Solarzellen sind heute zur Energiegewinnung nicht mehr wegzudenken. Sie finden auch Eingang bei Privatpersonen zur Deckung ihres Energiebedarfs (Stichwort Balkonkraftwerke). Mit Solarzellen lassen sich auch einige interessante Experimente durchführen, z.B. den Bau eines Pyranometers (https://stoppi-homemade-physics.de/pyranometer/) zur Bestimmung der Solarkonstante. Anbei einige Projekte mit Solarzellen:
1.) Abhängigkeit des Kurzschlussstroms in Abhängigkeit von der Lichtintensität
Bei diesem Experiment wird überprüft, wie der Kurzschlussstrom von der Bestrahlungsstärke/Lichtintensität abhängt. Zu erwarten ist ein linearer Zusammenhang. Dazu wird eine 12V-Halogenlampe vor der Solarzelle postiert und mit der Spannung U und der Stromstärke I versorgt. Die zugeführte elektrische Leistung ergibt sich dann zu P = U·I. Ändert man nicht die Distanz der Halogenlampe zur Solarzelle und auch nicht den Einfallswinkel, so ist die bei der Solarzelle ankommende Lichtintensität proportional zur zugeführten elektrischen Leistung.
Ob sich der Kurzschlussstrom der Solarzelle als Indikator für die Bestrahlungsstärke eignet, gilt es in diesem Experiment herauszufinden. Dazu wird der Kurzschlussstrom in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung der Halogenlampe aufgetragen. Im besten Fall besteht wie schon gesagt ein linearer Zusammenhang (= Gerade)…
Zur Ansteuerung der Halogenlampe verwende ich mein Glühlampennetzteil. Es liefert eine maximale Spannung von rund 14V bei einem Strom von 4A. Auf der Vorderseite befindet sich eine Anzeige für Spannung und Strom, sodass sehr einfach die elektrische Leistung P bestimmt werden kann.
Die Solarzelle habe ich bei der Firma Neuhold-Elektronik (https://www.neuhold-elektronik.at/catshop/product_info.php?cPath=41_340&products_id=4868) gekauft. Zum Glück gibt es dieses Geschäft noch bei mir in Graz…
Nachdem ich die Solarzelle und die Halogenlampe besorgt habe, konnte ich das Experiment durchführen.
Hier die Lampenspannung und die Stromstärke:
Und hier der Kurzschlussstrom der Solarzelle:
Der Graph ISolarzelle(PLampe) ist entgegen den Erwartungen keine schöne Gerade.
Dies liegt daran, dass die Solarzelle/Silizium nur auf Strahlung mit Wellenlängen < ca. 1200 nm reagiert. Dies hängt auch direkt mit dem Bandabstand von Silizium mit 1.12 eV zusammen. Für Strahlung mit geringerer Energie (größerer Wellenlänge) als 1.12 eV ist nämlich Silizium transparent. Da die Halogenlampe bei niedriger Spannung/Leistung noch weitestgehend im Infrarotbereich > 1200 nm strahlt, für den eben die Solarzelle nicht empfindlich ist, ist der erzielte Kurzschlussstrom überproportional gering. Erst bei höheren Lampenspannungen (höherer Temperatur der Glühwendel) verschiebt sich die Plankkurve zunehmend in den Bereich < 1200 nm und der Kurzschlussstrom steigt deutlich stärker an. Dies begründet den nicht linearen Verlauf des Kurzschlussstroms in Abhängigkeit von der Lampenleistung!
2.) Kennlinie einer Solarzelle
Unter der Kennlinie einer Solarzelle versteht man den I-U-Graph bei einer bestimmten Bestrahlung. Hierzu belastet man die Solarzelle mit unterschiedlichen Widerständen R und misst den Spannungsabfall U am Widerstand. Der Strom I ergibt sich dann mittels Ohmschen Gesetz I = U/R.
Als variabler Widerstand kommt eine Widerstandsdekade zum Einsatz, welche ich günstig auf Amazon entdeckt habe. Ihr Vorteil gegenüber einem Potentiometer ist, dass der jeweilige Widerstandswert abgelesen werden kann und man nicht zusätzlich noch ein Amperemeter benötigt.
Zu erwarten ist folgende Kennlinie, aus der etwa der Kurzschlussstrom und die Leerlaufspanung leicht ablesbar sind:
Hier der experimentelle Aufbau:
Bei sehr kleinen Lastwiderständen gegen 0 Ω bricht die Spannung durch den konstanten Kurzschlussstrom gemäß U = I·R ein:
Bei einem Lastwiderstand von 400 Ω beträgt die am Widerstand abfallende Spannung etwa 1.671 V:
Zum Abschluss die aufgenommene Kennlinie I(U) und die abgenommene Leistung P in Abhängigkeit vom Lastwiderstand R:
Da die Leistung maximal wird, wenn der Lastwiderstand gleich dem Innenwiderstand ist, beträgt letzterer bei der Solarzelle um die 300 Ω.
3.) Extremwert-Experiment mit Solarzelle
Im obigen ersten Experiment konnte ja verifiziert werden, dass der Kurzschlussstrom einer Solarzelle ein Maß für die Bestrahlungsstärke/Intensität ist. Dieser Umstand wird nun für folgenden Versuch ausgenützt. Eine Halogenlampe/Glühlampe ist wie in der Abbildung dargestellt im Abstand a und der Höhe h über der Solarzelle postiert. Die Höhe h wird nun verändert und jeweils der Kurzschlussstrom der Solarzelle aufgezeichnet. Die Ansteuerung der Halogenlampe bleibt während des gesamten Experiments unverändert!
Bei hOptimum sollte also der Kurzschlussstrom ein Maximum aufweisen.
Das Experiment konnte ich in der Zwischenzeit auch durchführen. Der horizontale Abstand a des Stativs zur Solarzelle betrug 30 cm. Die Höhe der Lampe wurde zwischen 0 und 100 cm variiert.
Hier nun der Kurzschlussstrom der Solarzelle in Abhängigkeit von der Lampenhöhe:
Bei ca. h = 20 cm besitzt der Graph ein Maximum. Laut Theorie sollte dieses Extremum bei a/√2 = 30/√2 = 21.2 cm liegen, was sehr gut übereinstimmt…
Zum Abschluss noch das Youtube-Video mit den Versuchen rund um Solarzellen:
