Cum se face celule solare sensibilizate la colorant sau celule solare din ceai de fructe

Inovația celulelor solare sensibilizate la coloranți a extins potențialul dispozitivului până la punctul în care ar putea elimina complet celulele solare costisitoare din siliciu.

Următorul articol explică modul în care puteți construi cu ușurință această celulă solară versatilă sensibilizată la colorant folosind materiale foarte obișnuite.

Acest experiment se bazează pe conceptul de a utiliza compusul organic din plante, în special coloranții organici pentru a acționa ca donatori de electroni în celulele solare.

În loc de siliciu material semiconductor în celula solară, am folosit oxid de titan (TiO2), care este și un semiconductor. Proprietățile TiO2 îi permit să absoarbă lumina soarelui și mai bine dacă este „sensibilizat” cu un colorant organic.

Eficiența celulelor solare sensibilizate la colorant este cu 7% mai mare decât o treime din eficiența celulelor solare convenționale. Deși acest lucru nu este un avantaj larg, celulele solare sensibilizate la coloranți sunt mai ieftine datorită procesului de fabricație mai simplu comparativ cu celulele din siliciu care sunt, de asemenea, complicate.

Celula solară a viitorului?

Deși ar putea dura câțiva ani până când celulele solare sensibilizate la coloranți vor avea succes comercial, vor rămâne pe calea cea bună, cu condiția ca anumite probleme să fie rezolvate.

În primul rând, problemele de stabilitate pe termen lung ale celulelor trebuie abordate, deoarece oxigenul îl deteriorează în timp.

Un colorant adecvat poate fi scos din zmeură sau ceai de fructe. Adăugați câteva alte componente, cum ar fi sticla cu emisivitate scăzută (low-E) și oxidul de titan, și aveți singur toate ingredientele pentru a construi kitul. În acest experiment, folosim ceai de măceșe pentru colorantul roșu.

Materiale necesare

• Foaie de sticlă (bucăți) cu un strat care conduce curentul pe o parte. Acestea sunt disponibile în kituri și pot fi găsite online. Alternativ, puteți merge cu sticlă cu conținut scăzut de E și acestea pot fi obținute de la vitrari, deoarece materialul este încorporat în fabricarea ferestrelor de izolare termică. Vă recomandăm să obțineți două piese cu dimensiunea de 5 x 2 cm.
• TiO2 și polietilen glicol. Acesta din urmă este un ingredient standard în diferite unguente, dar în acest experiment, este utilizat pentru a suspenda oxidul de titan.
• Aceste articole pot fi achiziționate de la un chimist local. De asemenea, trebuie să vă asigurați că polietilen glicolul are o greutate moleculară de 300, pe lângă faptul că este fluid.
• Dacă achiziționați kitul de pe internet, acesta vine de obicei cu o suspensie albă, ceea ce face lucrurile mai ușoare. Puteți ști cu siguranță că dimensiunea particulelor TiO2 este precisă (aproximativ 20nm) și izolată fin, ceea ce este extrem de dificil de obținut dacă o faceți singur.
• Puteți include pastă de dinți albă, Tipp-Ex, vopsea albă sau substanțe similare care conțin oxid de titan ca albitor.
• În acest experiment, am folosit o soluție de iod în 65% etanol ca electrolit. Deși funcționează foarte bine, produce doar o treime la fel de mult curent decât electrolitul tipic.
• Ceaiul de fructe folosit în testul nostru este măceșul, dar și hibiscusul funcționează.
• O sobă de camping cu gaz și mai ușoară.
• Un stand de laborator cu clemă, inel și ecran. Funcția ecranului este de a susține paharul în timpul coacerii.
• O pipetă, dar dacă nu aveți, o linguriță poate fi folosită ca înlocuitor, permițând suspensiei de oxid de titan să picure pe sticlă.
• Pensete, ceainic, ceainic, uscător de păr și Sellotape.
• O foaie de folie de aluminiu.
• O farfurie Petri sau un castron plat obișnuit sau o farfurie pentru supă.
• Creion de grafit și o bucată de sticlă sau card de plastic pentru răspândirea oxidului de titan.
• Un set de multimetre.

Cum funcționează celulele solare sensibilizate la coloranți

Construcția unei celule solare sensibilizate la colorant este alcătuită din două foi plate de sticlă cu un strat conductor electric pe o parte. Acoperirea conductivă este realizată de obicei dintr-un oxid de metal.

Între cele două bucăți de sticlă este identificată o acoperire cu stuf (aproximativ 10 μm) de cristale de TiO2 de aproximativ 20 nm care a fost coaptă împreună pentru a crea un strat poros.

Apoi, colorantul este plasat pe acest strat poros. În industrie, colorantul ales pentru celulele solare sensibilizate cuprinde ruteniu din metal nobil.

Cu toate acestea, coloranții roșii disponibili în mod natural pot fi utilizați pentru testarea menită. Datorită dimensiunilor incredibil de minuscule ale cristalelor de oxid de titan și a decalajelor dintre ele, structura poroasă conține o suprafață imensă efectivă, iar învelișul colorant este remarcabil de subțire.

Acest lucru este crucial pentru o funcționare corectă, deoarece vopseaua este un conductor electric urât.

În momentul în care o rază luminoasă lovește o moleculă de colorant, trage un electron în dioxidul de titan.

Electronii se adună în învelișul conductiv (electrod de lucru) poziționat între oxidul de titan și foaia de sticlă.

Un alt strat conductiv este necesar pe partea inversă pentru a funcționa ca un contraelectrod, iar decalajul dintre electrozi este prevăzut cu o soluție de electroliți.

Aici se aplică soluția simplă de sare de iod decât electrolitul acetonitril industrial, care este foarte volatil și toxic. Moleculele de tri-iodură din soluția de electroliți sunt „forțate” să ajungă cu contraelectrodul pentru a forma molecule de iodură.

Acest lucru se întâmplă numai dacă un catalizator este introdus în electrod și acolo intervine grafitul din creion. Pentru nivel industrial, catalizatorul utilizat este platină foarte costisitoare.

Acest experiment necesită electroni. Excesul de electroni de pe celălalt electrod produce un potențial electric în care poate fi exploatat.

Un flux de curent poate apărea dacă electrozii sunt conectați extern folosind o sarcină.

Moleculele de iodură din soluție renunță la electroni în colorant și se transformă în molecule de tri-iodură în timpul procesului care, în schimb, completează circuitul electric.

Substratul celulei solare este o sticlă normală de fereastră, care are o grosime de aproximativ 2 mm, cu un strat clar, conductiv de oxid de metal (cum ar fi oxidul de zinc). Din păcate, această acoperire nu poate fi realizată în propriul dvs.

Proceduri pas cu pas

Procedurile pas cu pas de realizare a celulei solare sensibilizate la colorant sunt ilustrate mai jos prin explicații și imagine.

Dimensiunea particulelor pulberii de titan este de aproximativ 15-25 nm, după cum se arată mai jos.

1. Se amestecă cu polietilen glicol , care este un agent emulsionant uleios, și amestecați cu atenție preparatul până când se obține o cremă vâscoasă.

2) Pentru electrolit, puteți opta pentru iod în etanol, dar rezultatele pot fi sub medie comparativ cu electrolitul redox disponibil în comerț.

3) Apucați o unitate multimetrică și setați domeniul de rezistență pentru a afla care este partea conductoare a piesei de sticlă.

4) Apoi, fixați sticla pe masă folosind Sellotape în timp ce așezați partea conductivă cu fața în sus.

5) Dacă aveți o pipetă, scoateți o parte din crema sau pasta de TiO2 și așezați câteva picături pe suprafața conductivă a sticlei.

6) Apoi, folosind o cartelă de plastic sau o altă bucată de sticlă, lovește bine picăturile. Încercați să obțineți un strat uniform glisând ușor bucata de sticlă peste pasta Tio2.

7) Apoi, scoateți banda de vânzare în jurul paharului, eliberați-o de la masă.

8) Vă recomandăm să coaceți învelișul într-un cuptor sau peste o flacără deschisă ca o sobă cu gaz. Temperatura așteptată este de aproximativ 450 ° C. Odată setat, aranjați ecranul de susținere cu doar câțiva centimetri deasupra flăcării arzătorului și poziționați bucata de sticlă cu acoperire TiO2 deasupra acestuia.

9) Stratul de oxid de titan își va schimba culoarea în maro la începutul procedurii de coacere datorită conținutului său organic. Dar trebuie să vă asigurați că culoarea TiO2 se schimbă în alb la sfârșitul procesului.

10) Vă recomandăm insistent să permiteți un timp de răcire adecvat pentru sticlă, altfel există șansa ca acesta să se spargă. Un sfat este să glisați sticla într-o zonă mai rece (de obicei lângă margine) și să nu o îndepărtați în grabă de pe ecranul fierbinte.

11) Este timpul să pregătiți ceaiul de fructe cu apă clocotită. În experimentul nostru, am folosit mai puțină apă și mai multe pungi de ceai. Se toarnă soluția de ceai din fructe preparate într-un castron mare. Dacă nu aveți pungi de ceai din fructe, puteți merge cu suc de sfeclă roșie, suc de zmeură sau chiar cerneală roșie.

12) Odată ce piesa de sticlă a atins temperatura camerei, o puteți glisa cu grijă în vas și lăsați-o să se înmoaie timp de câteva minute.

13) Pe măsură ce trece procesul de înmuiere, puteți începe să acoperiți partea conductivă a unei a doua piese de sticlă cu o mulțime de grafit care se poate obține dintr-un creion de plumb. Această acoperire va funcționa ca un catalizator pentru transportul electronilor la electrolit din electrod.

14) Apoi, scoateți bucata de sticlă conductivă din baia de ceai. Stratul de oxid de titan va fi absorbit culoarea ceaiului (consultați centrul imaginii). După aceea, clătiți paharul cu apă curată sau etanol și folosiți un uscător de păr pentru a scăpa de fiecare picătură de apă .

15) Apoi, aranjați cele două bucăți de sticlă împreună cu suprafețele conductive orientate una față de cealaltă și capetele decalate. Trebuie să aveți mare grijă ca ambele ochelari să nu alunece, deoarece poate provoca eliminarea TiO2.

16) După aceasta, bucățile de sticlă pot fi ținute împreună folosind agrafe de hârtie (ușor modificate sau folosind Sellotape normal înfășurat în jurul lor.

17) Acum, adăugați electrolitul între cele două bucăți de sticlă. Este recomandat să plasați câteva picături de electrolit pe fiecare parte a bucăților de sticlă și acestea vor fi trase între pahare din cauza acțiunii capilare.

18) Gata, celula solară sensibilizată cu vopsea pe bază de suc de fructe este acum pregătită pentru testare. Folosind multimetrul puteți măsura tensiunea (în jur de 0,4 V) și curentul (aproximativ 1 mA). Datorită iluminării studioului, rezultatele vor varia puțin. În plus, puteți utiliza mai multe cleme de crocodil pentru a extinde mai multe celule în serie.

Vom ignora pasul de etanșare a bucăților de sticlă, așa cum se face cu celulele solare industrializate sensibilizate la colorant. Acest lucru ne permite să folosim din nou bucățile de sticlă și, în acest caz, tot ce trebuie să faceți este să le separați și să le spălați bine suprafețele cu apă și să le frecați ușor. Deoarece nu este posibilă îndepărtarea completă a stratului de grafit, așa că vă recomandăm să folosiți din nou sticla contraelectrodului în scopul exact în viitoarele experimente.

Imagine oferită de: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0