekauft werden. Bei Überschneidung beider Diagramme wird der Solarstrom verbraucht. Stromüberschuss und gekaufter Strom gleichen sich in etwa aus.

Netzbetrieb: Der Solarstrom wird komplett ins Netz gegeben. Der Verbrauch muss komplett gekauft werden. Beide Summen gleichen sich aus, jedoch entsteht ein kleiner Verlust da der gekaufte Strom teurer ist.

5. Die Solaranlage

jede einzelne Solarzelle liefert eine elektrische Spannung von etwa 0,6 Volt und eine maximale Stromstärke von etwa 3 Ampere

um höhere Spannungen oder höhere Stromstärken zu erreichen, fasst man eine größere Anzahl von Einzelzellen zu Solarmodulen zusammen

die Solarzellen befinden sich hierbei in einem gemeinsamen Rahmen hinter speziell gehärtetem Glas und sind aneinandergeschaltet

Polykristalline Module enthalten bis zu 40 Zellen, monokristalline Module bis zu 36 Zellen

Solarmodule können unterschiedlich geschaltet werden

Solarzellen mit gleichen Eigenschaften können hintereinander geschaltet werden = die Spannungen addieren sich und die Ausgangsstromstärke entspricht der einer einzigen Zelle

werden gleiche Solarzellen parallel geschaltet =  die Stromstärken addieren sich und die Ausgangsspannung entspricht der einer einzigen Solarzelle

können aber auch kombiniert sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet werden

in diesem Fall addieren sich sowohl Spannung als auch Stromstärke

für größere Leistungen werden mehrere Solarmodule zu Solargeneratoren zusammengeschaltet

durchschnittliche Nennleistung eines 1 m² großen Solarpaneels liegt in unseren Breiten bei 100 W

damit können pro Jahr rund 70 kWh elektrische Energie gewonnen werden

um den Strombedarf eines Durchschnittshaushaltes von 4 000 kWh/Jahr mittels Photovoltaik erzeugen zu können, muss eine Anlage von mindestens 6 kW Leistung installiert werden, also etwa 60 Quadratmeter Solarpaneele

die Sonneneinstrahlung ist nicht an allen Orten gleich groß

sie ist von den geographischen Gegebenheiten und den Höhenlagen abhängig

so kann beispielsweise an nebelfreien Standorten in mehr als 1 000 m Seehöhe auch im Winter ein großer Energieertrag erzielt werden

in unseren Breiten lässt sich der maximale Stromertrag dann erzielen, wenn die Solarmodule nach Süden ausgerichtet sind und der Neigungswinkel zur Horizontalen etwa 30° beträgt

5a. Inselbetrieb

vom Inselbetrieb spricht man dort, wo keine Anbindung an das Stromnetz vorhanden ist

gerade am Inselbetrieb zeigen sich die Stärken der Photovoltaik

ein Nachteil am Inselbetrieb ist eine notwendige Energiespeicherung (wenn keine Sonne scheint)

der überflüssige Strom wird in sog. Akkumulatoren(auch Batterien genannt) gespeichert

An die Batterie werden folgende Anforderungen gestellt:

ausreichend hohe Ladungs- und Leistungsaufnahme

lange Haltbarkeit im Zyklenbetrieb

gute Wideraufladbarkeit

wartungsarmer Betrieb

die Kapazität einer Batterie wird in Amperestunden(Ah) dargestellt

sie gibt an, wie lange man mit einem bestimmten Strom den Akkumulator verwenden kann,  bis er wieder mit elektrischer Energie geladen werden muss

einer Batterie mit 100 Ah kann man 100 Stunden lang einen Strom von 1 Ampere entnehmen

Inselbetrieb wird z.B. zur Stromversorgung von Alm- und Schutzhütten, Parksäulen und Notrufsäulen verwendet

5b. Netzgekoppelte Anlage

ähnlich wie Inselbetrieb

nur dass diese Art das Netz eines öffentlichen Stromversorgers als Speicher

fällt mehr Solarstrom, an als im eigenen Haus gerade benötigt wird, so wird der Überschuss ins Netz eingespeist

umgekehrt wird in Schlechtwetterperioden und in der Nacht Strom aus dem Netz herangezogen

Anlage günstiger als bei Inselbetrieb, da man keine Speicheranlage benötigt

5c. Netzbetrieb

Solargeneratoren speisen den erzeugten Strom direkt in das öffentliche Netz ein

fasst gleiche Anlage wie bei Netzkopplung jedoch das kein Solarstrom gleich zum Verbraucher geht

Systeme im Megawattbereich sind heute meist Versuchs- und Demonstrationsanlagen

Vielleicht werden in einigen Jahren Solarkraftwerke in sonnenreichen Gebieten, wie etwa der Sahara, als echte Alternative zur konventionellen Stromerzeugung zum Einsatz kommen

6. Rentabilität und Kosten einer Solaranlage im Haushalt

die Stromerzeugung durch Umwandlung der Sonnenenergie ist eine tolle Technik, gerade auch deshalb, weil die Kraft der Sonne praktisch unerschöpflich ist

jedoch ist Vorsicht vor falschen Hoffnungen geboten

denn der Technik sind Schranken gesetzt, die weder durch Geld noch durch menschlichen Erfindergeist aufgehoben werden können

eine physikalische Tatsache ist z. B., dass Solarmodule nur den direkten Anteil der solaren Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandeln können, d. h., wenn es etwa drei Tage lang regnet – was ja bei uns gar nicht so selten ist –, können sie keinen Strom erzeugen

genau wegen diesem Punkt ist es fasst unmöglich Solarenergie als einen der Stromhauptlieferanten zu verwenden

dies hätte dann wahrscheinlich bei länger andauerndem Regen einen Zusammenbruch des Stromnetzes zur Folge

außerdem besitzt ein Solarzellenkraftwerk nicht so einen hohen Wirkungsgrad(nur ca. 12%) wie andere Kraftwerkarten

d.h. ein konventionelles Kraftwerk (Kohle-, Kernkraftwerk) erzeugt in ein paar Minuten genauso viel Strom wie die größte Solaranlage in einem ganzen Jahr

mit einer Photovoltaikanlage mit einer Leistung von 1 Kilowatt können pro Jahr rund 1000 kWh Strom erzeugt werden und 100 bis 125 € an Stromkosten eingespart werden

unter Berücksichtigung aller Kosten kommt die Kilowattstunde aus einer Photovoltaikanlage damit rund sechs- bis siebenmal teurer als die Kilowattstunde aus der “Steckdose”

mit größeren Stückzahlen werden in Zukunft die Anlagekosten und somit die Kilowattstunde Solarenergie billiger werden

der Einsatz Strom sparender Geräte ist auf jeden Fall besser als die Eigenproduktion von Strom aus Photovoltaikanlagen

dennoch sind heute netztunabhängige Anlagen, etwa auf Berghütten, schon im Bereich der Wirtschaftlichkeit

denn dort fallen hohe Kosten für die Stromzuleitung aus dem öffentlichen Netz an, falls dies überhaupt möglich ist, oder es müssen umweltbelastende Dieselaggregate zur Stromerzeugung verwendet werden

außerdem sind die nebelfreien Zonen über 1 000 m im Winter eindeutig bevorzugt, da hier die Differenz zwischen den Stromerträgen im Bezug auf die einzelnen Jahreszeiten nicht so groß sind

d.h. zwischen der Höhenlage eines Standortes und der Globalstrahlungssumme besteht ein eindeutiger Zusammenhang

der Planer von photovoltaischen Solaranlagen muss wissen, wie viel Sonnenenergie am vorgesehenen Anlagenstandort zur Verfügung steht

Globalstrahlungsmessungen werden von den Wetterstationen durchgeführt

es handelt sich hier um die Mittelwerte von langjährigen Messperioden

die tatsächlich gemessenen Werte einzelner Monate können um bis zu 50 % vom langjährigen Mittel abweichen

der Neigungswinkel von Paneelen darf von 8° bis 53° variiert werden (beste Neigungswinkel liegt bei ca. 30°)

alle Winkelabweichungen führen zu Ertragsreduzierungen, die sich aber nicht gravierend auswirken

in schneereichen Regionen sollte der Neigungswinkeln zwischen 50° und 70° liegen, dass der Schnee besser abrutscht

eine monatliche Verstellung des Neigungswinkels steigert den Ertrag

Nachführsysteme können die Stromlieferung um 25 bis 30 % erhöhen

verursachen jedoch weitere Kosten

der maximale Ertrag wird erreicht, wenn die Module nach Süden ausgerichtet sind

Orientierung nach Süden darf zwischen Südost und Südwest verändert werden, ohne dass der Stromertrag um mehr als 5 % absinkt

bei Standorten mit häufigem Morgennebel kann eine Verdrehung der Solarmodule nach Westen sinnvoll sein

die Spannung nimmt bei zunehmender Temperatur um mehr als 0,5% ab

Rentabilität wird sich jedoch in Zukunft erhöhen da Solaranlagen immer billiger und leistungsstärker werden

Lebensdauer eines Solarmoduls liegt bei ca. 20 Jahren

ein Vorteil ist dass der Wartungsaufwand sehr gering ist ebenso wie die Wartungskosten (eigentlich nur Versicherung)

eine für einen „Normalverbraucher“ typische netzgekoppelte Anlage kostet zwischen 10.000€ und 15.000€

die Kosten für die Hauptbauteile betragen:

• Solarmodul: ca. 450€ bis 800€

• Wechselrichter: ca. 2.000€
• Befestigungskonstruktion: 500€
• restliche Kosten sind die Installation vom Fachpersonal inklusiv aller zusätzlichen Materialien

für jede in das öffentliche Stromnetz versandte Kilowattstunde bekommt der Inhaber ungefähr 0,50€ von einem Stromversorgungsunternehmen

für den Benutzer ist wichtig, dass auch kleinste Anlagengrößen bereitgestellt werden können und dass sich die Anlage im Baukastensystem beliebig erweitern lässt

so ist ein schrittweise, kostengünstiger Aufbau einer Solaranlage möglich

Fachbegriffe

Halbleiter: d.h. dass der Widerstand gegen den Elektrizitätsfluss bei Raumtemperatur zwischen dem von Metallen und dem von Isolatoren liegt

Wafer: ist eine Scheibe aus zwei Schichten eine p-Schicht und eine n-Schicht

Wechselstrom/Gleichstrom: Solarzellen erzeugen Gleichstrom (DC = Direct Current). Dieser Strom besitzt eine gleichbleibende Richtung, und evtl. veränderliche Stärke. Vom Wechselrichter wird er in den üblichen Wechselstrom (AC = Alternatin Current) umgewandelt, dessen Stärke, oder Richtung sich zeitlich und periodisch ändert. ('sinusförmiger Wechselstrom)

Wechselrichter: Bindeglied zwischen Solarzellen und Wechselstromnetz; formt den Gleichstrom der Solarmodule in netzsynchronen Wechselstrom um

Versuch

Der Winkel, unter dem die Sonne ihr Licht auf die Erde strahlt, ändert sich im Verlauf eines Tages und eines Jahres ständig. Daher ist es wichtig zu wissen, wie sich die elektrisch relevanten Größen durch den Einstrahlwinkel verändern.

Durchführung:

1. Baue das Experiment dem Versuchsaufbau entsprechend auf.
2. Bestimme die Beleuchtungsstärke im Mittelpunkt des Winkelmesskreises. Halte dazu die Messsonde mit der Vorderseite (roter Punkt) in Richtung Lampe und verwende zum messen die unteren Buchsen des Messgerätes und den DC-Strombereich von 2mA. Halte das Ergebnis im Messprotokoll fest.
3. Drehe die Solarzelle in Schritten von 15° und miss den Kurzschlussstrom im DC-Strommessbereich von 2000mA und die Leerlaufspannung im DC-Spannungsmessbereich von 2000mV. Zwischen diesen Messungen brauchst du die Anschlüsse am Messgerät nicht zu verändern und nur den Messbereich verändern. Trage die Messwerte in die Tabelle ein und fertige eine graphische Darstellung an.

120 600

100 500

80 400

60 300

40 200

20 100

0

0 15 30 45 60 75 90

Photovoltaik

Die Photovoltaik stellt wahrscheinlich den interessantesten Teil der alternativen Energien dar. Sie wird sich in den nächsten Jahren immer mehr etablieren, da die Energie unserer Sonne nahezu unerschöpflich ist.

Entdeckt hat diesen Effekt der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel bereits 1839.

Sie hat  bereits in vielen Bereichen Einzug gehalten, z.B. die Parkscheinautomaten in der Innenstadt. Aber auch in wissenschaftlichen Bereichen ist sie nicht mehr wegzudenken. Die Weltraumforschung wäre hier zu nennen, nicht nur das die Photovoltaik maßgeblich an vielen Projekten beteiligt ist, nein sie verdankt auch größtenteils der Weltraumforschung ihr technisches Niveau. Anfang der 60er Jahre suchten amerikanische Wissenschaftler nach einer möglichen, unerschöpflichen Energiequelle für Satelliten und sie fanden sie in der Photovoltaik. Durch diese intensive Forschung wurde die Photovoltaik für den normalen Markt attraktiver.

Doch wenn sich erst einmal eine Person, zu einer alternativen Energiequelle entschieden hat, muss sie auch einen intelligenten Energieverbrauch erlernen. Voraus denkendes Handeln und Umgang mit der Energie sind Grundvorrausetzungen für einen intelligenten Energiekonsum. Haben wir das erst einmal erlernt, werden regenerative Energieformen für uns attraktiv werden.

Die Solarzellentypen im Vergleich