Strawberry Solar Cell

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)

Gelb: Titaniumdioxid, blau: TCO- Beschichtung, grau: Glas

Aufbau siehe Bild 1; rot: Farbstoff

Aufbau siehe Bild 1,2; braun: Kalium- Jodid- Lösung

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.

Aufbau siehe Bild 1-3; schwarz: Graphit

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.

Messungen

Folgende Parameter sind in unseren Messungen bereits variiert und untersucht worden: die Konzentration des Tees beziehungsweise Farbstoffs und die Menge der Kalium-Jodid Lösung. Weitere sinnvolle Parameter zum untersuchen wären laut uns die Farbe vom Licht, man könnte hier zum Beispiel mit der Komplementärfarbe unseres Farbstoffs arbeiten, also grün. Zudem könnte man noch die Oberflächenrauheit des Titandioxids variieren, sodass sich dort mehr oder weniger Farbstoff festsetzen kann. Und zuletzt kann man noch die Temperatur beim erhitzen des Titandioxids verändern. (Hier die Frage ist, ob sich etwas am Endergebnis ändern würde oder es einfach nur längere Zeit in Anspruch nähme.)

Wir haben drei auswertbare Messungen mit unterschiedlichen Variationen durchgeführt. Zuallererst haben wir vier Zellen nach den Mengenangaben der TU hergestellt, das bedeutet, dass wir 3 Teebeutel auf 100ml Wasser konzentriert haben und 3 Tropfen Kalium-Jodid Lösung verwendet haben. Unsere Messwerte sind hier:

218mV, 268mV, 50mV, 167mV

Dies sind gute Ergebnisse und zeigen, dass 3 von 4 Zellen funktioniert haben. Der Fakt, dass wir eine Zelle haben die beim messen einen Wert von gerade einmal 50mV hat spricht dafür, dass diese nicht funktionsfähig war. Dies kann passieren noch ist uns leider nicht genau klar woran das liegt. Ein Wert von 0mV ist praktisch unmöglich zu messen, da in unserer Luft bereits eine Spannung vorhanden ist, damit ist kein Wert unter 100mV eine Leistung unserer Zelle.

Bei unserer zweiten Messung haben wir die Konzentration der Teebeutel von 3 auf 5 erhöht. Den Rest ließen wir gleich. Unsere Messwerte sind hier:

520mV, 630mV, 102mV

Man kann hier gut erkennen, dass die Intensität des Farbstoffs eine große Auswirkung auf die Ergebnisse hat, so sind hier fast alle Werte deutlich höher als bei einer Konzentration von 3 Teebeuteln. Für ein klares Fazit sind aber noch weitere Messungen nötig.

In Messung drei ist die Konzentration des Farbstoffs wieder bei 3 Teebeuteln, allerdings haben wir nun die Anzahl der Tropfen der Kalium-Jodid Lösung auf 5 erhöht. Unsere Messwerte:

147mV, 20mV, 288mV

Auch in dieser Messung ist wieder ein Fehlschlag dabei. Doch die restlichen Messwerthöhen entsprechen in etwa denen der ersten Messung. Somit gibt es bei Kalium-Jodid keinen bemerkbaren signifikanten deutlichen Unterschied.

Farbanalyse:

Graph von Licht ohne Färbung

Wir haben eine Farbanalyse des Lichts durchgeführt, mit welchem wir unsere Zellen getestet haben.

Das Farbspektrum des Lichts, der Lampe, ohne Färbung:

Licht mit blauer Färbung

Das Farbspektrum des Lichts, der Lampe, mit blauer Färbung:

Licht mit roter Färbung

Das Farbspektrum des Lichts, der Lampe, mit roter Färbung:

Messwerte Lichtfarbe

Messungen der drei Lichtfarben mit Zelle:

Das rote und blaue Licht haben nicht funktioniert, sondern das Messergebnis schlimmer gemacht. Das ist wahrscheinlich auf das Farbspektrum des Lichts zurückzuführen.

Farbspektrum des Lichts: blaue Linien= Farbspektrum des blauen Lichts; rote Linien= Farbspektrum des roten Lichts; schwarzer Pfeil= Farbspektrum des ungefärbten Lichts

Farbspektren:

Das die Messung nicht funktioniert hat, liegt also vermutlich daran, dass das blaue und rote Licht nicht das gesamte Farbspektrum abdecken, sowie das ungefärbte Licht der Lampe.

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/