Referat und Facharbeit Photovoltaik: 40 Themen mit Leitfrage

Wie hängt die Leistung einer Solarzelle vom Einfallswinkel ab?

Gilt für eine Solarzelle das Kosinusgesetz des Lichteinfalls – und wo weicht sie davon ab?

Methode: Experiment · Fächer: Physik

Einstieg: Energieumwandlung in der Solarzelle

Die Temperaturabhängigkeit der Leerlaufspannung

Um wie viel Millivolt sinkt die Spannung einer Zelle je Kelvin, und stimmt das mit der Diodengleichung überein?

Methode: Experiment · Fächer: Physik

Einstieg: Der p-n-Übergang: die Solarzelle als Diode · Kennlinien-Simulator

Kennlinien verschiedener Zelltypen im Vergleich

Worin unterscheiden sich monokristalline Zellen und Dünnschichtzellen (etwa aus einem Taschenrechner) in Kennlinie und Füllfaktor?

Methode: Experiment · Fächer: Physik

Einstieg: Kennlinie und MPP einer Solarzelle

Solarzellen unter LED-, Halogen- und Sonnenlicht

Warum liefert dieselbe Zelle bei gleich heller Beleuchtung unter verschiedenen Lampen unterschiedlich viel?

Methode: Experiment · Fächer: Physik

Einstieg: Der photovoltaische Effekt

Verschattung und Bypassdioden

Wie stark bricht die Leistung eines kleinen Moduls ein, wenn eine Zelle verschattet ist, und was ändert eine Bypassdiode?

Methode: Experiment · Fächer: Physik

Einstieg: Reihen- und Parallelschaltung von Solarzellen

Bau einer Farbstoffsolarzelle

Wie funktioniert eine Solarzelle aus Titandioxid und Pflanzenfarbstoff, und welchen Wirkungsgrad erreicht sie im Selbstbau?

Methode: Experiment (mit Lehrkraft, Chemikalien nach RiSU) · Fächer: Physik, Chemie

Wie arbeitet ein MPP-Tracker?

Mit welchem Verfahren findet ein Wechselrichter den Punkt maximaler Leistung, und wie schnell reagiert er auf eine Wolke?

Methode: Simulation, Literatur · Fächer: Physik, Informatik

Einstieg: Kennlinien-Simulator · Aufbau einer Photovoltaikanlage

Die Wirkungsgradgrenze nach Shockley und Queisser

Warum kann eine Zelle mit einem p-n-Übergang nicht mehr als rund ein Drittel des Sonnenlichts in Strom wandeln?

Methode: Literatur, Rechnung · Fächer: Physik

Einstieg: Wirkungsgrad von Solarmodulen · Shockley, W.; Queisser, H. J. (1961), Journal of Applied Physics 32, 510 · NREL: Best Research-Cell Efficiency Chart

Tandemzellen aus Perowskit und Silizium

Wie umgehen Tandemzellen die Grenze einer einzelnen Zelle, und was hindert sie bisher am Markt?

Methode: Literatur · Fächer: Physik, Chemie

Einstieg: Zukunft der Photovoltaik · NREL: Best Research-Cell Efficiency Chart

Staub, Pollen, Schnee: Was kostet eine verschmutzte Oberfläche?

Wie viel Leistung verliert eine Zelle durch eine Staubschicht, und lohnt sich Reinigen?

Methode: Experiment · Fächer: Physik

Bifaziale Module: Was bringt die Rückseite?

Wie viel zusätzliche Leistung liefert eine beidseitig aktive Zelle über hellem und dunklem Untergrund?

Methode: Experiment · Fächer: Physik

Vom Gleichstrom zum Wechselstrom

Wie macht ein Wechselrichter aus der Gleichspannung der Module netzfähigen Wechselstrom?

Methode: Literatur, Experiment · Fächer: Physik

Einstieg: Aufbau einer Photovoltaikanlage

Wie viel Sonnenenergie kommt an meinem Wohnort an?

Wie verteilt sich die Globalstrahlung über das Jahr, und wie viel Strom ließe sich daraus gewinnen?

Methode: Datenanalyse · Fächer: Geografie, Physik

Einstieg: Sonneneinstrahlung in Deutschland · Deutscher Wetterdienst: Climate Data Center · PVGIS der Europäischen Kommission

Ertrag in Nord- und Süddeutschland im Vergleich

Wie groß ist der Unterschied im Jahresertrag einer gleichen Anlage in Kiel und in Freiburg – und woran liegt er?

Methode: Datenanalyse · Fächer: Geografie

Einstieg: Ertrag einer Photovoltaikanlage berechnen · PVGIS der Europäischen Kommission

Wie viel Fläche braucht Solarstrom?

Welche Fläche wäre nötig, um einen bestimmten Anteil des deutschen Strombedarfs mit Photovoltaik zu decken, und welche Flächen kommen dafür in Frage?

Methode: Abschätzung, Literatur · Fächer: Geografie, Mathematik

Einstieg: Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland · Umweltbundesamt: Erneuerbare Energien in Zahlen

Agri-Photovoltaik

Wie lassen sich Ackerbau und Stromerzeugung auf derselben Fläche verbinden, und was sagen Versuchsflächen über die Ernte?

Methode: Literatur · Fächer: Geografie, Biologie

Einstieg: Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland

Recycling von Solarmodulen

Was geschieht mit Modulen nach 25 bis 30 Jahren, und welche Stoffe lassen sich zurückgewinnen?

Methode: Literatur · Fächer: Chemie, Geografie

Einstieg: Recycling von Solarmodulen · Umweltbundesamt: Erneuerbare Energien in Zahlen

Die energetische Amortisationszeit

Nach wie vielen Betriebsjahren hat ein Modul die Energie erzeugt, die seine Herstellung gekostet hat?

Methode: Literatur, Rechnung · Fächer: Physik, Geografie

Einstieg: Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland

Rohstoffe der Photovoltaik

Woher kommen Silizium, Silber und Glas für Solarmodule, und welche Umweltfolgen hat ihr Abbau?

Methode: Literatur · Fächer: Geografie, Chemie

Einstieg: Silizium in der Photovoltaik

Solarparks und Artenvielfalt

Können Freiflächenanlagen Lebensräume schaffen, oder nehmen sie sie weg?

Methode: Literatur, Feldbeobachtung · Fächer: Biologie, Geografie

Schwimmende Photovoltaik

Welche Vor- und Nachteile haben Anlagen auf Baggerseen und Stauseen?

Methode: Literatur · Fächer: Geografie

Wie hat das EEG den Ausbau der Photovoltaik verändert?

Wie hängen Änderungen der Einspeisevergütung und der jährliche Zubau zusammen?

Methode: Datenanalyse, Gesetzestext · Fächer: Politik, Wirtschaft

Einstieg: Das EEG · Änderungsmonitor · Marktstammdatenregister der Bundesnetzagentur · Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG 2023), Gesetzestext

Lohnt sich ein Balkonkraftwerk?

Unter welchen Annahmen hat ein Steckersolargerät seinen Preis wieder eingespielt, und welche Annahme entscheidet am meisten?

Methode: Modellrechnung · Fächer: Mathematik, Wirtschaft

Einstieg: Balkonkraftwerk · Methodik

Warum fällt der Strompreis an sonnigen Mittagen?

Wie wirkt viel Solarstrom auf die Preise an der Strombörse, und wann werden sie negativ?

Methode: Datenanalyse · Fächer: Wirtschaft, Politik

Einstieg: SMARD – Strommarktdaten der Bundesnetzagentur · Energy-Charts (Fraunhofer ISE)

Wann lohnt sich ein Batteriespeicher?

Wie verändert ein Speicher Eigenverbrauch und Wirtschaftlichkeit einer Anlage im Einfamilienhaus?

Methode: Modellrechnung · Fächer: Mathematik, Wirtschaft

Einstieg: Stromspeicher

Strom teilen im Mehrfamilienhaus

Wie können Mieterinnen und Mieter Strom vom eigenen Dach nutzen, und welche Hürden gibt es?

Methode: Literatur, Gesetzestext · Fächer: Politik, Wirtschaft

Einstieg: Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG 2023), Gesetzestext

Wo kommen Solarmodule her?

Wie abhängig ist Europa bei Modulen und Vorprodukten von wenigen Herstellerländern, und was folgt daraus?

Methode: Literatur, Datenanalyse · Fächer: Wirtschaft, Politik

Einstieg: Solarmodule aus China · Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland

Photovoltaik auf unserer Schule: eine Machbarkeitsstudie

Wie viel Strom könnte das Schuldach liefern, wie viel braucht die Schule, und was müsste geklärt werden?

Methode: Projekt: Messung, Datenanalyse, Befragung · Fächer: fächerübergreifend

Einstieg: Ertrag einer Photovoltaikanlage berechnen · PVGIS der Europäischen Kommission

Den Sonnenstand berechnen

Wie berechnet man aus Datum, Uhrzeit und Breitengrad die Höhe und Richtung der Sonne?

Methode: Mathematik · Fächer: Mathematik, Physik

Einstieg: Sonneneinstrahlung in Deutschland

Die Tageskurve einer Solaranlage modellieren

Wie gut beschreibt eine Sinusfunktion den Leistungsverlauf eines sonnigen Tages, und wo versagt sie?

Methode: Modellierung · Fächer: Mathematik

Einstieg: Energy-Charts (Fraunhofer ISE)

Ein Datenlogger für die Solarzelle

Wie misst und speichert man mit einem Mikrocontroller Spannung und Strom einer Zelle über einen Tag?

Methode: Experiment, Programmierung · Fächer: Informatik, Physik

Einstieg: Kennlinie und MPP einer Solarzelle

Zusammenhang zwischen Einstrahlung und Ertrag

Wie gut lässt sich der Tagesertrag einer Anlage aus Wetterdaten vorhersagen (Regression)?

Methode: Datenanalyse · Fächer: Mathematik

Einstieg: Deutscher Wetterdienst: Climate Data Center · Energy-Charts (Fraunhofer ISE)

Wächst die Photovoltaik exponentiell?

Welches Wachstumsmodell beschreibt den Ausbau der installierten Leistung in Deutschland am besten?

Methode: Datenanalyse · Fächer: Mathematik

Einstieg: Marktstammdatenregister der Bundesnetzagentur · Energy-Charts (Fraunhofer ISE)

Das Newton-Verfahren an der Diodengleichung

Wie löst man eine Gleichung, die sich nicht nach dem Strom auflösen lässt – und wie schnell konvergiert das Verfahren?

Methode: Numerik, Programmierung · Fächer: Mathematik, Informatik

Einstieg: Kennlinien-Simulator

Von Becquerel bis zur Raumfahrt

Wie wurde aus einer Laborbeobachtung von 1839 eine Energiequelle für Satelliten und Hausdächer?

Methode: Literatur · Fächer: Geschichte, Physik

Einstieg: Geschichte der Solarenergie

Die Anfänge der Solarförderung in Deutschland

Welche Programme und Gesetze haben den Ausbau in den 1990er- und 2000er-Jahren angestoßen?

Methode: Literatur · Fächer: Geschichte, Politik

Einstieg: Das EEG · Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG 2023), Gesetzestext

Akzeptanz von Solarparks vor Ort

Wie denken Menschen in meinem Ort über eine Freiflächenanlage, und wovon hängt ihre Haltung ab?

Methode: Umfrage · Fächer: Politik, Sozialkunde

Solarstrom und Energiezugang im globalen Süden

Welche Rolle spielen kleine Inselanlagen für Haushalte ohne Stromnetz?

Methode: Literatur · Fächer: Geografie, Politik

Einstieg: Autark und mobil

Wie viel Photovoltaik braucht ein klimaneutrales Deutschland?

Was sagen verschiedene Szenarien über den nötigen Ausbau, und worin unterscheiden sich ihre Annahmen?

Methode: Literatur, Datenvergleich · Fächer: Politik, Geografie

Einstieg: Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland · Umweltbundesamt: Erneuerbare Energien in Zahlen

Werbeversprechen prüfen

Wie realistisch rechnen Online-Rechner von Anbietern, und welche Annahmen machen eine Anlage schöner, als sie ist?

Methode: Medienanalyse, Rechnung · Fächer: Wirtschaft, Mathematik, Deutsch

Einstieg: Methodik