Strom aus Licht - Institut für naturwissenschaftliche Grundlagen

Anhang 5: Hinweise Z 5.1
Hinweise für die Lehrerinnen und Lehrer
Überblick
Stufe, Schulbereich: Sekundarstufe II, Maturitätsschulen Klassen 10 - 12, Diplommittelschulen
Fachliche Vorkenntnisse: Arbeit und Energie, Atombau, elektrisches Feld, Gleichstromlehre
Bearbeitungsdauer: Fundamentum 10 Lektionen, 3 Addita zusammen weitere 10 Lektionen
Am Anfang erhalten die Schülerinnen und Schüler eine kurze Einführung in das Wesen des
Lichts. Ausführlich erarbeiten sie anschliessend die Eigenheiten von reinen und dotierten
Halbleitern. Sie lernen den p-n-Übergang kennen und den Mechanismus bei der Umwandlung
von Lichtenergie in Elektrizität verstehen. Abschliessend werden einige technische Aspekte der
sich rasch entwickelnden Photovoltaik skizzert.
Das Additum 1 erlaubt einen Blick in den Herstellungsprozess und mögliche Verbesserungsschübe.
Als Additum 2 wird vorgeschlagen, die ETH-Fallstudie "Photovoltaik" zu bearbeiten.
Als eine Möglichkeiten zu weiterem Experimentieren wird im Additum 3 die Bestimmung von h
anvisiert. Für das Vorgehen wird auf das Additum 3 aus "Kann man Atome sehen?" verwiesen.
Das Besondere am Leitprogramm "Strom aus Licht"
Oft verlaufen Diskussionen über Solarenergie ganz "unbelastet" von Sachkenntnis. Einige
Schülerinnen und Schüler haben immerhin schon mit Solarzellen experimentiert.
Hier wird der Versuch unternommen, die Funktionsweise des p-n-Übergangs schrittweise zu
entwickeln und damit den inneren Photoeffekt verstehbar zu machen.
Mit den Experimenten und einigen quantitativen Aufgaben soll sodann Verständnis für die
Problematik der Sonnenenergienutzung geweckt werden: Sonnenenergie fällt verdünnt an. Der
Wirkungsgrad von Solarzellen ist gering. Die Zellen sind teuer.
Abschliessend entwickeln die Schülerinnen und Schüler eine Vorstellung vom Aufwand und den
praktischen Möglichkeiten bei Insel- und Netzverbundanlagen.
Stoffliche Voraussetzungen für das Fundamentum
Damit das Leitprogramm mit Erfolg eingesetzt werden kann, sollten bekannt sein:
• Grundlagen zur Energie (Arbeit, Wärme, Energie, Leistung, Wirkungsgrad)
• Grundlagen der Gleichstromlehre (Ladung, Strom, Spannung, Widerstand, el. Arbeit)
• Begriff des elektrischen Feldes (qualitativ)
• Vorstellung: "Licht transportiert Energie."
• Grundbegriffe aus der Chemie (Kern, Hülle, Valenzelektronen, Elektronenpaarbindung)
Experimente im Fundamentum
2.1: Der äussere Photoeffekt
3.1: Halbleiter-Dioden
(3.1.1: Si-Diode, 3.1.2: Leuchtdiode)
4.1: Solarzellen-Test
(4.1.1: Solarzelle als Halbleiter-Diode, 4.1.2: Kurzschlussstrom, 4.1.3: Leerlaufspannung,
4.1.4: Kennlinie)
Hinweis: Achten Sie bitte darauf, dass die Schülerinnen und Schüler den Arbeitsplatz so
verlassen, wie sie ihn angetreten haben. Insbesondere dürfen nicht V- und A-Messbereiche
vertauscht werden, sonst schmelzen Sicherungen und "es läuft nichts mehr..."
ETH-Leitprogramm Physik
Strom aus Licht