Sonnenenergie direkt in die Batterie

Solarstrom in der Zukunft

Die Entwicklung auf dem Solarzellensektor zeigt, dass sich in den nächsten Jahren noch einiges tun wird. Die Zellen werden immer effizienter. In so genannten Tandem-Zellen wird der Wirkungsgrad dadurch verbessert, dass Zellen mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten übereinander geschichtet werden, um die eingestrahlte Energie besser zu nutzen. Damit werden dann Wirkungsgrade im Bereich von 40 % möglich sein. Eine andere Entwicklung geht in Richtung Farbstoff-Solarzellen. Hierbei werden Farbstoffe auf n-leitendes TiO2 aufgebracht und in einen Elektrolyten eingebettet, um Strom zu erzeugen. Und nicht zuletzt die Dünnschichtzellen. Auch hier werden die Wirkungsgrade steigen, und statt Glasträger sollen künftig auch flexible Substratmaterialien möglich sein. Damit wird der Einsatz von in Freizeitbekleidung integrierten Solarzellen möglich, die es dann wiederum erlauben, kleine elektrische Geräte wie MP3-Spieler und Funktelefone während einer Wanderung durch die Berge wieder aufzuladen. Texas Instruments wird natürlich auch weiterhin an der Entwicklung von Schaltkreisen für diese neuen Technologien arbeiten. Harry Schubert

Unterschiedliche Solarzellen-Typen

Monokristalline Zellen werden aus einkristallinen Siliziumscheiben hoher Reinheit hergestellt, wie sie auch für die Halbleiterherstellung verwendet werden. Sie sind verhältnismäßig teuer und benötigen die meiste Energie zur Herstellung, haben aber als Solarzellen auf Siliziumbasis den höchsten Wirkungsgrad.

Polykristalline Zellen bestehen aus Silizium, das nicht überall die gleiche Kristallorientierung aufweist. Sie können aus geschmolzenem Silizium im Gießverfahren hergestellt werden. Da sie preiswerter als monokristalline Zellen sind, werden sie in Photovoltaik-Anlagen am meisten eingesetzt. Häufig werden diese Zellen auch als multikristalline Solarzellen bezeichnet.

Amorphe Solarzellen bestehen aus einer dünnen, nicht-kristallinen (amorphen) Siliziumschicht. Sie werden durch Abscheiden von Silizium aus der Dampfphase hergestellt und werden daher auch als Dünnschichtzellen bezeichnet. Amorphe Zellen sind sehr preiswert, haben im Sonnenlicht einen nur geringen Wirkungsgrad, bieten jedoch Vorteile bei wenig Licht. Zu finden sind diese Zellen häufig in Taschenrechnern oder Uhren.

Mikrokristalline Zellen sind Dünnschichtzellen mit mikrokristalliner Struktur. Sie weisen einen höheren Wirkungsgrad als amorphe Zellen auf, sind jedoch nicht so dick wie die gängigen polykristallinen Zellen.

Tandem-Solarzellen sind übereinander geschichtete Solarzellen mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit. Die Zellen stellen meist eine Kombination aus polykristallinen und amorphen Zellen dar. Durch eine breitere Ausnutzung des Lichtspektrums der Sonne haben diese Zellen einen höheren Wirkungsgrad als einfache Solarzellen. Die einzelnen Zellen sind dabei in Reihe geschaltet, wodurch die Klemmenspannung der Gesamtzelle höher ist.

Andreas Wacker studierte an der Fachhochschule in München und schloss sein Studium als Ingenieur der technischen Physik ab. Seine zehnjährige Erfahrung im Umgang mit analogen Schaltkreisen von DC bis hin zu mehreren GHz setzt er als Applikationsingenieur für DC/DC-Wandler kleiner Leistung bei Texas Instruments um.
epic@ti.com

Texas Instruments hat nun einen neuen induktiven DC/DC-Wandler auf den Markt gebracht, der bereits ab einer Eingangsspannung von 0,5 V startet – mit beliebigen Lasten am Ausgang. Der Aufwärtswandler ist nach dem Starten in der Lage, bis zu einer Eingangsspannung von kleiner 0,3 V zu arbeiten. Um mit kleinsten Eingangsspannungen arbeiten zu können, erzeugt der TPS61200 zuerst eine getrennte Hilfsspannung (UH), die die internen Treiberschaltungen versorgt. Die Höhe der Ausgangsspannung kann der Entwickler mit einem externen Spannungsteiler zwischen 1,8 V und 5,5 V einstellen.

Bild 3 zeigt die vereinfachte Ladeschaltung für einen Funktelefon-Akku. Mittels des Spannungsteilers R1/R2 wird die Ausgangsspannung auf 4,1 V eingestellt. Ist die Spannung von 4,1 V erreicht, geht der Wandler in den Stromspar-Modus und lädt nur noch nach, wenn die Spannung wieder unter 4,1 V absinkt. Dies verhindert ein Überladen des Akkus. Man könnte den Akku auch mit für einen Li-Ionen- Akku üblichen konstanten Strom laden, dann ist allerdings eine zusätzliche Spannungsüberwachungsschaltung nötig, um ein Überladen zu verhindern. Da das Laden hier nur mit kleinen Strömen stattfindet und auch nur zum Ladungserhalt benutzt wird, wurde hier der Einfachheit halber darauf verzichtet. Der Ladestrom ist in dieser Schaltung von der Intensität des Lichtes abhängig, das auf die Solarzelle fällt. Der Wirkungsgrad des Wandlers bei solch geringen Eingangsspannungen liegt immerhin bei bis zu 50 %. Dies ist angesichts der hohen Aufwärtswandlung mit einem Tastverhältnis von 87 % und einer Versorgungsspannung von nur 0,5 V beachtlich. Die Schaltung ist in der Lage, mit einer Solarzelle von nur 5 cm × 5 cm bei guter Bestrahlung einen Ladestrom von 50 mA und mehr zu liefern.

Beim Betrieb an einer Solarzelle ist allerdings zu beachten, dass die Zelle stets im idealen Arbeitspunkt betrieben werden sollte. Soll auch bei schlechter Beleuchtung noch Strom aus der Zelle entnommen werden, muss sich der Verbraucher der Spannungsquelle anpassen können. Der ideale Arbeitspunkt einer Solarzelle liegt bei einer Klemmenspannung um die 0,5 V. An diesem Punkt kann, wie bereits beschrieben, die maximale Leistung entnommen werden. Bei ausreichender Beleuchtung ist es normalerweise kein Problem, für die Zelle den benötigten Strom zu liefern. Wenn allerdings die Lichtintensität nachlässt oder künstliches Licht zum Einsatz kommt, ist eine Arbeitspunktregelung unvermeidlich, da sonst die Klemmenspannung der Solarzelle zusammenbricht, bevor der Gleichspannungswandler gestartet ist. Dazu ist in dem Schaltplan eine Komparatorschaltung hinzugefügt worden, welche die Solarzellenspannung mit einer Referenz vergleicht (Bild 4). Die Referenz aus einer Siliziumdiode (D1) mit nachfolgendem Spannungsteiler (R4/R5) legt den Arbeitspunkt der Solarzelle fest. Eine Siliziumdiode hat in Durchlassrichtung eine Spannung von ca. 0,65 V. Als Referenzspannung werden etwa 0,51 V benötigt, was mit dem nachfolgenden Spannungsteiler (R4/R5) eingestellt wird. Der Strom durch die Referenz darf die Spannung an UH nicht zu sehr belasten, da der Aufwärtswandler sonst nicht starten kann. Ist die Solarzellenspannung nun größer als die Referenz, wird am Spannungsteiler R1/R2 die Spannung erniedrigt, was den DC/DC-Wandler dazu veranlasst, mehr Strom in die Last zu pumpen. Sinkt die Solarzellenspannung dagegen unter den idealen Arbeitspunkt ab, wird die Ausgangsleistung entsprechend verringert. Der FB-Anschluss vergleicht intern die angelegte Spannung mit seiner eigenen Referenz von 0,5 V, d.h., liegen an FB 0,5 V an, wird kein Strom in die Last gepumpt. Ist die Spannung kleiner, wird der Stromfluss erhöht.

Der Operationsverstärker in dieser Schaltung sollte natürlich nur wenig Energie aus der Ladevorrichtung entnehmen. Dies ist z.B. mit dem OPA349 gewährleistet, da dieser mit geeigneter Beschaltung nur einige µA an Strom aufnimmt.