Selbstbau einer Farbstoffsolarzelle

Unterrichtseinheit

Schülerinnen und Schüler stellen mit einfachen Mitteln eine Farbstoffsolarzelle her und prüfen ihre Qualität. Mit PowerPoint erstellte Animationen veranschaulichen die Funktionsweise der nach ihrem Erfinder benannten Grätzel-Zelle.

Chemie / Natur & Umwelt
Sekundarstufe I, Sekundarstufe II
2-3 Stunden, je nach Aufwand bei den Messungen
Arbeitsblatt, Video
1 Arbeitsmaterial

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Wenn im Unterricht aktuelle Beiträge der Chemie zur Lösung des Energieproblems thematisiert werden sollen, kommt man an der Solarzelle nach Grätzel (Grätzel-Zelle) nicht vorbei. Sie markiert den Beginn der Entwicklung einer ganzen Klasse von Farbstoffsolarzellen. In der hier vorgestellten Unterrichtseinheit werden ihre Funktionsweise und ihr Aufbau erarbeitet. Da das in der Grätzel-Zelle verwendete Titan(IV)-oxid eine Korngröße von etwa 100 Nanometern hat, ergibt sich dabei auch ein Bezug zur Nanotechnologie. Die Materialien der Unterrichtseinheit werden durch Beiträge aus der GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema (Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.) ergänzt. Diese stellen die technische Entwicklung der Farbstoffsolarzelle sowie ihre aktuelle und zukünftige Bedeutung im Alltag dar.

Didaktisch-methodischer Kommentar

Die Produktion herkömmlicher Solarzellen verursacht hohe energetische Kosten. Anfang der 1990er Jahre entwickelte Michael Grätzel an der technisch-naturwissenschaftlichen Universität in Lausanne (Schweiz) als Alternative die elektrochemische Farbstoffsolarzelle (Grätzel-Zelle). Diese verwendet zur Absorption von Licht kein Halbleitermaterial, sondern Titan(IV)-oxid und organische Pflanzenfarbstoffe. Bei dem Selbstbau einer solchen Zelle können die Schülerinnen und Schüler Ersatzmöglichkeiten für fast alle Komponenten der Grätzel-Zelle forschend untersuchen: Geeignetes Titan(IV)-oxid ist zum Beispiel in weißer Wandfarbe, Sonnenmilch und Zahnpasta zu finden. Bei der Wahl des Farbstoffs können die Lernenden mit Malventee und verschiedenen Beerensäften experimentieren. Dabei bietet sich ein Wettbewerb unter den Schülerinnen und Schülern an: Welche Gruppe entwickelt die stärkste Solarzelle?

Bau und Funktion von Farbstoffsolarzellen
Aufbau und Funktionsprinzip einer Farbstoffsolarzelle werden auf der Stoff- und der Teilchenebene dargestellt.
Visualisierungen und Fazit zur Grätzel-Zelle
Mit PowerPoint erstellte Animationen veranschaulichen das Funktionsprinzip der Grätzel-Zelle. Vor- und Nachteile der Farbstoffsolarzelle werden besprochen.
Selbstbau einer Grätzel-Zelle
Ein Wettbewerb bringt "Spannung" in die Versuche: Auf der Suche nach der besten selbst gebauten Zelle kann mit verschiedenen Materialien experimentiert werden.
GDCh-Wochenschau-Artikel zum Thema
Der GDCh-Artikel verknüpft die Inhalte der Unterrichtseinheit mit der technischen Entwicklung, der aktuellen und zukünftigen Rolle der Farbstoffsolarzelle im Alltag.

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Vermittelte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler sollen

Aufbau und Funktionsweise einer Farbstoffsolarzelle verstehen.
einzelne Schritte der Energiegewinnung in Farbstoffsolarzellen mit denen der Fotosynthese vergleichen.
eine Farbstoffsolarzelle selber bauen und dabei mit verschiedenen Materialien experimentieren.

Internetadressen und Literatur

Kurzinformation zum Unterrichtsmaterial

Thema	Selbstbau einer Farbstoffsolarzelle
Autor	Walter M. Wagner
Fach	Chemie
Zielgruppe	Klasse 5 bis Jahrgangsstufe 13 (je nach fachlicher Vertiefung)
Zeitraum	2-3 Stunden, je nach Aufwand bei den Messungen
Technische Voraussetzungen	Neben der schulüblichen Chemielabor-Ausstattung werden benötigt: Multimeter, Kabel mit kleinen Krokodilklemmen, Lampe (100-150 Watt)
Software	Microsoft PowerPoint (für die Präsentation von Animationen zur Funktion der Grätzel-Zelle)