Selbstbau einer Farbstoffsolarzelle

Unterrichtseinheit
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Die Unterrichtseinheit liefert einen Einblick in den Aufbau und die Funktion einer Farbstoffsolarzelle und ermöglicht es Schülerinnen und Schülern, mittels experimenteller Versuche die chemischen Abläufe innerhalb der Grätzelzelle zu verstehen. Optional kann ein Vergleich zur Photosynthese gezogen werden oder abschließend mittels einer methodischen Diskussion die Bedeutung der Farbstoffzelle als Alternative zu herkömmlichen Solarzellen diskutiert werden.

  • Chemie / Natur & Umwelt
  • Sekundarstufe II
  • 3-6 Stunden
  • Arbeitsblatt, entdeckendes Lernen, Experiment
  • 7 Arbeitsmaterialien
Selbstbau einer Farbstoffsolarzelle

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Beschreibung der Unterrichtseinheit

Die Unterrichtseinheit kann für den Chemieunterricht in der in Sekundarstufe II eingesetzt werden und lässt sich in alle Rahmenlehrpläne der Bundesländer einbetten. Thematisch orientiert sie sich an einem Thema, das insbesondere in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erregt hat und aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken ist – der nachhaltigen Erzeugung von Strom.

Zu Beginn können sich die Schülerinnen und Schüler mithilfe des Arbeitsblattes 1 den Bau sowie die Funktion einer Farbstoffsolarzelle erarbeiten. Dabei werden auch die chemischen Vorgänge in der Zelle thematisiert.

In einer anschließenden praktischen Phase können sie eine Grätzelzelle selbstständig zusammenbauen und im weiteren Verlauf den Effekt der Variation der Farbstoffe auf die Leistung der Zelle untersuchen. Die verschiedenen Experimente können dabei entweder eigenständig geplant oder nach einer von der Lehrkraft vorgegebenen Vorgehensweise durchgeführt werden. Darüber hinaus liegt ein besonderer Fokus auf der Einschätzung möglicher Gefahrenquellen und der gezielten Übung des Verfassens eines Versuchsprotokolls. Abschließend werden die Ergebnisse gemeinsam besprochen und diskutiert.

Zum Abschluss der Einheit kann in einer Vertiefungsstunde ein Vergleich der Farbstoffsolarzelle mit der Photosynthese erfolgen. Optional bietet sich die Möglichkeit, die Bedeutung organischer Farbstoffzellen als Alternative zu herkömmlichen Solarzellen zu behandeln. Dies im Rahmen einer methodischen Diskussion erfolgen, in die auch aktuelle Forschungsergebnisse und potenzielle zukünftige Einsatzmöglichkeiten einbezogen werden können.

Dabei werden die Recherchefähigkeit sowie das selbständige Forschen und Experimentieren der Schülerinnen und Schüler gezielt gefördert. Zudem lernen sie, innerhalb einer Gruppe eigenverantwortlich zu arbeiten und Arbeitsprozesse zu organisieren.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial- / Aktionsform

Didaktisch-methodischer Kommentar

Das Forschungsgebiet der Solartechnik hat in den letzten Jahren im Zuge der intensiv geführten umweltpolitischen Debatten über Nachhaltigkeit und erneuerbare Energien enorm an Bedeutung gewonnen. Das vorliegende Material ist realitätsnah gestaltet und bietet an verschiedenen Stellen einen Lebensweltbezug, durch den die Lernenden zum kritischen Denken angeregt werden.

Die Unterrichtseinheit eignet sich ideal für den Chemieunterricht der Sekundarstufe II. Thematisch stellt sie eine vertiefende Ergänzung zum Themenblock "Elektrochemie und Redoxgleichgewichte" dar, der in allen Lehrplänen enthalten ist. Da die Einheit biologische mit chemisch-physikalischen Themen verbindet, kann sie aber auch fächerübergreifend als Exkurs in den Fächern Biologie oder Physik genutzt werden.

Das Themengebiet der Redoxchemie sollte bereits bekannt sein. Außerdem sollten die Schülerinnen und Schüler in der Lage sein, themenbezogen selbstständig in verschiedenen Quellen zu recherchieren und Informationen kritisch zu bewerten. Für die Versuchsdurchführung ist es erforderlich, vorab den sicheren Umgang mit Chemikalien sowie die Handhabung eines Multimeters zu besprechen.

Die Versuchsvorschrift enthält alle wichtigen Informationen zur Durchführung. Mithilfe von Arbeitsblatt 1 können sich die Schülerinnen und Schüler die chemischen Grundlagen sowie den Aufbau und die Funktion einer Grätzelzelle selbst erarbeiten und damit optimal auf den Versuch vorbereiten. Das Experiment kann jedoch auch ohne die vorherige Bearbeitung des Arbeitsblattes durchgeführt werden. Das Thema lässt sich im Anschluss optional vertiefen, indem die Schülerinnen und Schüler den Elektrolyten oder den Farbstoff variieren und die verschiedenen Zellen miteinander vergleichen. Hierbei kann die Vorgehensweise je nach Zielsetzung variabel angepasst werden.

Um die Titandioxidschicht optimal zu benetzen, sollten die Beeren zuvor mit einem Mörser zerkleinert werden. Durch die Zugabe kleiner Wassermengen lässt sich eine gleichmäßige Flüssigkeit erzeugen, durch die der Farbstoff gut verteilt werden kann. Je nach Gruppenstärke und Vorwissen kann dies durch selbstständiges Experimentieren oder durch Hilfestellung erarbeitet werden. Auch die Wahl der Herangehensweise kann im Anschluss gemeinsam reflektiert und diskutiert werden. 

Die Lehrkraft sollte vor der Durchführung der Versuchsreihe sicherstellen, dass alle benötigten Materialien und Chemikalien vorhanden sind.

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Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • lernen den Aufbau und die Funktionen einer Grätzelzelle kennen.
  • beschreiben Reaktionen in der Grätzelzelle und vergleichen diese mit Reaktionen während der Photosynthese.
  • bauen eine eigene Zelle und ermitteln experimentell den Einfluss verschiedener Materialien und Bedingungen auf die Leistung der Zelle.

Medienkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • erfassen Inhalte aus verschiedenen Informationsquellen.
  • können Medieninhalte analysieren und kritisch bewerten.

Sozialkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • stärken während der Gruppenarbeit ihre Kommunikations- und Teamfähigkeit.
  • können ihr Wissen auf fächerübergreifende Fragestellungen anwenden.

Mit dieser praxiserprobten Unterrichtseinheit zur Farbstoffsolarzelle bringen Sie als Lehrkraft erneuerbare Energien direkt ins Klassenzimmer! Die Schülerinnen und Schüler lernen, wie Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt wird – und bauen dabei selbst eine Farbstoffsolarzelle. Die Unterrichtseinheit umfasst ausführliche Arbeitsblätter, einen Unterrichtsablaufplan, einen Versuchsablauf und didaktische Hinweise für den Chemieunterricht.

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Autorin

Portrait von Maike Schnucklake
Maike Schnucklake

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