Die Unterrichtseinheit "Halbleiterphysik für Einsteiger" macht die Schülerinnen und Schüler mit einer Technologie bekannt, die aus unserem Alltagsleben nicht mehr wegzudenken ist. Die theoretischen Grundlagen beruhen auf der Erkenntnis, dass es neben Leitern und Nichtleitern auch Materialien gibt, die unter bestimmten Voraussetzungen zum Leiter werden können – die so bezeichneten Halbleiter. Am Beispiel des strukturellen Atomaufbaus von Silizium sehen die Lernenden zunächst, welche Voraussetzungen ein Stoff besitzen muss, um zum Halbleiter werden zu können. Zudem werden die Lernenden an die Möglichkeiten der Beimischung bestimmter anderer Stoffe (Dotierung) herangeführt, was völlig neue Möglichkeiten für kontaktlose elektrische Schaltungen eröffnet.Halbleitertechnologie ist die Voraussetzung für viele technische Anwendungen – von der Solarzelle über LEDs bis hin zu Transistoren. Ohne Halbleiter wäre die immer wichtiger werdende Digitalisierung nicht denkbar. Anhand von aussagekräftigen Abbildungen oder Animationen werden die theoretischen Grundlagen besprochen: Bei tiefen Temperaturen sind Halbleiter Isolatoren – erst durch Energiezufuhr (zum Beispiel Erwärmung) lassen sich Elektronen aus ihren Paarbindungen lösen, so dass Leitungselektronen und Löcher entstehen. Legt man dann eine äußere Spannung an, beginnen die Elektronen zu wandern. Mit Abbildungen und/oder Animationen werden die Lernenden mit Begriffen wie Elektronenstrom, Löcherstrom und Eigenleitung bekannt gemacht. Halbleiterphysik Die Halbleiterphysik basiert auf verschiedenen Grundstoffen wie Silizium oder Germanium, die man mit geeigneten Stoffen wie dem fünfwertigen Phosphor P 5+ oder dem dreiwertigen Bor B 3+ dotiert. Dabei enthält ein Kubikmillimeter bis zu 2,4×10 17 Fremdatome, was eine riesige Zahl von frei beweglichen Ladungsträgern zur Folge hat. Mit diesen grundlegenden Fakten lassen sich nun die unterschiedlichsten Anwendungen herstellen – im einfachsten Fall Dioden – bis hin zu komplizierten Schaltungen von Transistoren. Vorkenntnisse Vorkenntnisse von Lernenden werden eher nicht zu erwarten sein, da sich die wenigsten Gedanken machen werden, wie ihre Smartphones, LEDs oder moderne Fernseher funktionieren. Gleichzeitig ist es aber sehr wichtig den Lernenden zu zeigen, welche Grundbausteine nötig sind, um die obigen Geräte zu bauen beziehungsweise die Digitalisierung voranzutreiben. Didaktische Analyse Bei der Besprechung der Grundlagen der Halbleiterphysik ist es besonders wichtig, den extremen Grad der Miniaturisierung hervorzuheben, ohne die viele Geräte nicht einmal ansatzweise gebaut werden könnten. Allerdings sind die Vorgänge nicht – wie in der Makrophysik – mit dem Auge verfolgbar, was zur Folge hat, dass Versuche nicht im Detail zu sehen sind, sondern nur über Messinstrumente nachverfolgt werden können. Methodische Analyse Bei der Erarbeitung des Stoffes ist es wichtig, dass aussagekräftige Abbildungen und gegebenenfalls Animationen oder brauchbare Videos zur Erklärung herangezogen werden – nur so können die teilweise nur schwer nachvollziehbaren Vorgänge deutlich gemacht werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen die Besonderheiten von Halbleitern im Gegensatz zu Leitern beziehungsweise Nichtleitern. wissen um die Bedeutung von Fremdatomen beim Dotieren von Halbleitermaterialien. beschreiben und erläutern die Wirkungsweise einer Halbleiterdiode. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. überprüfen die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit und ordnen sie ein. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschülern auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden etc. wertfrei diskutieren zu können.

In dieser Unterrichtseinheit werden die Schülerinnen und Schüler anhand von Beispielen mit verschiedenen Schaltungsmöglichkeiten für Dioden vertraut gemacht. Im Anschluss daran wird an einer kleinen Zahl von technischen Anwendungen wie etwa der LED (Leuchtdiode) oder dem nicht minder bekannten Kassenscanner für Strichcodes den Lernenden die Vielzahl von Möglichkeiten für technische Anwendungen der Halbleitertechnologie aufgezeigt. Sie können darin erkennen, wie aus relativ "einfachen" Halbleiter-Bauelementen kompliziert aussehende technische Geräte geschaffen werden können, die unser Alltagsleben massiv erleichtern. Von der Tatsache ausgehend, dass viele für uns heute selbstverständliche technische Anwendungen wie Computer, Digitalkameras oder Energiesparlampen ohne die Halbleitertechnologie nicht machbar wären, wird zunächst an einfachen Schaltungen aus Glühlampen, Schaltern und Dioden gezeigt, wie die eben genannten Bauteile in einem Stromkreis geschaltet werden müssen, um einen bestimmten Stromfluss zu erhalten. An der etwas aufwendigeren Grätz-Schaltung können die Lernenden erkennen, wie der aus der Steckdose kommende Wechselstrom durch Gleichrichtung zu einem pulsierenden Gleichstrom wird. Halbleiterphysik im Unterricht ­– Beispiele und Anwendungen Mit einfachen Beispielen werden die Schülerinnen und Schüler zu speziellen Anwendungen wie LEDs, elektrische Zahnbürste und Scanner hingeführt. Sie lernen dabei, dass für manche Anwendungen neben den hauptsächlichen Halbleitermaterialien wie Silizium und Germanium auch solche aus Galliumphosphid oder Indium-Gallium-Nitrid benötigt werden. Bei LEDs beispielsweise werden spezielle Halbleitermaterialien benötigt, die es ermöglichen, Licht im sichtbaren Bereich und mit unterschiedlichen Farben darzustellen. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können nur dahingehend angenommen werden, dass alle Lernenden wohl wissen, dass es stromsparendes LED-Licht gibt. Dass dieses mithilfe von Halbleitertechnik erzeugt wird, dürfte den meisten ebenso neu sein wie mit Halbleitern funktionierende Scanner. Didaktische Analyse Bei der Behandlung des Themas sollte man darauf hinweisen, dass die Halbleitertechnologie einer technischen Revolution gleichkommt, da diese Möglichkeiten mit ihrer unglaublichen Vielfalt noch vor 50 Jahren so gut wie unbekannt waren. Der stetige Fortschritt mit heutigen Smartphones, die ein Vielfaches früherer Tischcomputer können, ist nur der Halbleitertechnologie mit immer kleineren Chips mit vielfacher Speicherkapazität zu verdanken. Methodische Analyse Es gibt nur wenige Versuche, die einen sofort sichtbaren und damit nachvollziehbaren Einblick in die aufwendige Technologie bieten. Deshalb ist es nötig, mithilfe von aussagekräftigen Abbildungen, Folien, Animationen und gut gemachten Videos den Unterricht, wenn möglich, zu ergänzen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Bedeutung der Halbleitertechnologie in der heutigen Technik. können Schaltungen mit Dioden unterscheiden, die in- oder entgegen der Duchlassrichtung geschaltet sind. können Anwendungen wie LEDs oder Scanner beschreiben und erklären. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschülern auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Organische Leuchtdioden (OLEDs) besitzen enormes Zukunftspotenzial als energieeffiziente Beleuchtungsmittel. Neben einem deutlich geringeren Energieverbrauch als bei LED-Displays weisen OLEDs eine hervorragende Bildqualität und noch viele weitere Vorteile auf.Organische Leuchtdioden (OLEDs) revolutionieren derzeit die Beleuchtungsindustrie. Energiesparlampen und Halogenstrahler - in wenigen Jahren werden diese Lichtquellen vielleicht vergessen sein. Bei OLEDs handelt es sich um dünne Folien, die tagsüber transparent sind und nachts in allen denkbaren Farben leuchten. Organische Leuchtdioden sind hocheffiziente Lichtquellen, die viele positive Eigenschaften haben: sie sind äußerst energiesparend, leuchten großflächig, sind extrem dünn und außerdem voll dimmbar. Außerdem haben OLEDs keine Verzögerungszeit beim Einschalten und sie sind so flexibel und transparent herzustellen, dass man sie sogar in Fensterscheiben integrieren kann. Relevanz des Themas Die Unterrichtseinheit kann beispielsweise zu einer längeren Unterrichtsreihe in Physik zum Thema "Licht" eingegliedert werden. Zunächst müssen im Unterricht wichtige Grundlagen der Strahlen- und Wellenoptik sowie der Quantenphysik erarbeitet werden. Zu den vorab zu behandelnden Themen sollten unter anderem die Reflexion, Brechung, Brechungsgesetz, Beugung und Interferenz von Licht sowie der Welle-Teilchen-Dualismus des Photons gehören. Die Schülerinnen und Schüler sollen sich mit aktuellen Forschungsergebnissen zur Bedeutung von OLEDs für neue optische Licht- und Speichermedien auseinandersetzen und diese auswerten. Hintergrundinformationen zu OLEDs Hier finden Sie nähere Informationen zu OLEDs und Biolumineszenz von Leuchtkäfern sowie zu Perspektiven für die Medizinforschung. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen den Aufbau und das Funktionsprinzip einer Organischen Leuchtdiode verstehen und beschreiben können. ein Thema selbstständig recherchieren und beschreiben können. wichtige Anwendungsbereiche für OLEDs kennenlernen. in reduzierter Form wissenschaftliche Neuentwicklungen für OLEDs bewerten. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen eine interaktive Lernumgebung bedienen können. Informationen zur Thematik aus einem Text entnehmen, wesentliche Aussagen verstehen und in eigenen Texten wiedergeben können. die Nutzungsmöglichkeiten des Internets kennen- und anwenden lernen. Thema Organische Leuchtdioden aus Kohlenstoff Autorin Jana Haberstroh Fächer Physik, Chemie, Biologie, Technik, Naturwissenschaften Zielgruppe ab Klasse 7 Zeitraum circa 2-3 Unterrichtsstunden Technische Voraussetzungen Internetzugang (am besten für je 2 Personen), Beamer Der deutsche Chemiker Herbert Naarmann hat bereits 1969 Strom leitende Polymere - die Vorstufe der OLED - beobachtet, doch es sind noch ganze 21 Jahre vergangen, bis eine Forschergruppe in Cambridge erstmals eine Leuchtdiode herstellte. Die verwendeten organischen Halbleiterschichten waren nur etwa 100 Nanometer dick, also zehntausend Mal dünner als ein Millimeter. Alleine die Leuchteffizienz und Lebensdauer der OLEDs blieben jahrelang hinter der Konkurrenz zurück. Immer wieder entdeckten Forscher "Nebenwirkungen", wie zum Beispiel die Verkürzung der Lebensdauer durch kleinste Verunreinigungen. Auch der Aufbau wurde immer komplizierter. Um gegen Luftfeuchtigkeit resistent zu werden, müssen die OLEDs hinter Glas geschützt werden. Aufbau einer organischen Leuchtdiode Ein transparentes Substrat (Glas, Quarz oder Polymerfolie) dient als Basis für den Aufbau. Die Anode, eine ITO-(Indium-Zinn-Oxid-) Schicht ist elektrisch leitfähig und für sichtbares Licht durchlässig. Das Licht entsteht in den "aktiven" organischen Schichten, wenn dort Paare von Elektronen und "Löchern" rekombinieren und jeweils ein Photon erzeugen. Das Licht wird durch das optisch transparente Substrat abgestrahlt. Um eine hohe Effizienz zu erreichen, werden für den Transport von Ladungsträgern eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufgebracht. Schließlich wird als Kathode ein optisch nicht transparenter Metallkontakt aufgedampft. Beim Anlegen einer äußeren Spannung von weniger als 5 Volt zwischen Kathode und Anode kommt es zur Emission von Licht, dessen Farbe von den eingesetzten aktiven Materialien abhängt. Die Chemie der OLEDs Die OLED basieren auf organischen Kohlenstoffmolekülen, also Verbindungen aus mehreren Kohlenstoffteilchen mit anderen Elementen. Setzen sich mehrere gleiche Molekülketten aneinander, dann entstehen sogenannte Polymere. Diese verhalten sich wie Halbleiter, was zur Folge hat, dass sie elektrischen Strom leiten. Und mit diesem bringt man die Folien zum Leuchten. Die Lichtfarben bestehen aus Kohlenstoff-Ringstrukturen, in die ein metallisches Zentralatom integriert wird - beispielsweise Edelmetalle wie Platin oder Iridium. Der OLED-Regenbogen Die OLEDs leuchten beim Anlegen einer Spannung, ob gelb, grün, rot oder blau - alle Farben sind möglich. Die Farbe der Emission wird anders als bei den anorganischen LEDs durch die Energielücke des Halbleiters bestimmt (durch die Energie, die frei wird, wenn ein Elektron und ein "Loch" zusammentreffen und rekombinieren). Diese Energie und damit die Farbe der Emission kann durch die Wahl des organischen Materials gezielt verändert werden. Innerhalb weniger Jahre hat man bereits sämtliche Farben von Rot über Grün bis Blau realisiert. Die Entwicklung ist bereits so weit fortgeschritten, dass erste vollfarbige Bildschirmprototypen hergestellt werden konnten. LED versus OLEDs Anders als bei den anorganischen LEDs wird weißes Licht durch Mischen der Grundfarben rot, blau und gelb erzeugt. Blau ist die Achillesferse der weißen OLED - dieser Farbstoff ist am kurzlebigsten. Multitalent OLED Der größte Markt für OLEDs ist der Bereich "Display", das heißt, OLEDs werden beispielsweise für Fernseher oder Displays von Mobiltelefonen eingesetzt. Displays aus organischen Leuchtdioden benötigen keine Hintergrundbeleuchtung und ermöglichen einen geringen Stromverbrauch. Sie ermöglichen zudem einen größeren Betrachtungswinkel. Zukunftsvision leuchtende Tapeten Organische Leuchtdioden dienen sogar als Basis für Tapeten, die Licht erzeugen und sogar, je nach Stimmung, die Farbe wechseln können. Diese gedruckte Elektronik wird im Fachjargon Polytronik genannt. Die Leuchtfolie emittiert ein für das Auge angenehmes, monochromatisches Kaltlicht, das auch bei Staub, Rauch oder Nebel besser sichtbar sein soll als jede andere Lichtquelle. Die Glühwürmchen sind die OLEDs des Tierreiches. Sie können ihr gelbliches Licht, welches in der Paarungszeit werbewirksam eingesetzt wird, ein- und ausschalten. Forscherinnen und Forscher haben die dahinter stehenden Grundlagen der Lumineszenz analysiert und festgestellt, dass einige natürliche Polymere Halbleitereigenschaften haben und somit für den Transport elektrischer Ladungen geeignet sind. Solche konjugierten Polymere können mittlerweile künstlich und genau spezifiziert hergestellt werden. Halbleiter und andere elektrische Bauteile sind also bald nicht mehr auf Kristallstrukturen angewiesen, sondern können aus Kunststoffen gefertigt werden. In der medizinischen Forschung benutzt man ebenfalls Zellen oder Bakterien mit integiertem Luciferase-Gen. Injiziert man beispielsweise einer Maus Salmonellen-Erreger, die das Luciferase-Gen tragen, so breiten sich die Erreger in ihrem Körper aus. Infusiert man eine Luciferinlösung, so kann man diese Ausbreitung durch das entstehende Licht von außen verfolgen, ohne die Maus zu töten. Analog verhält es sich mit markierten Karzinomen bei denen man die Metastasenbildung und Verbreitung optisch durch das emittierte Licht verfolgen kann.

In dieser Materialsammlung finden Sie Unterrichtsmaterialien rund um die Erneuerbaren Energien – Wasserkraft, Windenergie und Sonnenenergie. Erneuerbare Energien aus nachhaltigen Quellen wie Wasserkraft, Windenergie, Sonnenenergie, Biomasse und Erdwärme sind zum Schlagwort schlechthin der internationalen Klimabewegung geworden. Im Gegensatz zu fossilen Energieträgern wie Erdöl, Erdgas, Stein- und Braunkohle sowie dem Uranerz verbrauchen sich diese Energiequellen nicht. Erneuerbare Energien sollen in Deutschland zukünftig den Hauptanteil der Energieversorgung übernehmen – bis zum Jahr 2050 soll ihr Anteil an der Stromversorgung mindestens 80 Prozent betragen. Im Jahr 2020 betrug ihr durchschnittlicher Anteil pro Jahr an der Nettoostromerzeugung über 50 Prozent. Die erneuerbaren Energien müssen daher kontinuierlich in das Stromversorgungssystem integriert werden, damit sie die konventionellen Energieträger mehr und mehr ersetzen können. Schon im alten Ägypten und im römischen Reich wurde die Wasserkraft als Antrieb für Arbeitsmaschinen wie Getreidemühlen genutzt. Im Mittelalter wurden Wassermühlen im europäischen Raum für Säge- und Papierwerke eingesetzt. Seit Ende des 19. Jahrhunderts wird aus Wasserkraft Strom erzeugt. Heute ist die Wasserkraft eine ausgereifte Technologie und weltweit neben der traditionellen Biomassenutzung die am meisten genutzte erneuerbare Energiequelle. Die Windenergie als Antriebsenergie hat bereits eine lange Tradition. Windmühlen wurden zum Mahlen von Getreide oder als Säge- und Ölmühle eingesetzt. Moderne Windenergieanlagen gewinnen heute Strom aus der Kraft des Windes. Sie nutzen den Auftrieb, den der Wind beim Vorbeiströmen an den Rotorblättern erzeugt – heute hat die Windenergie einen Anteil von über 25 Prozent an der deutschen Stromversorgung. Aus der Sonnenenergie kann sowohl Wärme als auch Strom gewonnen werden. Photovoltaikmodule auf dem Dach oder auf großen Freiflächen wandeln mithilfe von Halbleitern wie Silizium das Sonnenlicht in elektrische Energie um. Mit Solarkollektoren , in denen Flüssigkeit zirkuliert, wird Wärme zum Heizen und zur Warmwasserbereitung sowie für Klimakälte gewonnen. Eine dritte Technologie macht es möglich, Strom, Prozesswärme und Kälte durch die Konzentration und Verstärkung der Sonnenstrahlen zu erzeugen. Dabei wird in solarthermischen Kraftwerken das Sonnenlicht mit Reflektoren gebündelt und auf eine Trägerflüssigkeit gelenkt, die dadurch verdampft. Mit dem Dampf können dann ein Generator oder eine Wärme- und Kältemaschine betrieben werden. Biomasse ist ein vielseitiger erneuerbarer Energieträger und wird in fester, flüssiger und gasförmiger Form zur Strom- und Wärmeerzeugung und zur Herstellung von Biokraftstoffen genutzt. Pflanzliche und tierische Abfälle kommen genauso zum Einsatz wie nachwachsende Rohstoffe , zum Beispiel Energiepflanzen oder Holz . Die größte Bedeutung kommt der Bioenergie in Deutschland aktuell beim Heizen zu – aber auch für die Stromerzeugung und als Biokraftstoff kommt Biomasse zum Einsatz. Unter Geothermie (Erdwärme) versteht man die Nutzung der Erdwärme zur Gewinnung von Strom, Wärme und Kälteenergie. Die Temperaturen im Erdinneren erwärmen die oberen Erdschichten und unterirdischen Wasserreservoirs. Mithilfe von Bohrungen wird diese Energie erschlossen. Bei einer Erdwärmenutzung in bis zu 400 Metern Tiefe ("oberflächennah") nutzt eine Wärmesonde in Kombination mit einer Wärmepumpe das unterschiedliche Temperaturniveau zwischen Boden und Umgebungsluft. In tieferen Schichten wird heißes Wasser und Wasserdampf zur Stromerzeugung und für Fernwärmenetze gewonnen.

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 GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt. Diese stellen die technische Entwicklung der Farbstoffsolarzelle sowie ihre aktuelle und zukünftige Bedeutung im Alltag dar. 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. 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. Thema Selbstbau einer Farbstoffsolarzelle Autor Walter M. Wagner Fach Chemie Zielgruppe Klasse 5 bis Jahrgangsstufe 13 (je nach fachlicher Vertiefung) Zeitraum 2-3 Stunden, je nach Aufwand bei den Messungen Technische Voraussetzungen Neben der schulüblichen Chemielabor-Ausstattung werden benötigt: Multimeter, Kabel mit kleinen Krokodilklemmen, Lampe (100-150 Watt) Software Microsoft PowerPoint (für die Präsentation von Animationen zur Funktion der Grätzel-Zelle) 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". Buch der Synergie: Solarzellentypen Auf der Webseite von Achmed A. W. Khammas finden Sie unter anderem eine Datenbank der Neuen Energien. 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). 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 I 3 - → 3 I 2 + 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 I 2 + 2e - → 2 I 3 - 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): 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. 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): Strom aus Licht Informationen für Lehrkräfte Strom aus Licht Anleitung für Schülerinnen und Schüler Erweiterung für die Leistungsbestimmung Anleitung zur Feststellung der Leistung der selbst hergestellten Farbstoffsolarzelle 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: 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. 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 U 0 : Gutes Ergebnis: ab U 0 = 350 mV Sehr gutes Ergebnis: ab U 0 = 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 k? linear belasten, bis U auf 80 Prozent von U 0 absinkt. 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. 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. 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. 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. B. O'Regan, M. Grätzel A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO 2 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

Die Verwendung von 3D-Animationen erhöht die Anschaulichkeit und unterstützt die Visualisierung von Aufgabenstellungen. Dies unterstützt das Verständnis der Vorgänge in dem für uns unsichtbaren Universum der Elementarteilchen.Dieser Selbstlernkurs soll den Schülerinnen und Schülern der Mittelstufe helfen, die komplexe Problematik der Elektrizität und des elektrischen Stromes schrittweise zu erkennen und den Umgang mit den physikalischen Grundgrößen Stromstärke, Spannung und Widerstand zur Problemlösung sicher zu beherrschen. Dazu werden die Vorgänge im submikroskopisch kleinen Universum der Elementarteilchen mithilfe von 3D-Animationen verdeutlicht und auf eine höhere Ebene der Anschaulichkeit gehoben. Die Arbeit mit dem Kurs ist in Abschlussklassen zur Wiederholung und selbstständigen Prüfungsvorbereitung hilfreich. Technische Hinweise Der Kurs ist in Form einer interaktiven Webseite angelegt und wird nach dem Download (siehe unten) mit der Datei "index.htm" gestartet. Um das Menü (am linken Rand) anzeigen zu können, muss Ihr Browser in der Lage sein, Flash-Dateien anzuzeigen. Die dreidimensionalen Darstellungen der Lernumgebung wurden durch die objektorientierte Programmiersprache VRML (Virtual Reality Modeling Language) umgesetzt. Das zur Nutzung der 3D-Darstellungen erforderliche Plugin blaxxun Contact kann kostenlos aus dem Internet heruntergeladen werden (siehe unten). Nach dem Installieren des Plugins können die World-Dateien (WRL), die die VRML-Inhalte enthalten, im Browser angezeigt werden. Mit einem Rechtsklick in die 3D-Darstellung öffnet sich ein Kontextmenü, über das man verschiedene Funktionen aufrufen kann. Einsatz im Unterricht Dieser Selbstlernkurs soll als klassenstufenübergreifender Kurs einerseits die Grundlagen für die Arbeit mit den physikalischen Größen Stromstärke, Spannung und Widerstand in der Orientierungsstufe legen und andererseits in den darauf folgenden Klassenstufen gemäß der Kurrikulumsspirale darauf aufbauen. Vom Verständnis des Begriffs "elektrischer Strom" bis hin zu Berechnungen und Analysen von Stromkreisen führt der Kurs die Schülerinnen und Schüler mithilfe interaktiver Übungen zum sicheren Beherrschen dieses interessanten physikalischen Phänomens. Alle Kapitel sind zum besseren Verständnis mit 3D-Animationen ausgestattet. Insbesondere wenn die Schülerinnen und Schüler den Umgang mit dem Plugin blaxxun Contact sowie mit interaktiven Arbeitsblättern noch nicht gewohnt sind, ist der Einsatz eines Beamers bei der Einführung des Kurses zu empfehlen. Themen und Materialien Stoffaufbau - Leiter und Isolatoren Die Begriffe Leiter und Isolator werden mithilfe des Teilchenmodells eingeführt und mit 3D-Animationen veranschaulicht. Elektrischer Strom, Stromstärke und elektrische Spannung Frei bewegliche Elektronen in einem metallischen Leiter werden als Grundvoraussetzung des Modells der Elektronenleitung erkannt. Knotenpunktregel und Maschenregel Schülerinnen und Schüler untersuchen das Verhalten der physikalischen Grundgrößen Stromstärke und Spannung in verschiedenen Stromkreisen. Elektrischer Widerstand, Ohmsches Gesetz und Widerstandsgesetz Das Ohmsche Gesetz wird in einem virtuellen Experiment hergeleitet. Die Formulierung des Widerstandsgesetzes bildet den Abschluss des Kurses zur Elektrizitätslehre. Fachkompetenzen beim Einsatz in Klasse 6 Die Schülerinnen und Schüler sollen im Lernbereich "Elektrische Stromkreise" einfache Modellvorstellungen des elektrischen Stroms kennen lernen. die Begriffe "Leiter" und "Isolatoren" kennen lernen. Bestandteile und Symbole von Schaltplänen beherrschen. Arten von Stromkreisen (einfache, verzweigte und unverzweigte) beherrschen. Fachkompetenzen beim Einsatz in Klasse 7 Die Schülerinnen und Schüler sollen im Lernbereich "Elektrische Leitungsvorgänge" die elektrische Stromstärke kennen, insbesondere die Ladungstrennung, das elektrische Leitungsmodell, die physikalische Größe der elektrischen Stromstärke, die Stromstärkemessung [Umgang mit Messgeräten], die Stromstärke in verschiedenen Stromkreisen, das Erste Kirchhoffsche Gesetz, die Knotenpunktregel. die elektrische Spannung kennen, insbesondere die physikalische Größe der elektrischen Spannung, die Spannungsmessung, die Spannung in verschiedenen Stromkreisen, das Zweite Kirchhoffsche Gesetz, die Maschenregel. Fachkompetenzen beim Einsatz in Klasse 8 Die Schülerinnen und Schüler sollen im Lernbereich "Leitungsvorgänge in Metallen" zusätzlich zu den oben beschriebenen Kompetenzen den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung kennen lernen, insbesondere das Ohmsche Gesetz, das I(U)-Diagramm von Konstantandraht und Glühlampe sowie den Begriff "Kennlinie". Leben und Werk von Georg Simon Ohm (1789-1854) kennen lernen. die physikalische Größe des elektrischen Widerstands kennen, insbesondere die Deutung mit dem elektrischen Leitungsmodell, die Berechnung von Widerständen, Spannung und Stromstärke und die Abhängigkeit des Widerstandes eines Leiters von Länge, Querschnittsfläche und Material. die Kenntnisse über den elektrischen Widerstand auf technische Sachverhalte anwenden, insbesondere auf Festwiderstände und verstellbare Widerstände (Potentiometer), Vorwiderstände (mit Berechnung) und die Wheatstonesche Brücke. Die Schülerinnen und Schüler sollen einfache Modellvorstellungen des elektrischen Stroms kennen lernen. die Begriffe Leiter und Isolatoren kennen lernen. Die Schülerinnen und Schüler sollen zusätzlich zu den oben genannten fachlichen Kompetenzen das elektrische Leitungsmodell und die Elektronenleitung kennen lernen. Vom Kugelmodell zum Atommodell Zu Beginn des Kurses "Die strömende Elektrizität" wird, aufbauend auf die Eigenschaften von Körpern, der Begriff "Stoff" näher untersucht und der Aufbau der Stoffe aus kleinsten Teilchen verdeutlicht. Die Elementarteilchen Proton und Elektron werden im Besonderen untersucht, da diese für die elektrische Leitung die entscheidende Rolle spielen. Eine 3D-Animation zeigt den Übergang vom Kugelmodell zum Atommodell nach Niels Bohr. Nach dem Start der Animation wird ein Atom zunächst als Kugel dargestellt (Abb. 1, oben; Platzhalter bitte anklicken). Über das Kontextmenü (mit rechter Maustaste in die Animation klicken und "Standorte/Naechster" wählen) rücken Sie in der Animation stufenweise vor (Abb. 1, unten). Gitterstruktur von Metallen Das Atommodell (Abb. 2, Platzhalter bitte anklicken) können Sie mit dem Mauszeiger "anfassen" und bewegen (Kontextmenü: "Bewegung/Betrachten"). Die Gitterstruktur von Metallen wird in dem Kapitel besonders hervorgehoben. Es folgen interaktive Übungen, mit denen die Schülerinnen und Schüler das Gelernte festigen und vertiefen können. Atommodelle von Leitern und Nichtleitern Das nächste Kapitel widmet sich der Unterscheidung von Leitern und Isolatoren. Als Voraussetzung für das Begreifen des Modells der Elektronenleitung wird Wert gelegt auf das Vorhandensein frei beweglicher Elektronen bei einem metallischen Leiter. 3D-Animationen und interaktive Übungen helfen dabei, das Gelernt zu verstehen und umzusetzen. Abb. 3 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt einen Screenshot der VRML-Animation zum Aufbau eines typischen Leiters (Aluminiumatom). Die Schülerinnen und Schüler in Klasse 7 sollen im Rahmen des Themas "Elektrische Leitungsvorgänge" die elektrische Stromstärke kennen, insbesondere die Ladungstrennung, das elektrische Leitungsmodell, die physikalische Größe der elektrischen Stromstärke, die Stromstärkemessung (Umgang mit Messgeräten) und die Stromstärke in verschiedenen Stromkreisen. die elektrische Spannung kennen, insbesondere de physikalische Größe der elektrischen Spannung, die Spannungsmessung und die Spannung in verschiedenen Stromkreisen. Stromloser und stromführender Leiter Die beiden ersten 3D-Animationen zeigen den Übergang vom stromlosen Leiter zum stromführenden Leiter. Durch unterschiedliche Betrachtungsweisen (Kontextmenü "Bewegung/Betrachten") kann die Bewegung der Elektronen sehr gut erkannt werden. Das Atomgitter wird durch rote Kugeln, die Elektronen werden durch kleine grüne Kugeln dargestellt (Abb. 4, Platzhalter bitte anklicken). Stromkreis Weitere Animationen zeigen einen einfachen Stromkreis, in dem die Bewegung der Elektronen durch Heranzoomen an den Leiter genau beobachtet werden kann (im Kontextmenü "Standorte/Standard Tour" wählen; Abb. 5, Platzhalter bitte anklicken). So wird der Zusammenhang zwischen geöffnetem Stromkreis und Unterbrechen des Stromflusses gezeigt. Mit interaktiven Übungen (Lückentext, Zuordnung, Schüttelsatz) kann das Gelernte überprüft und geübt werden. Definition der physikalischen Grundgrößen Der nächst Schwerpunkt des Kurses ist die Definition der physikalischen Grundgrößen Stromstärke und Spannung. Neben den Merksätzen werden der Anschluss der Messgeräte erklärt und somit die Begriffe "in Reihe" und "parallel zu" wiederholt und gefestigt. Eine Flash-Animation verdeutlicht den Zusammenhang zwischen dem Anlegen einer äußeren Spannung an den metallischen Leiter und der Bewegung seiner freien Elektronen. Dabei kann zwischen keiner und verschieden großen Spannungen gewählt werden. Abb. 6 zeigt einen Screenshot der Animation. Die Schülerinnen und Schüler in Klasse 7 sollen im Rahmen des Themas "Elektrische Leitungsvorgänge" die elektrische Stromstärke kennen, insbesondere das elektrische Leitungsmodell, die physikalische Größe der elektrischen Stromstärke, die Stromstärkemessung (Umgang mit Messgeräten), die Stromstärke in verschiedenen Stromkreisen und das Erste Kirchhoffsche Gesetz (Knotenpunktregel). die physikalische Größe der elektrischen Spannung, die Spannungsmessung, die Spannung in verschiedenen Stromkreisen, und das Zweite Kirchhoffsche Gesetz (Maschenregel) kennen lernen. Das Erste Kirchhoffsche Gesetz Das Verhalten der physikalischen Grundgrößen Stromstärke und Spannung in Stromkreisen wird ausführlich untersucht. Ziel dabei ist auch das Auffinden von formelmäßigen Zusammenhängen. Viel wichtiger ist aber das Begreifen der inneren Zusammenhänge - und die werden durch die Kirchhoffschen Gesetze bestens erklärt. Auch wenn weder die Knotenpunktregel noch die Maschenregel vom Lehrplan ausdrücklich verlangt werden, hat sich im Unterricht gezeigt, dass die Schülerinnen und Schüler das Thema so besser verstehen als durch bloßes "Formelwissen". Zu Anfang werden die Formeln für die Stromstärke im unverzweigten und verzweigten Stromkreis hergeleitet. Der allgemeingültige Zusammenhang in Form der Knotenpunktregel als Erstes Kirchhoffsches Gesetz bildet die Grundlage für die Analyse aufwändigerer Stromkreise. Online-Materialien In animierten Stromkreisen wird das Maß der elektrischen Stromstärke durch die Dicke der Animationslinie anschaulich dargestellt. So ist klar erkennbar, wo viel Strom fließt und wo weniger. In einer daran anschließend betrachteten 3D-Animation wird nun der Kreis zur Bewegung der Elektronen geschlossen (Abb. 7, Platzhalter bitte anklicken). So kann die Bewegung der Elektronen am Knotenpunkt genau "unter die Lupe" genommen werden. Interaktive Übungen dienen der Kontrolle und Festigung des Gelernten. Das Zweite Kirchhoffsche Gesetz Das Verhalten der physikalischen Grundgrößen Spannung in den verschiedenen Stromkreisen ist das Thema dieses Kapitels. Auch hier werden zuerst die Formeln für die Spannung im unverzweigten und im verzweigten Stromkreis hergeleitet. GIF-Animationen erklären dann den Begriff der Masche im Stromkreis aus physikalischer Sicht. Es folgt die Verallgemeinerung der Formeln für die Spannung zur Maschenregel - dem Zweiten Kirchhoffschen Gesetz. Eine interaktive Flash-Animation zeigt den Zusammenhang zwischen den unterschiedlichen Maschen und der Summe der Einzelspannungen in diesen Maschen. Zum Schluss wird die Maschenregel auf Teilstromkreise übertragen. Online-Materialien Auch in diesem Kapitel dienen interaktive Übungen der Kontrolle und Festigung des Gelernten. Abb. 8 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt einen Screenshot (Ausschnitt) aus dem interaktiven Arbeitsblatt von Übung 5. Die Schülerinnen und Schüler in Klasse 8 sollen im Rahmen des Themas "Leitungsvorgänge in Metallen" den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung kennen. sich mit Leben und Werk von Georg Simon Ohm (1789-1854) beschäftigen. das Ohmsche Gesetz, das I(U)-Diagramm von Konstantandraht und Glühlampe sowie den Begriff "Kennlinie" kennen. die physikalische Größe des elektrischen Widerstands kennen, insbesondere die Deutung mit dem elektrischen Leitungsmodell, die Berechnung von Widerständen, Spannung und Stromstärke sowie die Abhängigkeit des Widerstands eines Leiters von Länge, Querschnittsfläche und Material. Kenntnisse über den elektrischen Widerstand auf technische Sachverhalte anwenden, insbesondere auf Festwiderstände und verstellbare Widerstände (Potentiometer), Vorwiderstände (mit Berechnung) und die Wheatstonesche Brücke. Geltungsbereich des Ohmschen Gesetzes Das Ohmsche Gesetz wird in einem virtuellen Experiment hergeleitet. Durch die Nutzung verschiedener "Standorte" (Kontextmenü dazu per rechtem Mausklick aufrufen) in der 3D-Visualisierung ist es möglich, zeitgleich die Spannung zu wählen (Abb. 9, Platzhalter bitte anklicken) und dann die Auswirkung auf die frei beweglichen Elektronen zu beobachten und die Stromstärke abzulesen. Der Schritt zum Ohmschen Gesetz als Ergebnis der Untersuchungen ist dann reine Formsache. Es folgt der gleiche Versuch mit einer Glühlampe an Stelle des Ohmschen Widerstandes. Durch die zuvor untersuchte Abhängigkeit der Teilchenbewegung von der Temperatur wird der Geltungsbereich des Ohmschen Gesetzes auf nahezu konstante Temperatur eingeschränkt. Nach der Formulierung des Ohmschen Gesetzes wird die physikalische Größe des elektrischen Widerstands definiert. Online-Materialien Nach der Bearbeitung des Kapitels folgen interaktive Übungen zur Prüfung und Festigung des Gelernten. Informationen und Animationen Das Ohmsche Gesetz und der elektrische Widerstand Übungsaufgaben zum Ohmschen Gesetz Interaktive Übungen, Aufgaben von Dieter Welz, Leben und Werk von Georg Simon Ohm Einfluss von Querschnitt und Länge des Leiters Die Formulierung des Widerstandsgesetzes bildet den Abschluss dieses Kurses. Die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von Querschnitt (Abb. 10, Platzhalter bitte anklicken) und Länge des Leiters wird in einer Folge von virtuellen Experimenten untersucht. Danach folgt die Herleitung des eigentlichen Widerstandsgesetzes. Die Einteilung der Stoffe in Leiter, Halbleiter und Nichtleiter ist dann die logische Folgerung, mit der der Kurs abschließt.