Solarzellen für heute und morgen
Kurs für Schülergruppen

Experimente

• Messung zur Abhängigkeit der Leistung einer Silizium-Solarzelle vom Einstrahlwinkel des Lichts
• Messung zur Abhängigkeit der Leistung einer Silizium-Solarzelle von der Lichtstärke
• Messung der spektralen Empfindlichkeit der Silizium-Solarzelle
• Isolierung unterschiedlicher Pflanzenfarbstoffe
• Photometrische Untersuchung der Pflanzenfarbstoffe
• Herstellung einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle
• Messung der lektrischen Leitfähigkeit verschiedener Materialien: elektrisch leitende Gläser und Kunststoffe
• Bau einer organischen Photovoltaik (OPV)-Zelle
• Strom- und Spannungsmessung an der OPV-Zelle mit verschiedenen Lichtquellen

Unabhängig von Ihrer Wahl der Kursteile behandeln wir zunächst die Grundlagen zur Solarzelle, besprechen den Halbleiter und erarbeiten die Funktionsweise der einzelnen Solarzellentypen. Wir befassen uns mit dem theoretisch möglichen und dem praktisch erzielbaren Wirkungsgrad und den Vor- und Nachteilen der Photovoltaik als regenerative Energiequelle.

Ein Tageskurs besteht aus zwei Kursteilen, bei denen die Schüler*innen in Teilgruppen von maximal 15 Personen zwei verschiedene Themen bearbeiten mit Wechsel nach der Mittagspause. Sie können aus diesen drei Kursteilen wählen:

Silizium-Solarzelle: Die Eigenschaften unserer Silizium-Solarzellen werden in verschiedenen Experimenten untersucht. Die Abhängigkeit der Leistung von der Bestrahlungsstärke – und damit auch der Temperatur – werden hierbei thematisiert. Messungen zur Leistung für verschiedene Einstrahlwinkel zeigen sehr verständlich die Herausforderung für die Standortwahl von Photovoltaikanlagen auf Hausdächern oder Feldern. Eine Messung zur spektralen Empfindlichkeit der Silizium-Solarzelle rundet diesen Kursteil ab. Sie zeigt, dass das gesamte sichtbare Licht genutzt werden kann, um Strom zu erzeugen, jedoch erzeugen energiereiche Photonen keinen höheren Strom als energiearme Photonen.

Farbstoffsensibilisierte Solarzelle: Eine Alternative zu den klassischen Solarzellen ist die farbstoffsensibilisierte Solarzelle. Diese Zelle verwendet Titandioxid als Halbleiter. Allerdings muss Titandioxid zur Ladungstrennung mit UV-Licht bestrahlt werden. Damit auch sichtbares Licht genutzt werden kann, wird die Solarzelle mit einem Farbstoff sensibilisiert. Als Farbstoffe für die Solarzelle finden im Kurs natürliche Pigmente Verwendung, die von den Schüler*innen aus Pflanzenteilen extrahiert werden. Photometrische Untersuchungen der Farbstoffe liefern Informationen über deren Absorptionsverhalten. Die Schüler*innen bauen damit eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle und testen ihre Funktion.

Organische Photovoltaik (OPV)-Zelle: Mit Hilfe einfacher Leitfähigkeitsuntersuchungen verschiedener Materialien lernen die Schüler*innen, dass es auch elektrisch leitfähige Gläser und Kunststoffe gibt. Solche funktionellen Kunststoffe können Halbleiter-Eigenschaften besitzen. So ist man in der Lage, auch flexible und günstig herstellbare Solarzellen zu entwickeln. In diesem Kursteil bauen die Schüler*innen selbst eine OPV-Zelle und untersuchen ihre Eigenschaften. Dabei lernen sie Techniken kennen, die auch in der industriellen Fertigung zum Einsatz kommen, etwa das Spincoating zur Herstellung dünner Schichten. Die Funktionsweise der OPV wird mit einfachen Modellen erklärt, Kenntnisse aus der organischen Chemie werden nicht benötigt.

Mit den neu gewonnenen Erkenntnissen zu den verschiedenen Solarzellentypen wird verdeutlicht, dass noch viel Forschungsarbeit geleistet werden muss, um die Sonnenenergie durch Photovoltaikanlagen effizienter zu nutzen. Ein Ausblick zeigt die enormen Fortschritte und weitere Optimierungsmöglichkeiten, die die Solarzellen zu einem spannenden aktuellen Forschungsgebiet machen.

Gern passen wir die Kursinhalte an Ihre Wünsche an. Nehmen Sie dazu Kontakt mit dem Team des Fachbereichs Chemie oder Physik auf.

Unterrichtsbezug

Sek. I: Elektrik II. Sek. II: Atomhülle; Übergang zu Quantenobjekte; Solarzellen; Grätzel-Zelle