Kennlinien von Solarzellen

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Fachhochschule Gelsenkirchen Physikpraktikum FB 1 / 2 / 3 Versuch Nr. 2 a/b Versuchsanleitung Bei Lichteinwirkung werden unter Einfluss der Diffusionsspannung UD nun Elektronen in den n-Bereich befördert, während Defektelektronen in den p-Bereich transportiert werden. Der n-Bereich wird auf diese Weise mit Elektronen und der p-Bereich mit Löchern angereichert, bis die abstoßenden Kräfte der gesammelten Ladungen dies zu verhindern beginnen. Das durch diese Ansammlung gebildete elektrische Potential hält dann dem Diffusionspotential das Gleichgewicht. Die Leerlaufspannung der Solarzelle ist damit erreicht. Man nennt diesen Vorgang der aufrechterhaltenden Ladungstrennung den photovoltaischen Effekt. Aufbau und Schaltung einer Solarzelle: UD = Diffusionsspannung RL = Lastwiderstand UL = Spannung bei Last RL IL = Strom bei Last RL Schließt man über eine äußere Leitung die p- und n-Seite einer Solarzelle kurz, so fließt ein Kurzschlussstrom, der proportional mit der Bestrahlungsstärke ansteigt. Die Leerlaufspannung folgt bei zunehmender Bestrahlungsstärke einem logarithmischen Gesetz. Leerlaufspannung U0 und Kurzschlussstrom IK der Solarzelle sind temperaturabhängig. Die Leerlaufspannung U0 sinkt mit zunehmender Temperatur, während der Kurzschlussstrom IK leicht ansteigt. Für handelsübliche Solarzellen werden die Strom-Spannungskennlinien in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke EE oder der Temperatur angegeben. Im praktischen Betrieb verbindet man die bestrahlte Solarzelle mit einem Verbraucher, z.B. mit einem ohmschen Widerstand RL . Daher ist die Charakteristik der Solarzelle in unterschiedlich belastetem Zustand von Bedeutung. Maximale Leistungsabgabe der Solarzellen erfolgt, wenn der Lastwiderstand RL gleich dem Innenwiderstand der Solarzelle ist. Die von der Solarzelle bei einer bestimmten Bestrahlung gelieferte Leistung PL ist stets PL = IL . UL . Dieses Produkt erreicht ein Maximum, wenn der Lastwiderstand den günstigsten Wert erreicht. Man bezeichnet diesen idealen Arbeitspunkt als Maximum Power Point (MPP) mit dem Stromwert IM und dem Spannungswert UM. Fachhochschule Gelsenkirchen Physiklabor Seite 2/5 Versuchsanleitung_02ab.doc Schmiler 17.10.01
Fachhochschule Gelsenkirchen Physikpraktikum FB 1 / 2 / 3 Versuch Nr. 2 a/b Versuchsanleitung Da der Innenwiderstand einer Solarzelle mit zunehmender Bestrahlungsstärke kleiner wird, ändert sich der Punkt der max. Leistungsabgabe bei unterschiedlicher Lichtintensität, sodass ein idealer fester Arbeitspunkt kaum zu erreichen ist. In der Praxis versucht man mit Hilfe von speziellen elektronischen Schaltungen eine künstliche Lastanpassung zu erreichen (MPP- Tracking). Die Nennleistung von Solarzellen ist nach vereinbarter Definition die MPP-Leistung bei einer Bestrahlungsstärke EE von 1000 W/ m 2 und einer Solarzellentemperatur von 25 0 C. Eine ideale Solarzelle würde als maximale Leistung das Produkt aus Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom liefern.. Da diese Leistung jedoch nicht zu ereichen ist, gibt man als Güte einer Solarzelle den Füllfaktor FF an. I U FF I U M M K 0 Die Leistung einer Solarzelle und damit ihr Wirkungsgrad wird durch verschiedene Faktoren eingeschränkt, z.B. durch Reflexion, nicht absorbierte Strahlung, Erwärmung, u.s.w. Der Umwandlungswirkungsgrad einer Solarzelle gibt das Verhältnis zwischen abgegebener MPP-Leistung und auftreffender Strahlungsleistung P0 bei 25 0 C Solarzellentemperatur an. = I U P M M 0 Fachhochschule Gelsenkirchen Physiklabor Seite 3/5 Versuchsanleitung_02ab.doc Schmiler 17.10.01 . 100% . Die Größe der Solarzellenfläche bestimmt über den max. Strom IM wesentlich die Leistung der Solarzelle. Die Ausgangsspannung einer einzelnen Solarzelle (ca.0,65 V) ist normalerweise zu niedrig, um einen Verbraucher zu betreiben. Darum schaltet man mehrere Einzelzellen je nach ihrem Einsatz zusammen. Man bezeichnet solch eine Zusammenstellung als Solarmodul. Das im Praktikumsversuch benutzte Solarmodul besteht aus 10 in Reihe geschalteten multikristallinen Siliziumsolarzellen, die in ein spezielles Kunststofflaminat eingebettet sind. B. Versuchsdurchführung Teil a) 1.Bestimmung der Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit vom Abstand zur Lichtquelle Die Bestrahlungsstärke EE (in W/m 2 ) soll durch die Abstandsänderung von einer Lichtquelle (500-W-Strahler) zum Solarmodul variiert und mit einem digitalen Lichtmessgerät ermittelt werden. Die Lichtquelle und das Lichtmessgerät sind auf einer optischen Bank verschiebbar angebracht. Bei der Messung muss die gesamte Fläche der Fotozelle voll ausgeleuchtet sein und der Abstand s so groß gewählt werden, dass eine Erwärmung des Messgerätes ausbleibt. Der Abstand s soll daher 30 cm nicht unterschreiten und in 10-cm-Schritten bis max. 120 cm verändert werden. Die Lichtquelle muss zwischen den einzelnen Messungen, besonders bei geringem Abstand, ausgeschaltet werden, um die Erwärmung der Messsonde zu vermeiden. Zur Berücksichtigung der normalen Raumbeleuchtung muss eine Messung bei ausgeschalteter Lichtquelle vorgenommen werden.
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