Sonnenenergie direkt in die Batterie

Strom und Spannung aus Sonnenenergie

Um Geräte mit Solarstrom zu betreiben, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, wie die Zellen miteinander verschaltet werden können, um die benötigte Spannung bzw. den benötigten Strom zu erzeugen. Zum einen können die Solarzellen in Serie geschaltet werden, was zu einer Vervielfachung der Einzelspannung führt. Unter guten Bedingungen heißt das, dass die Spannung mit jeder weiteren in Reihe geschalteten Zelle um 0,5 V steigt. Zehn Zellen in Reihe ergeben eine Klemmenspannung von 5,0 V. Wie schon gesagt, geschieht das unter guten Bedingungen, soll heißen, alle Zellen werden mit derselben Intensität an Licht bestrahlt. Ist dies nicht der Fall, z.B. durch teilweise Abschattung, bricht die Spannung zusammen, da die nicht beschienene Solarzelle zu einer hochohmigen Last wird und der Strom nicht mehr ausreichend fließen kann. Der Strom durch diese Zelle wird letztlich in Wärme umgesetzt, was bei großen Solarpanels auch zur Zerstörung von Zellen führen kann und das Panel unbrauchbar macht. In Solarpanels werden deshalb zum Schutz der Zellen Freilaufdioden eingesetzt, die parallel zu mehreren Zellen liegen und diese im Falle einer Abschattung quasi abschalten. Die Serienschaltung von Solarzellen bewirkt eine Erhöhung der Ausgangsspannung, der Strom, der fließen kann, bleibt aber derselbe wie bei einer Zelle. Für eine höhere Stromstärke müssen Zellen parallel geschaltet werden. Diese Art der Verschaltung ist unkritisch gegen Abschattung, denn in diesem Fall wird nur der Strom, der entnommen werden kann, geringer. Allerdings ist in diesem Fall dann die Ausgangsspannung lediglich 0,5 V und für die meisten Anwendungen zu niedrig. In der Praxis werden deshalb beide Methoden kombiniert.

Sonnenenergie für unterwegs

Kleine tragbare Geräte erfreuen sich großer Beliebtheit und sind für viele ständige Begleiter geworden. Um eines dieser Geräte mit Solarstrom zu betreiben und sich dabei nicht mit einem unhandlichen Solarpanel zu belasten, müssen die Zellen deutlich verkleinert werden. Ausgehend von einer Standardzelle mit 125 mm × 125 mm und einer elektrischen Leistung von ca. 1,75 W bei ausreichender Bestrahlung (≥600 W/m2), verringert sich dieser Wert proportional zur Verkleinerung der Fläche. Da die Spannung einer Solarzelle immer gleich bleibt, egal welche Größe sie hat, verringert sich folgerichtig nur der Strom, der der Zelle entnommen werden kann.

In vielen tragbaren Geräten kommen heutzutage Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz, d.h., die Versorgungsspannung liegt zwischen 3 V und 4,2 V. Ein Funktelefon zum Beispiel nimmt typischerweise im Bereitschaftsbetrieb einen Strom von 4,5 mA auf. Das entspricht einer Leistung von 17 mW, was ziemlich genau einem 100stel der Leistung einer Standard- Solarzelle entspricht. Das ergibt rein rechnerisch eine Zellengröße von 12,5 × 12,5 mm2. Mit etwas Reserve addiert, kann eine Solarzelle von 200 mm2 (2 × 1 cm2) ein Funktelefon tagsüber mit genügend Strom versorgen, damit es sich nicht mehr entlädt. Das Laden eines Akkus setzt natürlich voraus, dass die Ladevorrichtung die richtige Ladespannung erzeugt. Für die oben beschriebene Methode zur Spannungserhöhung wären acht kleine Zellen in Reihe zu schalten, um 4 V zu erhalten, und jede muss einen Strom von 4,5 mA liefern. Das heißt, es werden acht Zellen mit z.B. 5 mm × 5 mm Kantenlänge benötigt. Der Nachteil bei so kleinen Zellen ist die Kontaktierung, die auf der Oberfläche Platz einnimmt, der zur Bestrahlung dann fehlt. Außerdem sind kleine Zellen teurer, da durch das Zersägen der Siliziumscheiben der Ausschuss größer wird.

Einfacher wäre es, mit nur einer Solarzelle zu arbeiten. Das Problem dabei ist, dass elektronische Schaltkreise mit einer Spannung von 0,5 V nur wenig anfangen können. Standard-Aufwärtswandler, egal ob kapazitiv oder induktiv, starten im Normalfall erst ab einer Minimalspannung von 1,2 V und können dann bis zu einer Eingangsspannung von 0,9 V betrieben werden.

Der photoelektrische Effekt beschreibt ein Phänomen, das die elektromagnetische Energie des Sonnenlichtes direkt in elektrischen Strom umwandelt. Hierbei werden durch Lichtquanten ausreichender Energie Elektron-Loch- Paare in einem geeigneten Halbleitermaterial erzeugt. Anschließend werden die Ladungsträger räumlich getrennt, so dass an den gegenüberliegenden Seiten der Solarzelle eine Spannung abgegriffen werden kann.

Solarzellen sind im Grunde Halbleiterdioden mit einer dicken, schwach p-dotierten Basisschicht und einer dünnen, darüber liegenden, hoch dotierten n-Schicht (Bild 1). Dadurch liegt der pn-Übergang nahe an der Oberfläche, und die Übergangszone (Raumladungszone), die das elektrische Feld erzeugt, reicht weit in das Material hinein.

Treffen nun Photonen auf diese Übergangszone, werden Elektronen- Loch-Paare erzeugt, die durch das elektrische Feld getrennt werden. Die Löcher werden zum untenliegenden p- Material hin beschleunigt, die Elektronen bewegen sich zum n-Kontakt auf der von der Sonne bestrahlten Oberseite. Ein Teil der Ladungsträger rekombiniert auf dieser Strecke und geht in Wärme verloren, der übrige Photostrom kann direkt von einem Verbraucher genutzt werden. Die Spannung wird über metallische Fingerkontakte auf der Oberseite und eine Metallisierung auf der Unterseite abgegriffen. Herkömmliche Solarzellen aus Silizium liefern dabei eine Leerlaufspannung von etwas mehr als 0,6 V. Entnimmt man der Zelle Strom, verringert sich diese Spannung aufgrund des Innenwiderstandes der Solarzelle. Aus der Strom-Spannungskennlinie (Bild 2) lassen sich alle für eine Solarzelle relevanten Daten entnehmen. Wichtig für die effiziente Nutzung der Zelle ist der Punkt in der Strom- Spannungskennlinie, an dem die Leistung, die entnommen werden kann, am größten ist. Die Spannung an diesem optimalen Arbeitspunkt liegt bei ca. 0,5 V.

Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist bekanntlich nicht besonders gut und ein Einsatz rentiert sich auch nur deshalb, weil die von der Sonne gelieferte Energie groß und kostenlos ist. Außerdem wird die Energie ganz ohne schädliche Nebenprodukte wie z.B. CO2 erzeugt. Man darf auch nicht vergessen, dass eine einzelne Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von knapp 18 % immerhin einen Strom von über 4 A liefern kann. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist letztlich nur entscheidend, wenn es darum geht, wann eine Solarzelle mehr Energie liefert als man für die Herstellung benötigt hat und sich damit der Einsatz auch ökologisch rentiert.

Wo treten nun die Verluste auf? Ein beachtlicher Teil der eingestrahlten Energie wird von der Oberfläche einer Siliziumsolarzelle reflektiert oder im Inneren durch kinetische Energie – elastischer Stoß zwischen Atom und Elektron – in Wärme umgewandelt. Auch Photonen, die nicht genug Energie haben, um ein Elektron-Loch-Paar zu erzeugen, tragen nicht zur Stromgewinnung bei – ebenso wie Photonen, die außerhalb der Raumladungszone auftreffen. Außerdem sind Solarzellen nicht über das ganze Spektrum des Sonnenlichts empfindlich. Unterschiedliche Halbleitermaterialien nutzen das von der Sonne angebotene Spektrum unterschiedlich aus.

Die mit heute üblichen Solarzellen erzielten Wirkungsgrade reichen von 6 % bei Dünnschichtzellen bis hin zu knapp 18 % bei monokristallinen Zellen und sollen in naher Zukunft auf 20 % gesteigert werden.