Strawberry Solar Cell: Unterschied zwischen den Versionen
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In der Grätzel Zelle haben folgende Stoffe die Möglichkeit auf das Licht zu reagieren, Titandioxid, Kalium-Jodid Lösung, der Erdbeertee oder jeglicher anderer Farbstoff, das Graphit und die Glassplätchen mit TCO Beschichtung. Das Titandioxid zusammen mit dem Farbstoff nimmt die Lichtteilchen also Photonen auf und gibt gleichzeitig Elektronen ab. Der Erdbeertee beziehungsweise Farbstoff wandelt sichtbares Licht. Das heißt haben wir eine hoch konzentrierte Farbstofflösung, kann mehr Licht also mehr Photonen aufgenommen werden und damit ein höherer Endwert erzielt werden. Der organische Farbstoff vom Erdbeertee wird durch das Licht zerstört, wodurch unsere Zellen eine sehr kurze Lebensdauer haben und nur für ca. 2-3 Minuten gut messbar sind, bevor diese nicht mehr funktionieren. Allerdings kann die Lebensdauer verlängert werden, wenn man anstatt organischen Farbstoff künstliche Farbstoffe verwendet. Die Kalium-Jodid Lösung nimmt die vom Titandioxid abgegebenen Elektronen wieder auf. Unsere Glassplätchen sind bereits mit einer TCO Schicht beschichtet, wodurch sie sich als Träger und Abdecker eignen, jedoch reicht die Leitfähigkeit der TCO Schicht nicht aus. Genau aus diesem Grund braucht unsere Zelle noch das Graphit, welches die Leitfähigkeit zusätzlich verbessert. | |||
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Zusammenfassend kann man sagen, dass der Wirkungsgrad, durch eine höhere Konzentration des Farbstoffs erhöht wird und für höhere Messwerte sorgt. Das ändern der Lichtfarbe (zur Komplemen- und selben Farbe zum Farbstoff) erzielt schlechtere Messwerte als ein Licht mit ganzem Farbspektrum. Die Kalium-Jodid-Lösung ändert unser Ergebnis nicht, solang nicht auch die Konzentration des Farbstoffs erhöht wird. | |||
==Erfolge== | ==Erfolge== | ||
Wir haben im Regionalwettbeweb von Jugend forscht einen Sonderpreis, in Form eines Laborbesuchs, gewonnen. | Wir haben im Regionalwettbeweb von Jugend forscht einen Sonderpreis, in Form eines Laborbesuchs, gewonnen. | ||
Version vom 13. Juni 2024, 14:47 Uhr
Thema
GYPT 9:
Eine funktionsfähige Solarzelle kann aus leitenden Objektträgern, Jod, Saft (z.B. Brombeere) und Titandioxid hergestellt werden. Dieser Zelltyp wird als Grätzel- Zelle bezeichnet. Stellen Sie eine solche Zelle her und untersuchen Sie die notwendigen Parameter, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen.
Leitfragen:
- Wie funktioniert eine moderne Solarzelle?
- Wie funktioniert diese einfach zu bauende Solarzelle?
- Schaffst du es, eine funktionierende Grätzel-Zelle zu bauen?
- Wie kannst du die Effizienz deiner Grätzel-Zelle messen?
- Wie beeinflussen die Bauweise, die Materialien und andere Parameter die Effizienz und wie kannst du sie maximieren?
Aufbau (Experiment)
Um eine funktionsfähige Grätzel Zelle herzustellen, benötigte man die oben genannten Materialien. Zuallererst wird Wasser aufgekocht, für den Tee (die Menge des Wassers, hängt davon ab, wie viele Zellen man herstellen möchte) und anschließend in ein Becherglas zusammen mit 2-4 Teebeuteln gefüllt. Für eine Solarzelle werden zwei leitfähige Glasplättchen benötigt, bei denen zuerst die leitfähige Seite herausgefunden werden muss. Dazu wird ein Multimeter auf Omega gestellt, mit den beiden Kontakten berührt man dann die Glassplätchen. Wird ein Widerstand um die 40 bis 80 Omega angezeigt, so handelt es sich um die leitende Seite des Glasplättchen.
Nun werden die Glasplättchen mit ihrer leitende Seite nach oben gelegt. Als nächstes wird eine kleine Menge des TiO2-Pulvers mit einer kleinen Menge Ethanol vermischt. Hier gibt es keine genauen Angaben zur Menge des TiO2 und des Ethanols, doch die Masse sollte die Konsistenz von Zahnpasta erreichen. Im nächsten Schritt wir die Masse aus Ethanol und TiO2 mit einem Pinsel auf die leitende Seite des Glasplättchens gestrichen, sodass alles hauchdünn bedeckt ist. Die beschichteten Glasplättchen werden nun auf das Drahtnetz über dem Bunsenbrenner gelegt und für ca. 15 Minuten auf 400 bis 500 Grad Celsius erhitzt. Zwischenzeitlich sollte die weiße Masse, aus Ethanol und TiO2 eine gelbliche Färbung bekommen und dann wieder weiß werden. Um dem Zerspringen vom Glas vorzubeugen sollten sie danach erstmal abkühlen. Sobald die Glassplätchen abgekühlt sind, werden sie in eine Petrischale gelegt und mit der abgekühlten Farbstofflösung bzw. dem hoch konzentrierten Früchtetee übergossen. Nun lässt man sie 3 Minuten ziehen. Währenddessen wird das bisher unbenutzte Glasplättchen mit einem Bleistift gleichmäßig mit Graphit beschichtet. Wenn die 3 Minuten um sind, wird das Glasplättchen aus der Petrischale genommen und vorsichtig trocken getupft.
Auf die Graphitseite des Glasplättchen werden nun 2-3 Tropfen der Kalium-Jodid Lösung gegeben. Anschließend wird das Glasplättchen mit der Farbstoffschicht, leicht versetzt, um Krokodilsklemmen daran befestigen zu können, auf das Glasplättchen mit der Graphitschicht gelegt und zusammengedrückt, damit sich das Kaliumjodid verteilt. Jetzt werden die Glasplättchen mit Klebeband umwickelt, damit sie zusammenhalten. Zuletzt werden zwei Krokodilsklammern an die Zelle geklemmt (siehe Abb. 1 Deckblatt), nun kann man mithilfe des Multimeters eine Spannung messen. Mit Verwendung einer Lampe wird die Zelle getestet.
Basic Explanation
In der Grätzel Zelle haben folgende Stoffe die Möglichkeit auf das Licht zu reagieren, Titandioxid, Kalium-Jodid Lösung, der Erdbeertee oder jeglicher anderer Farbstoff, das Graphit und die Glassplätchen mit TCO Beschichtung. Das Titandioxid zusammen mit dem Farbstoff nimmt die Lichtteilchen also Photonen auf und gibt gleichzeitig Elektronen ab. Der Erdbeertee beziehungsweise Farbstoff wandelt sichtbares Licht. Das heißt haben wir eine hoch konzentrierte Farbstofflösung, kann mehr Licht also mehr Photonen aufgenommen werden und damit ein höherer Endwert erzielt werden. Der organische Farbstoff vom Erdbeertee wird durch das Licht zerstört, wodurch unsere Zellen eine sehr kurze Lebensdauer haben und nur für ca. 2-3 Minuten gut messbar sind, bevor diese nicht mehr funktionieren. Allerdings kann die Lebensdauer verlängert werden, wenn man anstatt organischen Farbstoff künstliche Farbstoffe verwendet. Die Kalium-Jodid Lösung nimmt die vom Titandioxid abgegebenen Elektronen wieder auf. Unsere Glassplätchen sind bereits mit einer TCO Schicht beschichtet, wodurch sie sich als Träger und Abdecker eignen, jedoch reicht die Leitfähigkeit der TCO Schicht nicht aus. Genau aus diesem Grund braucht unsere Zelle noch das Graphit, welches die Leitfähigkeit zusätzlich verbessert.
Theorie
Chemisch:
Physikalisch:
Messungen
Farbanalyse:
Wir haben eine Farbanalyse des Lichts durchgeführt, mit welchem
Fazit
Zusammenfassend kann man sagen, dass der Wirkungsgrad, durch eine höhere Konzentration des Farbstoffs erhöht wird und für höhere Messwerte sorgt. Das ändern der Lichtfarbe (zur Komplemen- und selben Farbe zum Farbstoff) erzielt schlechtere Messwerte als ein Licht mit ganzem Farbspektrum. Die Kalium-Jodid-Lösung ändert unser Ergebnis nicht, solang nicht auch die Konzentration des Farbstoffs erhöht wird.
Erfolge
Wir haben im Regionalwettbeweb von Jugend forscht einen Sonderpreis, in Form eines Laborbesuchs, gewonnen.
Unterstützungsleistungen
Wir haben vom Sponsorpool von Jugend forscht ca. 800€ bewilligt bekommen zum Kauf unserer Materialien. 69,38€ für unsere beschichteten Glassplätchen, 598,12€ für unser Multimeter und 95,60€ für einen Vernier Messer. Außerdem wurden wir von der TU und Dr. Claudia Ermel mit einer Versuchsanleitung und Informationen unterstützt
Quellen
https://youtu.be/17SsOKEN5dE?feature=shared https://youtu.be/XqNnRDy1R70 https://youtu.be/9bYqVNKbiA0 https://www.nature.com/articles/353737a0 https://link.springer.com/article/10.1007/s12648-011-0166-8 https://www.researchgate.net/profile/Mahdi-Malekshahi/publication/281319780_Natural_pomegranate_juice_as_photosensitizers_for_dyesensitized_solar_cell_DSSC/links/55e1af1908aecb1a7cc71fe3/Natural-pomegranate-juice-as-photosensitizers-for-dyesensitized-solar-cell-DSSC.pdf https://www.researchgate.net/profile/Mahdi-Malekshahi/publication/281319780_Natural_pomegranate_juice_as_photosensitizers_for_dyesensitized_solar_cell_DSSC/links/55e1af1908aecb1a7cc71fe3/Natural-pomegranate-juice-as-photosensitizers-for-dyesensitized-solar-cell-DSSC.pdf https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/gc/d0gc01148g https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927024808001815 https://edu.rsc.org/resources/make-a-grtaand776zel-cell/1290.article https://www.ccmr.cornell.edu/wp-content/uploads/sites/2/2015/11/Solar-Cells.pdf https://education.mrsec.wisc.edu/titanium-dioxide-raspberry-solar-cell/
