Arbeitsblatt: Wie eine Solarzelle Licht in Strom umwandelt
Arbeitsblatt Physik Klasse 7–9: Energiekette, Energieflussdiagramm und Wirkungsgrad einer Solarzelle, mit Versuch, Lösungen und PDF. Frei unter CC BY 4.0.
Woher kommt die Energie, die eine Solarzelle abgibt – und wo bleibt der Rest? Das Arbeitsblatt führt von der Energiekette über das Energieflussdiagramm zum Wirkungsgrad und endet mit einem einfachen Versuch mit Lampe und Propeller.
- Fach
- Physik, auch NwT und Naturwissenschaften
- Stufe
- Sekundarstufe I, Klasse 7 bis 9
- Dauer
- 45 Minuten (mit Versuch 60 bis 90 Minuten)
- Themen
- Energie und Energieumwandlung, Wirkungsgrad
- Versuch
- ja – Material und Sicherheitshinweise unten
Lernziele
Die Schülerinnen und Schüler können
- die Energieumwandlung in einer Solarzelle als Energiekette beschreiben,
- ein Energieflussdiagramm mit Nutz- und Verlustenergie zeichnen,
- den Wirkungsgrad als Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Leistung berechnen,
- in einem Versuch Je-desto-Zusammenhänge zwischen Beleuchtung und abgegebener Leistung formulieren.
Material
- eine kleine Solarzelle oder ein kleines Solarmodul aus dem Schulsatz
- ein kleiner Elektromotor mit Propeller (oder ein Summer)
- Lampe: LED-Strahler oder Halogenstrahler
- Lineal oder Maßband, ein Stück Pappe zum Abdecken
- Der Versuch arbeitet nur mit der kleinen Spannung einer Solarzelle. Niemals an Steckdosen, an Netzleitungen, an Photovoltaik-Modulen auf dem Dach oder an einem Balkonkraftwerk messen – dort liegen lebensgefährliche Spannungen an.
- Halogenstrahler und Glühlampen werden sehr heiß. Nicht berühren, auch nicht kurz nach dem Ausschalten; mindestens 30 cm Abstand zu Papier, Stoff und Kunststoff; Lampe standsicher aufstellen; nicht direkt in die Lampe schauen.
- Die Lampe nur in ihrer unbeschädigten Fassung mit Originalkabel betreiben – nichts daran umbauen oder abisolieren.
- Solarzellen sind dünn und können brechen: an den Rändern anfassen, gebrochene Zellen nicht weiter benutzen.
- Am Multimeter zuerst den Messbereich wählen, dann anschließen. Für Strommessungen nur die Buchse nutzen, die die Anleitung des Geräts nennt. Keine Batterien oder Akkus kurzschließen.
- Den Versuch nur unter Aufsicht einer Lehrkraft oder einer erwachsenen Person durchführen.
Für Lehrkräfte: Maßgeblich ist die Richtlinie zur Sicherheit im Unterricht (RiSU, Empfehlung der KMK in der Fassung vom 21.09.2023) bzw. die in Ihrem Land geltende Fassung. Die Gefährdungsbeurteilung für Ihre Lerngruppe und Ihre Geräte nehmen Sie wie gewohnt selbst vor; diese Anleitung ersetzt sie nicht. Wenn Ihnen ein Fehler oder eine Gefahr auffällt, schreiben Sie uns bitte an info@solarstromerzeugung.de.
Das brauchst du zum Lösen
Eine Solarzelle ist ein Energiewandler. Sie nimmt Strahlungsenergie aus dem Licht auf und gibt elektrische Energie ab. Sie erzeugt keine Energie aus dem Nichts und speichert auch keine – sie wandelt nur um. Die Energie des Sonnenlichts stammt aus der Kernfusion im Inneren der Sonne.
Wie jeder Energiewandler gibt eine Solarzelle nicht alles weiter, was sie aufnimmt. Ein Teil wird zu Wärme, ein kleiner Teil wird an der Oberfläche zurückgeworfen. Wie gut ein Wandler arbeitet, gibt der Wirkungsgrad an:
η = Pab : Pauf (abgegebene, nutzbare Leistung geteilt durch aufgenommene Leistung; das Zeichen η heißt „eta“)
Für Solarmodule hat man sich auf eine Prüfbedingung geeinigt: 1000 Watt Strahlungsleistung je Quadratmeter bei 25 °C Zelltemperatur. So viel Sonnenlicht kommt in Deutschland ungefähr an einem klaren Sommermittag an.
Die Aufgaben
Aufgabe 1: Die Energiekette
Bringe die vier Energieformen in die richtige Reihenfolge und trage sie in die Kästchen ein: elektrische Energie · Strahlungsenergie (Licht) · Kernenergie (Kernfusion in der Sonne) · Bewegungsenergie des Propellers. Schreibe über jeden Pfeil, welches Gerät oder welcher Vorgang die Umwandlung leistet.
Aufgabe 2: Das Energieflussdiagramm
Von 100 Teilen Strahlungsenergie, die auf ein Solarmodul treffen, werden etwa 22 Teile zu elektrischer Energie.
- Zeichne ein Energieflussdiagramm. Die Breite der Pfeile soll der Energiemenge entsprechen (zum Beispiel 1 mm für einen Teil).
- Beschrifte Nutzenergie und Verlustenergie.
- Wohin geht der Rest? Nenne zwei Möglichkeiten.
Aufgabe 3: Wirkungsgrad berechnen
Ein Solarmodul hat eine Fläche von 2,0 m². Bei 1000 W Strahlungsleistung je Quadratmeter gibt es eine elektrische Leistung von 440 W ab.
- Wie groß ist die Strahlungsleistung, die auf das ganze Modul trifft?
- Berechne den Wirkungsgrad des Moduls in Prozent.
- Wie viel Leistung wird zu Wärme oder zurückgeworfen?
- Zusatz: An einem trüben Tag kommen nur 200 W je Quadratmeter an. Welche Leistung gibt das Modul ungefähr ab, wenn der Wirkungsgrad gleich bleibt?
Aufgabe 4: Versuch: Was die Solarzelle antreibt
Verbinde die Solarzelle mit dem Motor und beleuchte sie mit der Lampe. Verändere jeweils nur eine Sache und beobachte den Propeller. Trage deine Beobachtung in die Tabelle ein.
| Was du veränderst | Was du beobachtest |
|---|---|
| Abstand der Lampe 30 cm | |
| Abstand der Lampe 50 cm | |
| Abstand der Lampe 70 cm | |
| Hälfte der Zelle mit Pappe abgedeckt | |
| Zelle schräg zum Licht gekippt |
- Formuliere zwei Je-desto-Sätze zu deinen Beobachtungen.
Aufgabe 5: Nachgedacht
Solarmodule auf Hausdächern in Deutschland sind meist nach Süden ausgerichtet und schräg gestellt. Erkläre mit deinen Ergebnissen aus dem Versuch, warum.
Lösungen
Zum Aufklappen. Die Lösungen stehen auch im PDF für Lehrkräfte.
Lösung zu Aufgabe 1: Die Energiekette
Kernenergie (Kernfusion in der Sonne) → Abstrahlung der Sonne → Strahlungsenergie (Licht) → Solarzelle → elektrische Energie → Motor → Bewegungsenergie des Propellers.
Bei jeder Umwandlung entsteht zusätzlich Wärme (thermische Energie) – sie gehört als Verlustenergie in die Kette, wenn die Klasse das schon kennt.
Lösung zu Aufgabe 2: Das Energieflussdiagramm
Ein breiter Pfeil (100 Teile) „Strahlungsenergie“ führt in die Solarzelle; heraus kommen ein Pfeil „elektrische Energie (Nutzenergie)“ mit 22 Teilen und ein Pfeil „Verlustenergie“ mit 78 Teilen.
Der Rest wird überwiegend zu Wärme – die Zelle erwärmt sich in der Sonne spürbar. Ein kleiner Teil des Lichts wird an der Oberfläche reflektiert.
Lösung zu Aufgabe 3: Wirkungsgrad berechnen
a) Pauf = 2,0 m² · 1000 W/m² = 2000 W
b) η = 440 W : 2000 W = 0,22 = 22 %
c) 2000 W − 440 W = 1560 W
d) Pauf = 2,0 m² · 200 W/m² = 400 W; Pab = 0,22 · 400 W = 88 W. (In Wirklichkeit sinkt der Wirkungsgrad bei schwachem Licht ein wenig – das ist Stoff der Oberstufe.)
Lösung zu Aufgabe 4: Versuch: Was die Solarzelle antreibt
Je näher die Lampe, desto schneller dreht der Propeller (mehr Licht trifft auf die Zelle). Je mehr Fläche der Zelle beleuchtet ist, desto mehr Leistung gibt sie ab. Je senkrechter das Licht auf die Zelle trifft, desto schneller dreht der Propeller.
Hinweis: Ein Motor braucht zum Anlaufen eine Mindestleistung. Bleibt er bei großem Abstand stehen, gibt die Zelle trotzdem noch Energie ab – mit einem Summer oder Multimeter sieht man das.
Lösung zu Aufgabe 5: Nachgedacht
Die Sonne steht mittags im Süden. Trifft ihr Licht möglichst senkrecht auf das Modul, kommt je Quadratmeter Modulfläche am meisten Strahlungsleistung an – wie beim schräg gekippten Modul im Versuch, nur umgekehrt. Weil die Sonne in Deutschland nie im Zenit steht, stellt man die Module schräg.
Hinweise für Lehrkräfte
Einsatz. Als Einstieg in eine Einheit zu Energieumwandlung oder als Anwendung, wenn Energieformen und Wirkungsgrad schon eingeführt sind. Aufgabe 3 d ist ein Zusatz für schnelle Gruppen; der Versuch (Aufgabe 4) geht auch als Lehrerversuch.
Häufige Fehlvorstellungen. „Die Solarzelle erzeugt Energie“ oder „sie speichert Sonnenenergie“: Aufgabe 1 und 2 setzen dem die Energieerhaltung entgegen. „Wärme hilft der Solarzelle“: Das Gegenteil stimmt – heiße Zellen geben weniger ab (Stoff von Arbeitsblatt 3 und 4).
Zum Versuch. Halogenstrahler liefern viel mehr Leistung auf die Zelle als die meisten LED-Leuchten, werden aber sehr heiß; die Abstände in der Tabelle sind darum nicht kleiner als 30 cm. Wer keinen Motor hat, nimmt einen Summer oder misst die Spannung mit dem Multimeter.
Zur Zahl 22 Prozent. Sie gilt für marktübliche Module (Fraunhofer ISE, Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland). Einzelne Zellen erreichen im Labor mehr; über das Betriebsjahr bleibt einer ganzen Anlage weniger. Die Erklärseite /wissen/wirkungsgrad/ zeigt die Kette.
Weiter. In der Oberstufe schließen Arbeitsblatt 3 (p-n-Übergang) und 4 (Kennlinie und MPP) an.
Quellen
- Fraunhofer ISE: Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland
- Standard-Testbedingungen (1000 W/m², 25 °C, Spektrum AM 1,5) nach IEC 60904-3 und IEC 61215