Die vorliegende Arbeit ermöglicht dem Leser einen Einblick in eine aktuelle Entwicklung im Bereich der Photovoltaik: Zum Zwecke des Energy-Harvestings sollen sich Solarzellen immer mehr in die Umgebung einpassen und auch gestalterische Zwecke erfüllen. Diese Voraussetzungen erfüllen sogenannte Farbstoffsensibilisierte Solarzellen oder Grätzelzellen bei gleichzeitig guter Leistung.
Eine "Einführung in die Photovoltaik" zeigt, warum Halbleiter in der Solarbranche eine vorrangige Rolle spielen und erklärt das Bändermodel, welches für das Verständnis der Wirkungsweise von Halbleitern essenziell ist.
Neben der Erläuterung der Funktionsweise und des Aufbaus einer solchen Farbstoffsensibilisierten Solarzelle, beschäftigt sich die Seminararbeit auch mit der Entstehung der Zelle: Die vom Chemiker Prof. Michael Grätzel entwickelte Solarzelle ahmt die Lichtreaktion eines natürliches Blattes nach. Die Arbeit charakterisiert die Art der bionischen Übertragung des natürlichen Models auf das technische Produkt und zeigt die übertragenen Komponenten vergleichend auf. Der Leser gewinnt hierbei einen detaillierten Eindruck über die Abläufe in der Lichtreaktion der Photosynthese.
Anschließend vergleicht die Arbeit die Zellen mit den altbekannten Solarzellen auf Silizium-Basis (unter Einbeziehung folgender Aspekte: Anspruch an die Reinheit der Ausgangsmaterialien, Umweltwirkung, Wirkungsgrad, Eigenschaften unter schlechten Lichtbedingungen, Langzeitstabilität, gestalterische Möglichkeiten) und gibt einen Ausblick in die Zukunft. Hoerbei wird auch auf den Einsatz als Tandemzellen und auf die Weiterentwicklung eingegangen.
Inhaltsverzeichnis (Table of Contents)
- Die Photovoltaik als Teilbereich des Energy Harvestings
- Grundlagen der Photovoltaik
- Einsatz von Halbleitern
- Bändermodell
- Aufbau und Funktionsweise farbstoffsensibilisierter Solarzellen
- Bionische Grundlage und Anwendungsbereiche farbstoffsensibilisierter Solarzellen
- Verfahrensbionik
- Photosynthese
- Überblick über den Ablauf der lichtabhängigen Reaktion der Photosynthese
- Übertragung der Prinzipien der Photosynthese auf farbstoffsensibilisierte Solarzellen
- Anwendungsbereiche farbstoffsensibilisierter Zellen
- Farbstoffsensibilisierte Solarzellen im Vergleich zu Solarzellen auf Silicium-Basis
- Ausblick in die Zukunft
Zielsetzung und Themenschwerpunkte (Objectives and Key Themes)
Diese Seminararbeit beleuchtet die Funktionsweise und den Aufbau von Farbstoffsolarzellen (FSZ) im Vergleich zu herkömmlichen Siliciumsolarzellen. Dabei wird die Photosynthese als bionisches Vorbild der FSZ erläutert und die Übertragung der Prinzipien in die Technik beschrieben.
- Die Bedeutung der Photovoltaik als Teilbereich des Energy Harvestings
- Die Funktionsweise von FSZ und deren bionisches Vorbild, die Photosynthese
- Der Vergleich von FSZ mit Siliciumsolarzellen in Bezug auf Materialanforderungen, Umweltwirkung, Wirkungsgrad, Langzeitstabilität und Gestaltung
- Der Ausblick auf zukünftige Entwicklungen und Einsatzmöglichkeiten von FSZ
Zusammenfassung der Kapitel (Chapter Summaries)
Das erste Kapitel definiert die Photovoltaik als Teilbereich des Energy Harvestings und stellt die FSZ als ein Beispiel für eine Solarzelle vor, die mithilfe natürlicher Farbstoffe Strom erzeugt. Das zweite Kapitel führt in die physikalischen Grundlagen der Photovoltaik ein, indem es die Verwendung von Halbleitern und das Bändermodell erklärt. Im dritten Kapitel werden der Aufbau und die Funktionsweise von FSZ näher betrachtet.
Das vierte Kapitel befasst sich mit der bionischen Grundlage der FSZ. Es beschreibt die Verfahrensbionik und die Photosynthese als Vorbild für die FSZ. Im fünften Kapitel werden FSZ mit Solarzellen auf Silicium-Basis verglichen, wobei verschiedene Aspekte wie Materialanforderungen, Umweltwirkung, Wirkungsgrad, Langzeitstabilität und Gestaltung beleuchtet werden. Das sechste Kapitel gibt einen Ausblick auf die zukünftige Entwicklung von FSZ und beleuchtet deren Potenzial für eine breite Anwendung.
Schlüsselwörter (Keywords)
Farbstoffsolarzellen, Photosynthese, Verfahrensbionik, Siliciumsolarzellen, Energieharvesting, Umweltwirkung, Wirkungsgrad, Langzeitstabilität, GiPV, Perowskitzellen.
Häufig gestellte Fragen
Was sind farbstoffsensibilisierte Solarzellen (FSZ)?
Farbstoffsensibilisierte Solarzellen, auch Grätzelzellen genannt, sind eine Entwicklung in der Photovoltaik, die natürliche oder künstliche Farbstoffe zur Stromerzeugung nutzen. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich gut in die Umgebung einpassen und gestalterische Zwecke erfüllen können.
Wie funktioniert die bionische Umsetzung der Photosynthese in Grätzelzellen?
Die Grätzelzelle ahmt die Lichtreaktion eines natürlichen Blattes nach. Dabei werden die Prinzipien der Photosynthese auf ein technisches Produkt übertragen, wobei spezifische Komponenten des natürlichen Modells mit technischen Bauteilen verglichen werden können.
Was ist das Bändermodell in der Photovoltaik?
Das Bändermodell ist ein physikalisches Modell, das essenziell für das Verständnis der Wirkungsweise von Halbleitern ist. Es erklärt, wie Elektronen sich in Festkörpern bewegen und wie Energiebarrieren überwunden werden, um elektrischen Strom zu erzeugen.
Wie unterscheiden sich Farbstoffsolarzellen von Silizium-Solarzellen?
Im Vergleich zu Silizium-Zellen haben FSZ andere Anforderungen an die Reinheit der Materialien, bieten bessere Eigenschaften unter schlechten Lichtbedingungen und eröffnen vielfältigere gestalterische Möglichkeiten, weisen jedoch Unterschiede in Wirkungsgrad und Langzeitstabilität auf.
Was bedeutet Energy Harvesting im Zusammenhang mit Solarzellen?
Energy Harvesting bezeichnet die Gewinnung kleiner Mengen elektrischer Energie aus Quellen wie Sonnenlicht, um autarke Systeme in der Umgebung zu speisen. Solarzellen spielen hierbei eine zentrale Rolle zur Energieversorgung direkt am Einsatzort.
Welche Rolle spielt die Verfahrensbionik bei der Entwicklung dieser Zellen?
Die Verfahrensbionik nutzt biologische Prozesse als Vorbild für technische Lösungen. Bei der FSZ dient der chemische Ablauf der Photosynthese als direkte Vorlage für die technische Energiegewinnung.
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- Bastian Schmied (Author), 2014, Farbstoffsensibilisierte Solarzellen. Eine bionische Umsetzung der Photosynthese, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/319600
