Koblmiller, Kornhuber - JKU

Protokoll zur Station 10 Solarzelle 

Schulversuchspraktikum 

Physik 

Wintersemester 2001/2002 

bei Mag. Monika Turnwald 

’’Versuche mit Solarzellen’’ 

Arbeitsgruppenprotokoll 

• Michael Kornhuber 

Matrikelnummer: 9755463 

• Michael Koblmiller 

Matrikelnummer: 9655047 

Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 1


1. Einleitung 

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Inhaltsverzeichnis: 

Der Begriff Photovoltaik ..............................................................3 

Die Energieproblematik...............................................................3 

Solare Energie...........................................................................4 

2. Grundlagen 

Bändermodell ............................................................................4 

Photoeffekt ...............................................................................5 

Halbleiter..................................................................................5 

Dioden .....................................................................................6 

3. Fotoelemente 

Funktionsweise..........................................................................6 

Leerlauf und Kurzschluss.............................................................7 

Verluste....................................................................................7 

Optimierung..............................................................................8 

Wirtschaftlichkeit .....................................................................10 

Vorteile ..................................................................................11 

Anwendungen ........................................................................12 

Bemerkungen..........................................................................13 

4. Versuche mit Solarzellen 

• Die Solarzelle als Energielieferant...............................................14 

• Aufbau einer Solarzelle .............................................................17 

• Die Leerlaufspannung einer Silicium-Solarzelle.............................20 

• Der Kurzschlußstrom einer Silicium-Solarzelle..............................22 

• Leerlaufspannung und Kurzschlußstrom 

bei unterschiedlicher Bestrahlungstärke ......................................24 

• Reihenschaltung von Solarzellen ................................................27 

• Parallelschaltung von Solarzellen................................................30 

• Wirkung eines Schattens auf 

eine beleuchtet Solarbatterie .....................................................33 

• Der Kurzschlußstrom einer Solarzelle bei 

unterschiedlichem Einfallswinkel des Lichts..................................35 

5. Eignung für den Unterricht 

• Unterstufe ..............................................................................39 

• Oberstufe ...............................................................................40 

6. Literaturangabe .....................................................................40 



Einleitung 

Der Begriff Photovoltaik 

Bei der Photovoltaik handelt es sich um Umwandlung von Lichtenergie zu elektrischer 

Energie. Dies wird oft mit dem Prinzip der Sonnenkollektoren verwechselt, bei denen die 

bei der Lichtabsorption entstehende Wärme genützt wird. Es entsteht zwar auch in 

Photoelementen Wärme, sie ist hier aber ein Störfaktor, der die Effizienz herabsetzt. Das 

Grundprinzip der Gewinnung von elektrischer Energie beruht auf dem Aufbau von 

Spannung; im konkreten Fall auf der Trennung von durch Licht freigesetzten 

Ladungsträgern in einer speziellen Diode. Aus dieser Funktionsweise heraus wird der 

Begriff Photovoltaik - durch Photonen erzeugte Spannung - verständlich. 

Die Energieproblematik 

Es wurde in den letzten ein bis zwei Jahrzehnten zwar viel über Energiepolitik und die 

Problematik der fossilen Energien diskutiert, getan wurde von Seiten der Politik wenig bis 

nichts. Es scheint, als ob das Zeitalter der fossilen Energien noch bis weit in dieses 

Jahrhundert andauern könnte, vor allem weil die fossilen Ressourcen noch länger nicht 

zur Gänze aufgebraucht sind. Erst wenn die Förderungskosten explodieren und die 

niedrigen Kosten der fossilen Energieträger nicht mehr haltbar sind, wird der 

Konkurrenzkampf mit den Alternativtechnologien härter und diese werden sich in immer 

größerem Maße gegen die bisher etablierten Technologien durchsetzen. Der Wechsel zu 

neuen, regenerativen und umweltverträglichen Energiequellen wird in diesem 

Jahrhundert daher fließend vor sich gehen. Zu diesen neuen Technologien zählt unter 

anderem auch die Fotovoltaik, die es derzeit im Konkurrenzkampf aufgrund der Preislage 

noch besonders schwer hat. Wie die meisten der regenerativen, umweltschonenden 

Energiequellen bietet die Fotovoltaik den oftmals unterschätzten grundsätzlichen Vorteil, 

dezentral zu sein und somit auch für infrastrukturell wenig erschlossene Gebiete in Frage 

zu kommen, wie dies in beinahe der gesamten Dritten Welt der Fall ist. 


Schulversuchspraktikum Physik WS 2001/2002 


Solare Energie 

Abgesehen von Gezeitenkraftwerken (Mond) und geothermischen Kraftwerken (Erde) 

stammt alle erneuerbare Energie direkt oder indirekt von der Sonne. Beispiele dafür sind 

Wasserkraftwerke, Windkraftwerke, Wärmepumpen, Aufwindkraftwerke sowie Biomasse- 

verbrennung (sofern bei dieser auf Nachhaltigkeit gesetzt wird). Die Sonne kann auf die 

Erdoberfläche pro m 2 bis zu 1370 W abstrahlen (Solarkonstante). Auf Österreich strahlt 

sie im Jahr ca. 80000 TWh Energie (Gesamtenergieverbrauch 1994: 316,87 TWh). Das 

entspricht einer jährlichen mittleren Leistung von 108 W/m 2 . Bei einem Wirkungsgrad 

von 15% (zur Zeit nur von Labormodellen erreicht) würden etwa 0,54% der Fläche 

Österreichs (entspricht einem Quadrat mit 21 x 21 km) ausreichen, um die gesamte 

benötigte Elektrizität vollständig über Solarenergie zu gewinnen. Dies wäre sicherlich 

übertrieben und unrealistisch, es könnten jedoch im Verbund mit anderen erneuerbaren 

Energiequellen zumindest die etwa 30% des Stroms die derzeit nicht aus der Wasserkraft 

stammen sinnvoll ersetzt werden, und dies sollte langfristig das Ziel einer 

umweltfreundlichen und nachhaltigen Energiepolitik in Österreich sein. 

Grundlagen 

Bändermodell 

Im Bändermodell sind die möglichen Energieniveaus der Elektronen für ein einzelnes 

Element dargestellt. Diese Energieniveaus werden nun mit dem Kernabstand und der 

Anzahl der Atome in einem Kristallgitter in Zusammenhang gebracht. Man kann dabei 

beobachten, daß sich die schmalen Energieniveaus der Elektronen durch das Pauli-Prinzip 

im Kristallgitter zu sich teilweise überlappenden Energiebändern verbreitern. Das ener- 

giereichste Band ist das Leitungsband, in dem die Elektronen (als ‘Elektronengas’) die 

Leitfähigkeit des Stoffes hervorrufen. Das darunterliegende Band ist das Valenzband, aus 

dem die Elektronen ins Leitungsband gehoben werden müssen. Je nach der Größe des 

Bandabstandes (‘Energielücke’, ‘verbotene Zone’) handelt es sich bei dem betrachteten 

Material um einen elektrischen Leiter (keine Lücke), einen Halbleiter oder einen Isolator 

(Bandabstand einige eV). 

Autoren: Michael Kornhuber, Michael Koblmiller 



Photoeffekt 

Unter Photoeffekt versteht man, daß unter Einwirkung von Licht Elektronen aus der 

Atomhülle befreit werden. Entdeckt wurde der lichtelektrische Effekt durch die Beob- 

achtung, daß elektromagnetische Strahlung in der Lage sein kann, negativ aufgeladene 

Stoffe zu entladen. Der für die Befreiung der Elektronen notwendige Energiebetrag läßt 

sich im Bändermodell ablesen. Nach heutigem Verständnis wissen wir, daß mindestens 

dieser Energiebetrag notwendig ist, um die Elektronen vom Valenzband über die 

‘verbotene Zone’ hinweg in das Leitungsband anzuheben. Obwohl auch Wärme diese 

Energie zuführen kann, ist es zumeist hochfrequentes, kurzwelliges Licht. Bei Gasen zeigt 

sich der Photoeffekt als Ionisierung, bei Feststoffen unterteilt man ihn in den äußeren 

und den inneren. Bei ersterem werden Elektronen aus dem Material herausgeschlagen, 

bei letzterem verbleiben sie als ‘Elektronengas’ im Festkörper. 

Halbleiter 

Halbleiter sind im allgemeinen kristalline Stoffe, die eine mit der Temperatur veränder- 

liche elektrische Leitfähigkeit besitzen. Diese veränderliche Eigenleitung kommt durch 

eine Energielücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband von etwa 0,5 bis 3 

eV zustande. Die Lücke kann bei höheren Temperaturen von zunehmend mehr 

Elektronen übersprungen werden. Von praktischer Bedeutung sind die Elemente 

Germanium, Silizium und Verbindungen wie FeS2, Cu2S, InP, GaAs, CdTe, GeS, CdSe, 

Cu2O, GaP, CdS, ZnSe,... Um die Leitfähigkeit zu erhöhen, kann man dem hochreinen 

Halbleitermaterial nun Fremdatome in geringster Dosierung beimengen. Verwendet 

werden bei der Dotierung Elemente mit einem Valenzelektron mehr (n-Dotierung) oder 

weniger (p-Dotierung) als der Basisstoff. Die Fremdatome fügen sich ins Kristallgitter ein, 

sind aber aufgrund dessen Struktur gern bereit, ein Elektron abzugeben oder 

aufzunehmen. Die Leitung erfolgt also durch das Wandern des schwachgebundenen 

Elektrons des n-Leiters bzw. des Defektelektrons (‘Loch’) beim p-Leiter. 




Dioden 

Wenn man einen n-Leiter und einen p-Leiter zusammenwachsen läßt, erhält man eine 

Diode. An der Grenzschicht, dem p-n-Übergang, befinden sich die valenzelektronreichen 

und -armen Fremdatome in großer Nähe und beginnen durch das Kristallgitter ‘unter 

Druck gesetzt’ Elektronen diffundieren zu lassen. Bei deren Wanderung vom 

grenzschichtnahen Teil des n-Leiters zu dem des p-Leiters entsteht eine Zone mit 

elektrisch geladenen Fremdatomen. Die Dicke dieser Ladungszone beträgt 1µm, das 

entspricht etwa 50 Atomlagen. Durch die elektrostatische Kraft kommt die Wanderung 

schließlich zum erliegen; das an der Grenzschicht aufgebaute elektrische Feld ist 

aufgrund des Kristallgitters jedoch stabil. Diese stabile Raumladungszone erst eröffnet 

der modernen Elektronik die Fülle an Möglichkeiten. 

Photoelemente 

Funktionsweise 

Eine Photozelle besteht aus einer großflächigen Diode, die für ihre Zwecke speziell 

optimiert wird. Das Licht fällt durch die n-Schicht der Solarzelle ein und erzeugt durch 

den inneren Photoeffekt in der Nähe des p-n-Überganges ein Elektron-Loch-Paar. Durch 

die in der Raumladungszone herrschende Spannung wird eine Rekombination (das 

Zurückfallen des Elektrons in das Valenzband) verhindert und die beiden Ladungen 

werden getrennt. In ihr jeweiliges Majoritätsgebiet transportiert (Elektron: n-Leiter, 

Defektelektron: p-Leiter) bauen die getrennten Ladungsträger nun die Ladungswälle ab 

und die elektrische Kraft kann die an der Grenzschicht herrschende Diffusionsspannung 

nicht mehr ausgleichen. Es baut sich nach außen Spannung auf. Die Energie der Photo- 

nen, die nun in diesem System steckt, kann im angeschlossenen Stromkreis 

abgenommen werden. (Bei nicht zu hohem Widerstand läßt die Diffusionsspannung des 

p-n-Überganges die Elektronen über den außen angeschlossenen Stromkreis auf die p- 

Seite fließen.) 




Leerlauf und Kurzschluß 

Bei Leerlauf (und Lichteinfall) ist die Spannung am größten, da die getrennten Ladungen 

nicht außen abfließen können (Rohm ≈ ∞). Durch die Raumladungszone läßt sich die 

Grenzschicht (der Ladungswall) nur anfangs leicht abbauen; ab einer bestimmten 

Lichtintensität ändert sich die Spannung praktisch nicht mehr (li.o.). Bei Kurzschluß der 

Zelle (Rohm ≈ 0) können getrennte Ladungsträger sofort über den Stromkreis abfließen 

und es baut sich nach außen keine Spannung auf. Der Kurzschlußstrom ist weiters mit 

der Lichtintensität proportional. Aus diesen zwei Extrembedingungen kann man bereits 

vermuten, daß es einen optimalen Betriebswiderstand für jede Zelle und jede 

Lichtintensität gibt. 

energiearme Photonen: 

Verluste 

Für den Photoeffekt müssen die Photonen eine unbedingt notwendige Mindestenergie 

besitzen, die sie dann auf ein Elektron übertragen können. Diese Aktivierungsenergie 

hängt vom Material ab. Ist die Energie eines Photons zu gering, kann sie nicht für den 

Spannungsaufbau genützt werden. Ca. 23% der Strahlungsenergie gehen so verloren. 

energiereiche Photonen: 

Die überschüssige Energie eines Photons kann kein zusätzliches Elektron auslösen und 

wird über die kinetische Energie des befreiten Elektrons schließlich in Wärme 

umgewandelt. Der Energieverlust beträgt fast 33%. 

Spannungsaufbau: 

Hier entstehen Verluste vor allem durch Korngrenzen, weil diese oft mit unerwünschten 

Fremdatomen wie Cu, Ni,... verunreinigt und dadurch elektrisch aktiv sind. Auch 

Gitterversetzungen und kleinste Mengen von Minoritätsträgern (Fremdatome auf der 

falschen Diodenseite) tragen zu den Verlusten bei. Die unerwünschten Rekombinationen 

bewirken eine sehr kurze ‘Lebensdauer’ der freien Ladungsträger (einige µ-Sekunden) 

und somit eine kleinere ∅-Diffusionslänge (ca. 200 µm). Dies bedeutet einen Verlust von 

etwa 17% (Spannungsfaktor). 

Leistungsentnahme, Reflexionen: 

Weitere Verluste entstehen bei der Leistungsentnahme (Füllfaktor) und durch uner- 




wünschte Reflexionen. Neben den Reflexionen spielt auch die Absorptionsfähigkeit des 

Materials eine Rolle. Es gehen wieder bis zu 11% der Strahlungsenergie verloren. 

Halbleiterbandabstand: 

Optimierung 

Die Größe der Energielücke muß ans Sonnenspektrum angepaßt werden, damit die 

Strahlungsenergie der Sonne optimal umgesetzt wird. Es ist nicht unbedingt so, daß ein 

kleinerer Bandabstand den Wirkungsgrad erhöht; bei einer zu kleinen ‘verbotenen Zone’ 

können zwar mehr Photonen genützt werden, es fällt dann aber bei jedem befreiten 

Elektron ein kleinerer Energieertrag ab. Aus diesem Grund sollte die Aktivierungsenergie 

der Elektronen in einer ans Sonnenlicht optimal angepaßten Solarzelle etwa 1,5 eV 

betragen. 

Korngrenzen und Fremdatome: 

Die einzelnen Halbleitermaterialien neigen beim Kristallisationsprozeß verschieden stark 

zur Bildung von Korngrenzen. Durch Fremdatome im Gitter und eindiffundierte Elemente 

wie Kupfer und Nickel an den somit elektrisch aktiven Korngrenzen wird der 

Wirkungsgrad der Solarzelle erheblich herabgesetzt. Die Korngrenzen lassen sich jedoch 

mit Wasserstoff passivieren und auch die im Kristall verteilten Fremdatome können 

großteils wieder entfernt werden. Im ‘Getterprozeß’ kurz vor der Fertigstellung der Zelle 

diffundieren die störenden Atome aus dem Halbleiter in flüssiges Metall. 

Schichtdicke: 

Damit alle erzeugten Elektron-Loch-Paare getrennt werden, muß die Absorption 

möglichst nahe bei der Raumladungszone stattfinden; diese soll also nahe der Oberfläche 

liegen. Man versucht heute, auch nicht zuletzt aus Gründen der Materialersparnis, neue 

Photoelemente aus möglichst dünnen Schichten aufzubauen. Bereits bei Schichtdicken 

von 4 µm werden bei Silizium 50% der maximal möglichen Absorption erreicht. Dünne 

Schichten erlauben außerdem bei der Herstellung Abscheidungsverfahren wie die Flüssig- 

und Gasphasenepitaxie, die den Vorteil haben, daß sie sehr reine Kristallgitter (fast ohne 

Korngrenzen und Fremdstoffe) entstehen lassen. Einer japanischen Firma gelingt es 

bereits, durch ein raffiniertes Verfahren polykristalline Si-Dünnfilmzellen in großer Menge 

von einem Siliziumwafer abzuziehen. Einige der Halbleitermaterialien scheiden leider 

aufgrund ihres Absorptionskoeffizienten für den Bau von Dünnschichtzellen aus. 




Substrat: 

Das Substrat in dem sich die n- und die p-Schicht befinden, muß die Zelle vor Ver- 

unreinigungen schützen und darf keine nachteiligen optischen Eigenschaften besitzen. Es 

sollte billig, leicht zu bearbeiten und unempfindlich sein. Derzeit wird daran gearbeitet, 

Silizium direkt auf billiges Glas abzuscheiden, um so großflächige Module in einem Stück 

fertigen zu können. 

Elektroden: 

Auf der Seite des p-Leiters (lichtabgewandt) wird als Elektrode eine Metallschicht auf- 

legiert. Auf der lichtzugewandten Seite der Zelle sind schmale Kontaktstege für die 

Stromableitung verantwortlich. Optimal sind möglichst widerstandsarme (und eventuell 

sogar lichtdurchlässige) Elektroden. 

Lichtfallen und Faltstrukturen: 

Computergestützt werden sogenannte ‘sunrays’ entworfen. Das sind Strukturen, die das 

in ein Photoelement einfallende Licht innerhalb von diesem reflektieren sollen, bis es 

schließlich absorbiert wird. Diese Strukturen werden bereits vor dem Auftragen der 

Halbleiterschichten in das Grundsubstrat eingeprägt. Durch diese Verbesserungen des 

optischen Einschlusses erreichen auch extrem dünne Schichten ca. 80% der maximal 

erreichbaren Absorption. 

Antireflexionsbelag, Deckoxid: 

Die Oberfläche der Solarzelle muß speziell präpariert werden, um Reflexionen weitgehend 

zu verhindern und um den Lichteintritt auch bei flach einfallendem Licht zu 

gewährleisten. Weiters kann die Oberflächenrekombination durch eine Deckoxidschicht 

verringert werden. 

Konzentratorzellen: 

Alle Solarzellen, die ihren Wirkungsgrad auch bei extrem großer Energieeinstrahlung 

behalten, bezeichnet man als Konzentratorzellen. Mit billigen Brenngläsern, 

Parabolspiegeln und sehr effektiven Konzentratorzellen kann man z.B. bei zukünftigen 

Solarkraftwerken viel Geld sparen. 



Wirkungsgrade: 

Wirtschaftlichkeit 

Derzeit sind in der Praxis Wirkungsgrade von etwa 15% üblich. Es werden zwar im Labor 

(mit den gleichen Zellen) viel höhere Erträge erzielt, getestet wird hier aber bei 

konstanter Temperatur (25°C) und mit genormtem Spektrum. Die in Massen 

hergestellten Zellen erreichen (durch die billigere Herstellung bedingt) nicht so hohe 

Wirkungsgrade wie die Laborzellen. 

Amortisation: 

Obwohl Solarzellen unter normalen Bedingungen eigentlich sehr langlebig sind und kaum 

gewartet werden müssen, ist die Amortisation (ungefähr 10 Jahre) ein heikler Aspekt. 

Gerade beim Hausbau werden die hohen Anschaffungskosten der Solarmodule gescheut. 

Gerade von den neuentwickelten Zellen gibt es noch keine verläßlichen Daten über 

eventuelle Alterungsprozesse. Auch wenn der Wirkungsgrad installierter Photoelemente 

im Laufe der Zeit etwas abnimmt, so kann man heute doch davon ausgehen, daß sich 

Solarzellen bei richtiger Nutzung amortisieren. 

Strompreis: 

Die hohen Anschaffungskosten der Solarmodule und der niedrige Stromtarif behindern 

die Entwicklung der Solartechnik gewaltig. Bei höheren Strompreisen wäre die 

Photovoltaik schon bald in der Lage mit den neuen Solarmodulen eine preisgünstige 

Selbstversorgung mit elektrischem Strom zu ermöglichen. Die Elektrizitätsgesellschaften 

sollten deshalb gesetzlich verpflichtet werden, entweder selber in die Photovoltaik 

einzusteigen (in sie zu investieren), oder privaten Solarmodulbesitzern angemessene 

Einspeistarife für überschüssigen Photostrom bieten müssen. 

Herstellung: 

Die Herstellung der Zellen ist derzeit sehr teuer, weil viele Arbeitsschritte noch nicht von 

Maschinen ausgeführt werden können. Ein großes Problem ist, daß die Materialien extrem 

rein sein müssen, um bessere Wirkungsgrade zu ermöglichen. Auch der preisgünstige 

Zusammenbau der einzelnen Photozellen zu ganzen Solarmodulen stellt ein Problem dar. 

Stückzahlen: 

Wie bei allen Produkten spielt die Stückzahl bei der Herstellung eine große Rolle. Ohne 

Massenherstellung werden die Kosten auch für technisch ausgereifte Zellen sehr hoch 

bleiben. Bis jetzt fehlt den meisten Betrieben der Mut in die Produktion groß 

einzusteigen. 



Flexibilität: 

Vorteile 

Solaranlagen bieten große Flexibilität durch ihren modularen Aufbau. Sie können in 

beinahe beliebiger Menge zusammengeschaltet und jederzeit erweitert werden. Auch in 

schwierigem Gelände kann man sie ohne großen Aufwand installieren. 

Installation: 

Zur Installation sind keine hochqualifizierten Techniker nötig; die Module lassen sich 

leicht montieren und zu größeren Systemen zusammenschließen. Dies ist auch eine 

wichtige Eigenschaft, die für die Dritte Welt in Zukunft entscheidend sein wird. Die 

Photovoltaik kann neben der Windkraft am besten dezentral eingesetzt werden und kann 

so helfen, die Dritte Welt vor der Abhängigkeit durch die teuer importierte Atomkraft zu 

bewahren. 

Wartung: 

Solarzellen können fast wartungsfrei betrieben werden. Die einzige Pflege die sie 

brauchen ist das Warten der Akkumulatoren, der (der Witterung ausgesetzten) Leitungen 

und eventuell das Reinigen der Moduloberfläche. Obwohl höhere Temperaturen die 

Spannung geringfügig herabsetzen, sind keine Kühlmedien notwendig. 

Umwelt: 

Abgesehen vom Herstellungsprozeß und dem meist notwendigen Energiespeicher sind 

Solarzellen ausgesprochen umweltfreundlich. Sie produzieren keine Schadstoffe, 

erzeugen keine unnatürliche Abwärme, verbrauchen keine Rohstoffe und erfordern keine 

größeren Eingriffe in die Umwelt. Der Herstellungsprozeß ist von Zelle zu Zelle 

verschieden und es werden in wenigen Jahren Photoelemente auf den Markt kommen, 

die auch in der Herstellung (Rohstoffe, Energiebilanz) neue Maßstäbe setzen. 



Leistungen im mW bis Watt-Bereich: 

Anwendungen 

Hier werden Photozellen vor allem in Geräten mit integrierten Schaltkreisen und mit 

minimalem Energieverbrauch verwendet. Beispiele dafür sind Taschenrechner, Uhren,... 

Leistungen im Watt-Bereich: 

Es ist vor allem die Unabhängigkeit vom Stromnetz (und von Batterien), die bei kleinen 

Meßstationen im Gelände entscheidend ist. Auch Warnanlagen und Notrufsäulen können 

mit Solarstrom kostengünstiger versorgt werden. 

Leistungen im kW-Bereich: 

Gerade bei diesen Leistungen ist die Kostenfrage entscheidend. Photovoltaischer Strom 

ist vor allem für Schutzhütten, abgelegene Pumpanlagen und Leuchttürme interessant, 

weil bei diesen ein Netzanschluß zu teuer wäre. Bei normalen Wohnhäusern hält die 

Solartechnik erst langsam Einzug. 

Leistungen im MW-Bereich: 

Langfristig werden Solarkraftwerke (vor allem im wärmeren Süden) gewaltig an Be- 

deutung gewinnen; heute gibt es noch kaum welche. 

Verwendung im Weltraum: 

Sonnenpaddel mit Solarzellen sind heute bei Satelliten unverzichtbar geworden. Man 

hatte jedoch lange zu kämpfen, um robuste Zellen zu entwickeln, die gegen die harte 

Weltraumstrahlung relativ unempfindlich sind, und deren Wirkungsgrad trotz der harten 

Strahlung im Weltraum gut erhalten bleibt. 



Die Silizium-Solarzelle: 

Bemerkungen 

Silizium ist derzeit das einzige in Massenproduktion hergestellte Halbleitermaterial. Seine 

Vorteile sind hohe Temperaturverträglichkeit, routinemäßige Herstellung und Dotierung, 

hohe Lebensdauer, sein häufiges Vorkommen und seine Umweltverträglichkeit. Silizium 

wird in Photozellen als Einkristall, polykristallin und amorph eingesetzt. 

andere Solarzellen: 

Die meisten anderen Photoelemente beinhalten Schwermetalle und giftige Verbindungen 

oder bestehen aus seltenen, teuren Elementen. Aus diesem Grund ist es angebracht, sie 

nur dort einzusetzen, wo ihre speziellen Eigenschaften sie nicht durch z.B. Siliziumzellen 

ersetzbar machen. 

Wirkungsgrade (Si-zelle, Stand 1996): 

Die Wirkungsgrade bei Siliziumeinkristallzellen lagen 1996 bei 17,3% (polykristallin etwa 

12%). Durch Verbesserung des optischen Einschlusses erreichte man bis zu diesem 

Zeitpunkt 20,6% (Rekord: 24%). Die theoretische Obergrenze liegt damaligen 

Abschätzungen zufolge bei etwa 30%. 

Energiespeicherung: 

Um die momentan überschüssige Energie eines Solarmoduls speichern zu können, 

verwendet man derzeit gewöhnliche Akkumulatoren. In naher Zukunft werden vermutlich 

Elektrolyse-Einheiten und Brennstoffzellen für die Speicherung verwendet werden. 



Eingesetze Geräte: 

Versuchsaufbau: 

Versuche mit Solarzellen 

Solarzelle als Energiewandler 

Stromversorgungsgerät 

Experimentierleuchte 

Solarzelle 

Erwartungen an den Versuch: 

Elektromotor für 0,4V Gleichspannung 

Was geschieht wenn die Lampe eingeschaltet wird? 

Wie wirkt sich eine Veränderung des Abstands zwischen der Experimentierleuchte und 

der Solarzelle aus? 

Was geschieht wenn die Verbindungskabel zwischen Elektromotor und Solarzelle an 

dieser umgepolt werden? 



Versuchsdurchführung: 

Die Lampe wird eingeschaltet und so justiert, daß sie die Solarzelle gleichmäßig 

ausleuchtet. Falls der Elektromotor nicht von selbst anspringen sollte, muß er mit den 

Fingern angeworfen werden. Nach und nach wird der Abstand zwischen Solarzelle und 

Leuchte erhöht. 

Beobachtung: 

Nach dem Einschalten der Experimentierleuchte beginnt sich auch der Motor zu drehen 

(in unserem speziellen Fall dreht sich natürlich die zweifärbige Kreisscheibe, die am 

Motor angebracht ist). Bei einer Vergrößerung des Abstandes zwischen Leuchte und 

Solarzelle dreht sich der Motor immer langsamer, bis er schließlich vollkommen zum 

Stillstand kommt. Dann kann er auch durch Anwerfen nicht mehr in Gang gebracht 

werden. 

Das Umpolen der Verbindungskabel ist bei diesem Versuchsaufbau leider nicht möglich, 

doch würde es dazu führen, daß sich der Elektromotor in die entgegengesetzte Richtung 

dreht. 

Bilder: 




Schlußfolgerungen: 

Eine Solarzelle ist also in der Lage Lichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln, mit 

der ein Elektromotor betrieben werden kann. 

Lichtenergie Solarzelle elektrische Energie 

Bei einer Vergrößerung der Entfernung wird der Motor immer langsamer und bleibt 

letztendlich stehen, daraus folgt, es trifft nicht mehr genügend Lichtenergie auf die 

Solarzelle, so daß diese nicht mehr genügend elektrische Energie erzeugen kann. 

Letztendlich dreht sich der Motor bei einer Umpolung der Zuleitungskabel in die 

entgegengesetzte Richtung, was bedeutet, daß eine Solarzelle Gleichstrom erzeugt. 

Weiterführende Informationen: 

In Mitteleuropa strahlt die Sonne auf 1 m² waagerechte Fläche im Mittel 1000 kWh pro 

Jahr solare Energie. In Österreich mit einer Fläche von rund 84000 km² = 84 Mrd.m 2 

wären das insgesamt 84000 Mrd. kWh/a. 

Bereits ein kleiner Teil dieser Solarenergie würde ausreichen, um den Jahresbedarf an 

elektrischer Energie Österreichs mit Hilfe von Solarzellen zu erzeugen. 

Dafür spricht folgende Überlegung: 

2% der eingestrahlten Solarenergie entsprechen 1680 Mrd. kWh. Bei einem 

Wirkungsgrad heutiger Solarzellen von etwa 10% ließen sich daraus 168 Mrd. kWh 

erzeugen. Der Bedarf Österreichs an elektrischer Energie beträgt derzeit gut 300 Mrd. 

kWh/a. Im nächsten Jahrhundert werden also solarelektrische Stromversorgungsanlagen 

eine immer größere Rolle spielen. 

Die Solarzelle wandelt Lichtenergie direkt in elektrische Energie um. Es existiert nur eine 

Umwandlungsstufe. Bei Wärmekraftwerken, in denen heute mehr als 90% der 

elektrischen Energie erzeugt wird, finden vier Energieumwandlungen statt: 

Primärenergie (Brennstoff/Kernenergie) Wärmeenergie Spannenergie 

(pot. Energie) Bewegungsenergie elektrische Energie. 





Eingesetzte Geräte: 


Definition Transistor: 

Aufbau einer Solarzelle 



Transistor 

Spannungsmeßgerät 

Ein Transistor besteht aus drei Halbleiterschichten. Sie sind entweder in der in der 

Reihenfolge n-Leiter, p-Leiter, n-Leiter (npn-Transistor) oder p-Leiter, n-Leiter, p-Leiter 

(pnp-Transistor) aneinandergefügt. Die drei Schichten nennt man Emitter, Basis und 

Kollektor. Die Basisschicht ist sehr dünn (~ 0,5mm) ausgeführt und bildet sowohl mit 

dem Emitter als auch mit dem Kollektor je eine Diode. 






Kann mit einem Transistor, wenn er beleuchtet wird, eine elektrisch Spannung 

erzeugen? 

Zwischen welchen Anschlüssen kann sich eventuell eine Spannung aufbauen? 


Der Transistor wird beleuchtet und die Spannungen zwischen den einzelnen Schichten 

gemessen. 

Beobachtung: 

Es kann tatsächlich eine Spannung gemessen werden, die etwa um 0,4V liegt. Diese 

kann jedoch nur zwischen Basis und Emitter bzw. Basis und Kollektor gemessen werden. 

Zwischen Emitter und Kollektor beträgt die Spannung U0=0. 

Schlußfolgerung: 

Eine elektrische Spannung entsteht hier nur zwischen einer n-Schicht und einer p- 

Schicht. Der Minuspol ist im Falle dieses npn-Transistors eine n-Schicht, also entweder 

Emitter oder Kollektor, der Pluspol die p-Schicht, also die Basis. 


Auch Solarzellen bestehen aus einer n-leitenden und einer p-leitenden Schicht. Die zum 

Licht hinweisende Schicht ist so dünn, daß das Licht in die darunter befindliche 

ladungsträgerarme Grenzschicht gelangen kann, in der sogenannte Elektronen-Löcher– 

Paare erzeugt werden. Im elektrischen Feld , das sich zwischen der n-Schicht und der p- 

Schicht aufgebaut hat, werden diese Ladungsträger getrennt, sobald Licht in die 

Solarzelle fällt. Zwischen den Kontaktfingern und der rückseitenmetallisierung läßt sich 

dann eine Spannung von ca. 0,5V abgreifen. 





Solarzellen bestehen heute in der Regel aus Silicium. Silicium ist das zweithäufigste 

Element in der Erdrinde (Anteil 25,7%). 

Silicium-Solarzellen werden aus monokristallinem Silicium (Verwendung in der 

Raumfahrt), multikristallinem Silicium (terrestrische Anwendung) und auch aus 

amorphem Silicium (terrestrisch Anwendungen, z.B. auch Solartaschenrechner) 

hergestellt. 

Eine Steigerung des Wirkungsgrades von Dünnschichtsolarzellen aus amorphem Silicium 

erhofft man sich von der Verwendung anderer Halbleitermaterialien (z.B. Galliumarsenid, 

Aluminiumarsenid, Cadmiumsulfid, Kupfersulfid) bzw. durch Kombination verschiedener 

Halbleitermaterialien in sogenannten Tandem-Zellen. 





Die Leerlaufspannung einer Silicium-Solarzelle 

Eine Silicum-Solarzelle ist aus einer n-Schicht und einer p-Schicht aufgebaut. Sie kann 

mit Hilfe von Licht eine elektrische Spannung aufbauen. 





Solarzelle 



Wie ändert sich die Leerlaufspannung mit der Größe der beleuchteten Solarzelle? 






Die beleuchtete Solarzelle wird schrittweise mit schwarzer Pappe abgedeckt, und die 

Leerlaufspannung dabei gemessen. 

Beobachtung: 

Die Leerlaufspannung der Solarzelle ändert sich auch durch die Veränderung der 

beleuchteten Fläche kaum. 


Die Leerlaufspannung einer Solarzelle ist nahezu konstant und ändert sich kaum mit der 

Größe der beleuchteten Solarzelle. Warum dies so ist, läßt sich auf folgende Weise 

erklären. 

Die Vergrößerung einer Solarzelle ist praktisch gleichbedeutend einer Parallelschaltung 

von Spannungsquellen, wobei sich ja ebenfalls die Spannung nicht ändert. 


Die maximale Leerlaufspannung einer Silicium – Solarzelle beträgt U0 = 0.56 V. 

Diesen Wert erhält man jedoch nur bei einer ausreichenden Bestrahlungsstärke von E = 

1000 W/m² = 100mW/cm² , bei Licht mit einem dem Sonnenlicht ähnlichen Spektrum 

und bei einer Temperatur 

von 25°C. Steigt die Temperatur, sinkt die Leerlaufspannung mit etwa – 2,3 mV/K ab. 





Der Kurzschlußstrom einer Silicium-Solarzelle 

Mit einer Silizium – Solarzelle kann eine elektrische Spannung von etwa 0.5 V erzeugt 

werden. Wird an die Solarzelle ein Leiterkreis angeschlossen, fließt natürlich auch ein 

elektrischer Strom. 





Solarzelle 


Strommeßgerät 

Wie hängt die maximale Stromstärke (Kurzschlussstromstärke) von der Größe der 

Solarzellenfläche ab? 


Die beleuchtete Solarzelle wird schrittweise mit schwarzer Pappe abgedeckt und der 

Kurzschlußstrom dabei gemessen. 





Beobachtung: 

Die Stromstärke verringert sich mit zunehmender Abdeckung der Solarzelle. 


Man kann erkennen, daß die Stromstärke umso größer ist, je größer die beleuchtete 

Fläche der Solarzelle. Bei Sonnenlicht würde gelten: 

2 fache Fläche 2 fache Kurzschlussstromstärke 

3 fache Fläche 3 fache Kurzschlussstromstärke 

Das heißt also, die Kurzschlußstromstärke wächst proportional zu der beleuchteten 

Fläche der Solarzelle. 

Die Erklärung hierfür kann man wieder aus einem Vergleich mit der Parallelschaltung von 

Solarzellen gewinnen. Die Vergrößerung der Fläche einer Solarzelle ist ja eigentlich nichts 

anderes als die Parallelschaltung von mehreren Solarzellen oder eben auch 

Spannungsquellen. 

Schaltet man jedoch mehrere Spannungsquellen parallel zueinander so addiert sich deren 

Stromstärke. 


Die Kurzschlussstromstärke ist von der Bestrahlungsstärke, dem Spektrum des 

einfallenden Lichtes und in geringem Maße auch von der Temperatur abhängig. Bei 

steigender Temperatur erhöht sich die Kurzschlussstromstärke geringfügig um 0.01 %K. 





Leerlaufspannung und Kurzschlußstorm bei unterschiedlicher 

Bestrahlungsstärke 

Die Sonne sendet Licht und Wärmestrahlen auf die Erdoberfläche. Die Stärke der 

Bestrahlung ist von den Wetterbedingungen, der Tageszeit und der Jahreszeit abhängig. 

Der Betrag an Lichtenergie, den aufgestellte Solarzellenflächen aufnehmen, schwankt 

deshalb beachtlich. 






Solarbatterie 

Multimeter 

Wie werden sich die Leerlaufspannung und der Kurzschlußstrom gegenüber einer 

Änderung der Bestrahlungsstärke verhalten? 






Die Verringerung der Bestrahlungsstärke geschieht durch eine Vergrößerung des 

Abstandes zwischen Leuchte und Solarzelle. Dabei werden immer sowohl 

Leerlaufspannung als auch Kurzschlußstrom gemessen. 

Beobachtung: 

Die Leerlaufspannung ändert sich bei einer Vergrößerung des Abstandes zwischen 

Leuchte und Zelle nur geringfügig. Der Kurzschlußstrom hingegen fällt deutlich ab. 

Abstand in cm 10 15 20 25 30 40 50 70 90 

Kurzschlußstrom in 

mA 

Leerlaufspannung in 

V 

I in mA 

160 

140 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

0 


139 99 68 55 41 24 13 6 2 

0,48 0,48 0,46 0,45 0,45 0,45 0,45 0,44 0,41 

0 20 40 60 80 100 

d in cm 

Die Leerlaufspannung hängt nur sehr geringfügig von der Bestrahlungsstärke ab, 

wogegen der Kurzschlußstrom sich doch deutlich mit der Bestrahlungsstärke ändert. 

Bei Sonnenlicht gilt: 

2fache Bestrahlungsstärke 2facher Kurzschlußstrom 

3fache Bestrahlungstärke 3facher Kurzschlußstrom 






Die Bestrahlungsstärke des Sonnenlichtes ist auf der Erde und im Weltraum sehr 

verschieden. Für den erdnahen Weltraum ist der Begriff AMO (Air Mass Zero) Eingeführt 

worden. Auf der Erde Gelten die Bezeichnungen AM1, AM2, AM3 usw., je nachdem , ob 

das Sonnenlicht den kürzesten Weg durch die Atmosphäre nimmt (senkrechte 

Einstrahlung) oder ob sich ein zweimal, dreimal usw. so langer Weg ergibt. 

AM- Angabe AM1 AM2 AM3 

Zenitwinkel der 

Sonne 

0° 60° 70,5° 

Bei senkrechtem Einfall der Sonnenstrahlen (AM1), beträgt die Bestrahlungsstärke auf 

der Erde 1000W/m² = 100mW/cm², an den äußersten Schichten der Atmosphäre 

1385W/m². diesen Leistungsbetrag, der bei mittlerer Entfernung zwischen Sonne und 

Erde auftritt, nennt man Solarkonstante. 

Da der Himmel in den nördlichen Bereichen Europas häufig bedeckt ist, tritt neben der 

direkten Sonneneinstrahlung immer auch diffuse Strahlung. Auf. Die Summe aus direkter 

und diffuser Einstrahlung wird Globalstrahlung genannt. Für Hamburg beispielsweise 

liegen folgende Meßwerte vor: 

Jahreszeit direkte 

Sommer und 

Übergangszeit 

Einstrahlung 

diffuse 

Einstrahlung 

30.....40% 60.....70% 

Winter 0.....20% 80.....100% 

Da Solarzellen auch diffuse Lichtstrahlung in elektrische Energie umwandeln, können sie 

also auch in Mittel- und Nordeuropa eingesetzt werden. Bei bedecktem Himmel fällt 

jedoch die Leistung eines Solargenerators unter 10%. 





Reihenschaltung von Solarzellen 

Eine beleuchtete Solarzelle stellt eine Spannungsquelle dar die in etwa 0,5 V liefern kann. Für die 

meisten verwendeten elektrischen Geräte benötigt man jedoch eine höhere Spannung (3V, 5V, 12V, 

220V, 380V). 






Solarbatterie 


Wie läßt sich mit Solarzellen eine Spannung erzeugen die höher als 0,5V ist? 

Wie wird sich die Gesamtspannung verändern, wenn mehrere Solarzellen in Serie 

geschaltet werden? 






Zuerst werden die Leerlaufspannungen der einzelnen Solarzellen festgestellt, 

anschließend werden diese schrittweise in Reihe geschaltet, indem jeweils der Minuspol 

der einer Zelle mit dem Pluspol der nächsten Zelle verbunden wird. 

Beobachtung: 

Je mehr Zellen zueinander in Serie geschaltet werden, umso größer wird auch die 

gesamte Leerlaufspannung. 

Nummer der Zelle 1 2 3 4 5 

Leerlaufspannung in V 0,48 0,46 0,49 0,47 0,48 

Anzahl der in Reihe 

geschalteten Zellen 

U in V 

Leerlaufspannung 

in V 

2 

1,8 

1,6 

1,4 

1,2 

1 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

0 

1 2 3 4 5 

0 1 2 3 4 

Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen 

0,48 0,91 1,38 1,78 2,25 


Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 28 

5




Je mehr Solarzellen in Reihe geschaltet werden umso höher ist auch die erhaltene 

Leerlaufspannung. 

Die Leerlaufspannungen der einzelnen in Reihe geschalteten Solarzellen verhalten sich 

additiv. Das heißt, gleichmäßige Beleuchtung vorausgesetzt, 2 Zellen 

hintereinandergeschaltet ergeben etwa 2fache Leerlaufspannung, 3 Zellen 

hintereinandergeschaltet ergeben etwa 3fache Leerlaufspannung..... 

Daraus folgt daß die Leerlaufspannung der Anzahl der Zellen proportional ist. 

U ~ n 


Für technische Anwendungen werden eine größere Anzahl von Solarzellen in Reihe 

geschaltet. Zum Schutz sind sie in einem Flachgehäuse untergebracht, das mit einer 

Glasabdeckung versehen ist. Eine solche Anordnung von Solarzellen wird Modul genannt. 

Die bei der solarelektrischen Stromversorgungsanlage Pellworm verwendeten Module 

haben die Abmessungen 56 cm x 46 cm x 1 cm und eine Masse von etwa 3.5 kg. In 

ihnen sind 20 Solarzellen 10 cm x 10 cm in Reihe geschaltet. Da die maximale Spannung 

einer Solarzelle 0.56 V beträgt, ergibt sich für ein Modul eine Leerlaufspannung von 

höchstens U0 = 20 x 0.56V = 11.2 V. 

48 Module sind in einem Strang in Reihe geschaltet. Die theoretisch mögliche 

Leerlaufspannung würde danach U0 = 48*11.2 V = 537.6 V betragen. In der Praxis erhält 

man etwa 500 V. Die Nennspannung zum Betrieb der Wechselrichter und zum Laden der 

Batterie beträgt 346 V. 

Solarzellenmodul der solarelektrischen Reihenschaltung von 20 Solarzellen in einem Modul 

Stromversorgungsanlage Pellworm 





Parallelschaltung von Solarzellen 

Je größer die Fläche einer Solarzelle ist, desto größer ist auch die bei Beleuchtung maximal zur 

Verfügung stehende Stromstärke. 






Solarbatterie 


Was geschieht wenn mehrere Solarzellen parallel zueinander geschaltet werden. 






Es werden mehrere Solarzellen nacheinander parallel zueinander geschaltet . Dabei wird 

immer die Spannung und auch die Stromstärke gemessen. 

Beobachtung: 

Die Leerlaufspannung ändert sich nur sehr geringfügig, wogegen der Kurzschlußstrom 

deutlich ansteigt, wenn mehrere Solarzellen parallel zueinander geschaltet werden. 

Bilder: 

Die Leerlaufspannung ändert sich nur geringfügig. 

Der Kurzschlußstrom ändert sich hingegen deutlich. 






Bei senkrechter Lichteinstrahlung, wolkenlosem Himmel und 25°C liefert ein Modul (20 in 

Reihe geschaltete Solarzellen 10cm * 10cm) einen Kurzschlußstrom von 2,41A. Dieselbe 

Stromstärke ergibt sich auch bei den einzelnen Strängen aus 48 Modulen. 

Bei der solarelektrischen Stromversorgungsanlage Pellworm liegen 366 Stränge parallel 

und würden im Kurzschlußfall eine Stromstärke von Ik = 366*2,41A ~ 882A abgeben. 





Wirkung eines Schattens auf eine beleuchtete Solarbatterie 





Glühlampe mit Reflektor 

Solarbatterie 

Elektromotor 

Was geschieht wenn mehrere Zellen in Serie geschaltet werden? 

Was geschieht wenn eine der in Reihe geschalteten Zellen abgedunkelt wird. 


Die einzelnen Zellen der Solarbatterie werden nach und nach zueinander in Serie 

geschlossen. Dabei wird der Elektromotor beobachtet. Nachdem alle Zellen zueinander in 

Reihe geschaltet sind, wird eine Zelle abgedunkelt und dabei wieder der Motor 

beobachtet. 





Beobachtung: 

Der Motor dreht sich immer schneller, je mehr Zellen zueinander in Reihe geschaltet 

werden. Wird aber eine der in Serie geschalteten Zellen abgedunkelt, so bleibt der Motor 

stehen. 


Der Motor dreht sich schneller, da sich die einzelnen von den Solarzellen gelieferten 

Spannungen bei einer Reihenschaltung addieren. 

Wird nun eine Solarzelle abgedunkelt so steigt ihr Innenwiderstand an. Die von der 

Solarbatterie erzeugte Spannung fällt dann zum größten Teil an der abgedunkelten Zelle 

ab. 

Die verbleibende Spannung reicht zum Betrieb des Elektromotors nicht mehr aus. 


Bei größeren Solarbatterien (Solargeneratoren), die im Freien aufgestellt sind, muß 

darauf geachtet werden, daß ein ausreichender Abstand zu Bauwerken, Bäumen und 

ähnlichem besteht. Dadurch soll verhindert werden, daß bei niedrigem Sonnenstand 

Schatten auf die Solarzellenfläche fällt. 

Die solarelektrische Stromversorgungsanlage auf der Nordseeinsel Pellworm besitzt eine 

Solarzellenfläche von 3168m², die auf 40° aufgerichteten Traggestellen montiert sind. Da 

bis zu 15 Traggestellreihen parallel angeordnet sind, muß zwischen ihnen ein 

ausreichender Abschattungungsabstand vorhanden sein. Die Grundstücksfläche beträgt 

unter anderem auch aus diesem Grund 16000m² (ca. so groß wie 2 Fußballfelder) 





Der Kurzschlußstrom einer Solarzelle bei unterschiedlichem 

Einfallswinkel des Lichts 

Bei einer feststehenden Solarzellenfläche ändert sich der Einfallswinkel des Sonnenlichtes 

mit der Tages- und mit der Jahreszeit. So trifft das Licht z.B. am Morgen in einem 

anderen Winkel auf als am Mittag. 



Taschenlampe 

Solarzelle 


Einer weiterer möglicher Versuchsaufbau ist hier noch angeführt, da dieser 

wahrscheinlich einfacher und übersichtlicher durchzuführen ist. 

Bei unten abgebildeten Aufbau muß durch Drehen der Solarzelle die verschiedenen 

Winkel eingestellt werden. 






Welche Beziehung besteht zwischen dem Einfallswinkel des Lichtes und der 

Kurzschlußstromstärke? 


Mit einer Taschenlampe wird die Solarzelle beleuchtet. Die Lampe wird um einen 

bestimmten Winkel gedreht, wobei darauf zu achten ist, daß der Abstand zwischen 

Lampe und Zelle konstant bleibt 

Beobachtung: 

Der Kurzschlußstrom ist dann maximal wenn der Lichtstrahl senkrecht auf die Solarzelle 

trifft. Bei größer werdendem Winkel wird die Stromstärke immer kleiner. 

α in ° 0 20 40 50 90 

Stromstärke in mA 84 75 59 48 0 

cosα 1 0,94 0,77 0,64 0 

Imax*cosα 

in mA 

84 78,93 64,35 53,99 0 





I in mA 

Bilder: 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

-10 10 30 50 70 


Winkel in ° 

Die maximale Kurzschlußstromstärke einer Solarzelle ergibt sich wenn das Licht 

senkrecht einfällt. Fallen die Lichtstrahlen nun aber nicht mehr senkrecht auf die 

Solarzelle, d. h. ist die Solarzelle etwas gegen die Einfallsrichtung des Lichts geneigt, so 

wirkt diese Neigung praktische genauso wie eine Verringerung der Fläche. Eine Neigung 


Erstellungsdatum: 2.11.2001 Seite 37 

90



von z.B. 40° (cos40= 0,7661) verringert die beleuchtete Fläche scheinbar um das 

0,77fache. 


Damit die Sonnenstrahlen während eines möglichst großen Tageszeitraumes senkrecht 

auf die Solarzellen fallen, wurden bereits Anlagen mit automatischer Nachführung 

entwickelt. Die Solarzellenflächen folgen dann in einem bestimmten Bereich der 

scheinbaren Bewegung der Sonne. 




Eignung für den Unterricht 

Unterstufe 

In der 3. Klasse werden zwar die prinzipiellen Grundlagen für Halbleiter durchgenommen, 

jedoch aber nicht die Diode. 

Somit fehlt also diese wesentlich Grundlage zur Erklärung des Aufbaus einer Solarzelle. 

Es wäre daher nicht sinnvoll näher auf deren Aufbau einzugehen. 

Die Solarzelle sollte als alternative Energiequelle besprochen werden, welche in der Lage 

ist Lichtenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Falls es den Rahmen nicht sprengen 

sollte, können zusätzlich auch noch andere alternative Energiequellen wie z.B. die 

Windenergie besprochen werden. 

Einsetzbarkeit der Versuche: 

Solarzelle als Energiewandler 

Zeigt sehr schön auf, daß es möglich ist, Lichtenergie mittels einer Solarzelle in 

elektrische Energie umzuwandeln. Er eignet sich wunderbar als Einstiegsversuch. 

Die Leerlaufspannung und der Kurzschlußstrom einer Solarzelle 

Hierbei kann die Solarzelle schön als Spannungsquelle bzw. Stromquelle wie z.B. eine 

Batterie demonstriert werden. 

Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen 

Auch hier kann wieder sehr schön aufgezeigt werden, daß sich beleuchtete Solarzellen 

wie einfache Stromquellen verhalten. 

Die anderen Versuche sind unserer Meinung nach für die Unterstufe nicht geeignet, da 

sie ein größeres Hintergrundwissen erfordern. 




Oberstufe 

In der Oberstufe sind hinzukommen zum Unterstufenwissen die Grundlagen der 

Halbleiterphysik vertieft worden, sowie zusätzlich Diode und Transistor besprochen 

worden. D.h. die Grundlagen für den Aufbau einer Solarzelle sind bekannt, und daher 

sollte dieser auch besprochen werden. 

Einsetzbarkeit der Versuche: 

Grundsätzlich würden wir die Versuche in der Reihenfolge durchführen wie sie in diesem 

Protokoll angeben ist. Denn so kann man mit einer alternativen Stromquelle beginnen 

und gleich deren Aufbau hinterfragen. 

Weiterführend kann die Solarzelle als einfache Spannungsquelle behandelt werden 

(Leerlaufspannung, Kurzschlußstrom, Reihen- und Parallelschaltung) und somit auch die 

Serien- und Parallelschaltung von Spannungsquellen wiederholt werden. Ebenso wird die 

Frage gestellt wie sich unterschiedlich Bestrahlungstärken auf den von der Solarzelle 

gelieferten Strom auswirken. 

Weiterführend werden die Fragen gestellt wie sich ein Schatten auf die beleuchtete 

Solarbatterie auswirkt und welchen Einfluß unterschiedliche Einfallswinkel des Lichts auf 

Kurzschlußstrom und Leerlaufspannung haben. 

Literaturangabe: 

• Arbeitsblätter „Experimente mit Solarzellen“ von Martin Volkmer; Blatt 1.1-4.10 

(aufliegend im SVP) 

• Verschiedene andere Literaturquellen (in denen vor allem fachliches Wissen nachgelesen wurde) sind 

leider im Nachhinein nicht mehr eruierbar, verwiesen sei auf Fachliteratur aus dem Gebiet der 

Festkörperphysik bzw. der Halbleiterphysik

Koblmiller, Kornhuber - JKU

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