zum Skript

Strom ohne Kohle, Öl oder Gas?
Brennstoff- und Solarzelle
Inhalt
1. Was versteht man unter Brennstoffzellentechnologie?
1.1 Grundlagen
1.2 Aufbau der einzelnen Energiewandler
1.2.1 Der Elektrolyseur
1.2.2 Die Brennstoffzelle
2. Experimente mit der Brennstoffzelle
2.1 Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs
2.2 Die Brennstoffzelle unter Last
2.3 Welche Spannung liefert eine ideale Brennstoffzelle?
2.4 Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle
2.5 „Das Wasserstoffauto“ und weitere Experimente
3. Die Solarzelle
3.1 Grundlagen
3.2 Der Wirkungsgrad einer Solarzelle (Experiment)
3.3 Weitere Experimente mit Solarzellen
4. Quellen

Strom ohne Kohle, Öl und Gas?
Brennstoff- und Solarzelle
1. Was versteht man unter Brennstoffzellentechnologie?
1.1 Grundlagen
Sicherlich ist Ihnen aufgefallen, wie in den letzten
Jahren die Diskussion um eine
CO 2 - freie Energiewandlung zugenommen hat.
Als Lösung fallen dabei immer wieder die
Begriffe „Solartechnik“ und „Wasserstofftechnologie“.
Unter Wasserstofftechnologie versteht man (unter
anderem) den in sich geschlossenen Prozess von
Wasserstoffherstellung auf der einen und
Elektrizitätserzeugung auf der anderen Seite.
Wasserstoffgewinnung
Wasserstofftechnologie
Erzeugung
von
Elektrizität
Die H 2 – Technologie besteht im Wesentlichen aus drei Elementen:
• das Solarmodul,
• der Elektrolyseur und
• die Brennstoffzelle.
Die umgesetzte Energie der Solarzelle wird in Form von Wasserstoff gespeichert und ist somit
„transportfähig“, sodass sie jederzeit und überall abrufbar ist.
Abbildung 1: Die Energieumwandlungen im Überblick 1
1 Quelle: http://www.physik.uni-augsburg.de/~ferdi/umweltpraktikum/solar .

1.2 Aufbau der einzelnen Energiewandler
1.2.1 Der Elektrolyseur
Unser Elektrolyseur besteht aus einer protonendurchlässigen Polymembran (Proton-Exchange-
Membran), die von zwei mit Platin beschichteten Elektroden umgeben ist. Zwischen der Anode und
Kathode wird eine äußere Spannung angelegt. Gleichzeitig wird der Anode Wasser zugeführt. Das
Wassermolekül wird an der Anode in seine Bestandteile zersetzt:
+
2H 2
O → 4H
+ O2
+ 4
e
−
An der Anodenseite entsteht molekularer Sauerstoff.
Die Protonen gelangen durch die nur für sie durchlässige Membran auf die Kathodenseite, wo sie sich
anreichern. Durch die angelegte äußere Spannung gelangen die Elektronen über einen äußeren
Stromkreis zur Kathode, wo sie mit den aus der Membran stammenden Protonen Wasserstoff bilden:
+
−
4H
+ 4e
→ 2H
2
An der Kathodenseite des Elektrolyseurs entsteht somit molekularer Wasserstoff.
Abbildung 2: Chemische Umwandlungen im Elektrolyseur 2
Die Energie, die der Elektrolyseur zur Zersetzung von Wasser benötigt, kann beispielsweise von einer
(emissionsfreien) Silizium-Solarzelle geliefert werden.
1.2.2 Die Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle besteht wie der Elektrolyseur ebenfalls aus einer porösen, protonendurchlässigen
Membran, die wiederum von zwei mit Platin beschichteten Elektroden umgeben ist. Die Prozesse der
Elektrolyse laufen hier in umgekehrter Richtung ab. Die chemische Energie, die frei wird, wenn
Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser reagieren, wandelt die Brennstoffzelle direkt (ohne „heißen“
Verbrennungsprozess) in elektrische Energie um.
Vereinfacht gesagt ist eine Brennstoffzelle ein „rückwärts betriebener Elektrolyseur“.
Elektrische Energie
2 Quelle: http://www.physik.uni-augsburg.de/~ferdi/umweltpraktikum/solar/

Wie bei der „heißen“ Verbrennung entsteht Wasser. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass
die Prozesse in einer Brennstoffzelle bei Umgebungstemperatur ablaufen können. Die Ausgangstoffe
Wasserstoff und Sauerstoff werden an getrennte Elektroden geführt.
Der Wasserstoff gelangt an die Anode; der Sauerstoff an die Kathode. Die Platinbeschichtung wirkt als
Katalysator und sorgt dafür, dass die Aktivierungsenergie der chemischen Reaktion deutlich gesenkt
wird. Dem an die Anode geführten Wasserstoff werden durch die katalytische Wirkung der Elektrode
die Elektronen entrissen 3 . Dabei wird das neutrale Wasserstoffatom in ein Proton (H + ) und ein
Elektron (e - ) zerlegt. Da Wasserstoff in molekularer Form vorliegt, werden an der Anode also immer
zwei Atome in ihre Bestandteile zerlegt.
An der Anode befinden sich somit freie, bewegliche Elektronen (e - ) und Protonen (H + ).
Zwischen der Anode und der Kathode befindet sich eine Membran, die nur für Protonen durchlässig ist
(Proton Exchange Membran - PEM). Durch diese gelangen die Protonen auf die Sauerstoffseite, der
Kathode 4 . Hier reichern sich die Protonen an, was dazu führt, dass sich die Kathode positiv auflädt.
Zwischen den beiden Elektroden entsteht eine Potentialdifferenz.
Die vom Wasserstoff abgegebenen Elektronen werden von der Anode „abgesaugt“ und zur Kathode,
die über einen Verbraucher (Elektromotor, Lampe, …) mit der Anode verbunden ist, weitergeleitet, so
dass ein elektrischer Strom fließt. An der Kathode werden die Elektronen nun vom Sauerstoff
aufgenommen.
Die O 2 -Molekülbindung wird aufgespalten, sodass zweifach negativ geladene Sauerstoff-Ionen
entstehen. Chemisch gesehen ist dies eine Reduktion. Die Protonen verbinden sich mit den negativ
geladenen Sauerstoff-Ionen zu Wasser.
Abbildung 3: Chemische Umwandlungen in der Brennstoffzelle 5
Solange Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt werden, bildet sich zwischen den Elektroden eine
Spannung, mit der ein Stromfluss in Gang gehalten werden kann. Die Brennstoffzelle ist somit eine
Elektrizitätsquelle, die geräuschlos und ohne Abgase arbeitet.
Achtung!
Die Brennstoffzelle darf nicht mit einer Elektrizitätsquelle
verbunden werden!!!
3 Ein Chemiker bezeichnet eine solche Reaktion als „Oxidation“. Allgemein bedeutet Oxidation eine Abgabe von
Elektronen und Reduktion eine Aufnahme von Elektronen. Im ursprünglichen, speziellen Sinne bedeutet Oxidation das
Entstehen einer Sauerstoffverbindung.
4 Als Kathode bezeichnet man die Elektrode, an der Reduktionsreaktionen – d.h. Reaktionen, bei denen Elektronen
aufgenommen werden – stattfinden. Entscheidend ist also nicht das Vorzeichen der Spannung, die an der Elektrode anliegt,
sondern die Art der chemischen Reaktion, die an ihr stattfindet! (Bei Elektrolysen ist die Kathode die negativ geladene
Elektrode, bei Batterien und Brennstoffzellen die positiv geladene.)
5 Quelle: unbekannt

2. Experimente und Aufgaben
2.1 Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs
Beschreibung des Aufbaus und der Durchführung:
• In eine mit Wasser gefüllte Glaswanne wird ein gefluteter Messzylinder eingetaucht und
umgedreht, sodass der Boden des Messzylinders nach oben zeigt.
• In den Messzylinder wird der H 2 -Auslassschlauch eingeführt und fixiert. Der Messzylinder
wird mit einem Massestück beschwert. (Frage: Warum?)
• Der Elektrolyseur wird mit einer Stromstärke von ca. I = 1 A etwa 20 bis 25 Minuten betrieben.
• Stromstärke, Spannung, Zeit und das Volumen des entstandenen Wasserstoffs werden
gemessen.
Auswertung:
Wenn man einen Kubikzentimeter gasförmigen Wasserstoff verbrennt, so werden etwa 10 Joule
Energie frei 6 (! Heizwert von Wasserstoff: H = 10 J/cm 3 ).
Etwas ungenau 7 kann man sagen: In einem Kubikzentimeter 8 Wasserstoff sind 10 Joule Energie
gespeichert.
Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs ist die „sinnvoll genutzte Energie“ dividiert durch die
„zugeführte Energie“, in unserem Falle also die im Wasserstoff gespeicherte (chemische) Energie
dividiert durch die zugeführte (elektrische) Energie 9 .
Der Wirkungsgrad η EL ergibt sich daher aus der Gleichung:
Hierbei sind:
H : Heizwert von Wasserstoff (10 J/cm 3 )
V : Volumen des erzeugten Wasserstoffs
U : Spannung
I : Stromstärke
t : Zeit
Echemisch
H ⋅ V
η
EL
= = .
E U ⋅ I ⋅ t
elektrisch
Aufgabe:
Führen Sie das Experiment durch und berechnen Sie den Wirkungsgrad des Elektrolyseurs!
6 Diese Angabe hat eine Genauigkeit von zwei gültigen Ziffern (d.h. in wissenschaftlicher Schreibweise:
H = 1,0 . 10 1 J/cm 3 ). Sie gilt für eine Temperatur von 20 °C und einem Druck von 1013 hPa. Bei anderen Werten für
Temperatur oder Druck ändert sich der Zahlenwert – also Vorsicht beim Vergleich mit Literaturwerten!
Die Abhängigkeit des Volumens von Druck und Temperatur ist der Grund, warum ein Physiker sich lieber auf die
gelieferte Energie pro Masse (bzw. pro Stoffmenge) bezieht. Da in unserem Experiment jedoch die Volumina gemessen
werden, haben wir uns für die obige Vorgehensweise entschieden.
7 Bei exakter Argumentation müsste man hier zwischen Heizwert und Brennwert unterscheiden. Ein Fachphysiker würde
zudem an dieser Stelle den Begriff der Enthalpie ins Spiel bringen. Da es uns nur um eine Verdeutlichung der prinzipiellen
Vorgänge in einer Brennstoffzelle bzw. einem Elektrolyseur geht, haben wir uns zu dieser vereinfachten Darstellungsweise
entschlossen.
8 Ein Kubikzentimeter ist ein Milliliter, d.h. ein tausendstel Liter.
9 Elektrische Energie und chemische Energie sind hierbei nicht etwa zwei völlig verschiedene Dinge – beides ist Energie!
Der Unterschied ist so ähnlich wie bei Grundwasser und Trinkwasser – beides ist Wasser!

2.2 Die Brennstoffzelle unter Last
Die von der Brennstoffzelle gelieferte Spannung ist kein konstanter Wert, sondern „bricht zusammen“
(d.h. sinkt), wenn die Brennstoffzelle stark belastet wird.
Aufgabe:
a) Messen Sie die von der Brennstoffzelle gelieferte Spannung und die Stromstärke für
verschiedene Lastwiderstände („Verbraucher“). Beginnen Sie mit großen Widerständen!
b) Zeichnen Sie die Kennlinie der Brennstoffzelle, d.h. stellen Sie die Messwerte graphisch dar,
indem Sie die Spannung über der Stromstärke auftragen (I-U-Diagramm)!
c) Das Phänomen, dass die Spannung einer Elektrizitätsquelle „zusammenbricht“, wenn man sie
belastet, tritt auch im Alltag gelegentlich auf. Nennen Sie Beispiele!

2.3 Welche Spannung liefert eine ideale Brennstoffzelle?
Vorbetrachtung:
Man hat herausgefunden, dass bei einer Temperatur von 20 °C und einem Druck von 1013 hPa für alle
23
Gase in einem Volumen von 24 Litern etwa 6,0
⋅ 10 Teilchen (Moleküle bzw. Atome) enthalten
sind 10 .
23
6,0 ⋅10
22
19
Dies entspricht = 2,5 ⋅10
Teilchen pro Liter bzw. 2,5⋅ 10 Teilchen pro Kubikzentimeter.
24
Wasserstoff liegt molekular vor. Ein Wasserstoffmolekül (H 2 ) besteht aus zwei Wasserstoffatomen,
von denen jedes ein Elektron liefern kann. Wasserstoff enthält bei 20 °C und 1013 hPa also
19
19
2⋅ 2,5 ⋅10
= 5,0 ⋅10
Elektronen pro Kubikzentimeter, wobei jedes Elektron einen Ladungsbetrag von
1,6 . 10 -19 C trägt (→ Elementarladung).
Ergebnis:
Unter den typischen Arbeitsbedingungen einer Brennstoffzelle kann
Wasserstoff mit dem Volumen V die folgende Ladungsmenge abgeben:
Q = k ⋅e⋅V
mit k = 5,0 ⋅10
cm
und e = 1,6 ⋅10
19 −3
−19
C.
Berechnung der maximal möglichen Spannung einer Brennstoffzelle:
Eine „ideale“ Brennstoffzelle 11 würde die gesamte zur Verfügung stehende chemische Energie in
elektrische Energie umwandeln:
E
elektrisch
H ⋅V
= E
chemisch
⇔ Uideal
⋅I
⋅ t = H ⋅V
⇔ Uideal
= .
I⋅
t
Das Produkt aus Stromstärke und Zeit ergibt die Ladung ( I . t = Q ), welche oben berechnet wurde.
Daher ergibt sich für die Spannung einer idealen Brennstoffzelle:
U ideal
H ⋅ V H ⋅V
H ⋅V
H
= = = = .
I⋅
t Q k ⋅e⋅V
k ⋅e
Hierbei sind:
H : Heizwert von Wasserstoff (10 J/cm 3 )
k : Anzahl der Ladungsträger pro Kubikzentimeter
(5,0 . 10 19 Elektronen pro Kubikzentimeter für Wasserstoff)
e : Elementarladung (e = 1,6 . 10 -19 C)
Aufgaben:
a) Berechnen Sie die Spannung einer idealen Brennstoffzelle!
b) Die gelieferte Spannung ist selbst bei einer idealen Brennstoffzelle gering. Wie kann man
trotzdem anspruchsvolle Verbraucher (z.B. den Elektromotor eines großen Brennstoffzellenautos)
versorgen, die eine hohe Betriebsspannung benötigen?
10 Eine solche Stoffmenge (6,0 . 10 23 Teilchen) wird fachsprachlich als „ein Mol“ (in Zeichen: 1 mol) bezeichnet.
Bei Normalbedingungen (0 °C, 1013 hPa) beträgt das molare Volumen eines idealen Gases 22,4 l/mol.
11 „Ideal“ in dem Sinne, dass die Energiewandlung mit dem Wirkungsgrad 1 erfolgt. Dies ist in der Realität freilich nicht
erreichbar!

2.4 Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle kann abgeschätzt werden, indem die real gelieferte
Leerlaufspannung U 0 mit dem in Kapitel 2.3 berechneten Idealwert U ideal verglichen wird.
Um die reale Leerlaufspannung U 0 zu bestimmen, lässt man die Brennstoffzelle
ca. 2 Minuten ohne Lastwiderstand (d.h. ohne Verbraucher, kein Kurzschluss!) laufen. Anschließend
schließt man ein Voltmeter an die Brennstoffzelle und misst die Spannung.
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ergibt sich dann gemäß:
η
Leerlauf
BZ
U
=
U
0
ideal
Aufgabe:
Bestimmen Sie den (Leerlauf-)Wirkungsgrad der Brennstoffzelle!
Vertiefung:
Oben haben wir die Brennstoffzelle nur im Leerlauf, d.h. ohne Verbraucher, betrachtet. In der Realität
wird die Brennstoffzelle jedoch einen Verbraucher versorgen, und nur dann macht der Begriff des
Wirkungsgrads streng genommen Sinn, da nur dann Energie entzogen wird.
Der Berechnung des Wirkungsgrads ist in diesem Fall ebenfalls recht einfach. Eine Brennstoffzelle ist,
wie schon beschrieben, im Prinzip nichts anderes als ein „rückwärts betriebener Elektrolyseur“. Alle
chemischen Vorgänge laufen in umgekehrter Richtung ab, d.h. Wasser wird nicht in Wasserstoff und
Sauerstoff zerlegt, sondern Wasserstoff und Sauerstoff verbinden sich zu Wasser. Dementsprechend ist
der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle im Prinzip nur der Kehrwert des Wirkungsgrads des
Elektrolyseurs, da die „sinnvoll genutzte Energie“ jetzt die elektrische Energie und die „zugeführte
Energie“ die chemische Energie ist.
Eelektrisch
U ⋅ I ⋅ t
η
BZ
= = .
E H ⋅ V
chemisch
Ein Problem ist hierbei die Messung des Volumens des verbrauchten Wasserstoffs.
Aufgaben:
a) Überlegen Sie sich, wie man das Volumen des oxidierten Wasserstoffs messen kann. Wenn Sie
eine Lösung gefunden haben, bestimmen Sie den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle für einen
mittelgroßen Lastwiderstand („Verbraucher“)! (Falls die Zeit reicht, wiederholen Sie die
Messung für verschiedene Lastwiderstände! Achtung: Von außen darf keine Spannung an die
Brennstoffzelle gelegt werden!)
b) Diskutieren Sie, warum der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle vom Widerstand des
Verbrauchers abhängt!
Tipp: Überlegen sie sich dazu die Randwertprobleme ( R = 0 bzw.
R → ∞)
.

2.5 „Das Wasserstoffauto“ und weitere Experimente
Ein Experimentierkasten der Firma KOSMOS ermöglicht Ihnen eine Vielzahl weiterer Experimente.
Unter anderem enthält er ein funktionsfähiges Modell eines Wasserstoffautos.
Näheres entnehmen Sie bitte der dem Kasten beiliegenden ausführlichen Dokumentation.
Aufgabe:
Führen Sie aus dem Angebot Experimente Ihrer Wahl durch!
3. Die Silizium-Solarzelle
3.1 Grundlagen
Silizium gehört zur vierten Hauptgruppe des Periodensystems und besitzt somit vier Elektronen der
äußeren Schale. Diese Valenzelektronen besitzen das höchste Energieniveau im Atom.
Im Halbleiterkristall bilden jeweils zwei Elektronen benachbarter Atome eine Elektronenpaarbindung.
Wird nun im Gitterverband des Siliziums ein Phosphor- bzw. ein Arsenatom der fünften Hauptgruppe
eingebaut 12 , so werden vier der fünf Valenzelektronen für die Valenzbindung zu den vier
Nachbaratomen benötigt. Das fünfte Valenzelektron bleibt, da es für die Bindung nicht benötigt wird,
nur schwach an das Fremdatom gebunden. Im Bändermodell gehört das Elektron einem
Energiezustand knapp unterhalb des Leitungsbandes an 13 . Es kann somit, z.B. durch einfallendes
Licht, in das Leitungsband gelangen. Ein solcher Halbleiter, bei dem ein Fremdatom mit einem
Überschuss an Valenzelektronen in den Siliziumverband eingebaut wird, heißt n-Leiter (→ n wie
negativ).
n - Dotierung
p - Dotierung
Der umgekehrte Fall ist die p-Dotierung (→ p wie positiv). Nun wird in dem Siliziumatomverband
ein dreiwertiges Atom eingebaut (z.B. Aluminium oder Bor). Zur Bildung einer Bindung zu den vier
benachbarten Si-Atomen werden vier Elektronen benötigt. Das dreiwertige Al-Atom besitzt aber nur
12 Diesen Einbau von Fremdatomen in den Siliziumkristall bezeichnet man als „Dotierung“.
13 Die Energiebänder in einem Festkörper entstehen dadurch, dass die ehemals diskreten Energiestufen der freien Atome
bei Kopplung mit anderen Atomen in mehrere benachbarte Energiestufen aufspalten (ähnlich wie bei gekoppelten
Oszillatoren in der Mechanik). Da ein Festkörper aus extrem vielen, gekoppelten Atomen besteht, erhält man einen quasi
kontinuierlichen Energiebereich – das so genannte Energieband.

drei Außenelektronen, was dazu führt, dass ein Elektron aus einem Niveau geringerer Energie
(energieniedrigere Schale) für die Bindung benötigt wird. An der Stelle, wo das Valenzelektron fehlt,
entsteht ein „Loch“, das sich wie eine positive Ladung verhält.
Merke: Eine Silizium-Sollarzelle ist eine Halbleiterdiode, die aus einer n- und einer
p-dotierten Schicht besteht.
p-n-Übergang: Bei einer Halbleiterdiode berühren sich n- und p-
Leiter. Hierdurch findet eine Ladungstrennung statt und es entsteht
in der Halbleiterdiode ein elektrisches Feld.
Nach außen ist der Halbleiter neutral, da jeweils gleich viele positive
wie negative Elementarladungen vorhanden sind. An der
Grenzschicht zwischen dem n- und p-Leiter vereinigen sich in einem
schmalen Bereich die freien Elektronen mit den freien Löchern. Der
n-Leiter hat an der Grenzschicht Elektronen abgegeben und ist somit
ihr gegenüber positiv geworden; das Entgegengesetzte passiert im p-
Leiter.
Dies hat zur Folge, dass zwischen den beiden Halbleiterteilen eine
Spannung entsteht (Diffusionsspannung).
Fällt Licht auf die Solarzelle, so werden durch
Photonenabsorption die Elektronen aus dem
Valenzband in das energetisch höhere
Leitungsband „gehoben“. Dies führt zur Bildung
von freien Elektronen-Loch Paaren. Diese werden
im Feld des p-n-Übergangsgebiet getrennt. Die
gebildeten Elektronen gelangen in den n-dotierten
Halbleiter, der sich negativ auflädt. Im p-Leiter
bleiben positiv geladene Atomrümpfe zurück, die
ortsfest sind. Wird nun die Rück- und Vorderseite
mit Metall-Elektroden versehen und miteinander
verbunden, so gelangen die Elektronen von dem n-
in den p-Leiter, wo sie mit den dortigen Löchern
rekombinieren. Auf ihrem Weg dorthin können die
Elektronen Arbeit an einem äußeren Verbraucher
verrichten – d.h. die Solarzelle liefert elektrische
Energie.

3.2 Der Wirkungsgrad einer Solarzelle (Experiment)
Aufbau und Durchführung:
• Eine Halogenlampe mit der Leistung P = 50 W wird so aufgestellt, dass der gesamte
Lichtkegel die Solarzelle senkrecht zu ihrer Oberfläche und möglichst gleichmäßig
beleuchtet 14 .
• Die an der Lampe liegende Spannung sowie die Stromstärke des durch sie fließenden Stroms
werden gemessen.
• Ein Lastwiderstand wird an die Solarzelle angeschlossen. Der Lastwiderstand wird variiert (mit
hohen Werten beginnen!). Mit einem Voltmeter wird die von der Solarzelle gelieferte
Spannung gemessen und mit einem Amperemeter die Stärke des durch den Lastwiderstand
fließenden Stroms.
Auswertung:
Der Lampe wird die elektrische Energie E
L
= UL
⋅ IL
⋅ t zugeführt. Ein gewisser Anteil η hiervon
wird in Strahlungsenergie umgewandelt.
Die Solarzelle nimmt diese auf und wandelt die Strahlungsenergie wieder in elektrische Energie
E = U ⋅ I ⋅ t um.
S
S
S
Der Quotient von abgegebener und eingestrahlter Energie liefert den Wirkungsgrad der Solarzelle 15 :
η
S S
= .
U
L
U
⋅ I
L
⋅ I
⋅η
Lampe
Hierbei sind:
U
S
, I : an der Solarzelle bzw. dem Lastwiderstand gemessene Spannung und Stromstärke
S
U
L
, I : an der Lampe gemessene Spannung und Stromstärke
L
η : Wirkungsgrad der Lampe
Lampe
Anm.:
Eine Halogenlampe hat einen Wirkungsgrad von etwa 15%.
Aufgaben:
a) Führen Sie das Experiment durch und bestimmen Sie den Wirkungsgrad der Solarzelle für
verschiedene Lastwiderstände!
b) Hängt der Wirkungsgrad der Solarzelle von der Höhe des Lastwiderstands ab? Erklären Sie!
14 Falls nicht das gesamte Licht die Solarzelle trifft, ist dies rechnerisch zu berücksichtigen! Beispielsweise fällt bei
kugelförmig abstrahlender Lichtquelle auf einen in der Entfernung r stehenden Absorber der Fläche A nur der Anteil
A / (4π r 2 ) des insgesamt abgestrahlten Lichts. Wir haben (vereinfachend) vorausgesetzt, dass unsere Halogenlampen ihre
gesamte Lichtenergie auf die Solarzelle strahlen.
Des Weiteren ist darauf zu achten, dass die gesamte Fläche der Solarzelle bestrahlt wird, da im Schatten liegende Bereiche
der Solarzelle die Messung völlig verfälschen können. Experimentieren Sie einfach ein wenig herum!
15 Die Zeit t ist in der Gleichung nicht mehr enthalten, da sie sowohl im Zähler als auch im Nenner auftritt und somit
herausgekürzt werden kann.

3.3 Weitere Experimente mit Solarzellen
Auch zum Themengebiet der Solarzellentechnik steht ein Experimentierkasten zur Verfügung. Hier
finden Sie eine Vielzahl kleiner Experimente (Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen,
Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom, …).
Näheres entnehmen Sie bitte der dem Kasten beiliegenden Dokumentation.
Aufgabe:
Führen Sie aus dem Angebot Experimente Ihrer Wahl durch!
4. Quellen 16
Umfangreiche Informationen von der Bewag zur Brennstoffzellentechnologie erhält man unter:
www.innovation-brennstoffzelle.de
Auch der Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland bietet umfassende und sehr lesenswerte
Texte:
www.zukunft-brennstoffzelle.de/
Hier eine Bezugsquelle für Brennstoffzellen-Experimentierkästen und –Modellautos:
www.solarserver.de/store/kategorie.kategorie-71.html
Mehrere Abbildungen und Hintergrundinformationen zu unserem Skript wurden der folgenden
Handreichung der Universität Augsburg entnommen:
http://www.physik.uni-augsburg.de/~ferdi/umweltpraktikum/solar/
Diese Seite bietet allgemeine Informationen zum Themenkreis „Energie“:
http://www.energieinfo.de/index.html
Das Umweltbundesamt informiert kritisch zu den Themen „Abgasemissionen des Straßenverkehrs“
und „Kosten-Nutzen-Analyse von Brennstoffzellenfahrzeugen“. Besonders bemerkenswert: Die
Brennstoffzelle kommt hierbei nicht besonders gut weg! Näheres unter:
www.umweltbundesamt.de/uba-info-daten/daten/brennstoffzelle.htm
Internetadressen überprüft am 9.11.2004.
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