solarzelle- welche auswirkung hat die betriebstemperatur?

[(del)]

hi, kann mir jemand physikalisch erklären, welche auswirkung die temperatur auf eine solarzelle hat? warum bringt eine solarzelle bei höherer temperatur und unter sonst gleichen bedingungen mehr leistung?

[alkorithmus]

Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen...hast du an eine bestimmte gedacht?

[Botcruscher]

Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen...hast du an eine bestimmte gedacht?

Als soweit ich weis nimmt die Wirkungsgrad bei steigender Temperatur ab. Deshalb "lohnen" sich Solarzellen auch im Winter.

[anorakker]

es gibt zwei effekte (müsste jetzt das photovoltaikskript rauskramen - bin aber zu faul) die gegeneinander arbeiten. der negative effekt überwiegt aber, so dass eine kühlung für solarzellen wichtig ist.

[Momo]

solarzellen sind aus silizium, und das leitet den strom besser wenn es wärmer is... vielleicht hat das was damit zu tun?

[Predator2187]

solarzellen sind aus silizium, und das leitet den strom besser wenn es wärmer is... vielleicht hat das was damit zu tun?

Nein, Solarzellen sind aus...














































Solarium ;D

[(del)]

Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen...hast du an eine bestimmte gedacht?

jap. einfach eine silizium-diode...

[(del)]

Die Ausgangsleistung von Solarzellen ist stark abhängig von der Temperatur der Zelle: Pro Grad Temperaturerhöhung sinkt die Spannung um mehr als 0,5%, der Strom steigt um ca. 0,05%. Für die Leistung wirkt sich gerade die Spannungsabhängigkeit stark aus, die Leistung sinkt also um ca. 0,5%, wenn die Zelle um 1 Grad wärmer wird.

dieser satz beschreibt ziemlich genau mein problem... ich kann es mir nicht nicht erklären, wie dieses physikalische phänomen zustande kommt... :((
please help me...

[Mave@Work]

Die Ausgangsleistung von Solarzellen ist stark abhängig von der Temperatur der Zelle: Pro Grad Temperaturerhöhung sinkt die Spannung um mehr als 0,5%, der Strom steigt um ca. 0,05%. Für die Leistung wirkt sich gerade die Spannungsabhängigkeit stark aus, die Leistung sinkt also um ca. 0,5%, wenn die Zelle um 1 Grad wärmer wird.

dieser satz beschreibt ziemlich genau mein problem... ich kann es mir nicht nicht erklären, wie dieses physikalische phänomen zustande kommt... :((
please help me...

Bei höherer Temperatur sind die Ladungsträger beweglicher, können also im
Halbkeiter besser die Bandlücke überspringen.
1.Da in einer Solarzelle die Ladungsträgertrennung durch Lichtenergie bewerkstelligt wird reicht bei höherer Temperatur schon eine geringere Energie um die Ladungsträger über die Bandlücke zu bekommen -> Mehr Ladungsträger, höherer Strom.
2. Da die Diode ja in einer Richtung sperrt, Silizium aber bei höherer Temperatur auch besser leitet, können die Ladungsträger schon bei niedrigerer Spannung
durch die Diode schlagen-> niedrigere Spannung

Naja und das mit der Leistung ist ja wohl klar da Leistung=Strom*Spannung

[Vedek Bareil]

Die Ausgangsleistung von Solarzellen ist stark abhängig von der Temperatur der Zelle: Pro Grad Temperaturerhöhung sinkt die Spannung um mehr als 0,5%, der Strom steigt um ca. 0,05%. Für die Leistung wirkt sich gerade die Spannungsabhängigkeit stark aus, die Leistung sinkt also um ca. 0,5%, wenn die Zelle um 1 Grad wärmer wird.

dieser satz beschreibt ziemlich genau mein problem... das ist ja das genaue Gegenteil von dem was du oben beschrieben hattest: die Leistung einer Solarzelle nimmt mit steigender Temperatur nicht zu, sondern ab ;)

Und dafür kann man auch leicht eine plausible Erklärung finden:
eine Solarzelle ist im wesentlichen eine p-n-Übergangszone. D.h. da ist ein n-dotierter Halbleiter in Kontakt zu einem p-dotierten. Beim n-dotierten ist nun die Fermi-Energie dicht unter der Leitungsbandunterkante, beim p-dotierten dicht über der Valenzbandoberkante. Werden beide Halbleitertypen nun in Kontakt gebracht, so versuchen die Fermi-Energien sich anzugleichen. Das wird durch Diffundieren von Elektronen aus dem n- in den p-Bereich und umgekehrt von Löchern aus dem p- in den n-Bereich bewerkstelligt. Dadurch kommt es zu einer negativen Raumladung auf der p-Seite und einer positiven Raumladung auf der n-Seite. Das daraus resultierende elektrische Feld hebt die potentielle Energie der Elektronen - und damit die Fermi-Energie - im p-Bereich an und senkt sie im n-Bereich ab, solange bis sich beide Fermi-Energien angeglichen haben.

Für den Solarstrom sind die Raumladungen nun sehr wichtig. Durch Absorption von Licht werden in der p-n-Übergangszone Elektron-Loch-Paare erzeugt, wobei das Elektron durch das elektrische Feld der Raumladungen zur n-Seite, das Loch zur p-Seite getrieben wird (d.h. der Solarstrom fließt in die Richtung, die, würde man die Zelle als Diode betreiben, die Sperrichtung wäre). Die durch Anschlüsse an der n- und p-Seite abgreifbare Spannung ist daher umso höher, je größer die Raumladungen sind.

Und hier kommt der entscheidende Effekt zum Tragen: die Fermi-Energie eines n- oder p-Halbleiters ist temperaturabhängig. Je höher die Temperatur ist, desto mehr nähert sich die Fermi-Energie der eines undotierten Halbleiters an, die genau in der Mitte zwischen Leitungsbandunterkante und Valenzbandoberkante liegt. D.h. die benötigten Raumladungen um die Fermi-Energien auf n- und p-Seite anzugleichen, werden immer kleiner. Anders ausgedrückt wird der Unterschied zwischen n- und p-Halbleiter mit zunehmender Temperatur immer kleiner. Bei einer sehr hohen Temperatur sollte er gänzlich verschwinden, und dann sollte es auch keine p-n-Übergangszone, respektive keine Raumladungen mehr geben. Folglich sollten diese mit steigender Temperatur allmählich verschwinden.

Mit den kleiner werdenden Raumladungen nimmt auch das elektrische Feld und damit der auf die Elektronen und Löcher wirkende Antrieb ab. Daher wird auch die abgreifbare Spannung immer kleiner.

[Vedek Bareil]

Bei höherer Temperatur sind die Ladungsträger beweglicher, können also im
Halbkeiter besser die Bandlücke überspringen. falsch herum gedacht. Elektronen sind beweglich, wenn sie sich im Leitungsband befinden. In dieses müssen sie erst einmal gelangen. Bei höherer Temperatur gelingt ihnen dies durch thermische Anregung häufiger.

1.Da in einer Solarzelle die Ladungsträgertrennung durch Lichtenergie bewerkstelligt wird reicht bei höherer Temperatur schon eine geringere Energie um die Ladungsträger über die Bandlücke zu bekommen die nötige Energie zum Überwinden der Bandlücke ist von der Temperatur weitgehend unabhängig (Temperaturabhängigkeiten der Bandlücke sind gegenüber anderen Effekten praktisch vernachlässigbar). Die Rate der durch Photonenabsorption erzeugte Elektron-Loch-Paare bleibt unabhängig von der Temperatur immer gleich. Allerdings werden bei höherer Temperatur mehr Elektron-Loch-Paare durch thermische Anregung erzeugt.

2. Da die Diode ja in einer Richtung sperrt, Silizium aber bei höherer Temperatur auch besser leitet, können die Ladungsträger schon bei niedrigerer Spannung
durch die Diode schlagen-> niedrigere Spannunginteressante Argumentation, nur bezieht sie sich auf die Durchschlagspannung einer Diode, nicht auf die Solarspannung einer Solarzelle.
Der Unterschied ist: die Durchschlagspannung legt man von außen an, um einen Strom in Sperrichtung fließen zu lassen. Die Solarspannung legt man nicht an, sondern greift sie ab. Merke: die Solarzelle liefert Strom, sie verbraucht keinen ;)

[(del)]

das ist ja das genaue Gegenteil von dem was du oben beschrieben hattest: die Leistung einer Solarzelle nimmt mit steigender Temperatur nicht zu, sondern ab ;)

Und dafür kann man auch leicht eine plausible Erklärung finden:
eine Solarzelle ist im wesentlichen eine p-n-Übergangszone. D.h. da ist ein n-dotierter Halbleiter in Kontakt zu einem p-dotierten. Beim n-dotierten ist nun die Fermi-Energie dicht unter der Leitungsbandunterkante, beim p-dotierten dicht über der Valenzbandoberkante. Werden beide Halbleitertypen nun in Kontakt gebracht, so versuchen die Fermi-Energien sich anzugleichen. Das wird durch Diffundieren von Elektronen aus dem n- in den p-Bereich und umgekehrt von Löchern aus dem p- in den n-Bereich bewerkstelligt. Dadurch kommt es zu einer negativen Raumladung auf der p-Seite und einer positiven Raumladung auf der n-Seite. Das daraus resultierende elektrische Feld hebt die potentielle Energie der Elektronen - und damit die Fermi-Energie - im p-Bereich an und senkt sie im n-Bereich ab, solange bis sich beide Fermi-Energien angeglichen haben.

Für den Solarstrom sind die Raumladungen nun sehr wichtig. Durch Absorption von Licht werden in der p-n-Übergangszone Elektron-Loch-Paare erzeugt, wobei das Elektron durch das elektrische Feld der Raumladungen zur n-Seite, das Loch zur p-Seite getrieben wird (d.h. der Solarstrom fließt in die Richtung, die, würde man die Zelle als Diode betreiben, die Sperrichtung wäre). Die durch Anschlüsse an der n- und p-Seite abgreifbare Spannung ist daher umso höher, je größer die Raumladungen sind.

Und hier kommt der entscheidende Effekt zum Tragen: die Fermi-Energie eines n- oder p-Halbleiters ist temperaturabhängig. Je höher die Temperatur ist, desto mehr nähert sich die Fermi-Energie der eines undotierten Halbleiters an, die genau in der Mitte zwischen Leitungsbandunterkante und Valenzbandoberkante liegt. D.h. die benötigten Raumladungen um die Fermi-Energien auf n- und p-Seite anzugleichen, werden immer kleiner. Anders ausgedrückt wird der Unterschied zwischen n- und p-Halbleiter mit zunehmender Temperatur immer kleiner. Bei einer sehr hohen Temperatur sollte er gänzlich verschwinden, und dann sollte es auch keine p-n-Übergangszone, respektive keine Raumladungen mehr geben. Folglich sollten diese mit steigender Temperatur allmählich verschwinden.

Mit den kleiner werdenden Raumladungen nimmt auch das elektrische Feld und damit der auf die Elektronen und Löcher wirkende Antrieb ab. Daher wird auch die abgreifbare Spannung immer kleiner.

*juhuu* endlich mal einen text, der für mich logisch klingt :)
-> die spannung nimmt ab, weil die elektronen/löcher bei höheren temperaturen weniger stark diffundieren (weniger starkes feld in der sperrschicht, weniger spannung...)
-> die stromstärke nimmt zu, weil die "temperatur" zusätzlich zu den von photonen erzeugten auch noch elektronen-lochpaare erzeugt -> mehr strom

hab ich das richtig verstanden? :)
allerdings weiß ich nicht, was die fermi-energie ist, kannst du da vielleicht noch ein paar erklärende zeilen dazu schreiben?
thanks :)

[Vedek Bareil]

*juhuu* endlich mal einen text, der für mich logisch klingt :)
-> die spannung nimmt ab, weil die elektronen/löcher bei höheren temperaturen weniger stark diffundieren (weniger starkes feld in der sperrschicht, weniger spannung...)richtig :)-> die stromstärke nimmt zu, weil die "temperatur" zusätzlich zu den von photonen erzeugten auch noch elektronen-lochpaare erzeugt -> mehr stromkorrekt :)

allerdings weiß ich nicht, was die fermi-energie ist, kannst du da vielleicht noch ein paar erklärende zeilen dazu schreiben?
thanks :)Bei der Temperatur T=0 sind unterhalb der Fermi-Energie alle Zustände mit Elektronen besetzt, alle Zustände darüber unbesetzt. Wesentlich ist hierbei das Pauli-Prinzip: jeder Zustand kann nur von jeweils einem Elektron besetzt werden. Daher müssen sich die Elektronen auf alle Zustände bis hinauf zur Fermi-Energie E_F verteilen.

Bei T>0 ändert sich die Bedeutung der Fermi-Energie. Durch thermische Anregung gelangen Elektronen aus Zuständen unter E_F in welche darüber. Dadurch gibt es unbesetzte Zustände unmittelbar unter E_F und besetzte Zustände unmittelbar oberhalb. Die Wahrscheinlichkeit eines Zustandes der Energie E, besetzt zu sein, ist durch die Fermi-Funktion gegeben:

w(E) = 1 / (exp((E - E_F)/kT) + 1)

Bei T=0 ist w(E) eine Stufenfunktion, die unterhalb von E_F 1 ist und bei E_F auf 0 herunterspringt. Bei T>0 wird die Sprungstelle aufgeweicht: w(E) fällt mit endlicher Steilheit ab und ist bei E_F gerade 1/2.

Bei einem undotierten Halbleiter ist nun bei T=0 die höchste besetzte Energie die Valenzbandoberkante E_VK. Entsprechend könnte man E_F = E_VK vermuten. Aus der Fermi-Funktion w(E) für T>0 kann man aber ersehen, daß dem nicht so ist: die durch thermische Anregung aus dem Valenzband herausgelösten Elektronen gelangen ins Leitungsband, folglich muß die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Zustand an der Valenzbandoberkante unbesetzt ist, gleich der Wahrscheinlichkeit sein, mit der ein Zustand an der Leitungsbandunterkante E_LK besetzt wird. D.h. es muß

w(E_LK) = 1 - w(E_VK)

sein. Und dazu muß E_F genau zwischen den beiden Bandkanten liegen:

E_F = (E_VK + E_LK) / 2

Wird der Halbleiter nun n-dotiert, so werden unmittelbar unter der Leitungsbandunterkante Donor-Niveaus hinzugefügt. Die bei T=0 höchste besetzte Energie ist dann nicht mehr die Valenzbandoberkante, sondern das Donor-Niveau E_D. Entsprechend liegt bei tiefen Temperaturen, wenn bereits viele Elektronen aus dem Donor-Niveau ins Leitungsband angeregt werden, aber noch sehr wenige aus dem Valenzband, die Fermi-Energie zwischen E_D und der Leitungsbandunterkante. Bei höheren Temperaturen finden verstärkt Anregungen aus dem Valenzband statt, während das Donor-Niveau kaum noch besetzt ist. Dadurch sinkt die Fermi-Energie in die Mitte zwischen Valenz- und Leitungsband, wie im undotierten Halbleiter.

Bei p-Dotierung werden analog unmittelbar oberhalb der Valenzbandoberkante Akzeptorniveaus eingefügt, in die hinein leicht Elektronen aus dem Valenzband angeregt werden können. Dadurch liegt die Fermi-Energie bei tiefen Temperaturen zwischen Valenzbandoberkante und Akzeptorniveau E_A. Bei steigender Temperatur tritt ein ähnlicher Prozeß ein wie bei n-Dotierung: die Fermi-Energie wandert in die Mitte zwischen Valenz- und Leitungsband.

[(del)]

au mann.... thanks schonmal für die viele arbeit die du dir gemacht hast :)). hab jetzt noch eine kleine direkte frage
wofür steht das kT, was ist denn k?
--> w(E) = 1 / (exp((E - E_F)/kT) + 1)

... und dann hab ich vielleicht noch ein paar kleine andere fragen, aber ich arbeite den text erstmal genauer durch *g habs jetz 5 mal gelesen und fange so langsam aber sicher an ihn zu verstehen :D

[(del)]

*juhuu* jubel...
ich hab zwar immer noch keine ahnung, für was k steht aber ich habe die formel nicht wirklich benötigt für meine facharbeit, wohl aber die kewle erklärung. bedanke mich nochmal vielmals bei euch allen für die tolle Hilfsbereitschaft.
ja, es stimmt. in meinem ersten post steht mist :D aber jetzt hab ichs verstanden und das ist die hauptsache.
ich mach ne virtuelle flasche champagner auf, prost :)

[Vedek Bareil]

hab jetzt noch eine kleine direkte frage
wofür steht das kT, was ist denn k?T ist die Temperatur, k die Boltzmann-Konstante, die immer dann auftaucht, wenn es um einen Zusammenhang zwischen Temperatur und Energie geht. Es ist

k = 1,38 * 10^-23 J/K ~ 0,00008 eV/K

[(del)]

alles klar :)
hast du das studiert oder so?

thanks
bazooka