Allgemeine Beschreibung

In diesem Versuch sollen die Grundbausteine photovoltaischer Anlagen – die Solarzellen – untersucht werden. Dabei geht es um das grundlegende physikalische Verständnis der Funkti­onsweise und das Kennenlernen verschiedener Typen von Solarzellen bzw. der zu deren Cha­rakterisierung notwendigen Begriffe. Die Interpretation der Ergebnisse führt auf grundsätzli­che Fragen der Festkörper- bzw. Halbleiterphysik zurück.

Der photovoltaische Effekt ist schon seit 1839 (Becquerel) bekannt und fand 1958 seine erste Anwendung in der Raumfahrt als Stromversorgung eines Satelliten. Durch die Weiterent­wicklung und den Einsatz neuer Materialien insbesondere seit der Energiekrise werden Solar­zellen zunehmend auch in terrestrischen Anwendungen eingesetzt. Die Forschung konzent­riert sich z.Z. auf die kostengünstige Optimierung der kristallinen Solarzellen (überwiegend aus einkristallinem Silizium oder GaAs für Spezialanwendungen) und auf die Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen mit dem Ziel einer großflächigeren sowie weniger material- und energieintensiven Herstellung (stellvertretend sei dafür die Entwicklung von Solarzellen aus amorphem Silizium seit 1977 genannt).

Für den FP-Versuch Photovoltaik stehen eine Auswahl von verschiedenen Solarzellen und ein Versuchsaufbau zu deren Untersuchung zur Verfügung. Es sollen Strom-Spannungs-Kennli­nien unter unterschiedlichen Bedingungen (Beleuchtungsspektrum, Intensität, Temperatur) aufgenommen werden. Die Messung der Kennlinien erfolgt mit einem rechnergesteuerten Aufbau, wobei der Computer auch gleichzeitig zur graphischen Darstellung bzw. zur Aus­wertung bzgl. der Kenngrößen Leerlaufspannung, Kurzschlussstrom, Füllfaktor und Wir­kungsgrad dient. Ziel des Versuchs ist es, die Abhängigkeit dieser Größen von den oben ge­nannten Bedingungen für die verschiedenen Solarzellentypen im Prinzip zu verstehen und einen Einblick in die messtechnischen Schwierigkeiten bei deren Bestimmung zu geben. Au­ßerdem werden Abweichungen in den Eigenschaften realer Solarzellen vom idealen Verhalten deutlich (z.B. bei der Bestimmung der Diodenqualitätsfaktoren aus der Hell- oder der Dun­kelkennlinie). Eine weitere wichtige Größe zur Charakterisierung von Solarzellen ist der Quantenwirkungsgrad. Seine Abhängigkeit von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts gibt Auskunft über den inneren Aufbau der Solarzelle und wird wesentlich durch die Absorp­tionseigenschaften des verwendeten Halbleitermaterials bestimmt. Der Quantenwirkungsgrad kann im Versuch durch Lichtselektion mit schmalbandigen Interferenzfiltern bestimmt wer­den.