Didaktische Erschließung von Titandioxid für den Chemieunterricht : Entwicklung und Optimierung von Experimenten, didaktischen Konzepten und Medien / von Diana Zeller, geb. in Frankfurt am Main. Wuppertal, 2019
Inhalt
- 1. Einleitung
- 1.1 Thema und allgemeine Problemstellung
- 1.2 Motivation
- 1.3 Fragestellung und Einzelziele
- 1.4 Gliederung der vorliegenden Arbeit
- 2. Fachwissenschaftliche Grundlagen
- 2.1 Von der Lichtenergie zu der elektrischen Energie
- 2.1.1 Relevanz von Solarenergie für die Zukunft
- 2.1.2 Überblick über die Geschichte der Photovoltaik
- 2.1.3 Die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie
- 2.1.3.1 Energiestufenmodell zur Lichtabsorption
- 2.1.3.2 Das Bändermodell
- 2.1.3.3 Teilchenbewegungen in einem Halbleiter
- 2.1.4 Photovoltazellen
- 2.1.5 Photogalvanische Zellen
- 2.1.6 Photosensibilisierte Zellen
- 2.2 Eigenschaften von Titandioxid
- 2.2.1 Titandioxid – Allgemeine Informationen
- 2.2.2 Die Herstellung von Titandioxid-Partikeln
- 2.2.3 Die Remissionskurven von Anatas und Rutil
- 2.2.4 Titandioxid-Nanopartikel
- 2.2.5 Photokatalytische Eigenschaften14F
- 2.2.5.1 Photomineralisierung im wässrigen Medium
- 2.2.5.2 Photomineralisierung an der Luft
- 2.2.5.3 Innovative Oberflächen
- 2.2.6 Reflexion des sichtbaren Lichtspektrums
- 3. Didaktischer Kommentar
- 3.1 Warum curriculare Innovationsforschung?
- 3.2 Didaktischer Forschungsstand
- 3.3 Synopse von Curricula und Schulbüchern
- 3.3.1 Solarzellen und Photochemie in den Bildungsplänen
- 3.3.2 Thema Solarzellen in Chemie-Schulbüchern
- 3.3.3 Vorwissen der Schüler*innen zu Solarzellen
- 3.4 Didaktische Konzeption von ALSO-TiO2
- 3.4.1 Das Modul ALSO-TiO2
- 3.4.2 ALSO-TiO2: Aufbau, Inhalte und Ziele
- 3.4.2.1 Baustein 1 - Titandioxid: ein vielseitiger Halbleiter
- 3.4.2.2 Baustein 2 - Vom galvanischen Element zur 1-Topfzelle
- 3.4.2.3 Baustein 3 - Mit Früchten zum elektrischen Strom
- 3.4.3 Herausforderungen und didaktische Reduktionen
- 3.5. Didaktische Konzeption von „FACTiO2“
- 3.5.1 Das Modul FACTiO2
- 3.5.2 FACTiO2: Aufbau, Inhalte und Ziele
- 3.5.2.1 Baustein 1 – Absorption von UV-Licht
- 3.5.2.2 Baustein 2 – Die photokatalytischen Eigenschaften
- 3.5.2.3 Baustein 3 – Reflexion von sichtbarem Licht
- 3.5.3 Herausforderungen und didaktische Reduktion
- 3.5.4 Bezüge zu Kontexten und Lehrplan
- 3.6 Sicherheitsaspekte der vorgestellten Versuche
- 4. Versuchsergebnisse ALSO-TiO2
- 4.1 Messmethode
- 4.2 Verwendete Lichtquellen
- 4.3 Weiterentwicklung der Photoelektroden
- 4.3.1 Vermessung verschiedener Halbleiter
- 4.3.2 Herstellungsverfahren
- 4.3.3 Oberflächen-Untersuchungen der Titandioxid-Photoelektroden
- 4.4 Photosensibilisierung
- 4.4.1 Photosensibilisatoren für den Einsatz in der Schule
- 4.4.2 Eigene Untersuchungen und Ergebnisse
- 4.5 Untersuchungen weiterer Zellkomponenten in 1-Topfzelle und Kompaktzelle
- 4.6 Lochleiter und Graphen als Zellkomponenten
- 4.6.1 Lochleiter PEDOT:PSS
- 4.6.1.1 Struktur und Eigenschaften des Lochleiters PEDOT:PSS
- 4.6.1.2 PEDOT:PSS als Lochleiter
- 4.6.1.3 PEDOT:PSS als Gegenelektrode
- 4.6.2 Graphen
- 4.7 Transparente Solarzelle
- 5 Versuchsergebnisse FACTiO2
- 5.1. Baustein: UV-Absorption von Titandioxid
- 5.1.1 Umwandlung von UV- in IR-Strahlung betrachtet mit der Wärmebildkamera
- 5.1.2 Versuche zu UV-Blockern in Sonnenschutzprodukten
- 5.2. Baustein: Photokatalytische Eigenschaften
- 5.2.1 Degradation von Photosensibilisatoren
- 5.2.1.1 Degradation von Photosensibilisatoren in Gegenwart von Titandioxid
- 5.2.1.2 Degradation von Photosensibilisatoren auf Photoelektroden in photogalvanischen Zellen
- 5.2.2 Untersuchungen zum Demonstrationsexperiment: Photokatalyse von Methylenblau
- 5.2.3 Degradation von organischen Farbstoffen im wässrigen Medium
- 5.3. Baustein: Reflexion von sichtbarem Licht
- 6 Gestaltete Medien
- 6.1 Medieneinsatz im Chemieunterricht
- 6.1.1 Bildungspolitische Diskussionen zum Medieneinsatz
- 6.1.2 Aktueller Forschungsstand zum Medieneinsatz im naturwissenschaftlichen Unterricht
- 6.2 Didaktische Konzeption der Medien für das didaktische Kofferset
- 7. Schülerprojekt ALSO-TiO2
- 7.1 Ziele des Projekts
- 7.2 Projektdesign
- 7.3 Ausgewählte Ergebnisse
- 7.3.1 Ausgewählte Ergebnisse der Micro-Teaching-Teams: Laufzeit 2016/17
- 7.3.2 Ausgewählte Ergebnisse der Micro-Teaching-Teams: Laufzeit 2017/18
- 7.4 Evaluation des Schülerprojekts
- 8. Evaluation ausgewählter Inhalte des Koffers
- 8.1 Schülerlabortage
- 8.1.1 Einsatz im Regelunterricht
- 8.1.1.1 Beschreibung der Lerngruppe
- 8.1.1.2 Geplanter und tatsächlicher Ablauf des Labortags
- 8.1.1.3 Evaluation durch die Lehrkraft und anschließende Optimierungen
- 8.1.1.4 Evaluation durch die Schüler*innen und resultierende Optimierungen
- 8.1.2 Einsatz als Schülerlabortag
- 8.1.2.1 Beschreibung der Lerngruppe
- 8.1.2.2 Geplanter und tatsächlicher Ablauf des Labortags
- 8.1.2.3 Evaluation durch die Schüler und resultierende Optimierungen
- 8.1.3 Gesamtevaluation der Schülerlabortage
- 8.2 Lehrerfortbildungen
- 9. Das didaktische Kofferset „ChEM-TiO2“
- 10. Zusammenfassung und Fazit
- 11. Verzeichnisse
- 11.1 Abkürzungsverzeichnis
- 11.2 Verzeichnis der Abbildungen
- 11.3 Verzeichnis der Tabellen
- 11.4 Verzeichnis der Graphiken
- 11.5 Verzeichnis der Reaktionsgleichungen
- 12. Glossar
- 13. Literatur
- Anhang
- A Verwendete Materialien und Chemikalien
- B Versuchsdurchführungen im Experimentalteil
- Versuchsanleitungen Kap. 4.4 Photosensibilisierung
- Versuchsanleitungen Kap. 4.5 Untersuchungen weiterer Zellkomponenten
- Versuchsanleitungen Kap. 4.6 Transparente Solarzelle
- C Verlaufspläne der Schülerlabortage
- D Tabelle der gesichteten Schulbücher
- E Publikationen
- F Curriculum Vitae