#0 Brombærsolcellen - introduktion Solceller i lommeregneren, solceller på hustagene, solceller til mobiltelefonen eller solceller til den bærbare computer midt ude i regnskoven- Solcellen har i mange år været et godt og bæredygtigt alternativ til almindelige batterier og elektricitet produceret på fossile brændstoffer, som olie og kul. Solcelleteknologien er i dag inde i en rivende udvikling, men det er stadig temmelig dyrt at fremstille de mest almindelige solceller, hvor grundstoffet silicium (hovedbestanddel i strandsand) bruges til omdanne sollys til elektricitet. Et sted i Østrig i slutningen af 1980'erne arbejdede en kemiker, ved navn Michael Grätzel, i sit laboratorium og funderede meget over, hvordan man kunne fremstille en solcelle nemmere og billigere end konventionelle siliciumsolceller. Han gjorde en opdagelse der måske vil revolutionere feltet for alternativ solenergi, da han endelig fik hul på problemet i 1991. Den nye solcelle bygger på principperne bag planters fotosyntese, bortset fra, at solcellen bruger solens energi til at danne strøm og ikke til at danne sukker (eller ilt), som er tilfældet i fotosyntesen. Solcellen kan fremstilles enkelt i et laboratorium og er opkaldt efter sin opfinder. Gräztelsolcellen kaldes også brombærsolcellen i daglig tale, da brombærfarve er en meget vigtig ingrediens. Gennemsigtigt glas anode Hvidt titaniumoxid lag Brombærfarvestof Elektrolytvæske Kulstof katalysator Gennemsigtig glas katode I denne illustration vises hvad de forskellige materialelag i en solcelle består af. o Glasplader holder sammen på alle lagene i solcellen og er forbundet til et ydre elektrisk kredsløb. o Titaniumdioxidlaget på den ene glasplade binder.. o brombærfarvestof til sig. o På den anden glasplade er der et kulstoflag, det samme kulstof som stiften i en blyant. o Resten af tomrummet mellem de to glasplader er fyld med en såkaldt elektrolytvæske der kan transportere elektroner. I dette tilfælde en iod-opløsning, som du måske er stødt på, hvis du har haft et åbent sår der skulle desinficeres!?
Sådan virker solcellen: Solcellens formål er at danne strøm. For at det kan dannes, skal solcellen "producere" frie elektroner og være i stand til at transportere dem ud af solcellen og ud i et ydre kredsløb. Frie elektroner er ikke bundet til et bestemt atom, men kan slippe ud af elektronskallerne. 1. De frie elektroner produceres i farvestofmolekylerne ved hjælp af sollys (1) 2. Elektronerne transporteres dernæst fra farvestofmolekylet, gennem det hvide titaniumdioxidlag (2) 3. og hen til den øverste glasplade (3). 4. Her transporteres elektroner ud til et kredsløb, hvor elektronerne kan få en lille glødepære til at lyse (4). 5. Efter at afsat energi i pæren, transporteres elektronerne videre ind i nr. 2 glasplade (5). 6. Herfra fortsætter elektronerne ud i elektrolytvæsken - hjulpet på vej af kulstoflaget (6). 7. Elektrolytten vil give en elektron til farvestofmolekylet(7)! 8. Farvestoffet er igen er klar til at fange sollys og miste en elektron til kredsløbet. Farvestofmolekylet starter på den måde hele kredsløbet med at give en af sine elektroner væk og ender hele kredsløbet ved at modtage en elektron.
#1 Glasplader Pladerne i solcellen er som en burgerbolle der holder alle lagene sammen. De er fremstillet i klart glas, for at mest muligt sollys kan nå farvestoffet inde bag glasset. Jo mere lys der trænger gennem pladerne og ind til brombærfarvestoffet jo større effekt giver brombærsolcellen. gennemsigtig glasanode (-) Kulstoflag Gennemsigtig glaskatode (+) Figur 3 illustrerer glaspladerne og kulstoflaget i solcellen Glaspladerne har også en anden og meget vigtig funktion: De transporterer elektroner! Den øverste glasplade transporterer de frie elektroner, som er fanget i titaniumdioxidlaget, videre ud til et elektrisk kredsløb. Nu er glas normalt ikke ledende - dvs. glas kan ikke transportere elektroner. Men glasset i brombærsolcellen er dækket med en gennemsigtig metalfilm på den ene side. Metalfilmen leder elektroner utrolig godt. Det betyder, at elektronerne kan transporteres ud af titaniumdioxidlaget og via metalfilmen videre ud i et elektrisk kredsløb.
Elektronerne afsætter deres energi i en pære og fortsætter til den anden plade i solcellen, som også er dækket af en metalfilm. Elektronerne ledes fra denne metalfilm ind i elektrolytvæsken ved hjælp af et tyndt kulstoflag, ligesom en blyantstreg! Illustrationen viser elektronernes vej igennem kredsløbet her bl. a. gennem metalfilmen i glaspladerne. Kulstoflaget ses også, og det er det, der hjælper elektrolytten med at tage imod elektroner. Kulstoflaget hjælper elektrolytvæsken med at tage imod elektroner. Et sådan stof, der hjælper reaktioner med at ske uden selv at blive brugt, kaldes en katalysator. Kulstoflaget fungerer altså som en katalysator.
#2 Titaniumdioxid Titaniumdioxid, eller TiO 2, er det hvide pigmentstof, der bruges i både tandpasta, solcreme og hvid maling; og altså også i solceller. Titaniumdioxiden består af et hvidt lag i solcellen, der sidder på den ene glasplade. Ovenpå titaniumdioxidlaget er farvestofmolekylerne fæstnet. Titaniumdioxidlag Illustration af titaniumdioxidlagets placering i solcellen. Titaniumdioxidlaget har en meget stor overflade, hvilket betyder, at der er mange farvestofmolekyler der kan sidde fast. Dette er vigtigt. Jo flere farvestofmolekyler der er i solcellen, desto mere strøm producerer solcellen. Titaniumlaget fungerer også som transportvej for elektroner mellem farvestofmolekylerne og det tilsluttede kredsløb. I farvestofmolekylerne dannes nemlig frie elektroner, når sollyset rammer. For at solcellen kan lave strøm, skal de frie elektroner transporteres ud i et kredsløb. Men for at gøre dette, skal elektronerne have et materiale mellem farvestoffet og kredsløbet at blive transporteret i. Dette materiale er titaniumdioxid. Titaniumdioxid Titaniumdioxidlagets overflade med farvestofmolekyler på
Farvestoffet overfører altså sine frie elektroner til titaniumdioxidlaget. Herfra transporteres elektronerne ud til kredsløbet, hvor de danner en strøm. Det er vigtigt, at der er fuldstændig kontakt mellem farvestoffet of titaniumdioxidlaget for at elektronerne kan overføres. Titaniumdioxid Elektronernes vej igennem titaniumdioxidlaget fra farvestofmolekylerne og ud i el-kredsløbet
#3 Farvestoffet Solcellen skal kunne opfange sollys, før den kan danne strøm. For at opfange lyset, indeholder solcellen et farvestof - i dette tilfælde farvestoffet fra brombær. Brombærfarve Illustration af farvestoflaget i solcellen Farvestofmolekylet i solcellen fungerer som en slags modtagerantenne for sollyset. Farvestoffet modtager altså sollyset, som en almindelig antenne vil modtager radiosignaler.. Farvestofmolekylerne er ligesom en modtagerantenne, der kan opfange sollys
Farvestofmolekylet I brombærsaft er, ligesom alle andre molekyler, opbygget af atomer. Atomer som hver består af en positivt ladet atomkerne, med negativt ladede elektroner svævende rundt omkring atomkernen. Et Kulstofatom har fx 12 elektroner, og et hydrogenatom kun én elektron. Et atom med elektron og proton. Molekylet ved siden af består af mange atomer Farvestofmolekylets atomer modtager solstrålers energi ved, at de absorberer energien fra de solstråler, som rammer dem. Energien fra lyset opsamles af atomets elektroner, som vil opnå meget højere energi end normalt: Vi siger, at elektronen er blevet anslået eller exciteret. Her ses en elektron i et atom, der bliver ramt af sollys. Elektroner bliver exciteret og får en højere energi, dvs. ryger op i en af de yderliggende skaller. På et tidspunkt vil elektronen falde tilbage til sin oprindelige plads under afgivelse af energi.
Med denne høje energi vil elektronen springe ud i nogle af atomets yderliggende, tomme elektronskaller. Det er det figuren ovenfor viser. Eller, hvis elektronen får tilført en høj nok energi fra sollyset, vil elektronen helt forlade atomet. Dette sker i brombærrets farvestofmolekyle på følgende måde: En elektron får tilført en så høj energi fra sollyset, at den helt forlader sit atom og bliver til en fri elektron. Dette er nyttigt i solcellen, da den frie elektron kan udnyttes til at danne strøm. Illustrationen viser processen, når en fri elektron dannes i farvestofmolekylet i solcellen.
#4 Elektrolytten En elektrolyt er en væske, der består af ioner, dvs. molekyler der er elektrisk ladet (fx Ca ++, I ---, Na + og Cl - ). Ionerne i væsken vil kunne afgive og optage elektroner. Denne egenskab udnyttes i solcellen. Elektrolyt Illustration af elektrolytlaget i solcellen Som det beskrives i afsnittet om farvestoffet, "produceres" de frie elektroner i farvestofmolekylerne. Når en elektron har bevæget sig fra farvestofmolekylet og over i titaniumdioxidlaget, mangler farvestofmolekylet en elektron og kan ikke producere flere frie elektroner, før at den har fået fyldt en elektron på igen.
#1: Illustration af hvordan farvestofmolekylet, efter det har afgivet den frie elektron, mangler en elektron. Farvestofmolekylet kan dermed ikke afgive flere elektroner, før det er blevet genladt Elektrolyt og farvestofmolekyle fungerer lidt som en revolver: Efter en revolver har affyret et skud, er den nødt til at blive genladt med en ny patron, før at den kan skyde igen. På samme måde skal farvestofmolekylet genlades med en elektron, før at den kan "skyde" frie elektroner ud igen, når den rammes af sollys. Sollyset svarer til krudtet/energien der sender elektronen/kuglen afsted. Det er elektrolytten der sørger for at genlade farvestofmolekylerne ved at afgive elektroner til det. #2: Illustration viser processen, hvor farvestofmolekylet bliver genladt med en elektron. En elektron overføres fra elektrolytvæsken og over i farvestofmolekylet. Den første elektron er på vej videre i kredsløbet.