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Lantlot
Gast
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 Lantlot Verfasst am: 01. Feb 2019 20:16 Titel: Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle - Verständnisprob |
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Meine Frage:
Ich habe ein Problem, die U-I-Kennlinie einer Solarzelle zu verstehen.
Bei einer üblichen Diode lege ich von außen eine Spannung an und notiere mir dazu den Strom, der durch die Diode fließt. In Durchlassrichtung fängt erst ab einer bestimmten Schwellenspannung ein nennenswerter Strom an zu fließen. So weit ich das durchblicke, hängt das damit zusammen, dass ab diesem Schwellenwert die Raumladungszone erst kompensiert wurde.
Jetzt habe ich eine Solarzelle. Mit Beleuchtung ist die U-I-Kennlinie genauso wie bei der eben beschriebenen Diode, nur dass sie um den Photostrom verschoben wird, und zwar so, dass der Sperrstrom größer wird.
Ich hab nun konzeptionell ein Problem damit, diese U-I-Charakteristik zu verstehen. Während ich bei der Diode die Spannung U noch von außen angelegt habe, soll im Fall der Solarzelle die Spannung doch durch die Solarzelle erzeugt werden! Damit verstehe ich die Kennlinie aber nicht mehr. Welche Spannung U wird bei der Solarzelle betrachtet und wodurch wird sie erzeugt? Wie kann ich einen Kurzschlussstrom messen, ohne dass eine Spannung vorliegt? Und wobei handelt es sich um die Leerlaufspannung und wie kann dabei kein Strom fließen? Die Verschiebung der U-I-Kennlinie durch die Beleuchtung macht es für mich schwer, Ursache und Wirkung zwischen Strom und Spannung zu erklären, zumal es sich bei der Spannung ja jetzt nicht mal um eine von außen angelegte Variable handelt.
Dann kommt ja auch noch das Problem, dass ab der Leerlaufspannung sich die Stromrichtung umkehrt. Wie kann das denn nun sein?
Ich hoffe, meinen Fragen sind einigermaßen verständlich, und dass ihr mir helfen könnt! Danke schon mal.
Meine Ideen:
Der Kurzschlussstrom wird ja gemessen, indem ich die beiden Kontakte der Solarzelle ohne Verbraucher miteinander verbinde. Ich messe einen Strom, der offenbar nur durch den Photostrom erzeugt wird. Wie würde man die dazugehörige Spannung bestimmten (muss laut Kennlinie Null sein, aber wenn ich parallel zur Kurzschlussstrommessung die Spannung messe, sollte sie doch ungleich Null sein, sonst habe ich doch keinen Strom?!).
Analog die Leerlaufspannung. Sie wird an den offenen Kontakten der Solarzelle gemessen. Wie messe ich den dazugehörigen Strom (muss laut Kennlinie Null sein, aber wenn ich den Strom messe, muss ich den Stromkreis doch irgendwie schließen, und wenn eine Spannung vorliegt, muss doch auch ein Strom fließen?!). |
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ML
Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3400
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| ML Verfasst am: 01. Feb 2019 21:16 Titel: Re: Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle - Verständnis |
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| Lantlot hat Folgendes geschrieben: |
Mit Beleuchtung ist die U-I-Kennlinie genauso wie bei der eben beschriebenen Diode, nur dass sie um den Photostrom verschoben wird, und zwar so, dass der Sperrstrom größer wird.
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Hier ist das Prinzipbild einer Solarzelle.
https://de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle#/media/File:Standard_iv_de.svg
Du hast alles richtig beschrieben. Mit Deiner Aussage, dass der Sperrstrom größer wird, kann ich aber nichts anfangen.
| Zitat: |
Ich hab nun konzeptionell ein Problem damit, diese U-I-Charakteristik zu verstehen. Während ich bei der Diode die Spannung U noch von außen angelegt habe, soll im Fall der Solarzelle die Spannung doch durch die Solarzelle erzeugt werden!
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Nicht zwingend. Die Kennlinie sagt nur aus, welche U/I-Kombinationen für die Solarzelle bei der entsprechenden Bestrahlung möglich sind.
Welche U/I-Kombination bei einer Verschaltung tatsächlich auftritt, hängt vom angeschlossenen Bauelement ab. Dieses hat auch eine U/I-Kennlinie. Die U/I-Kombination, die sich schließlich einstellt, muss mit beiden Bauelementen möglich sein (Schnittpunkt der U/I-Kennlinien beider Bauelemente).
Häufig angeschlossene Bauelemente:
- eine Spannungsquelle mit U<0: Betrieb als Photodiode, Solarzelle nimmt Energie von der Spannungsquelle auf
- eine Spannungsquelle mit U=0: Grenzfall des Betriebes als Photodiode
- eine Spannungsquelle mit positiver Spannung, kleiner als die Leerlaufspannung (Betrieb als Solarzelle, Solarzelle gibt Energie an den Stromkreis ab)
- eine Spannngsquelle mit positiver Spannung, größer als die Leerlaufspannung (Betrieb als Leuchtdiode, Solarzelle nimmt Energie aus dem Netz auf).
- ein Widerstand (Betrieb als Solarzelle)
| Zitat: |
Welche Spannung U wird bei der Solarzelle betrachtet
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Die Spannung zwischen ihren beiden Anschlussklemmen.
| Zitat: |
und wodurch wird sie erzeugt?
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Erzeugt wird sie durch Ladungstrennung. Bestimmt wird sie durch das Zusammenspiel aus Solarzelle und dem daran angeschlossenen Bauelement.
| Zitat: |
Wie kann ich einen Kurzschlussstrom messen,
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Du schließt ein Multimeter in der Einstellung A oder mA (je nach Größe der Solarzelle) direkt an die beiden Klemmen an.
| Zitat: |
ohne dass eine Spannung vorliegt?
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Bei einem Kurzschluss liegt nun mal keine Spannung vor.
In der realen Messung ist die Spannung sehr klein, weil das Amperemeter zwar einen geringen, aber existierenden Innenwiderstand hat.
| Zitat: |
Und wobei handelt es sich um die Leerlaufspannung
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Das ist die Spannung bei I=0, d. h. wenn der Stromkreis unterbrochen ist.
| Zitat: |
und wie kann dabei kein Strom fließen?
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Die Leitung ist unterbrochen. Dann fließt eben kein Strom.
| Zitat: |
Die Verschiebung der U-I-Kennlinie durch die Beleuchtung macht es für mich schwer, Ursache und Wirkung zwischen Strom und Spannung zu erklären,
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Das brauchst Du auch nicht. Es geht nämlich nicht um Ursache und Wirkung, sondern um den Zusammenhang zwischen beiden Größen.
Wenn Du durch die Beschaltung eine bestimmte Spannung erzeugst, dann siehst Du diese Spannung gern als Ursache und den Strom als Wirkung an.
Wenn Du durch die Beschaltung eine bestimmte Stromstärke erzeugst, dann siehst Du diese Stromstärke gern als Ursache und die Spannung als Wirkung an.
| Zitat: |
zumal es sich bei der Spannung ja jetzt nicht mal um eine von außen angelegte Variable handelt.
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Das kann sein, muss aber nicht.
| Zitat: |
Dann kommt ja auch noch das Problem, dass ab der Leerlaufspannung sich die Stromrichtung umkehrt. Wie kann das denn nun sein?
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Der Photostrom fließt grundsätzlich in Sperrichtung. Durch eine von außen angelegte Spannung kannst Du aber auch erzwingen, dass insgesamt ein Strom in Flussrichtung fließt.
Viele Grüße
Michael |
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Lantlot
Gast
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| Lantlot Verfasst am: 02. Feb 2019 12:21 Titel: Vielen Dank! |
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Das hilft mir schon sehr, vielen Dank! Dazu hätte ich noch einige Fragen, falls es recht ist.
Die U-I-Kennlinie einer Solarzelle von U = 0 bis U <= Leerlaufspannung kann ich also z.B. aufnehmen, indem ich einen Verbraucher mit regelbarem Widerstand anschließe und Strom und Spannung messe, der durch diesen Verbraucher fließt bzw. abfällt? Also ist die Spannung in der U-I-Kennlinie dann die Spannung, die am Verbraucher abfällt? Die Zellenspannung sollte bei konstanter Beleuchtung ja konstant sein!
Wäre der Kurzschlussstrom dann der Grenzfall eines Verbrauchers mit unendlich kleinem Widerstand und die Leerlaufspannung der Grenzfall eines Verbrauchers mit unendlich großem Widerstand?
Mit einem Widerstand kann ich mich also lediglich im Quadranten der Kennlinie befinden, bei dem 0 < U < Leerlaufspannung gilt, richtig? Für den Fall U > Leerlaufspannung muss die Solarzelle Energie aus einer anderen Spannungsquelle beziehen und bei U < 0 brauche ich eine Spannungsquelle, die andersherum gepolt ist, also die Raumladungszone vergrößert?
LG |
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ML
Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3400
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| ML Verfasst am: 02. Feb 2019 12:47 Titel: Re: Vielen Dank! |
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Hallo,
| Lantlot hat Folgendes geschrieben: |
Die U-I-Kennlinie einer Solarzelle von U = 0 bis U <= Leerlaufspannung kann ich also z.B. aufnehmen, indem ich einen Verbraucher mit regelbarem Widerstand anschließe und Strom und Spannung messe, der durch diesen Verbraucher fließt bzw. abfällt?
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Ja, genau.
| Zitat: |
Also ist die Spannung in der U-I-Kennlinie dann die Spannung, die am Verbraucher abfällt? Die Zellenspannung sollte bei konstanter Beleuchtung ja konstant sein!
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Die Spannung, die am Verbraucher abfällt, ist dieselbe Spannung, die auch an der Solarzelle anliegt. Da gibt es keinen Unterschied. Diese Spannung variiert mit der Last.
| Zitat: |
Wäre der Kurzschlussstrom dann der Grenzfall eines Verbrauchers mit unendlich kleinem Widerstand und die Leerlaufspannung der Grenzfall eines Verbrauchers mit unendlich großem Widerstand?
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Ja.
| Zitat: |
Mit einem Widerstand kann ich mich also lediglich im Quadranten der Kennlinie befinden, bei dem 0 < U < Leerlaufspannung gilt, richtig?
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Ja.
| Zitat: |
Für den Fall U > Leerlaufspannung muss die Solarzelle Energie aus einer anderen Spannungsquelle beziehen und bei U < 0 brauche ich eine Spannungsquelle, die andersherum gepolt ist, also die Raumladungszone vergrößert?
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Ja. Dann betreibst Du die Solarzelle quasi als Photodiode.
Viele Grüße
Michael
Zuletzt bearbeitet von ML am 02. Feb 2019 22:26, insgesamt einmal bearbeitet |
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Lantlot
Gast
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| Lantlot Verfasst am: 02. Feb 2019 13:59 Titel: Danke! |
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Vielen Dank, Michael! |
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