Strom aus dem Teebeutel - Ein Schülerexperiment mit Farbstoffsolarzellen

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1 Johannes Gutenberg-Universität Mainz FB 08: Physik, Mathematik und Informatik Bachelorarbeit im Fachbereich Physik (B.Ed.) Erstprüfer (Betreuer): Dr. Frank Fiedler Zweitprüfer: Dr. Klaus Wendt Strom aus dem Teebeutel - Ein Schülerexperiment mit Farbstoffsolarzellen Datum: Lisa Korsch korschli@students.uni-mainz.de 1

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Theorie und Begriffserklärungen Das Bändermodell Vergleich einer Silizium-Solarzelle mit der Farbstoffsolarzelle Maximale Leistung einer Solarzelle Zum Versuch Einordnung in den Lehrplan der Sekundarstufe Durchführung des Versuchs im Jahrgang 12 und Didaktische Überlegungen Konkrete Durchführung des Versuches einer neunten Klasse Mögliche Versuche mit der Farbstoffsolarzelle Durchführung des Experiments Einführung Experiment Auswertung und Diskussion Forschungsstand und Optimierung der Farbstoffsolarzelle Bemerkung zu den Arbeitsblättern Fazit Literatur...34 Anhang

3 1 Einleitung Erneuerbare Energie ist ein unerlässliches Thema für den Schulunterricht wenn man bedenkt, dass die Schule eine Sozialisationsfunktion in der Gesellschaft ausübt. Sie hat somit die Aufgabe Schülerinnen und Schüler 1 die Relevanz der Forschung nach regenerativen Energien zu vermitteln. Im Rahmen dieses Themengebiet steht die Solarenergie. Mit Haushaltsmitteln Strom zu erzeugen ist die Errungenschaft der Farbstoffsolarzelle nach Grätzel (vgl. Grätzel, 2011). Aufgrund seiner Erkenntnisse ist es nun möglich, mit Schülern ein Projekt, wie es im Folgenden beschrieben wird, durchzuführen. Der motivierende Charakter für die Schule steckt in der Möglichkeit mit einfachen und alltäglichen Dingen Strom zu erzeugen. Für den Bau der Farbstoffsolarzelle benötigen die Schüler lediglich TCO-beschichtete (TCO = transparent conductive oxide) Glasplättchen welche das Glas leitend machen, Tee, einen Bleistift, Zahnpasta und Licht um sie anzutreiben. Die Funktion sowie die vielfältigen Möglichkeiten, die die sogenannte Teebeutel-Solarzelle für den Unterricht bietet, werden in dieser Arbeit aufgezeigt und machen das Experiment attraktiv. Je nachdem mit welcher Klassenstufe man das Experiment durchführt, kann das Potential dahinter für den Physik-, Chemie- und Biologieunterricht voll ausgeschöpft werden. Der Versuch wird bereits im Rahmen von Arbeitsgemeinschaften oder im Chemieunterricht durchgeführt (vgl. Wagner W., 2010). In dieser Arbeit soll nun gezeigt werden, wie er sinnvoll im Physikunterricht in verschiedenen Klassenstufen eingesetzt werden kann und was die physikalischen Grundlagen hierzu sind. Es wurden Beobachtungen bei einer Durchführung gemacht, die hieraus entstandenen Hinweise sowie Materialien sind in der Arbeit wiederzufinden. Im theoretischen Teil der Arbeit wird die Funktion einer gewöhnlichen Siliziumsolarzelle dargestellt und danach zum Vergleich, die Funktion der Farbstoffsolarzelle erläutert. Hierbei werden die Themen Halbleiter und Titandioxid vertieft. Um eine korrekte Messung der Leistung einer Solarzelle durchzuführen wird erwähnt wovon die maximale Leistung abhängt. Der weitere Teil der Arbeit bezieht sich auf die Durchführung des Experiments mit Schülern. Hierbei werden verschiedene Ansätze die Farbstoff-Solarzelle im Physikunterricht zu behandeln diskutiert. 1Im Folgenden wird der Begriff Schüler geschlechtsneutral für Schülerinnen und Schüler verwendet 3

4 2 Theorie und Begriffserklärungen In diesem Kapitel werden einige theoretische Grundlagen geschaffen, sowie Bergriffe erklärt die der Lehrer oder die Lehrerin 2 seinen Schüler vermitteln sollte, wenn er das Experiment der Farbstoffsolarzelle im Physikunterricht durchführen möchte. Die Schüler benötigen diese Grundlagen um das folgende Schülerexperiment verstehen und durchführen zu können. Je nach Klassenstufe können Reduzierungen in der Theorie vorgenommen werden. 2.1 Halbleiter und Bändermodell Da das Silizium in der gewöhnlichen Solarzelle, sowie das Titandioxid in der Farbstoffsolarzelle Halbleiter sind, werden hier kurz die Eigenschaften von Halbleitern erläutert. Das Bändermodell dient zur Erklärung des Experiments und wird ebenfalls hier dargestellt. Die elektrischen Eigenschaften von Festkörpern bei Zimmertemperatur lassen sich durch drei grundlegende Eigenschaften beschreiben, durch den spezifischen Widerstand, den Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstands und die Ladungsträgerdichte (vgl. Halliday, 2007). Materialien mit sehr hohen spezifischen Widerständen bezeichnet man als Nichtleiter. Bei Halbleitern ist der spezifische Widerstand deutlich höher als bei Metallen, jedoch ist der Temperaturkoeffizient negativ und wesentlich größer. Diese Größenunterschiede werden in Tabelle 1 noch einmal verdeutlicht, um eine Größenvorstellung zu bekommen. Der spezifische Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab, während er bei Metallen zunimmt. Die Ladungsträgerdichte von Halbleitern ist wesentlich kleiner als die von Metallen (vgl. Halliday, 2007). Tabelle 1: Beispiel der Eigenschaften von Metallen und Hableitern 3 : Art des Leiters Metall ( Kupfer) Halbleiter(Silizium) Spezifischer Widerstand Temperaturkoeffizient Ladungsträgerdichte 2 2 Im Folgenden wird der Begriff Lehrer geschlechtsneutral für Lehrerinnen und Lehrer verwendet. 3 David Halliday, R. R. (2007). Halliday Physik. Wiley-VCH. 4

5 Diese makroskopischen Eigenschaften können auf die Elektronen im Festkörper zurückgeführt werden, deren Verhalten durch die Quantenmechanik beschrieben wird. Anstelle einer vollständigen Herleitung im Rahmen der Quantenmechanik werden die Resultate im Folgenden auf einem Niveau zusammengefasst, das auch für Oberstufenschüler verständlich ist und somit eine Anregung für den das Schülerexperiment begleitenden Unterricht darstellt. Atome eines Festkörpers können als eine geschlossene Einheit gesehen werden. Nähern sich zwei Atome einander an, überlappen die Wellenfunktionen ihrer Elektronen. Dies bedeutet im Sinne des Bändermodells, dass die einzelnen Energieniveaus eines Festkörpers Energiebänder bilden. Valenz- und Leitungsband sind definiert als das meist- bzw. geringstbesetzte Energieband. Sie sind bei Nichtleitern und Halbleitern durch eine Energielücke voneinander getrennt (vgl. Meschede, 2002). Es gibt also keine Elektronenzustände in den Bereichen der Bandlücke. Halbleiter und Nichtleiter haben bei 0 Kelvin ein voll besetztes Valenzband und ein unbesetztes Leitungsband (vgl. Halliday, 2007)(vgl. Tipler, 2009)(vgl. Meschede, 2002). In Abbildung 1 sind Nichtleiter, Halbleiter und Leiter im Bändermodell dargestellt. Es ist zu erkennen, dass bei Leitern keine Bandlücke vorhanden ist. Nichtleiter sind Isolatoren und haben eine sehr große Bandlücke, so dass die Elektronen nicht vom Valenz- ins Leitungsband übergehen können. Halbleiter besitzen eine geringere Bandlücke. Wird den Elektronen Energie zugeführt, wie in dem Versuch der Farbstoffsolarzelle durch die Absorption elektromagnetischer Strahlung, nehmen sie die Energie auf und gelangen in das Leitungsband. Abbildung 1: Bändermodell 4 Nur die Elektronen im Leitungsband tragen zum Ladungstransport bei. Ein Material wird leitfähig, wenn sich seine Elektronen im Leitungsband befinden (vgl. Meschede, 2002)

6 Das Titandioxid und der Farbstoff Im Versuch mit der Farbstoffsolarzelle ist das Titandioxid der Halbleiter. Die Bandlücke vom Valenz- in das Leitungsband beträgt bei der Anatas-Kristallgitterstruktur (Titandioxid kann in drei verschiedenen Kristallgittern vorliegen) 3,2eV (vgl. Wagner J., 2004). Die Rechnung bestätigt, dass sichtbares Licht mit einer Grenzfrequenz von 400nm nicht ausreicht, um Elektronen in das Valenzband anzuheben. Im Versuch mit der Farbstoffsolarzelle werden jedoch die Elektronen des Farbstoffs Anthocyanin angeregt. Sein Absorptionsmaximum befindet sich im Wellenlängebereich von nm, welches dem Emissionsmaximum von Sonnenlicht entspricht (vgl. Wagner J., 2004). Um es von Valenz- in das Leitungsband zu bringen, benötigt man mindestens 1,55eV. Dies entspricht einer Photonengrenzwellenlänge von 800nm. Das bedeutet, dass ein großer Teil des Sonnenlichts absorbiert werden kann. Von dem angeregten Zustand aus gelangen die Elektronen in das Leitungsband des Titandioxids und werden an die leitende Glasplatte weitergeleitet. Sie hinterlassen Löcher im Farbstoff, also positive Ladungsträger. Diese Elektronenlöcher werden von der Elektrolytlösung wieder aufgefüllt ( siehe Kapitel 2.2). 2.2 Vergleich einer Silizium-Solarzelle mit der Farbstoffsolarzelle Die Aufgabe einer Solarzelle besteht darin, die Strahlungsenergie des Sonnenlichts in elektrische Energie umzuwandeln. Die physikalische Grundlage ist der fotoelektrische Effekt (vgl. Reddy, 2010). Im Folgenden soll am Beispiel einer gewöhnlichen Halbleitersolarzelle aus Silizium erklärt werden, wie diese aufgebaut ist und wie durch sie die Umwandlung der Energieformen gelingt. Der Schülerversuch konzentriert sich auf die Herstellung einer Farbstoffsolarzelle. Auch hier wird ein Halbleitermaterial verwendet. Die Funktionsweise ist allerdings anders als die einer Siliziumsolarzelle. Dennoch ist der Hintergrund von Siliziumsolarzellen wichtig um den funktionalen Unterschied zu kennen und eventuell Diskussionen über deren Gebrauch zu führen. Silizium- Solarzelle Zur Herstellung einer Siliziumsolarzelle werden zunächst zwei Schichten von Silizium hergestellt, wobei eine Schicht p-dotiert (z.b. mit Bor) und die andere Schicht n-dotiert wird (z.b. mit Phosphor). 6

7 In Abbildung 2 ist ein mit Phosphor dotiertes Siliziumgitter zu sehen. Da ein Elektron des Phosphors nicht an der Bindung mit Silizium beteiligt ist, ist es hier als freies Elektron dargestellt. Abbildung 2: n-dotiertes Siliziumgitter 5 In Abbildung 3 ist ein mit Bor dotiertes Siliziumgitter zu sehen. Da bei der Bindung von Bor und Silizium ein Elektron fehlt, ist diese Stelle als Loch dargestellt. Abbildung 3: p-dotiertes Siliziumgitter 6 Von außen betrachtet sind sowohl die p-schicht als auch die n-schicht elektrisch neutral. Der Unterschied zu undotierten Halbleitern sind die beweglichen Landungsträger (vgl. Reddy, 2010). Werden beide Schichten zusammengefügt, bildet sich eine Grenzschicht zwischen der p- und der n- Schicht. Die Löcher des Randgebietes der p-dotierten Schicht diffundieren zur n- dotierten Schicht. Umgekehrt diffundieren die Elektronen des Randgebietes der n-dotierten Schicht zur p-dotierten Schicht (vgl. Würfel, 1995). Es bestehen noch Phosphor-Kationen und Bor-Anionen als ortsfeste Ladungsträger, welche durch die Grenzschicht getrennt sind. Sie bilden somit ein elektrisches Feld, welches von der n- zur p-dotierten Schicht verläuft. Wenn elektromagnetische Strahlung, die auf die Grenzschicht fällt, eine Frequenz besitzt,

8 die mindestens der energetischen Lücke zwischen Valenz- und Leitungsband des Halbleiters entspricht, kann ein Elektron des Siliziumatoms energetisch angeregt werden. Da das Silizium jedoch dotiert wird und die Leitungsbänder der Donator- und Akzeptorniveaus zwischen Valenz und Leitungsband des Halbleiters liegen, reichen schon geringere Frequenzen aus um auf diese Leitungsbänder zu gelangen. Diese Frequenzen müssen dann mindestens der energetischen Lücke zwischen Valenzband des Halbleiters und dem jeweiligen Niveau entsprechen. Das Elektron kann in das Leitungsband übertreten und es entstehen freie Elektronen, die durch das elektrische Feld auf die n-dotierte Seite gezogen werden. Die Löcher werden auf die p-dotierte Seite gezogen (vgl. Frentrup, 2008). Es stellt sich ein Gleichgewicht ein zwischen dem Konzentrationsgefälle und dem elektrischen Feld. Verbindet man nun über ein Kabel die n-schicht zur p-schicht, gelangen die freien Elektronen zu den Silizium Anionen und ein Strom kann nachgewiesen werden. Hier wird dann der Verbraucher zwischengeschaltet. Je intensiver die Beleuchtung und je großflächiger die Grenzschicht, desto mehr Elektronen- Loch-Paare entstehen und desto höher ist die Stromstärke, die die Solarzelle liefert (vgl. Hilleringmann, 2010). In Abbildung 4 ist modellhaft eine Siliziumsolarzelle dargestellt.. Es ist zu erkennen, dass die in der Grenzschicht entstehenden Ladungsträger getrennt werden. Abbildung 4: Modell Silizium- Solarzelle 7 Besonders durch Verunreinigung oder Fehlstellungen der Siliziumsgitter kann es zur Rekombination kommen, das heißt die angeregten Elektronen können unter Abgabe von Wärme wieder in ihren Grundzustand zurückfallen und somit keine elektrische Energie 7 8

9 liefern. Dies ist einer der Gründe, dass der Wirkungsgrad von Solarzellen nur bei circa 15-20% liegt (vgl. Hilleringmann, 2010). Um Rekombinationen zu vermeiden, muss das Material sehr rein sein, was die Herstellung der Zellen teurer macht. Die Farbstoffsolarzelle Die Funktionsweise der Farbstoffsolarzelle ist eine andere als die der gewöhnlichen Halbleitersolarzelle. Michael Grätzel ihr Erfinder baute sie nach dem Schema der Fotosynthese. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Lichtabsorption und Ladungstrennung voneinander getrennt stattfinden, wohingegen bei der Halbleitersolarzelle das Silizium beides ausführt (vgl. Grätzel, 2001). Die wesentlichen Elemente sind in Abbildung 5 dargestellt und haben die folgenden Aufgaben und Funktionen. Absorption Der organische Farbstoff (Beerensaft oder Blütentee) absorbiert elektromagnetische Strahlung. Durch die Absorption eines Photons wird ein Elektron des Farbstoffs angeregt. Ladungsinjektion Das Elektron wird in das Leitungsband des Titandioxids injiziert, welches als dünne Schicht auf eine leitfähige Glasplatte aufgetragen wird. Hierbei ist es wichtig, dass es nicht zur Rekombination des Farbstoffs kommt. Da aber die Injektionsgeschwindigkeit viel größer ist als die Rekombinationsgeschwindigkeit, stellt die Rekombination kein Problem dar (vgl. Wagner J., 2004). Diese hängt vom verwendeten Halbleiter sowie den Farbstoffen ab. Über das Titandioxid gelangen die Elektronen zur Anode. Diese Seite der Solarzelle ist die Frontelektrode, welche das negative Spannungspotenzial darstellt. Regeneration Es findet eine Regeneration des Farbstoffs durch die Elektrolytlösung statt. Das heißt, dass die oxidierten Farbstoffmoleküle durch Jodid-Ionen, die sich in der Jod-Kaliumjodidlösung befinden, reduziert werden. Die Elektrolytlösung befindet sich ebenfalls mit einer elektrisch leitfähigen Glasplatte in Kontakt. Vom Farbstoff bewegen sich die Trijodid-Ionen zur Rückelektrode und nehmen dort Elektronen auf. Um den Vorgang zu beschleunigen, wird eine Graphitschicht auf die Glasplatte aufgebracht. Diese dient als Katalysator. Stromkreis Verbindet man nun die beiden Glasplatten, entsteht ein Stromkreis. Die Elektronen wandern zum positiven Potential. Hier rekombinieren drei Trijodid-Ionen mit zwei Elektronen des TCO- Leitungsbands (vgl. Wagner J., 2004). 9

10 In Abbildung 5 ist der eben beschriebene Ablauf zu sehen. Durch das Licht werden Elektronen des Farbstoffs angeregt, sie gelangen in das Leitungsband des Titandioxids und werden von hier weiter an leitfähige Schicht auf der Glasplatte geleitet. Durch eine Kabelverbindung gelangen sie über einen Verbraucher zur gegenüberliegenden Glasplatte, welche die Kathode bildet. Hier findet eine Reduktion des Elektrolyten statt. Die vertikale Achse zeigt die verschiedenen Energieniveaus an. Abbildung 5 Funktion einer Farbstoffsolarzelle 8 Zusammenfassung in fünf Schritten: 1. Photonen regen in den Farbstoffmolekülen (Fa) Elektronen an: 2. Elektronen befinden sich oberhalb des Energieniveaus von TiO 2 und treten auf das Leitungsband im TiO 2 über: Leitung: 3. Von der Anode fließen die Elektronen über einen Verbraucher zur Kathode. 4. Die fehlenden Elektronen des Farbstoffs werden aus der Jodidlösung ausgeglichen. Das Jodid wird zu Trijodid

11 Ox.: Red.: 5. Die Kathode liefert Elektronen an die Trijodid-Ionen. Hierdurch bildet sich Jodid zurück. (vgl.wagner W., 2010). Der Wirkungsgrad einer industriell hergestellten Farbstoffsolarzelle liegt bei etwa 10-11% (vgl. Grätzel, 2001). Der einer Siliziumsolarzelle ist in etwa doppelt so hoch bei ca.20% (vgl. Frentrup, 2008).Die Farbstoffsolarzelle kann im Vergleich zu den herkömmlichen Solarzellen diffuses Licht gut nutzen. Ihr Wirkungsgrad ist bis 65 C praktisch temperaturunabhängig im Unterschied zu Silizium, das etwa 20 Prozent zwischen 25 C und 60 C verliert (vgl. Grätzel, 2001). 2.3 Maximale Leistung einer Solarzelle Die Leistung der Solarzelle ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke. Der Strom nimmt proportional zur Beleuchtungsstärke zu, wohingegen sich bei der Spannung schnell eine Sättigung einstellt (vgl. Fentrup, 2008).Bei der Siliziumsolarzelle nimmt die Spannung mit steigender Temperatur ab, was aber bei der Farbstoffsolarzelle nicht der Fall ist (vgl. Grätzel, 2001). Um die maximale Leistung der Solarzelle herauszufinden, wird ein veränderbarer Widerstand (Potentiometer) in den Stromkreis gebaut. Es kommt es auf ein optimales Verhältnis von Spannung und Stromstärke an. Dieses wird durch Aufnehmen einer I-U Kennlinie bestimmt. Der Maximum-Power-Point (MPP) ist der Punkt, an dem die Solarzelle ihre größte Leistung abgibt und somit das Verhältnis von Strom und Spannung optimal ist. Geometrisch stellt er den Punkt dar, bei dem sich ein Rechteck mit möglichst großer Fläche erstellen lässt. In Abbildung 6 ist er bei Imax/Umax zu sehen. und stellen jeweils den Kurzschlussstrom und die Leerlaufspannung dar. 11

12 Abbildung 6: I-U Kennlinie eines Solarmoduls 9 Das Verhältnis der maximalen Leistung im MPP und dem Produkt aus Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung wird Füllfaktor genannt (vgl. Frentrup, 2008).Hierbei ergibt sich folgende Formel: = Leistung im MPP. Bei Belastung stellt sich eine kleinere Spannung als die Leerlaufspannung ein, da nun zu dem Innenwiderstand ein Verbraucher mit Lastwiderstand in Reihe geschaltet wird. Der Strom erzeugt am Widerstand eines Verbrauchers einen Spannungsabfall. Das bedeutet, dass die Quellspannung sich an den beiden Widerständen aufteilt. Um eine möglichst hohe Spannung am Widerstand zu erzeugen, muss also der Innenwiderstand der Solarzelle möglichst gering sein, denn es gilt. Der Strom im Belastungsstromkreis fließt nun durch den Innenwiderstand und den Lastwiderstand RL und ergibt sich zu. 9 Zugriff:

13 3. Zum Versuch Dieses Kapitel beschäftigt sich mit der Durchführung des Experiments der Farbstoffsolarzelle mit Schülern. Eine Durchführung ist für verschiedene Altersstufen sinnvoll, wie in den folgenden Unterkapiteln auf Grundlage des Lehrplans von Rheinland-Pfalz, sowie den didaktischen Prinzipien der Physik dargelegt wird. Konkret ausgearbeitet und erprobt wurden Materialien für die neunte Klasse. 3.1 Einordnung in den Lehrplan der Sekundarstufe 1 Der Versuch der Grätzelzelle kann unter verschiedenen Aspekten und Themen im Unterricht behandelt werden. Daher ist eine eindeutige Zuordnung einer Klassenstufe nicht möglich. Neben Physik lässt sich der Versuch ebenfalls in den Fächern Chemie, Biologie oder Arbeitslehre und Technik durchführen. Dies ist jedoch auch abhängig von Schulart und Bundesland. Eine Möglichkeit, die hier dargestellt wird, ist die Durchführung und Einbettung des Versuchs in den Physikunterricht der neunten bzw. zehnten Klasse eines Gymnasiums in Rheinland- Pfalz. Die bis dahin relevanten Kenntnisse werden hier vorgestellt und diskutiert. In einem G9 Jahrgang beginnt der Physikunterricht in Rheinland-Pfalz in der Regel in der achten Klasse. Hier werden die Schüler zunächst in die physikalische Arbeitsweise eingeführt und lernen das Experimentieren kennen (vgl. Lehrplan Physik, 2011). In der achten Klasse wird das Thema Optik eingeführt, wo die Schüler Licht als Lichtstrahl kennenlernen und nicht als Photonen. Somit erfahren die Schüler auch nichts über den Energiegehalt von Licht. Daher ist die Durchführung des Versuchs im Rahmen des Themengebiet der Optik nicht sinnvoll. Mit der Mechanik lernen die Schüler Arbeit und Energie kennen und lernen, dass Energie auf verschiedene Arten gespeichert und umgewandelt werden kann. Der Energieerhaltungssatz wird nur verbal formuliert, da nur die Formel für die Lageenergie bekannt ist. Auch beim Experimentieren mit der Solarzelle erkennen die Schüler, dass die Energie von Lichtenergie (elektromagnetischer Strahlung) in elektrische Energie umgewandelt wird, dass viel Energie ungewollt in Wärmeenergie übergeht und es schwer ist, hohe Wirkungsgrade mit den Solarzellen zu erreichen. In der neunten Klasse wird den Schülern zum ersten Mal ein Teilchenmodell der Materie vorgestellt. Dieses Vorstellungsvermögen ist ebenfalls relevant für das Verständnis des Versuches. Die bis hierhin relevanten Kenntnisse reichen aus um den Versuch durchzuführen, unter der Voraussetzung, dass eine Einheit zur Elektrik schon vorgezogen wird. 13

14 In der zehnten Klasse wird das Themengebiet der Elektrik behandelt. Die Schüler entwickeln ein modellhaftes Denken von elektrischen Gesetzmäßigkeiten. Eine Vorstellung von Elektronen wird über ein einfaches Atommodell erreicht. Sie lernen Messverfahren zur Strom- und Spannungsmessung kennen sowie die Begriffe Spannung, Strom, Widerstand, Leistung und elektrische Ladung. Die Schüler erfahren, was der Unterschied zwischen Reihen- und Parallelschaltungen ist. Dies sind alles Kompetenzen, die sie zum Experimentieren mit der Farbstoffsolarzelle benötigen. Sie sollten die Spannung messen und den Stromkreis nachvollziehen können. Als Wahlpflichtgebiet könnte der Lehrer die Elektronik wählen und auf das Verhalten von Halbleitern eingehen. Der Einfluss von Temperatur und Beleuchtung auf die Halbleiter sowie die Effekte an der p-n-grenzschicht können behandelt werden. Unter dem Aspekt wird dann die gewöhnliche Solarzelle eingeführt. Als Experiment könnten die Schüler die Farbstoffsolarzelle nachbauen, die Unterschiede kennen lernen und Vergleiche ziehen. Ein Leistungsvergleich der Solarzellen sowie die Diskussion um eine kommerzielle Nutzung wären hier denkbar. Eine andere sehr relevante Unterrichtseinheit könnte das Thema alternative Energien behandeln. Hier würden verschiedene Möglichkeiten der Energieumwandlung sowie Speicherung besprochen werden. Die bis zur neunten bzw. zehnten Klasse erworbenen Kenntnisse reichen aus, um den Versuch der Grätzelzelle sinnvoll einzusetzen. Die Schüler wissen, dass Energie erhalten bleibt und können somit das Prinzip der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie und Wärmeenergie verstehen. Diese Erklärung kann allerdings nicht in Formeln festgehalten werden. Die Schüler der zehnten Klasse haben dazu noch eine Vorstellung von Elektronen und kennen ein einfaches Atommodell. Hier kann dann noch näher auf die Funktionsweise eingegangen werden. Besonders wichtig für das Experimentieren mit der Solarzelle ist allerdings, dass sie vertraut sind mit den Begriffen Spannung und Strom und diese auch messen können. Daher sollte, wie schon erwähnt in der neunten Klasse eine Einheit hierzu vorgeschoben werden. 3.2 Durchführung des Versuchs im Jahrgang 12 und 13 In der Oberstufe lernen die Schüler in der Optik das elektromagnetische Spektrum kennen und sie sollten wissen, dass die Energie mit der Wellenlänge zusammenhängt. Hier könnte beim Versuch mit der Grätzelzelle diskutiert werden, ob der Einsatz von verschiedenen Lichtquellen Sinn macht. Die Schüler sind sicherer im Experimentieren und haben eine genauere Vorstellung von Spannung und Strom. Sie kennen Spannung als Potentialdifferenz, und können die Ursache von Spannungen nachvollziehen. Durch Schließen des Stromkreises können sie den Strom messen. Sie sollen auf das Problem des 14

15 Kurzschlussstroms aufmerksam gemacht werden und selber diskutieren, ob sie den Strom ohne Verbraucher oder Widerstand messen können. Der wichtigste Unterschied aber ist, dass die Schüler die Anregung der Elektronen verstehen. Sie sollten das quantenmechanische Verhalten von Elektronen aus dem Fotoeffekt kennen. Die Schüler erfahren, dass eine Grenzfrequenz nötig ist, um die Elektronen auszuschlagen und kennen den Einfluss von Intensität und der Frequenz auf den Versuch. Sie lernen verschiedene Atommodelle kennen, mit denen der Versuch erklärt werden kann. Vor allem aber wissen sie, dass es verschiedene Energieniveaus gibt und wie die Farbstoffatome ionisiert werden können. Der Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts ist bekannt, so dass hier von Photonen gesprochen werden kann. Hier kommt es zunächst nicht darauf an, ob es sich um einen Leistungskurs handelt. Wenn aber vertieft auf die Halbleitertechnik beziehungsweise auf die Siliziumsolarzelle eingegangen werden soll, ist dies eher in einem Leistungskurs möglich. Ebenso wird auch das Bändermodell meistens nur in einem Leistungskurs eingeführt, durch welches im Versuch der Übergang des Elektrons vom Farbstoff in das Leistungsband des Titandioxids erklärt wird. Es ist jedoch möglich, den Versuch sowohl im Grund- als auch im Leistungskurs sinnvoll einzusetzen. Im Grundkurs könnte er im Themengebiet der Atomphysik eingesetzt werden. Auf den Teilchencharakter von Licht, dessen Energie und die diskreten Energieniveaus würde dann mehr Wert gelegt werden. Je nachdem, ob die Schüler ebenfalls Chemieunterricht haben, könnte man auch ein fächerübergreifendes Projekt planen. So könnte der Versuch bis ins Detail besprochen und das Themengebiet der erneuerbaren Energien in beiden Fächern gleichzeitig behandelt werden. Ebenso könnte mit der Biologie zum Thema Fotosynthese ein Projekt entworfen werden, welches die Gemeinsamkeiten des Versuches mit der Fotosynthese darstellt. Im Leistungskurs ist der Versuch entweder genauso einzusetzen oder wie schon erwähnt zum Thema Halbleitertechnik. Hier wäre ein Vergleich der Funktionsweise einer Siliziumsolarzelle und der Grätzelzelle möglich. 15

16 3.3 Didaktische Überlegungen Im Folgenden sollen die didaktischen Überlegungen, die hinter der Ausarbeitung des Versuchs stehen dargelegt werden. Das Ziel des Experiments ist, dass die Schüler die Funktionsweise der Farbstoffsolarzelle verstehen und erklären können. Sie bauen eigenständig eine Farbstoffsolarzelle nach Anleitung nach und finden heraus wie die Solarzelle optimal genutzt werden kann. Der Schülerversuch ist einem Theorieunterricht vorzuziehen, da die Schüler aktiviert werden, eigentätig zu arbeiten und die Theorie selber in der Praxis zu überprüfen. Dies trägt sowohl zum besseren Verständnis als auch zur Motivation der Schüler bei. Da das Thema regenerative Energien und somit auch die Nutzung von Solarenergie politisch und gesellschaftlich aktuelle Themen sind, kann man davon ausgehen, dass auf Seiten der Schüler bereits ein gewisses Grundinteresse besteht. Da Lernen gefördert, wird wenn Lernende sich mit der Lösung persönlich bedeutsamer Probleme auseinandersetzen eignet der Versuch sich besonders(vgl. Leisen, 2007). Laut diesem Konzept problemorientierten Unterrichts haben Probleme eine Motorfunktion beim Lernen (vgl. Leisen, 2007). Des Weiteren kann ein Schülerexperiment nur effektiv sein, wenn die Schüler keine kochbuchtartige Experimentieranleitung bekommen (vgl. Hopf, 2007) sondern Freiraum zum Ausprobieren haben. Beim exemplarischen Lernen im Physikunterricht nach Wagenschein steht das Verstehen immer vor dem Wissen. Die Schüler sollen selbst aktiv mit Kopf, Hand und Herz arbeiten (vgl. Wagenschein, 1968). Sein genetisches Prinzip besagt, dass der Unterricht Ergebnisse nicht vom Entstehungsprozess trennen darf. Es muss eine Verbindung von dem schon Bekannten zu den neuen Erscheinungen entstehen (vgl. Wagenschein, 1995). Hierbei hängt die Rolle des Experiments im Prozess der Erkenntnisgewinnung vom Vorwissen der Schüler ab (vgl. Altherr, 2010). 3.4 Konkrete Durchführung des Versuches mit einer neunten Klasse Die zuvor genannten didaktischen Prinzipien wurden in die Ausarbeitung des Experiments mit Schülern eingearbeitet. Da die Schüler Vertreter der Generation sind, welche besonders von der Klimaproblematik betroffen ist, spielt das Thema der Verbesserung und Nutzung regenerativer Energien eine wichtige Rolle. So stellt das Experiment mit der Farbstoffsolarzelle ein aktuelles und relevantes Thema dar, was laut Leisen das Lernen fördert (vgl. Leisen, 2007). Vor dem Experiment gibt einen motivierenden Einstieg zum Thema Solarenergie, bei dem die Schüler mit der Frage konfrontiert werden, ob sie es schaffen, anhand von Haushaltsmitteln Strom zu erzeugen. Diese Herausforderung soll sie zum Experimentieren motivieren. 16

17 Das Vorwissen der Schüler über Solarzellen lässt sich als gering einschätzen. Da dieses jedoch nicht notwendig ist, um die Funktion der Farbstoffsolarzelle grob zu verstehen, wird nur kurz das Schema einer Siliziumsolarzelle dargestellt. Bei der Durchführung des Versuchs In der Sekundarstufe 1 kommt es vor allem darauf an, dass die Schüler die Funktion verbal erklären können. Auf physikalische bzw. chemische Formeln kann verzichtet werden. Die Versuchsanweisungen zum Bau der Farbstoffsolarzelle sind sehr konkret und lassen vorerst keinen Spielraum zum Experimentieren. Dies ist an dieser Stelle so gewünscht, da der Wirkungsgrad der Solarzellen ohnehin sehr gering ist und die Solarzelle nur durch konkretes Arbeiten nach Anleitung auch funktioniert. Der von Hopf geforderte Freiraum zum Experimentieren wird durch eine offene Unterrichtskonzeption gewährleistet. Die Schüler experimentieren frei und eigenständig mit den fertig gestellten Solarzellen. Die Lehrperson dient lediglich als Supervisor und Berater. Sie finden heraus, wie die Intensität und der Einstrahlwinkel den erzeugten Strom beeinflussen. Die Rolle des Lehrers tritt in den Hintergrund, aber er kann je nach Bedarf den Schülern vereinzelt Hilfen geben. In der Rolle eines Solarexperten werden die Schüler vor das Problem gestellt eine Person X bezüglich der Ausrichtung ihrer Solarmodule zu beraten. Ein solches fiktives Problem stellt nach Leisen eine Motorfunktion beim Lernen dar (vgl. Leisen, 2007). Dies fordert die Schüler ebenfalls auf den Einfluss der Intensität sowie die Ausrichtung ihrer Solarzelle zur Lichtquelle zu untersuchen. Hier experimentieren sie mit den bereits fertig gestellten Solarzellen. Sie vor ein Problem zu stellen, aus Haushaltsmitteln Strom zu erzeugen wäre unsinnig, da hier ein sehr spezielles Vorwissen Voraussetzung wäre. Beim Umgang mit dem Multimeter steht ihnen ein Lehrer, bzw. wissenschaftlicher Mitarbeiter zur Verfügung. Die Schüler müssen sich mit der richtigen Schaltung ihrer Zelle auseinandersetzen. An dieser Stelle ist zu diskutieren, ob das Arbeiten mit bereits vorgefertigten Solarzellen nicht zu bevorzugen wäre. Dies ist durch eine gesteigerte Motivation zu begründen, wenn die Schüler erfahren, dass sie aus teilweise haushaltsüblichen Materialien wie Teebeutel und Zahnpasta (TiO 2 ist darin enthalten) Strom erzeugen können. Mit ihren eigenen Zellen können sie sich selbst kleine Experimente überlegen, wie sie den Einfluss der Lichtintensität und des Einstrahlwinkels messen können. Zur Berechnung der Leistung sollte die Formel bekannt sein, sodass sie den Wirkungsgrad berechnen können. Die Unterrichtsprinzipien von Martin Wagenschein finden sich ebenfalls bei der Durchführung des Versuchs wieder. Die Schüler sollen von einem konkreten Beispiel auf Allgemeingültiges schließen. Dies machen sie, indem sie erst mit ihrer eigenen Solarzelle experimentieren und dann qualitative Gesetzmäßigkeiten feststellen. Als Ergebnis erkennen sie, dass die Stromstärke proportional von der Lichtintensität abhängt. Dies können die Schüler auch graphisch und quantitativ darstellen. Ebenso ist Wagenscheins genetisches Prinzip wiederzufinden (vgl. Wagenschein, 1995). Die Ergebnisse werden nicht vom 17

18 Entstehungsprozess getrennt, dadurch, dass die Schüler zum Teil Vorkenntnisse über Solarzellen haben, jedoch bei der Funktionsweise noch Unklarheiten bestehen. In diesem Experiment lernen sie eine andere Art von Solarzellen kennen, die aber ebenfalls Licht in Strom umwandelt. Laut Lena Altherr bekommt das Experiment in der 12. Klasse eine ganz andere Bedeutung (vgl. Altherr, 2010). Der größte Unterschied besteht hier allerdings nur in der Erklärung der Funktionsweise der Solarzelle. Diese kann wie in Kapitel 2 erklärt werden. Die vereinfachte Erklärung, die bei der neunten Klasse eingeführt wurde, ist im Anhang auf dem letzten Arbeitsblatt zu sehen. Man könnte auch bereits mit Titandioxid beschichtete TCO-Glasplättchen benutzen doch im Experiment hat sich hier lediglich ein Unterschied von 0,03V gezeigt. Von daher können die Schüler im Versuch ebenfalls ihre Glasplatten selber sintern. Es ist keine vollkommen gleichmäßige Schicht nötig. Hierbei arbeiten sie eigenständiger, können mehr experimentieren und die Genauigkeit ihrer Arbeit spiegelt sich beim Messen der Spannung wider. Zusammenfassend ist zu sagen, dass sich besonders in der Phase des freien Experimentierens mit der Solarzelle viele didaktische Prinzipien wiederfinden. Aber auch das Bauen einer Farbstoffsolarzelle hat Vorzüge zum Experimentieren mit fertigen Siliziumsolarzellen, da die Schüler durch ihre eigene Arbeit motiviert werden und sie selber mit einfachen Mitteln Strom erzeugen Lernziele des Versuches Die Schüler verstehen die Funktionsweise der Farbstoffsolarzelle und können sie verbal wiedergeben. Sie bauen eigenständig eine Farbstoffsolarzelle und wissen welche Funktion die Materialien haben, die sie hierfür benutzen. Sie überprüfen die Theorie, indem sie die Spannung messen die ihre Solarzelle liefert. Hierbei können sie Kathode und Anode bestimmen und somit den Stromkreis nachvollziehen. Durch eigene Experimente erarbeiten sie den Zusammenhang von angezeigtem Strom und der Intensität des eingestrahlten Lichts und können diesen modellhaft erklären. Sie können den optimalen Einstrahlwinkel bestimmen und sind in der Lage eine Abschätzung über die Leistung ihrer Solarzelle zu machen sowie den Wirkungsgrad zu bestimmen. Die Schüler festigen ihr Wissen über Parallel- und Reihenschaltung indem sie mehrere Solarzellen zusammenschließen. Hierbei stellen sie fest, welche Mengen von Solarzellen benötigt werden um einen Verbraucher zu betreiben und können über den Nutzen ihrer Solarzellen diskutieren. Sie können den Wirkungsgrad ihrer Zelle mit gewöhnlichen 18

19 Solarzellen vergleichen und Möglichkeiten aufzählen, in welchen Bereichen man die Farbstoff-Solarzelle einsetzen könnte. 3.6 Mögliche Versuche mit der Farbstoffsolarzelle Beim Experimentieren können die Schüler je nach Klassenstufe die folgenden Aspekte untersuchen. Diese hängen davon ab, wie viele Unterrichtstunden man für die Durchführung einplanen möchte und ob der Versuch vielleicht in mehreren Fächern gleichzeitig besprochen wird. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass nicht alle der folgenden Versuche im Experiment erprobt und mit Schülern durchgeführt wurden. Das liegt daran, dass der zeitliche Rahmen, der für die Durchführung des Experiments mit einer Schülergruppe gegeben war hierfür nicht ausreichte. 1.Nutzung verschiedener Farbstoffe /Änderung der Lichtfrequenz Anthocyane sind Farbstoffe, die für die rote, violette, blaue oder blauschwarze Farbgebung von Blüten und Früchten verantwortlich sind. Das Farbspektrum reicht je nach ph-wert mit Ausnahme von grün, von blau bis rot. Der ph-wert der Anthocyane hängt mit ihrer Absorptionseigenschaft zusammen und wirkt sich bei verschiedenen Wellenlängen stärker und schwächer auf sie aus. Sie absorbieren Licht im Wellenlängenbereich zwischen 270 und 290 nm (UV-Strahlung) sowie im sichtbaren Bereich zwischen 465 und 560 nm (blau bis grün). Der Wellenlängenbereich wird außer von der Molekülstruktur auch vom ph-wert der Umgebung beeinflusst (vgl. Ablett, 2011).Licht dieser Wellenlängen wird aus dem sichtbaren Licht herausgefiltert und der reflektierte Lichtanteil erscheint als eine Farbe. Im Schülerexperiment können die Absorptionsspektren der jeweiligen Farbstoffe betrachtet und die Leistung der Solarzelle bei verschiedenen Farbfiltern untersucht werden. Hierbei kann man bei dem roten Farbstoff von Hibiskus Tee von einem ph-wert von ca. 4-4,5 ausgehen können, daher sollte dieses Spektrum betrachtet werden. In Abbildung 7 sieht man deutlich, dass das Absorptionsmaximum von Anthocyanin mit einem ph-wert von 4-4,5 im sichtbaren Bereich bei 550nm liegt. Die Schüler sollen durch Einsetzten verschiedener Farbfilter überprüfen, ob bei Verwendung eines Farbfilters für 550nm auch die höchste Leistung im Vergleich zu anderen Farbfiltern erzielt wird. 19

20 Abbildung 7: Absorptionsspektrum Anthocyanin 10 Wie oben erwähnt, absorbieren die Farbstoffe auch UV- Licht. Die Schüler können also auch mit UV-Lampen experimentieren. Da die Energie der elektromagnetischen Strahlung die eine Glühbirne liefert ausreicht, um Elektronen anzuregen und ein Absorptionsmaximum des Farbstoffs bei 550nm liegt, ist die Verwendung von UV-Lampen nicht unbedingt nötig. Dies können die Schüler jedoch selber untersuchen. Ähnlich wie beim Fotoeffekt sollen sie erkennen, dass durch die Intensität mehr Elektronen ausgeschlagen werden, nicht durch höherfrequentes Licht. Im Vergleich hierzu wird dann das Absorptionsspektrum von Chlorophyll betrachtet. Man sieht in Abbildung 8, dass es zwei Absorptionsmaxima im sichtbaren Bereich gibt, die bei ca. 425 nm und 660 nm liegen. Hierbei ist es interessant zu beobachten, ob die Energie des roten Lichts ausreicht, um überhaupt Elektronen des Farbstoffs in das Leitungsband des Titandioxids zu befördern. Abbildung 8: Absorptionsspektrum Chlorophyll Zugriff:

21 Aber auch hier kann die Leistung bei verschiedenen Farbfiltern untersucht werden und mit dem Absorptionsspektrum verglichen werden. 2. Änderung der Lichtintensität Der Zusammenhang zwischen der Lichtintensität und dem gemessenen Strom sollte auf jeden Fall von den Schülern untersucht werden. Sie können beispielsweise anhand eines Papierblattes die Einwirkung des Lichts auf den Strom feststellen, indem sie das Blatt teilweise oder komplett vor die Glühbirne halten oder indem sie den Abstand der Solarzelle zur Glühbirne verändern. Je höher die Intensität des Lichts, desto höher der Strom. Das hängt damit zusammen, dass durch eine höhere Intensität mehr Photonen auf die Elektronen treffen und diese anregen beziehungsweise vom Farbstoff lösen. Die Spannung sollte nur bis zu einem bestimmten Punkt von der Beleuchtungsstärke abhängen. Dann stellt sich eine Sättigungskurve ein (vgl. Grätzel, 2001). Die Schüler können jedoch bis zum Punkt der Sättigung auch hier eine Abhängigkeit feststellen. 3. Hintereinanderschalten mehrerer Zellen- Verbraucher Zwischenschalten Um die Spannung zu erhöhen, sollen die Schüler mehrere Zellen hintereinander schalten und einen Verbraucher zwischenschalten. Sie erkennen zum ersten Mal den Nutzen ihrer Solarzelle, da sie mit einer einzelnen Zelle nur eine sehr geringe Leistung erzielen können. Mit einer Solarzelle erreichen sie nur etwa eine Leerlaufspannung von 0,3V. Das macht es schwer, einen geeigneten Verbraucher zu finden. Selbst rote Led-Lämpchen benötigen mehr als 8 zusammengeschaltete Solarzellen. Die Schüler müssen also hier sehr große Gruppen bilden. Des Weiteren müssen sie sich mit Reihen- und Parallelschaltung und dem Verhalten der Spannung und Stromstärke beschäftigen. 4. Berechnung des Wirkungsgrads Um den Wirkungsgrad der Solarzelle zu berechnen, müssen die Schüler zunächst die Leistung berechnen. Hierzu müssen sie einen Widerstand zwischenschalten. Beim Durchführen des Experiments der Farbstoffsolarzelle in der Sekundarstufe 1 haben die Schüler nur die Leerlaufspannung und den Kurzschlussstrom gemessen. Aus organisatorischen Gründen wurde so vorgegangen, dass sie die Leistung hieraus nur abschätzen konnten. Es waren nicht genügend angebrachte Widerstände vorhanden und durch die geringe Anzahl an geeigneten Lichtquellen, musste das Messen unter dem Overhead-Projektor schnell gehen. Die Schüler können bei ihrer Rechnung so zwar keine genauen Angaben über die Leistung ihrer Solarzelle machen, jedoch bekommen sie eine 11http:// Zugriff:

22 Größenvorstellung darüber, welche Leistung ihre Solarzelle erreicht (siehe Bemerkung zu den Arbeitsblättern). Die Schüler sollten bei so einer Abschätzung aber unbedingt über den Fehler in ihrer Rechnung aufgeklärt werden und ihnen sollte vermittelt werden, dass es sich hier nicht um eine Leistungsberechnung, sondern lediglich um eine Abschätzung des Größenbereichs handelt. Um die wirkliche Leistung zu berechnen, wird bei Strom- und Spannungsmessung ein Widerstand zwischengeschaltet und ein Strom-Spannungs-Diagramm aufgenommen. Hierbei wird durch ein Potentiometer der Widerstand verändert und somit werden verschiedene Stromstärken erreicht. Die Leistung der Lampe/des Overhead- Projektors muss pro Fläche betrachtet werden. Wenn man davon ausgeht, dass der Overhead-Projektor einen Halbkreis abstrahlt, ergibt sich bei einem Overhead-Projektor von 300 Watt mit 0,3m Abstand zur Auflage eine bestrahlte Fläche von. Daraus folgt eine Leistung pro Fläche von: 5. Fehlerbetrachtung für den Wirkungsgrad Es ist nicht sinnvoll eine Fehlerrechnung mit Schülern in der Sekundarstufe 1 durchzuführen, da ihnen die mathematischen Grundlagen hierzu fehlen und die Fehlerbestimmung sehr ungenau ist, da die Messwerte stark schwanken. Sie sollen eher einen qualitativen Eindruck ihres Experiments behalten. In der Oberstufe könnte man eine Fehlerrechnung wie sie sich unter 3.4 Durchführung des Versuchs befindet machen. 6. Diskussion zur kommerziellen Nutzung Bei der Diskussion um eine kommerzielle Nutzung ist der Vergleich mit einer Siliziumsolarzelle sinnvoll. Diese hat einen etwa doppelt so hohen Wirkungsgrad wie die Farbstoffsolarzelle (vgl. Grätzel, 2001). Die Schüler sollen die Vorteile der Farbstoffsolarzelle nennen und abwägen ob sie trotz des geringen Wirkungsgrades eine Verwendung solcher Solarzellen für sinnvoll halten. Die Schüler diskutierenden Nutzen von Solarzellen, indem sie die Vor- und Nachteile konventioneller Stromversorgung mit der Solartechnik vergleichen. Sie haben selber erfahren, wie gering der Wirkungsgrad ihrer Solarzelle ist. Mögliche Fragen für eine Diskussion wären: Ist es überhaupt möglich, nur solargetriebenen Strom herzustellen. Ist Deutschland ein geeigneter Standpunkt und sind die Kosten vertretbar? Ist die Herstellung umweltfreundlich? 22

23 3.6 Durchführung des Experiments Für die Durchführung des Experiments wurden 2,5 Zeitstunden eingeplant. Zu Beginn wurde ca. eine halbe Stunde eine Einführung in die Theorie gegeben und dann haben die Schüler sich eine Stunde mit dem Bau der Solarzelle beschäftigt und deren Spannung gemessen. Danach bietet es sich an eine kurze Pause einzuplanen, bevor die Schüler weitere Experimente mit der fertig gestellten Solarzelle durchführen Einführung Die Funktionsweise der Farbstoffsolarzelle sollte theoretisch besprochen werden, bevor die Schüler experimentieren. Um die Reaktion schematisch darzustellen, sollte mit den Schülern ein ähnliches Tafelbild wie in Abbildung 9 folgt, vor Beginn des Experiments erarbeitet werden. Es sind die einzelnen Materialien sowie deren Funktion schematisch zu erkennen. Diese Abbildung können die Schüler sich dann wieder anschauen wenn sie ihre Solarzelle fertig gestellt haben und die einzelnen verwendeten Materialien ihrer Funktion zuordnen. Abbildung 9: Tafelbild der Funktion der Teebeutel-Solarzelle 12 12http:// Zugriff:

24 3.6.2 Experiment Eine noch genauere Anleitung zum Bau, sowie zu möglichen Experimenten befindet sich im Anhang unter Arbeitsblätter. Um den Versuch mit Schülern durchzuführen, benötigt man: Material: - Titandioxid - Jod-Kaliumjodidlösung - destilliertes Wasser - rote Früchte/ roter Tee - TCO- beschichtete Glasplättchen, Geräte: - Bunsenbrenner - Stativ - Ceran-Platte - Spatel - Pipette - Klebestreifen - Feuerzeug - Petrischale - Becherglas - Föhn - Tiegelzange - Multimeter - weicher Bleistift - Lampe - Bananenkabel - Krokodilklemmen - eventuell Papierfilter Die Chemikalien Titandioxid und Jod-Kaliumjodid sollten sich in der Chemiesammlung von Schulen befinden. Das Jod-Kaliumjodid kann aber auch günstig in Apotheken erworben werden. Die TCO- beschichteten Glasplättchen sind bei verschiedenen Firmen zu einem ungefähren Preis von 1 pro Plättchen zu erwerben. Die im Versuch verwendeten Plättchen der Firma ManSolar haben sich bei Internetrecherche, als die zu dem Zeitpunkt preiswertesten Plättchen herausgestellt. Die Geräte sollten sich ebenfalls in Chemie- und Physiksälen von weiterführenden Schulen befinden. Die folgende Abbildung 10 zeigt eine fertig gestellt Farbstoffsolarzelle nach Grätzel. Die obere Platte stellt in dieser Abbildung die positive Elektrode dar und die untere Platte die negative Elektrode. Es ist zu sehen wie die beschichteten Glasplättchen aufeinander zu legen sind. 24

25 Abbildung 10: Aufbau der Teebeutel-Solarzelle 13 Gruppeneinteilung Für die späteren Experimente werden viele Solarzellen benötigt, sodass jeder Schüler eine eigene Solarzelle bauen sollte. Zu Beginn arbeiten die Schüler jedoch paarweise zusammen. Durchführung Mit Hilfe eines Multimeters wird herausgefunden, welches die leitfähige Seite der Glasplatte ist. Hierbei müssen die Schüler bedenken, dass der Widerstand von normalem Glas unendlich ist und feststellen, dass auf dieser Seite kein Widerstand auf dem Messgerät angezeigt wird. Sie können somit nur auf einer Seite einen endlichen Widerstand messen. Nachdem Anfertigen einer TiO 2 - Paste aus TiO 2 und destilliertem Wasser wird nun die leitfähige Seite mit der Paste bestrichen. Die bestrichenen Plättchen werden auf einer Ceranplatte über dem Bunsenbrenner für ungefähr 5 Minuten erhitzt. Währenddessen wird roter Tee zubereitet und in eine Petrischale gefüllt. Die Glasplättchen müssen abkühlen, indem sie weiterhin auf der Ceran-Platte liegen bleiben, damit sie nicht brechen. Die andere Glasplatte wird nun mit einem weichen Bleistift bemalt. Die TiO 2 -beschichtete Platte wird etwa 2 Minuten in die Petrischale mit dem Farbstoff eingelegt und anschließend mit einem Föhn getrocknet. Nun werden die beiden Glasplatten zusammengefügt, indem man jeweils die beschichteten Seiten ca. ½ cm versetzt aufeinanderlegt und mit Klebestreifen umklebt. Mit einer Pipette wird die Elektrolytlösung zwischen die Glasplatten gegeben. Nun werden die Krokodilklemmen an den überstehenden Kanten angebracht und die Zelle über Bananenkabel mit dem Multimeter verbunden. Die Spannung wird gemessen, wenn die Zelle unter einer 400 W- Lampe liegt. Fehlerrechnung Die Messungenauigkeiten führen insgesamt typischerweise auf einen relativen Fehler von ca. 10% der Leistung Zugriff:

26 Aufgrund eines Gerätefehlers des Messgeräts und dem Widerstand der Kabel werden folgende Werte angegeben: Spannung: +_0,01 Stromstärke: +_ A Mit = Damit ergäbe sich bei einer Spannung von 0,30V und einer Stromstärke von 0,0016A ein Fehler von Watt, also 9,5 %. Erwartete Hypothesen zum Einfluss auf die Stromstärke und Spannung Die Schüler sammeln Hypothesen über die Faktoren, die Einfluss auf die Funktion ihrer Solarzelle haben könnten. Folgende Antworten sind zu erwarten: Das Auftragen der TiO2 Schicht muss so gelingen, dass sich nicht zu viele Risse bilden. Die Lichtintensität mit der die Solarzelle beleuchtet wird, beeinflusst den Strom der später gemessen wird. Bei verschiedenen Einstrahlwinkeln des Lichts auf die Zelle, sind verschiedene Stromstärken zu messen. Verschiedene Farbstoffe zeigen unterschiedliche Ergebnisse. Das Lichtspektrum, mit dem die Zelle bestrahlt wird, könnte ebenfalls den Stromfluss beeinflussen. Diese Hypothesen werden von den Schülern durch das Experiment überprüft. 26

27 4 Auswertung und Diskussion Am war eine neunte Klasse der Weingartenschule Kriftel im Naturwissenschaftlichen Schülerlabor der Universität Mainz, um das Projekt zur Farbstoffsolarzelle durchzuführen. Die Schüler bekamen eine kurze Einführung in die Funktionsweise der Teebeutel-Solarzelle und arbeiteten dann eigenständig in Zweiergruppen. Als Unterstützung halfen Studierende und wissenschaftliche Mitarbeiter der Universität den Gruppen bei Fragen und der Gerätebedienung. Fast alle Schüler schafften es in den zwei Stunden, die für das Experimentieren angelegt waren, eine Solarzelle zu bauen und die Spannung zu messen. Die Funktionsweise konnten sie eigenständig wiedergeben. Insofern wurde das Minimalziel für diese Stunde erreicht, welches der eigenständige Bau einer Solarzelle und deren Überprüfung durch Spannungsmessung war. Für weitere Experimente mit den fertig gestellten Solarzellen blieb leider kaum noch Zeit. Zwei Schüler hatten auch große Probleme mit dem Sintern, da die Titandioxid-Schicht bei ihnen immer wieder abblätterte. Ein Strom war nur bei einigen wenigen Solarzellen und auch nur im Bereich von 0,3-0,5 ma nachweisbar. Die Schüler hatten große Probleme im Umgang mit Multimetern. Sie kannten aus der Schule zwar analoge Multimeter, die Umstellung auf digitale Multimeter fiel ihnen jedoch sehr schwer. Das lag zum Teil auch daran, dass Begriffe wie Strom und Spannung, beziehungsweise die zugehörigen Einheiten nicht allen bekannt waren. Aus Zeitgründen schafften es die Schüler leider nicht, den Zusammenhang der Lichtintensität sowie den Einstrahlwinkel auf die Solarzellen zu untersuchen. Einige Gruppen konnten jedoch mehrere Solarzellen zusammenschalten. Auch hierbei war vielen Schülern nicht klar, dass sie bedenken müssen, wie sie die Zellen zusammenschalten. Zusammenfassend kann ich sagen, dass man das Projekt der Teebeutel-Solarzelle durchaus in einer 9. Klasse durchführen kann. Man sollte jedoch deutlich mehr Zeit als zweieinhalb Stunden einplanen. Im Voraus sollten vor allem der Umgang mit den Messgeräten sowie Reihen- und Parallelschaltungen besprochenen werden. Da man in einer Schulklasse nicht so viele Betreuer für die einzelnen Gruppen zur Verfügung stellen kann, sollten die Schüler in der Lage sein, selbstständig zu experimentieren und sicher im Umgang mit den Messgeräten sein. Aus diesem Grund muss von der Lehrperson abgewogen werden, ob die Schüler die TiO 2 - Schicht selber auftragen, oder ob sie lieber mit bereits beschichteten Plättchen experimentieren. Beim Sintern mit dem Bunsenbrenner sind sehr poröse Schichten entstanden, die teilweise wieder abgeblättert sind, bevor die Schüler sie mit Farbstoff einfärben konnten. Um einen größeren Strom zu messen, sollte man entweder bereits mit TiO 2 beschichtete Glasplättchen benutzen oder die Plättchen im Ofen sintern. So haftet der Farbstoff, der die Elektronen 27