Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 18.03.16


Organische Solarzellen

Vortrag von Leo Kreutzer im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 14/15


Gliederung:


Einleitung. Die hoch technisierte Gesellschaft von heute setzt eine sichere und umfangreiche Stromversorgung voraus. Bis heute wird der Stromverbrauch überwiegend mit konventionellen Kohle-, Gas- oder Atomkraftwerken gedeckt. Diese jedoch belasten, alle auf ihre Weise, die Umwelt in großem Maß.

Solarzellen stellen eine recht saubere und umweltfreundliche Alternative dar, doch auch die Stromerzeugung mithilfe von Sonnenenergie stellt Hersteller und Nutzer vor große Herausforderungen. Wie eine Solarzelle aufgebaut ist, welche Materialien dafür gebraucht werden und warum die Produktion und Vermarktung noch immer recht schwierig ist, soll im Folgenden besprochen werden.


1 Die photoaktive Einheit

Jede photoaktive Einheit ist aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien aufgebaut. Zunächst werden eine Anode und eine Kathode benötigt, die über einen Leiter miteinander verbunden sind, damit ein Stromfluss entstehen kann. Um Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln zu können, wird zusätzlich eine Schicht benötigt, deren Bestandteile die Energie der Photonen aufnehmen können um in einen energetisch höheren Zustand zu gelangen und beim Zurückfallen in ihren energetischen Ausgangszustand Elektronen abgeben können. Diese Elektronen werden anschließend von der Anode aufgenommen und über den Leiter zur Kathode transportiert. Von dort aus werden sie wieder der photoaktiven Schicht zugeführt. So entsteht ein Elektronenkreislauf, der von verschiedenen Verbrauchern, wie z.B. einer Lampe genutzt werden kann.


Abb. 1: Schematischer Aufbau einer photoaktiven Einheit.

Heutzutage gibt es verschiedene Solarzellen, die unterschiedliche Materialien beinhalten, mithilfe derer Strom erzeugt wird. In einer anorganischen Solarzelle ist unter anderem viel Silizium verbaut, das durch Dotierung, z.B. mit Boratomen, zu einer effektiven Halbleiterschicht wird. Obwohl ca. 15 Massenprozent der Erde aus Silizium bestehen, sind Solarzellen auf Siliziumbasis sehr teuer, da es viel Energie erfordert, dieses Element aus der Erde zu gewinnen. Der hohe Förderpreis für Silizium macht die damit gefertigten Solarzellen ebenfalls teuer und dadurch die Zeit, die benötigt wird bis sich eine solche Solarzelle amortisiert, sehr lang. Deshalb forschen verschiedene Gruppen derzeit an effektiven Alternativen zu den anorganischen Silizium-Solarzellen.


2 Grätzel-Zelle

Eine Alternative bietet die 1990 von Michael Grätzel erfundene Grätzel-Zelle. Sie beinhaltet organische Farbstoffe, wie sie z.B. in Pflanzen vorkommen. Diese sind leicht und billig zu gewinnen und belasten die Umwelt kaum bis überhaupt nicht.

Ähnlich wie bei der Photosynthese nehmen die pflanzlichen Farbstoffe, wie z.B. Anthocyane, Lichtenergie auf, wodurch sie in höher gelegene Energieniveaus gehoben werden. Anschließend wird die Energie in Form von Elektronen in Elektronenkaskaden weitergegeben, wodurch der benötigte Elektronenfluss erzeugt wird.

Um jedoch die genaue Funktionsweise verstehen zu können, muss zunächst der Aufbau der Grätzel-Zelle, sowie die Schichtung der einzelnen Komponenten betrachtet werden.

2.1 Theoretischer Aufbau

Genau wie bei jeder photoaktiven Einheit werden auch hier zunächst Anode, Kathode und Leiter benötigt, die das Grundgerüst einer jeden photoaktiven Zelle bilden. Hierfür werden mit Zinndioxid (SnO2) beschichtete Glasplatten verwendet, die über einen Leiter miteinander verbunden sind. Als Leiter können Kabel aus Elektrobaukästen verwendet werden.

Die photoaktive Schicht setzt sich wiederum aus mehreren Schichten zusammen, die alle einen eigenen Zweck in der Zelle erfüllen. Der Anode aufgelagert ist zunächst eine Titandioxid (TiO2) -Schicht. Sie dient als Elektronen-Akzeptor. Darauf liegt die Farbstoffschicht, die z.B. Anthocyane aus Hibiskusblüten, beinhaltet. In ihr befinden sich die Farbstoffmoleküle, die in der Lage sind Lichtenergie aufzunehmen und sie als elektrische Energie in Form von Elektronen wieder abzugeben. Als nächstes folgt eine Schicht mit Elektolyten, die in der Lage sein müssen oxidiert und reduziert werden zu können. In der Grätzelzelle wird hierfür eine Iod-Kaliumiodid-Lösung verwendet. Zuletzt gibt es eine Katalysatorschicht, die den anlaufenden Vorgang beschleunigen soll. Als Katalysator wird über der Brennerflamme eine Rußschicht auf die Kathode aufgebracht. Alternativ kann auch mit einem Bleistift eine Graphitschicht aufgetragen werden.

Alle Komponenten ergeben letztlich eine funktionsfähige Grätzel-Zelle. Abbildung 2 zeigt den schematischen Aufbau einer Zelle (links) mit ihren einzelnen Schichten (rechts).


Abb. 2: Schematischer Aufbau einer Grätzel-Zelle.

2.2 Farbstoffsolarzelle selbst bauen

Die Grätzel-Zelle lässt sich sehr gut als Schülerversuch in einer vereinfachten Variante aufbauen. Die folgende Abbildungsreihe zeigt diese Schülervariante mit allen relevanten Teilschritten.

Experiment Bau einer Grätzel-Zelle (Schülervariante)
Material
  • Hibiskusblüten
  • Glasplatten mit Zinndioxidbeschichtung
  • Brenner
  • Ceranplatte
  • Petrischale
  • Klebefilm
  • Spatel
  • Glasstab
  • Föhn
  • Tiegelzange
  • Papiertücher
Chemikalien
  • Titandioxidlösung
  • Iod-Kaliumiodid-Lösung

Für die Fertigung der Zelle wird zunächst eine mit SnO2 beschichtete Glasplatte mit Klebefilm so auf eine Unterlage geklebt, dass die leitfähige Seite nach oben zeigt und in der Mitte der Platte ein Streifen (ca. die Hälfte der Platte) frei bleibt. Auf diesen Streifen bringt man anschließend wenige Tropfen TiO2 - Lösung auf und zieht diese so ab, dass eine dünne Schicht auf der Glasplatte bleibt. Anschließend wird der Klebefilm vorsichtig abgezogen und die Lösung auf einer Ceranplatte mit Hilfe eines Brenners getrocknet (vgl. Abbildung 3).


Abb. 3: Mit TiO2 beschichtete Anode zum Trocknen auf einer Ceranplatte.

Die abgekühlte mit TiO2 beschichtete Platte wird mit einem Minuszeichen (für Anode) markiert und zum Färben in ein Hibiskusblütenbad gelegt (vgl. Abbildung 4, links). Während der Färbung kann die Kathode vorbereitet werden. Hierfür wird eine neue mit SiO2 beschichtete Platte auf der leitfähigen Seite über der Brennerflamme geschwärzt, so dass eine gleichmäßige Rußschicht entsteht (vgl. Abbildung 4, rechts). Die Kathode kann mit einem Pluszeichen (für Kathode) gekennzeichnet werden.

 
Abb. 4: Anoden im Hibiskusblütenbad (links); mit Ruß beschichtete Kathoden (rechts).

Nach ca. fünf Minuten wird die Anode aus dem Färbebad genommen, mit einem Papier-Tuch abgetupft und so lange geföhnt, bis sie komplett trocken ist. Der vorher weiße Streifen sieht jetzt fliederfarben aus (vgl. Abbildung 5, links).


Abb. 5: Anoden mit TiO2 und Farbstoff (links); Ruß beschichtete Kathoden (rechts).

Die beiden Glasplatten (Anode und Kathode) werden so übereinander gelegt, dass die Farbstoff- und die Rußschicht aufeinander zu liegen kommen. Außerdem werden sie etwas seitlich versetzt aufeinander gelegt, damit am Ende jeder Platte eine Krokodilklemme angebracht werden kann (vgl. Abbildung 6). Die beiden Platten werden mit Klebefilm umwickelt, damit sie fest zusammen halten.

 
Abb. 6: Fertig zusammengesetzte Zelle ohne Elektrolytlösung.

Zum Schluss wird die Elektrolyt-Lösung so auf eines der überstehenden Enden gegeben, dass sie zwischen die Platten einziehen kann (vgl. Abbildung 7). Die fliederfarbene Schicht wird sichtbar dunkler während sich die Elektrolytlösung zwischen den Platten verteilt.


Abb. 7: Elektrolyt-Lösung zieht von oben zwischen die beiden Elektroden in die Zelle ein.

Falls zu viel Elektrolyt-Lösung aufgetragen wurde, kann diese mit einem Papier-Tuch abgetupft werden. Die Grätzelzelle ist nun fertig und kann mit einem Multimeter auf ihre Funktion getestet werden. Hierfür die Zelle an den beiden Elektroden mit je einer Krokodilklemme an das Multimeter anschließen. Zunächst die Zelle mit einem schwarzen Papier abdecken, sodass kein Licht darauf treffen kann. Das Multimeter auf Strommessung einstellen und anschalten. Nun das schwarze Papier wegnehmen und das Multimeter beobachten. Bei richigem Aufbau sollte nun ein Ausschlag zu sehen sein. Wie der Stomfluss in der Grätzel-zelle erzeugt wird, ist im nächsten Kapitel erklärt.

2.3 Funktionsweise

Trifft Licht auf die Grätzel-Zelle, so werden die in der Farbstoffschicht liegenden Anthocyane in einen energetisch höheren Zustand angehoben, in dem die Moleküle aber ungern verweilen. Sie streben stets in den energieärmeren Zustand zurück und geben beim Zurückfallen Energie in Form von Elektronen ab (Abbildung 8, roter Bereich). Diese Elektronen werden zunächst vom Akzeptor aufgenommen (Abbildung 8, weißer Bereich). Titandioxid (TiO2) kann dabei temporär ein Elektron aufnehmen und zum negativ geladenen TiO2- werden, wodurch ein Elektronenmangel am Farbstoff entsteht. Dieser kann durch Elektronen aus der Elektrolytschicht ausgeglichen werden, indem Iodid zu Iod oxidiert wird, wobei ein Elektron frei wird (Abbildung 8, gelber Bereich). Die im TiO2 "gespeicherten" Elektronen können über die Anode und den an ihr angeschlossenen Leiter zur Kathode und schließlich wieder in die Elektrolytschicht gelangen, wo sie das entstandene Iod wieder zu Iodid reduzieren - der Stromkreis ist geschlossen und der Stromfluss kann an einem dazwischen geschalteten Multimeter abgelesen werden.


Abb. 8: Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Grätzel-Zelle [vgl. 4].


Abschluss. Organische Solarzellen, wie etwa die Grätzel-Zelle können Strom liefern und tun dies auch. Warum sie im Alltag trotzdem so gut wie nirgends zu finden ist, lässt sich damit erklären, dass bis heute keine Komponentenkombination gefunden wurde, die einen ausreichend großen Wirkungsgrad liefert. Die Grätzel-Zelle liegt bei schwachen 2%, die neuere p-i-n-Zelle bringt es auf immerhin 12%. Das jedoch ist immer noch bei weitem nicht genug, um organische Solarzellen kommerziell nutzbar zu machen.


Literatur

  1. Wöhrle, D.; Hild, O.: Energie der Zukunft - Organische Solarzellen. Chemie in unserer Zeit, 2010, 44, S. 174-189.
  2. Dyakonov, V.: Organische Solarzellen. FVS - PV-Uni-Netz, Workshop 2003.
  3. http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/cnat/kunststoffe/solarzelle_l.htm. online: 18.02.2016.
  4. http://www.chemie-cockpit.de/mediawiki-1.9.3/images/9/93/
    Die_Grätzelzelle_Lehrer.pdf. online: 18.02.2016.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 18.03.16