Allgemeine Hinweise zum Experimentieren und Disclaimer beachten!
Einleitung
Die Erzeugung von hochreinem Silizium für Photovoltaikanlagen ist mit hohem Energie und Ressourcenaufwand verbunden. Michael Grätzel hat eine alternative Technik maßgeblich mitentwickelt, um Licht in elektrischen Strom umzuwandeln. Zwar sind diese Solarzellen, die auf einen Farbstoff und TiO2 als Halbleiter basieren günstig herzustellen, erreichen aber nicht die Wirkungsgrade und Lebensdauern herkömmlicher Module auf Basis von Silizium. Dennoch sind sie sehr einfach herzustellen und können so als Demonstrationsexperiment dienen.
Schwierigkeitsgrad
Schülerexperiment - mittel
Geräte
FTO-Glas (50 x 50 mm) bzw. ITO-Glas (50 x 50 mm), Bechergläser, Klebeband, Spritzen, Analysenwaage, Pasteurpipetten, Heizplatte, Bunsenbrenner, Multimeter, Flüssigseife, Glasstab, Spatel, Trockenschrank, Wattestäbchen, starke Lichtquelle (z.B. Halogenscheinwerfer)
Chemikalien
Titandioxid Aeroxide® P25
Eisessig
Blattextrakt
Iod
Kaliumiodid
Glycerin
Hinweis
Durchführung
Zuerst wird ITO-Glas mit der leitfähigen Seite nach oben (Prüfung mittels Multimeter) mit Klebeband auf einem Blatt Küchenpapier befestigt. Das Klebeband sollte so befestigt werden, dass ein 1 cm dicker Rand auf drei Kanten des ITO-Glases entsteht. Nun werden 200 mg Titandioxid in ein 25 mL Becherglas eingewogen, mit ungefähr 1 ml Eisessig und unter Zugabe von einem Tropfen Flüssigseife zu einer dünnflüssigen Suspension verrührt. Diese Suspension wird auf die nicht abgeklebte Stelle des ITO-Glases gegossen und gleichmäßig verteilt. Durch Schrägstellen tropft überschüssiges Material ab, sodass sich nach dem Trocknen eine sehr gleichmäßige Schichtdicke an Titandioxid ausbildet.
Nach einer Trocknungszeit von 10 min bei Raumtemperatur wird weitere 10 min bei 50 °C im Trockenschrank getrocknet, um die letzten Spuren an Eisessig zu verdampfen. Danach werden die Klebebandstreifen entfernt und evtl. an der Unterseite oder den Rändern anhaftendes Titandioxid mit etwas Küchenpapier entfernt. Damit das Titandioxid am Glas besser haftet, wird auf einer Heizplatte bei 300 – 325 °C für 15 min erhitzt.
Nach dem Erkalten wird das ITO-Glas für 5 min in einen Blattextrakt (Herstellung ist hier beschrieben) gelegt, damit Chlorophyll an dem Titandioxid anhaftet. Danach wird überschüssiger Blattextrakt auf der Rückseite und den Rändern mit einem Küchenpapier entfernt.
Als Kathode wird eine weitere ITO-Glasplatte verwendet. Diese wird mit der leitenden Seite in die Sparflamme des Bunsenbrenners gehalten, so dass sich Ruß abscheidet. Nun wird mit einem Wattestäbchen überschüssiger Ruß entfernt, so dass Ränder mit denselben Maßen wie bei der Titandioxid-Kathode gebildet werden.
Zur Herstellung des Elektrolyten wird 1 mL wasserfreies Glycerin mit einem Körnchen Iod und einer Spatelspitze Kaliumiodid versehen. Ungefähr 10 Tropfen dieser Lösung werden dann auf das Titandioxid aufgebracht und die Kathode auf die Anode gelegt. Damit die Konstruktion nicht verrutscht, werden noch zwei Klammern angebracht.
Unter Belichtung mit einer starken Lichtquelle (z.B. einem Halogenscheinwerfer) kann mittels Multimeter die Spannung und der Kurzschlussstrom gemessen werden.
Entsorgung
Die ITO-Glasplatten können gereinigt und wiederverwendet werden. Das Glycerin-Iod-Gemisch wird als halogenhaltiger Abfall entsorgt.
Erklärung
In einem ersten Schritt führt die Absorption von Licht zur Anhebung zweier Farbstoffmoleküle vom Grundzustand in den angeregten Zustand. Von diesem angeregten Zustand fließen die Elektronen in das Leitungsband des Halbleiters, wodurch das Farbstoffmolekül zurück in den Grundzustand unter Ausbildung eines Elektronenlochs fällt. Die Elektronen fließen aus dem Leitungsband über die Anode und den elektrischen Verbraucher zu der Kathode, wo Iod zu Iodid reduziert wird. Das Elektronenloch im Farbstoffmolekül oxidiert wiederum Iodid zu Iod, es erhält dabei zwei Elektronen, wodurch der Kreis geschlossen ist.
Die maximale Spannung ergibt sich aus der Differenz des Fermi-Levels des Titandioxids und des Redoxpotentials von Iod/Iodid (ca. 0.7 V). Die Stromstärke (also Ladungen pro Leiterquerschnitt pro Zeiteinheit) hängt davon ab, wie viele Farbstoffmoleküle tatsächlich angeregt werden. Außerdem könnte das Elektron aus dem Farbstoff oder dem Titandioxid das Iod direkt reduzieren, wodurch Ladungsträger „verloren“ gehen.
Generell sind aber diese Farbstoffsolarzellen bezüglich Effizienz und Lebensdauer den herkömmlichen Siliziumzellen - noch - weit unterlegen.
Video
Gefährdungsbeurteilung (Gestis-Stoffdatenbank)
Blattextrakt (Ethanol)
Glycerin (kein Gefahrstoff nach GHS)