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Wir schauen uns jetzt eine Solarzelle
mit den Augen eines ET&IT-Ingenieurs an: |
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Was er sieht, ist erstmal nur eine
Diode: |
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Eine Diode reicht uns, aber in der harten Solarik hat man immer ein
"Zwei-Dioden-Modell", d. h. zwei parallel geschaltete Dioden. Die
erste hat ideale Eigenschaften ("gute Diode"), in der zweiten werden
alle Abweichungen vom idealen Verhalten gebündelt ("schlechte
Diode"); also sowas wie die derzeit (2009; Finanzkrise) heiß diskutierten "Good Bank" - "Bad Bank" Modelle. Wir
belassen es aber hier bei einer "guten" Diode. |
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Jetzt kommt die reale Welt: |
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Da unsere pn-Übergänge >
200 cm2 sind, ist es nie auszuschließen, daß
irgendwo ein kleiner lokaler Kurzschluss sitzt, weil z. B. bei der Herstellung
ein winziges Metallteilchen draufgefallen ist. Das berücksichtigen wir,
indem wir einen "Shunt"-Widerstand parallel zur
Diode schalten, der all den Strom berücksichtigt, der schon intern
über mehr oder weniger heftige Kurzschlüsse abfließt. |
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Jetzt müssen wir uns nur noch darüber
klar werden, dass im System "Solarzelle" auch noch ein unvermeidbarer
Serienwiderstand sitzt
minimal der nackte Widerstand des Siliziums und der Leitungen. |
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Wenn
wir jetzt auch noch das Licht einschalten, wird der (intern konstante)
Photostrom generiert; elektrisch heißt das, wir schalten einen
Kostantstromgenerator
parallel zu der Diode. Wir erhalten unser finales Ersatzschaltbild einer Solarzelle, gleich
mit der dazu passenden elektrotechnischen
Kennlinie: |
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I = |
I0 · |
æ
ç
è |
exp ( |
eUpn
kT |
)
1 |
ö
÷
ø |
+ |
Upn
RSH |
IPh |
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Wie kommt man von der Diodengleichung
auf diese Kennlinie? Dem ET&IT-Ingenieur ist das klar, den anderen
wird's erklärt: |
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1. Wir nehmen jetzt
Ströme I statt Stromdichten j.
I0 ist dann der Feldstrom (Sperrstrom) der realen
Solarzelle; leicht zu berechnen, wenn man die Fläche kennt. |
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2. Die "junction voltage", d. h. die Spannung
Upn direkt am pn-Übergang, ist nicht mehr
identisch mit der Klemmenspannung
U, sondern um den Spannungsabfall im
USE = I ·
RSE im Serienwiderstand
RSE kleiner. Wir haben die einfache
Beziehung: |
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3. Wir addieren den im
Shunt-Widerstand RSH verlorenen Strom (die Vorzeichen
bekommt wohl jeder und jeder jetzt hin; immer dran denken: wir haben negativen
Photostrom; der Shuntstrom ist entgegengesetzt), der offenbar gegeben ist durch
ISH = Upn /
RSH. |
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Alles klar bloß kann man
dummerweise die obige Gleichung nicht mehr analytisch lösen, d.h. die
Strom-Spannungs-Kennlinie mit Serien- und Shuntwiderständen
RSE und RSH mit Bleistift und
Papier ausrechnen. |
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Macht aber nichts man kann's
leicht numerisch machen, und man kann sogar ganz ohne Rechnen so allerhand
durch scharfes Nachdenken erschließen in einer Übung! |
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Es ist sehr zu empfehlen, diese
Übung zu machen, zumindest aber die
Lösung genau
anzuschauen. |
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Man lernt dabei, daß
insbesondere Serienwiderstände im Fokus der praktischen Solartechnik
stehen. |
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Da wir gerade bei Solartechnik
sind: Was sind denn so die Herausforderungen beim Machen von Soarzellen? In äußerster
Kürze, nur um mal Denkanstöße zu geben, die folgenden
Punkte: |
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Mache viele Solarzellen sonst bliebt der Beitrag
zur großtechnischne Energieerzuegung vernachlässigbar. Für eine
halbwegs ordentliche Fabrik heißt das: Mache 1 Standard-Solarzelle (ca.
16 cm x 16 cm) pro Sekunde!!! Für uns
Ingenieure heißt das: Jeder einzelne Bearbeitungsschritt darf gerade mal
eine Sekunde dauern!!! (Es sei denn, daß N Wafer gleichzeitig
bearbeitet werden, dann darf der Schritt N Sekunden dauern.) |
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Mache viele und gute Solarzellen, d.h. mit hohem Wirkungsgrad.
Für uns Ingenieure heißt das: Denn Sie wissen, was Sie tun! |
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Mache viele, gute und billige Solarzellen. Für uns Ingenieure
heißt das... (wird nicht verraten, die Konkurrenz ist groß). |
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© H. Föll (MaWi für ET&IT - Script)