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.

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.

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Farbstoffe wandeln Sonnenenergie in Elektrizität um

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.

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