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Wir schauen uns jetzt eine Solarzelle mit den Augen eines ET&IT-Ingenieurs
an: |
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Was er sieht, ist erstmal nur eine Diode: |
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Eine Diode reicht uns, aber in der
harten Solarik hat man immer ein "Zwei-Dioden-Modell", d. h. zwei parallel geschaltete Dioden. Die erste hat ideale
Eigenschaften ("gute Diode"), in der zweiten werden alle Abweichungen vom idealen Verhalten gebündelt ("schlechte
Diode"); also sowas wie die derzeit (2009; Finanzkrise) heiß diskutierten
"Good Bank" - "Bad Bank"
Modelle. Wir belassen es aber hier bei einer "guten" Diode. |
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Jetzt kommt die reale Welt: |
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Da unsere pn-Übergänge > 200 cm2 sind, ist es nie auszuschließen,
daß irgendwo ein kleiner lokaler Kurzschluss sitzt, weil z. B. bei der Herstellung ein winziges Metallteilchen draufgefallen
ist. Das berücksichtigen wir, indem wir einen "Shunt"-Widerstand parallel
zur Diode schalten, der all den Strom berücksichtigt, der schon intern über mehr oder weniger heftige Kurzschlüsse
abfließt. | |
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Jetzt müssen wir uns nur noch darüber klar werden, dass im System "Solarzelle"
auch noch ein unvermeidbarer Serienwiderstand sitzt – minimal
der nackte Widerstand des Siliziums und der Leitungen. | |
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Wenn wir jetzt auch noch das Licht einschalten, wird der (intern
konstante) Photostrom generiert; elektrisch heißt das, wir schalten einen Kostantstromgenerator parallel zu der Diode. Wir erhalten unser finales Ersatzschaltbild
einer Solarzelle, gleich mit der dazu passenden elektrotechnischen
Kennlinie: |
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| I = |
I0 · |
æ
ç
è |
exp ( |
eUpn
kT |
) – 1 |
ö
÷
ø |
+ |
Upn
RSH |
– IPh |
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Wie kommt man von der Diodengleichung auf diese Kennlinie? Dem ET&IT
-Ingenieur ist das klar, den anderen wird's erklärt: |
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1. Wir nehmen jetzt Ströme I statt Stromdichten j.
I0 ist dann der Feldstrom (Sperrstrom) der realen Solarzelle; leicht zu berechnen, wenn man die
Fläche kennt. |
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2. Die "junction voltage", d. h. die
Spannung U pn direkt am pn-Übergang, ist nicht mehr identisch mit der Klemmenspannung
U, sondern um den Spannungsabfall im U SE = I · RSE
im Serienwiderstand
RSE kleiner. Wir haben die einfache Beziehung: |
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3. Wir addieren den im Shunt-Widerstand RSH verlorenen Strom
(die Vorzeichen bekommt wohl jeder und jeder jetzt hin; immer dran denken: wir haben negativen Photostrom; der Shuntstrom
ist entgegengesetzt), der offenbar gegeben ist durch I
SH = Upn / RSH . |
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Alles klar – bloß kann man dummerweise die obige Gleichung nicht mehr
analytisch lösen, d.h. die Strom-Spannungs-Kennlinie mit Serien- und Shuntwiderständen RSE
und RSH mit Bleistift und Papier ausrechnen. |
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Macht aber nichts – man kann's leicht numerisch machen, und man kann sogar ganz ohne
Rechnen so allerhand durch scharfes Nachdenken erschließen – in einer Übung! |
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Es ist sehr zu empfehlen, diese Übung zu machen, zumindest aber die Lösung genau anzuschauen. |
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Man lernt dabei, daß insbesondere Serienwiderstände im Fokus der praktischen Solartechnik
stehen. |
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Da wir gerade bei Solartechnik sind: Was sind
denn so die Herausforderungen beim Machen von Soarzellen? In äußerster Kürze,
nur um mal Denkanstöße zu geben, die folgenden Punkte: |
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Mache viele Solarzellen – sonst bliebt der Beitrag
zur großtechnischne Energieerzuegung vernachlässigbar. Für eine halbwegs ordentliche Fabrik heißt
das: Mache 1 Standard-Solarzelle (ca. 16 cm x 16 cm) pro Sekunde!!! Für uns Ingenieure
heißt das: Jeder einzelne Bearbeitungsschritt darf gerade mal eine Sekunde dauern!!! (Es sei denn, daß N
Wafer gleichzeitig bearbeitet werden, dann darf der Schritt N Sekunden dauern.) |
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Mache viele und gute Solarzellen, d.h. mit hohem Wirkungsgrad.
Für uns Ingenieure heißt das: Denn Sie wissen, was Sie tun! |
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Mache viele, gute und billige Solarzellen. Für uns
Ingenieure heißt das... (wird nicht verraten, die Konkurrenz ist groß). |
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© H. Föll (MaWi für ET&IT - Script)
