In dieser Seminararbeit werde ich die Funktionsweise der Farbstoffsolarzelle erläutern, als auch verschiedene Experimente mit der Farbstoffsolarzelle durchführen, um ihre Einsatzgebiete genauer zu beleuchten und auch ihre Chancen im Gegensatz zu der derzeit weit verbreiteten Solarzelle auf Siliziumbasis zu beurteilen. Die Farbstoffsolarzelle ist eine Solarzelle, welche sich das Prinzip der Photosynthese zunutze macht und Farbstoffe, wie zum Beispiel Chlorophyll anstelle von Halbleitermetallen, wie es in einer normalen Solarzelle zum Einsatz kommt, verwendet. Andere Bezeichnungen für die Farbstoffsolarzelle sind „Grätzelzelle“ und aus dem Englischen „dye sensitized solar cell“ oder kurz „DSSC“, beziehungsweise „DSC“. Erfunden wurde die Farbstoffsolarzelle 1990 vom Schweizer Chemiker Michael Grätzel (*11.05.44), welcher die Farbstoffsolarzelle zwei Jahre später patentieren ließ.
Inhaltsverzeichnis
1 Vorwort
2 Einführung
3 Geschichte
4 Theoretischer Hintergrund
4.1 Licht
4.1.1 Licht als Teilchen
4.1.2 Licht als elektromagnetische Welle
4.2 Photoelektrischer Effekt
4.3 Funktionsweise
4.4 Aufbau
4.4.1 Glas
4.4.2 Graphit
4.4.3 Iod-Kaliumiodid-Lösung
4.4.4Farbstoff
4.4.5 Titandioxid
4.5 Anwendungsgebiete und Aussichten im Vergleich zu Siliziumsolarzellen
5 Experimenteller Teil
5.1 Aufbau der Experimente
5.1.1 LED Scheinwerfer
5.1.2 Anode
5.1.3 Kathode
5.1.4 Farbstoffsolarzelle in den Experimenten
5.2 Farbstoffe
5.2.1 organische Farbstoffe
5.2.1.1 Anthocyane
5.2.1.1.1 Anthocyane - Hibiskusblütentee
5.2.1.1.2 Anthocyane - Johannisbeersaft
5.2.1.1.3 Fazit über Anthocyane
5.2.1.2 Chlorophyll
5.2.2 anorganische Farbstoffe
5.2.2.1 Tinte
5.2.2.2 Filzstift
5.2.2.3 Erklärung
5.3 Vergleich: Siliziumsolarzelle - Farbstoffsolarzelle
5.4 Auswirkungen verschiedener Abstände zur Lichtquelle
5.5 verschiedene Umgebungstemperaturen
5.6 Auswirkungen verschiedener Wellenlängen des Lichts
5.7 Technische Verbesserung: Ersetzung des Bodenglases durch einen Spiegel
6 Resümee
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die Funktionsweise der Farbstoffsolarzelle (Grätzelzelle) durch theoretische Herleitungen sowie praktische Versuchsreihen, um deren Effizienz und Einsatzmöglichkeiten im Vergleich zu konventionellen Siliziumsolarzellen zu bewerten.
- Physikalische Grundlagen des Lichts und des photoelektrischen Effekts.
- Untersuchung verschiedener organischer und anorganischer Farbstoffe als lichtabsorbierende Komponenten.
- Vergleichende Analyse von Farbstoff- und Siliziumsolarzellen unter variierenden Lichtbedingungen.
- Experimentelle Erforschung von Einflussfaktoren wie Abstand, Umgebungstemperatur und Wellenlänge.
- Technische Optimierungsmöglichkeiten, insbesondere durch den Einsatz von Rückseitenspiegeln.
Auszug aus dem Buch
4.3 Funktionsweise
Die Aufgabe des Siliziums in einer konventionellen Solarzelle wird in der Farbstoffsolarzelle von einem Farbstoff, der TCO-Beschichtung und dem Elektrolyt übernommen. Das Funktionsprinzip ahmt die Photosynthese von Pflanzen nach, indem Licht vom Farbstoff aufgenommen und absorbiert wird. Bei diesem Prozess werden Elektronen freigesetzt, die über die TCO-Beschichtung zur Anode geleitet werden. Um dies zu beschleunigen wird Platin oder Graphit als Katalysator eingesetzt. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung in der Farbstoffsolarzelle.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Vorwort: Kurze Erläuterung der Zielsetzung, verschiedene Experimente zur Farbstoffsolarzelle durchzuführen und diese im Vergleich zur Siliziumtechnologie zu bewerten.
2 Einführung: Einführung in das Grundprinzip der Farbstoffsolarzelle als Nachahmung der Photosynthese und Vorstellung der Begrifflichkeiten wie „Grätzelzelle“.
3 Geschichte: Darstellung der historischen Entwicklung, beeinflusst durch die Ölkrise 1973 und die Pionierarbeit von Michael Grätzel.
4 Theoretischer Hintergrund: Erläuterung der physikalischen Grundlagen, insbesondere der Lichtnatur, des photoelektrischen Effekts sowie des technischen Aufbaus der Zelle.
5 Experimenteller Teil: Dokumentation der Versuchsreihen zu verschiedenen Farbstoffen, Umgebungseinflüssen und technischen Modifikationen der Zelle.
6 Resümee: Reflexion über den aktuellen Stand der Technik und das Potenzial der Farbstoffsolarzelle als Konkurrent zu bestehenden Systemen.
Schlüsselwörter
Farbstoffsolarzelle, Grätzelzelle, Photosynthese, Anthocyane, Chlorophyll, Titandioxid, Siliziumsolarzelle, Lichtintensität, elektrische Spannung, photoelektrischer Effekt, Wellenlänge, Solarstrom, regenerative Energien, Katalysator, experimentelle Physik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Funktionsweise und Leistungsfähigkeit der Farbstoffsolarzelle (Grätzelzelle) im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumsolarzellen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf dem physikalischen Aufbau, der Auswahl geeigneter organischer Farbstoffe, der Abhängigkeit der Leistung von Licht- und Umweltfaktoren sowie technischen Optimierungen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, die Effizienz der Farbstoffsolarzelle in verschiedenen Szenarien empirisch zu prüfen und ihre Eignung als Energiequelle zu beurteilen.
Welche wissenschaftliche Methode wurde verwendet?
Es wurde ein experimenteller Ansatz gewählt, bei dem unter kontrollierten Lichtverhältnissen Spannungsabgaben verschiedener Zellkonfigurationen gemessen und grafisch ausgewertet wurden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine theoretische Erläuterung des Funktionsprinzips und einen umfangreichen experimentellen Teil, in dem Anthocyane und Chlorophyll getestet werden.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Typische Begriffe sind Farbstoffsolarzelle, Grätzelzelle, Photosynthese-Prinzip, Lichtabsorption, Spannung und Effizienzvergleich.
Warum schneiden manche Farbstoffe wie Tinte oder Textmarkertinte schlecht ab?
Wie im Kapitel 5.2.2.3 erläutert, fehlt bei diesen Stoffen die notwendige Grenzschicht zur Ladungstrennung, da die organischen Anteile beim Herstellungsprozess (Brennen bei 450°C) zerstört wurden.
Welche Auswirkung hat ein Spiegel auf die Rückseite der Solarzelle?
Durch das Reflektieren des nicht absorbierten Lichts durch die Farbstoffschicht kann die Leistung der Zelle laut den Experimenten im Durchschnitt um etwa 11% gesteigert werden.
Wie verhält sich die Spannung bei steigender Umgebungstemperatur?
Die Messergebnisse zeigen einen linearen Abfall der Leistungsfähigkeit der Farbstoffsolarzelle, wenn die Temperatur erhöht wird.
- Arbeit zitieren
- Daniel Pöllmann (Autor:in), 2013, Die Funktionsweise der Farbstoffsolarzelle, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/264731
