Allgemeine Chemie Praktikum. Bau einer Grätzelzelle (Farbstoffsolarzelle)

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1 Allgemeine Chemie Praktikum Bau einer Grätzelzelle (Farbstoffsolarzelle) Laborbericht Von: Manuel Mazenauer Jonas Meyer Gruppe 14 Wädenswil den 13. Dezember 2010 Dozent: Dr. C. Hinderling CH10

2 Abstract Die Arbeit befasst sich mit dem Thema Grätzelzelle (Farbstoffsolarzelle) und dem momentanen Stand der Technik. Hierfür wurden im Labormassstab nach einer genauen Anleitung von Solaronix einige Grätzelzellen hergestellt. Diese wurden anschliessend mit einer handelsüblichen monokristalinen Siliziumsolarzelle, mit einem gegebenen Wirkungsgrad verglichen, um den Wirkungsgrad abzuschätzen. Es konnte eine Grätzelzelle basierend auf einem Ruthenium haltigen Farbstoff mit einem Wirkungsgrad von 5.4 % hergestellt werden. Des Weiteren wurden Versuche mit Naturfarbsoffen und mit einem weniger aggressiveren Elektrolyten (gesättigte Kochsalzlösung) an Stelle des Iods durchgeführt. Diese waren jedoch weniger erfolgreich. Der Wirkungsgrad mit der Kochsalzlösung ergab einen Wirkungsgrad um 0 %. Es konnte jedoch eine kleine Stromstärke und eine kleine Spannung gemessen werden. Auch werden in der Arbeit Möglichkeiten zur Verbesserung des Wirkungsgrades gezeigt. 1

3 Inhaltsverzeichnis 1 Aufgabenstellung Funktionsprinzip Solarzelle Grätzelzelle Siliziumsolarzelle Vor- und Nachteile Grätzelzelle Verwendung der Grätzelzelle Praktischer Teil Material, Chemikalien Ausführung Messung Berechnung des Wirkungsgrades Diskussion der Messergebnisse Diskussion Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis

4 1 Aufgabenstellung Stellen sie eine Solarzelle nach Grätzel zusammen. Stellen sie dazu einen geeigneten Elektrolyten her. Messen sie die erzeugte Spannung und die Stromstärke ihrer Zelle. Errechnen sie daraus den Wirkungsgrad und vergleichen sie die erhaltenen Werte mit der Literatur und einer monokristallinen Siliziumzelle. 2 Funktionsprinzip Solarzelle Der Begriff Solarzelle steht für eine photoaktive Zelle, welche Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln kann. Grundlegend braucht eine Solarzelle einen Stoff der auf die Einwirkung von Licht Elektronen freigibt (Elektonenspender). Diese Elektronen werden über Halbleiter und eine weitere leitende Schicht zu einem Verbraucher transportiert. Über einen zweiten Leiter und gegeben falls eine Katalysatorschicht werden die Elektronen zum elektronenspendenden Stoff zurücktransportiert. Der Transport kann in Feststoffen über positive Ladungslücken oder über flüssige Elektrolyten erfolgen. Die beiden wichtigsten Vertreter der Solarzellen sind die wirtschaftlich am häufigsten eingesetzte Siliziumzelle und die Farbstoffsolarzelle (Grätzelzelle). Die Wichtigste Eigenschaft einer Solarzelle ist ihr Wirkungsgrad, da Licht unbegrenzt vorhanden ist, besteht nur die Frage wie viel Prozent man davon nutzen kann. 2.1 Grätzelzelle Bei einer Grätzelzelle werden die Elektronen von einem Farbstoff freigegeben. Hierbei kann der Farbstoff aus Trauben, Hibiskus oder Himbeeren usw. verwendet werden, dabei sind die kosten fast null dafür ist die Lebensdauer solcher Zellen eher gering. Wirtschaftlicher da längere Lebensdauern erzielt werden sind Rubidium Pigmente, diese sind aber wieder sehr teuer. Der Farbstoff wird auf eine nanoporöse Titandioxid Halbleiterschicht aufgetragen welche sich wiederum auf einer Zinkoxid Leiterschicht, welche bei einer Grätzelzelle unbedingt transparent sein muss, befindet. Als Träger für diese Schichten dient eine 3 Abbildung 1 Schematische Darstellung einer Grätzelzelle

5 Glasplatte da diese praktisch 100% transparent ist. Nachdem die Elektronen den Verbraucher passiert haben, werden sie von einer zweiten Zinkoxid Leiterschicht auf einer weiteren Glasplatte zu einem Katalysator geleitet. Der Elektrolyt nimmt hier die Elektronen auf und transportiert sie zurück zum Farbstoff. Bei Grätzelzellen wird normalerweise Iod als Elektrolyt verwendet, da die Energie für die Elektronenaufnahme sehr gering ist: In unserem Versuch wird auch gesättigte Kochsalzlösung eingesetzt, bei welcher das wenige Iodid und andere freie Ladungsträger den Elektronentransport übernehmen. Der Wirkungsgrad kommerziell nutzbarer Grätzelzellen liegt bei ca. 2-3%. Gemäss Annahmen von Forschern sind aber Wirkungsgrade bis 31% vorstellbar. [1] 2.2 Siliziumsolarzelle Eine Siliziumsolarzelle ist eine reine Halbleiter Solarzelle. Sie besteht aus zwei unterschiedlichen Siliziumschichten welche an einer sogenannten Grenzschicht aufeinander treffen. Die obere (im Bezug zur Lichtquelle) Schicht ist stark n-dotiert. Dies bedeutet dass dem Silizium, welches vier Bindungen zu weiterem Silizium bildet, Atome beigegeben werden welche durch das bilden von vier Bindungen freie Elektronen besitzen, normalerweise ist das Phosphor. Die untere Schicht ist schwach p-dotiert, in diesem Fall werden sogenannte positive Elektronenlöcher erzeugt indem dem Silizium Elemente mit nur drei Elektronen beigegeben werden, hier normalerweise Bor. Abbildung 2 Atomarer Aufbau um die Grenzschicht einer Siliziumzelle An der Grenzschicht dieser beiden entgegengesetzt geladenen Schichten bildet sich Ladungszone aus, das die freien Elektronen und die positiven Elektronenlöcher sich gegenseitig anziehen. Die n-dotierte Schicht ist hierbei viel dünner, da sich damit die Ladungszone in die p-schicht hinein erweitert (Elektronen sind beweglicher als die Elektronenlöcher). 4

6 Strahlt nun Licht in die Ladungszone werden die Ladungen in der Grenzschicht getrennt und die Elektronen fliessen von der n-schicht über den Verbraucher zur nun stärker positiven p-schicht. Je nach der Modifikation des Siliziums werden mit diesen Solarzellen kommerzielle Wirkungsgrade von 14-17% und im Labor mit speziellen Versuchszellen bereits bis zu 40% erreichet. [2] 2.3 Vor- und Nachteile Grätzelzelle Der Wirkungsgrad einer Farbstoff Solarzelle ist viel geringer als der einer Siliziumzelle, hingegen erziele die Farbstoffzellen bei diffusem Licht eine kleiner Leistungseinbusse als die Siliziumzellen. Da die Siliziumzelle eine reine Feststoffzelle ist, ist die Handhabung einfacher als bei der Farbstoffzelle, welche einen flüssigen Elektrolyten enthält. Und der vermutlich grösste Nachteil der Grätzelzelle ist die relative kurze Lebensdauer, da die Farbstoffe recht schnell zerfallen. Demgegenüber steht der wichtigste Vorteil, die Grätzelzelle kosten in der Herstellung nämlich nur etwa ein Fünftel einer Siliziumzelle. 3 Verwendung der Grätzelzelle Da bei Grätzelzellen nur die Träger hart sind können diese gegebenenfalls sehr einfach durch flexible ersetzt werden. Zudem kann die Grätzelzelle in fast allen Farben oder teilweise auch beinahe transparent gebaut werden. Aufgrund dieser beiden Eigenschaften kann die Grätzelzelle auf Textilien, wie zum Beispiel Zelten oder Jacken, verwendet werden. Auch Dachfenster können als stromerzeugende Fläche genutzt werden. Abbildung 3 Anwendungsbeispiel einer Grätzelzelle mit flexiblem Trägermaterial 5

7 4 Praktischer Teil 4.1 Material, Chemikalien Leitendes Glas Solaronix TCO x10cm Bin N Titanoxid (nanoporös) Solaronix Ti-Nanoxide T BN 267/ SN Iod M = g/mol puriss p.a. Gesundheitsschädlich, Umweltgefährdend Platinlösung Solaronix Plastisol BN 32/12089DM Entzündlich, Gesundheitsschädlich, vor Licht schützen Farbstoff Solaronix Ruthenium 535-bis TBA BN 233/160909SN Kaliumiodid M = g/mol puriss p.a. ACS Methanol Giftig, Leichtentzündlich Ethanol p.a. Leichtentzündlich Sonstige Materialien Glasschneider, Araldit ( 2-Komponentenepoxidhartzkleber), Muffelofen, Pinsel 4.2 Ausführung Die 10 auf 10 cm leitenden Glasplatten wurden mit Hilfe eines Glasschneiders in 5 auf 5 cm grosse Stücke zerkleinert. In die Hälfte der Glasplatten wurde nun mit einem Glasbohrer mit einem Durchmesser von 4 mm, in der Quadratdiagonalen und ca. 1.5 cm entfernt der Ecke zwei Löcher gebohrt, um in einem späteren schritt den Elektrolyten einfüllen zu können. Dabei wurde darauf geachtet, dass von der leitenden Seite des Glases zur nicht leitenden Seite des Glases gebohrt wurde, da das Glas ausreissen kann. 6

8 Die leitenden Seiten der Gläser wurden mit Ethanol p.a. gewaschen, mit einem Kleenex abgetupft und an der Luft fertig getrocknet. Auf die nicht gebohrten Glasplatten wurde auf die leitende Seite eine gut durchmischte, weisse Titanoxidsuspension aufgetragen. Dazu wurde auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Glases mit Tesafilm ein Teil der Oberfläche abgeklebt, so dass ein ca. 1 cm breiter Streifen des Glases nicht mit der Titanoxidsuspension in Berührung kommt. Mit einer abgebrochenen Pasteurpipette wurde nun entlang einer nicht abgeklebten kannte in einem Abstand von ca. 0.5 cm Titanoxidsuspension aufgetragen. Die entstandene Wurst wurde mit einem Objektträger auf der nicht bedeckten Fläche so verteilt, dass auf beiden Seiten ein Streifen mit einer Breite von 0.5 cm frei blieb. Das überschüssige Titanoxid wurde entfernt. Auf die gebohrten Glasplatten wurde auf der ganzen Fläche der leitenden Seite mit einem feinen Pinsel etwas Platinlösung (Platisol) aufgetragen. Die titanoxidbeschichteten sowohl auch die platinbeschichteten Glasplatten wurden in einem Muffelofen gesintert. Um Glasbrüche zu vermeiden wurden die Glasplatten im kalten Muffelofen gegeben und anschliessend auf 450 C aufgeheizt, 10 Minuten bei dieser Temperatur gehalten und anschliessend langsam abgekühlt. Die Titanoxid Schicht hat sich von einer weissen zu einer transparenten Schicht umgewandelt. Am besten werden die Glasplatten sofort verwendet, da ansonsten die Titanoxidschicht durch die Luft passiviert wird und weniger Farbstoff aufnehmen kann, was zu einer geringeren Stromproduktion führt. Das Gleiche gilt für die Platinglasplatte. Die Glasplatten mit dem Titanoxid wurden ca. 2 h in einer Ruthenium- Farbstofflösung/Traubensaft/zerstampften Himbeeren eingelegt. Die nun farbigen Titanoxidglasplatten wurden mit Ethanol p.a. gewaschen, mit einem Kleenex abgetupft und an der Luft getrocknet. Nun wurde jeweils eine Platin und eine Titanoxidglasplatte mit Araldit (Epoxidharz- Kleber) zusammengeklebt. Dabei wurden die Glasplatten um 45 gegeneinander verschoben. Nach 10 Minuten wurde die noch lehre Zelle durch die gebohrten Löcher mit Elektrolyt gefüllt. Bei den Zellen mit Rutheniumfarbstoff wurde als Elektrolyt eine Lösung mit 0.05M Iod und 0.5M Kaliumiodid verwendet (670.4mg Iod und mg Kaliumiodid in 50 ml Wasser). Bei den anderen Zellen wurde aufgrund der Überlegung, dass die Organischen Farbstoffe empfindlich auf Iodradikale sind, eine gesättigte Kochsalzlösung verwendet (Iodiert und Fluoriert), welche die Farbstoffe nicht angreift. 7

9 4.3 Messung Bei allen hergestellten Solarzellen wurden nun mit zwei Voltmetern gleichzeitig die Spannung und die Stromstärke gemessen. Dazu wurde eine Schreibtischlampe verwendet. Die Lampe wurde so ausgerichtet, dass der Abstand zur Fläche wo die Solarzellen zu liegen kommen 30 cm betrug. Die Fläche auf denen die Solarzellen lagen war weiss. Dies hat aufgrund der grossen Rückstrahlung auch einen Einfluss auf die Strohmausbeute, da die hergestellten Solarzellen beim ersten Durchgang nicht alles Licht absorbiert. Als Referenz wurde eine monokristalline Siliciumsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von 17.2% verwendet. Stromstärke I Spannung U Fläche A Leistung P Wirkungsgrad Bemerkungen Silicium 5 ma 400mV 25 cm 2 2 µw 17.2 % Referenz Ruthenium 17 µa 4.3 mv 7.5 cm 2 73 nw 2.1 % Ruthenium2 33 µa 5.4 mv 7 cm nw 5.4 % An einem Tag hergestellt Traubensaft 0 µa 0 mv 7.5 cm 2 0 W 0 % Himbeeri 0.2 µa 0.2 mv 7.5 cm 2 40 fw 0 % Berechnung des Wirkungsgrades Der Wirkungsgrad der Referenzzelle basierend auf Silizium wird über einen Dreisatz über die Fläche und die Leistung, mit den hergestellten Zellen in einen Zusammenhang mit den hergestellten Zellen gesetzt. Wenn man die Gleichung nach Wirkungsgrad im Labor auflöst ergibt dies folgende Gleichung: 8

10 4.3.2 Diskussion der Messergebnisse Aus den Messungen können folgende Schlüsse gezogen werden: Wenn man die Solarzellen innerhalb eines Tages herstellt, ist die Leistung der Solarzellen um einiges höher, da wie zuvor erwähnt, die Titanoxidschicht durch langen Luftkontakt passiviert wird. Auch konnte festgestellt werden, dass der Elektrolyt, bestehend aus gesättigter Kochsalzlösung (Jodiert und Fluoriert) nicht geeignet da bei der Zelle mit dem Himbeerfarbstoff, welcher eine gute Färbung ergab eine nur sehr kleine Leistung erbracht hat. 5 Diskussion Der Bau von Grätzelzellen ist relativ einfach und grundsätzlich für jeden durchführbar. Jedoch erfordert die Optimierung der Zellen gutes Verständnis der Abläufe in der Grätzelzelle. Wenn man die Wirkungsgrade der Rutheniumzelle mit der Literatur vergleicht, wo mit einer kommerziellen Grätzelzelle einen Wirkungsgrad von 2-3 % erreicht wird, konnte mit dem Rutheniumfarbstoff einen guten Wirkungsgrad von 5.4 % erreicht werden. Wenn man die Wirkungsgrade mit den denkbar möglichen Wirkungsgraden von bis zu 34 % vergleicht, gibt es viele Verbesserungsmöglichkeiten. Der untere Träger kann gegebenenfalls verspiegelt oder durch eine weitere Zelle ersetzt werden, um die Gesamtausbeute an Energie zu erhöhen, da beinahe kein natürlicher Farbstoff alles Licht absorbiert wie dies bei den Siliziumsolarzellen der Fall ist. Da jeder Farbstoff eine andere Elektronenaffinität besitzt, könnte ein anderer Farbstoff mit einer geringeren Elektronenaffinität eine höhere Leistung erbringen. 9

11 6 Literaturverzeichnis [1] Stand: Dezember 2007 Abgerufen am: [2] Stand: nicht ersichtlich Abgerufen am: Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Schematische Darstellung einer Grätzelzelle Strand: nicht ersichtlich Abgerufen am: Abbildung 2 Atomarer Aufbau um die Grenzschicht einer Siliziumzelle Stand: Abgerufen am: Abbildung 3 Anwendungsbeispiel einer Grätzelzelle mit flexiblem Trägermaterial Stand: nicht ersichtlich Abgerufen am: