Die Grätzelzelle als Unterrichtsgegenstand

1. Die Grätzelzelle als Unterrichtsgegenstand Stephan Stuckenschneider Karlsruhe, 26.09.2009

2. Gliederung 1. Einleitung 2. Fachwissenschaftlicher Aspekt zur Grätzelzelle 2.1 Aufbau der Grätzelzelle 2.2 Funktion der Grätzelzelle 3. Die Grätzelzelle als Unterrichtsgegenstand 3.1 Herstellung der Grätzelzelle 3.2 Planung der Experimente 3.3 Ausgewählte Experimente 3.4 Weiterführende Experimente 3.5 Bewertung der Grätzelzelle 4. Potential der Experimente 4.1 Aufbau der Lernkompetenz 4.2 Weitere Potentiale 5. Potential der Bionik für den Technikunterricht 6. Literatur

3. 1. Einleitung Kinder in intellektueller, emotionaler und physischer Hinsicht auf die von Natur, Gesellschaft und Technik geprägte Welt vorzubereiten. Nachhaltige Lernprozesse Ziel der allgemein bildenden Schulen: Ziel / Beitrag des Technikunterrichts: Wie kann der Technikunterricht diesem entgegenwirken? PISA: „Schwierigkeiten bei der Anwendung von Wissen“ Schaffung einer Orientierungs- und Lebenshilfe, im Sinne einer humanistischen Bildung, zur theoretischen Durchdringung und praktischen Bewältigung einer von Technik geprägten Welt.

4. 2. Definition - Grätzelzelle • Erfinder: Michael Grätzel (1991 patentiert) • Bionische Entwicklung im Bereich der Photovoltaik die der Verfahrensbionik zugeordnet ist  Farbstoffsolarzelle basierend auf dem Prinzip der pflanz. Photosynthese Ausgangspunkt für die Entwicklung der Grätzelzelle Lichtabsorption im Chloroplast Ladungstrennung und Elektronentransport Chemische Energie (Glucose)

5. 2.1 Aufbau der Grätzelzelle • 2 TCO-Glasplatten (transparent conductive oxide) • Nanokristalline Titandioxid-Schicht • Farbstoff • Iod-Kaliumiodid-Lösung (Elektrolyt) • Katalysator (Graphit) Abb.1: Aufbau der Grätzelzelle [vgl. Duden Paetec]

6. 2.2 Funktion der Grätzelzelle • Elektronenanregung durch Lichteinfall im Farbstoff • Energetische Anhebung des Elektrons • Elektronenfluss von der Anode zur Kathode • Redox - Reaktion im Elektrolyt durch eintreffende Elektronen  Ausgangszustand Abb.2: Funktion der Grätzelzelle [vgl. Universität Bayreuth]

7. 3. Die Grätzelzelle als Unterrichtsgegenstand 3.1 Herstellung der Grätzelzelle a. Herstellung der Photoelektrode (1) Bestimmung der elektrisch leitfähigen Seite der TCO-Glasplatte (2) Elektrisch leitfähige Seite der Glasplatte am Rand abkleben (3) Auftragen und Verteilen der Titandioxid-Lösung (4) Sinterung der Titandioxidlösung Abb.3.: Abgeklebte TCO-Platte [eigenes Foto] Abb.4: Aufbringen der Titandioxidlösung [eigenes Foto] Abb.5: Verteilen der Titandioxidlösung [eigenes Foto] Abb.6: Sintern der Titandioxidlösung [eigenes Foto]

8. 3.1 Herstellung der Grätzelzelle (5) Sensibilisierung der TiO2 Schicht • 1. Vorbereitung der Farbstofflösung (Hibiskusfarbstoff) • 2. Einfärben der Titandioxidschicht • 3. Abspülen des überflüssigen Farbstoffes und Trocknung Abb.7: Hibiskusblüten [eigenes Foto] Abb.8: Hibiskustee [eigenes Foto] Abb.9: Hibiskusteesensibilisierte Photoelektrode [eigenes Foto]

9. 3.1 Herstellung der Grätzelzelle b. Herstellung der Gegenelektrode (1) Bestimmung der elektrisch leitfähigen Seite (2) Auftragen der Graphitschicht (B-Minen Bleistift) Abb.10: Gegenelektrode [eigenes Foto] c. Zusammenbau der beiden Elektroden (1) Auftragen der Elektrolytlösung (1-2 Tropfen) (2) Photoelektrode und Gegenelektrode versetzt aufeinander legen und fixieren Abb.11: Fertige Elektroden [eigenes Foto] Abb.12: Auftragen des Elektrolyten [eigenes Foto] Abb.13: Fertige Grätzelzelle [eigenes Foto]

10. 3.2 Planung der Experimente a. Berücksichtigung des experi- mentellen Algorithmus: (1) Aufgabe mit Fragestellung (2) Versuchsvorbereitung (3) Versuchsaufbau (4) Durchführung und Auswertung (5) Erkenntnis Saxler (1992): Systematische Schritte für ein entdeckendes Lernen Meyer (2007): Ganzheitlicher und schülerzentrierter Unterricht Abb.14: Arbeitsblattbeispiel [eigener Entwurf]

11. 3.2 Planung der Experimente b. Materialen und Hilfsmittel: - Versuchsapparatur Höhenverstellbarer 150W Halogenstrahler Führungsstange Ablagefläche 230 V Stromversorgung mit Dimmvorrichtung Abb.15: Versuchsapparatur [eigenes Foto] - Grätzelzellen - Multimeter - Luxmeter - Krokodilklemmen Abb.16: Unterschiedliche Grätzelzellen [eigenes Foto] Abb.17: Multimeter [eigenes Foto] Abb.18: Luxmeter [eigenes Foto] Abb.19: Krokodilklemmen [eigenes Foto]

12. 3.3 Ausgewählte Experimente a. Experiment I: Verhalten einer Grätzelzelle bei zunehmender Beleuchtungsstärke Aufgabe: Wie verändern sich Leerlaufspannung (U0) und Kurzschlussstromstärke (IK) bei zunehmender Beleuchtungsstärke? 1. Materialien u. Hilfsmittel: - 1 Grätzelzelle (Hibiskusteefarbstoff- sensibilisierung) - 1 Digitalmultimeter mit Anschlusskabel - 1 Luxmeter - 2 Krokodilklemmen - Halogenstrahler mit Dimmvorrichtung 2. Versuchsaufbau Abb.20: Aufbau Versuch I [eigenes Foto]

13. 3.3 Ausgewählte Experimente 3. Durchführung und Auswertung: Messung von Spannung in mV Stromstärke in µA unter zunehmender Beleuchtungsstärke [ca. 0 – 5000 Lux (in 200 Lux Schritten)] a. Leerlaufspannung U0 in Abhängigkeit b. Kurzschlussstromstärke IK in Abhäng- von der Beleuchtungsstärke E: igkeit von der Beleuchtungsstärke E: Abb.21: Leerlaufspannung als Funktion von der Beleuchtungsstärke [eigene Darstellung] Abb.22: Kurzschlussstromstärke als Funktion von der Beleuchtungsstärke [eigene Darstellung]

14. 3.3 Ausgewählte Experimente 4. Ergebnis: - Leerlaufspannung  nicht linear von der Beleuchtungsstärke abhängig  starker Anstieg bei geringer Beleuchtungsstärke auf hohe mV Bereiche, danach nur noch geringe ansteigende Spannung - Kurzschlussstrom  lineare Abhängigkeit zur Beleuchtungsstärke

15. 3.3 Ausgewählte Experimente b. Experiment II: Reihen- und Parallelschaltung von Grätzelzellen Aufgabe: Wie wirkt sich Parallel- und Reihenschaltung auf Spannung , Stromstärke und Leistung aus? 1. Materialien u. Hilfsmittel: - 3 Grätzelzellen (Hibiskusteefarbstoff- sensibilisierung) - 1 Digitalmultimeter mit Anschlusskabel - 1 Luxmeter - 6 Krokodilklemmen - Halogenstrahler 2. Versuchsaufbau Abb.23: Aufbau Versuch II [eigenes Foto]

16. 3.3 Ausgewählte Experimente 3. Durchführung und Auswertung: Bei einer Beleuchtungsstärke von 8000 Lux schrittweise als Parallelschaltung und Reihenschaltung. Vor jedem neuen Zuschalten Spannung in mV und Stromstärke in µA messen und die Leistung in µW berechnen. a. Spannungs- und Stromstärke- verhalten bei der Parallelschaltung: b. Spannungs- und Stromstärke- verhalten bei der Reihenschaltung: Abb.24: Parallelschaltung [eigene Darstellung] Abb.25: Reihenschaltung [eigene Darstellung]

17. 3.3 Ausgewählte Experimente 4. Ergebnis 1. Spannung und Stromstärke ändern sich je nach Verschaltung - Parallelschaltung  geringfügiger Anstieg der Spannung &  linearer Anstieg der Stromstärke in Abhängigkeit zur Zellenanzahl - Reihenschaltung  geringfügiger Anstieg der Stromstärke &  linearer Anstieg der Spannung in Abhängigkeit zur Zellenanzahl 2. Leistung bleibt identisch

18. 3.3 Ausgewählte Experimente c. Experiment III: Betreibung eines elektronischen Gerätes mit Grätzelzellen Aufgabe: Wie viele Grätzelzellen werden benötigt, um einen mit einer 1,5 V Batterie betriebenen Taschenrechner zu betreiben? Wie groß müssen Spannung und Beleuchtungsstärke mindestens sein, um eine optimale Funktion zu erhalten? 1. Materialien u. Hilfsmittel: - Grätzelzellen (Hibiskusteefarb- stoffsensibilisierung) - 1 Digitalmultimeter mit Anschlusskabel - 1 Luxmeter - Krokodilklemmen - Halogenstrahler - Präparierter 1,5 V Taschenrechner 2. Versuchsaufbau Abb.26: Aufbau Versuch III [eigenes Foto]

19. 2. Versuchsaufbau 1. Ermittlung der benötigten Schaltung:  Reihenschaltung (Addition der Spannung) 2. Rechnerische Bestimmung der benötigten Grätzelzellen: 3. Zeichnung der Schaltung aus Grätzelzellen, Taschenrechner und Multimeter (als Spannungsmesser): 3.3 Ausgewählte Experimente geg: - V ges = 1500 mV Lös: Vges = z . VGZ - VGZ = 380 mV 1500 mV = z . 380 mV z = 3,9 ges: - Anzahl der GZ (z)

20. 3.3 Ausgewählte Experimente 3. Durchführung und Auswertung: Stufenweise Absenkung der Halogenstrahlers in 5-cm-Schritten. Spannung U und Beleuchtungsstärke E messen. Taschenrechnerfunktion beurteilen (-keine Funktion-, -schwach-, -gut-, -optimal-). Messwerttabelle mit Bewertung: Abb.27: Protokoll zu Versuch III [eigene Darstellung] 4. Ergebnis: Eine Schaltung mit 4 Grätzelzellen reicht aus, wenn eine Beleuchtungsstärke von 3341Lux vorliegt, die eine Spannung von 1356 mV erzeugt.

21. 3.4 Weiterführende Experimente (1) Zusammenhang zwischen Farbstoff und Leistung (2) Vergleich der Leistung von Grätzelzellen und Siliziumzellen (3) Experiment zur Lebensdauer der Grätzelzelle Abb.28: Farbstoffausbleichung nach 2 Tagen [eigenes Foto] Abb.29: Farbstoffausbleichung nach 4 Tagen [eigenes Foto] Abb.30: Farbstoffausbleichung nach 5 Tagen [eigenes Foto]

22. 3.5 Bewertung der Grätzelzelle Unterrichtsverfahren „Bewertung technischer Sachverhalte“ (vgl. Henseler):  Aufstellen von relevanten Bewertungskriterien  Bewertung des technischen Sachverhaltes 1. Bewertung der Grätzelzelle im Vergleich zur Siliziumsolarzelle: (1) - geringerer Wirkungsgrad - niedrigere Lebensdauer  unzureichende Marktreife der Grätzelzelle (2) - Schwachstellenausgleich durch zukünftige Forschung erforderlich 2. Auswertung Abb.31: Bewertungstabelle [eigene Darstellung]

23. 4. Potential der Experimente 4.1. Aufbau der Lernkompetenz (1) Benötigte Sach- und Handlungskompetenz für die Experimente (2) Aufbau der Lernkompetenz (Bsp.: Spannung messen können) Sachkompetenz: - Kenntnis von Begriffen: Spannung, Stromstärke, Leistung Handlungskompetenz: - Zweckgemäße Geräte zum Prüfen und Messen auswählen und anwenden Verbindung des Wissens mit einem zielgerichteten Handeln Abb.32: Schema zum Aufbau der Lernkompetenz [verändert nach: Lethmate nach Klinger]

24. 4. Potential der Experimente 4.2 Weitere Potentiale  Umgang mit technischen Geräten (Multimeter, Luxmeter etc.)  Umgang mit Messwerten (sachbezogenes Rechnen, graphische Darstellung, Interpretation)  Deutung der gewonnenen Erkenntnisse (v.a. die Bewertung von Technik)

25. 5. Potential der Bionik für den Technikunterricht Leitzielerfüllung erfordert eine stetige Anpassung des Technikunterrichts an aktuelle Themenfelder der Technik. Die Berücksichtigung bionischer Themen im Technikunterricht ermöglicht: Einbringung von modernen / naturinspirierten Technologien in den Technikunterricht Sensibilisierung der Schüler mit zukünftigen Technologien -> entdeckendes Lernen (experimentelle Methode) -> Bewertung von Technologien -> Entwicklungstrends herausarbeiten (zukünftige Nutzung) Möglichkeiten für einen fächerverbindenden Unterricht -> Stärkung der Fachidentität Potential für einen handlungs- und anwendungsorientierten Unterricht, der mit den Strategien und Methoden des Technikunterrichts eine Auseinandersetzung der Schüler mit zukünftigen Technologien ermöglicht. - Leitzielorientierung -

26. 6. Literatur Duden Paetec (2007): Bionik. Erfinderwerkstatt Natur, Berlin Henseler, K. u. G. Höpken (1996): Methodik des Technikunterrichts, Bad Heilbrunn Lethmate, J.: Experimentelle Lehrformen und Scientific Literacy, in: Praxis Geographie 11 (2006), S. 4 – 11 Meyer, H. (2007): Unterrichtsmethoden. II: Praxisband, Berlin Saxler, J. (1992): Problemorientiertes und Entdeckendes Lernen in der Physik, Essen Internetquellen: Universität Bayreuth (o.J): Online unter: http://www.old.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/cnat/kunststoffe/solarzelle_l.htm