Walter M. Wagner
25.03.2010

Selbstbau einer Grätzel-Zelle

Ein Wettbewerb bringt "Spannung" in die Versuche: Auf der Suche nach der besten selbst gebauten Zelle kann mit verschiedenen Materialien experimentiert werden.

Materialhinweise für den Selbstbau einer Grätzel-Zelle

Anleitungen im Internet
Wie bereits erwähnt ergeben sich bei der praktischen Umsetzung des Konzepts noch eine Reihe von (lösbaren) Schwierigkeiten. Ausführliche Anleitungen für den Selbstbau für Lehrkräfte, für Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe I und eine Erweiterung für ältere Lernende finden Sie auf der Webseite der Didaktik der Chemie der Universität Bayreuth. Unter "Download" auf der Startseite der Unterrichtseinheit können Sie diese Anleitungen auch in PDF-Form herunterladen (graetzel_zelle.zip):

Hinweise zu den Materialien

  • Titan(IV)-oxid
    Das Material muss eine definierte, ziemlich kleine Korngröße haben (um 100 Nanometer). Zudem muss eine dünne, gleichzeitig poröse Schicht hergestellt werden. Dazu fertigt man eine Paste aus geeignetem Titan(IV)-oxid-Pulver und Isopropanol an, trägt sie gemäß der Anleitung dünn auf und brennt sie anschließend auf einer heißen Platte. Die Lösemittel verbrennen dabei und hinterlassen eine poröse, verbackene Titan(IV)-oxid-Schicht.
  • Iod-Kaliumiodid-Lösung
    Wasserfreie Iod-Kaliumiodid-Lösung sollte man nicht selbst herstellen, sondern gebrauchsfertig kaufen.
  • Trägermaterial
    Als Trägermaterial kommt bei selbst hergestellten Zellen nur Glas infrage. Leitfähig beschichtete Gläser in der richtigen Größe besorgt man sich am besten, wie das geeignete Titan(IV)-oxid-Pulver und den Elektrolyten, von einem Bausatz-Anbieter als Ergänzungs-Materialien:
  • ManSolar
    Auf der Webseite der Firma können Sie Materialien für den Selbstbau von Farbstoffsolarzellen bestellen (ManSolar 3000, 96,50 €; Stand: Februar 2010).

Experimente mit Ersatzstoffen

Im Rahmen des Unterrichts können beim Bau einer Grätzel-Zelle Ersatzstoffe für fast alle Komponenten der Farbstoffsolarzelle von den Schülerinnen und Schülern forschend untersucht werden (siehe auch Ehrl, Simon: Versuche zur Grätzel-Zelle als Modellversuch für die Photosynthese. Schriftliche Hausarbeit, Lehrstuhl für Didaktik der Biologie, Universität Bayreuth 2010):

  • Titan(IV)-oxid und Farbstoffe
    Die Substanz findet sich in weißer Wandfarbe, Sonnenmilch und Zahnpasta. Diese Ersatzstoffe liefern alle ein positives Ergebnis. Als Farbstoffe kommen verschiedene Beerensäfte (Erdbeere, Johannisbeere, Himbeere) infrage.
  • Elektrolyt
    Als Elektrolyt kann auch Lugolsche Lösung aus der Biologie-Sammlung genutzt werden.
  • Trägermaterial und Aufbringen der TCO-Schicht
    Als Trägermaterial wird auch beim Selbstbau Glas verwendet. Gute Ergebnisse wurden mit (kaputten) Isolierglas-Fensterscheiben erreicht. Allerdings sollte ein freundlicher Glaser aus dem Verbund (Doppel- oder Dreifachverglasung) eine Scheibe lösen und Stücke in einer Größe von 2,5 mal 5 Zentimeter schneiden. Die TCO-Schicht auf Normalglas selbst aufbringen gelingt nicht, auch wenn Anleitungen dazu im Internet zu finden sind.
  • Inertelektrode
    Statt Grafit ist auch Ruß als Inertelektrode verwendbar. Besonders bei Isolierglas ist die Fläche so glatt, dass nicht genügend Bleistiftabrieb zusammen kommt. Hier hilft mehrmaliges Durchziehen durch das obere Drittel einer Kerzenflamme.

Ein Wettbewerb sorgt für "Spannung"!

Starten Sie doch einen Schülerwettbewerb: Gewinnerin oder Gewinner ist, wer mit seiner Grätzel-Zelle die besten Werte erzielt! Ein schnell und einfach zu messendes Kennzeichen für die Qualität ist die erzielte Spannung U0:

  • Gutes Ergebnis: ab U0 = 350 mV
  • Sehr gutes Ergebnis: ab U0 = 400 mV

Wirklich aussagekräftig für die Qualitätsbewertung der hergestellten Zellen ist aber erst der erreichte Strom I beziehungsweise die Leistung P = U*I. Zur Strommessung müsste man die Zelle über ein Potenziometer mit 1 kΩ linear belasten, bis U auf 80 Prozent von U0 absinkt.

Didaktische Bedeutung der Grätzel-Zelle

Das Besondere an der Grätzel-Zelle ist, dass die beiden Prozesse Photoneneinfang und Ladungstransport getrennt voneinander ablaufen. Deshalb kann ihre Funktionsweise von Lernenden besser nachvollzogen werden. Gleichzeitig kann ihr Funktionsprinzip modellhaft mit dem der Photosynthese verglichen werden:

  • Pigmente
    Den Chlorophyllen entspricht in der Grätzel-Zelle der Malven- oder Hibiskusblüten-Farbstoff. Er absorbiert Photonen, wobei bestimmte Elektronen im Molekül in einen höheren energetischen Zustand übergehen.
  • Elektronentransportkette
    Der Redox-Transportkette der Photosynthese entspricht in der Solarzelle das System aus Titan(IV)-oxid, Grafit und der Stromkreis aus leitenden Oxiden und Kupferdraht: Hier werden Elektronen transportiert.
  • Elektronenquelle
    Die eigentliche Quelle für Elektronen ist in der Photosynthese die Oxidation des im Wasser gebundenen Sauerstoffs. In der Grätzel-Zelle entspricht dies der Oxidation des Triiodid-Anions zu Iod.

Die Übertragung der Energie der Elektronen auf einen chemischen Träger beziehungsweise der Aufbau eines Protonen-Gradienten fehlt in der Grätzel-Zelle.

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