1 2. Wilhelm-Ostwald-Festtage, Leipzig 2006. Neue Bausteine für die Nutzung von Sonnenenergie, Gion Calzaferri Neue Bausteine für die Nutzung von Sonnenenergie Gion Calzaferri Departement für Chemie und Biochemie Universität Bern, Freiestrasse 3, CH-3012 Bern
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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
22. Wilhelm-Ostwald-Festtage, Leipzig 2006. Neue Bausteine für die Nutzung von Sonnenenergie, Gion Calzaferri
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
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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
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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
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1 Einleitung: Spektrale Verteilung der Sonneneinstrahlung
Solarkonstante: 1367 W/m2
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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.
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1 Einleitung
1750 müM, 1980
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1 Einleitung
1750 müM, Winter 1981
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S. Nowak, IEA-PVPS, 20th EUPVSEC, Barcelona, Juni 2005 (www.iea-pvps.org).
1 Einleitung
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1 Einleitung
Wenn das alles so wunderbar funktioniert, gibt es noch eineMotivation, Grundlagenforschung zu diesem Thema zu betreiben?
200 600 1000 1400Wellenlänge in nm
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1 Einleitung
Die besten Tandem-Solarzellenweisen heute einen Wirkungsgrad von fast 40 % auf.
Um einen so hohen Wirkungsgrad zu erreichen,werden Konzentratoren benötigt.
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30 -300 BCls pro RC X. Hu, K. Schulten, Phys. Tod. 50 (1997) 28
2 Das Antennensystem der grünen Pflanzen
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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*
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~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
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3 Ein künstliches Antennensystem: Konzept
monodirectionalantenna materials
UnidirektionaleAntenne
Zeolith Kristalle
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Primärer Baustein
TO4 Tetraeder (T=Al, Si)Sekundärer Baustein
Cancrinite Käfig(18 eckenverknüpfte TO4
Tetraeder) Stapelung entlangder c-Achse
4 Zeolith L ist ein idealer Wirt zum Aufbau von künstlichen Antennensystemen
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Baustein für Zeolith LCancrinite Käfig Verknüpfung in der a,b-Ebene; 1-D Kanal von oben
4 Zeolith L ist ein idealer Wirt zum Aufbau von künstlichen Antennensystemen
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4 Zeolith L ist ein idealer Wirt zum Aufbau von künstlichen Antennensystemen
Realized by Dr. A. Currao, DCB Univ. of Bern, group Prof. G. Calzaferri
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282. Wilhelm-Ostwald-Festtage, Leipzig 2006. Neue Bausteine für die Nutzung von Sonnenenergie, Gion Calzaferri
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
292. Wilhelm-Ostwald-Festtage, Leipzig 2006. Neue Bausteine für die Nutzung von Sonnenenergie, Gion Calzaferri
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
362. Wilhelm-Ostwald-Festtage, Leipzig 2006. Neue Bausteine für die Nutzung von Sonnenenergie, Gion Calzaferri
8. Zusammenfassung
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
5 Zunehmende Organisation
7 Anwendungen Dünnschicht-Antennen-Solarzelle und Fluoreszenzkonzentrator
372. Wilhelm-Ostwald-Festtage, Leipzig 2006. Neue Bausteine für die Nutzung von Sonnenenergie, Gion Calzaferri
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
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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.