Aufgabenstellung zu Station 1 – Energiebegriff

Arbeitsblatt 9.2 – Aufbau einer SolarzelleInnerer FotoeffektUnter Fotovoltaik versteht man die Direktumwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie ohne Zwischenstufen.Möglich wird dies durch den an Halbleiter gebundenen inneren Fotoeffekt. Halbleiter,zu denen Silizium gehört, sind Materialien, die den elektrischen Strom weniger gut leiten als Metalle, weilim Unterschied zu diesen die Ladungsträger nicht schon frei sind, sondern erst durch Zufuhr von Energieaus dem Kristallverband abgelöst werden müssen. Durch geringe Energiezufuhr ist die Bindung zu lösen:Licht erzeugt bewegliche Ladungsträger, was den inneren Fotoeffekt ausmacht. Die Abbildungen zeigendas Modell eines ungestörten Silizium-Kristallgitters und bewegliche Elektronen in einem Silizium-Kristallgitterbei Lichteinwirkung.Durch Dotierung mit Fremdatomen (z. B. Bor, Phosphor), die entweder im Silizium-Kristall gern Elektronenabgeben oder solche aufnehmen, können reine Halbleiter wie das Silizium in ihrer Leitfähigkeit verändertwerden.Zusatzaufgabe:Der Wirkungsgrad, d. h. das Verhältnis von abgegebener Nutzenergie zur zugeführten Energie einer handelsüblichenSolarzelle, beträgt derzeit ca. 10 %.Rechne aus:In Mitteleuropa strahlt die Sonne auf 1 m 2 waagerechte Fläche im Mittel 1 000 kWh pro Jahr. Wieviel elektrischeEnergie kann von einer 1 m 2 großen Solarzellenfläche in Mitteleuropa pro Jahr maximal erzeugtwerden? Wieviel kann die gleiche Solarzellenfläche maximal pro Jahr in äquatorialen Gebieten erzeugen,in denen die solare Einstrahlung auf 1 m 2 waagerechte Fläche im Mittel 2 300 kWh pro Jahr beträgt?Lösung:In Mitteleuropa können auf einer waagerechten Fläche maximal 100 kWh, am Äquator maximal 230 kWhpro Jahr erzeugt werden. In Mitteleuropa wird dieser Wert durch eine Aufständerung der Solarzellenflächenum z. B. 30 °C gesteigert.Musterseiten1 000 kWh/a1 m 21 m1 mQuelle: HEW AGIn Mitteleuropa strahlt die Sonne auf 1 m 2 waagerechte Fläche im Mittel 1 000 kWh pro Jahr solare Energie.Station 9 – Solarenergie64