Herstellen einer organischen Solarzelle

(Grätzel-Zelle)

Erklärung

Herkömmlichen Solarzellen bestehen im Wesentlichen aus Silizium: es liefert bei Sonneneinstrahlung die Elektronen und diese können, dank der elektrischen Leitfähigkeit von Silizium, zu den Elektroden fließen.

In der Grätzel-Zelle gibt es für die beiden Aufgaben zwei verschiedene Stoffe:

ein (organischer) Farbstoff liefert bei Lichteinstrahlung die Elektronen und
Titandioxid leitet sie zu den Elektroden.

Erklärungsebene Jgst. 5-11:

Abb. 1: Schematischer Weg der Elektronen
schnelle Animation (PowerPoint XP erforderlich: ppt 4,5M
schrittweise Animation (PowerPoint XP erforderlich: ppt 4,5M

Erklärungsebene Jgst. 12-13:

Durch die Absorption eines Photons wird aus dem Farbstoffmolekül ein Elektron freigesetzt und durch das elektrisch leitende Titandioxid zur Anode abgeführt. Nun muss dafür gesorgt werden, dass die Elektronen auf ihrem Weg nicht wieder zu den ionisierten Farbstoff-Molekülen „umkehren“, da es dann keinen Stromfluss geben würde. Aus diesem Grunde fügt man einen Elektrolyten bei, der dem Farbstoffkation schnell ein Ersatzelektron nachliefert, hier Iod-Kaliumiodid-Lösung.

Abb. 2: Redox-Vorgänge und Schichtenaufbau
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In Schritten:

Durch einfallende Lichtstrahlen (Quanten) werden in den Farbstoff-Molekülen Fa Elektronen energetisch angeregt und durch deren Energie auf ein höheres Energieniveau gebracht.
Fa + hv --> Fa*
Da sich das Energieniveau oberhalb der Leitungsbandes von Titandioxid befindet, kann das Elektron übertreten (ein wenig "herunterfallen"): aus dem angeregten Zustand der Farbstoff-Moleküle werden die Elektronen auf das Leitungsband des Titandioxids übertragen.
Ox.: Fa* --> Fa_ox + e^-
Leitung: TiO₂ + e^- --> TiO₂^-
TiO₂^- --> TiO₂ + e^-
Dieser Ladungsinjektion entgegen stehen Deaktivierungsprozesse. Mit ausgewählten Farbstoffen erzielt man heute bereits Ausbeuten von etwa 90 %.
Aus der Anode fließen die Elektronen über den Verbraucher, der die zugeführte Energie "verbraucht" (eigentlich: umwandelt), zur Kathode.
Die Kathode führt diese Elektronen dem System zurück. Nur deshalb bleibt der Elektronenfluss aufrecht. Zunächst wird der Elektronenverlust des Farbstoffs aus dem Iodid der Elektrolyt-Lösung ausgeglichen, indem es zu Triiodid reduziert wird.
Ox.: 3 I^- --> I₃^- + 2e^-
Red.: 2 Fa_ox + 2e^- --> 2 Fa
Dann wird das Iodid mit Hilfe der Elektronen aus der Kathode zurückgebildet:
I₃^- + 2 e^- --> 3 I^-Das System befindet sich wieder in der Ausgangslage.