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Forschung!


© Dagmar Heene / WWF
Woran forschen wir eigentlich? (4)


von Aski2102
02.06.2013
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Habt ihr schon mal was von einer organischen Solarzelle gehört?
Eigentlich macht die nichts anderes als die großen Photovoltaikanlagen, die man von vielen Dächern kennt: Sie produziert mit Hilfe von Sonnenlicht Strom. Allerdings hat sie einige Vorteile. Sie ist sehr dünn und damit flexibel, biologisch abbaubar und sie lässt sich in allen Regenbogenfarben einfärben. Zum Beispiel könnte man aus ihr Folien herstellen, die man auf sein Handy kleben kann. Da man sie auch in Farben, die für unser Auge nicht sichtbar sind, produzieren könnte, wäre sie durchsichtig und würde die normale Funktion unserer Handys nicht beeinflussen. So könnte man sich dann zum Beispiel an den Strand legen, Musik hören und sich nie mehr Gedanken darum machen müssen, dass der Akku leer wird. Praktisch, oder?
Das ist natürlich nicht die einzige Anwendungsmöglichkeit. Man könnte sie auch zum Designen von Häusern, zum Verschönern von Dächern und auf Autos verwenden.
Warum wird sie dann also noch nicht benutzt?
Ganz einfach, sie ist noch nicht effektiv genug. Auf dem bisherigen Stand der Forschung produziert sie so wenig Strom, dass es sich noch nicht lohnt, sie zu benutzen. Und genau daran wollen wir arbeiten.

Um den Aufbau einer organischen Solarzelle und damit unsere Versuchsideen zu verstehen, muss man aber kurz erklären, wie so eine organische Solarzelle überhaupt funktioniert.
Stark vereinfacht ist es so, dass Photonen (Lichtenergieteilchen) absorbiert werden und die Außenelektronen der Teilchen laden. Das heißt, sie geben ihre Energie an diese Teilchen sozusagen ab. Dadurch beginnen die Elektronen stärker zu schwingen und hüpfen quasi aus ihrem Loch (Platz im Elektronenband) heraus. Jetzt sind die beiden getrennt. Das Elektron ist natürlich negativ, das Loch positiv geladen. Man stellt sich die Löcher hierbei auch als freibewegliche Teilchen vor. Das sind sie eigentlich nicht, weil sie starr am Atomkern kleben. Es sind nämlich nicht mehr als Stellen, wo Elektronen fehlen, aber auch sie können sich fortbewegen, indem andere Elektronen ihren Platz verlassen und in dieses Loch springen. Dadurch wird das Loch, indem sie vorher waren, frei. Da kann jetzt wieder ein anderes Elektron andocken und so wandert der Platz ohne Elektron immer ein Stück weiter. Das bezeichnet man dann als freibewegliches Loch.
Die beiden getrennten Teilchen(Elektron und Loch) gehen jetzt allerdings noch nicht sofort getrennte Wege. Sie bewegen sich zuerst als sogenanntes Exziton gemeinsam fort. Als solche können sie aber natürlich schnell wieder rekombinieren. Das gilt es zu verhindern, weil dann die Energie des Lichts wieder abgegeben wird und man nichts gewonnen hat. Das Exziton muss dafür zu einer Grenzschicht gelangen, an der Elektronendonator (-geber) und Elektronenakzeptor (-nehmer) sich treffen.



Das Ganze besteht aus verunreinigten Materialien, die aufgrund der Zugabe von einem Molekül, was im Verbund entweder ein Elektron zu viel oder eins zu wenig mitbringt, im ersten Fall die Löcher, im zweiten die Elektronen „annehmen“. Mit Fachwort wird diese Verunreinigung n- oder p-Dotierung genannt. Die p-Dotierung (p=positiv) erfolgt mit Atomen, die ein Elektron zu wenig mitbringen. Dadurch entstehen „Lücken“ in den Bindungen, weil immer irgendwo ein Elektron fehlt, und diese können dann Elektronen annehmen. Umgekehrt ist bei der n-Dotierung (n=negativ) immer ein Elektron zu viel, also sind Löcher willkommen.
Jetzt sind Elektronen und Löcher getrennt und können nicht wieder „zusammenrutschen“. Wenn jetzt ein Stromkreis geschlossen wird, also eine Elektrode an jeder Seite und eine Verbindung zwischen beiden, fließen die Elektronen zu der Elektrode, die positiv geladen ist (Cathode), die Löcher zu der, die negativ geladen ist (Anode). So kann dann elektrischer Strom fließen.

Die organische Solarzelle ist demnach in Schichten aufgebaut. Die oberste Schicht ist eine Elektrode. Das ist klar, denn der Strom muss irgendwie irgendwo ankommen und da benötigt man einen Leiter, der entweder die Elektronen (Pluspol) oder die positiven Elektronenlöcher (Minuspol)aufnimmt und sie weiterleitet, damit ein Stromkreis entstehen kann. Diese muss natürlich durchsichtig sein, weil das Licht die absorbierende Elektrolytschicht darunter, in der dann die eben erklärte Reaktion abläuft, erreichen muss. Ob diese Elektrode nun Löcher oder Elektronen annimmt, ist ziemlich egal, solange die andere Elektrode am unteren Ende das Gegenteil macht.
Die untere Elektrode besteht meistens aus Metall, weil an sie nicht die Anforderung gestellt wird, dass sie durchsichtig ist. Sie muss nur leiten.
Für die Mitte, also den „Reaktionsraum“, gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten. Entweder man hat klar getrennte Schichten, zum Beispiel oben eine Schicht donatorartigen Halbleiters und darunter eine Schicht akzeptorartigen Halbleiters, oder man mischt beides wie oben auf dem Bild. Die Mischvariante ist effektiver, weil überall eine Grenzschicht in der Nähe ist, die von den Exzitonen erreicht werden muss, um Energie zu produzieren.
Die Elektrolytlösung muss außerdem in der Lage sein, die Lichtstrahlung überhaupt erst zu absorbieren. Das ist bekanntlich nur Farbstoffen möglich. Deshalb wird sie eingefärbt.

Unsere Gruppe hat sich zwei dieser Bestandteile ausgesucht, die wir verbessern möchten. Das sind zum einen die Farbstoffe.
Die Energiegruppe letztes Jahr hat sich bereits mit den Farbstoffen beschäftigt und rote Solarzellen hergestellt. Das ist uns aber ein bisschen zu langweilig, schließlich möchten wir die Solarzellen ja auch irgendwann in grün, blau und gelb an unseren Autos sehen. Es wäre doch schrecklich langweilig, wenn es in Zukunft nur noch rote Autos gäbe, oder?
Deshalb haben wir uns überlegt, zunächst die Farbstoffe aus biologisch abbaubaren Filzstiften und Blüten und Blättern zu gewinnen und diese auf ihr Absorptionsspektrum zu überprüfen. Das ist wichtig, damit wir wissen, ob diese Farben in der Lage sind, genug Energie aufzunehmen, um unsere Solarzellen in Gang zu bringen. Aus diesen Messergebnissen suchen wir uns dann die Farbstoffe heraus, die uns am vielversprechendsten erscheinen und testen sie auch gleich anhand unserer selbstgebauten Zellprototypen. Weiterhin bestimmen wir dann den Wirkungsgrad der einzelnen Zellen und suchen uns die fünf besten Farbstoffe heraus.
Zur weiteren Optimierung möchten wir eine effektivere, aber vor allem auf lange Zeit haltbarere Elektrolytlösung finden. Das Problem, was die Energiegruppe von letztem Jahr hatte, war nämlich, dass ihre Solarzellen schon nach kurzer Zeit nicht mehr so gut funktionierten. Das liegt vermutlich daran, dass die Elektrolytlösung auf Wasserbasis ist und somit relativ schnell verdampft. Jetzt möchten wir andere Elektrolyte mit einem höheren Siedepunkt ausprobieren, die ihren Job genauso gut machen, aber unsere Zelle haltbarer machen. Von den Zellen, die wir damit anfertigen, können wir ebenfalls den Wirkungsgrad bestimmen und so herausfinden, welches Elektrolyt am besten ist. Wer weiß, vielleicht hat eines der Elektrolyte, die wir ausprobieren, ja nicht nur einen höheren Siedepunkt, sondern ist auch noch effektiver.

Das beste Elektrolyt möchten wir zu guter Letzt gemeinsam mit den besten Farbstoffen verbauen und dadurch optimierte Zellen erschaffen, die einen höheren Wirkungsgrad besitzen als die bisherigen. Mal sehen, ob das auch klappt. Wir sind alle schon sehr gespannt und freuen uns auf die Ergebnisse!

Und so sollen unsere selbstgebauten Zellprototypen aussehen:

So, jetzt haben sich alle Gruppen mit ihren Forschungsvorhaben vorgestellt. Damit ihr dann jetzt auch wisst, wer genau da überhaupt dran beteiligt ist und im Sommer wieder zu einer wunderschönen Zeit aufbricht, haben wir uns alle mal auf der „Das sind wir!“-Seite vorgestellt. Wir hoffen, Euch gefallen unsere Portraits.

 

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Kommentare (6)
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06.06.2013
Ivonne hat geschrieben:
Ob wir den Durchbruch zur Optimierung der organischen Solarzelle beim 2°Campus schaffen? :-) Ich freue mich schon sehr auf den II. Block!
04.06.2013
Lukas96 hat geschrieben:
Das klingt sehr spannend! :) Müssen eure Elektrolyte den Farbig sein? Kann man es nicht einfach einfärben?
Viel Erfolg :))
02.06.2013
Aski2102 hat geschrieben:
Ja cool, danke :)
Wir hatten überlegt, Chlorophyll zu nehmen, sind dann aber erstmal davor zurückgeschreckt, weil wir vorerst Farbstoffe nehmen wollten, die leichter zu extrahieren sind.
Damit fällt das Blättersuchen dann ja aber komplett weg ;)
02.06.2013
gelöschter User hat geschrieben:
gelöscht
02.06.2013
peacemeinfreund hat geschrieben:
Echt super, was ihr aus unseren Ergebnissen herausholt und wie ihr weiter geplant habt. ich bin ich sehr auf eure Ergebnisse gespannt.
Hier noch ein kleiner Tipp. ich war ja letztes Jahr auch dabei und habe noch meine Facharbeit darüber geschrieben. In der "Nacharbeit" habe ich gelesen, dass Chlorophyll außerhalb der Zelle sehr schnell zerfällt und ist darum nicht so gut geeignet (:
02.06.2013
gelöschter User hat geschrieben:
gelöscht
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