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
1. Die Photovoltaik als Teilbereich des Energy Harvestings
2. Grundlagen der Photovoltaik
2.1 Einsatz von Halbleitern
2.2 Bändermodell
3. Aufbau und Funktionsweise farbstoffsensibilisierter Solarzellen
4. Bionische Grundlage und Anwendungsbereiche farbstoffsensibilisierter Solarzellen
4.1 Verfahrensbionik
4.2 Photosynthese
4.2.1 Überblick über den Ablauf der lichtabhängigen Reaktion der Photosynthese
4.2.2 Übertragung der Prinzipien der Photosynthese auf farbstoffsensibilisierte Solarzellen
4.3 Anwendungsbereiche farbstoffsensibilisierter Zellen
5. Farbstoffsensibilisierte Solarzellen im Vergleich zu Solarzellen auf Silicium-Basis
6. Ausblick in die Zukunft
7. Anhang
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht das Potenzial und die Funktionsweise von farbstoffsensibilisierten Solarzellen (FSZ) unter Berücksichtigung ihres bionischen Vorbilds, der Photosynthese. Dabei wird analysiert, wie diese Technologie im Vergleich zur etablierten Silicium-Technik hinsichtlich Effizienz, Kosten und Umweltwirkung abschneidet.
- Grundlagen der Photovoltaik und Halbleiterphysik
- Aufbau und Funktionsprinzip der Grätzelzelle
- Bionische Abstraktion und die Übertragung der Photosynthese auf technische Systeme
- Vergleichende Analyse von FSZ und Silicium-Solarzellen
- Anwendungsgebiete und zukünftiges Entwicklungspotenzial
Auszug aus dem Buch
4. Bionische Grundlage und Anwendungsbereiche farbstoffsensibilisierter Solarzellen
Obwohl der Begriff „Bionik“ gerne als Kofferwort aus Biologie und Technik gesehen wird, geht er wohl „auf das Wort «bionics» zurück, das der amerikanische Luftwaffenmajor John E. Steele Ende der 60er Jahre auf einem Kongress geprägt hat.“
„Bionik ist wie folgt definiert: Bionik verbindet in interdisziplinärer Zusammenarbeit Biologie und Technik mit dem Ziel, durch Abstraktion, Übertragung und Anwendung von Erkenntnissen, die an biologischen Vorbildern gewonnen werden, technische Fragestellungen zu lösen [...]. Biologische Vorbilder im Sinne dieser Definition sind biologische Prozesse, Materialien, Strukturen, Funktionen, Organismen und Erfolgsprinzipien sowie der Prozess der Evolution.“
Die vorliegende bionische Umsetzung der Photosynthese ist eine Anwendung der Verfahrensbionik, in der „nicht nur natürliche Konstruktionen“ übertragen werden, „sondern [...] auch Verfahren, mit denen die Natur Vorgänge und Umsätze steuert.“ Im Folgenden soll das der FSZ zugrunde liegende Prinzip der Photosynthese erläutert und die bionische Übertragung charakterisiert werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Die Photovoltaik als Teilbereich des Energy Harvestings: Einführung in das Konzept des Energy Harvestings und Verortung der Photovoltaik sowie der farbstoffsensibilisierten Solarzellen innerhalb dieses Feldes.
2. Grundlagen der Photovoltaik: Erläuterung der physikalischen Basis für Solarzellen, insbesondere durch das Bändermodell und den Einsatz von Halbleitern.
3. Aufbau und Funktionsweise farbstoffsensibilisierter Solarzellen: Beschreibung des technischen Aufbaus der FSZ, der Rolle der Titandioxid-Nanopartikel und der Funktionsweise des Redoxelektrolytsystems.
4. Bionische Grundlage und Anwendungsbereiche farbstoffsensibilisierter Solarzellen: Darstellung der Verfahrensbionik, Analyse der Photosynthese als biologisches Vorbild und Untersuchung der Anwendungsbeispiele wie der gebäudeintegrierten Photovoltaik.
5. Farbstoffsensibilisierte Solarzellen im Vergleich zu Solarzellen auf Silicium-Basis: Kritischer Vergleich hinsichtlich Materialreinheit, Umweltwirkung, Wirkungsgrad und Stabilität zwischen der Silicium-Technik und der FSZ.
6. Ausblick in die Zukunft: Diskussion über zukünftige Entwicklungspotenziale, wie die Nutzung organischer Farbstoffe, die Aufskalierung der Module und die Konkurrenz bzw. Synergie mit neuen Zelltypen wie Perowskitzellen.
Schlüsselwörter
Photovoltaik, Energy Harvesting, Grätzelzelle, farbstoffsensibilisierte Solarzellen, FSZ, Bionik, Photosynthese, Silicium-Solarzellen, Titandioxid, Wirkungsgrad, Energieamortisation, Gebäudeintegrierte Photovoltaik, GiPV, Ruthenium, Nachhaltigkeit
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung, Funktionsweise und den Anwendungspotenzialen von farbstoffsensibilisierten Solarzellen (FSZ), auch bekannt als Grätzelzellen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Publikation?
Zentrale Themen sind die physikalischen Grundlagen der Photovoltaik, die bionische Übertragung biologischer Prozesse (Photosynthese) in die Technik sowie der Vergleich mit konventionellen Silicium-Solarzellen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist es, die FSZ als bionisches Produkt zu beleuchten und ihr Potenzial für die moderne Energieversorgung im Vergleich zur etablierten Silicium-Technik kritisch zu bewerten.
Welche wissenschaftliche Methode wurde verwendet?
Die Arbeit nutzt eine literaturbasierte Analyse sowie bionische Abstraktionsprozesse, um das Prinzip der Photosynthese auf technische Solarzellen zu übertragen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die technische Beschreibung der FSZ, die Untersuchung ihrer biologischen Vorbilder, die Analyse ihrer Vorteile/Nachteile gegenüber Silicium-Zellen sowie Anwendungsbeispiele in der Gebäudeintegration.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Kernbegriffe sind Farbstoffsensibilisierte Solarzellen, FSZ, Bionik, Photosynthese, Wirkungsgrad, Grätzelzelle und Nachhaltigkeit.
Wie unterscheidet sich die FSZ technisch von der klassischen Silicium-Solarzelle?
Bei der FSZ sind Ladungstrennung und Transport entkoppelt, wodurch keine extremen Reinheitsgrade wie beim Silicium benötigt werden, was die Produktionskosten senken kann.
Welche Rolle spielt die Bionik bei der Entwicklung dieser Solarzellen?
Die Bionik dient als methodischer Ansatz, um biologische Prinzipien – wie die Lichtabsorption durch Chlorophyll – in technische Konzepte zu übertragen und dadurch neue Lösungsansätze für effizientere Solarzellen zu finden.
- Quote paper
- Bastian Schmied (Author), 2014, Farbstoffsensibilisierte Solarzellen. Eine bionische Umsetzung der Photosynthese, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/319600
