Neue Bausteine für die Nutzung von Sonnenenergie Leipzig W-Ostwald, 01... · 2. Wilhelm-Ostwald-Festtage, Leipzig 2006. Neue Bausteine für die Nutzung von Sonnenenergie, Gion Calzaferri

12. Wilhelm-Ostwald-Festtage, Leipzig 2006. Neue Bausteine für die Nutzung von Sonnenenergie, Gion Calzaferri

Neue Bausteinefür die Nutzung von Sonnenenergie

Gion CalzaferriDepartement für Chemie und Biochemie

Universität Bern, Freiestrasse 3, CH-3012 Bern


1 Einleitung

2 Das Antennensystem der grünen Pflanzen

3 Ein künstliches Antennensystem: Konzept

4 Zeolith L ist ein idealer Wirt zum Aufbau von künstlichen Antennensystemen

6 Neue Materialien - Übersicht

8 Zusammenfassung

5 Zunehmende Organisation

7 Anwendungen: Konzepte

Neue Bausteine für die Nutzung von Sonnenenergie


Die ersten ernsthaften Versuche, die technische Nutzung von Sonnenenergie in grösserem Massstab anzustreben, waren eine Folge der ersten Ölkrise 1973-74.

Inspiriert von der Fähigkeit der grünen Pflanzen, Sonnenenergie in chemische Energie umzuwandeln, hat Giacomo Ciamician, Chemieprofessor an der Universität Bologna 1889 - 1922, bereits vor 100 Jahren vorausgesagt, dass in Zukunft fossile Brennstoffe durch Energieträger aus künstlicher Fotosynthese ersetzt würden.

1 Einleitung

Bildnachweis: M. Venturi, V. Balzani, M. T. Gandolfi, Proc. 2005 Solar World Congress Orlando, Florida USA – Aug. 6-12, 2005


Leistung der auf die Erde auftreffenden Sonneneinstrahlung:178‘000 TW. Das entspricht ca. 15‘000 mal dem gegenwärtigen „technischen Leistungsbedarf“.30 % werden in den Weltraum reflektiert. 50 % werden absorbiert.20 % erzeugen den Wind und treiben den Wasserkreislauf an. 0.056 % wird in der Fotosynthese der grünen Pflanzen umgesetzt.

1 Einleitung: Auf die Erde auftreffende Sonneneinstrahlung

Scientific American Sept. 1990, S. 24


1 Einleitung: Spektrale Verteilung der Sonneneinstrahlung

Solarkonstante: 1367 W/m2


Der Schweizerische Nationalfonds lancierte 1976 ein ForschungsprogrammErzeugung und Speicherung chemischer EnergietrErzeugung und Speicherung chemischer Energieträägerger, an dem ich mich beteiligt habe.Seither hat mich dieses Thema immer wieder beschäftigt -

Natürlich wollte ich wissen, welche technisch realisierbaren Möglichkeitenbereits bestanden und wie sie sich bewähren. So installierte ich 1980 gemeinsam mit meinen Geschwistern eine kleine Solarzellenanlage auf dem Maiensäss meines Vaters.

1 Einleitung

und zwar insbesondere dieQuantenQuanten-Sonnenenergie-Konversion.


1 Einleitung

1750 müM, 1980


1 Einleitung

1750 müM, Winter 1981


S. Nowak, IEA-PVPS, 20th EUPVSEC, Barcelona, Juni 2005 (www.iea-pvps.org).

1 Einleitung


1 Einleitung

Wenn das alles so wunderbar funktioniert, gibt es noch eineMotivation, Grundlagenforschung zu diesem Thema zu betreiben?

200 600 1000 1400Wellenlänge in nm


1 Einleitung

Die besten Tandem-Solarzellenweisen heute einen Wirkungsgrad von fast 40 % auf.

Um einen so hohen Wirkungsgrad zu erreichen,werden Konzentratoren benötigt.


30 -300 BCls pro RC X. Hu, K. Schulten, Phys. Tod. 50 (1997) 28



D

A*D

1

R6

Energieübertragung

2 Das Antennensystem der grünen PflanzenTh. Förster, Ann. Phys. 2, 55, 1948

+-D +- D*

Elektronische Anregung

Lichtquanten ΔE = hν

D* A

D*


~1.84 nm

Electronic Excitation Energy Migration in a PhotonicDye-Zeolite Antenna

J. Phys. Chem. B 1997, 101, 1396CHEMPHYSCHEM 2003, 4, 567

~0.71 nm

kEnT up to 3×1013 s-1

3 Ein künstliches AntennensystemKonzeptKonzept



monodirectionalantenna materials

UnidirektionaleAntenne

Zeolith Kristalle


Primärer Baustein

TO4 Tetraeder (T=Al, Si)Sekundärer Baustein

Cancrinite Käfig(18 eckenverknüpfte TO4

Tetraeder) Stapelung entlangder c-Achse



Baustein für Zeolith LCancrinite Käfig Verknüpfung in der a,b-Ebene; 1-D Kanal von oben




Realized by Dr. A. Currao, DCB Univ. of Bern, group Prof. G. Calzaferri


30 nm – 7000 nm

96’000Kanäle

600 nm

Organisierte Monomere30 nm Kristall→ 4800 Farbstoffmoleküle 38’000 Farbstoffmoleküle60 nm

0.71 nm1.26 nm


Nano-Lämpchen

DXP

Stefan Huber, Gion Calzaferri, ChemPhysChem, 2004, 5, 293.



O NN+

S. Megelski, A. Lieb, M. Pauchard, A. Drechsler, S. Glaus,C. Debus, B. A. J. Meixner, G. CalzaferriJ. Phys. Chem. B 105, 2001, 25-35

S. Huber, A. Zabala Ruiz, H. Li, G. Patrinoiu, C. Botta, G. CalzaferriInorg. Chim. Acta, 2006, in press



4

2

6 JRκ

⋅

4 Zeolith L ist ein idealer Wirt zum Aufbau von künstlichen AntennensystemenFörster Energieübertragungs-Experiment


K. K. LutkouskayaLutkouskaya, , G.G. Calzaferri Calzaferri J.J. PhysPhys. . ChemChem. B. B 2006, 2006, 110, 5633110, 5633

A = 1B = 2C = 3D = 4E = 5

4 Zeolith L ist ein idealer Wirt zum Aufbau von künstlichen AntennensystemenFörster Energieübertragungs-Experiment


hν hν

Host-Guest Antenna MaterialsG. Calzaferri, S. Huber, H. Maas, C. Minkowski, Angew. Chemie, Int. Ed. 2003, 42, 3732

kEnT bis zu 3×1013 s-1



5 Zunehmende Organisation – FunktionelleFunktionelle ZapfenZapfen

G. Calzaferri, US + EU patent, (priority date 2000, granted US 2005, EU 2006)H. Maas, G. Calzaferri, Angew. Chemie, Int. Ed. 2002, 41, 2284



Trapping Energy from and Injecting Energy into Dye-Zeolite NanoantennaeH. Maas, G. Calzaferri, Angew. Chemie, Int. Ed. 2002, 41, 2284


Bossart, De Cola, Welter, CalzaferriChem. Eur. J., 2004, 10, 5771

1.84 nm



G. Calzaferri, A. Zabala Ruiz, H. Li, S. Huber, Patent pending, priority date Juli 2005Arantzazu Zabala Ruiz, Huanrong Li, Gion Calzaferri, Angew. Chem.Int Ed. 2006, 45, 5408

5 Zunehmende Organisation Das erste auch auf makroskopischer Ebene organisierte Antennensystem

UnidirektionaleAntennen


Zeolith L Kristall

Arantzazu Zabala Ruiz, Huanrong Li, Gion CalzaferriAngew. Chem.Int Ed. 2006, 45, 5408

monodirectionalantenna materials

UnidirektionaleAtenne

5 Zunehmende Organisation UnidirektionalesUnidirektionales AntennensystemAntennensystem


Zapfen-modifizierteAntennen

AntennenGemischte FarbstoffeEin Farbstoff



7 Anwendungen: Organische Solarzellen

R. Koeppe, N.S. Sariciftci, P.A. Troshin, R.N. Lyubovskaya, Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 244102.

Auf Glas

Auf ZnPc

Olivia BossartDoktorarbeit, in Vorbereitungglas substrate

ITO

ZnPc

counter electrodeC60


7 Anwendungen: Dünnschicht-Antennen-Solarzelle


7. Anwendungen: Fluoreszenz-Konzentratoren

J.S. Batchelder, A.H. Zewail, T. Cole, Appl. Optics 18, (1979) 3090

34

Ri

cell

Incoming sunlight

diffusedirect

7. The luminescent concentrator

No need for tracking!Dr. L.H. Slooff-Hoek, ECN Solar Energy

P.O.Box 1, NL-1755 ZG Petten

L.H. Slooff et.al; Proc. 20th European PV Solar Energy Conf. 2005, Barcelona, Spain, p 413-416L.H. Slooff et.al; SPIE Proc. Vol 6197, p 61970K1-8, 2006

35

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Cur

rent

den

sity

(mA/

cm2 )

no mirrors

right right +front

right+front+rear

right+front+rear+bottom

7. Proof of principle

cellcell

Dr. L.H. Slooff-Hoek, ECN Solar Energy

P.O.Box 1, NL-1755 ZG Petten

L.H. Slooff et.al; Proc. 20th European PV Solar Energy Conf. 2005, Barcelona, Spain, p 413-416L.H. Slooff et.al; SPIE Proc. Vol 6197, p 61970K1-8, 2006


8. Zusammenfassung

1 Einleitung






7 Anwendungen Dünnschicht-Antennen-Solarzelle und Fluoreszenzkonzentrator


Dr. Rodrigo Queiroz de Albuquerque, Dr. Takayuki Ban, Dr. Jorge Banuelos Prieto, Dr. Dominik Brühwiler, Olivia Bossart, Dr. Antonio Currao, Dr. André Devaux, Simon Fahrni, Dr. Niklaus Gfeller, Dr. Stephan Glaus, Dr. Stefan Huber, Katsiaryna Lutkouskaya, Dr. Abderrahim Khatyr, Dr. Claudia Leiggener, Dr. Huanrong Li, Dr. Huub Maas, André Mätzener, Dr. Marc Meyer, Dr. Silke Megelski, Dr. Claudia Minkowski, Dr. Marc Pauchard, Dr. Michel Pfenniger, Dr. Stéphane Suárez, Dr. Marieke van Veen, Dr. Mikalai Yastkou, Dr. Arantzazu Zabala Ruiz, René Bühler

EU: Nanochannel (European Union RTN) new Nanomatch

NRP 47: Energy collection, transport and trapping by supramolecular organization of dyes in hexagonal zeolite nanocrystals

NF: Luminescent molecules and quantum dots in the cavities of zeolites

CLARIANT: Dye-loaded zeolite L materials

Collaboration: Austria, Belarus, Belgium, France, Germany, Italy, Netherlands, Switzerland etc.

BFE: Transformation and storage of solar energy

Roche Roche Diagnostics (MBF project INDia)

KTI Kommission for technical innovation


Wilhelm Ostwaldwar ein vielseitiger Wissenschaftler mit ausgeprägter Anwendungsorientierung.Gute Theorie muss alsbald zur Praxis führen, man kann ihren Wert geradezu daran ermessenformulierte er diesen Zusammenhang.Nach Ostwald ist Wissenschaft eine soziale Kategorie und der Fortschritt der Menschheit wird erst durch die Entwicklung der Wissenschaftermöglicht. Ebenso vertrat er den Standpunkt, dass nichts existiert, was der Wissenschaft nicht früher oder später zugänglich wird.Bereits zu Lebzeiten sagte man ihm nach, er sei seiner Zeit um mehrere Jahre voraus. Um wieviele Jahre, wird erst heute deutlich:1887 behandelt er in seiner Leipziger Antrittsvorlesung Energie und Materie gleichberechtigt als Substanzen. 1891 definiert er Energie als Primärsubstanz und Materie als besondere Erscheinungsform der Energie. Im gleichen Jahr tritt er mit dem universellen Koordinatensystem Zeit, Raum und Energie an die Öffentlichkeit.1893 führt er den Begriff des Perpetuum Mobile zweiter Art ein1894 veröffentlicht er seinen energetischen Katalyse-Begriff, der 1909 mit dem Nobelpreis gewürdigt wird und erkennt die Mehrzahl der Lebensvorgänge als katalytische Prozesse.1895 tritt er in Lübeck gegen die Beschreibung natürlicher Vorgänge mit den Gleichungen der Mechanik (mechanistisches Weltbild) auf und fordert die Begründung einer umfassenden Lehre von der Energie.1903 definiert er Sprache als ein Verkehrselement, fordert eine aktive Sprachgestaltung und tritt für eine auf wissenschaftlicherGrundlage aufgebaute Welthilfssprache ein.1908 nennt er als wesentlichen Unterschied zwischen Mensch und Tier die Fähigkeit des ersteren, körperexterne Energie für andere als lebensunterhaltende Prozesse nutzbar zu machen.1911 gründet er Die Brücke - Internationales Institut zur Organisierung der geistigen Arbeit zur Förderung des internationalen Informationsaustausches auf allen Wissenschaftsgebieten und die Assoziation der chemischen Gesellschaften.1911 beschreibt er in dem Büchlein "Die Mühle des Lebens" die Rolle der Sonne für die Existenz des Lebens auf der Erde und begründet die Forderung, dass der Mensch seinen Energiebedarf primär durch Sonnenenergie decken soll.

1914-16 entwickelt er eine messende Farbenlehre, welche die Wissenschaft von den Körperfarben auf eine sichere Grundlage stellte. 1920 gründet er die Werkstelle für Farbkunde in Dresden, mit Zweigstellen in Meissen und Chemnitz, zur Weiterentwicklung der Farbenlehre und zur Lösung von Anwendungsproblemen in der Industrie. Der angesehene Leipziger Professor für physikalische Chemie besaß alle die typischen Eigenschaften, die in der akademischen Welt, besonders in Amerika, Ende des 19. Jahrhunderts als Kennzeichen der Forschung und der Gelehrsamkeit gefeiert wurden. Ostwald ließ die engen Grenzen der Chemie und Physik weit hinter sich und war ein umfassend gebildeter Mann in den Bereichen der Philosophie, Literatur, Psychologie, Linguistik und Landschaftsmalerei.

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