Selbstbau einer Farbstoffsolarzelle

Wenn im Unterricht aktuelle Beiträge der Chemie zur Lösung des Energieproblems thematisiert werden sollen, kommt man an der Solarzelle nach Grätzel (Grätzel-Zelle) nicht vorbei. Sie markiert den Beginn der Entwicklung einer ganzen Klasse von Farbstoffsolarzellen. In der hier vorgestellten Unterrichtseinheit werden ihre Funktionsweise und ihr Aufbau erarbeitet. Da das in der Grätzel-Zelle verwendete Titan(IV)-oxid eine Korngröße von etwa 100 Nanometern hat, ergibt sich dabei auch ein Bezug zur Nanotechnologie. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch Beiträge aus der Aktuellen Wochenschau der GDCh (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt. Diese stellen die technische Entwicklung der Farbstoffsolarzelle sowie ihre aktuelle und zukünftige Bedeutung im Alltag dar.

Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler sollen

• Aufbau und Funktionsweise einer Farbstoffsolarzelle verstehen.
• einzelne Schritte der Energiegewinnung in Farbstoffsolarzellen mit denen der Fotosynthese vergleichen.
• eine Farbstoffsolarzelle selber bauen und dabei mit verschiedenen Materialien experimentieren.

Kurzinformation

Didaktisch-methodischer Kommentar

Die Produktion herkömmlicher Solarzellen verursacht hohe energetische Kosten. Anfang der 1990er Jahre entwickelte Michael Grätzel an der technisch-naturwissenschaftlichen Universität in Lausanne (Schweiz) als Alternative die elektrochemische Farbstoffsolarzelle (Grätzel-Zelle). Diese verwendet zur Absorption von Licht kein Halbleitermaterial, sondern Titan(IV)-oxid und organische Pflanzenfarbstoffe. Bei dem Selbstbau einer solchen Zelle können die Schülerinnen und Schüler Ersatzmöglichkeiten für fast alle Komponenten der Grätzel-Zelle forschend untersuchen: Geeignetes Titan(IV)-oxid ist zum Beispiel in weißer Wandfarbe, Sonnenmilch und Zahnpasta zu finden. Bei der Wahl des Farbstoffs können die Lernenden mit Malventee und verschiedenen Beerensäften experimentieren. Dabei bietet sich ein Wettbewerb unter den Schülerinnen und Schülern an: Welche Gruppe entwickelt die stärkste Solarzelle?

• Bau und Funktion von Farbstoffsolarzellen
  Aufbau und Funktionsprinzip einer Farbstoffsolarzelle werden auf der Stoff- und der Teilchenebene dargestellt.
• Visualisierungen und Fazit zur Grätzel-Zelle
  Mit PowerPoint erstellte Animationen veranschaulichen das Funktionsprinzip der Grätzel-Zelle. Vor- und Nachteile der Farbstoffsolarzelle werden besprochen.
• 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.
• GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema
  Der GDCh-Artikel verknüpft die Inhalte der Unterrichtseinheit mit der technischen Entwicklung, der aktuellen und zukünftigen Rolle der Farbstoffsolarzelle im Alltag.

Download

Internetadressen und Literatur

• Farbstoffsolarzellen
  Visualisierungen zur Funktion, Anleitungen zum Selbstbau und allgemeine Informationen zum Thema Farbstoffsolarzellen

Informationen zum Autor

Walter M. Wagner ist Akademischer Direktor und Leiter der Abteilung für Didaktik der Chemie an der Universität Bayreuth.

• Mehr Infos im Autorenverzeichnis
  Hier können Sie Kontakt mit Herrn Wagner aufnehmen. Zudem finden Sie eine Liste mit allen Lehrer-Online Beiträgen des Autors.

Kommentare zu dieser Unterrichtseinheit

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