Praktikum Kupfersolarzelle

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Eine photoelektrochemischen Zelle „Die Kupfersolarzelle“
Teil meiner Arbeit ist es neben der Grätzelzelle auch eine Solarzelle auf Kupferbasis zu
bauen. Ich befolge dabei eine „Bastelanleitung“ aus dem Internet.
(http://scitoys.com/scitoys/scitoys/echem/echem2.html#solarcell)
Ziel des Experiments:
Ziel des Kupferexperiments ist es zu zeigen, dass sich mit einfachen Mitteln Strom mittels
Photovoltaik erzeugen lässt, und zu prüfen ob es möglich ist durch das Zusammenschalten
einiger Kupferzellen zu einem Netz die Spannung soweit zu erhöhen, dass eine Leuchtdiode
betrieben werden kann.
Das Experiment
Material:
Kupferplatte (gekauft bei Jumbo in Marin, Dicke ca. 0.5mm)
Blechschere
Ethanol
Gasbrenner
Kochsalz (Natriumchlorid NaCl)
Die Kupfersolarzelle wurde wie folgt gebaut:
-Zerschneiden der Kupferplatte mit Hilfe der Metallschere in 4cm * 5cm grosse Stücke.
- Die Kupferstücke mit Seife und Brennsprit von jeglichem Schmutz und Fett reinigen und
anschliessend mit dem Gasbrenner unter blauer Flamme solange erhitzt, bis sich das
Kupfer verfärbt.
Über der verfärbten Kupferschicht bildete sich beim abschalten des Gasbrenners sofort eine
schwarze Kupferoxidschicht. Diese Kupferoxidschicht löste sich beim Abkühlen unter
Blasenbildung weg und bildet ein schwarzes Pulver.
- Was von der schwarzen Kupferoxidschicht übrig bleibt wird mit warmem Wasser
weggewaschen. Es bleiben jedoch einige schwarze Stellen. Unter der schwarzen
Kupferschicht kommt mattes Kupferoxid zum Vorschein.
- Die beiden Platten werden anschliessend in eine Kristallisationsschale gestellt, gefüllt mit
einer gesättigten Kochsalzlösung. Sie dürfen sich nicht berühren, und sind über
Krokodilklemmen mit dem Messgerät verbunden.
- Um handlichere Zellen für die Messung und das Solarpannel zu erhalten werden je eine
Kupferoxid und eine Kupfeplatte mit Silikon verbunden und an jede Platte ein Kontaktkabel
angelötet.(Siehe Abbildung XX)
Silikon
Anschlüsse
Abbildung XY: Eine Cu(I)-Oxidschicht
Kupferplatte
Cu(I)-oxid Platte
Abbildung XY: Zelle von der Seite
Die Messung
Meine Messung an einer Zelle mit einer Oberfläche von 20cm2 unter dem Kunstlicht einer
Neonröhre ergab folgende Ergebnisse für Kurzschlussspannung (Uk) und Kurzschlussstrom
(Ik).
Kurzschlusstrom (Ik)
Kurzschlusspannung (Uk)
1.
0.2 - 1.8 mA
0.218 V
2.
0.194 mA
0.019 mV
Ergebnisse
Bei dieser Messung auffällig war, dass die Spannung nicht konstant war. Die
Spannung stieg bei konstanter Beleuchtung in einem Zeitraum von 30 min
von 10mV auf 50mV.
Auch die Beschaffenheit des Gefässes hat einen Einfluss auf die Spannung.
Wird die Zelle in ein Aluminiumgefäss gegeben steigt die Spannung sofort
um ein Vielfaches.
Die Zelle reagiert auf kurzfristige Änderungen der Beleuchtungsstärke, z.B.
beim Auschalten der Lampe mit einem kurzfristigen Abfall der Spannung um
ca 2mV.
Eine Leerlaufspannung von einigen Millivolt war ist messbar.
Interpretation Das Ansteigen der Messung könnte mit der langsamen Diffusion der
Moleküle im Elektrolyten zu tun haben. Sind im Elektrolyten (Salzwasser)
nicht genügend Ionen vorhanden können die Elektronen nicht schnell genug
von der einen zur anderen Elektrode wandern. verändert sich die
Konzentration der Ionen im Elektrolyten verändert sich die Menge der
transportierten Elektronen und führt zu einer Höheren Spannung.
Das Salzwasser kühlte sich ab, was einen Einfluss auf die Bewegung der
Moleküle und die Leitfähigkeit des Elektrolyten einen Einfluss haben könnte.
Die Beschaffenheit des Gefässes kann auch einen Einfluss auf die
gemessene Spannung haben, z.B. kann es zur Bildung eines Lokalelements
zwischen der Kupferplatte und dem Aluminium kommen.
Bild einer fertigen Zelle
Ein einfaches Solarpannel zum Betreiben einer LED
Um eine Leuchtdiode zum Leuchten zu bringen ist es notwendig eine ausreichend hohe
Gesamtspannung zu erzeugen. Ziel ist es eine Art Solarmodul zu Basteln Ein Solarmodul
besteht aus mehreren Solarzellen die so vernetzt sind, dass die gewünschte Spannungs und
Stromwerte erreicht werden.Das Erhöhen der Spannung ist möglich indem viele einzelne
Solarzellen in Serie geschaltet werden, das heisst, dass die positive mit der negativen
Elektrode verbunden wird. Die Spannung der Solarzellen addiert sich dadurch. In der Praxis
werden soviele Solarzellen zusammengeschaltet bis die erwünschte Spannung erreicht wird.
Wird ein höherer Strom benötigt, werden die Zellen parallel geschaltet.
Teichnische Daten einer Leuchtdiode: UF = 1,6 - 3,2 V · IF = 10 bis 20 mA
Led;
Bild einer
Da diese Werte immer noch relativ hoch sind habe ich bei Conrad Leuchtdioden gekauft die
bereits bei einem kleineren Strom funktionieren. Diese Low – Current Dioden haben folgende
technische Daten: UF = 1,6 - 2 V, IF = 2 mA.
Nach den durchgeführten Messungen müssten 100 Zellen ausreichen um diese Spannung
zu erreichen.Es müssten also je 10 Zellen paralell zu einem Modul vernetzt werden. Diese
Modul würde erbrächte dann eine Leistung von ca 2 mA. würden 10 dieser Module in Serie
geschaltet gäbe dies eine Spannung von 2V.
Das Funktionsprinzip der Kupferzelle
Um das Funktionsprinzip der Kupfersolarzelle zu verstehen, ist es nötig die
physikalischen Eigenschaften von Halbleitern zu verstehen. Wie Sie auf Seite XX
beschrieben werden.
Beim Erhitzen wird das Kupfer oxidiert, es entstehen zwei verschiedenen Sorten Kupferoxid.
Das schwarze Kupfer(II)-oxid wird abgewaschen, das orange-rote Kupfer(I)-oxid ist ein
Halbleiter. Trifft Licht auf die Kupfer(I)-oxid-Platte werden Elektronen in dessen Leitungsband
befördert. Diese Elektronen werden über den Redoxelektrolyten, im Fall meiner selber
gebauten Zelle die Kochsalzlösung, zur Kupferplatte transportiert welche die Gegenelektrone
darstellt. Sie fliessen anschliessend durch einen Verbraucher oder ein Messgerät zurück in
die Kupferoxidplatte.
Erklärung der Zelle (Graphik, Bild)
Möglichkeiten für weitere Experimente/Messungen
Die Ergebnisse der Messung werfen verschiedene Fragen auf, es könnte die genaue
Ursache für das Ansteigen der Spannung ermittelt werden, indem der Einfluss der
Temperatur des Elektrolyten auf die gelieferte Spannung untersucht wird. Eine weiter
Möglickeit wäre es eine Zelle so zu bauen, dass ihre spektrale Abhängigkeit untersucht
werden kann.
Fazit:
Das Experiment hat gezeigt, dass sich mit einfachen Mitteln Strom mittels Photovoltaik
herstellen lässt. 100 Zellen wären jedoch ein zu grosser Aufwand gewesen um sie
herzustellen, weshalb die LED nie gebrannt hat.
http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Lexikon/29Kupfer.htm
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