Universität zu Köln

Physikalisch Chemisches Praktikum

Modul Funktion und Anwendung MN-C-FA

Raum: PC 150 5. Semester

Solarzelle

__________ - 1 -

Solarzellen

Versuchsziel

Ziel des Versuches ist das Verständnis der Funktion anorganisch-organischer

Hybridsolarzellen. Dazu werden Solarzellen vom Typ der Grätzelzelle (dye sensitized solar

cell, DSSC) hergestellt und charakterisiert. Vermittelt werden elementare Kenntnisse über die

Funktion einzelner Komponenten der Solarzelle, und Messmethoden, wie die Strom-

Spannungsmessung und photometrische Messungen zur Charakterisierung von Lichtquellen.

1 Grundlagen

In Solarzellen wird die Energie der Sonne in elektrischen Strom umgewandelt. Je nach

aktivem Medium kann zwischen anorganischen und organischen Solarzellen unterschieden

werden. Außerdem gibt es Hybridsolarzellen, die aus anorganischen und organischen

Materialien bestehen. Ein Vertreter ist die Farbstoff-sensibilisierte oder elektrochemische

Solarzelle (Grätzel Zelle, dye sensitized solar cell, DSSC)[1,2,3]. Einen Überblick über die

verschiedenen Solarzellentypen und ihre Effizienz der Energieumwandlung gibt Abb. A1

(Anhang).

1.1 Anorganische Solarzellen

Kommerziell erhältliche Solarzellen bestehen aus anorganischen Halbleitern, überwiegend

aus dotiertem Silizium. Neben einkristallinem, polykristallinem und amorphen Silizium

kommen jedoch auch andere Halbleiter wie GaAs oder AlGaAs (III-V-Halbleiter), CdTe (II-

VI Halbleiter) und CuInSe2 oder CuInS2 (CIS, ternäre Chalkopyrite) zum Einsatz. Wesentlich

für die Funktion eines Halbleiterbauelementes als Solarzelle ist die Ausbildung von pn- und

oder pin-Übergängen. Die Funktion anorganischer Solarzellen ist ausführlich in der

Literarur[4,5]dokumentiert, weshalb hier auf eine Darstellung verzichtet wird. Die Kenntnis der

Grundlagen anorganischer Solarzellen ist prüfungsrelevant.

1.2 Farbstoffsensibilisierte Solarzellen

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSC) gehören zur Klasse der photoelektrochemischen

Zellen. Sie basieren auf der Erkenntnis, dass Halbleiter (HL) in einer Elektrolytlösung

gleichrichtende Kontakte bilden und somit pn-Übergänge analog zum HL Festkörper

entstehen. Heute sind DSSC meist Kombinationen aus anorganischen Halbleitern,

Elektrolytlösungen und organischen Farbstoffen. Der Farbstoff ist dabei für die Absorption

der Sonnenstrahlung verantwortlich. Die Trennung der Ladungsträger erfolgt an der

organisch/anorganischen Grenzfläche. Der Transport der Ladungsträger findet im

anorganischen Halbleiter und dem Elektrolyten statt.

Als Farbstoffe können sowohl organische Farbstoffe wie z.B. Anthocyane (Roter Farbstoff

von Beeren) als auch metallorganische Komplexverbindungen eingesetzt werden. Die 1991

von M. Grätzel et. al.[1] entwickelte photoelektrochemische Zelle, auch Gätzel-Zelle genannt,

besteht aus einer etwa 10 µm dicken Schicht aus nanokristallinem Titandioxid auf einem

transparenten Träger (Glas), beschichtet mit einem transparenten leitfähigem Oxid (FTO,

fluor doped tin oxide). Das TiO2 ist mit einer Monoschicht eines Rutheniumfarbstoffes

__________ - 2 -

beschichtet. Als Elektrolyt wurde eine Lösung von Lithiumiodid und Iod in Acetonitril

gewählt und mit Platin beschichtetes FTO als Gegenelektrode verwendet.

Abb. 1.2.1: Aufbau und Farbstoff der Grätzel-Zelle.[6]

Fällt Licht auf eine solche Zelle, werden die Photonen entsprechend des eingesetzten

Farbstoffes absorbiert und so das Farbstoffmolekül (Donorkomponente) in einen angeregten

Zustand überführt. Dabei wird ein Elektron aus dem angeregten Zustand des

Farbstoffmoleküls in das Leitungsband des Halbleiters mit sehr großer Bandlücke (TiO2,

Akzeptorkomponente) injiziert und zur Elektrode geleitet. Der so oxidierte Farbstoff wird von

dem im Elektrolyten enthaltenen Redoxpaar (I-/I3-) wieder reduziert (Lochleitung). Es fließt

ein Strom der im externen Stromkreis abgegriffen werden kann. Derzeit liegen die

Umwandlungseffizienzen bei ca. 11%.[2]

Abb. 1.2.2: Energieschema der Grätzel-Zelle.[2]

__________ - 3 -

1.3 Organische Solarzellen

Gegenüber anorganischen Verbindungen zeigen organische Halbleiter diverse Vorteile. Sie

weisen ein geringeres Gewicht und oft eine größere mechanische Flexibilität auf. Ihre

Eigenschaften können durch geeignete Synthesewege gezielt den jeweiligen Anforderungen

angepasst werden. Zudem sind sie zum einen potenziell kostengünstiger herstellbar und zum

anderen kann bei der Bauteilfertigung, vor allem bei großflächiger Anwendung, auf

kostengünstige Verfahren zurückgegriffen werden.

Zwar sind organische Solarzellen im Prinzip kostengünstiger herstellbar als anorganische,

jedoch bleiben die von rein organischen Solarzellen erreichten Effizienzen zur Umwandlung

von solarer Energie in elektrische Energie weit hinter denen anorganischer Solarzellen zurück

(maximale 5 %[7] gegenüber maximalen 25 %[8] für einfache Heterostrukturen). Im Folgenden

beschränken wir uns auf die Betrachtung polymerer Solarzellen. Umfassende Information

über organische Solarzellen (auch solche aus niedermolekularen Verbindungen) findet man in

[9].

1.4 Aufbau und Funktionsweise[10,11]

Polymere Solarzellen bestehen aus einer Donor- und einer Akzeptorkomponente. Als

Donorverbindungen werden häufig Polymere Poly(3-Hexylthiophen) (P3HT) (s. Abb. 1.4.1)

und Farbstoffe verwendet. Als Akzeptoren werden Fullerenderivate wie beispielsweise

PCBM und als Lochtransportmaterial Poly(3,4-ethylendioxythiophen)/Polystyrolsulfonat

(PEDOT:PSS) (s. Abb. 1.4.1) eingesetzt.

Abb. 1.4.1: Strukturformeln der Verbindungen PEDOT:PSS, P3HT und PCBM.

Die organischen Komponenten werden auf ein mit einem transparenten, elektrisch leitfähigen

Oxid (transparent conducting oxide TCO), z.B. ITO (Indiumzinnoxid) oder FTO (Fluor

dotiertes Zinnoxid), beschichtetes Glas aufgebracht. Als Gegenelektrode wird ein Metall, z.B.

Aluminium aufgedampft. Wichtig ist jedoch, dass dieses Metall eine zum TCO

unterschiedliche Austrittsarbeit (Lage des Fermi-Niveaus) aufweist, da nur dann bei Kontakt

der beiden Elektroden in der Zelle ein elektrisches Feld entsteht, welches für die Trennung der

Ladungen wichtig ist.

Im Gegensatz zu anoranischen Solarzellen, in denen die Absorption von Licht zur Erzeugung

von freien Ladungsträgern durch einen Valenz-Leitungsband Übergang führt, ist die

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Ladungsträgererzeugung in organischen Materialien ein Mehrstufenprozess. Absorbiert der

Donor Licht, so wird er in einen angeregten Zustand überführt. Dieses lokalisierte Exziton

(Elektronen-Loch-Paar) diffundiert zur Donor/Akzeptor-Grenzschicht, wo die

Ladungstrennung erfolgt. Aufgrund der hohen Elektronenaffinität des Akzeptors – tiefer

liegendes LUMO als das des Donors - erfolgt die Aufnahme des Elektrons durch den

Akzeptor, anschließend bewirkt das durch die Kontakpotentialdifferenz hervorgerufene Feld

eine Trennung der Ladungen.

E

Abb. 1.4.2: Energieschema und schematischer Aufbau einer organischen Zweischichtsolarzelle.

Zu den limitierenden Faktoren zählt unter anderem die Rekombination der Ladungen. Das

bedeutet, dass für eine hohe Effizienz der Zelle die Diffusion des Exzitons zur Grenzschicht

und die Abgabe des Elektrons an den Akzeptor schneller erfolgen müssen als die Rückkehr in

den elektronischen Grundzustand (Fluoreszenz) des Donors.

Um dieses Problem zu umgehen wurde die so genannte Bulk Heterojunction (BHJ) Solarzelle

entwickelt. Dabei wird eine Mischung aus Donor- und Akzeptorkomponente aufgetragen.

Donor und Akzeptor befinden sich also in derselben Schicht, wobei sie in sich gegenseitig

durchdringenden Domänen (bikontinuierliches Netzwerk) enthalten sind. Dadurch erfolgt die

Absorption immer nahe der Grenzschicht, was die Wahrscheinlichkeit der Rekombination der

Ladungen verringert.

Abb. 1.4.3: Querschnitt einer BHJ Solarzelle.[12]

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1.5 Kenngrößen von Solarzellen[10]

Die Leerlaufspannung VOC (open circuit voltage) ist die theoretisch maximale Spannung, die

eine Solarzelle aufbauen kann. Im Falle der Farbstoffsolarzellen ist sie gegeben durch die

Differenz des Ferminiveaus der Akzeptors (TiO2) und des Redoxpotential des Elektrolyten

bzw. Ferminiveaus der Kathode. Für organische Solarzellen ist die maximal mögliche VOC

durch die Differenz der beteiligten Grenzorbitale gegeben. Im Folgenden wird die organische

Solarzelle zu Erläuterung herangezogen.

VOC ~ LUMOAkzeptor - HOMODonor

Abb. 1.5.1: Energieschema einer organischen Solarzelle.

Der Kurzschlussstrom ISC ist vom Absorptionsspektrum des Donors abhängig. Je mehr

Photonen des eingestrahlten Lichts absorbiert werden desto höher ist der Kurzschlussstrom.

Eine wichtige Kenngröße ist die interne Quanteneffizienz (IQE). Die IQE ist der Quotient aus

erzeugten Ladungsträgern j, die die Elektroden erreichen, und der Anzahl der absorbierten

Photonen N einer Wellenlänge λ.

%100N

jIQE (1)

Die externe Quanteneffizienz (EQE) entspricht der IQE bezogen auf die Gesamtmenge aller

eingestrahlten Photonen, auch diejenigen die durch Reflexion an der Oberfläche oder

Transmission durch die Schicht nicht zur Ladungstrennung beitragen. IQE und EQE sind

abhängig von der Photonenenergie, wobei die Effizienz oder auch PCE (power conversion

efficiency) über das gesamte Photonenspektrum integriert ist.

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Ohne Beleuchtung zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Solarzelle den Verlauf einer

Dioden-Kennlinie. In Sperrrichtung ist der Stromfluss gehemmt und es fließt nur ein geringer

Sperrstrom. Bei umgekehrter Polung liegt die Spannung im Bereich der Durchlassrichtung

und der Stromfluss steigt exponentiell an.

Abb. 1.5.2: Energiediagramm einer organischen Solarzelle bei a) offenen Klemmen,

b) Spannung in Durchlassrichtung und c) Spannung in Sperrrichtung.

Dieses Diodenverhalten lässt sich durch Betrachtung des Energieniveauschemas einer

organischen Solarzelle in Abbildung 1.5.2 erklären.

Im Energiediagramm der Solarzelle bei offenen Klemmen ohne Beleuchtung verlaufen die

HOMOs vom Elektronendonor und LUMOs vom Elektronenakzeptor horizontal (Abbildung

1.5.2 a)). Im Diagramm sind die HOMOs und LUMOs zwar als durchgezogene Linien

dargestellt, in der Solarzelle liegt jedoch nicht ein ausgedehnter Transportzustand vor,

sondern eine Vielzahl von lokalisierten Zuständen benachbarter Moleküle mit leicht

variierenden Energien. Das FERMI-Niveau der Metallelektrode liegt bei einer größeren

Energie als das FERMI-Niveau des ITOs. Wird nun eine positive Spannung angelegt,

verschieben sich die FERMI-Niveaus (Abbildung 1.5.2 b)). Dabei soll die Metallelektrode als

Kathode und die ITO-Elektrode als Anode geschaltet sein. Da der organische Halbleiter eine

verschwindende geringe Konzentration an Ladungsträgern aufweist, fällt das elektrische Feld

homogen über der organischen Schicht ab.. Die Elektronen können gemäß der Stromrichtung

die geringe Energiebarriere χe von der Metallelektrode in das LUMO überwinden und

gelangen so zur ITO-Elektrode. Die Löcher überwinden von der ITO-Elektrode aus die

Barriere χh zum HOMO und gelangen über das HOMO zur Metallelektrode. Auf diese Weise

wandern die Ladungsträger durch die Solarzelle, und es fließt ein Strom.

Wird eine Spannung in Sperrrichtung angelegt, kehrt sich die Fermienergie der Elektroden um

(Abbildung 1.5.2 c)). Das hat zur Folge, dass die energetische Barriere e, die die Elektronen

(h für Löcher) überwinden müssen, um von der ITO-Elektrode (Metall-Elektrode) in das

LUMO (HOMO) zu gelangen, sehr groß ist. Es fließt nur wenig Strom.

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Abb. 1.5.3: Elektrische Ströme in einer beleuchteten organischen Solarzelle bei a) Kurzschluss (V = 0), b)

Spannung < VOC und c) Spannung > VOC.

Wird die Solarzelle beleuchtet, werden Ladungsträger erzeugt. Auch wenn keine Spannung

anliegt findet Stromfluss – der Photostrom IPh – statt (Abbildung 1.5.3 a)). Die Strom-

Spannungs-Kennlinie verläuft daher nicht durch den Ursprung des Koordinatensystems

(Abbildung 1.5.4).

Im positiven Spannungsbereich bis zur Spannung VOC wandern Elektronen zur

Metallelektrode und Löcher zur ITO-Elektrode (Abbildung 1.5.3 b)). Für die Stromerzeugung

ist dieser Bereich der Kennlinie, der im vierten Quadranten des Koordinatensystems liegt, von

Bedeutung. Im Energiediagramm ist zu erkennen, dass Elektronen zur Metallelektrode

strömen, obgleich ihr Potential höher ist als das der ITO-Elektrode. (Umgekehrtes gilt für

Löchern und die ITO-Elektrode.) Verläuft die Kennlinie durch den vierten Quadranten

bedeutet das also, dass der Stromfluss in negative Richtung verläuft, obwohl die Spannung

positiv ist.

Bei Spannungen größer VOC werden Ladungsträger aus den Elektroden in die Grenzorbitale

injiziert, und Photostrom und Diodenstrom fließen in die gleiche Richtung (Abbildung

1.5.3 c)). Wird die Dunkelkennlinie von der Kennlinie, die unter Beleuchtung aufgenommen

wurde, abgezogen, resultiert daraus die generierte netto Photostromdichte Jnet.

Abb. 1.5.4: Kennlinie einer Solarzelle im Dunkeln und unter Beleuchtung und einige Kenngrößen.

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Die Schnittpunkte der Kennlinie mit dem Koordinatensystem geben die maximalen Werte für

die Spannung (Leerlaufspannung, VOC) und den Stromfluss (Kurzschlussstrom, ISC) an, die

eine Solarzelle erreichen kann (siehe Abbildung 1.5.4). In beiden Fällen ist jedoch die

elektrische Leistung der Zelle (Produkt aus Spannung und Strom) gleich null. Die optimale

Betriebsspannung (Um) der Solarzelle liefert ein Maximum der elektrischen Leistung

(Maximum Powert Point, M) mit dem Stromfluss Im. Der relative Anteil der Leistung am M

an der theoretischen Leistung (Produkt aus VOC und ISC) wird Füllfaktor FF genannt

(Gleichung 2). Er ist ein Maß für die Krümmung der Kennlinie, die im idealen Falle bei

kleinen Spannungen waagerecht zur Abszisse verläuft und erst kurz vor Erreichen von VOC

steil ansteigt. Um die Größe der Solarzelle zu berücksichtigen, wird statt ISC die

Kurzschlussstromdichte JSC angegeben. Sie ergibt sich aus ISC geteilt durch die Fläche A der

Solarzelle. Aufgrund der Schaltung der Solarzelle werden negative JSC-Werte gemessen.

OCSC

mm

OCSC

mm

VI

VI

VJ

VJFF

(2)

Die Umwandlungseffizienz η einer Solarzelle wird nach Gleichung 3 berechnet.

11

AP

JVFF

AP

VJ

in

SCOC

in

mm (3)

Dabei ist Pin·A-1

die Leistung des eingestrahlten Lichts pro Flächeneinheit (Lichtintensität).

Für eine hohe Umwandlungseffizienz müssen demnach FF, VOC und JSC möglichst große

Werte annehmen.

1.6 Sonnenspektrum

Abb. 1.6.1: AM0- und AM1.5-Spektrum und das eines schwarzen Körpers bei 5800 K.

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Die Energiemenge der Sonnenstrahlung im freien Raum bei der mittleren Entfernung

zwischen Sonne und Erde von 149,6 Mio. km und senkrechtem Einfall beträgt 1353 W m-2.

Dieser Wert wird als Solarkonstante bezeichnet. Die Wellenlängenverteilung der Strahlung

wird durch das per Definition festgelegte AM0-Spektrum (Air Mass Zero) wiedergegeben

(siehe Abbildung 1.6.1). Es entspricht näherungsweise der Strahlenverteilung eines schwarzen

Körpers mit einer Farbtemperatur T von 5800 K. Zur Berechnung der spektralen, spezifischen

Ausstrahlung M eines schwarzen Körpers pro Wellenlänge λ und bestrahlter Flächeneinheit

dient Gleichung 4.

1

5

2

1exp2

Tk

chchM

(4)

Dabei ist h das PLANCKsche Wirkungsquantum, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und

k die BOLTZMANN-Konstante.

Die Atmosphäre der Erde verändert das solare Spektrum. Durch Anregung von

Schwingungen absorbiert zum Beispiel Wasserdampf im infraroten Bereich und Ozon im

ultravioletten Bereich. Zusätzlich wird die Sonnenstrahlung durch Streuung abgeschwächt.

Das Ausmaß dieser Schwächung hängt vom Einfallswinkel der Strahlung und der damit

verbundenen Wegstrecke der Strahlung durch die Erdatmosphäre ab. Die solaren Spektren für

verschiedene Einfallswinkel unterscheiden sich nicht in ihrer Form voneinander, sondern

lediglich durch die Intensität der Strahlung.

Weil die gemessenen Kenngrößen von Solarzellen von der Wellenlängenverteilung und

Intensität der einfallenden Strahlung abhängen, bedarf es eines Standardmessspektrums, um

verschiedene Solarzellen miteinander vergleichen zu können. Dieses Standardspektrum ist das

AM1,5-Spektrum. Die Intensität der Strahlung beträgt 1000 W m-2, welches einem

Einfallswinkel von 48,19° zwischen Sonne und Zenit entspricht[13] (s. Abb. 1.6.1).

Im Labor sind diese Bedingungen nur schwer zu realisieren. Deshalb werden Lampen mit

einem möglichst breiten und kontinuierlichen Spektrum verwendet und so betrieben, dass ihre

Intensität 1000 W m-2 entspricht.

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2 Aufgaben und Auswertung

2.1 Aufgaben

1. Bau von vier Farbstoff-Solarzellen: a: Standardzelle, b-d: Unterschied zu a fett.

Nr. Anoden-Seite Kathoden-Seite

a FTO-Substrat/TiO2/Ru-Farbstoff Platisol/ FTO-Substrat

b FTO-Substrat/TiO2/Ru-Farbstoff Graphit/FTO-Substrat

c ITO-Substrat/TiO2/Ru-Farbstoff Platisol/ FTO-Substrat

d FTO-Substrat/TiO2/Hibiskusfarbstoff Platisol/ FTO-Substrat

2. Von jeder der vier Lampen (Halogen, LED-rot, LED-grün, LED-weiß) wird das

Emissionsspektrum gemessen (in μW cm-2 nm-1). Jede Lampe wird im Abstand von 20

cm vermessen.

3. Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Siliziumsolarzelle ohne

Beleuchtung.

4. Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Siliziumsolarzelle im Abstand von

20 cm zur Lichtquelle unter Beleuchtung, jeweils eine Kennlinie pro Lampe.

5. Aufnahme der I-V-Kennlinien der Farbstoff-Solarzellen a-d ohne Beleuchtung.

6. Aufnahme der I-V-Kennlinien der Farbstoff-Solarzellen a-d im Abstand von 20 cm zur

Lichtquelle unter Beleuchtung, jeweils eine Kennlinie pro Lampe.

7. Die Absorptionsspektren (UV-Vis) der (verdünnten) Farbstofflösungen werden

gemessen.

2.2 Auswertung

Zu 1.: Erläutern Sie die typischen Kenndaten der hergestellten Farbstoff-Solarzellen und der

Si-Zelle (ISC, JSC, VOC, FF, Vbi, VM, JM, Jnet, ). Beschreiben Sie deren Physikalische

Bedeutung, ihre Charakteristika und wie Sie sie für die Solarzellen erhalten/berechnen.

Stellen Sie dafür ihre Daten der Si-Zelle unter Halogen-Beleuchtung in einem exemplarischen

Plot mit allen Größen wie im Skript Abb. 1.5.4 dar. Geben Sie eine Beispielrechnung für die

berechneten Werte aus der Bestrahlung der Si-Zelle mit der Halogen-Lampe an. Achten Sie

genau auf Einheiten und deren Umrechnung und geben Sie sie an.

Zu 2.: Emissionsspektren in einem Plot zeigen. Berechnung der Strahlungsleistung pro

Flächeneinheit Pin·A-1 [mW cm-2] (Lichtintensität) durch Integration der Emissionsspektren

über der Wellenlänge (350 nm – 900 nm).

Zu 3.-6.: Darstellung der Kennlinien: ein Plot pro Solarelle beinhaltet vier beleuchtete

Kennlinien, eine Dunkelkennlinie und den netto Photostrom (Jnet) (gestrichelt) für die

Halogenlampen-Messung. Die Kenngrößen (VOC [V], JSC [mA cm-2], FF, [%]Pin·A-1

[mW cm-2]) werden in einer Tabelle pro Solarzelle dargestellt. Bedenken Sie, dass die aktive

Fläche der Si-Zelle 1 cm2 beträgt, während die anderen Zellen bei einer aktiven Fläche von 4

cm2 gemessen wurden. Erklären Sie Unterschiede in den Kenngrößen zwischen Si- und

Farbstoff-Solarzellen, zwischen ITO und FTO basierten TCOs, zwischen Platin und

Graphit Elektroden, sowie zwischen Ru-Farbstoff und Hibiskus-Extrakt. Warum erhält man

verschiedene Kenndaten für verschiedene Leuchtmittel?

Zu 7.: Darstellung der auf das Absorptionsmaximum max normierten UV-Vis-Spektren in

einem Plot.

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2.3 Hinweise für das Protokoll

1. Achten Sie genau darauf, dass alle Rechenschritte exemplarisch nachvollziehbar sind,

und daß alle genannten Größen erläutert werden.

2. Achten Sie auf einen sachlichen, wissenschaftlichen Stil. Oft ist es sinnvoller etwas

wegzulassen, anstatt Widersprüche zu riskieren oder zu banal zu formulieren.

3. Sie brauchen weder die Durchführung noch den Versuchsaufbau zu beschreiben! Das

macht in diesem Protokoll keinen Sinn, da Sie und der Assistent den Versuch gut

kennen und kein Informationsgewinn da ist. Ein kleiner Hinweis auf das

Praktikumsskript ist genug. Das Protokoll soll in erster Linie zeigen, dass Sie wissen

was Sie warum gemacht haben und Sie in der Lage sind Ergebnisse wissenschaftlich

zu präsentieren.

4. Achten Sie darauf, daß Graphen im relevanten Bereich dargestellt sind!

5. Eine Einleitung ist angebracht, allerdings nicht mehr als eine halbe Seite. Darin sollte

die Thematik angerissen sein, und letztlich beschrieben sein wozu der Versuch dient,

welches Ziel Sie verfolgen.

6. Der Umfang sollte zwischen fünf und nicht mehr als zehn Seiten liegen.

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3 Durchführung

3.1 Bau der DSSCs

Zu Beginn des Versuches werden die Farbstofflösungen angesetzt. Für den Hibiskusfarbstoff

werden die Hibiskusblüten (ca. 1 Teelöffel) in das 100mL Becherglas gegeben und mit ca.

70mL Wasser auf der Heizplatte kurz aufgekocht. Nach zehn Minuten bei Raumtemperatur

wird die Lösung (nicht der Feststoff) in ein 30mL-Schraubdeckelgefäß überführt, beschriftet

und verschlossen. Für die Rutheniumfarbstofflösungen werden auf der Feinwaage je 7 mg des

Rutheniumfarbstoffs in je ein 30mL-Schraubdeckelgefäß (Ein Gefäß pro Substrat!

Beschriften!) eingewogen und mit 30 mL Ethanol versetzt. Das Glas wird verschlossen und

bei 65°C für 30 min. auf der Heizplatte erwärmt und ab und zu kräftig geschüttelt um eine

möglichst gute Lösung zu erhalten.

Mit Hilfe des Multimeters wird die TCO- bzw. ITO-beschichtete Seite des Glassubstrates

ermittelt (R < 100 Ω), mit Ethanol und einem Papiertuch gereinigt und anschließend mit

Klebeband eine Fläche abgeklebt (s. Abb. 3.1). Die variable Kantenlänge sollte mindestens

der Breite der Gegenelektrode entsprechen.

= TiO2

Ge

ge

ne

lekt

rod

e

Klebeband

Ge

ge

ne

lekt

rod

e

Abb. 3.1.1: Aufbringen der TiO2-Schicht.

Ein Tropfen der TiO2-Suspension wird auf die Fläche gegeben und mit dem Glasspatel

gleichmäßig über die Fläche verteilt. Dabei dienen die Klebestreifen als Abstandshalter und

verhindern so das „Herunterschieben“ des Titandioxids. Mit dem Föhn wird die Suspension

vorsichtig getrocknet und anschließend werden die Klebestreifen entfernt. Die beschichteten

Glassubstrate werden auf einem Drahtnetz bei 450 °C im Muffelofen für 30 Minuten

gesintert. Währenddessen färbt sich die TiO2-Schicht erst bräunlich, bis sie wieder weiß

erscheint und so den Fortschritt des Sinterns anzeigt. Nach Abkühlen wird das Substrat in die

Farbstofflösung gestellt. Das Hibiskus-Substrat wird 30 min. bei RT ziehen gelassen und

schließlich vorsichtig (nicht zerkratzen!) mit der blauen Plastik-Pinzette herausgenommen

und mit Wasser kurz abgespült. Die anderen Gefäße werden fest verschlossen, für 120

Minuten auf der Heizplatte bei ca. 65°C gehalten und anschließend bei Raumtemperatur über

Nacht stehengelassen (In dieser Zeit können die Aufgaben 2-4 bearbeitet werden).

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Sind von beiden Seiten des Substrats keine weißen Stellen mehr zu erkennen, werden die

Substrate mit der Pinzette herausgeholt und vorsichtig mit Ethanol abgespült um

überschüssigen Farbstoff zu entfernen (über 500mL Becherglas abspülen!). Mit dem Föhn

werden die Substrate anschließend getrocknet. Auf eine Gegenelektrode (unbeschichtetes

TCO-Substrat) wird eine dünne Schicht Graphit mit einem Bleistift aufgebracht. Auf drei

TCO-Substrate wird mit einem Pinsel ein dünner Film Platisol aufgetragen und für 5 Minuten

bei 400 °C im Muffelofen ausgeheizt. Nach Abkühlen werden die Elektroden mit Ethanol

abgespült (500mL Becherglas!) und mit dem Föhn getrocknet. Erst kurz vor der Messung

werden die jeweiligen Arbeitselektroden (mit TiO2 beschichtete, eingefärbte Substrate) auf

die jeweiligen Gegenelektroden (Substrate mit Graphit bzw. Platin) gelegt und in die

Substrathalterung eingespannt. Dabei sollte das Substrat, auf das TiO2 aufgebracht wurde, zu

Lichtquelle zeigen. Die Farbstoff-Lösungen sollen zur Messung der Absorptionsspektren

aufgehoben werden. Danach wird ein Tropfen der Elektrolytlösung über eine der Kanten

hinzugefügt, der sich aufgrund der Kapillarwirkung innerhalb weniger Minuten verteilt. Es ist

darauf zu achten, dass der Elektrolyt vollständig über die aktive Fläche verteilt ist. Ist dies

nicht der Fall wird ein weiterer Tropfen hinzugefügt.

= TiO2

Abb. 3.1.2: Grätzel-Zelle vor dem Befüllen mit dem Elektrolyten. Die TCO-beschichteten Seiten weisen

zueinander.

3.2 Aufnahme der Emissionsspektren verschiedener Lichtquellen

Die Aufnahme der Spektren erfolgt über die Software „Spectra Suite“. Zur Kalibrierung wird

der Menüpunkt „File“ → „New“ → „New Absolute Irradiance Measurement“ gestartet. Im

Dialogfeld wird der Punkt „Active Aquisition“ (USB4000, Int. Time 50ms, avg: 3, boxcar: 0)

ausgewählt und im nächsten Fenster „Get Irradiance Calibration from File“ markiert.

Nachdem die Kalibrierungsdatei „Praktikum_OOIIrrad.cal“ geladen wurde, wird als

Glasfaserdurchmesser (fiber diameter) 3900 micron eingegeben. Nun wird das

Dunkelspektrum aufgenommen, indem man den Sensor der Glasfaser abdeckt und die

Messung startet (großer Button mit grauer Glühbirne). Durch einen Klick auf „Finish“ ist die

Kalibrierung beendet und es wird die aktuelle Messung angezeigt. Jetzt können die

verschiedenen Leuchtmittel eingesetzt und gemessen werden.

Über das Speicher-Symbol („Diskette“) kann das angezeigte Spektrum gespeichert werden.

Dabei ist als „FileType“ die Option „Tab Delimited, no header“ zu wählen.

Es ist darauf zu achten, dass der Abstand zwischen Lampe und Sensor (20 cm) und bei der

späteren Messung der Kennlinien der Abstand zwischen Lampe und Solarzelle der Gleiche

ist, da sonst unterschiedliche Lichtintensitäten vorliegen. Für das Protokoll und die

Rechnungen integrieren Sie das Spektrum [Wcm-2nm-1] über dem Wellenlängenbereich von

(350-900) nm. Dies kann über z. B. über das Program Origin (CIP-Raum) gemacht werden.

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3.3 Aufnahme der Kennlinien

Nach Einschalten des Multimeters (Drehschalter auf „mA“) und der Spannungsquelle wird

das Programm „smu-Praktikum“ gestartet. Als Messparameter werden folgende Werte

eingegeben:

Startspannung -0,1 V

Endspannung 0.6 V

Inkrement 0,02 V

Mit Klick auf „OK“ startet die Messung. Die Anweisungen, die das Programm bezüglich der

Polung gibt, sind einzuhalten! Nach beendeter Messung erscheint automatisch eine

Speicheraufforderung.

Bei der Messung der Kennlinie der Siliziumsolarzelle, ist diese mit der beiliegenden

Schablone zu bedecken um die aktive Fläche zu begrenzen. Bei der Messung der Farbstoff-

Solarzellen ist darauf zu achten, dass das mit TiO2 beschichtete Substrat als „Minuspol“

geschaltet ist (siehe Abb. 3.3.1).

A“ + ”

“ - ”

Spannungsquelle

“ - ““ + “

Solarzelle

“ COM ”

“ mA “Amperemeter

Laptop

Abb. 3.3.1: Schaltplan der Versuchsanordnung.

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3.4 Entsorgung

Nachdem alle Messungen beendet sind, werden die DSSCs auseinandergebaut und die mit

TiO2 beschichteten Substrate getrennt gesammelt (Diese Substrate werden wieder verwendet,

es dürfen keine mit Graphit oder Platin beschichteten Substrate darunter sein!). Die Substrate

werden mit Wasser und einem Papiertuch gereinigt (Handschuhe! 500mL Becherglas!). Die

Gegenelektroden (Graphit/Platin) werden mit Wasser abgespült und separat gesammelt.

Die gesammelten Waschlösungen im 500mL Becherglas: wässrige organische

Lösemittelabfälle

Papiertücher: mit Chemikalien verunreinigte Betriebsmittel

Ru-Farbstofflösungen: Schwermetalltonne

Hibiskusfarbstoff: Ausguss

Stückliste (1 Aufbau, 5 Durchführungen)

Spannungsquelle mit Umpolungsbox

Multimeter OLED

Kabel (Rot & Schwarz -Bananenstecker beidseitig;

Rot –Krokoklemme beidseitig;

Rot/Schwarz Multimeterkabel- Stecker—Krokoklemme;

Rot/Schwarz Multimeterkabel- Stecker—Metallspitzen)

Laptop

Platte mit Halterungen für Glasfaser und Substrate

Stativ

Spektrometer mit Glasfaser und Kosinuskorrektor (UV VIS NIR)

Leuchtmittel ( LED: rot, grün, weiß; Halogenlampe)

Klemmleuchte

Siliziumsolarzelle (Kontakte löten)

Schablone/Blende

Weißer Lackstift, schwarzer wasserfester Stift, Bleistift

„Glasspatel“

Heizplatte

Drahtnetz

Pinsel

Schraubdeckelgefäß 30mL 5 Stk.

Plastikpinzetten 3 Stk.

Becherglas 100 mL hohe Form

Becherglas 500 mL (zum Spülen)

Einmalpipetten

Messzylinder 50mL

TCO-Substrate (ManSolar) 30 Stk.

ITO-Substrat 5 Stk. (2 cm x 4 cm)

Ru-Farbstoff Uni Köln 50 mg (wenn jedes Mal neu angesetzt werden soll)

Hibiskusblüten

Platisol 3mL?

TiO2-Suspension 1 Stk. Von ManSolar

Elektrolytlösung

Ethanolspritzflasche

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Literatur

[1] B. O’Regan, M. Grätzel, Nature 1991, 353, 737 – 740.

[2] M. Grätzel, Nature 2001, 414, 338 – 344.

[3] A. Hagfeldt, M. Grätzel, Acc. Chem. Res., 2000, 33, 269 – 277.

[4] Bergmann-Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 6 – Festkörper, Walter

de Gruyter, 2. Auflage 2005.

[5] Paul A. Tipler, Physik, Spektrum Akademischer Verlag, 1994.

[6] G. Meyer, J. Chem. Ed. 1997, 74, 652 –656.

[7] W. Ma, C. Yang, X. Gong, K. Lee, A. J. Heeger, Adv. Funct. Mater. 2005, 15,

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[8] J. Zhao, A. Wang, M. A. Green, Progress in Photovoltaics 1999, 7, 471 – 474.

[9] C. Brabec, V. Dyakonov, U. Scherf, Organic Photovoltaics, WILEY-VCH, 2008.

[10] S. Günes, H. Neugebauer, N.S. Sariciftci, Chem. Rev., 2007, 107, 1324 – 1338.

[11] K. Walzer, B. Maennig, M. Pfeiffer, K. Leo, Chem. Rev., 2007, 107, 1233 – 1271.

[12] K. M. Coakley, M. D. McGehee, Chem. Mater. 2004, 16, 4533 – 4542.

[13] http://rredc.nrel.gov/solar/spectra/am1.5/ (21.9.1006).

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Anhang

Abb. A1: Überblick über die verschiedenen Solarzellentypen und ihre Effizienz der Energieumwandlung.