Die Grätzelzelle als Unterrichtsgegenstand

Stephan Stuckenschneider

Karlsruhe, 26.09.2009

Gliederung

1. Einleitung

2. Fachwissenschaftlicher Aspekt zur Grätzelzelle2.1 Aufbau der Grätzelzelle2.2 Funktion der Grätzelzelle

3. Die Grätzelzelle als Unterrichtsgegenstand3.1 Herstellung der Grätzelzelle3.2 Planung der Experimente3.3 Ausgewählte Experimente3.4 Weiterführende Experimente3.5 Bewertung der Grätzelzelle

4. Potential der Experimente4.1 Aufbau der Lernkompetenz 4.2 Weitere Potentiale

5. Potential der Bionik für den Technikunterricht

6. Literatur

1. Einleitung

Ziel der allgemein bildenden Schulen:

Ziel / Beitrag des Technikunterrichts:

Wie kann der

Technikunterricht diesem entgegenwirken?

Kinder in intellektueller, emotionaler und physischer Hinsicht auf die von

Natur, Gesellschaft und Technik geprägte Welt vorzubereiten.

Schaffung einer Orientierungs- und Lebenshilfe, im Sinne einer

humanistischen Bildung, zur theoretischen Durchdringung und praktischen Bewältigung

einer von Technik geprägten Welt.

Nachhaltige Lernprozesse

PISA:„Schwierigkeiten bei der Anwendung von Wissen“

2. Definition - Grätzelzelle

- Erfinder: Michael Grätzel (1991 patentiert)

- Bionische Entwicklung im Bereich der Photovoltaik die der Verfahrensbionik zugeordnet ist

Farbstoffsolarzelle basierend auf dem Prinzip der pflanz.

Photosynthese

Ausgangspunkt für die Entwicklung

der Grätzelzelle

Lichtabsorption im

Chloroplast

Chemische Energie

(Glucose)

Ladungstrennungund Elektronentransport

2.1 Aufbau der Grätzelzelle

• 2 TCO-Glasplatten (transparent conductive oxide)

• Nanokristalline Titandioxid-Schicht

• Farbstoff

• Iod-Kaliumiodid-Lösung (Elektrolyt)

• Katalysator (Graphit) Abb.1: Aufbau der Grätzelzelle[vgl. Duden Paetec]

2.2 Funktion der Grätzelzelle

• Elektronenanregung durch Lichteinfall im Farbstoff

• Energetische Anhebung des Elektrons

• Elektronenfluss von der Anode zur Kathode

• Redox - Reaktion im Elektrolyt durch eintreffende Elektronen

Ausgangszustand

Abb.2: Funktion der Grätzelzelle[vgl. Universität Bayreuth]

3. Die Grätzelzelle als Unterrichtsgegenstand

3.1 Herstellung der Grätzelzellea. Herstellung der Photoelektrode

Abb.3.: AbgeklebteTCO-Platte [eigenes Foto]

Abb.4: Aufbringen derTitandioxidlösung [eigenes Foto]

Abb.5: Verteilen derTitandioxidlösung [eigenes Foto]

Abb.6: Sintern der Titandioxidlösung[eigenes Foto]

(1) Bestimmung der elektrisch leitfähigen Seite der TCO-Glasplatte

(2) Elektrisch leitfähige Seite der Glasplatte am Rand abkleben

(3) Auftragen und Verteilen der Titandioxid-Lösung

(4) Sinterung der Titandioxidlösung

3.1 Herstellung der Grätzelzelle

(5) Sensibilisierung der TiO2 Schicht

Abb.7: Hibiskusblüten[eigenes Foto]

Abb.8: Hibiskustee[eigenes Foto]

Abb.9: Hibiskusteesensibilisierte Photoelektrode [eigenes Foto]

1. Vorbereitung der Farbstofflösung (Hibiskusfarbstoff)

2. Einfärben der Titandioxidschicht

3. Abspülen des überflüssigen Farbstoffes und Trocknung

b. Herstellung der Gegenelektrode(1) Bestimmung der elektrisch

leitfähigen Seite

3.1 Herstellung der Grätzelzelle

Abb.10: Gegenelektrode[eigenes Foto]

Abb.11: Fertige Elektroden[eigenes Foto]

Abb.12: Auftragen desElektrolyten [eigenes Foto]

Abb.13: Fertige Grätzelzelle[eigenes Foto]

c. Zusammenbau der beiden Elektroden

(2) Auftragen der Graphitschicht (B-Minen Bleistift)

(1) Auftragen der Elektrolytlösung (1-2 Tropfen)

(2) Photoelektrode und Gegenelektrode versetzt aufeinander legen und fixieren

3.2 Planung der Experimente

a. Berücksichtigung des experi-mentellen Algorithmus:

(1) Aufgabe mit Fragestellung(2) Versuchsvorbereitung(3) Versuchsaufbau(4) Durchführung und Auswertung(5) Erkenntnis

Saxler (1992): Systematische Schritte für ein entdeckendes Lernen

Meyer (2007): Ganzheitlicher und schülerzentrierter Unterricht

Abb.14: Arbeitsblattbeispiel [eigener Entwurf]

3.2 Planung der Experimente

b. Materialen und Hilfsmittel:

Führungsstange

Ablagefläche

230 V Stromversorgung mit Dimmvorrichtung

- Grätzelzellen - Multimeter - Luxmeter - Krokodilklemmen

- Versuchsapparatur

Höhenverstellbarer 150W Halogenstrahler

Abb.15: Versuchsapparatur[eigenes Foto]

Abb.16: Unterschiedliche Grätzelzellen [eigenes Foto]

Abb.17: Multimeter[eigenes Foto]

Abb.18: Luxmeter[eigenes Foto]

Abb.19: Krokodilklemmen[eigenes Foto]

3.3 Ausgewählte Experimente

a. Experiment I: Verhalten einer Grätzelzelle bei zunehmender Beleuchtungsstärke

Aufgabe: Wie verändern sich Leerlaufspannung (U0) und Kurzschlussstromstärke (IK) bei

zunehmender Beleuchtungsstärke?

1. Materialien u. Hilfsmittel: - 1 Grätzelzelle (Hibiskusteefarbstoff-

sensibilisierung)

- 1 Digitalmultimeter mit Anschlusskabel

- 1 Luxmeter

- 2 Krokodilklemmen

- Halogenstrahler mit Dimmvorrichtung

Abb.20: Aufbau Versuch I[eigenes Foto]

2. Versuchsaufbau

3.3 Ausgewählte Experimente

3. Durchführung und Auswertung:Messung von Spannung in mV Stromstärke in µA unter zunehmender

Beleuchtungsstärke [ca. 0 – 5000 Lux (in 200 Lux Schritten)]

a. Leerlaufspannung U0 in Abhängigkeit b. Kurzschlussstromstärke IK in Abhäng-

von der Beleuchtungsstärke E: igkeit von der Beleuchtungsstärke E:

Abb.21: Leerlaufspannung als Funktion von der Beleuchtungsstärke [eigene Darstellung]

Abb.22: Kurzschlussstromstärke als Funktion von der Beleuchtungsstärke [eigene Darstellung]

Leerlaufspannung U0 in Abhänigkeit von der Beleuchtungsstärke E

0

50

100

150

200

250

300

350

020

040

060

080

010

0012

0014

0016

0018

0020

0022

0024

0026

0028

0030

0032

0034

0036

0038

0040

0042

0044

0046

0048

0050

00

E in Lux

U0 in mVKurzschlussstromstärke IK in Abhänigkeit von der

Beleuchtungsstärke E

020406080

100120140160180

020

040

060

080

010

0012

0014

0016

0018

0020

0022

0024

0026

0028

0030

0032

0034

0036

0038

0040

0042

0044

0046

0048

0050

00

E in Lux

IK in µA

3.3 Ausgewählte Experimente

4. Ergebnis:

- Leerlaufspannung

nicht linear von der Beleuchtungsstärke abhängig

starker Anstieg bei geringer Beleuchtungsstärke auf hohe mV Bereiche, danach nur noch geringe ansteigende Spannung

- Kurzschlussstrom

lineare Abhängigkeit zur Beleuchtungsstärke

3.3 Ausgewählte Experimente

b. Experiment II: Reihen- und Parallelschaltung von Grätzelzellen

Aufgabe: Wie wirkt sich Parallel- und Reihenschaltung auf Spannung , Stromstärke und

Leistung aus?

1. Materialien u. Hilfsmittel: - 3 Grätzelzellen (Hibiskusteefarbstoff-

sensibilisierung)

- 1 Digitalmultimeter mit Anschlusskabel

- 1 Luxmeter

- 6 Krokodilklemmen

- Halogenstrahler

Abb.23: Aufbau Versuch II[eigenes Foto]

2. Versuchsaufbau

3.3 Ausgewählte Experimente

3. Durchführung und Auswertung:Bei einer Beleuchtungsstärke von 8000 Lux schrittweise als Parallelschaltung und

Reihenschaltung.

Vor jedem neuen Zuschalten Spannung in mV und Stromstärke in µA messen und die Leistung in µW berechnen.

a. Spannungs- und Stromstärke-verhalten bei der Parallelschaltung:

b. Spannungs- und Stromstärke-verhalten bei der Reihenschaltung:

ParallelschaltungU = f(z)I = f(z)

0

500

1000

1500

2000

2500

1 2 3 Zellenzahl (z)

U in mV I in µA

ReihenschaltungU = f(z)I = f(z)

0

200

400

600

800

1000

1200

1 2 3 Zellenzahl (z)

U in mV I in µA

Abb.24: Parallelschaltung[eigene Darstellung]

Abb.25: Reihenschaltung[eigene Darstellung]

3.3 Ausgewählte Experimente

4. Ergebnis

1. Spannung und Stromstärke ändern sich je nach Verschaltung

- Parallelschaltung geringfügiger Anstieg der Spannung & linearer Anstieg der Stromstärke

in Abhängigkeit zur Zellenanzahl

- Reihenschaltung geringfügiger Anstieg der Stromstärke & linearer Anstieg der Spannung

in Abhängigkeit zur Zellenanzahl

2. Leistung bleibt identisch

3.3 Ausgewählte Experimente

c. Experiment III: Betreibung eines elektronischen Gerätes mit Grätzelzellen

Aufgabe: Wie viele Grätzelzellen werden benötigt, um einen mit einer 1,5 V Batterie

betriebenen Taschenrechner zu betreiben? Wie groß müssen Spannung und Beleuchtungsstärke mindestens sein, um eine

optimale Funktion zu erhalten?

1. Materialien u. Hilfsmittel: - Grätzelzellen (Hibiskusteefarb- stoffsensibilisierung)- 1 Digitalmultimeter mit Anschlusskabel- 1 Luxmeter- Krokodilklemmen- Halogenstrahler- Präparierter 1,5 V Taschenrechner

2. Versuchsaufbau

Abb.26: Aufbau Versuch III[eigenes Foto]

3.3 Ausgewählte Experimente

2. Versuchsaufbau

1. Ermittlung der benötigten Schaltung:

Reihenschaltung (Addition der Spannung)

2. Rechnerische Bestimmung der benötigten Grätzelzellen:

3. Zeichnung der Schaltung aus Grätzelzellen, Taschenrechner und

Multimeter (als Spannungsmesser):

geg: - V ges = 1500 mV Lös: Vges = z . VGZ

- VGZ = 380 mV 1500 mV = z . 380 mV z = 3,9

ges: - Anzahl der GZ (z)

3.3 Ausgewählte Experimente

3. Durchführung und Auswertung:Stufenweise Absenkung der Halogenstrahlers in 5-cm-Schritten.

Spannung U und Beleuchtungsstärke E messen.

Taschenrechnerfunktion beurteilen (-keine Funktion-, -schwach-, -gut-, -optimal-).

Messwerttabelle mit Bewertung:

4. Ergebnis:Eine Schaltung mit 4 Grätzelzellen reicht aus, wenn eine Beleuchtungsstärke von 3341Lux vorliegt, die eine Spannung von 1356 mV erzeugt.

Abb.27: Protokoll zu Versuch III[eigene Darstellung]

3.4 Weiterführende Experimente

(1) Zusammenhang zwischen Farbstoff und Leistung

(2) Vergleich der Leistung von Grätzelzellen und Siliziumzellen

(3) Experiment zur Lebensdauer der Grätzelzelle

Abb.28: Farbstoffausbleichungnach 2 Tagen [eigenes Foto]

Abb.29: Farbstoffausbleichungnach 4 Tagen [eigenes Foto]

Abb.30: Farbstoffausbleichungnach 5 Tagen [eigenes Foto]

3.5 Bewertung der Grätzelzelle

Unterrichtsverfahren „Bewertung technischer Sachverhalte“ (vgl. Henseler): Aufstellen von relevanten Bewertungskriterien Bewertung des technischen Sachverhaltes

1. Bewertung der Grätzelzelle im Vergleich zur Siliziumsolarzelle:

(1) - geringerer Wirkungsgrad- niedrigere Lebensdauer unzureichende Marktreife der Grätzelzelle

(2) - Schwachstellenausgleich durch zukünftige Forschung

erforderlich

Bewertungs-kriterien

Grätzelzelle Silizium-solarzelle

Günstige Herstellung + -Energiearme Herstellung + -Wirkungsgrad - +Flexible Bauform + -Lebensdauer - +

Abb.31: Bewertungstabelle[eigene Darstellung]

2. Auswertung

4. Potential der Experimente

4.1. Aufbau der Lernkompetenz(1) Benötigte Sach- und Handlungskompetenz für die Experimente

(2) Aufbau der Lernkompetenz (Bsp.: Spannung messen können)

Sachkompetenz: - Kenntnis von Begriffen: Spannung, Stromstärke, LeistungHandlungskompetenz: - Zweckgemäße Geräte zum Prüfen und Messen auswählen und anwenden

Verbindung des Wissens mit einem zielgerichteten Handeln

Abb.32: Schema zum Aufbau der Lernkompetenz[verändert nach: Lethmate nach Klinger]

4. Potential der Experimente

4.2 Weitere Potentiale

Umgang mit technischen Geräten

(Multimeter, Luxmeter etc.)

Umgang mit Messwerten

(sachbezogenes Rechnen, graphische Darstellung, Interpretation)

Deutung der gewonnenen Erkenntnisse

(v.a. die Bewertung von Technik)

5. Potential der Bionik für den Technikunterricht

Die Berücksichtigung bionischer Themen im Technikunterricht ermöglicht:

Einbringung von modernen / naturinspirierten Technologien in den

Technikunterricht

Sensibilisierung der Schüler mit zukünftigen Technologien

-> entdeckendes Lernen (experimentelle Methode)

-> Bewertung von Technologien

-> Entwicklungstrends herausarbeiten (zukünftige Nutzung)

Möglichkeiten für einen fächerverbindenden Unterricht

-> Stärkung der Fachidentität

Leitzielerfüllung erfordert eine stetige Anpassung des Technikunterrichts an aktuelle Themenfelder der Technik.

Potential für einen handlungs- und anwendungsorientierten Unterricht, der mit den Strategien und Methoden des Technikunterrichts eine Auseinandersetzung

der Schüler mit zukünftigen Technologien ermöglicht.- Leitzielorientierung -

6. Literatur

Duden Paetec (2007): Bionik. Erfinderwerkstatt Natur, Berlin

Henseler, K. u. G. Höpken (1996): Methodik des Technikunterrichts, Bad Heilbrunn

Lethmate, J.: Experimentelle Lehrformen und Scientific Literacy, in: Praxis Geographie 11 (2006), S. 4 – 11

Meyer, H. (2007): Unterrichtsmethoden. II: Praxisband, Berlin

Saxler, J. (1992): Problemorientiertes und Entdeckendes Lernen in der Physik, Essen

Internetquellen:

Universität Bayreuth (o.J): Online unter: http://www.old.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/cnat/kunststoffe/solarzelle_l.htm