Die Funktionsweise der Farbstoffsolarzelle

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

7 Quellenverzeichnis

1 Vorwort

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.

2 Einführung

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 ließ¹.

3 Geschichte

Die Ölkrise von 1973 hat Michael Grätzel dazu animiert sich auf die Suche nach neuen, alternativen Energiequellen zu machen, wodurch er sich als Forschungsgebiet die Solarenergie auserwählt hat. In den 1980er Jahren fiel der nominale Ölpreis auf 4 Dollar/Barrel². Durch diese niedrigen Preise wäre es nicht nötig gewesen die Suche nach alternativen Energiequellen weiterzuführen, jedoch hat Grätzel durch sein großes Durchhaltevermögen ein revolutionäres System entwickelt: Die Grätzelzelle. Durch die steigenden Ölpreise in den letzten Jahren werden alternative Energiequellen immer wichtiger, wodurch der Farbstoffsolarzelle immer mehr an Bedeutung zugeschrieben werden muss.

4 Theoretischer Hintergrund

4.1 Licht

Licht ist für uns unabdinglich. Es ermöglicht uns zu sehen und uns im Raum zurechtzufinden. Es agiert auch als Transortmittel für die Energie der Sonne zur Erde. Würde uns die Sonne nicht ständig mithilfe des Lichts mit neuer Energie versorgen, wäre kein Leben auf der Erde möglich. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts erstreckt sich von 380nm bis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Interferenzmuster beim Doppelspaltexperiment

780nm. Genauer betrachtet stellen sich viele Fragen über das Licht; vor allem was ist Licht eigentlich?

4.1.1 Licht als Teilchen

Schwächt man Licht stark ab und führt das Doppelspalt-Experiment durch, so stellt man fest, dass Licht körnig ist, da die Photonen sich wie Teilchen verhalten und nur direkt hinter den Schlitzen beobachtbar sind³.

4.1.2 Licht als elektromagnetische Welle

Führt man ein Experiment durch, in dem ein Doppelspalt mit Licht bestrahlt wird, stellt man fest, dass sich auf einem Schirm hinter dem Doppelspalt ein Interferenzmuster abbildet (Abbildung 1: Interferenzmuster beim Doppelspaltexperiment). Dadurch wird bewiesen, dass Licht ebenfalls als Welle auftreten kann. Bei dieser Welle handelt es sich um eine transversale Welle bei der die Vektoren des elektrischen und magnetischen Feldes im 90° Winkel aufeinander stehen⁴.

4.2 Photoelektrischer Effekt

Der Photoelektrische Effekt besteht darin, dass Elektronen in einem Material freigesetzt werden, wenn dieses von elektromagnetischer Strahlung getroffen wird. Wird nun ein Material mit einer elektromagnetischen Welle bestrahlt, so werden Elektronen freigesetzt, wenn das eintreffende Photon die sogenannte Austrittsarbeit verrichtet⁵.

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 Farbstoffsolarzelle⁶.

4.4 Aufbau

Im Folgenden wird der Aufbau der Farbstoffsolarzelle erklärt (Abbildung 2: Schematischer Aufbau einer Farbstoffsolarzelle):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Schematischer Aufbau einer Farbstoffsolarzelle

4.4.1 Glas

Die Glasscheibe bildet eine physikalische Barriere, die die gesamte Grätzelzelle zusammenhält. Es ist dabei wichtig, dass die Glasscheibe möglichst viele Teile des Lichtes durchlässt und nicht absorbiert. Die Absorption von Licht führt zu einer Erwärmung der Farbstoffsolarzelle (5.5 verschiedene Umgebungstemperaturen). Eine Reflexion eines Lichtteils führt dazu, dass der Grätzelzelle weniger Licht zur Verfügung steht und ist somit weniger leistungsfähig ist. Wenn die Lichtdurchlässigkeit der Farbstoffsolarzelle keine Rolle spielt - wie zum Beispiel bei auf Dächern montierten Farbstoffsolarzellen - wäre eine Reflektion des Lichtes an der unteren Glasplatte leistungssteigernd, da Lichtwellen, die beim ersten Durchlaufen der Farbstoffsolarzelle nicht durch den Farbstoff absorbiert wurden, nochmals die Farbstoffsolarzelle durchlaufen und nicht verloren gehen.

4.4.2 Graphit

Das auf die Glasscheibe aufgetragene Graphit dient als Katalysator. Die Elektronen die aus dem Stromkreis an der oberen Zinnoxidschicht ankommen werden durch das Graphit schnell in den Elektrolyten geschickt. Ohne die Graphitschicht würde dieser Vorgang zu lange dauern^{7 8}.

4.4.3 Iod-Kaliumiodid-Lösung

Die Iod-Kaliumiodid-Lösung agiert als Elektrolyt und ermöglicht einen Transport der losgelösten Elektronen zwischen den beiden Elektroden. Die Iod-Kaliumiodid-Lösung liegt in einer I2/Kl Konzentration von 0,2/0,5 M vor.

4.4.4Farbstoff

Wenn Licht auf den Farbstoff trifft, werden aus diesem Elektronen herausgeschlagen und dies führt zu einem Ungleichgewicht der Ladungen, wodurch Spannung entsteht. Ein Problem stellt die Kurzlebigkeit des Farbstoffes dar, da dieser meist bereits nach kurzer Zeit ausbleicht und nicht mehr funktionsfähig ist⁹.

4.4.5 Titandioxid

Das Titandioxid ist auf der Anode aufgebracht und bildet eine nanoporöse Schicht. Dadurch vergrößert sich die Fläche auf der sich Farbstoffe festsetzen können und dies erhöht die Effizienz der Farbstoffsolarzelle. Die optimale Dicke dieser Titandioxidschicht beträgt 15 µm¹⁰.

4.5 Anwendungsgebiete und Aussichten im Vergleich zu Siliziumsolarzellen

Die Vorteile der Farbstoffsolarzelle gegenüber konventionellen Siliziumsolarzellen liegen klar auf der Hand. So belaufen sich die Herstellungskosten für eine Farbstoffsolarzelle nur auf einen Bruchteil der Herstellungskosten einer Siliziumsolarzelle. Ein wichtiger Aspekt bei den Herstellungskosten ist auch die große Menge an Energie, die die Herstellung einer Siliziumsolarzelle im Gegensatz zur Farbstoffsolarzelle benötigt. Um zu beurteilen, ob die Effizienz der Farbstoffsolarzelle ein Vorteil oder ein Nachteil ist, muss gesagt werden, dass die Effizienz einer Farbstoffsolarzelle bei schwachem Licht ungefähr doppelt so groß ist wie die einer Siliziumsolarzelle. Bei intensivem Licht jedoch ist die gewonnene Energie der Siliziumsolarzelle deutlich über den Werten der Farbstoffsolarzelle (5.3 Vergleich: Siliziumsolarzelle - Farbstoffsolarzelle). Für die effiziente Stromgewinnung, wie zum Beispiel in Solarparks, ist - derzeit - der konventionellen Siliziumsolarzelle Vorrang zu gewähren. Will man jedoch auch das Tageslicht in Räumen nutzen, um zum Beispiel kleine elektronische Steuerungen zu betreiben, so sollte man auf die Farbstoffsolarzelle setzen.

[...]

¹ vgl. Dokumentation von Science Suisse über die Farbstoffsolarzelle

² Wikipedia, die freie Enzyklopädie

³ Vorlesung an der LMU München von Prof. Dr. Ferenc Krausz

⁴ Vorlesung an der LMU München von Prof. Dr. Ferenc Krausz

⁵ Meyer, T.: Die Grätzelzelle - Die photochemische Solarenergiewandlung im Vergleich zur Photovoltaik auf Siliziumbasis, S.6

⁶ Science Forum der Universität Siegen, S.5

⁷ Science Forum der Universität Siegen, S.5

⁸ Meyer, T.: Die Grätzelzelle - Die photochemische Solarenergiewandlung im Vergleich zur Photovoltaik auf Siliziumbasis, S.12

⁹ Vorlesung an der LMU München von Prof. Dr. Ferenc Krausz

¹⁰ Macht, B. Degradationsprozesse in Ru(bpca)2(NCS)2-sensibilisierten Farbstoffsolarzellen auf Titandioxidbasis, Kapitel 2, Seite 18