PV I Flashcards
Solare Einstrahlung
Was führt zur Entstehung der solaren Strahlung?
Der Massendefekt während der Kernfusion von Wasserstoff in der Sonne.
Wie wird die Energie berechnet die die Sonne ausstrahlt? (Formel) Welche Annahme liegt dabei zugrunde?
Dafür Annahme: Photosphäre gleicht einem schwarzen Körper
-> also Adsorption = 100%, Reflektion = 0, Transmission = 0 (A = 1, R=T=0)
Berechnung mit dem Stefan - Bolzmann - Gesetz:
EsubS = sigma x TsubS^4
Mit:
- EsubS: Leistungsdichte [W/m^2]
- TsubS: Temperatur [K]
- sigma: 5,67 x 10^-8 (Stefan-Bolzmann-Konstante)
Wie hoch ist die Energie, die die Sonne ausstrahlt?
64 MW/m^2
(EsubS = 5,67 * 10^-8 W/(m^2xK^4) * 5800^4 * K^4)
-> oder Berechnung über Formel zur spektralen Leistungsdichte
Mit dem ?? kann die spektrale Energiedichte berechnet werden.
Planck’schen Strahlungsgesetz
(Formel siehe slide 4)
Die Kerntemperatur der Sonne beträgt ungefähr 13,6 * 10^6 K
Die Oberflächentemperatur der Sonne (Photosphäre) weist eine Temperatur auf von?
ungefähr 5800 Kelvin
Solare Radiation
Spektrale Energiedichte eines schwarzen Körpers
-> siehe slide 5
…
Solar Radiation
Welche Leistung erreicht die Erde?
-> siehe slide 6
…
Solar Radiation
Wie viel Leistung und wie viel Energie erreicht die Erde (extraterrestrisch)?
Extraterrestrische solare Leistung auf der Erdscheibe Psube [W]:
Psube = pi * r^2 * Esubse = 1,8 * 10^17 W
Extraterrestrische solare Energie auf der Erdscheibe Wsube [kWh]:
Wsube
= 365 days * 24 h/d * Psube
= 1,6 * 10^18 kWh/year
= 1,6 * 10^9 TWh/a
= 51 TWh/s
(Vergleich: Der jährliche Primärenergiebedarf 2022 war 5,28 TWh/s)
Solar Radiation
Wie viel Energie gelangt zur Erdoberfläche (terrestrisch)?
Sonnenlicht muss durch die Atmosphäre
Definition der Luftmasse (AMX). Sie beschreibt was?
Beschreibt wie viel Luftmasse das Sonnenlicht durchqueren muss.
(Je kleiner der Winkel alpha wird, desto länger wird der Weg!)
-> siehe slide 7!!
Solar Radiation
Spektrale Leistungsdichte an der Oberfläche
Absorption durch was?
O3, O2, H2O, CO2
Solar Radiation
Spektrale Leistungsdichte an der Oberfläche
Globale Strahlung = direkte Strahlung + diffuse Strahlung
Absorption durch: O3, O2, H2O, CO2
Welche Arten von Streuung gibt es und wann liegen diese jeweils vor? (2)
Rayleigh Streuung (Partikeldurchmesser < lambda)
–> bei blauen Himmel und roter Sonnenaufgang/-untergang
Mie Streuung (Partikeldurchmesser > lambda)
–> bei grauem Himmel
lambda: Wellenlänge des Lichtes
Man sollte sich immer klar machen, ob von der direkten oder der diffusen Strahlung gesprochen wird gerade…
…
Solar Radiation
Woraus setzt sich die globale Strahlung zusammen?
Globale Strahlung = Direkte Strahlung + Diffuse Strahlung
Solar Radiation
Spektrale Leistungsdichte am Erdboden, AM 1,5 (41,8°) (Standardtestbedingung)
Siehe slide 9!
…
PV - Historie:
Der photoelektrische Effekt wurde bereit im Jahre 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt.
1905 gelang es Albert Einstein, den Photoeffekt richtig zu erklären, wofür er 1921 den Nobelpreis für Physik bekam.
1954 gelang es die ersten Siliziumzellen, mit einem Wirkungsgrad von über 4% zu produzieren, eine Zelle erreichte sogar einen Wirkungsgrad von 6%.
In den 1960er und 1970er Jahren gab es, in erster Linie durch die Nachfrage aus der Raumfahrt, entscheidende Fortschritte in der Entwicklung von Photovoltaikzellen
…
Was wird beim Versuch zum Photoeffekt untersucht?
unter welchen Bedingungen auf eine Metallplatte fallendes Licht Elektronen herauslöst und wie viel Energie diese Elektronen habenPh
Photoeffekt
Aufbau:
Beschrifte Aufbau auf slide 11!
…
Beschreibe den Photoeffekt und seine Unterteilung kurz!
Herauslösung von Elektronen aus Materie irgendwelcher Art durch absorbierte elektromagnetische Strahlung
-> Äußerer Photoeffekt:
Elektronen verlassen die bestrahlte absorbierende Materie
-> Innerer Photoeffekt (für VL relevante):
Elektronen verbleiben als freie Elektronen in der Materie (z.B. Halbleiter)
Photoeffekt
Licht löst an der Kathode Elektronen heraus
-> wandern zur Anode
Nachweis der Stärke über anlegen einer Gegenspannung, welche so lange erhöht wird bis kein Strom mehr fließt
Kinetische Energie der Elektronen ist dann: Ekin = e x UGrenz
ABER:
Energie von Wellen steigt proportional mit der Amplitude an
-> Geschwindigkeit und damit die Energie der austretenden Elektronen müsste bei hellerem Licht höher sein.
Keine dieser beiden Erwartungen wird erfüllt!
Beobachtungen sind mit dem Wellenmodell des Lichtes nicht erklärbar -> jedoch mit dem?
Welle-Teilchen-Dualismus
Photovoltaik - Bohr’sches Atommodell
- Postulat: Elektronen eines Atoms können sich nur auf bestimmten ?(1)? bewegen, ohne Strahlung zu emittieren
- Postulat: Zwischen den ?(1)? mit der Energie E sind ?(2)? möglich.
-> Die dabei absorbierte oder emittierte Energie entspricht der Differenz zwischen den Energien des Anfangs- und Endzustandes
(1) stabilen Kreisbahnen
(2) Elektronenübergänge
Photovoltaik - Bändermodell
Wie kommen die Energiebänder zustande?
Bei der Betrachtung eines einzelnen Atoms lassen sich diskrete Energiezustände finden.
Werden zwei Atome in eine räumlich nähe zueinander gebracht kommt es zu was?
Entartung der Energiezustände der Einzelatome
(-> Das Feld des einen Atoms stört die Energiezustände des anderen und umgekehrt -> es tritt eine Aufspaltung in mehrere Niveaus auf)
Photovoltaik - Bändermodell
Wie kommen die Energiebänder zustande?
Werden zwei Atome in eine räumlich nähe zueinander gebracht stört das Feld des einen Atoms die Energiezustände des anderen und umgekehrt (Entartung der Energiezustände der Einzelatome)
-> es tritt eine Aufspaltung in mehrere Niveaus auf
Gleicher Effekt tritt in Kristallgittern auf
-> viele sehr dicht nebeneinander liegende Elektronenenergieniveaus bilden ein ?(1)?.
Die Breite ist abhängig vom ?(2)?
Die Dichte eines Elektronenbandes ist proportional zur ?(3)?
Zwischen zwei Bändern kann eine ?(4)? liegen, in der keine elektronischen Zustände zu finden sind.
(1) Energieband
(2) Abstand zum Atom
-> energetisch tieferliegende Zustände sind stärker lokalisiert
(3) Zahl der am Aufbau des Kristalls beteiligten Atome
(4) Energielücke
(slide 17!)
Photovoltaik - Bändermodell
Elektronen auf energetisch höheren, breiteren Bändern sind mit zunehmender Energie ?(1)? und ihre Bindung an die Einzelatome ?(2)?.
Vom ersten Band an werden die Bänder mit Elektronen gefüllt
-> das zuletzt vollständig gefüllte Band heißt ?(3)?
Das nächsthöhere Band, das ?(4)? kann teilweise gefüllt oder vollständig leer sein
Esubg ist der ?(5)?
(1) beweglicher
(2) geringer
(3) Valenzband (VZ)
(4) Leitungsband (LB)
(5) Bandabstand
-> siehe slide 18!
Photovoltaik - Bändermodell
Beschreibe kurz das Bändermodell.
Zeichne es für einen Leiter (enganeinander und überlappend), Halbleiter und Isolator!
Elektronen auf energetisch höheren, breiteren Bändern sind mit zunehmender Energie beweglicher und ihre Bindung an die Einzelatome geringer
Vom ersten Band an werden die Bänder mit Elektronen gefüllt
-> das zuletzt vollständig gefüllte Band heißt Valenzband (VZ)
Das nächsthöhere Band, das Leitungsband (LB) kann teilweise gefüllt oder vollständig leer sein.
Esubg ist der Bandabstand
Zeichnungen siehe slide 18!
Photovoltaik - Bändermodell
Nenne die wesentlichen Unterschiede zwischen Leiter, Halbleiter und Isolator BEI DER Betrachtung im Bändermodell! (Leiter vs. Halbleiter; Halbleiter vs. Isolator)
Leiter vs. Halbleiter
-> beim Halbleiter befinden sich anders als beim Leiter keine Elektronen im Leitungsband (LB)
Halbleiter vs. Isolator
-> Beim Halbleiter ist der Bandabstand EsubG zwischen Valenz- und Leitungsband geringer (Esubg < 5 eV) als beim Isolator (Eg >= 5 eV)
(siehe slide 18!)
