A · Kapitel 5 · Einheit 3

Photovoltaik

Folien

Im Kapitel über Dioden haben wir bereits die Photodiode kennengelernt. Derselbe Effekt – die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie – wird auch bei der Solarzelle genutzt. Eine Solarzelle wandelt die optische Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie um. Damit steht eine zusätzliche Spannungsquelle zur Verfügung, die sich auch im Amateurfunk, etwa bei einem Fieldday, einsetzen lässt. Die Abbildung A-5.3.1 zeigt den Aufbau einer monokristallinen Silizium Solarzelle.

Trifft Licht auf die Solarzelle, lösen die Lichtteilchen (Photonen) elektrische Ladungsträger im Halbleiter aus, wodurch eine elektrische Spannung und ein Strom entstehen. Albert Einstein erklärte diesen photoelektrischen Effekt bereits 1905 und erhielt dafür später den Nobelpreis für Physik.

Das Schaltzeichen eines Photoelements (Solarzelle) ist in der Abbildung A-5.3.2 dargestellt.

Prüfungsfrage AB212

Was ist die primäre Aufgabe einer Solarzelle?

Lösung

Wichtige Kenngrößen einer Solarzelle sind die Leerlaufspannung $U_\mathrm{OC}$, also die Spannung ohne angeschlossene Last, sowie der Kurzschlussstrom $I_\mathrm{SC}$, der bei direktem Kurzschluss der Anschlüsse unter voller Sonneneinstrahlung fließt.

Genau wie bei der Reihen- und Parallelschaltung von Akkus bzw. Spannungsquellen, verändert sich die Klemmenspannung und der maximale Laststrom eines Photovoltaikmoduls durch die Zusammenschaltung der einzelnen Solarzellen.

In einem Solarmodul sind mehrere Solarzellen zu einem Verbund zusammengeschaltet, wie in der Abbildung A-5.3.3 zu sehen ist. Hier werden 30 Solarzellen mit jeweils $0,6 V$ Leerlaufspannung in Reihe geschaltet. Es addieren sich die Spannungen der einzelnen Zellen. Dadurch ergibt sich eine Gesamtspannung von

$\qty{30}{} \cdot 0,6 V = 18 V$.

Zusätzlich werden vier dieser Reihenschaltungen parallel geschaltet. Bei einer Parallelschaltung addieren sich die Ströme der einzelnen Stränge. Liefert jede Solarzelle beziehungsweise jeder Strang einen Kurzschlussstrom von $1 A$, so ergibt sich insgesamt ein Kurzschlussstrom von

$\qty{4}{} \cdot 1 A = 4 A$.

Prüfungsfrage AD301

Ein Photovoltaikmodul besteht aus vier parallel geschalteten Reihen von je 30 Solarzellen mit je Zelle 0,6 V Leerlaufspannung und 1 A Kurzschlussstrom. Welche Leerlaufspannung und welchen Kurzschlussstrom liefert das Modul?

Lösung