| Zeitbedarf: |
45 Minuten. |
| Ziel: |
Herstellung einer
Zelle, die aus Licht elektrischen Strom erzeugt. |
| Material: |
Je Gruppe:
- Spatel 4mm
- Pasteurpipette, Hütchen
- 2 Tesa-Film* im Spender
- Ceran-Platte
- Brenner
- Anzünder
- 2 große Petrischalen mit Deckel,
d=12-15cm
- Föhn
- 2 Objektträger (wie in der Mikroskopie)*
- Rollrandgläschen 3ml oder Becherglas 25ml
- Tiegelzange
- Glimmer
- Multimeter*
- Messplatz mit Netzteil
- Verbraucher*
- 2 Messkabel Banane-Banane rot, 60cm
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- 1 Messkabel Banane-Banane blau oder schwarz, 60cm
- 2 weiche Bleistifte*
- sehr helle Lampe P>100W
- ggf. Stativ dafür
- Folienstift wasserfest M rot
- Folienstift wasserfest M blau
Je Gruppenmitglied:
- 2 leitend beschichtete Glasplatten (TCO)*
- 1 Verbindungskabel mit Krokodilklemmen (gelb)*
- 1 Kunststoffbeutel
1x insgesamt:
* Bestandteile von "Mansolar
3000" |
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Chemikalien: |
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- Hibiscus-Blüten, getrocknet
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Vorbereitung: |
Gruppengröße:
max. 4
Schüler; alle elektrischen Geräte anschließen und auf Funktion überprüfen;
Stromversorgung der Multimeter prüfen, benötigten Bereich einstellen. |
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Auftragen der Schicht: |
Einer für
alle, Angabe je Gruppenmitglied: Im
Rollrandgläschen 6 gehäufte Spatel Titandioxid-Pulver mit etwa 10 Tr.
"Paste Mix" zu einer dünnen Paste verrühren. Ggf. weitere Tropfen einzeln
zugeben. 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.
Platte 1 wird mit Tesafilm erst an den beiden langen
und dann an einem der kurzen Ränder blasenfrei abgeklebt.
Entlang der Abklebung an der schmalen Seite werden nun
2-3 Tr. der Paste mit dem Spatel aufgebracht und mit dem Objektträger
durch Längsbewegung auf der Glasfläche glatt gestrichen. 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.
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| 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: |
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TiO2-Platte
auf der Ceranplatte mit dem Brenner von unten bei voller Leistung
erhitzen. Dauer: ca. 5 Minuten. |
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| Beobachtung: |
Die TiO2-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 CO2
verbrannt. |
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Abkühlphase (wichtig): |
Tiegelzange in der
Flamme erwärmen und mit der heißen Spitze die TiO2-Platten in eine mit Glimmer gefüllte Petrischale legen.
Das Abkühlen dauert
max. 10 Minuten. |
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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. |
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Beschichten: |
Jeder für sich: Die Platte 2 mit
dem weichen Bleistift auf der leitenden Fläche bestreichen, so dass eine
gleichmäßige Grafitschicht entsteht.
Auf der Rückseite an einem Ende mit
dem roten Folienstift ein großes +
schreiben. |
| Ergebnis: |
Platte 2 stellt
den Plus-Pol der Solarzelle dar. |
| Färben: |
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Platte 1 mit der
TiO2-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 schwarzen Folienstift an jenem Ende,
an dem kein TiO2 zu sehen ist, ein großes
- schreiben. |
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| Beobachtung: |
Die TiO2-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
TiO2-Schicht nach oben auf den Tisch und Platte 2 überlappend mit der
Grafit-Schicht nach unten darauf legen. TiO2-Schicht muss
vollständig bedeckt sein. Nun müssen sich die Gruppenmitglieder
gegenseitig helfen: einer hält die Platten aufeinander gedrückt, ein
Zweiter wickelt einen Streifen Tesafilm 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 des Multimeters verbinden. Am Multimeter einen
Spannungsbereich so wählen, dass die zu erwartenden 400mV gemessen werden
können. Multimeter ggf. einschalten. Eine starke Lichtquelle
in angemessenem Abstand über der Zelle platzieren und einschalten. |
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Beobachtung: |
Das Multimeter
zeigt keine oder eine sehr geringe Spannung an. |
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Elektrolyt: |
Nun wird an einem
der schmalen Enden ein Tropfen Elektrolyt-Lösung aufgebracht. Beobachte
das Messgerät! |
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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 TiO2-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. |
Feststellen der Leistung
(ab Jgst. 10): |
Die Leistung P
der Solarzelle kann bestimmt werden:
P = U * I
Leistung = Spannung * Stromstärke
Die Spannung ist bereits bekannt: U = ............. mV
(eintragen!).
Die Stromstärke wird wie folgt bestimmt:1. Bauen Sie einen Stromkreis nach u.a. Skizze
auf.
Das Strommessgerät wird eine Stromstärke von 0,1-0,2 mA
anzeigen. Notieren Sie diesen Wert. I100= .......... mA.
2. Drehen Sie am Potentiometer so lange nach links, bis
die Stromstärke auf I100-20% abgefallen ist. Notieren Sie jetzt
die angezeigte Stromstärke: Imax= .......... mA.
Berechnen Sie nun P = U * Imax =
............. mW. |
| Hinweis: |
Man sollte
beachten, dass die Leistung von der eingestrahlten Lichtintensität
abhängt. Durch die Leistung der Leuchte und den definierten Abstand werden
standardisierte Bedingungen hergestellt, damit die Leistungen aller
hergestellten Zellen verglichen werden können. |
Anwendung
(ab Jgst. 10): |
Die 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) zu betreiben.
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| Quelle: |
ManSolar,
LS für
Makromolekulare Chemie I, Didaktik der Chemie |
| Hintergrund: |
Erklärung der Vorgänge in der Solarzelle |
| WWW: |
http://www.mansolar.com |
