Stromkreis trifft Energiewende

Solarzelle, Messung, Lichteinfallswinkel
Winkelverstellbare Vorrichtung zur Variation des Lichteinfallswinkels, Foto: Anna Donhauser

Experimente zur Verknüpfung von Grundlagen der Elektrizitätslehre und photovoltaischer Energiekonversion

Mit dem Vorsatz der Energiewende, bis zum Jahr 2035 55 – 60 % der energetischen Versorgung durch regenerative Systeme zu bewältigen, rückt die effiziente Nutzung von Sonne, Wasser, Wind und Biomasse in den Fokus der Forschung.
Solarzellen zählen zu den Protagonisten der Energiewende. Im Gegensatz dazu spielen sie im schulischen Lehrplan eine Nebenrolle und werden bei ausreichendem Zeitbudget am Rande der Halbleiterphysik unter-richtlich behandelt. Vermeintlich komplizierte Ladungsträgerströme und mathematische Kalkulationen am p-n-Übergang lassen die Physik der Solarzelle für die Thematisierung im Physikunterricht ungeeignet erscheinen. Dabei sind Bedenken zur Komplexität und mangelnde Lehrplanbezüge unbegründet. Der Lehrplan bietet für verschiedene Jahrgangsstufen Gelegenheit, das Thema „Solarenergiekonversion einzugliedern.
Der Kampf um den Wirkungsgrad
Um Bedeutung und Wirkung photovoltaischer Energiekonversion nachvollziehen zu können, ist es nicht notwendig, halbleiterspezifische Prozesse im Detail zu verstehen. Elementare Erkenntnisse zur Effizienz der Umwandlung von Licht zu Elektrizität lassen sich auch ohne die Bilanzierung von Diffusionsströmen erreichen.
Die wohl bekannteste Kenngröße einer Solarzelle ist der Wirkungsgrad, der bei jedem innovativen Solarzellenkonzept diskutiert wird. Neue Solarzellenkonzepte sind beispielsweise Dünnschichttechnologien auf Basis von amorphem Silizium, CIGS (Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid)-Solarzellen oder organische Solarzellen (s.a. Abb. 1 ). Gerade diese innovativen Technologien können allerdings den altbewährten kristallinen Siliziumzellen bezüglich des Wirkungsgrades nicht das Wasser reichen. Wie lässt sich dann die intensive Forschung an diesen alternativen Konzepten rechtfertigen, wenn sie die Effizienz der Energiekonversion siliziumbasierter Solarzellen nie erreichen werden? Was macht letztlich eine „gute Solarzelle aus?
Diese Fragestellungen untersuchen die hier vorgestellten Experimente. Für verschiedene Lernvoraussetzun-gen werden dabei gleichzeitig moderne Forschungsergebnisse zugänglich und Alltagsphysik begreifbar ge-macht.
Experiment 1: Aufnahme einer Strom-Spannungs-Kennlinie
  • Vorwissen: elektrische Stromstärke, elektrische Spannung, elektrische Leistung
  • Themen: Kurzschlussstromstärke, Leerlaufspannung, Punkt maximaler Leistung
  • Materialien: Lichtquelle (Xenon-Kurzbogenlampe, um den Einfluss der Temperatur zu minimieren), Solarzelle, variabler Widerstand 0 – 10 
Hintergrund
Der Vergleich verschiedener Solarzellen im Forschungswettbewerb kann nur mittels gemeinsamer Gütekrite-rien erfolgen. Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle gleicht einem physikalischen Fingerabdruck und bildet ihre Bewertungsgrundlage. Diesem charakteristischen Kennlinienverlauf lassen sich auch ohne Kenntnis einzelner Vorgänge am p-n-Übergang elementare Kenngrößen der Solarzelle entnehmen und verstehen.
Experimenteller Aufbau
Für die Aufnahme einer Strom-Spannungs-Kennlinie muss die Solarzellenoberfläche beleuchtet werden (s. Abb. 2 ). Bei der Wahl der Lichtquelle gilt es, das temperaturabhängige Leistungsverhalten von Solarzellen zu beachten. Solarsimulatoren verwenden Xenon-Kurzbogenlampen in Kombination mit sog. „Air Mass-Filtern, die den Gang des Sonnenlichtes durch die Erdatmosphäre modellieren.
Die mit dem Lastwiderstand variierenden, von der Solarzelle generierten Werte von Stromstärke und Span-nung werden gemessen. An den offenen Klemmen der Solarzelle können vor der Verbindung mit dem Lastwi-derstand die Kurzschlussstromstärke und die Leerlaufspannung bestimmt werden.
Je nach verwendetem Messwerterfassungssystems kann die Kennlinie automatisch generiert oder von den Schülerinnen und Schülern gezeichnet werden. Die Bestimmung der charakteristischen Kenngrößen lässt sich durch die Abbildung einer „Musterkennlinie...

Friedrich+ Kunst

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Physik Nr. 180 / 2020

Teilchenphysik

Friedrich+ Kennzeichnung Experimente Schuljahr 8-10