Technische Universität Berlin, Institut für Chemie
Fakultät II Mathematik und Naturwissenschaften

Die Grätzel Zelle - Die photochemische
Solarenergiewandlung im Vergleich
zur Photovoltaik auf Siliziumbasis

von: Thomas Meyer

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung 3

2 Motivation 3

3 Physikalische Grundlagen 4

3.1 Licht als elektromagnetische Welle 4
3.2 Der Photoelektrische Effekt 6
3.3 Die photovoltaische Energiewandlung mit Siliziumsolarzellen 7

3.3.1 Aufbau und Herstellung 7
3.3.2 Funktionsprinzip 8

3.4 Die photochemische Energiewandlung  10

3.4.1 Aufbau der Grätzel Zelle 10
3.4.2 Funktionsprinzip 11

4 Entwicklungen und Potentiale der Photovoltaik 13

4.1 Ersatzschaltbild und Wirkungsgrad 13
4.2 Untersuchung des Wirkungsgrades der Grätzel Zelle 15
4.3 Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von amorphem und mikrokristallinem Silizium 18
4.4 Die Grätzel Zelle 19

5 Zusammenfassung 22

Literaturverzeichnis
 

1 Einführung

Das Gold des 21.Jahrhunderts heißt Energie.

Das ist der Slogan einer Firma¹, die sich mit neuen Ansätzen der dezentralen Energieversorgung beschäftigt. Er prophezeit die zukünftigen Entwicklungen des Energiemarktes kurz und treffend. Die derzeitigen Bewegungen auf den internationalen Finanzmärkten zeigen, wie sehr die westliche Zivilisation und mit ihr die globale Wirtschaftssituation am Tropf der Öl-exportierenden Nationen hängen. Es ist eine Tatsache, dass die fossilen Brennstoffe in nicht allzu ferner Zukunft erschöpft sein werden. Doch bereits bevor Sie aufgebraucht sein werden, wird deren Verknappung zu einer deutlichen Verteuerung dieses Rohstoffs führen. Die Suche nach Alternativen Energiequellen muss ein Imperativ sein, da zum einen Teile des Rohöls als Ausgangsstoff in der Chemischen Industrie eine nicht unbe- deutende Rolle spielen und zum anderen die vermehrte Verbrennung der fossilen Rohstoffe unvorhersagbare Klimawandlungen zur Folge haben kann.

2 Motivation

Im Rahmen dieser Hausarbeit möchte ich die technischen Entwicklungen als auch die Potentiale der photovoltaischen Sonnenenergienutzung ausarbeiten. Hierbei gehe ich auf die Entwicklungen im Bereich der Solarzellen auf Siliziumbasis im besonderen der Dünnschichttechnik, sowie auf die Entwicklung einer photochemischen Solarzelle nach Grätzel ein. Nach einer Einführung in die physikalischen Grundlagen werde ich aktuelle Entwicklungen dieser Technologien diskutieren.

3 Physikalische Grundlagen

3.1 Licht als elektromagnetische Welle

Das sichtbare Licht ist der Teil der elektromagnetischen Strahlung, der vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Dies entspricht dem Bereich der elektromagnetischen Wellen zwischen 380-780 nm Wellenlänge. Dieses sichtbare Spektrum ist nur ein kleiner Teil des Spektrums der Solarstrahlung. Elektromagnetische Wellen sind gekennzeichnet durch ihre:

Abbildung 1: Licht als transversale Welle [18] [Abbildung in der Downloaddatei vorhanden]

Im Allgemeinen schwingen der elektrische und der magnetische Feldvektor jeweils senkrecht zueinander als auch senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Polarisiertes Licht bedeutet, daß die Feldvektoren jeweils nur in einer Schwingungs- ebene im Lichtstrahl vorkommen. Bei unpolarisiertem Licht überlagern sich alle Schwingungsebenen. Im Vakuum ist die Ausbreitungsgeschwindigeit eine Konstante c0 = 299792458 m/s und unabhängig von der Frequenz der Welle. Trifft die Strahlung jedoch auf Materie, d.h. auf ein Medium mit bestimmten Materialeigenschaften, wie der Permittivität und der Permeabilität, so verringert sich die Geschwindigkeit je nach Material und wird frequenzabhängig. Hierbei bestimmt die Permittivität " die Durchlässigkeit eines Mediums für elektrische Felder und die Permeabilität für magnetische Felder. Es besteht folgender physikalischer Zusammenhang:

[Formel in der Downloaddatei vorhanden] 

Elektromagnetische Wellen sind im Spektrum nach der Wellenlänge sortiert. Insbesondere bei den kurzwelligen Erscheinungsformen der elektromagnetischen

Abbildung 2: Überblick Sonnenspektrum [Abbildung in der Downloaddatei vorhanden]

Wellen, wie beispielsweise der UV Strahlung, eignet sich das oben beschriebene Wellenmodell nicht, um alle beobachtbaren Phänomene zu beschreiben. Vielmehr treten die Teilcheneigenschaften einzelner Photonen, der Quanten der Elektromagnetischen Welle, in den Vordergrund und bestimmen die beobachteten Vorgänge. Im Rahmen dieser Teilchenvorstellung des Lichtes wird jedem einzelnen Photon bestimmter Frequenz eine Energie zugeordnet.

[Formel in der Downloaddatei vorhanden]

Die Proportionalitätskonstante h = 6, 6260755 · 10−35 Js wird als PLANK`sches Wirkungsquantum bezeichnet. Die Korpuskel- bzw. Teilchentheorie des Lichtes wurde auch schon von Isaac NEWTON vertreten, notwendig aber erst als 1887 Heinrich HERTZ und Wilhelm HALLWACHS erstmals den Photoelektrischen Effekt des Lichtes beobachteten und mit der klassischen Wellentheorie nicht erklären konnten. Max PLANCK führte 1900 Versuche zur Untersuchung des Strahlungs- verhaltens ′Schwarzer Körper′ durch und führte dabei die Hilfsgröße h ein, da er davon ausging, daß Strahlung bestimmter Frequenz nur in bestimmten Energiepaketen (2) emittiert bzw. absorbiert werden kann. PLANCK hielt den nichtkontinuierlichen Charakter der Energie zunächst für eine Folge der Eigenschaft der Strahlungsquelle. Erst Albert EINSTEIN postulierte 1905 die Lichtquantenhypothese, die besagt, dass die Quantisierung unabhängig von der Strahlungsquelle eine Eigenschaft des Strahlungsfeldes ist. Anlass dazu waren die experimentellen Ergebnisse zum photoelektrischen Effekt.

3.2 Der Photoelektrische Effekt

[...]

1Vgl. [25]