nano-science center københavns universitet BROMBÆRSOLCELLEN Introduktion, teori og beskrivelse

nano-science center københavns universitet BROMBÆRSOLCELLEN Introduktion, teori og beskrivelse

I dette hæfte kan du læse baggrunden for udviklingen af brombærsolcellen og hvordan solcellen fungerer. I løbet af teksten vil du støde på fremhævede ord. Dem kan du slå op i ordlisten på de bagerste sider af hæftet. INDHOLDSFORTEGNELSE Brombærsolcellen - en introduktion 2 Sådan virker solcellen 3 1 Glasplader 4 2 Titandioxid 5 3 Farvestoffet 6 4 Elektrolytten 7 Ordliste 9 VELKOMMEN!

BROMBÆRSOLCELLEN - INTRODUKTION Vi bliver flere og flere mennesker på jorden som rejser mere, spiser mere og bygger mere og dermed bruger vi flere og flere ressourcer. Vores forbrug af energi, især fra fossile brændstoffer som olie og kul, er derfor steget med blandt andet afskovning, forurening og temperaturstigninger til følge. Det er en udvikling mennesker over hele jorden arbejder på at ændre, for eksempel ved at udnytte alternative energikilder, der ikke skader naturen i samme omfang som når vi skal have energi fra fossile brændstoffer. Vi kan bl.a. lave jordens varme, havets bølger og solens stråler om til energi. Udviklingen af solceller ved hjælp af nanoteknologi er et eksempel på, hvordan vi bruger ny viden til at producere bæredygtig energi. Mens vores energiforbrug er blevet større, er den længdeskala vi arbejder på blevet mindre. Nanoscience og nanoteknologi beskæftiger sig med strukturer, systemer og processer på nanoskala fra 0,1 nanometer til 100 nanometer dvs. at man arbejder med fænomener på atom- og molekyleniveau. Det giver os mulighed for at arbejde med biologiske, fysiske og kemiske strukturer på nanoskala og bruge den viden til fx at udvinde energi fra solens lys. Brug af nanoteknologi og nanoscience var netop nøglen til udviklingen af Grätzelsolcellen. Et sted i Østrig i slutningen af 1980 erne arbejdede en kemiker ved navn Michael Grätzel i sit laboratorium og han funderede over, hvordan man kunne fremstille solceller nemmere og billigere end siliciumbaserede solceller, der allerede eksisterede. Han brugte krystaller i nanostørrelse af materialet titandioxid. På overfladen af titandioxid bliver farvestoffet fra brombær bundet. Den nye solcelle byggede på principperne bag planters fotosyntese, bortset fra, at solcellen bruger solens energi til at danne elektrisk energi og ikke til at danne sukker (og ilt), som er tilfældet i fotosyntesen. Solcellen var nem at fremtstille i et laboratorium og fik navnet Grätzelsolcellen efter sin opfinder. Gräztelsolcellen kaldes også brombærsolcellen i daglig tale. På de følgende sider beskrives hvordan brombærsolcellen virker, og hvilken rolle de forskellige komponenter den er bygget op af spiller.

Solcellens formål er at danne elektrisk energi. For at gøre dette, 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 elektroner, der ikke er bundet til et bestemt atom eller molekyle, men er sluppet ud af deres energiniveauer. De grønne tal herunder refererer til, hvor i solcellen den pågældende proces foregår. Gennemsigtig glas anode Hvidt titandioxidlag Brombærfarvestof Elektrolytvæske Kulstofkatalysator Gennemsigtig glas katode Figur 1: Elementerne i brombærsolcellen. Glasplader holder sammen på lagene i solcellen og er forbundet til et ydre elektrisk kredsløb. Titandioxidlaget på den ene plade binder brombærfarvestof til sig. På den anden plade er et lag af kulstof, det samme som stiften på en blyant. Resten af rummet mellem de to plader er fyldt med en såkaldt elektrolytvæske, som i dette tilfælde er en iod-opløsning. Elektrolytvæsken kan transportere elektroner. 1. De frie elektroner (grøn prik) produceres i farvestofmolekylerne ved hjælp af sollys. 2. Elektronerne transporteres dernæst fra farvestofmolekylet, gennem titandioxidlaget... 3.... Og hen til den øverste glasplade. 4. Her transporteres elektroner ud til et kredsløb, hvor elektronerne kan få en pære til at lyse. 5. Elektronerne transporteres fra pæren tilbage til solcellen og ind i glasplade nr. 2. 6. Herfra fortsætter elektronen ud til elektrolytvæsken - hjulpet på vej af kulstoflaget. 7. Elektrolytten vil give en elektron til farvestofmolekylet. SÅDAN VIRKER SOLCELLEN 3 2 1 Sollys 7 4 6 5 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 glas anode (-) Kulstofkatalysator Gennemsigtig glas katode (+) Figur 3: 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 titandioxidlaget, videre ud til det elektriske 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 titandioxidlaget og via metalfilmen ud i det elektriske kredsløb. Elektronerne afsætter deres energi i en lampe 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. En elektrolytvæske er en væske, der består af molekyler, som er elektrisk ladede også kaldet ioner. 3 1 Sollys 2 7 4 6 Figur 4: Her er der specielt lagt fokus på den proces, hvor elektrolytten får tilført en elektron. Dette sker med hjælp fra kulstoflaget. Numrene refererer til punkterne på foregående side. 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. 5

Titandioxid, eller TiO 2, er det hvide pigmentstof, der bruges i både tandpasta, solcreme og hvid maling; og altså også i solceller. Titandioxid-laget er et hvidt lag i solcellen, der sidder på den ene glasplade. På titandioxidlaget er farvestofmolekyler fæstnet. Hvidt titandioxidlag Figur 5: Titandioxidlaget i solcellen. Titandioxid er opbygget som krystaller. I en krystal er ionerne ordnet i et gitter på samme måde som køkkensalt NaCl. I brombærsolcellen består titandioxidlaget af enkeltkrystaller på mellem 10 og 50 nm i diameter. De krystaller kalder vi pga. størrelsen nanokrystaller. Når krystallerne er så små, kan de binde meget mere af farvestoffet på overfladen. Det er derfor meget vigtig, at solcellen er lavet af nanokrystaller så den kan fange så meget sollys som muligt. 2 TITANDIOXID Kemiske reaktioner foregår på overfladen af materialer. Derfor betyder størrelsen af overfladen meget for, hvor effektivt/hvor godt et materiale reagerer med andre hvor reaktivt materialet er. Forestil dig at materialer består af runde kugler. Jo mindre kuglerne er, jo større er andelen af materialet, som er på overfladen. Derfor er mange nanopartiker meget mere reaktive end større partikler af det samme materiale. Hvis vi bruger partikler på 10 nanometer i stedet for partikler på 1 mikrometer bliver overfladen 100 gange større. Når titandioxidlaget har en meget stor overflade, betyder det, at der kan sidde mange farvestofmolekyler fast. Dette er vigtigt. Jo flere farvestofmolekyler, der er i solcellen, desto mere elektrisk energi producerer solcellen. Titandioxidlaget 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 elektrisk energi, 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 titandioxid. Farvestoffet overfører altså sine frie elektroner til titandioxidlaget. Herfra transporteres elektronerne ud til kredsløbet, hvor de danner en strøm. Det er vigtigt, at der er fuldstændig kontakt mellem farvestoffet og titandioxidlaget så elektronerne kan overføres. Figur 6: Titandioxidlagets overflade med farvestofmolekyler på. Til højre ses elektronernes vej igennem titaniumdioxlidlaget fra farvestoffet og ud i el-kredsløbet.

3 FARVESTOFFET Brombærfarvestof Figur 7: Farvestoflaget i solcellen. Solcellen skal kunne opfange sollys, før den kan danne elektrisk energi. For at opfange lyset indeholder solcellen et farvestof - i dette tilfælde farvestoffet fra brombær. Vi bruger brombær, fordi der er en høj koncentration af farvestoffet. Farvestofmolekylet i solcellen fungerer som en slags modtagerantenne for sollyset. Farvestoffet modtager altså sollyset som en almindelig antenne vil modtage radiosignaler. Farvestofmolekylet i brombærsaft er, ligesom alle andre molekyler, opbygget af atomer. Atomer består af en positivt ladet atomkerne med negativt ladede elektroner i bestemte energiniveauer svævende rundt omkring atomkernen. Et kulstofatom har fx 6 elektroner og et hydrogenatom kun én elektron. Figur 8: Forskellen på et atom og et molekyle. Farvestofmolekylets atomer modtager solstrålers energi ved, at de absorberer energien fra de solstråler, som rammer dem. Energien fra lyset rammer faktisk atomets elektroner, som vil opnå meget højere energi end normalt: Vi siger, at elektronen er blevet anslået eller exciteret.

Sollys Exciteret elektron Figur 9: Her ses en elektron i et atom, der er ramt af sollys (Elektronerne er vist som blå kugler, den røde kugle i midten er atomkernen). Elektroner bliver exciteret af sollyset (billedet til venstre) og får en højere energi, og flyttes dermed op i en af de ydereliggende elektronskaller (billedet i midten). 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 energiniveauer. Det er det figuren ovenfor viser. Hvis elektronen får tilført en høj nok energi fra sollyset, vil elektronen helt forlade atomet. 3 FARVESTOFFET - FORTSAT Dette sker i brombærrets farvestofmolekyle: Sollys Fri elektron Figur 10: Excitationen inde i brombærsolcellen 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 skabe elektrisk energi. Elektrolyt Figur 11: Elektrolytlagets placering i solcellen En elektrolyt er en væske, der består af ioner dvs. molekyler, der er elektrisk ladede (de kan være positivt eller negativt ladet). Ionerne i væsken kan afgive elektroner, og dette udnytter vi i solcellen. 4 ELEKTRO- LYTTEN Når en fri elektron fra et farvestofmolekyle bevæger sig fra farvestofmolekylet og over i titandioxidlaget, mangler farvestofmolekylet en elektron og kan ikke producere flere frie elektroner, før den har fået fyldt en elektron på igen.

4 ELEKTROLYTTEN - FORTSAT + Farvestoffet mangler en elektron Figur 12: Illustration af hvordan farvestofmolekylet mangler en elektron, efter det har afgivet den frie elektron. Farvestofmolekylet kan 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 det kan skyde frie elektroner ud igen, når sollyset rammer det. 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. En elektron fra elektrolytvæsken genlader farvestofmolekylet Figur 13: Illustration viser processen, hvor farvestoffet bliver genladt med en elektron. En elektron overføres fra elektrolytvæsken og over i farvestofmolekylet. Den første elektron er på vej videre i kredsløbet.

absorbere optage i sig anode solcellens negative elektrode elektrisk kredsløb netværk af elektriske komponenter sat sammen i ledende forbindelse med hinanden elektrisk ladede partikler (fx elektroner, atomer, molekyler), der bærer en positiv eller negativ ladning elektrolyt væske, som indeholder frie, elektrisk ladede partikler og derfor kan lede en elektrisk strøm elektrode kontaktpunkt i det elektriske kredsløb, som ledningen tilsluttes elektron den negativt ladede partikel, som sammen med protoner udgør de basale grundbyggesten for alle atomer elektronskaller elektronernes baner omkring atomkernen. I de ydereliggende elektronskaller har elektronerne højere energi frie elektroner elektroner, som er fri til at bevæge sig, fordi de ikke længere er bundet til den atomkerne de kom fra gitter regelmæssig struktur, hvor de positive og negative ioner vil ordne sig i et mønster ioner atomer eller molekyler med en positiv eller negativ ladning katode solcellens positive elektrode ORDLISTE

ORDLISTE - FORTSAT katalysator atom eller molekyle, som uden at blive forbrugt kan få en kemisk reaktion til at forløbe hurtigere krystal konfiguration af atomer i en ordnet gitterstruktur ledende et materiale er ledende, hvis der kan løbe en elektrisk strøm igennem det molekyle samling af atomer bundet sammen med kemiske bindinger pigmentstof uopløselige partikler, som giver en opløsning sin farve proton sammen med elektronen den anden essentielle byggesten for alle atomer og molekyler reaktion proces, hvori indgående stoffer bliver omdannet til stoffer med andre egenskaber

Rikke Bøyesen redaktør Rikke Bøyesen, Gitte Frandsen, Kasper Nørgaard, SCIENCE Skoletjenesten tekst Asmus Ougaard Dohn, Toke Wahl Fritzemeier layout Udviklet i samarbejde med gymnasielærer Mikkel Rønne, gymnasielærer Marianne Johansson, skolelærer Karin Horsted Berg, skolelærer Hans-Peter Borregaard og formand for DFKF Storkøbenhavn Erland Andersen Nano-Science Center www.nano.ku.dk 2010 Se mere om nanoscience og flere øvelser på www.nanotek.nu nano-science center københavns universitet

BROMBÆRSOLCELLEN Øvelsesvejledning nano-science center kø b e n h av n s u n i v e r s i t e t

1 Farvning af titandioxid 2 Fremstilling af kulelektroden Først skal I lave et farvestof, som titandioxidlaget skal farves med Her skal der lægges et kullag på en ledende glasplade 1 Knus 5-10 brombær helt i en Gør dette mens titandioxidlaget suger 1 morter eller med en gaffel på en farve. 1 tallerken til en flydende grød. Glaspladen er ledende på den ene flade. Det skyldes, at det glas vi bruger i forsøget er energiglas. Det har en tynd metalbelægning på den ene side, som virker varmeisolerende og elektrisk ledende. Kullaget skal påføres den ledende flade af glaspladen. 2 2 Kom grøden i en tragt med filter på jeres bord og vent til, at der er så meget væske i petriskålen, at det er større end arealet af en 5-krone. Det tager et par minutter. 3 Læg glaspladen med den hvide farve (titandioxid) forsigtigt ned i petri-skålen med den hvide side nedad, som vist på billede 3. Laget suger farve. Det hvide lag skal være helt dækket af farve. 1 Hvilken side af glaspladen er ledende? Sådan finder du ud af det: Stil multimeterknappen hen på 200 Ω (Ω betyder ohm, som er enheden for elektrisk modstand). Placér de to metalspidser på glaspladen for at måle modstanden, som bør ligge mellem 30-50 Ω. Hvis dit multimeter viser det samme, har du fundet den ledende side. 2 Tør den ledende side af med linsepapir eller køkkenrulle, vædet med lidt ethanol (sprit). 3 4 Titandioxidlaget skal suge farve i minimum 20 minutter i brombærsaften. I mellemtiden skal I lave kulelektroden. 3 Påfør grundigt et jævnt kullag med en kulstift eller blyant på glaspladens ledende side. Tryk hårdt, så du kan se en svag grå farve på glaspladen. Kullaget skal gå helt ud til glaspladens kant. 3 Når glaspladen er helt grå på den ene side, er kulelektroden færdig.

3 Farvning af titandioxidlag, del 2 4 Samling af solcellen Farvningsprocessen gøres færdig Glaspladen med titandioxidlaget og glaspladen med kulstoflaget skal samles til en sandwich 2 1 Når titandioxidlaget har suget farve til sig i mere end 20 minutter, tager I glaspladen forsigtigt op af farven. Malinglaget er nu blevet rødt. Rør ikke ved det! Rør kun glaspladen på kanterne som på billede 2. 2 Glaspladen skylles forsigtigt med demineraliseret eller destilleret vand på begge sider, og skylles derefter igen med ethanol. Hold pladen på kanterne og sprøjt vand på den farvede side med en lille sprøjteflaske. 3 Glaspladen duppes (ikke gnides!) meget forsigtigt med linsepapir eller køkkenrulle på den farvede side. Det er vigtigt, at titandioxidlaget er helt tørt. 1 Saml de to plader forskudt med malinglaget og kulstoflaget ind mod hinanden. Pladerne skal være ca. 4 mm forskudt i forhold til hinanden. 2 Glaspladerne holdes sammen ved hjælp af to clips. 3 En af jer skal tage plastichandsker på, da iod er giftigt! Dryp forsigtigt 1 dråbe iod (elektrolytvæske) på den den modsatte side af glassandwichen end hvor malingen er. Elektrolytvæsken vil selv trænge ind imellem glaspladerne. Løsn den ene clips og sæt den på igen, for at være sikker på, at elektrolytvæsken er fordelt ordentligt. 1 2 Glasplade 2 3 clips Glasplade 1 Det er generelt vigtigt at tænke på, at hver eneste uønsket partikel, der afsættes på solcellen vil forringe dens effekt, da elektronernes rejse til kanten af cellen vil besværliggøres af urenheder. Så det er godt at tænke grundigt over hvordan man behandler sin solcelle! 4 Overskydende iod tørres helt væk fra solcellens ender med linsepapir. Enderne skal være knastørre. Husk handsker, så I ikke får iod på fingrene! Solcellen er hermed færdig. Nu skal I måle på solcellen.

5 Målinger på solcellen Nu skal I måle, om solcellen rent faktisk duer til noget 6 Resultater Tilføj selv noter og måleresultater 1 1 Sæt ledninger med krokodillenæb på solcellen. Ledningerne tilsluttes multimeteret. Det er vigtigt, at der ikke er noget iod tilbage på enderne af solcellen. Hold solcellen hen foran en kraftig lampe. Prøv at måle med både den farvede side tættest på lampen og med den ufarvede side. 2 2 Mål nu hvor stor en spændingsforskel U (målt i volt) solcellen kan producere: Stil multimeterknappen til 2 DCV (jævnspænding). Tilslut solcellen til multimeteret og aflæs spændingsforskellen. Tallet skrives ned i skemaet: 3 Mål nu hvor stor stor en strømstyrke I (målt i ampere) solcellen kan producere: Stil multimeterknappen til DCA (jævnstrøm). Tilslut solcellen og og aflæs strømstyrken. Tallet skrives også ned: 4 Beregn effekten P (målt i watt). Effekten fortæller, hvor meget energi solcellen kan omsætte pr. sekund. MÅLT SPÆNDING U(V) MÅLT STRØMSTYRKE I(A) EFFEKT P(W) = U I

Rikke Bøyesen redaktør Rikke Bøyesen, Gitte Frandsen, Kasper Nørgaard, SCIENCE Skoletjenesten tekst Asmus Ougaard Dohn, Toke Wahl Fritzemeier layout Udviklet i samarbejde med gymnasielærer Mikkel Rønne, gymnasielærer Marianne Johansson, skolelærer Karin Horsted Berg, skolelærer Hans-Peter Borregaard og formand for DFKF Storkøbenhavn Erland Andersen Nano-Science Center www.nano.ku.dk 2010 Se mere om nanoscience og flere øvelser på www.nanotek.nu www.nano.ku.dk

nano-science center københavns universitet BROMBÆRSOLCELLEN Perspektiver og baggrund

SOLCELLER - EN LØSNING Vi har brug for at mindske vores udledning af kuldioxid (CO 2 ) til gavn for jordens klima. Over hele kloden brænder mennesker olie, gas og kul, kaldet fossile brændstoffer for at producere el-energi og for at transportere sig rundt. Når vi afbrænder fossile brændstoffer, slippes CO 2 ud i atmosfæren. CO 2 er en af de såkaldte drivhusgasser, som sørger for, at temperaturen på Jorden giver mulighed for livet, som vi kender det. FN s klimapanel mener, at stigningen i atmosfærens indhold af CO 2 skyldes menneskers aktivitet. Når CO 2 indholdet stiger, mener mange forskere også, at den gennemsnitlige temperatur på jorden stiger. De taler om den globale opvarmning. Den gennemsnitlige temperatur på jorden er steget med 0,74 grader de sidste 100 år. Selv om det ikke lyder af meget, så betyder bare små ændringer i temperaturen store ændringer for naturen. Indlandsisen bl.a. i Grønland er allerede begyndt at smelte og det betyder stigninger i vandstanden, også i Danmark. Der er mange områder i Danmark, som i fremtiden vil blive oversvømmet, hvis temperaturen bliver ved med at stige. Alle organismer på jorden, som fx dyr og planter er tilpasset det nuværende klima. Når klimaet ændrer sig, vil dyrene flytte længere mod nord og nogle arter vil uddø. Forskere arbejder med at udvikle andre energikilder, så også jordens fremtidige befolkning kan få mulighed for at leve med de goder, vi har i dag. En af disse alternative energikilder er solceller. NANO- TEKNOLOGIEN... Mennesker har igennem årtusinder forsøgt at tæmme solens stråler for at udnytte energien til at varme huse op, lave el-energi mm. Men indtil videre er vi mennesker amatører i forhold til naturen. Naturen har ved hjælp af fotosyntesen udviklet en metode til at opfange sollysets stråler og omdanne dem til energi, som får fx planter til at vokse helt uden at udlede CO 2. Udvikling af solceller er menneskehedens forsøg på at gøre naturen kunsten efter - Grätzelsolcellen eller brombærsolcellen, som er centrum for NanoKits, er et eksempel.

Grätzelsolcellen er særlig interessant, fordi den både er billig og så simpel, at den kan laves i et hvert skolelaboratorium. Brombærsolcellen adskiller sig fra tidligere typer solceller ved, at den er baseret på nanoteknologi. Det skyldes, at titandioxidlaget består af nanokrystaller, som har en meget stor overflade. Den store overflade gør, at titandioxidlaget kan binde mange farvestofmolekyler, og det er farvestofmolekylerne, der fanger solens lys. Indfangelse af lyset er afgørende for, at vi kan omdanne solens energi til elektrisk energi. Grundlaget for nanoteknologi blev skabt i 1980 erne ved opdagelsen af Scanning Probe Mikroskoperne. Det er en fælles betegnelse for Scanning Tunnel Mikroskoper (STM) og Atomar Kraft Mikroskoper (AFM). Mikroskoperne giver os mulighed for både at se og at flytte rundt på atomer på nanoskala-niveau, idet de kan forstørre op til 1 milliard gange.... ET VIGTIGT REDSKAB Scanning Tunneling Mikroskopi-billeder af atomer der er blevet opstillet i en ring. Elektronerne, der også opfører sig som bølger, kan dermed ses skvulpe rundt i ringen og danne interferensmønstre, som når man kaster en sten i vandet. Hele verden består af atomer: Lige fra din computer, til Jorden, Solen og dig selv. De er bittesmå byggeklodser - atomer er grundstoffernes mindste bestanddele. Nanoscience og nanoteknologien er en tværfaglig videnskab, som inddrager fysik, kemi, biologi, bioteknologi og medicin. Det fælles træk er, at man arbejder på en bestemt længdeskala - nanoskalaen. En nanometer er en milliarddel af en meter. Størrelsesforholdet mellem en nanometer og en meter er det samme som størrelsesforholdet mellem et blåbær og jordkloden.

NANO ER EN NY VERDEN Når materialer er i nanostørrelse får de helt nye egenskaber. Det gælder bl.a. for titandioxid, som indgår i brombærsolcellen. Det er de nye egenskaber materialerne får, når vi oplever dem på nanostørrelse, der giver os mulighed for at bruge materialerne på en anden måde. Samtidig kan vi desuden flytte rundt på atomer og molekyler og derved skabe andre materialer end vi kendte tidligere. Derfor er nanoteknologien en nøgle, når det handler om at udvikle nye materialer for eksempel solceller. Men selvom vi hele tiden bliver bedre til at udnytte vores viden, er der stadig lang vej til vi kan skabe solceller, der udnytter solen ligeså godt som planterne. Nanoteknologiens redskaber bliver også brugt i udviklingen af helt nye typer solceller. Det drejer sig bl.a. om solceller baseret på nanotråde. Nanotråde er kunstige endimensionale materialer med diameter helt ned til 10 nanometer (1/10.000 del af bredden på et hår) og længder på adskillige hundrede nanometer. Skove af nanotråde bliver i disse år undersøgt for deres evne til at indfange solens energi og omdanne den til strøm. Der er flere firmaer rundt om i verden, der udvikler solceller baseret på nanotråde. Elektronmikroskopi-billede af nanowires i en nano-skov EFFEKTIVITETEN ER AFGØRENDE! Når vi bygger solceller, er det med det mål at udnytte så meget af solens lys som overhovedet muligt. Jo mere energi vi kan udvinde fra sollyset jo bedre er det at høste solens stråler. Samtidigt skal det at bygge solcellen være så billigt som muligt både i forholde til de kroner og ører, som det koster at bygge solcellen, men også i forhold til hvor meget energi vi skal bruge på at bygge solcellerne. Her rører vi ved sagens kerne at det har været og stadigvæk er meget svært og dyrt at høste solens stråler. Samtidigt skal solcellen kunne holde i mange år. Inden Grätzel fandt på at bruge nanoteknologi til at lave sin type solceller, har mange andre forskere arbejdet med at udvikle solceller, der effektivt og billigt kan udnytte solens lys. Vi taler om, at der er 3 generationer af solceller. 1. Generation: Krystallinske solceller Krystallinske solceller er i dag den mest brugte solcelletype. De fleste af de krystallinske solceller, som er på markedet er fremstillet af silicium. Det er den type solceller, der er mest effektive rekorden er på 44% i laboratoriet under optimale forhold. De har dog den ulempe, at de er dyre at fremstille. De krystallinske solceller har en holdbarhed på omkring 30 år.

2. Generation: Tyndfilmssolceller Tyndfilmssolceller er også typisk baseret på silicium eller andre halvledende materialer, men som en sandwich af meget tynde film på en overflade. Hvad overfladen er lavet af kommer an på, hvad cellen skal bruges til. Fordelen ved denne type celle er, at den kan være mekanisk fleksibel og billig at fremstille, men effektiviteten er lavere og holdbarheden kortere end for de krystallinske celler. Denne type solcelle tilkæmper sig dog større og større markedsandele i disse år. 3. Generation: Nye teknologier 3. generation omfatter en række alternativer til de klassiske solcelleteknologier, herunder fotoelektrokemiske og polymere solceller. Polymere solceller er fremstillet af plast og er baseret på lange kæder af molekyler med kulstofmolekyler som skelet, der minder lidt om cellulose fra planter. Forskerne bruger nanoteknologiske teknikker til at ændre på molekylernes elektriske egenskaber. Solcellerne er meget fleksible, papirtynde og kan i princippet massefremstilles på trykke-rier. Derfor er de billige, men de er endnu ikke helt så effektive som krystallinske solceller. Brombærsolcellen hører til de fotoelektrokemiske solceller også kaldet PEC for Photo Electrochemical Cell. Selvom vi selv kan fremstille Grätzelsolceller, og se at de virker, er denne type solceller ikke på markedet endnu i stor skala. Det er stadigvæk for dyrt at producere dem, men perspektiverne er bedre ved denne type af solceller end de andre, fordi den er simpel at bygge og de grundlæggende materialer billige. Grätzel arbejder stadigvæk med at udvikle brombærsolcellen. I den oprindelige version, som vi laver i laboratoriet, var der nogle ting, som skulle forbedres. For det første bliver farvestoffet fra brombær nedbrudt, når det udsættes for lys i længere tid. For det andet er det en ulempe, at elektrolytten er flydende. Det betyder, at den er svær at indkapsle effektivt i hele solcellens levetid - der gerne skulle være mindst 25 år. Forskerne har derfor forsøgt sig med andre farvestoffer for eksempel baseret på stoffet porfyrin. I naturen er det en af de vigtigste dele i stoffer som klorofyl (det grønne farvestof i planter, som fanger lyset fra solen) og hæmoglobin (det stof, der transporterer ilt rundt i blodet). Det stof gav en effektivitet på 7,1%. Det er ligesom farvestoffet i brombær et meget billigt materiale. Forskerne har også fundet et farvestof, som er både meget kemisk og temperaturmæssigt stabilt. Michael Grätzel og hans kolleger har så sent som i 2008 fundet et alternativ til den flydende iod-iodid elektrolyt. Den består af en blanding af tre forskellige salte, der gør, at elektrolytten får en langt højere stabilitet over tid.

FREMTIDENS SOLCELLER TRYKT PÅ GLASPLADER Grätzelsolceller kan fremstilles i gennemsigtigt, farvet og mønstret glas, og det gør dem til fantastiske byggematerialer, hvor kun fantasien sætter grænser for, hvordan og hvor man bruger dem. En solcelle i gennemsigtigt glas kan for eksempel bruges i bygningsfacader på kontorbygninger i stedet for almindeligt glas og samtidigt levere elektrisk energi til bygningerne. Solceller kan selvfølgelig bruges til alle mulige andre ting og på steder, hvor der er brug for elektricitet til at transportere folk og varer. Man kunne forestille sig containerskibe med solcellepaneler på dækket, der kunne levere den energi som skibet skulle bruge for at sejle. Ladestationer til mobiltelefoner og computere i ulandene og meget mere - kun fantasien sætter grænser.

Hvis I sammenligner jeres solcelles effekt med den effekt en almindelig energisparepære har (13 W), hvor mange solceller skal der så til for at få en pære til at lyse? SPØRGSMÅL Hvor stort et areal skal være dækket af solceller, hvis en almindelig dansk husholdning skal have sin elektriske energi derfra? Diskuter, hvor effektive solcellerne skal være, før det give mening at sætte dem i produktion.

Rikke Bøyesen redaktør Rikke Bøyesen, Gitte Frandsen, Kasper Nørgaard, SCIENCE Skoletjenesten tekst Asmus Ougaard Dohn, Toke Wahl Fritzemeier layout Peter Krogstrup billeder af nanowires Teknologisk Institut billeder af solceller Udviklet i samarbejde med gymnasielærer Mikkel Rønne, gymnasielærer Marianne Johansson, skolelærer Karin Horsted Berg, skolelærer Hans-Peter Borregaard og formand for DFKF Storkøbenhavn Erland Andersen Nano-Science Center www.nano.ku.dk 2010 Se mere om nanoscience og flere øvelser på www.nanotek.nu nano-science center københavns universitet

nano-science center københavns universitet BROMBÆRSOLCELLEN Lærervejledning

LÆRERVEJLEDNING FOR BROMBÆRSOLCELLENS ANVENDELSE I BIOLOGIUNDERVISNINGEN Nanoteknologi og øvelsen med brombærsolcellen kan indgå i mange sammenhænge i faget biologi. Der er gode muligheder for at inddrage øvelsen både i grundskole og i gymnasiet på alle niveauer og i de tværfaglige sammenhænge som f.eks. det naturvidenskabelige grundforløb (NV). Helt oplagte temaer, hvor solceller kan inddrages er: Fotosyntese, respiration, stofkredsløb, produktion, energi og økosystemer. Nedenfor følger en række ideer og inspiration til foredrag/fagforløb, opgaver og øvelser. Forløb 1-3 tænkes anvendt til præsentation af fagområder hvor solceller kan indgå. Forløb 4-11 tænkes anvendt som uddybende oplæg med små elevaktiverende øvelser og opgaver. Den endelige udformning af forløb med inddragelse af nanoteknologi og solceller i biologiundervisningen afhænger naturligvis af egne didaktiske overvejelser i forhold til fag, målgruppe, progression og tid. 1. Introducerende foredrag til fagforløb om: Fotosyntese og solceller Det introducerende foredrag kan med fordel laves som PowerPoint eller lignende elektronisk præsentation. Beskriv autotrofernes fotosyntese, hvor CO 2 bringes på energiladet organisk form primært som glukose. Forklar hvordan den dannede glukose v.h.a. næringssalte enzymatisk via biosynteser kan omdannes til samtlige organiske stoffer. Giv en introduktion til pigmenter, der kan have forskellige funktioner f.eks. opfangning af lysenergi, beskyttelse mod solstråling og signalering til pollen- og frøspredende dyr. Forklar f.eks. om klorofyl, flavonoider, carotenoider, antocyaniner og betanin. Gå særligt i dybden med de lysabsorberende pigmenter og vis figurer af klorofyl samt eksempler på forekomst i levende organismer. Vis figurer af pigmenternes placering i kloroplaster og f.eks. vandpest med synlige grønkorn. Vis figur af de kemiske processer i fotosyntesen detaljeringsniveau afhænger af målgruppen. Inddrag med fordel en animation f.eks. Fotosyntesen - Animationer - Biokemibogen. Her kan udbygges med en præsentation af forskellige former for fotosyntese f.eks. C3 og C4 planter. Herefter kan en egentlig præsentation af solcellerne følge. 2. Stofkredsløb Solceller og nanoteknologi kan indgå i sammenhæng med en præsentation af stofkredsløb med særligt fokus på kulstof. Beskriv et generelt stofkredsløb, hvor atomerne indgår i et stadigt kredsløb i form af forskellige kemiske forbindelser, hvor energien forbruges og hvor stofferne genbruges: Præsenter de tre hovedelementer: Det egentlige kredsløb, depoter, til-og fraførsel. Dernæst præsenteres specifikt kulstofs kredsløb, hvor der forklares at kulstof er rygraden i enhver organisk forbindelse og 50% af tørvægten af levende organismer er kulstof. Vis eksempler på biologisk vigtige molekyler der indeholder kulstof f.eks. cellulose, DNA, protein og den dobbeltlagede cellemembran. Dernæst præsenteres autotrofernes fotosyntese, hvor CO 2 bringes på energiladet organisk form primært som glukose og den dannede glukose v.h.a. næringssalte enzymatisk via biosynteser omdannes til samtlige organiske stoffer. Introducer herefter de lysabsorberende pigmenter og vis figurer af f.eks. klorofyl og eksempler på forekomst i levende organismer samt pigmenters placering i kloroplaster f.eks. vandpest med synlige grønkorn. Fotosyntesen og de kemiske processer forklares detaljeringsniveau afhænger af målgruppen. Inddrag med fordel en animation f.eks. Fotosyntesen - Animationer - Biokemibogen. Inddrag evt. forskellige former for fotosyntese f.eks. C3 og C4 planter. Respiration introduceres og de kemiske processer vises alt efter ønsket niveau. Sammenligning af stofomsætningen hos autotrofe og heterotrofe organismer. Endosymbiontteorien kan efter ønske præsenteres. Passende figur af kulstofkredsløbet præsenteres. Sammenhængen mellem BPP, NPP og R introduceres. Herefter kan en egentlig præsentation af solcellerne følge.

3. Evig Energi? biologi i et forløb i det naturvidenskabelige grundforløb (NV) Tema om energi kan indgå i mange fagforløb. Nedenstående eksempel er fra naturvidenskabeligt grundforløb med temaet: Evig Energi? Det er kulstof C - det handler om. Kulstof er rygraden i enhver organisk forbindelse og 50% af tørvægten af levende organismer er kulstof. Herefter præsenteres autotrofernes fotosyntese, hvor CO 2 bringes på energiladet organisk form primært som glukose og den dannede glukose v.h.a. næringssalte enzymatisk via biosynteser omdannes til samtlige organiske stoffer. Der vises en figur af vandpest med tydelige grønkorn. Jordens samlede energiressourcer vises på en figur, hvor det fremgår at solenergien er en kæmpe ressource. Cellernes respiration præsenteres. En model af sammenhængen mellem respiration og fotosyntese i enkelte celler viser det lille kredsløb. Derefter følger en model, der viser kulstoflagre og energistrømme i et helt økosystem og derefter en model, der viser det globale kulstofkredsløb. Biomasse introduceres hvad er det? Der gives eksempler på forskellige typer. Den biologiske baggrund for produktion af biomasse beskrives, herunder forklares om balancen mellem fotosyntese og respiration. Begreberne BPP, NPP og R introduceres. Biomasse kan blive til brændsel enten ved direkte udnyttelse f.eks. afbrænding eller presse olie ud af paps eller ved omdannelse til ethanol. Begrebet CO 2 - neutral introduceres - hvad betyder det? Der er muligheder for at koble videre til energiforsyning og klimaproblematikken. Her spiller solceller en central rolle. 4. Hvorfor er salaten grøn, hindbær røde og bladene gule om efteråret? En øvelse om pigmenter i planter I planter findes forskellige pigmenter, der bl.a. opfanger lys i forbindelse med fotosyntesen. Pigmenterne i forskellige plantematerialer kan nemt ekstraheres med ethanol. Derefter kan pigmenternes absorption af lys måles v.h.a. et spektrofotometer. Se f.eks. http://www.vernier.com/spectroscopy/spectrovisplus.html. Resultaterne fra et forsøg med salat, brombær, hindbær og orange peberfrugt er vist i figuren nedenunder. Eleverne kan forklare resultaterne og angive hvilke pigmenter det drejer sig om. Eleverne kan give eksempler på forskellige typer af pigmenter f.eks. klorofyl, carotenoider, antocyaner og flavonoider, herunder deres opbygning og funktion f.eks. UV-absorption, blomsterfarve, fotoprotektion eller antioxidanter. Herefter kan en egentlig præsentation af solcellerne følge.

Viden om pigmenter kan videre anvendes i et utal af sammenhænge. Nedenstående figur viser dataindsamling fra Øresund, hvor mængden af planteplankton i vandsøjlen er undersøgt v.h.a. en flourescensmåling. Mængden af planteplankton kan også måles som koncentration af klorofyl. Flourescens Nord for Helsingør den 4. sept 2009 5 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3-5 Dybde, meter -10-15 Serie1-20 -25 Flourescens Eleverne kan lave diagrammer v.h.a. et præsentationsværktøj som f.eks. Excel eller Maple og vise sammenhængen mellem mængden af klorofyl eller fluorescens og f.eks. vanddybde eller årstid. Eleverne kan forklare, hvorfor koncentrationen af klorofyl-a kan anvendes som mål for planteplanktonets biomasse. Desuden kan de give forslag til metoder til at bestemme indholdet af klorofyl i en vandprøve eller måle fluorescens. 5. Fotosyntese og respiration generelle spørgsmål der kan moduleres i det uendelige alt efter niveau og progression. Hvilken rolle har grønkorn (kloroplaster)? Lav en beskrivelse af en kloroplast på baggrund af figur (her vælges alt efter hvilket niveau). Sæt navne på. Beskriv fotosyntesen med kemiske begreber. Forklar ud fra vedlagte figur (her vælges alt efter hvilket niveau) processerne i fotosyntesen. Hvilke organismer udfører processen? og hvorfor? Beskriv respiration med kemiske begreber. Hvor i cellerne foregår respirationen? Hvilke organismer udfører processen? og hvorfor? Tegn en model der viser sammenhængen mellem fotosyntese og respiration. Forklar hvad man forstår ved en plantes bruttoprimærproduktion (BPP). Forklar hvad man forstår ved en plantes nettoprimærproduktion (NPP). Forklar hvordan de tre størrelser BPP, NPP og R hænger sammen? 6. Se fotosyntesen med egne øjne en hurtig og nem øjenåbner! Et lille hurtigt forsøg der tager udgangspunkt i princippet: POE (predict-observe-explain). Umiddelbart inden forsøget skæres stænglen af en vandpest forsigtigt over og skuddene placeres med skudspidsen nedad i et reagensglas med postevand belys evt. glasset: Hvis planten er fotosynteseaktiv, da vil der komme bobler. Eleverne skal herefter give et kvalificeret gæt på, hvad der sker. Hvad er der i boblerne? 7. Øvelse med lysintensitetens betydning for fotosyntese Formålet med øvelsen er at undersøge sammenhængen mellem lysets intensitet og fotosyntesens størrelse. Dette gøres ved at udsætte en plante f.eks. vandpest for forskellige lysintensiteter og registrere, hvor stor den tilsvarende fotosyntese er. Her kan en diskussion om det naturvidenskabelige forsøg med fordel inddrages f.eks. må andre faktorer, udover lyset, ikke ændre sig i løbet af forsøget. Desuden kan en hypotese for, hvordan sammenhængen er mellem lysets intensitet og fotosyntesens størrelse, formuleres og begrundes. Tegn f.eks. en skitse af de forventede forsøgsresultater.

Forsøget kræver kun få materialer: Skud af vandpest, reagensglas, danskvand, målestok og en kraftig lampe. Lige inden forsøget skæres stænglerne på vandpest forsigtigt over og skuddene placeres med skudspidsen nedad i et reagensglas med danskvand (indeholder overskud af CO 2, derfor kan CO 2 - mængden holdes konstant) og belyses. Bobler stænglen for kraftigt til, at boblerne kan tælles, skal den afkortes. Bobler stænglen slet ikke vælges en ny plante. Eleverne kan alt efter niveau selv finde på en egnet forsøgsopstilling samt fremgangsmåde. Resultaterne præsenteres i diagrammer f.eks. ved anvendelse af regneark eller lign. Resultaterne analyseres og forklares. Her kan lys- og skyggeplanter inddrages. Eksempel på resultater: 8. Øvelse med fotosyntese, respiration og kulstofkredsløb Denne øvelse findes i et hav af udgaver her følger en generel beskrivelse: Planternes dannelse og forbrug af CO 2 kan følges ved at se på koncentrationen af H +. I øvelsen benyttes en syre-base-indikator: Bromthymolblåt (BTB). Denne indikator er blå, når opløsningen er basisk og gul, når opløsningen er sur. CO 2 i f.eks. udåndingsluft opløses i vand og bliver til kulsyre dermed bliver vandet surt og farven skifter fra blå til gul. Formålet med denne øvelse er at besvare følgende spørgsmål: Forbruger en grøn plante CO 2, når den udsættes for lys? Behøver en grøn plante lys for at kunne lave fotosyntese? Optager eller udskiller en grøn plante CO 2 når den ikke er i lys? Til øvelsen skal bruges 8 reagensglas med tætsluttende propper, BTB, vandpest (Elodea canadensis), danskvand, sugerør, stanniol og evt. lampe. Hæld ca. 2 ml postevand i et reagensglas og tilsæt et par dråber BTB. Stik sugerøret ned i væsken og pust. Væsken skifter fra blå til gul da vandet bliver surt, idet CO 2 i udåndingsluften opløses i vand og bliver til kulsyre. Prøv at tilsætte et par dråber danskvand i stedet for at puste. Danskvand indeholder kulsyre. Fyld de 8 reagensglas med postevand og tilsæt et par dråber BTB. Tilsæt vandpestplanterne og danskvand som det fremgår af skemaet. Reagensglassene stilles lyst et par dage. Mørkeforsøget udføres ved at pakke de sidste 4 reagensglas ind i stanniol. Opstil hypoteser som besvarer de i formålet stillede spørgsmål. Hvilken farve forventes som slutfarve i de enkelte glas? Efter et par dage iagttages farven og noteres i skemaet under slutfarve. Diskuter de opnåede resultater i forhold til de opstillede hypoteser.

9. Fotosyntese og respiration opgave fremstillet på baggrund af øvelse i Biofag Særnummer 2006. Et godt alternativ til øvelse 8 er den øvelse der er beskrevet i Biofag Særnummer 2006. Den virker hver gang! Nedenfor følger en opgave fremstillet på baggrund af udført øvelse. Opgave En gymnasieklasse har lavet et forsøg til belysning af forskellige faktorers indflydelse på iltdannelsen i vandplanter. Iltdannelsen blev påvist med en redoxindikatoren indocarmin. Iltindikatoren er i iltfri (reduceret) tilstand farveløs til svag gullig. Den er meget følsom overfor ilt og regerer med en stærk blå farvedannelse, når den oxideres, altså når den reagerer med ilt. Resultatet af forsøget. Glas 1: Iltindikator. Glas 2: Iltindikator + olie. Glas 3: Iltindikator + kogt plante + lys + olie. Glas 4: Iltindikator + plante + mørke + olie og Glas 5: Iltindikator + plante + lys + olie Hvad kan du konkludere ved at sammenligne glas 5 og 3? Forklar Hvad kan du konkludere ved at sammenligne glas 5 og 4? Forklar Hvad kan du konkludere ved at sammenligne glas 5 og 2? Forklar Hvorfor laves kontrol glas 1 og 2? Hvad er årsagen til forskellen mellem kontrolglassene 1 og 2? Hvilke fejlkilder kan du finde? Forklar forskellen på kvantitative og kvalitative metoder. Beskriv en kvantitativ metode der kan bruges til at undersøge planters fotosyntese. Hvilken betydning har fotosyntesen for vandplanter og vandmiljøet? Tegn en model der viser sammenhængen mellem fotosyntese og respiration. Forklar hvad man forstår ved en plantes bruttoprimærproduktion (BPP). Forklar hvad man forstår ved en plantes nettoprimærproduktion (NPP). Forklar hvordan de tre størrelser BPP, NPP og R hænger sammen? 10. Kulstofkredsløb og produktion Denne opgave er god i forbindelse med at forstå, hvordan fotosyntese og respirationsprocesserne har indflydelse på hinanden. Materialet er en gammel opgave med et kuldioxidregnskab for en bevoksning af blågrå pil en løvfældende dværgbusk der bl.a. vokser i Grønland. Følgende spørgsmål kan f.eks. stilles: Ved hvilke processer forbruges og produceres kuldioxid i de forskellige dele af planten? Vurder ud fra regnskabet hvordan biomassen i bevoksningen af blågrå pil ændres med tiden. Forklar hvordan disse processer har forbindelse til produktion af biomasse. Forklar hvad det betyder at biobrændsel anses for at være CO 2 neutralt.

Kilde: Biofag nr. 9 1997 11. Forsøg med planter og jord der kan varieres i det uendelige Med en lille forsøgsopstilling som vist på foto nedenunder kan eleverne lave eksperimenter, der belyser sammenhænge mellem fotosyntese og abiotiske faktorer eller respiration. En plante bliver placeret i et lukket forsøgskammer. CO 2 -koncentrationen måles f.eks. gennem 2 timer den ene i lys derefter i mørke. Dataopsamling foregår med CO 2 sensor og datalogger. En variant af dette forsøg kan udføres ved at grave en tørv fra en udvalgt lokalitet f.eks. den lokale græsplæne eller forskellige typer af skov op med en spade. Tørven skal være ca. 30 x 30 cm og ca. 20 cm tykt. Tørven deles i to lige store dele på den ene del fjernes al vegetation. De to dele tørv placeres i en plastik/fotobakke og et jordrespirometer med CO 2 sensor anbringes på tørven uden vegetation og der indsamles data i ca. en time. Dernæst måles på tørvestykket med vegetation. Herefter kan eleverne finde ud af, hvor den dannede CO 2 kommer fra samt forskellene mellem de to tørvedele. Herfra kan der regnes på alt fra, hvor meget den udskilte CO 2 svarer til i energimængder, hvilket igen kan omregnes til stofmængder. Lærervejledningen er udarbejdet af Marianne Johansson, Nordsjællands Grundskole og Gymnasium, 2010

LÆRERVEJLEDNING FOR BROMBÆRSOLCELLENS ANVENDELSE I FYSIKUNDERVISNINGEN Forsøget med brombærsolcellen kan indgå i alle niveauer i fysikundervisningen. Generelt kan det være svært for eleverne at forstå de elektrokemiske processer. Eleverne skal kende lidt basal ellære for at kunne lave en basal analyse af cellens effekt (P = U I). Kendskab til begreberne effekt, spændingsforskel og strømstyrke er en forudsætning. Eleverne vil også skulle bruge et multimeter til de elektriske målinger. Det vil også være nyttigt for eleverne at kende til sollysets intensitet, som måles i W/m 2, sådan at de kan relatere resultatet til noget kendt. Niveau/aktivitet Fysik C Fysik B Fysik A SRP Forskellige emner Energi, alternativ energi, energiproduktion, effekt, lysintesitet, solhøjde. Lysspektre fra solen fra spotlights. Farvelære. Farvespektre. Karakteristikker af spændingskilder. Polspænding. Lineær model af spændingskilder med indre modstand. Nanoteknologi. Nye teknologier. AFM, STM tunneleffekt (disse emner kan også behandles lettere på tidligere fysikniveauer) Forsøg med brombærsolcellen er tidligere blevet brugt i studieretningsprojekter i et samarbejde mellem fysik og kemi. Her kan man inddrage emner, nævnt ved fysik C, B og A. En eksperimentel undersøgelse kunne udvides ved f.eks. at kigge på farveegenskaberne ved solcellen. Evt. kunne man måle på solcellens effektivitet gennem forskellige farvede filtre. Man kunne sammenligne med konventionelle celler. Man kunne undersøge evt. langtidseffekter for solcellen ved at måle på dem i længere tid. Forskellige kommentarer til øvelsen Karakteristik I øvelsesvejledningen bruges en simpel bestemmelse af en brombærsolcelles effekt. Den simple bestemmelse antager en konstant karakteristik (konstant spænding ved varierende strømstyrke), som findes via måling af hvilespændingen og kortslutningsstrømmen. I virkeligheden er solcellens karakteristik ikke konstant. En bedre bestemmelse af effekten kan findes ved at antage en lineær faldende karakteristik. Endnu bedre vil det være at måle solcellens karakteristik ved at variere en belastningsmodstand, der er sat i forbindelse med solcellen. Man vil typisk skulle bruge en dekademodstand, der kan komme op i MΩ området, fordi solcellens indre modstand er relativt stor. En rigtig karakteristik hører bedst hjemme i fysik på B/A-niveau sammen med anden relevant ellære. Effektivitet Solcellen testes bedst i rigtigt sollys. På en klar solskinsdag vil sollyset have en intensitet på omkring 900 W/m 2, når sollyset lyser vinkelret ind på solcellens overflade. Ud fra kendskab til solcellens areal vil effektiviteten nemt kunne bestemmes: Effektivitet = Solcellens effekt [W] (Intensitet for solllys [W/m 2 ]) solcellens areal [m 2 ] Sollysets intensitet kan også bestemmes ved brug af forskelligt relevant udstyr. Har man ikke sollys til rådighed, kan man bruge en halogenspot. Her skal man så udregne lysintensiteten ved at dividere lampens effekt med det areal, der oplyses. Vær opmærksom på, at lys fra halogenlamper indeholder relativt meget IR-stråling i forhold til sollyset. Udstyr der er beregnet til at måle sollysets intensitet kan derfor ikke altid bruges til måling af andre typer lys. Hvis man har tid, kan man både test halogenspot og sollys og få en interessant diskussion om eventuelle forskelle. Almindelige siliciumsolceller har en effektivitet på 10-20 procent. Man kan forvente at brombærsolcellens effektivitet er meget mindre.

Farvefølsomhed Solcellers effektivitet afhænger af lysets bølgelængde (lysets spektralfordeling). Nogle standard Si-solceller er relativt følsomme over for IR-stråling. Hvad med brombærsolcellen? Det er svært at afgøre eksperimentelt. Men vi kan komme med nogle gode antagelser: Et godt gæt er, at solcellens effektivitet er tæt forbundet til brombærfarven (violet når den indfarves sammen med titandioxiden). Komplementærfarven til violet er gullig, dvs. det er den gule del af det synlige lys, som bliver optaget. Den gule farve opfattes naturligvis, hvis øjet ser den gule spektralfarve, men en kombination af grøn og rødt giver også en gul farveopfattelse. Ud fra disse betragtninger kan man argumentere for at brombærsolcellen er ideel, fordi den største del af sollyset ligger i det synlige spektrum med størst intensitet omkring det gul-grønne område. Hvis man har et digital optisk spektrofotometer, kan man i den forbindelse vise eleverne forskellen på halogenlys og sollys. Nanoscience. TiO 2 ikke bare titandioxid. Man kan nemt finde en række forskellige oplysninger om titandioxid på Internettet Wikipedia (engelsk) har en side med mange informationer. For elever kan det selvfølgelig være sjovt at vide, at stoffet er et E-nummer (E171). Det bruges til hvidfarvning i fødevarer og i f.eks. tandpasta, men også i maling, papir o.l. Det specielle ved NanoKit solcellen er, at man skal bruge en ganske speciel størrelse TiO 2 korn for at solcellen virker. Dette fortæller os lidt om udfordringerne i nanoscience ikke nok med at man skal blande de rette materialer, man skal også sørge for, at de har den rigtige størrelse. I øvrigt henvises der til Matematik og Naturfag i Verdensklasse og DASG, som havde brombærsolcellen på programmet. Lærervejledningen er udarbejdet af Mikkel Rønne, Brøndby Gymnasium, 2010

LÆRERVEJLEDNING FOR BROMBÆRSOLCELLENS ANVENDELSE I KEMIUNDERVISNINGEN Arbejdet med brombærsolcellen giver gode muligheder for tværfagligt samarbejde på flere niveauer. Et studieretningsforløb med inddragelse af fysik og kemi og evt. biologi er en mulighed, men brombærcellen kan også benyttes i introforløbene på STX (NV) og HF (naturvidenskabelig faggruppe). Som enkeltfaglig øvelse i kemi vil det være mest oplagt at lave solcelleøvelsen på B- eller A-niveau. Her kan emner som organiske farvestoffer, herunder konjugerede dobbeltbindinger og energiniveauer i molekyler behandles (se f.eks. ISIS Kemi B). Ønskes en bredere gennemgang af bæredygtig kemi kan elektrokemiske celler, herunder brændselsceller inddrages. På alle tre niveauer kan man benytte spektrofotometri som et redskab, der forklares mere eller mindre detaljeret. I kemi på C-niveau kan solcellen benyttes i forbindelse med en gennemgang af redoxreaktioner, hvor elektrolyttens rolle i solcellen uddybes. Desuden kan det udnyttes, at alle elever har fysik på C-niveau og derfor må formodes at kende til begreber som nyttevirkning og effekt. På A-niveau (evt. også på B-niveau) kan kapitlet Solceller et strålende svar på den indlysende udfordring fra bogen Nye kemiske horisonter (fra DTU) inddrages. Litteraturforslag: ISIS Kemi B (2.udgave) indeholder et par opslag (s. 176-179) om organiske farvestoffer. Disse er mest oplagte at benytte til B- og A-niveauet, men udpluk af disse kan også benyttes på C-niveau. ISIS Kemi B s. 180-181 indeholder en overskuelig gennemgang af spektrofotometri. ISIS Kemi B (2. udgave) s. 170-175 går i detaljer med atomorbitaler, hybridisering og molekylorbitaler. Niveau Teori Supplerende eksperimentelt Kemi C Redoxreaktioner, Bestemmelse af nyttevirkningen for organiske farvestoffer solcellen Spektrofotometri: Sammenhæng mellem absorptionsspektrum og farve Kemi B Kemi A Organiske farvestoffer, konjugerede dobbeltbindinger. Andre typer solceller halvme-taller og det periodiske system. Farvelære additiv og subtraktiv Organiske farvestoffer, særligt de naturligt forekommende, som jo benyttes i solcellerne (porphyriner, anthocyaniner o.a.), hybridisering og molekylorbitaler samt konjugerede dobbeltbindinger, auxochrome og kromofore grupper, elek-troniske energiniveauer. Nyttevirkning Som for C-niveau Som på C- og B-niveau Desuden kan man se på sammenhæng mellem farver (bølgelængde) og struktur. Brændselsceller. Elektrokemi Lærervejledningen er udarbejdet af Sheela Kirpekar, Ordrup Gymnasium, 2010