84 51 Die Solarzelle Wenn du einen Solartaschenrechner besitzt, weißt du, dass die elektrische Energie für seinen Betrieb aus einer sogenannten Solarzelle kommt. Bei ausreichender Beleuchtung kannst du ihn benützen, ohne jemals eine Batterie wechseln zu müssen. In einer Solarzelle (solar cell) bewirkt die Strahlungsenergie der Sonne oder einer Glühlampe das Entstehen einer elektrischen Spannung. Deswegen heißen sie auch fotovoltaische Zellen. Das Grundmaterial von Solarzellen ist meist der Halbleiter Silizium. Er wird schon bei seiner Herstellung gezielt mit bestimmten Stoffen dotiert, um die gewünschten elektrischen Eigenschaften zu bekommen. Bei der Bestrahlung mit Sonnenlicht werden im Halbleiter Elektronen und Löcher verschoben. Dadurch entsteht zwischen den Kontakten der Solarzelle eine Gleichspannung. In Abb. 51.2 siehst du das Schaltzeichen für eine Solarzelle. Versuch: Schließe ein Voltmeter an eine Solarzelle an (Abb. 51.3). Miss zunächst die Spannung, wenn die Solarzelle schlecht beleuchtet ist, danach bei guter Beleuchtung (Sonne oder Lampe). Miss mit einem Amperemeter die Stromstärke bei unterschiedlicher Beleuchtung und bei verschiedenen Einfallswinkeln des Lichtes. Wie verändert sich die Stromstärke, wenn du die Solarzelle halb abdeckst? Die von einer Solarzelle abgegebene Spannung beträgt etwa 0,5 V. In Solarzellen wird die Strahlungsenergie der Sonne zur Bereitstellung einer elektrischen Spannung ausgenützt. Die umgewandelte Energie hängt von der Stärke der Einstrahlung, vom Einfallswinkel und von der Größe der Fläche der Solarzelle ab. Solarzellen haben nur einen geringen Wirkungsgrad. Mit modernen Solarzellen können maximal 20% der eingestrahlten Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden. Da die Sonnenenergie aber kostenlos ist, lohnt sich ihr Einsatz. Die Lebensdauer von Solarzellen beträgt etwa 20 Jahre. Der Wirkungsgrad sinkt in dieser Zeit um ca. 10–20%. Um mit Solarzellen größere Mengen an elektrischer Energie bereitstellen zu können, müssen große Landflächen mit Solarzellen bestückt werden (Abb. 51.6, 7). Für das Erreichen höherer Spannungen, müssen mehrere Zellen hintereinander geschaltet werden. Versuch: Schalte mehrere Solarzellen in Serie, indem du jeweils den Minuspol der ersten mit dem Pluspol der nächsten Zelle verbindest (Abb. 51.4). Schließe einen kleinen Experimentiermotor an und lasse die Solarzellen von der Sonne oder einer starken Lichtquelle bestrahlen. Die Herstellung der Solarzellen ist noch immer recht aufwändig. Die Kosten haben sich aber alleine in den letzten fünf Jahren mehr als halbiert. Für ihre Fertigung sind gesundheits- und umweltschädliche Substanzen erforderlich. Daher gelten für Produktion und Entsorgung von Solarzellen strenge Sicherheitsbestimmungen. Heute werden nicht nur Taschenrechner, Uhren und Radios, sondern auch Solarspielzeug oder Solarleuchten mit Solarzellen betrieben. Auch Parkscheinautomaten (Abb. 51.5), Überkopfwegweiser auf Autobahnen oder Wetterstationen werden mit Solarenergie versorgt. Kann man Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandeln? 51.1 Juno-Raumsonde 51.2 Schaltsymbol für ein Solarzelle Symbol für Licht Symbol für Gleichspannungsquelle 51.3 Messung von Stromstärke (links) und Spannung (rechts) an Solarzellen bei gleicher Beleuchtung Am 5. August 2011 startete die NASARaumsonde „Juno“ zu ihrem Flug zum Jupiter, dem größten Planeten unseres Sonnensystems. Sie ist am 5. Juli 2016 in eine Umlaufbahn um den Jupiter eingeschwenkt und liefert seit Februar 2017 neue Erkenntnisse über den Jupiter und die Entstehung unseres Sonnensystems. Erstmals hat eine Jupiter-Raumsonde die während ihres fünfjährigen Fluges benötigte Energie ausschließlich mit großen Sonnensegeln, die mit modernen Hochleistungssolarzellen bestückt sind, gewonnen (Abb. 51.1). Nur zu Prüfzweck n – Eigentum des Verlags öbv
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