n a n o - s c i e n c e c e n t e rkø b e n h av n s u n i ve r s i t e t

BROMBÆRSOLCELLENIntroduktion, teori og beskrivelse

VELK

OM

MEN

!

I dette hæfte kan du læse baggrunden for udviklingen af brombærsol-cellen og hvordan solcellen fungerer. I løbet af teksten vil du støde på fremhævede ord. Dem kan du slå op i ordlisten på de bagerste sider af hæftet.

INDHOLDSFORTEGNELSE

Brombærsolcellen - en introduktion 2Sådan virker solcellen 31 Glasplader 42 Titandioxid 53 Farvestoffet 64 Elektrolytten 7Ordliste 9

BR

OM

BÆ

RSO

LCELL

EN

- I

NTR

OD

UK

TIO

N Vi bliver flere og flere mennesker på jorden som rejser mere, spiser mere og bygger mere og dermed bruger vi flere og flere ressourcer. Vores forbrug af energi, især fra fossile brændstoffer som olie og kul, er derfor steget med blandt andet afskovning, forurening og tempera-turstigninger til følge. Det er en udvikling mennesker over hele jorden arbejder på at ændre, for eksempel ved at udnytte alternative energi-kilder, der ikke skader naturen i samme omfang som når vi skal have energi fra fossile brændstoffer. Vi kan bl.a. lave jordens varme, havets bølger og solens stråler om til energi. Udviklingen af solceller ved hjælp af nanoteknologi er et eksempel på, hvordan vi bruger ny viden til at producere bæredygtig energi.

Mens vores energiforbrug er blevet større, er den længdeskala vi arbej- der på blevet mindre. Nanoscience og nanoteknologi beskæftiger sig med strukturer, systemer og processer på nanoskala fra 0,1 nanometer til 100 nanometer dvs. at man arbejder med fænomener på atom- og molekyleniveau. Det giver os mulighed for at arbejde med biologiske, fysiske og kemiske strukturer på nanoskala og bruge den viden til fx at udvinde energi fra solens lys. Brug af nanoteknologi og nanoscience var netop nøglen til udviklingen af Grätzelsolcellen.

Et sted i Østrig i slutningen af 1980’erne arbejdede en kemiker ved navn Michael Grätzel i sit laboratorium og han funderede over, hvor-dan man kunne fremstille solceller nemmere og billigere end silicium-baserede solceller, der allerede eksisterede. Han brugte krystaller i na-nostørrelse af materialet titandioxid. På overfladen af titandioxid bliver farvestoffet fra brombær bundet.

Den nye solcelle byggede på principperne bag planters fotosyntese, bortset fra, at solcellen bruger solens energi til at danne elektrisk ener-gi og ikke til at danne sukker (og ilt), som er tilfældet i fotosyntesen. Solcellen var nem at fremtstille i et laboratorium og fik navnet Grät-zelsolcellen efter sin opfinder. Gräztelsolcellen kaldes også brombær-solcellen i daglig tale.

På de følgende sider beskrives hvordan brombærsolcellen virker, og hvilken rolle de forskellige komponenter den er bygget op af spiller.

SÅ

DA

N V

IRK

ER

SO

LCELLE

N

Solcellens formål er at danne elektrisk energi. For at gøre dette, skal solcellen “producere” frie elektroner og være i stand til at transpor-tere dem ud af solcellen og ud i et ydre kredsløb. Frie elektroner er elektroner, der ikke er bundet til et bestemt atom eller molekyle, men er sluppet ud af deres energiniveauer. De grønne tal herunder refererer til, hvor i solcellen den pågældende proces foregår.

Sollys

12

3

4

5

6

7

Farvestofmolekylet starter på den måde hele kredsløbet med at give en af sine elektroner væk og ender hele kredsløbet ved at modtage en elektron.

Gennemsigtig glas anode

Hvidt titandioxidlag

Brombærfarvestof

Elektrolytvæske

Kulstofkatalysator

Gennemsigtig glas katodeFigur 1: Elementerne i brombærsolcellen. Glasplader holder sammen på lagene i sol-cellen og er forbundet til et ydre elektrisk kredsløb. Titandioxidlaget på den ene plade binder brombærfarvestof til sig. På den anden plade er et lag af kulstof, det samme som stiften på en blyant. Resten af rummet mellem de to plader er fyldt med en såkaldt elektrolytvæske, som i dette tilfælde er en iod-opløsning. Elektrolytvæsken kan transportere elektroner.

1. De frie elektroner (grøn prik) produceres i farvestofmolekylerne ved hjælp af sollys.

2. Elektronerne transporteres dernæst fra farvestofmolekylet, gen-nem titandioxidlaget...

3. ... Og hen til den øverste glasplade. 4. Her transporteres elektroner ud til et kredsløb, hvor elektronerne

kan få en pære til at lyse. 5. Elektronerne transporteres fra pæren tilbage til solcellen og ind i

glasplade nr. 2. 6. Herfra fortsætter elektronen ud til elektrolytvæsken - hjulpet på

vej af kulstoflaget. 7. Elektrolytten vil give en elektron til farvestofmolekylet.

1 G

LASPLA

DER

Glaspladerne har også en anden og meget vigtig funktion: De transpor-terer elektroner! Den øverste glasplade transporterer de frie elektroner, som er fanget i titandioxidlaget, videre ud til det elektriske kredsløb.

Nu er glas normalt ikke ledende - dvs. glas kan ikke transportere elek-troner. Men glasset i brombærsolcellen er dækket med en gennem-sigtig metalfilm på den ene side. Metalfilmen leder elektroner utrolig godt. Det betyder, at elektronerne kan transporteres ud af titandioxid-laget og via metalfilmen ud i det elektriske kredsløb. Elektronerne afsætter deres energi i en lampe og fortsætter til den an-den plade i solcellen, som også er dækket af en metalfilm.

Elektronerne ledes fra denne metalfilm ind i elektrolytvæsken ved hjælp af et tyndt kulstoflag, ligesom en blyantstreg. En elektrolytvæske er en væske, der består af molekyler, som er elektrisk ladede – også kaldet ioner.

Pladerne i solcellen er som en burgerbolle, der holder alle lagene sam-men. De er fremstillet i klart glas, for at mest muligt sollys kan nå far-vestoffet inde bag glasset. Jo mere lys der trænger gennem pladerne og ind til brombærfarvestoffet, jo større effekt giver brombærsolcellen.

Gennemsigtig glas anode (-)

Kulstofkatalysator

Gennemsigtig glas katode (+)

Figur 3: Glaspladerne og kulstoflaget i solcellen.

Kulstoflaget hjælper elektrolytvæsken med at tage imod elektroner. Et sådan stof, der hjælper reaktioner med at ske uden selv at blive brugt, kaldes en katalysator. Kulstoflaget fungerer altså som en katalysator.

Sollys

12

3

4

5

6

7

Figur 4: Her er der specielt lagt fokus på den proces, hvor elektrolytten får tilført en elektron. Dette sker med hjælp fra kulstoflaget. Numrene refererer til punkterne på foregående side.

2 TITAN

DIO

XID

Titandioxid, eller TiO2, er det hvide pigmentstof, der bruges i både tandpasta, solcreme og hvid maling; og altså også i solceller. Titandi-oxid-laget er et hvidt lag i solcellen, der sidder på den ene glasplade. På titandioxidlaget er farvestofmolekyler fæstnet.

Titandioxid er opbygget som krystaller. I en krystal er ionerne ordnet i et gitter – på samme måde som køkkensalt NaCl. I brombærsolcel-len består titandioxidlaget af enkeltkrystaller på mellem 10 og 50 nm i diameter. De krystaller kalder vi pga. størrelsen nanokrystaller. Når kry-stallerne er så små, kan de binde meget mere af farvestoffet på over-fladen. Det er derfor meget vigtig, at solcellen er lavet af nanokrystaller så den kan fange så meget sollys som muligt.

Kemiske reaktioner foregår på overfladen af materialer. Derfor betyder størrelsen af overfladen meget for, hvor effektivt/hvor godt et mate-riale reagerer med andre – hvor reaktivt materialet er. Forestil dig at materialer består af runde kugler. Jo mindre kuglerne er, jo større er andelen af materialet, som er på overfladen. Derfor er mange nanopar-tiker meget mere reaktive end større partikler af det samme materiale. Hvis vi bruger partikler på 10 nanometer i stedet for partikler på 1 mi-krometer bliver overfladen 100 gange større.

Når titandioxidlaget har en meget stor overflade, betyder det, at der kan sidde mange farvestofmolekyler fast. Dette er vigtigt. Jo flere far-vestofmolekyler, der er i solcellen, desto mere elektrisk energi produce-rer solcellen. Titandioxidlaget fungerer også som transportvej for elek-troner mellem farvestofmolekylerne og det tilsluttede kredsløb.

I farvestofmolekylerne dannes nemlig frie elektroner, når sollyset ram-mer. For at solcellen kan lave elektrisk energi, skal de frie elektroner transporteres ud i et kredsløb. Men for at gøre dette, skal elektronerne have et materiale mellem farvestoffet og kredsløbet at blive transpor-teret i. Dette materiale er titandioxid.

Farvestoffet overfører altså sine frie elektroner til titandioxidlaget. Her-fra transporteres elektronerne ud til kredsløbet, hvor de danner en strøm. Det er vigtigt, at der er fuldstændig kontakt mellem farvestoffet og titandioxidlaget så elektronerne kan overføres.

Hvidt titandioxidlag

Figur 5: Titandioxidlaget i solcellen.

Figur 6: Titandioxidlagets overflade med farvestofmolekyler på. Til højre ses elek-tronernes vej igennem titaniumdioxlidlaget fra farvestoffet og ud i el-kredsløbet.

3 FA

RV

ESTO

FFET

Solcellen skal kunne opfange sollys, før den kan danne elektrisk energi. For at opfange lyset indeholder sol-cellen et farvestof - i dette tilfælde farvestoffet fra brombær. Vi bruger brombær, fordi der er en høj kon-centration af farvestoffet.

Farvestofmolekylet i solcellen fun-gerer som en slags modtageranten-ne for sollyset. Farvestoffet modta-ger altså sollyset som en almindelig antenne vil modtage radiosignaler.Farvestofmolekylet i brombærsaft er, ligesom alle andre molekyler, opbygget af atomer. Atomer be-står af en positivt ladet atomkerne med negativt ladede elektroner i bestemte energiniveauer svævende rundt omkring atomkernen. Et kul-stofatom har fx 6 elektroner og et hydrogenatom kun én elektron.

Brombærfarvestof

Figur 7: Farvestoflaget i solcellen.

Farvestofmolekylets atomer modtager solstrålers energi ved, at de ab-sorberer energien fra de solstråler, som rammer dem. Energien fra lyset rammer faktisk atomets elektroner, som vil opnå meget højere energi end normalt: Vi siger, at elektronen er blevet anslået eller exci-teret.

Figur 8: Forskellen på et atom og et molekyle.

3 FAR

VESTO

FFET

- FOR

TSA

T

Med denne høje energi vil elektronen springe ud i nogle af atomets yderliggende energiniveauer. Det er det figuren ovenfor viser. Hvis el-ektronen får tilført en høj nok energi fra sollyset, vil elektronen helt forlade atomet.

Dette sker i brombærrets farvestofmolekyle:

Sollys

Exciteret elektron

Figur 9: Her ses en elektron i et atom, der er ramt af sollys (Elektronerne er vist som blå kugler, den røde kugle i midten er atomkernen). Elektroner bliver exciteret af sollyset (billedet til venstre) og får en højere energi, og flyttes dermed op i en af de ydereliggende elektronskaller (billedet i midten). På et tidspunkt vil elektronen falde tilbage til sin oprindelige plads under afgivelse af energi.

En elektron får tilført en så høj energi fra sollyset, at den helt forlader sit atom og bliver til en fri elektron. Dette er nyttigt i solcellen, da den frie elektron kan udnyttes til at skabe elektrisk energi.

Sollys Fri elektron

Figur 10: Excitationen inde i brombærsolcellen

4 E

LEK

TRO

-LY

TTENElektrolyt

Figur 11: Elektrolytlagets placering i solcellen

En elektrolyt er en væske, der består af ioner dvs. molekyler, der er elektrisk ladede (de kan være positivt eller negativt ladet). Ionerne i væsken kan afgive elektroner, og dette udnytter vi i solcellen.

Når en fri elektron fra et farvestofmolekyle bevæger sig fra farvestof-molekylet og over i titandioxidlaget, mangler farvestofmolekylet en elektron og kan ikke ”producere” flere frie elektroner, før den har fået ”fyldt” en elektron på igen.

4 E

LEK

TRO

LYTT

EN

- F

OR

TSA

T+

Farvestoffet mangleren elektron

Figur 12: Illustration af hvordan farvestofmolekylet mangler en elektron, efter det har afgivet den frie elektron. Farvestofmolekylet kan ikke afgive flere elektroner, før det er blevet ‘genladt’.

Elektrolyt og farvestofmolekyle fungerer lidt som en revolver: Efter en revolver har affyret et skud, er den nødt til at blive genladt med en ny patron, før at den kan skyde igen. På samme måde skal farvestofmole-kylet genlades med en elektron, før det kan ”skyde” frie elektroner ud igen, når sollyset rammer det. Sollyset svarer til krudtet/energien, der sender elektronen/kuglen afsted. Det er elektrolytten, der sørger for at genlade farvestofmolekylerne ved at afgive elektroner til det.

En elektron fra elektrolytvæsken “genlader” farvestof-molekylet

Figur 13: Illustration viser processen, hvor farvestoffet bliver ‘genladt’ med en elek-tron. En elektron overføres fra elektrolytvæsken og over i farvestofmolekylet. Den første elektron er på vej videre i kredsløbet.

OR

DLIS

TE

absorbere optage i siganode solcellens negative elek-

trodeelektrisk kredsløb netværk af elektriske kom-

ponenter sat sammen i le-dende forbindelse med hi-nanden

elektrisk ladede partikler (fx elektroner, atomer, molekyler), der bærer en positiv eller neg-ativ ladning

elektrolyt væske, som indeholder frie, elektrisk ladede par-tikler og derfor kan lede en elektrisk strøm

elektrode kontaktpunkt i det elek-triske kredsløb, som led-ningen tilsluttes

elektron den negativt ladede par-tikel, som sammen med protoner udgør de basale grundbyggesten for alle atomer

elektronskaller elektronernes baner om-kring atomkernen. I de ydereliggende elektron-skaller har elektronerne højere energi

frie elektroner elektroner, som er fri til at bevæge sig, fordi de ikke længere er bundet til den atomkerne de kom fra

gitter regelmæssig struktur, hvor de positive og nega-tive ioner vil ordne sig i et mønster

ioner atomer eller molekyler med en positiv eller nega-tiv ladning

katode solcellens positive elek-trode

katalysator atom eller molekyle, som uden at blive forbrugt kan få en kemisk reaktion til at forløbe hurtigere

krystal konfiguration af atomer i en ordnet gitterstruktur

ledende et materiale er ledende, hvis der kan løbe en elek-trisk strøm igennem det

molekyle samling af atomer bun-det sammen med kemiske bindinger

pigmentstof uopløselige partikler, som giver en opløsning sin farve

proton sammen med elektronen den anden essentielle byg-gesten for alle atomer og molekyler

reaktion proces, hvori indgående stoffer bliver omdannet til stoffer med andre egen-skaber

OR

DLI

STE

- F

OR

TSA

T

n a n o - s c i e n c e c e n t e rkø b e n h av n s u n i ve r s i t e t

Rikke Bøyesen redaktørRikke Bøyesen, Gitte Frandsen, Kasper Nørgaard, SCIENCE Skoletjenesten tekstAsmus Ougaard Dohn, Toke Wahl Fritzemeier layout

Udviklet i samarbejde med gymnasielærer Mikkel Rønne,gymnasielærer Marianne Johansson, skolelærer Karin Horsted Berg,skolelærer Hans-Peter Borregaard og formandfor DFKF Storkøbenhavn Erland Andersen

Nano-Science Center www.nano.ku.dk2010

Se mere om nanoscience og flere øvelser på www.nanotek.nu