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Fotovoltaik

Vorlesung: Energieumsatz I – Systeme des Energieumsatzes

Dozent: Prof. E. Sauer

Thema: Fotovoltaik

Referenten: Kerstin Becker

& Huot Jansen

Datum: 27.01.2005

Universität Duisburg-Essen, Campus Essen

Fakultät Ingenieurwissenschaft, Abteilung Technik

Fach Technologie und Didaktik der Technik

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Gliederung

1. Was ist Fotovoltaik?

2. Geschichte der Fotovoltaik

3. Arten von Solarzellen

4. Aufbau der Solarzelle

5. Funktionsweise der Sollarzelle

6. Solarmodule

7. Leistung

8. Wirtschaftlichkeit

9. Ausblicke

10. Literatur

Fotovoltaik

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1. Was ist Fotovoltaik?

Fotovoltaik

Fotovoltaikanlagen wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um.

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Definition

Fotovoltaik

Der Name Fotovoltaik setzt sich aus

dem griechischen Wort „photo = Licht“ und „voltaik“

(nach dem italienischen Physikers ALESSANDRO VOLTA)

zusammen.

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Fotovoltaik

2. Geschichte der Fotovoltaik:

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3. Arten von Solarzelle

– monokristalline Solarzellen

• Block besteht aus einem einzigen Kristall (aus flüssigem Silizium gezogen)

Bei der Herstellung von Solarzellen werden 0,3 mm dünne Scheiben aus einem Siliziumblock herausgesägt

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– polykristalline Solarzellen

• Block besteht aus vielen kleineren Kristallen (aus flüssigen Siliziums erstart in Eisblumenstruktur)

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• Dünnschichtzellen

– benötigt extrem wenig Halbleitermaterial

3. Arten von Solarzelle

Fotovoltaik

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4. Aufbau der Solarzelle

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Prinzipieller Aufbau der klassische Silizium-Solarzelle

• ca. 0,001 mm dicken n-Schicht– negativdotiert durch Einbringung von z.B.

Phosphoratomen – so dünn, damit das Sonnenlicht besonders

in der Raumladungszone am p/n-Übergang absorbiert wird

• ca. 0,6 mm dicke p-Schicht – positivdotiert durch Einbringung von z.B.

Boratomen– dick genug um die tiefer eindringenden

Sonnenstrahlen zu absorbieren– gibt Solarzelle mechanische Stabilität

• p/n-Übergang oder auch Grenzschicht.

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5. Funktionsweise der Solarzelle

Licht trennt Elektronen und Löcher

• Durch das Feld in der Sperrschicht (von

p-Schicht zur n-Schicht gerichtet)

– Elektronen werden zur n-Schicht gezogen

– “positiven Löcher” werden zur p-Schicht gezogen.

• An den Metallkontakten entsteht eine Spannung von ca. 0,5 V

• schließt man einen Verbraucher an, werden die Ladungen ausgeglichen, und es fließt ein elektrischer Strom.

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6. Solarmodul

• Für die Praxis ist die elektrische Leistung einer Solarzelle nicht ausreichend

• man schaltet mehrere Solarzellen zusammen

– in Serie (um die Spannung zu erhöhen)

– parallel (um die entnehmbare Stromstärke zu erhöhen)

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7. Leistung

Abhängig von

• der Strahlungsdichte auf der Oberfläche

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• Wirkungsgrad der Solarzelle

Ausführung MaterialMaximaler Wirkungsgrad der Solarzellen im Labor

Typischer Wirkungsgrad von handelsüblichen Solarmodulen

ZellenMonokristallines Silizium

25% 13-16%

ZellenPolykristallines Silizium

20% 12-14%

DünnfilmAmorphes Silizium

14% 6-8%

DünnfilmKupfer-Indium-Diselenid

19% 9-11%

Dünnfilm Cadmiumtellurid 16% 7-9%

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•Sonnenscheindauer

Sonneneinstrahlung in Deutschland

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z. B. Sonnenscheindauer,

Sonneneinstrahlung,

klimatische Bedingungen,

Gelände,

Infrastruktur,

Anschlussmöglichkeit an das öffentliche Stromnetz,

Nutzungszweck …

Umfangreiche Standortuntersuchungen sind nötig:

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8. Wirtschaftlichkeit

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Fotovoltaikanlagen in Deutschland:

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Wirtschaftlichkeit

+ Betrieb einer solchen Anlage ist umweltfreundlich; Prinzipiell erzeugen Fotovoltaikanlagen elektrische Energie sehr umweltfreundlich

+ Sonnenenergie ist fast unerschöpflich

- Herstellung ihrer Grundbausteine „der Solarzellen“ energieaufwändig

- Fotovoltaikanlagen können noch nicht universell und vor allem wirtschaftlich eingesetzt werden

- die tatsächliche Sonnenscheindauer (kann die Leistungsausbeute erheblich senken) und der große Flächenbedarf

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Fotovoltaik

Einsatzgebiete von Solarzellen

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Einsatzgebiete von Solarzellen

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Ziele:

- bis 2050 rund 50% d. Energieversorgung aus Erneuerbaren Energien

- …Preis- und Kostensenkung durch technischen Fortschritt und starke

Produktionsausweitung bis zur Konkurrenzfähigkeit mit herkömmlichen

Kraftwerken

Energiekosteneinsparungen durch Einbau von Fotovoltaikanlagen für private Zwecke, für Heizzwecke von Eigenheimen (in wenigen Tagen realisierbar) trotz hoher Anfangsinvestition; in der Regel genehmigungsfrei

Die Bundesrepublik fördert den Einsatz dieser Umwelttechnologien durch Zuschüsse, Steuerrückzahlungen und zinslose Darlehen („100.000-Dächer-Programm“)

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Ausblick

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FOTOVOLTAIK …. DER ZUKUNFTSMARKT?

Umweltaspekte

Geld

Neue Märkte

Politisches Prestige …

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9. Literatur

- Würfel, Peter: Physik der Solarzellen; Spektrum Akademischer Verlag; Heidelberg 1995

- Bibliographisches Institut & F.A. Brockhaus AG Mannheim und

paetec Gesellschaft für Bildung und Technik mbH Berlin:

Duden – Technik: Basiswissen

(Link: www.schuelerlexikon.de)