Bildung & Gesellschaft

Karriere kurz notiert<h2>Gehaltseinbußen durch Elternzeit</h2>In Chemieunternehmen ist der Gehaltsunterschied von Vätern, die Elternzeit nehmen, gegenüber durchgängig Beschäftigten höher als bei Frauen. Generell verdienen Männer dort mehr als Frauen. So besteht nach der jährlichen Einkommensumfrage des Verbands der Akademiker und leitenden Angestellten der chemischen Industrie, VAA, ein Gender-Pay-Gap von drei Prozent. Ein Grund hierfür ist, dass Frauen häufiger in Elternzeit gehen. Dies geschieht vor allem im Alter von 29 bis 37 Jahren. Diese Jahre sind wegweisend für die Karriere, besonders wenn Angestellte Führungspositionen anstreben. Bei Berufseinstieg verdienen Frauen und Männer daher zunächst gleich viel. Lea van Alst<ul><li>
1 <ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://goo.gl/xesWUo" target="_blank">goo.gl/xesWUo</a></ext-link></li></ul>
<h2>Chefs von Banken und Chemieunternehmen verdienen am meisten</h2>Unternehmen der Finanz- und in der Chemiebranche zahlen ihren Geschäftsführern im Jahr durchschnittlich 180 000 Euro. Dazu kommen Bonuszahlungen sowie Dienstwagen oder Aktienoptionen, wie das Vergleichsportal <a href="https://Gehalt.de" target="_blank">Gehalt.de</a> herausgefunden hat. In anderen Branchen verdienen Geschäftsführer teilweise weniger als die Hälfte, etwa im Einzelhandel, der mit 82 500 Euro jährlich das Schlusslicht ist.Die teilweise siebenstelligen Gehälter der oberen Führungskräfte von Dax-Unternehmen sind in der Berechnung nicht berücksichtigt. FZ<ul><li>
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Meldung

Karriere kurz notiert

Karriere kurz notiertGehaltseinbußen durch ElternzeitIn Chemieunternehmen ist der Gehaltsunterschied von Vätern, die Elternzeit nehmen, gegenüber durchgängig Beschäftigten höher als bei Frauen. Generell verdienen Männer dort mehr als Frauen. So besteht nach der jährlichen Einkommensumfrage des Ve...

Schüler können lichtgetriebene Zellen auf Titandioxidbasis selbst herstellen, verschiedene Zellanordnungen testen, mit Extrakten von Früchten oder Gewürzen sensibilisieren und so Leistung und Lichtempfindlichkeit der Zellen verändern. Damit erhalten sie Einblicke in ein modernes, interdisziplinäres Forschungsgebiet.
Nachhaltigkeit, erneuerbare Energien und Solarenergienutzung sind Schlagworte, die im öffentlichen Diskurs präsent sind. Allerdings ist das Wissen darüber bei einem Teil der Bevölkerung sehr diffus, und damit auch bei unseren Schülern. Daher ist es notwendig, Experimente und didaktische Konzepte für den Chemieunterricht und außerschulische Lernsituationen anzubieten. Ein zukunftsträchtiges Thema ist „Umwandlung von Licht- in elektrische Energie“, denn Solarenergie wird für unsere Schüler an Bedeutung gewinnen (Abbildung 1).<figure><img src="https://media.graphcms.com/Zk4bfKK1TXCYhuUTAFXs"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Prognose der Entwicklung des weltweiten Energiemixes im 21. Jahrhundert.1)</figcaption></figure>
Großflächig verbaute Solarzellen basieren heute zu zirka 90 Prozent auf anorganischen Halbleitern, insbesondere auf Silicium.2) Dessen Herstellung ist energieintensiv, sodass Forscher seit mittlerweile mehreren Dekaden nach Alternativen suchen.Neben organischen Materialien, mit denen organische Photovoltaikzellen (OPV) teilweise im Tintenstrahlverfahren hergestellt und zu flexiblen Zellarrangements gebaut werden können,3) ist der Halbleiter Titandioxid TiO2 ein wichtiger alternativer Stoff. Er ist Gegenstand der von Michael Grätzel an der ETH Lausanne ausgehenden Forschung um farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSC).4)Da Titandioxid weiß ist und wegen der Bandlücke von 3,2 eV mit Licht von 388 nm Wellenlänge angeregt werden muss, wird es mit einem Farbstoff sensibilisiert, zum Beispiel mit Ruthenium- oder Kobaltkomplexen.5,6) Auch DSSCs sind flexibel und transparent realisierbar, was besonders für die gebäudeintegrierte Photovoltaik interessant ist.<h2>Didaktische Vorüberlegungen</h2>Titandioxid eignet sich für den Chemieunterricht und für Schülerexperimente, da es kostengünstig und als Lebensmittelzusatzstoff gesundheitlich unbedenklich ist.Siliciumsolarzellen und ihre Funktionsweise sind für Lernende eine Blackbox, sie können lediglich mit dem fertigen Produkt experimentieren. Solarzellen auf TiO2-Basis hingegen können die Lernenden im Unterricht selbst zusammensetzen und die Zellarrangements je nach Fragestellung modifizieren.Im Chemieunterricht bietet sich der Zugang zum Thema über die Elektrochemie an. Über eine Experimentiersequenz „Vom galvanischen Element zur Solarzelle“7) mit verschiedenen photogalvanischen Zellen kann der Unterricht den Begriff Halbleiter und grundlegende Prozesse bei der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie einführen. Schüler testen unterschiedliche Elektrolyten und Zellgeometrien und setzen zunehmend kompakte und sogar transparente Anordnungen zusammen.8) Das Titandioxid sensibilisieren sie mit Farbstoffen. Neben dem Zugang über die Elektrochemie bieten sich daher weitere Anknüpfungspunkte wie die Farbstoffchemie oder Nanomaterialien.<h2>TiO2-Photoelektroden</h2>Das Herzstück sämtlicher Zellanordnungen ist die Photoelektrode aus leitfähigem Glas (mit Fluor-dotiertem Zinnoxid beschichtet, FTO-Glas) und einer mesoporösen Titandioxidschicht. Diese hat eine sehr große Oberfläche, da das verwendete Titandioxid nanoskalig ist. Je nach Hersteller und Sorte liegen die Primärpartikelgrößen zwischen durchschnittlich 7 nm und 21 nm (Abbildung 2). Die Primärpartikel liegen agglomeriert vor, wie die REM-Aufnahmen zeigen. Die Agglomeratbildung unterscheidet sich bei Proben verschiedener Hersteller erheblich.<figure><img src="https://media.graphcms.com/yyauXKJRbSM0DueW8xfA"><figcaption><label>Abb. 2: </label>REM-Aufnahmen von vier verschiedenen TiO2-Proben nach dem Sintern (25 000-fache Vergrößerung), von links: P25, Partikelgröße unter 25 nm und P90, unter 14 nm (Hersteller: Evonik), Hombikat UV 100, kleiner 10 nm, Hombikat XXS 100, kleiner als 7 nm (Hersteller: Venator, ehemals Sachtleben).</figcaption></figure>
Die TiO2-Schicht lässt sich aus einer wässrigen Suspension durch Rakeln oder Spincoating auftragen und wird bei 450 °C zirka 60 Minuten in einem Muffelofen gesintert.9) Für den Chemieunterricht haben wir die Herstellung der Photoelektroden vereinfacht und die Sinterdauer verkürzt.Es wurden mehrere Titandioxidsorten als fertige Suspensionen (Abbildung 2) getestet und verglichen; dafür haben wir die TiO2-Suspensionen auf das FTO-Glas gerakelt und die Photoelektroden gesintert. Die Oberflächenstabilität der dabei entstandenen TiO2-Schichten unterscheidet sich stark: Während sich Hombikat 100 mit dem Finger leicht vom leitfähigen Glas abreiben lässt, sind Schichten aus Titandioxid P25 und P90 deutlich abriebfester und bleiben unbeschädigt. Unter sanftem Druck lässt sich P25 unter fließendem Wasser wieder vom FTO-Glas entfernen. Dann ist das Glas für weitere Anwendungen nutzbar – ein wichtiger Faktor für die Schule. Hombikat XXS ergibt ebenfalls stabile und sogar transluzide Schichten, lässt sich jedoch schlecht wieder entfernen.Mit Blick auf die Herstellbarkeit innerhalb einer 90-Minuten-Unterrichtseinheit haben wir verschiedene Sinterprogramme durchgeführt und dabei Heizquelle, Aufheizrate und Sinterdauer variiert. Mit einer schulüblichen Heizplatte bei Temperaturen von 150 °C und Sinterzeiten um 5 Minuten bei direktem Aufheizen lieferten die Photoelektroden im Einsatz in einer Eintopfzelle (Abbildung 3) ähnliche Messergebnisse für die Photospannung und den Photostrom wie nach Vorschrift gesinterte Photoelektroden.Eine bebilderte, detaillierte Vorschrift ist über die Homepage der Tübinger Chemiedidaktik zugänglich.11)<h2>Prozesse in photogalvanischen Zellen</h2>Innerhalb der TiO2-Photoelektrode bilden sich bei Bestrahlen mit Licht unter 388 nm Wellenlänge Elektron-Loch-Paare. Wenn ein passender Donor vorhanden ist, trennen sich die Ladungsträger, und die Photoelektronen sind als Photospannung oder Photostrom messbar. Der Donor stopft die Löcher, Oxidation des Donors gleicht also das Elektronendefizit wieder aus.Die elektronische Situation in der Photoelektrode ist nach Ausgleich des Elektronendefizits identisch zur Ausgangssituation, lediglich der Donor ist irreversibel oxidiert. Die Photoelektrode ist bis auf gelegentliches Abblättern kleinerer Titandioxidkrümel optisch nicht verändert, anders als Schüler es vom Anodenmaterial in einer galvanischen Zelle kennen.Elektronen aus dem äußeren Stromkreis gelangen an die Gegenelektrode und reduzieren dort die Akzeptorteilchen in der Elektrolytlösung. Eine interaktive Animation, die diese Prozesse auf der Teilchenebene veranschaulicht, ist im Internet zugänglich.12)In einer farbstoffsensibilisierten TiO2-Photoelektrode bilden sich die Elektron-Loch-Paare in den Farbstoffmolekülen. Die angeregten Elektronen werden aus dem dann besetzten Lumo eines Farbstoffmoleküls in das Leitungsband von Titandioxid übertragen, und Elektronen eines Donors aus dem Elektrolyten füllen die Löcher im Homo des Farbstoffmoleküls.<h2>TiO2-Photoelektroden in photogalvanischen Zellen</h2>Ausgehend von der Elektrochemie bietet sich der Zugang zu alternativen Solarzellen über die analog zu einer galvanischen Zelle aufgebaute Zweitopfzelle mit einer TiO2-Photoelektrode in Kaliumbromidlösung. Die Gegenelektrode ist Platin in einer verdünnten Salzsäurelösung (Abbildung 3). Damit lässt sich der Begriff Halbleiter einführen und die Photosensibilität der TiO2-Photoelektrode untersuchen. Auch die grundlegenden Prozesse, die Bildung von Elektron-Loch-Paaren und die Ladungsseparation lassen sich damit erschließen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/5gIX2AiyRGGoAkdH4B0k"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Photogalvanische Zellen in verschiedenen Anordnungen. Von links: Zweitopfzelle mit P25-Titandioxid, Eintopfzelle mit P25, Kompaktzelle mit P25, transparente Zelle mit Hombikat-XXS-Titandioxid.7, 8) <named-content>Fotos: Claudia Bohrmann Linde, Foto unten rechts: Diana Zeller</named-content></figcaption></figure>
Die weiteren Experimente führen mit EDTA-Elektrolytlösung (Dinatriumsalz von EDTA) schrittweise zu kompakteren, fast trockenen und sogar transparenten Zellanordnungen. In der Lösung befinden sich Protonen für die Reduktion an der Gegenelektrode; EDTA-Moleküle sind effiziente Elektronendonoren und stopfen die Löcher im Halbleiter. Dabei wird letztlich EDTA decarboxyliert. Durch kürzere Wege für den Ladungstransport innerhalb der Zelle, durch gebrauchte Rasierscherfolien als größere preiswerte Platin-Gegenelektroden (Markenprodukte sind dünn mit Platin beschichtet) und den effizienteren Elektronendonor lässt sich zum Beispiel mit der Eintopfzelle eine Photospannung um 1,2 V messen und ein Motor betreiben.<h2>Lebensmittelfarbstoffe für die Zelle</h2>Die Forschung setzt Sensibilisatoren ein, die besonders langzeitstabil sind. Für den Chemieunterricht eignen sich auch weniger lichtechte Farbstoffe, die auf TiO2 aufziehen, gesundheitlich unbedenklich und möglichst kostengünstig sein müssen.Bisher wurden vor allem Anthocyane aus Extrakten von Himbeeren, Brombeeren oder roten und blauen Blütenblättern verwendet. Die Untergruppe der Delphinidine ist hierzu besonders interessant, da die Farbstoffmoleküle am Phenylring zwei Hydroxygruppen tragen, über die sie chemisch an die Titandioxidpartikel binden können.7)Um die Palette der möglichen Farbstoffe aus dem Alltag zu erweitern, haben wir mehrere Lebensmittelfarben und Gewürze getestet (Abbildung 4). Die Lebensmittelfarben Blau (Brillantblau FCF E133) und Grün (je nach Hersteller eine Mischung aus Brillantblau FCF E133 und dem jeweils schwerlöslichen Lutein E161b oder Kurkumin E100) ziehen nur schlecht auf das TiO2 auf und färben es schwach hellblau. Brillantblau ist ein Triphenylmethanfarbstoff und verfügt nicht über vizinale funktionelle Gruppen, über die sie kovalent an TiO2 binden könnten.<figure><img src="https://media.graphcms.com/TrN5u54tShqcyAfKkP5r"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Links: Sensibilisierungsversuche mit blauer und grüner Lebensmittelfarbe, Kurkuma (unten links, in der Lösung ist Bodensatz erkennbar) und Crocin; rechts: Kompaktzelle mit Crocin-sensibilisierter Photoelektrode.</figcaption></figure>
Kurkuma, das den gelben Farbstoff Kurkumin E100 enthält, oder Safran, der den gelben Farbstoff Crocin enthält, färben das Titandioxid stark. Verwendet man für das wasserunlösliche Stoffgemisch Kurkuma Ethanol als Lösemittel, färbt sich die Lösung kräftig gelb, es bleibt jedoch ein Bodensatz in der Lösung.Der Reinstoff Crocin löst sich gut in Wasser und gibt eine orangegelbe Lösung. Crocin ist ein Diester der Crocetinsäure. Die über Estergruppen an die Crocetinsäure gebundenen Gentobiosereste (Abbildung 5) bewirken die gute Wasserlöslichkeit des Carotinderivats .12)<figure><img src="https://media.graphcms.com/ztiCmgkESrKUQx737yoq"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Strukturformel des gelben Lebensmittelfarbstoffs Crocin.</figcaption></figure>
Die experimentell-konzeptionell ausgerichtete chemiedidaktische Forschung hat zum Ziel, zukunftsweisende Themen für Schüler im Chemieunterricht zugänglich zu machen, Die Wissenschaftler stellen dazu in den Nachrichten aus der Chemie Beispiele vor.<h2>Quergelesen</h2>Aus leitfähigem Glas und Titandioxid können Schüler im Chemieunterricht Solarzellen selbst herstellen.Die TiO2-Zellen lassen sich mit Lebensmittelfarbstoffen sensibilisieren, sodass mit Licht im sichtbarem Bereich ein Photostrom messbar ist.Durch die Beschäftigung mit Titandioxid-Solarzellen erfahren Schüler nicht nur etwas über Stromerzeugung, sondern auch über Halbleiter, Farbstoffchemie und Nanomaterialien.<h2>Vitakasten</h2>Claudia Bohrmann-Linde studierte an der Universität Düsseldorf Chemie und Englisch für das Lehramt an Gymnasien und absolvierte ihr Referendariat mit dem 2. Staatsexamen. Sie promovierte im Jahr 2003 im Arbeitskreis von Michael Tausch und war in Folge Akademische Rätin und Oberrätin in Wuppertal. Im Jahr 2016 erhielt sie einen Ruf auf eine W3-Professur für Didaktik der Chemie an der Universität Tübingen, wo sie seither den neuen Lehrstuhl aufbaut. Ihre Arbeitsschwerpunkte sind die experimentelle und konzeptionelle Aufbereitung der Themen Licht und Energie(umwandlung) für den Chemieunterricht. Zudem entwickelt sie Lernmedien in Print- und Elektronikform. <a href="mailto:claudia.bohrmann-linde@uni-tuebingen.de">claudia.bohrmann-linde@uni-tuebingen.de</a><div><img src="https://media.graphcms.com/FFldgrFFT5G4HZJCbTCd">

</div>Diana Zeller studierte von 2011 bis 2016 an der Universität Frankfurt Chemie, Geschichte und Kunst für das Gymnasiallehramt und legte das 1. Staatsexamen ab. Seit Oktober 2016 ist sie wissenschaftliche Mitarbeiterin im Arbeitskreis Bohrmann-Linde und erschließt für ihre Promotion Titandioxid in Forschung und Alltag didaktisch, konzeptionell-experimentell sowie medial für den Chemieunterricht. <a href="mailto:diana.zeller@uni-tuebingen.de">diana.zeller@uni-tuebingen.de</a><div><img src="https://media.graphcms.com/vPVGTve0SxuUq4Pgbftd">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung, „Globale Umweltveränderungen WBGU, Klimaschutz als Weltbürgerbewegung“, Sondergutachten, Berlin 2014.</li><li>
2 H. Wirth, „Recent Facts about Photovoltaics in Germany“, Fraunhofer ISE, Karlsruhe, 2017.</li><li>
3 N. D.Sankir, M. Sankir (Hrsg.), „Printable Solar Cells“, Wiley, Hoboken, NJ, 2017.</li><li>
4 B. O´Regan, M. Grätzel, Nature 1991, 353, 737–740.</li><li>
5 B. E. Hardin, H. J. Snaith, M. D. McGehee, Nature Photonics 2012, 6, 162–169.</li><li>
6 J. H. Yum, E. Baranoff, F. Kessler et al. Nat. Commun. 2012, 3, 631.</li><li>
7 C. Bohrmann-Linde, S. Krees, M. W. Tausch, M. von Wachtendonk (Hrsg.), „Chemie 2000+“, Qualifikationsphase, C. C. Buchner, Bamberg, 2014.</li><li>
8 C. Bohrmann-Linde, S. Spinnen, P. Sahling, Prax. Naturwiss., Chem. Sch. 2015, 64, 10–15.</li><li>
9 G. P. Smestad, M. Grätzel, J. Chem. Educ. 1998, 75, 752–756.</li><li>
10 <a href="https://www.mnf.uni-tuebingen.de/fachbereiche/chemie/institute/chemiedidaktik.html" target="_blank">www.mnf.uni-tuebingen.de/fachbereiche/chemie/institute/chemiedidaktik.html</a> (Stand: 18.08.2017)</li><li>
11 Flash-Animation „Photogalvanisches Element” unter <a href="https://www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/flash/index.html" target="_blank">www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/flash/index.html</a> (Stand: 18.08.2017).</li><li>
12 R. K. Singla, V. B. Giliyaru, Indo Global J. Pharm. Sc. 2011, 4, 281–186.</li></ul>

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