Bau einer Grätzel-Zelle

Bei einer Grätzel-Zelle handelt es sich um eine Solarzelle, welche auf Basis von mit einem Farbstoff sensibilisiertem Titandioxid aufgebaut ist.

Materialen:

Becherglas, Trockenschrank, Muffelofen, Magnetrührer, TCO-Glasplatte, Filterpapier, Trichter, Stativ, transparentes Klebeband, Spannungsmessgerät, Spatel, Magnetrührfisch, Graphitstab

Chemikalien:

Kupferphthalocyanin

Titanylphthalocyanin

dest. Wasser

Titandioxid

Lugolsche Lösung (N, Xn)



Durchführung:

Zuerst wird auf eine 1,5 cm breite und 3,5 cm lange TCO-Glasplatte (mit Antimonzinnoxid beschichtete Glasplatte) auf der beschichteten Seite (mit einem Widerstandsmessgerät messen) gleichmäßig mittels eines ca. 1 cm breiten Graphitstabs auf einer Fläche von 1 cm*3 cm Graphit aufgetragen. Im Gegenlicht sollte die Graphitschicht sehr regelmäßig aussehen, Unregelmäßigkeiten in der Beschichtung können zu Spannungsverlusten führen.

Anschließend wird 1 g Titandioxid in 15 mL Wasser suspendiert und 3 mg Kupferphthalocyanin und 3 mg Titanylphthalocyanin abgewogen und dazu gegeben. Dann wird 30 Minuten lang magnetisch gerührt, um die Farbstoffe möglichst gut mit dem Titandioxid zu vermischen. Wärenddessen wird eine weitere TCO-Glasplatte mittels Klebeband auf handelsüblichem Papier an den Rändern festgeklebt.
Dann wird die Titandioxid-Farbstoffsuspension abfiltriert und der noch feuchte Filterkuchen möglichst gleichmäßig auf die Glasplatte aufgetragen.

Anschließend wird die auf dem Papier aufgeklebte Glasplatte im Trockenschrank bei 70° für 2 Stunden getrocknet. Danach wird die Glasplatte vom Papier entfernt und das Titandioxid bei 450° für 2 Stunden im Muffelofen aufgesintert.

Nach dem Abkühlen werden die mit Graphit beschichtete Glasplatte und die mit Titandioxid beschichtete Platte so übereinander gelegt, dass an jeder Seite ca. 0,5 cm der Glasplatte überstehen. Dann werden die Platten mit transparentem Klebeband aufeinander fixiert. Anschließend werden 4 Tropfen Lugolsche Lösung zwischen die Platten gegeben, sodass das Titandioxid-Farbstoffgemisch durch das Iod braun gefärbt ist.

Zuletzt wird die Spannung mithilfe des Spannungsmessgeräts gemessen.

Erklärung:

Im ersten Schritt wird der Farbstoff durch Lichtenergie in einen angeregten Zustand überführt:

2 Fs + hv --> 2 Fs*

Das angeregte Farbstoffmolekül (Fs*) überträgt Elektronen in das Leitungsband des Titandioxids.

2 Fs* + 2 TiO₂ --> 2 Fs⁺ + 2 (TiO₂ + e^-)

An der Anode entsteht dabei atomares Iod, dieses vereinigt sich zum Iodmolekül, I₂. Das Iodmolekül reagiert mit Iodidionen (I^-) zu I₃^-.

Aus den Triiodidionen entstehen dann an der Kathode wieder Iodidionen.

Bilder:


Farbstoff-Titandioxid-Suspension


Auf TCO-Glasplatte aufgetragene Titandioxid-Titanyl- und Kupferphthalocyaninsuspension


Aufgesinterte Titandioxid-Farbstoffsuspension und mit Graphit beschichtete TCO-Glasplatte


Zusammengebaute Grätzel-Zelle


Test der Zelle bei schwachem Umgebungslicht im Abzug