Selbstbau einer Farbstoffsolarzelle

Schülerinnen und Schüler stellen mit einfachen Mitteln eine Farbstoffsolarzelle her und prüfen ihre Qualität. Mit PowerPoint erstellte Animationen veranschaulichen die Funktionsweise der nach ihrem Erfinder benannten Grätzel-Zelle.
 

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 zum Unterrichtsmaterial

ThemaSelbstbau einer Farbstoffsolarzelle
AutorWalter M. Wagner
FachChemie
ZielgruppeKlasse 5 bis Jahrgangsstufe 13 (je nach fachlicher Vertiefung)
Zeitraum2-3 Stunden, je nach Aufwand bei den Messungen
Technische VoraussetzungenNeben der schulüblichen Chemielabor-Ausstattung werden benötigt: Multimeter, Kabel mit kleinen Krokodilklemmen, Lampe (100-150 Watt)
SoftwareMicrosoft PowerPoint (für die Präsentation von Animationen zur Funktion der Grätzel-Zelle)

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?

Download

graetzel_zelle.zip
 

Nachteile herkömmlicher Solarzellen

Abhängigkeit von Halbleitern
Eine Solarzelle wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um. Bis zum Jahr 1990 standen dafür nur Halbleitermaterialien, zum Beispiel Silizium, zur Verfügung. Diese Materialien haben jedoch eine Reihe von Nachteilen:

  • Man benötigt sie elementar, das heißt, man muss sie aufwendig aus Verbindungen herstellen.
  • Da sie extrem rein sein müssen, sind sie über mehrere Schritte aufzureinigen.
  • Sie funktionieren nur mit bestimmten, genau dosierten Verunreinigungen (Dotierungen).
  • Die Materialien sind spröde.

Energierücklaufzeit und Lebensdauer
Die ersten drei der oben genannten Punkte verursachen hohe energetische Kosten, die die Energiebilanz belasten: Solarzellen müssen in Süddeutschland im Schnitt etwa vier Jahre betrieben werden, um die Energie zu liefern, die zuvor in ihre Produktion investiert wurde (Energierücklaufzeit). Der spröde Charakter der Halbleitermaterialien bereitet beim technischen Einsatz Schwierigkeiten: Die Module benötigen einen stabilen Träger, der sie vor dem Verbiegen schützt. Sehr schwierig gestaltet sich der Schutz vor Vibrationen, wie sie zum Beispiel an einem Fahrzeug auftreten. Beides belastet die Haltbarkeit der Solarzellen. Angestrebt werden mindestens 15 bis 30 Jahre, damit sie der Lebensdauer der zugehörigen Geräte (Beispiel Kraftfahrzeug) und Einrichtungen (Beispiel Hausdach) entspricht.

Lösung in Sicht?
Diese Nachteile sollten Farbstoffsolarzellen nicht haben - so stellte man es sich bei ihrer Erfindung im Jahr 1991 vor (B. O'Regan, M. Grätzel, Nature 353, Seite 737-739, 1991). Eine schöne historische Übersicht der technischen Entwicklung bis zum Jahr 2009 finden Sie auf der Webseite "Buch der Synergie".

Bau und Funktionsprinzip einer Farbstoffsolarzelle - Stoffebene

Man kann sich den Bau einer Grätzel-Farbstoffsolarzelle ungefähr wie den eines Hamburgers vorstellen (Abb. 1 und Abb. 2), der den meisten Schülerinnen und Schülern vertraut sein dürfte:

  • Titandioxid und pflanzlich Farbstoffe - das Fleisch im Burger
    Am wichtigsten ist ein Material, das Lichtteilchen (Photonen) aufnehmen und dafür Elektronen abgeben kann (beim Hamburger ist es natürlich das Fleisch). Michael Grätzel verwendete dafür Titandioxid, ein weißes Pulver, das auch in Wandfarbe enthalten ist. Die Lichtaufnahme kann sehr stark verbessert werden, wenn die Titandioxid-Körnchen von Farbstoffen umgeben sind (Hackfleisch schmeckt mit Gewürzen auch besser). In unserer Selbstbau-Zelle ist dies der Farbstoff aus Malven- oder Hibiskusblüten.
  • Iod-Lösung - der Saft im Fleisch
    Damit die abgegebenen Elektronen alle eingefangen werden können, sollte möglichst jedes Titandioxid-Körnchen von leitendem Material umgeben sein. In der Grätzel-Zelle ist dies eine Iod-Lösung, die als Flüssigkeit sehr gut in die Poren zwischen die Titandioxid-Körnchen eindringen kann (im Hamburger-Fleisch der Saft).
  • Kunststofffolie als Träger - die Brötchenhälften
    Leider ist auch Titandioxid spröde und benötigt einen geeigneten Träger. Zunächst wurden, wie auch beim Selbstbau-Modell, dünne Glasplatten verwendet. Heute setzt man dafür flexible Kunststofffolien ein, sowohl als Basisträger, als auch zum Abdecken (im Hamburger: die beiden Brötchenhälften).
  • Leitende Materialien - Soße und Salat
    Die Trägermaterialien Glas und Kunststoff leiten den elektrischen Strom nicht. Damit die Elektronen aus der Zelle heraus können und als elektrischer Strom zur Verfügung stehen, sind die Träger mit leitenden Materialien beschichtet (Abb. 1). In der Grätzel-Zelle ist es eine dünne, durchsichtige Schicht aus dem Material TCO (transparent conducting oxide), das am Plus-Pol des Selbstbau-Modells mit Grafit aus einem Bleistift verbessert werden kann (im Hamburger: die Soßen, auf einer Seite mit Salat).
 
 
 
 

Bau und Funktionsprinzip einer Farbstoffsolarzelle - Teilchenebene

Der Einfachheit halber gehen wir von der Teilchennatur des Lichts und der Elektronen aus: Die Sonne schickt uns Photonen-Teilchen, deren Energie wir auf Elektronen-Teilchen übertragen wollen. Das Trägermaterial ist an den im Folgenden beschriebenen chemischen Reaktionen nicht beteiligt:

  • Photonen regen Elektronen an
    Titan(IV)-oxid (Titandioxid) besitzt den richtigen energetischen Abstand zwischen mit Elektronen besetzten Energieniveaus und vielen unbesetzten Energieniveaus (etwa drei Elektronenvolt). Dieser Abstand kann von Elektronen überwunden werden, wenn sie von einem UV-Photon getroffen werden. Zusätzliche Farbstoffe nehmen Photonen aus einem breiteren Energiebereich des sichtbaren Spektrums auf, geben sie an das Titan(IV)-oxid weiter und erhöhen so die Ausbeute an energiereichen Elektronen.
  • Ein Elektrolyt liefert Elektronen nach
    Ein Elektronenfluss kommt nur zustande, wenn die durch Photonen bewegten Elektronen sofort ersetzt werden können. Dafür sorgt der Elektrolyt. Es handelt sich um ein Redox-System aus Triiodid-Anionen, die Elektronen abgeben, und Iod-Molekülen, die Elektronen aufnehmen können. Triiodid-Anionen liefern Elektronen gemäß der Gleichung: 2 I3- → 3 I2 + 2e-
  • Rückfluss der Elektronen in den Elektrolyten
    Die leitfähige TCO-Schicht (transparent conducting oxide) besteht in vielen Fällen aus ITO (Indium Tin Oxide), einem halbleitenden Indium(III)-oxid, das mit 10 Prozent Zinn(IV)-oxid gezielt verunreinigt (dotiert) wurde. Nun leitet das ITO sehr gut, nimmt die Elektronen vom Titan(IV)-oxid (Anode) auf und gibt sie an den metallischen Leiter des Stromkreises, meistens einen Kupferdraht, weiter. Der Stromkreis ist erst geschlossen, wenn die Elektronen wieder in den Elektrolyten fließen können. Das geschieht am anderen Ende der Zelle wieder über eine ITO-Schicht, die mit leitendem Grafit (Kathode) belegt ist und die an den Elektrolyten grenzt. Die Materialien sind so gewählt, dass der Strom nur in eine Richtung fließt. Der Stromkreis wird durch die folgende Reaktion geschlossen: 3 I2 + 2e- → 2 I3-

Visualisierungen

Animation zur Funktion der Grätzel-Zelle (Screenshot)
Klick zum VergrößernAbb. 3: Animation zur Funktion der Grätzel-Zelle
© Walter M. Wagner

Animierte PowerPoint-Präsentationen, die die beschriebenen Vorgänge auf der Teilchenebene visualisieren, finden Sie auf der Webseite der Didaktik der Chemie der Universität Bayreuth. Abb. 3 (zur Vergrößerung bitte anklicken) zeigt einen Screenshot. Die Präsentationen können zur Unterstützung des Unterrichtsgesprächs verwendet und von den Schülerinnen und Schülern auch am heimischen Rechner genutzt werden. Beachten Sie beim Einsatz der Folien folgenden Hinweis zu den Elektroden: Die Bezeichnungen Anode und Kathode gelten für die Sicht aus dem Inneren der Zelle. Die Anode nimmt vom Elektrolyten Elektronen auf, die Kathode liefert ihm Elektronen. Von außen gesehen ist die Elektrode, die innen die Anode war, der Minus-Pol, jene, die die Kathode war, der Plus-Pol. Die Animationen und Erklärungen dazu können Sie unter "Download" auf der Startseite der Unterrichtseinheit auch herunterladen (graetzel_zelle.zip):

 

Was bringt die Grätzel-Zelle?

Vorteile
Gegenüber den oben bereits beschriebenen Nachteilen herkömmlicher Solarzellen bietet das Konzept der Farbstoffsolarzellen folgende Vorteile:

  • Man benötigt kein Element mehr (zum Beispiel Silizium). Man kann sich also den energieaufwendigen Schritt seiner Reduktion aus Verbindungen sparen.
  • Titan(IV)-oxid muss zwar rein, aber nicht hochrein sein. Damit hält sich der Aufwand bei der Herstellung in Grenzen.
  • Titan(IV)-oxid muss nicht dotiert werden.
  • Titan(IV)-oxid ist zwar - wie die Halbleitermaterialien - spröde. Das macht in seinem Fall aber nichts, weil es als Pulver aufgetragen und die leitende Funktion vom Elektrolyten (flüssig!) übernommen wird.

Neue Probleme
Man hat sich mit dem Konzept der Farbstoffsolarzelle allerdings einige neue Probleme eingehandelt, die zum Teil immer noch nicht gelöst werden konnten:

  • Lebensdauer der Farbstoffe
    Die Farbstoffe werden durch Licht mit der Zeit zerstört. Man hat jedoch schon künstliche Farbstoffe entwickelt, die die Lebensdauer der natürlichen weit übertreffen.
  • Verschluss der Zelle
    Der Elektrolyt sollte kein Wasser enthalten. Aber alle Lösemittel verdampfen recht leicht. Zudem ist Iod als Halogen ein sehr reaktives Element, dem die Materialien in der Zelle über viele Jahre standhalten müssen, besonders auch der Farbstoff. Aus beiden Gründen muss eine Grätzel-Zelle sehr effektiv verschlossen werden können. Dieses Problem ist bis heute (Februar 2010) nicht gelöst.
  • Trägermaterial
    Ein Trägermaterial, das alle Anforderungen erfüllt (gasdicht, flexibel und UV-beständig über einen Zeitraum von 15 bis 30 Jahren), konnte bisher nicht entwickelt werden.

Energieausbeute
Was die Energieausbeute betrifft, nähern sich Farbstoffsolarzellen (Stand 2009: etwa 12 Prozent) den Silizium-Solarzellen (Stand 2008: etwa 20 Prozent) allmählich an; preislich gesehen sind sie deutlich günstiger. Seit wenigen Jahren werden Grätzel-Zellen und davon abgeleitete Varianten industriell hergestellt und finden Prototyp-Anwendungen als Ladegeräte für Akkus geringer und mittlerer Kapazität, wobei die Wirkungsgrade der Module mit zwei bis fünf Prozent aber deutlich hinter den Laborwerten zurückbleiben.

  • Konarka Power Plastic 20 Series
    Die Firma Konarka bietet verschiedene Prototyp-Anwendungen von Farbstoffsolarzellen an. Auch "Solartaschen" können bestellt 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.

Nutzung der GDCh-Wochenschau für den Unterricht

Die GDCh-Wochenschau informiert über aktuelle Themen aus der chemischen Forschung und Entwicklung. Zum Unterrichtsthema passende Beiträge sind für Lehrerinnen und Lehrer bei der Vorbereitung des Unterrichts eine Fundgrube für interessante und weiterführende Informationen. Schülerinnen und Schüler können die Artikel im Rahmen von WebQuests oder zur Vorbereitung von Referaten nutzen. Einige für diese Unterrichtseinheit relevante Artikel stellen wir hier kurz vor. Die vollständigen Beiträge stehen als PDF-Download zur Verfügung.

  • Die Aktuelle Wochenschau der GDCh
    Jede Woche finden Sie auf der Webseite der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) einen Beitrag zur chemischen Forschung und Entwicklung.

Nanostrukturierte Filme - Umwandelung von Licht in Elektrizität

Kunststofffolien statt Glasplatten als Träger
Die in der Unterrichtseinheit hergestellten Farbstoffsolarzellen basieren auf der Nutzung von TiO2-Nanopartikeln. Beim Aufbringen auf eine Elektrode müssen diese Partikel jedoch bei recht hoher Temperatur (etwa 450 Grad Celsius) zusammenwachsen, um den elektrischen Transport zu gewährleisten. Solch hohe Temperatur schließt eine Reihe von attraktiven Trägermaterialien aus, nämlich preiswerte, einfach zu bedruckende, leichte und flexible Kunststofffolien. In seinem Beitrag für die GDCh-Wochenschau beschreibt Prof. Dr. Derck Schlettwein vom Institut für Angewandte Physik der Justus-Liebig-Universität Gießen die Verwendung von ZnO, das gegenüber TiO2 einen bedeutenden Verarbeitungsvorteil aufweist: ZnO kann man auch chemisch oder elektrochemisch getrieben aus einer wässrigen Zinksalzlösung direkt auf eine Substratelektrode abscheiden.

Fotoelektrochemische Solarzellen als Nischenprodukte
Neben dem Herstellungsprozess skizziert der Artikel auch die Perspektiven der Dünnschichtsolarzelle als Produkt für den Massenmarkt: Die ersten systematischen Arbeiten zur Nutzung von ZnO begannen bereits in den 1970er Jahren. Prof. Schlettwein veranschlagt etwa den gleichen Zeitraum für eine erfolgreiche Umsetzung des Konzepts. Bevor die Technologie einen bedeutenden Beitrag zur Energieversorgung leisten kann, wird sie sich in Nischenmärkten weiterentwickeln. Eigenschaften wie strukturelle und mechanische Flexibilität oder die wählbare Farbigkeit machen die Noch-Nischentechnologie dabei insbesondere für die Bereiche mobile Elektronik, Mode und ästhetische Architektur interessant.

Bedeutung der Elektrochemie für die Energieversorgung der Zukunft
Das erfolgreiche Prinzip der "technologischen Evolution" von Anwendungen im kleinen Maßstab bis hin zu immer größeren Bauteilen können wir bereits heute im Bereich der modernen Displays beobachten: Vor etwa 25 Jahren kamen die ersten Flüssigkristallanzeigen in kleinen Taschenrechnern auf, dann eroberten sie die Computerarbeitsplätze und heute sind bereits großflächige Fernseher auf dem Markt. Wenn die fotoelektrochemischen Dünnschichtsolarzellen in die Fußstapfen dieser Entwicklung treten, könnten sie in Zukunft einen bedeutenden Beitrag der Elektrochemie zur Sicherung einer nachhaltigen Energieversorgung leisten.

GDCh_fotoelektrochemische_solarzelle.pdf
 

Farbstoffe wandeln Sonnenenergie in Elektrizität um

"Wettlauf" der Systeme
Der Erfinder der Grätzel-Zelle, Prof. Dr. Michael Grätzel, betrachtet die fotoelektrochemischen Solarzellen im Rahmen eines "Wettkampfs" elektrochemischer Systeme mit der Halbleitertechnologie. Er beschreibt das Funktionsprinzip der fotoelektrochemischen Solarzellen und zeigt ihre Vorteile im Vergleich zur Standard-Solarzellen auf:

  • Mit Silizium arbeitende Solarzellen haben erst nach etwa vier Betriebsjahren mehr Energie erzeugt, als bei ihrer Herstellung verbraucht wurde. Dünnschichtzellen mit weniger Materialaufwand haben hier einen klaren Vorteil.
  • Die Dünnschichtzellen können im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen auch diffuses Licht gut nutzen. Ihr Wirkungsgrad ist bis 65 Grad Celsius praktisch temperaturunabhängig, während Silizium zwischen 25 und 60 Grad Celsius etwa 20 Prozent verliert.

Gute Aussichten für die elektrochemische Solarzelle
Amerikanische und japanische Entwicklungsingenieure erforschen die spezielle Adaptierbarkeit des Systems auf flexible, polymere Substrate, auf die der sensibilisierte Halbleiter als dünner Film aufgebracht wird. Außerdem ist man in Japan und in Australien dabei, großflächige Systeme zu erstellen und zu testen. Mit der fortschreitenden Expansion des Fotovoltaik-Marktes kann erwartet werden, dass die farbstoffsensibilisierte Solarzelle in Zukunft eine signifikante Rolle spielen wird. Im Wettbewerb mit konventionellen Systemen und anderen Innovationen, bei weiter steigenden Preisen für fossile Brennstoffe und auf Basis ökologischer Betrachtungen, kann und wird die DSC zum wirtschaftlichen Erfolg und umfassenden Einsatz der Fotovoltaik beitragen.

GDCh_graetzel_zelle.pdf
 

Internetadressen

Visualisierungen zur Grätzel-Zelle, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth

Bauanleitungen für Farbstoffsolarzellen

Materialien

Zusatzinformationen

Literatur

  • B. O'Regan, M. Grätzel
    A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films, Nature 353, 737-739 (1991)
  • Ehrl, Simon
    Versuche zur Grätzel-Zelle als Modellversuch für die Photosynthese. Schriftliche Hausarbeit, Lehrstuhl für Didaktik der Biologie, Universität Bayreuth 2010
  • Schlettwein, Derck
    Gekonnt abgeschiedene nanostrukturierte Filme zum Umwandeln von Licht in Elektrizität. High Chem hautnah, Aktuelles aus der Elektrochemie und zum Thema Energie, Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh), Frankfurt am Main 2007

Informationen zum Autor

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

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