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Farben und Energiegewinnung
Farben und Energiegewinnung
Farben dienen in der Natur zuallererst der Gewinnung von Energie für den Stoffwechsel. Ohne das Grün der Pflanzen und ähnlicher Farbstoffe wäre kein Leben möglich.
1992 ist es Michael Grätzel von der EPFL Lausanne gelungen, diesen Prozess auch technisch nutzbar zu machen. Da zur Herstellung einer Grätzelzellen nur wenig technischer Aufwand nötig ist und zu einem grossen Teil mit Alltagsgegenständen gearbeitet werden kann, bietet sich der Nachbau für den Schulunterricht an.
Theorie zu den Grätzelzellen:
Theorie zu den Grätzelzellen:
Kurze Beschreibungen bieten:
Bionik-Sigma (Mit Links zur Glasbestellungen)
VSN Shop (als Download " Wie funktioniert eine Gräzelzelle?")
Man Solar (als Ergänzung zum Bausatz)
Ausführliche Abhandlung:
Dissertation von Claudia Bohrmann geht vertieft auf die Chemie der Photoelektrochemie der Grätzelzellen ein
Aufgabe 1: Bau einer Grätzelzelle
Aufgabe 1: Bau einer Grätzelzelle
Variante 1:
Einfachste Variante mit Hilfe eines Baussatzes von Man Solar. Die exakte Beschreibung des Vorgehens wird mitgeliefert.
Ausgangsmaterial:
TOC beschichtete und deshalb leitende Glasplättchen, das eine schon mit Titandioxid beschichtet, das andere über der leitenden Schicht selbst mit Graphit überzogen.
Getrockenet Hibiscusblüten werden mit heissem Wasser übergossen und einige Minuten stehen gelassen
Der stark färbende Hibiskussaft tritt aus.
Die Titandioxid beschichteten Glasplättchen werden in diesem Tee eingefärbt (5 Minuten). Diese Plättchen bilden jeweils den Minus-Pol.
Die unbeschichteten Glasplättchen werden auf ihrer leitenden Seite mit Graphitschicht überzogen und zwar mit Hilfe eines weichen Bleistifts (HB). Das mittlere Plättchen ist unbeschichtet, die beiden äusseren beschichtet. Diese Plättchen bilden jeweils den Plus-Pol
Danach legt man die beiden Plättchen mit den beiden bearbeiteten Oberflächen zusammen und gibt einen Tropfen Iod - Kaliumiodidlösung als Elektrolyt dazwischen. Dieses Sandwich wird dann der Sonne ausgesetzt. Der Spannungsunterschied wird mit einen hochohmigen Multimeter gemessen.
Das Ergebnis lässt sich sehen: 0.338 Volt Spannung
Serieschaltung mehrere Grätzelzellen
Serieschaltung mehrere Grätzelzellen
Höhere Spannung erreicht man, wenn man die Solarzellen in Serie zusammenhängt.
In unserem Fall erreichten wir 1.216 Volt.
Damit gelang es einen einfachen Rechner zu betreiben.
Materialbeschaffung:
Materialbeschaffung:
Die schwierig zu beschaffenden Glasplättchen mit einer leitenden Schicht, sind erhältlich bei:
Aufgabe 2: Selbstbau der Titandioxid - Plättchen
Aufgabe 2: Selbstbau der Titandioxid - Plättchen
Titandioxid lässt sich selber aufbringen. Es braucht aber auch hier Glasplättchen mit einer leitenden Glasschicht (sogenanntes FTO oder ITO Glas, das z.B. über ManSolar bezogen werden kann).
- Vier leitende Glasplättchen werden auf die Unterlage gelegt
- Die leitenden Seite muss nach oben weisen.
- Mit Tesaklebband werden die Seiten abgedeckt
- Einer dünnen Schicht Titandioxidlösung wird aufgetragen (mit Hilfe eines zweiten Objektträgers wird die zuerst oben angebrachte Titandioxidlösung gleichmässig verstirchen sodass eine dünne Schicht Titandioxid entsteht).
- Danach werden die Plättchen an der Luft oder mit Hilfe eines Föhns getrockenet
Die Plättchen können sich zwischenzeitlich bräunlich verfärben
- Die trockenen Glasplättchen werden über einem Spiritusbrenner für etwa 10 Minuten gesintert.
- Dazu legt man sie auf eine vierfach gefaltete Alufolie und dann auf ein Drahtgitter
- Die Temperatur sollte zwischen 400°C und 450 °C liegen (z.B. mit Infrarot Temperaturmesspistole bestimmen; am seitlichen Glühen des Drahtgitters kann man in etwa feststellen, dass die Temepratur die nötige Höhe erreicht hat).
Aufgabe 3: Variationen beim Anbringen von Farblösungen
Aufgabe 3: Variationen beim Anbringen von Farblösungen
- Rotkohlsaft
Statt mit Hibiskus-Tee wurde hier mit Rotkohlsaft gefärbt. Das zweite Plättchen ist das mit Graphit beschichtete Gegenplättchen (Pluspol). Die Zelle funktionierte auch mit Rotkohl sehr gut.
Chlorophyll
Chlorophyll
hier leigt das Titanoxidplättchen für 5 und mehr Minuten in der Chlorophylllösung
Das Einfärben mit Chlorophyll ist komplizierter. Das gewöhnliche mit Alkohol oder Aceton ausgezogenes Chlorophyll verbindet sich kaum mit dem Titanoxid. Das Chlorophyll ist lipophil und muss durch Verseifung polarer gemacht werden, damit es sich an das Titanoxid anschmiegen kann.
Eine genaue Beschreibung des Präparation von Chlorophyll, das sich dann mit Titanoxid verbindet, ist hier zu finden:
Der zweite Versuch mit dem Einfärben des Titanoxid Plättchen klappte besser. Das Rezept wurde leicht verändert. Es wurde vor der Verseifung etwas Wasser mit dazugegeben.
Das Chlorophyll haftete besser am Titanoxid. Das Plättchen wurde aber weiterhin vor dem Trockenen nicht unter dem Wasserstrahl abgewaschen.
Das Messen der Spannung:
Das Messen der Spannung:
Beim Spannungsmessen an Grätzelzellen können Überraschungen auftreten:
Die heutigen Spannungs-Messgeräte sind sehr hochohmig und deshalb äusserst empfindlich. Die Spannung sagt aber wenig aus über die Leistungsfähigkeit einer Stromquelle. Ein belastbare Stromquelle zeigt nämlich Spannung auch dann, wenn sie Strom liefern muss. Einen Hinweis auf diese Belastbarkeit unserer Grätzelzellen gibt der jeweilige Kurzschlussstrom, der einfach über die Ampère-Messeinstellung des Messgerätes gemessen werden kann. Genaueres liefert dann eine Bestimmung der Spannung-Strom-Kennlinie unter veränderlichen Belastungen.
Misst man die Spannung einer Grätzelzelle ohne Einfärbung, so stellt man zur Überraschung ebenfalls einen Wert fest. Dieser Wert kann, wenn die Zelle eben gerade zusammengesetzt wurde, durchaus 0.2 V betragen. Lässt man die Zelle aber etwas stehen, so fällt dieser Ruhewert auf etwa 0.02 Volt ab. Diese Spannung ist auch kaum belastbar. Der Kurzschlussstrom liegt im Bereich ganz wenigen μA.
Eine eingefärbte Zelle zeigt meist eine Ruhespannung zwischen 0.2 und 0.4 V. Der Kurzschlussstrom ist klein, liegt aber doch im Bereich von mehr als 10 μA und steigt deutlich an sobald es heller wird.
Das Verhalten der Grätzelzellen gegenüber UV - Licht ist ebenfalls interessant:
Allgemein reagieren die Zellen bei Beleuchtung mit einer UV Taschenlampe mit einer deutlichen Zunahme der Spannung und des Kurzschlussstroms. Bei der Chlorophyll-Zelle reagieren Spannung und Strom wie verzögert. Spannung und Kurzschlussstrom steigen besonders stark an, wenn die UV Licht wieder weggenommen wird und sinken dann langsam wieder auf den Ausgangswert ab. Eine Beobachtung, die weiter untersucht werden könnte.
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