Visualisierungen und Fazit zur Grätzel-Zelle

Mit PowerPoint erstellte Animationen veranschaulichen das Funktionsprinzip der Grätzel-Zelle. Vor- und Nachteile der Farbstoffsolarzelle werden besprochen.

Visualisierungen

Animierte PowerPoint-Präsentationen, die die beschriebenen Vorgänge auf der Teilchenebene visualisieren, finden Sie auf der Webseite der Didaktik der Chemie der Universität Bayreuth. Abb. 3 (zur Vergrößerung bitte anklicken) zeigt einen Screenshot. Die Präsentationen können zur Unterstützung des Unterrichtsgesprächs verwendet und von den Schülerinnen und Schülern auch am heimischen Rechner genutzt werden. Beachten Sie beim Einsatz der Folien folgenden Hinweis zu den Elektroden: Die Bezeichnungen Anode und Kathode gelten für die Sicht aus dem Inneren der Zelle. Die Anode nimmt vom Elektrolyten Elektronen auf, die Kathode liefert ihm Elektronen. Von außen gesehen ist die Elektrode, die innen die Anode war, der Minus-Pol, jene, die die Kathode war, der Plus-Pol. Die Animationen und Erklärungen dazu können Sie unter "Download" auf der Startseite der Unterrichtseinheit auch herunterladen (graetzel_zelle.zip):

Arbeitsmaterial

Was bringt die Grätzel-Zelle?

Gegenüber den oben bereits beschriebenen Nachteilen herkömmlicher Solarzellen bietet das Konzept der Farbstoffsolarzellen folgende Vorteile:

Man benötigt kein Element mehr (zum Beispiel Silizium). Man kann sich also den energieaufwendigen Schritt seiner Reduktion aus Verbindungen sparen.
Titan(IV)-oxid muss zwar rein, aber nicht hochrein sein. Damit hält sich der Aufwand bei der Herstellung in Grenzen.
Titan(IV)-oxid muss nicht dotiert werden.
Titan(IV)-oxid ist zwar - wie die Halbleitermaterialien - spröde. Das macht in seinem Fall aber nichts, weil es als Pulver aufgetragen und die leitende Funktion vom Elektrolyten (flüssig!) übernommen wird.

Neue Probleme

Man hat sich mit dem Konzept der Farbstoffsolarzelle allerdings einige neue Probleme eingehandelt, die zum Teil immer noch nicht gelöst werden konnten:

Lebensdauer der Farbstoffe
Die Farbstoffe werden durch Licht mit der Zeit zerstört. Man hat jedoch schon künstliche Farbstoffe entwickelt, die die Lebensdauer der natürlichen weit übertreffen.
Verschluss der Zelle
Der Elektrolyt sollte kein Wasser enthalten. Aber alle Lösemittel verdampfen recht leicht. Zudem ist Iod als Halogen ein sehr reaktives Element, dem die Materialien in der Zelle über viele Jahre standhalten müssen, besonders auch der Farbstoff. Aus beiden Gründen muss eine Grätzel-Zelle sehr effektiv verschlossen werden können. Dieses Problem ist bis heute (Februar 2010) nicht gelöst.
Trägermaterial
Ein Trägermaterial, das alle Anforderungen erfüllt (gasdicht, flexibel und UV-beständig über einen Zeitraum von 15 bis 30 Jahren), konnte bisher nicht entwickelt werden.

Energieausbeute

Was die Energieausbeute betrifft, nähern sich Farbstoffsolarzellen (Stand 2009: etwa 12 Prozent) den Silizium-Solarzellen (Stand 2008: etwa 20 Prozent) allmählich an; preislich gesehen sind sie deutlich günstiger. Seit wenigen Jahren werden Grätzel-Zellen und davon abgeleitete Varianten industriell hergestellt und finden Prototyp-Anwendungen als Ladegeräte für Akkus geringer und mittlerer Kapazität, wobei die Wirkungsgrade der Module mit zwei bis fünf Prozent aber deutlich hinter den Laborwerten zurückbleiben.

Konarka Power Plastic 20 Series
Die Firma Konarka bietet verschiedene Prototyp-Anwendungen von Farbstoffsolarzellen an. Auch "Solartaschen" können bestellt werden.

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