PHOTOVOLTAIK - SOLARSTROM
SOLARZELLEN
Das Kernelement einer Solarzelle stellt der Halbleiter dar. Zum Einsatz
kommen üblicherweise Siliziumzellen (über 90 %). Solarzellen sind in der Lage, sowohl
den Anteil direkter als auch den Anteil diffuser Sonnenstrahlung zu nutzen.
Die Leistung der Solarzelle (Stromstärke I x Spannung U) erreicht zwischen null
Stromstärke (Leerlauf) und null Stromspannung (Kurzschluß) ihren Höchstwert MPP
(Maximal Power Point). Der MPP ist derjenige Punkt auf der gesamten I-U-Kennlinie, welcher
das Maximum für das Produkt aus Stromstärke I und Spannung U aufweist. Die MPP-Leistung
bei einer Einstrahlung von 1 kW/m2 und 25 °C stellt die Nennleistung einer
Solarzelle dar. Das Verhältnis von MPP-Leistung zu der fiktiven Leistung aus
Kurzschluß-Stromstärke und Leerlauf-Stromspannung wird als Füllfaktor bezeichnet und
gilt als Qualitätsmaßstab einer Solarzelle (Wert zwischen 0 und 1).
Der Wirkungsgrad von Solarzellen (Verhältnis von MPP-Leistung zu eingestrahlter
Lichtenergie) lag bislang etwa bei 15 %, bei neueren Solarzellen etwa 19-23 %. Gängige
Solarzellen erzeugen eine Spannung von ca. 0,4-0,8 V mit geringer Strahlungsabhängigkeit
und eine Stromstärke von ca. 1-4 A (500-1000 W/m2 Einstrahlung und 100-225 cm2
Fläche). Der erzeugte Strom ist ein Gleichstrom.
Der Wirkungsgrad ist stark abhängig vom verwendeten Halbleitermaterial. So erreichen
Zellen aus monokristallinem Silizium ca. 15-17 %, Zellen aus polykristallinem Silizium ca.
13-14 % und Zellen aus amorphem Silizium ca. 6 %. Die Herstellungskosten der
Halbleitermaterialien folgen der gleichen Reihenfolge. Generell liegt aufgrund
physikalischer Gegebenheiten , wie z.B. des ausnutzbaren Photonenspektrums, der
theoretische Maximalwirkungsgrad für die meisten Halbleiter etwa zwischen 28 % und 45 %.
Die teilweise in der Presse publizierten Wirkungsgrade für Siliziumzellen von über 20 %
beziehen sich auf Ergebnisse in Forschungslabors und nicht auf Serienprodukte von
Solarzellen. Eine Spitzenstellung nimmt hierbei das Fraunhofer-Institut für Solare
Energiesysteme (ISE) mit einem Wirkungsgrad von 23,3 % bei einer monokristallinen
Siliziumzelle ein.
Siliziumzellen sind in der Regel quadratisch, mit 10 oder 15 cm Kantenlänge. Die aktive
Dicke beträgt üblicherweise ca 0,1 mm.
Für die Zusammenschaltung von Solarzellen zu Solarmodulen bestehen die Möglichkeiten der
Reihen- und der Parallelschaltung. Bei der Parallelschaltung werden die Stromstärken
addiert und die Spannung bleibt etwa bei der Spannung der Einzelzelle. Die
Parallelschaltung ist deshalb unüblich. Bei der Reihenschaltung werden die erzeugten
Spannungen addiert und die Stromstärke bleibt etwa bei der Stromstärke der Einzelzelle.
Verbreitet sind Module mit 36, 54 oder 108 Solarzellen, die entsprechend bis ca. 100 W
Leistung erbringen. Zusammengeschaltete Solarzellen sollten in etwa die gleichen
elektrischen Kennwerte aufweisen bzw. aus einer Baureihe sein.
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