Realisierung einer organischen bzw. Farbstoffsolarzelle

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Themenfindung
1.2 Geschichte der Farbstoffsolarzelle

2. Funktionsweise
2.1 Aufbau
2.2 Reaktionen

3. Vorgehensweise
3.1 Material
3.2 Versuch

4. Ergebnisse
4.1 Ergebnisse der Versuche
4.2 Anleitung zu einer einfachen und günstigen Farbstoffsolarzelle

5. Fehler und Ungenauigkeiten

6. Literaturverzeichnis

7. Abbildungsverzeichnis

8. Selbstständigkeitserklärung

9. Anhang

1. Einleitung

1.1 Themenfindung

Ich hatte mich mit einem Bekannten, den ich bei Jugend forscht kennen gelernt hatte, über Solarzellen unterhalten, da diese durch die energieaufwendige Siliziumherstellung erst nach etwa 4 Jahren ihre CO2-Emission wieder eingespart bzw. die Energierücklaufzeit überwunden haben. Er berichtete mir von seinem Projekt, indem er eine Grätzelzelle im Bezug auf den Wirkungsgrad verschiedener Farbstoffe untersuchen wollte. Das Thema der organischen Solarzelle interessierte mich auch und als bei der Themenfindung für die Facharbeit dieses Thema zur Sprache kam, war mir klar, dass ich es gerne übernehmen würde. Ich wollte zuerst eine „echte“ organische Solarzelle bauen. Dies würde allerdings nur auf die Synthese verschiedener leitender Polymere hinauslaufen. Deshalb entschloss ich mich, eine Farbstoffsolarzelle zu bauen. Diese ist allerdings keine rein organische, sodass ich das Thema von ursprünglich „Realisierung einer organischen Solarzelle“ zu „Realisierung einer organischen bzw. Farbstoffsolarzelle“ anpasste.

1.2 Geschichte der Farbstoffsolarzelle

Nachdem einige Probleme der herkömmlichen Siliziumsolarzellen auftauchten, vor allem aber die recht lange Zeit von über 10 Jahren, um die teure Anschaffung rentabel zu machen, suchten die Forscher nach alternativen Möglichkeiten die Solarenergie nutzbar zu machen. Dabei versuchte man auch das Beispiel der Pflanzen, welche die Sonnenenergie zur Fotosynthese nutzen, nachzuahmen. Man erkannte, dass manche Farbstoffe, z.B. Chlorophylle, durch Photoanregung Elektronen abgeben können und somit elektrische Energie zur Verfügung stellen.

Ein Professor der Technischen Hochschule Lausanne (Schweiz) namens Michael Grätzel fand eine Möglichkeit, welche er 1991 in der Zeitschrift „Nature“ als „solarähnliche organische Photovoltaik“ (Nature, 1991, S.73) bezeichnete. 1992 bekam er das Patent auf die nach ihm benannte Grätzelzelle, welche im Labor immerhin 11,2% der zugeführten Energie umwandelte. Dies ist zwar im Vergleich mit den herkömmlichen Siliziumzellen, welche etwa 25% nutzen, recht wenig, jedoch gibt es Vorteile im Bereich der Herstellung und Kosten.

Auch das Einsatzgebiet der Solarzellen wurde vergrößert, da die Flexibilität deutlich höher ist und die Materialstärke herabgesetzt bzw. die Transparenz erhöht werden konnte.

Dies liegt nicht nur daran, dass die verwendeten Materialien weniger rein und auch insgesamt nicht so teuer sind, sondern vor allem an der Erfindung leitender und halbleitender Polymere. Dafür erhielten Alan Heeger, Alan MacDiarmid und Hideki Shirakawa im Jahr 2000 den Nobelpreis. Damit ist es nun möglich nicht nur organische Solarzellen, sondern auch Farbstoffsolarzellen als dünne Folien herzustellen oder sogar auf beliebige Oberflächen zu drucken. Es könnte also bald möglich sein, Kleidung, Häuser und auch Fenster mit integrierten oder aufgedruckten Solarzellen auszustatten und so eine größere Fläche zu erreichen. Laut BOSCH soll dies bereits 2015 praktisch eingesetzt werden. BOSCH, MERCK, BASF, Schott und die Bundesregierung stellten zusammen 360 Millionen Euro zur Verfügung, um die Organische Photovoltaik zu optimieren.

(Informationen von www.ise.fraunhofer.de )

Abb.1: Erste praktische Anwendung der Farbstoffsolarzelle auf einem Rucksack. Das geringe Gewicht, sowie die Flexibilität, bieten hier große Vorteile gegenüber herkömmlichen Solarzellen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2. Funktionsweise

2.1 Aufbau

Die Grätzelzelle ist relativ einfach aufgebaut. Zwischen zwei Elektroden, welche vorwiegend aus TCO-Glas („transparent conductive oxide“) oder Kunststofffolien bestehen, befindet sich ein Halbleiter. Die Elektroden müssen für die Funktion lediglich transparent und elektrisch leitfähig sein. Der Halbleiter, meist Titandioxid, wird mit einem photoaktiven Farbstoff getränkt und zusätzlich ein Elektrolyt, meist Iod-Kaliumiodid-Lösung, zugefügt. Titandioxid wird deshalb verwendet, da es leicht als äußerst poröser Nanofilm aufgetragen werden kann, wodurch eine große Oberfläche entsteht, welche wiederum für die Anlagerung und Elektronenabgabe der Farbstoffe wichtig ist. Auf eine der Elektroden wird außerdem ein Katalysator aufgetragen, vorwiegend Graphit, aber auch Platin, um den Elektrolyt schneller in die Ausgangsform zurück zu überführen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2: Schematischer Aufbau der Farbstoffsolarzelle

2.2 Reaktionen

Im Gegensatz zu den Siliziumzellen, bei dem das Silizium den Strom leitet und die Elektronen direkt zur Verfügung stellt (nach Sonneneinstrahlung), werden bei der Grätzelzelle verschiedene Materialien eingesetzt, welche folgende Aufgaben übernehmen:

1. Zuerst gelangen die Lichtquanten, durch die transparente Elektrode, auf das Farbstoffmolekül (Fa). Dieses wird angeregt und ein Elektron auf ein höheres Energieniveau gebracht.
2. Halbleiter haben materialspezifisch und je nach Temperatur abhängige Abstände von Leitungs- und Valenzband. Je nach Umstand leiten oder isolieren sie, daher der Name Halbleiter. In diesem Fall befinden sich die angeregten Elektronen des Farbstoffmoleküls leicht oberhalb des Leitungsbandes des Titandioxids. Beim Übertreten der Elektronen in das Titandioxid „fallen“ sie gewissermaßen aus dem angeregten Zustand. Durch das Titandioxid gelangen die Elektronen, sofern sie nicht zurück auf das Farbstoffmolekül übergegangen sind, zur Anode. Dies ist heutzutage bei einem guten Farbstoff zu etwa 90% der Fall.
3. Damit das Elektron nicht zum Farbstoffmolekül zurückkehrt, wird dem Farbstoffmolekül ein anderes Elektron aus der Elektrolytlösung übertragen. Dabei wird Iodid aus der Elektrolyt-Lösung zu Triiodid reduziert.
4. Die Elektronen fließen nun von der Anode zur Kathode, wobei sie durch einen Verbraucher geleitet werden und dort Arbeit verrichten können. Von der Kathode gehen die Elektronen wieder auf den Elektrolyten über. Dies wird durch den Katalysator erleichtert.
5. Damit das System wieder in die Ausgangssituation gebracht wird, muss das Triiodid wieder zu Iodid werden. Dazu werden an der Kathode Elektroden an das Triiodid abgegeben. Dies wird durch den Katalysator zusätzlich erleichtert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.3: Zusammenfassung der Reaktionen in der Grätzelzelle

3. Vorgehensweise

3.1 Material

Die Besorgung des Materials bereitete zunächst einige Schwierigkeiten. Denn ich wollte eigentlich alles selber machen. Dazu besorgte ich mir einige Anregungen aus dem Internet, welche das Herstellen von TCO-Glas möglich machten. Die Materialien dazu entnahm ich der Anleitung:

„Chemikalien: Antimon(III)-oxid, Zinntetrachlorid-Pentahydrat, Methanol, konz. Salzsäure (als Lösung vorbereitet)“ (Uni Bayreuth)

Das Antimonoxid konnte ich jedoch leider nicht besorgen und auch mein Chemielehrer Herr Schwarz konnte mir das Antimonoxid, aus Kostengründen, nicht zur Verfügung stellen.

Deshalb musste ich leider auf fertiges TCO-Glas zurückgreifen. Dies war jedoch

leichter gesagt als getan. Denn die Firmen, welche TCO-Glas herstellen, konnten oder wollten mir keine Probe zur Verfügung stellen. Zunächst schrieb ich die Betreiber folgender Seiten an:

www.precision-coating.de

www.mitsui.de

www.ersol.de

www.oerlikon.com

www.bionik-sigma.de www.solaronix.com www.pilkington.com www.fz-juelich.de www.pgo-online.com

sowie später die Firmen Schott und Bosch.

Lediglich die letzte Firma, nämlich PGO (Präzisionsglas & Optik), war sehr freundlich, antwortete schnell, und bot mir eine Probe an. Die anderen antworteten mit Standartantworten und Verweisen, dass sie mir nicht helfen könnten. Deshalb war es leider nicht möglich, eine klassische Farbstoffsolarzelle zu bauen, doch ich dachte mir, dass eine transparente Elektrode ausreichen würde. Ich überlegte mir, dass Aluminiumfolie günstig und leitend ist. Diese wollte ich als zweite Elektrode verwenden. Sie ist auch hitzebeständig, denn das Titandioxid, welches ich noch in meiner Cemikalientonne hatte (Hans Wolbring GmbH, Keramische Farben), sollte nicht lange gesintert, sondern über dem Brenner kurz aber bei hoher Temperatur behandelt werden. Erste Versuche dazu verliefen recht positiv, obwohl ich dort die Titandioxidpaste, da keine Salzsäure vorhanden war, mit Phosphorsäure und Ethanol angerührt hatte. Dennoch zeigte sich, dass gesintertes Titandioxid recht unflexibel und daher nicht für Folien geeignet ist, da es dort brüchig wird. Aus diesem Grund wurde eine einfache haltbare Lösung gesucht. Als Elektrolyt wollte ich Iod-Kaliumiodid benutzen. Dies war aber bei einem vorläufigen Versuch nicht vorhanden, sodass ich eine Natriumchloridlösung benutzte. Da dies erfolgreich war, wollte ich nun nicht nur die Farbstoffe sondern auch den Elektrolyt wechseln.

[...]