Chemie

Strom aus Licht

Wir stellen eine Solar-Zelle her

Zeitbedarf:	45 Minuten.
Ziel:	Herstellung einer Zelle, die aus Licht elektrischen Strom erzeugt.
Material:	Je Gruppe: Spatel 4mm Pasteurpipette, Hütchen 2 Transparent-Film im Spender Ceran-Platte, Vierbein Brenner Anzünder 2 Petrischalen mit Deckel, d=12-15cm Föhn 2 Objektträger (wie in der Mikroskopie) Tiegelzange Glimmer Multimeter Messplatz mit Netzteil ggf. Verbraucher 2 Messkabel Banane-Banane rot, 50cm	1 Messkabel Banane-Banane blau oder schwarz, 50cm sehr helle Lampe P>100W ggf. Stativ, Muffe, Klammer dafür Folienstift wasserfest M rot Folienstift wasserfest M blau Je Gruppenmitglied: 2 leitend beschichtete Glasplatten (TCO) 1 Verbindungskabel mit Krokodilklemmen (Farbe nicht rot oder blau) ggf. 1 Kunststoffbeutel 1x insgesamt: Wasserkocher
Chemikalien:	Lösemittel "Paste Mix"	Elektrolyt
Chemikalien:	Titandioxid, Pulver	Hibiscus-Blüten, getrocknet
Vorbereitung:	Gruppengröße: max. 4 Schüler; alle elektrischen Geräte anschließen und auf Funktion überprüfen; Stromversorgung der Multimeter prüfen, benötigten Bereich einstellen.

Auftragen der Schicht:

Einer für alle, Angabe je Gruppenmitglied: Im Vorratsgefäß von Titandioxid mit Hilfe von einigen Tropfen "Paste Mix" eine dünne Paste herstellen.

Jeder für sich: Glasplatten 1 und 2 mit der leitenden Seite nach oben auf den Tisch legen. Die leitende Seite wird über Widerstandsmessung mit dem Multimeter ermittelt: bei Anzeige von wenigen hundert Ohm liegt die leitende Seite vor.

Platte 1 wird mit Transparentfilm erst an den beiden langen und dann an einem der kurzen Ränder blasenfrei wie unten angegeben abgeklebt.

Entlang der Abklebung an der schmalen Seite wird nun wenig von der Paste mit dem Spatel aufgebracht und mit dem Objektträger durch Längsbewegung auf der Glasfläche glatt gestrichen. Vorsicht: trocknet schnell. Ggf. noch einen Tropfen "Paste Mix" drauf geben, dann wird die Masse glatter.

Tesafilm abziehen und TiO₂-Schicht mit dem Föhn auf warmer Stufe ca. 5 Minuten trocknen.

Ergebnis:

Man erhält eine gleichmäßige Schicht aus Titandioxid-Paste auf der Glasfläche, die in der Dicke der Dicke des Tesafilms (0,05-0,06mm) entspricht.

Brennen / Sintern:

Platte mit dem Titandioxid auf der Ceranplatte mit dem Brenner von unten bei voller Leistung erhitzen. Dauer: ca. 5 Minuten.

Beobachtung:

Die Titandioxid-Schicht verfärbt sich zunächst über braun nach dunkelgrau, dann hellt sie wieder auf. Das Brennen ist beendet, wenn die Schicht wieder weiß ist.

Deutung:

Im "Paste Mix" sind organische Stoffe enthalten, die eine klumpenfreie Masse garantieren sollen. Diese werden beim Backvorgang über Ruß zu Kohlenstoffdioxis verbrannt.

Abkühlphase (wichtig):

Tiegelzange in der Flamme erwärmen und mit der heißen Spitze die Platten in eine mit Glimmer gefüllte Petrischale legen. Das Abkühlen dauert max. 10 Minuten.

Farbstoff:

Einer für alle: Im Wasserkocher wird 1/2 Liter Wasser zum Kochen gebracht. Im Becherglas etwa 20 Blättchen Hibiskus-Blüten mit 100ml Wasser kochendem Wasser übergießen und einen dunkelroten Tee bereiten. Ca. 5 Minuten ziehen lassen. Tee in in die Petrischalen füllen.

Beschichten:

Jeder für sich: Die leitende Seite der TCO-Platte 2 mit der Tiegelzange in die Spitze der leuchtenden Brennerflamme halten, bis sich eine dünne Schicht Ruß abgesetzt hat. Auf der Rückseite an einem Ende mit dem roten Folienstift ein großes + (Plus) schreiben.

Ergebnis:

Platte 2 stellt den Plus-Pol der Solarzelle dar.

Färben:

Platte 1 mit der Titandioxid-Schicht nach oben vorsichtig in den Tee legen. Einwirkdauer: ca. 5 Minuten. Danach herausnehmen, im mit Wasser gefüllten Petrischalendeckel schwenken, auf die Tischfläche legen und mit dem Föhn auf warmer Stufe trocknen.

Danach auf die Rückseite (nicht Auflegen, sondern in der Hand halten) mit dem blauen Folienstift an jenem Ende, an dem kein Titandioxid aufgetragen ist, ein großes - (minus) schreiben.

Beobachtung:	Die Titandioxid-Schicht ist nach dem Färben intensiv violett. Beim Trocknen hellt die Farbe merklich auf.
Ergebnis:	Platte 1 stellt den Minus-Pol der Solarzelle dar.
Montage:	Platte 1 mit der Titandioxid-Schicht nach oben auf den Tisch und Platte 2 überlappend mit der Ruß-Schicht nach unten darauf legen. Die Titandioxid-Schicht muss vollständig bedeckt sein. Nun müssen sich die Gruppenmitglieder gegenseitig helfen: einer hält die Platten aufeinander gedrückt, ein Zweiter wickelt einen Streifen Transparentfilm fest um die Mitte.
Test:	Zelle wenden, so dass Platte 1 oben zu liegen kommt. Die Pole mit Hilfe der Messkabel mit den entsprechenden Polen der Messstation verbinden (Spannungsbereich 2V). Eine starke Lichtquelle in ca. 40cm Abstand über der Zelle platzieren und einschalten.
Beobachtung:	Das Multimeter zeigt keine oder eine sehr geringe Spannung an.
Elektrolyt:	Nun wird an einem der schmalen Enden ein Tropfen Elektrolyt-Lösung genau an die Kante zwischen den Platten aufgebracht. Beobachte das Messgerät!
Beobachtung:	Das Multimeter zeigt eine (bei Lichtquelle 150W) schnell auf 200-350mV ansteigende Spannung an. Die Zelle ist dann vollständig betriebsbereit, wenn der Elektrolyt die Titandioxid-Schicht vollständig durchtränkt hat. Den Erfolg erkennt man an der dunkleren Färbung.
Ergebnis:	Spannungen über 300mV zeigen, dass die Zelle sehr gut, zwischen 250 und 300mV gut gelungen ist.
Hinweis:	Eigentlich ist nicht die Spannung U, sondern der gelieferte Strom I ein Gütemerkmal für die Zelle, ist aber etwas schwerer zu messen. Möchte man die Güte der Zellen vergleichen, sollten die Bedingungen standardisiert sein: 1 Lampe, gleicher Abstand...usw.
Anwendung (ab Jgst. 10):	Jede Gruppe hat jetzt 3-4 Solarzellen zur Verfügung. Durch Reihenschaltung können die Spannungen der einzelnen Zellen addiert werden. Die Gesamtspannung von 1-1.2V könnte ausreichen, um einen der Verbraucher (Taschenrechner, Sprachmodul, Solarmotor) zu betreiben.
Quelle:	ManSolar, LS für Makromolekulare Chemie I, Didaktik der Chemie

Didaktik der Chemie

Universität Bayreuth