Den Kreis schliessen
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Der Elektrolyt I- / I3- gleicht nicht nur Potenzialdifferenzen innerhalb der Zelle aus. Er ist auch an der Regeneration des Farbstoffmolekül-Kations beteiligt. Das positiv geladene Farbstoffmolekül ist nämlich zu einem sehr guten Oxidationsmittel geworden. Es holt sich ein Elektron vom Iodid-Ion ( I- ). Das oxidierte Iodid-Ion wird in Folgereaktionen zum Triiodid-Anion ( I3- ) umgewandelt.
Abb. 5) Das Farbstoffmolekül- Kation ist ein ausgezeichnetes Oxidationsmittel. Es holt sich ein Elektron vom mässig guten Reduktionsmittel I-.
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Das mässig gute Oxidationsmittel Triiodid ( I3- ) holt sich an der Gegenelektrode (Glasplatte mit leitendem Belag) wieder das „verlorene“ Elektron. Dabei hilft die Graphitschicht (dunkelgrauer Balken) als Katalysator, die für die komplizierte Umwandlung nötige Überspannung klein zu halten. Es entstehen wieder Iodid-Ionen. Der Elektrolyt hat eigentlich also nur die positive Ladung vom Farbstoff auf die Gegenelektrode übermittelt: Mediatorfunktion.
Abb. 6) Die Gegenelektrode besteht wieder aus einer Glasplatte mit leitendem Belag (blauer Balken). Die Graphitschicht „deformiert“ das Triiodid-Ion so, dass es leichter Elektronen (blaue Punkte) von der Gegenelektrode aufnehmen kann.
Es ist eine Potenzial-Differenz zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode entstanden (elektrische Spannung). Sie kann für das Betreiben von elektrischen Geräten gebraucht werden. Die Grätzel-Zelle wandelt also Licht (z.B. Sonnenenergie) in elektrische Energie um.
Abb. 7) Eine stromliefernde Zelle. Elektronen (blaue Punkte) wandern im äusseren Stromkreis vom negativeren Potenzial zum positiveren Potenzial. Die Zelle ist wieder im ursprünglichen Zustand (geschlossener Zyklus).
Kennwerte
Die maximale Spannung, die man mit dieser Anordnung erreichen kann, beträgt 750 mV. Sie wird bestimmt durch die Differenz zwischen dem Redoxpotenzial des Leitungsbandes des Titandioxids und dem Redoxpotenzial des Redoxpaares Iodid-Ion/Triiodid-Ion (vgl. auch Abb. 9). Der maximale Wirkungsgrad, also das Verhältnis von erzeugter elektrischer Energie zu eingestrahlter Lichtenergie, liegt für Grätzel-Zellen im Moment bei 13 %. Zum Vergleich: Solarzellen auf Siliziumbasis erreichen 25 -29 %, Perowskit-Zellen ca. 18 % Wirkungsgrad.
Der Vorteil der Grätzel-Zelle liegt aber bei den tieferen Produktionskosten, bei der umweltschonenden Produktion, bei der Eigenschaft, auch bei diffusem Licht (z.B. bei Innenbeleuchtungen) eine Spannung aufzubauen, bei der Transparenz und bei der kleinen Dichte des dünnen hochflexiblen Materials
Der Netto-Stoffumsatz ist offensichtlich gleich null: alle Edukte kommen auf der Produktseite wieder vor (und umgekehrt). Die einzige Veränderung im Gesamtvorgang ist, dass Elektronen von hohem negativem Potenzial auf ein um 750 mV tieferes (positiveres) Potenzial fliessen und damit Arbeit leisten können.
Abb. 8) Reaktionsgleichungen zeigen dass der Netto-Stoffumsatz gleich null ist (geschlossener Kreislauf).
Die Potenziale der beteiligten Substanzen zeigen, welchen Weg die Elektronen nehmen können. Elektronen können spontan nur von negativerem zu positiverem Potenzial fliessen.
Abb. 9) Potenziale der beteiligten Redoxsysteme;
linke Skala: Angaben in eV (Elektronvolt);
rechte Skala: Angaben in V gegen die Normalwasserstoffelektrode. Darstellung nach Tausch 2, ,angepasst.
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