83Redoxreaktionen – Elektrochemie Aus Licht wird Strom – Photogalvanische Zellen Der photovoltaische Effekt In den photogalvanischen Zellen aus V1 und V2 laufen auf der Teilchenebene folgende Prozesse ab: Bei Be strahlung der Titandioxid-Photoelektrode mit Licht wird zunächst durch Absorption eines Lichtquants h · u aus dem violetten bis ultravioletten Bereich ein Elektron im Halbleiter Titandioxid angeregt, d.h. aus dem Valenzband ins Leitungsband angehoben (vgl. S. 80). Dieser erste Schritt bei der Umwandlung von Licht in elektrischen Strom wird als photovoltaischer Effekt bezeichnet und läuft auch in jeder Solarzelle ab. Das angeregte Elektron hinterlässt im Valenzband ein Elektronendefizit, ein „Loch“ h+ (hole). Es bildet sich also ein Elektron-Loch-Paar (B2a). Wenn in einem folgenden Schritt ein Elektronendonator D aus der Umgebung durch Abgabe eines Elektrons das Loch h+ „stopft“, fließt das angeregte Elektron über die leitfähige Schicht der Photoelektrode in den äußeren Stromkreis und kann dort Arbeit verrichten (B2b). An der Gegenelektrode aus Platin wird es schließlich an einen Akzeptor (bei V1 und V2 ein Wasserstoff-Ion H+) übertragen. Kreisprozesse für den Dauereinsatz Die Bandlücke (vgl. S. 80, B2) von Titandioxid ist so groß, dass nur Licht des violetten Bereichs des sichtbaren Lichts und UV-Strahlung in der Lage sind, Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband anzuregen. Um auch Anteile des energieärmeren Bereichs des sichtbaren Lichts zu nutzen, kann man geeignete Farbstoffe als Sensibilisatoren auf das Titandioxid aufbringen, z.B. die Anthocyane (vgl. S. 200, 201) aus Himbeersaft. Die Sensibilisatoren wirken wie Lichtantennen und fangen energieärmeres Licht auf. Dieses Licht ist in der Lage, in den Farbstoff-Molekülen Elektronen anzuregen (vgl. S. 200, 201), die dann in das Leitungsband des Titandioxids überführt werden. Die sog. Grätzel-Zellen mit sensibilisiertem Titandioxid (B3) enthalten einen Redoxelektrolyten, der einen Kreisprozess durchläuft. In der einfachen Zellvariante handelt es sich um eine Lösung von Kaliumiodid und Iod. Die Iodid-Ionen wirken als Elektronen-Donatoren und die Iod-Moleküle als Elektronen-Akzeptoren. Durch die Redoxreaktionen im Elektrolyten regeneriert sich der Elektrolyt immer wieder selbst und theoretisch könnte die Zelle unendlich lang arbeiten. Aufgabe A1 Nennen Sie Aspekte, die die Langlebigkeit auch von Zellen mit einem sich immer wieder regenerierenden Redoxelektrolyten begrenzen. ERW EITERUNG·VERTIEFUNG·ANW ENDUNG B2 Modell zum photovoltaischen Effekt: Durch Lichteinstrahlung werden Elektron-Loch-Paare erzeugt (a). Die Elektronen fließen in den äußeren Stromkreis ab, die Löcher werden durch Elektronen eines Donators gestopft (b). A: Erkunden und präsentieren Sie den Menupunkt „Funktionsmodelle“ im Multimedia-Baustein photogalvanische Zellen in Chemie 2000+ Online. B3 Grätzel-Zelle im Schulversuch. A: Erkunden und präsentieren Sie den Menupunkt „Funktionsmodelle“ im Multimedia-Baustein photoelektrochemische Zelle in Chemie 2000+ Online und erstellen Sie eine Übersicht über Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu den anderen photogalvanischen Zellen von S. 81 bis 83. a) h+ Licht e– h+ H2 e– D D+ b) e– „Loch im TiO2-Korn TiO2/h+ TiO2 hv D+ De– „freies“ Elektron 3377_01_01_2012_Kap2_058_123 23.09.14 06:27 Seite 83 Nu r z u Pr üf zw ec k n Ei g nt um d es C .C . B uc hn er V er la gs