10.1.3 Merkpunkte zu Kapitel 10.1: Solarzellen

Solarzellen sind großflächige Dioden = pn-Übergänge.  
Rückwärtsstrom in beleuchteter SolarzelleHinweis: In dieser Abbildung sind die Ströme noch englisch beschriftet: Feldstrom = reverse current jR
Entscheidend ist die Erhöhung des Feldstroms unter Beleuchtung durch zusätzlich generierte Ladungsgträger. Þ  
Die im Dunkeln vorliegende Kennlinie verschiebt sich um den Solarstrom "nach unten".  
   
jF(beleuchtet)   =   jF(dunkel) + jF(Licht)
 
   
Wesentliche Solarzellenparameter sind  
IV Kennline Solarzelle
Leerlaufspannung ("open circuit") UOC  
Kurzschlussstrom ("short cicuit") ISC  
Füllfaktor FF (am optimalen Arbeitspunkt: UI = maximal)  
Wirkungsgrad der vorliegende Solarzelle h = (UOC · ISC · FF) / Lichtleistung  
         
Der maximale theoretischeWirkungsgrad ergibt sich aus einem Kompromiss  
Maximaler Wirkungsgrad Solarzelle

EGop » 1,4 eV
       hmax » 30 %
Kleine Energielücke:
  • Auch infrarotes Sonnenlicht wird absorbiert und generiert Ladungsgträger.
  • Die Differenz hnEG erzeugt aber nur Wärme.
 
Große Energielücke:
  • (Infra)rotes Sonnenlicht wird nicht absorbiert. Die enthaltene Energie geht verloren.
  • Energiereiches Licht (inkl. UV) wird gut genutzt.
 
Das damit zu bestimmende Optimum der Energielücke ist um EG = 1,4 eV; der erzielbare maximale theoretische Wirkungsgrad liegt bei hmax » 30 %.  
       
Wichtige (Zehner)zahlen:  
Diese Zahlen geben ein gutes Gefühl für die Möglichkeiten und Begrenzungen der Solarenergie.  
Max. Sonnenleistung: SP 1kW/m2
"Peak" Solar: WP = 1kW/m2 · 10 % = 100 W/m2
Mittelwert Solar: Wm = WP · 10 % = 10 W/m2
Energie: Ea = Wm · 365 · 24 = 100 kWh/a · m2
Gesamter Energiebedarf Deutscher = 6.000 kWh/a
Platzbedarf Deutscher für Solarzellen = 50 m2
 
Merke: Arbeitsleistung 1 Sklave = (3 - 5) m2 Solarzellen.
Gesamtenergieverbrauch (Elektr., Heizung, Auto, ...) Deutscher » 50.000 kWh/a » (10 – 20) Sklaven
         
Reale Solarzellen werden per Ersatzschaltbild beschrieben.  
Ersatzschaltbild Solarzelle
Kritisch sind insbesondere Serienwiderstand RSE und Kurzschlusswiderstand ("shunt") RSH.  
Serienwiderstände im Bereich von mW sind bereits schädlich; das ergibt ein schwieriges technisches Problem.  
         
Technische Herausforderung für kostengünstige Fabrikation: Þ  
Produziere 1 m2 pro Minute,
d. h. zwei Solarzellen mit (15,6 × 15,6) cm2
in drei Sekunden

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© H. Föll (MaWi für ET&IT - Script)