Diese Unterrichtseinheit beschäftigt sich mit zukunftsweisenden Technologien zur Umwandlung elektrischer Energie in Licht.

Klassische Solarzellen und Leuchtdioden basieren auf anorganischen Halbleitermaterialien. Obwohl diese gut und effizient funktionieren, verursachen der hohe Energieaufwand für ihre Herstellung sowie die Verwendung seltener und teilweise giftiger Elemente ökologische und ökonomische Probleme.

In dieser etwa fünfstündigen Einheit lernen die Schülerinnen und Schüler daher die faszinierenden Möglichkeiten kennen, solche fotoelektronischen Bauteile alternativ aus organischen Substanzen zu fertigen. Wir beginnen mit einer Erläuterung der Unterschiede zwischen anorganischer und organischer Fotoelektronik und verdeutlichen deren Vor- und Nachteile. Dabei wird die Funktionsweise der organischen Bauelemente auf Basis des Schulwissens erklärt, Beispiele erläutert und konkrete Anwendungen diskutiert, gerade auch im Hinblick auf Energieaspekte.

Im Anschluss konstruieren die SuS eigenständig eine organische Leuchtdiode (OLED), mit einem dafür optimierten Bausatz.  Es sind hinreichend viele Bausätze verfügbar, dass den SuS in Zweiergruppen der Aufbau einer Demo-OLED mit allen Arbeitsschritten gelingt und sie die OLED sogar in Betrieb nehmen können.

Darüber hinaus erhalten die Schülerinnen und Schüler Einblicke in das Studium der Materialwissenschaft an der Universität Gießen. Wir verdeutlichen, wie aus der Leidenschaft für Chemie und Physik ein erfolgreiches Studium und eine vielversprechende Karriere als Materialforscherin oder Materialforscher entstehen können.

Oberstufe (insbesondere Grund- oder Leistungskurse Chemie/Physik)

Anknüpfungsmöglichkeiten an das hessische Kerncurriculum Gymnasiale Oberstufe:

• Chemie - Qualifikationsphase, Themenfeld Q.4.1 (Farbstoffe)
• Physik - Qualifikationsphase, Themenfelder Q3.1 (Eigenschaften von Quantenobjekten); Q3.2 (Atommodelle)

Prof. Dr. Bernd Smarsly, Bernd.Smarsly@phys.Chemie.uni-giessen.de, Tel. +49 641 9934590

Dr. Rafael Meinusch, Rafael.Meinusch@phys.Chemie.uni-giessen.de, Tel. +49 641 9934593

Diese für eine Doppelstunde konzipierte Unterrichtseinheit vermittelt einen umfassenden Überblick über die Bedeutung von Nachhaltigkeit in der Energieversorgung der Zukunft und verdeutlicht die Notwendigkeit der Suche nach Alternativen für ressourcenkritische Elemente. Gleichzeitig erhalten die SchülerInnen einen interessanten Einblick in den Studiengang Materialwissenschaft in Gießen sowie in die Beiträge der Gießener WissenschaftlerInnen zur Entwicklung innovativer Materialien und Technologien für eine nachhaltige Energieversorgung.
Einige der thematisierten Energietechnologien werden in einfachen Demo-Experimenten veranschaulicht.

Zunächst werden die Bedeutung und Historie des Begriffs der "Nachhaltigkeit" erläutert. Dabei werden die wichtigsten Ziele einer nachhaltigen Entwicklung von Wirtschaft und Gesellschaft erarbeitet. Anschließend werden die Häufigkeit bzw. Verfügbarkeit technologisch relevanter chemischer Elemente thematisiert. Die ungleichmäßige Verteilung von Bodenschätzen und anderen Ressourcen auf die Staaten der Erde und die sich daraus ergebenden Probleme werden diskutiert.

Ein besonderer Fokus liegt auf der Bedeutung seltener Elemente für die Nutzung nachhaltiger Energiequellen, insbesondere Wind und Sonneneinstrahlung. Mögliche ressourcenschonende Alternativen zur etablierten Photovoltaik, wie etwa Perowskithalbleiter oder organische Solarzellen, werden vorgestellt. Die Funktionsweise von Solarthermiekraftwerken sowie deren Vor- und Nachteile werden ebenfalls erläutert.

Anschließend wird auf nachhaltige Technologien zur Speicherung von erneuerbarer Energie eingegangen. Dabei werden Pumpspeicherkraftwerke, Batterien, Wärmespeicher und chemische Brennstoffe (insbesondere Wasserstoff) als Energiespeicher unter Ressourcenaspekten beschrieben und einander gegenübergestellt.

Mittelstufe und Oberstufe (insbesondere Leistungskurse Chemie/Physik)

Anknüpfungsmöglichkeiten an das hessische Kerncurriculum Gymnasiale Oberstufe:

• Chemie - Qualifikationsphase, Themenfeld Q.4.1 (Farbstoffe)
• Chemie - Einführungsphase, Themenfelder E.1 (Redoxreaktionen); E.5 (Mobile Energiewandler)
• Physik - Qualifikationsphase, Themenfelder Q1.3 / Q1.4 (Induktion; Bewegung von Ladungen in Feldern in technischen Anwendungen)

Anknüpfungsmöglichkeiten an die hessischen Lehrpläne G9:

• Chemie - Jgst. 8, Thema 8.2 (Wasser und Wasserstoff)
• Chemie - Jgst. 10 - Thema 10.1 (Atombau, Periodensystem und Ionenbindung)
• Physik - Jgst. 8, Thema 8.2 (Elektrizität 2 / Technische Anwendungen)
• Physik - Jgst. 10, Themen 10.1 (Arbeit und Energie / Elektrizität als Energieform); 10.3 (Energieversorgung)

In einem etwa zweistündigen Vortrag werden Einblicke in die Welt der Nanostrukturen gegeben, welche bereits in einer Vielzahl an Bauelementen Anwendung finden. Der Vortrag richtet sich an interessierte Schülerinnen und Schüler der Mittel- oder Oberstufe und hat das Ziel, aktuelle Aktivitäten am Zentrum für Materialforschung im Bereich der Nanowissenschaften vorzustellen und über das Studium der Materialwissenschaften an der JLU zu informieren.

Im ersten Teil des Vortrags wird erläutert, was man unter Nanostrukturen versteht. Der Fokus liegt hierbei auf Nanostrukturen mit einem hohe Oberflächen-zu-Volumen Verhältnis, und es wird aufgezeigt, in welchen Bereichen der Halbleiter- und Energietechnologien diese eingesetzt werden. Anschließend wird erläutert, wie die große Oberfläche die Eigenschaften der Materialien beeinflussen kann und welche Möglichkeiten sich daraus ergeben.  
Im zweiten Teil werden Nanostrukturen vorgestellt, welche Gegenstand der aktuellen Forschungsaktivitäten am Zentrum für Materialforschung sind. Insbesondere werden neuartige Strategien aufgezeigt, um die Eigenschaften der Nanostrukturen für Anwendungen weiter zu optimieren oder neue Anwendungsbereiche zu eröffnen. Die Schülerinnen und Schüler gewinnen dadurch einen Überblick über den spannenden und vielfältigen Aufgabenbereich von Materialwissenschaftlerinnen und Materialwissenschaftlern für die Entwicklung von Zukunftstechnologien.

Gegen Ende der Präsentation erhalten die Schülerinnen und Schüler Informationen über das Studium der Materialwissenschaft in Gießen. Dabei werden neben den Voraussetzungen für ein Studium auch die vielfältigen und interessanten Berufsperspektiven nach dem Abschluss thematisiert. Es können Fragen gestellt werden, und es bleibt Zeit, sich mit dem Vortragenden auszutauschen.

Mittelstufe und Oberstufe (insbesondere Leistungskurse Chemie/Physik)

Anknüpfungsmöglichkeiten an das hessische Kerncurriculum Gymnasiale Oberstufe:

• Physik - Qualifikationsphase, Themenfelder Q1.4 (Bewegung von Ladungen in Feldern in technischen Anwendungen); Q3.1 (Eigenschaften von Quantenobjekten); Q4.3 (Festkörperphysik)
• Chemie - Einführungsphase, Themenfeld E.5 (Mobile Energiewandler)
• Chemie - Qualifikationsphase, Themenfelder Q3.1 (Chemische Gleichgewichte und ihre Einstellung); Q3.3 (Redoxgleichgewichte); Q4.6 (Katalyse in Natur und Technik)