Jak zrobić ogniwo słoneczne lub ogniwo słoneczne uwrażliwione na barwnik z herbaty owocowej

Innowacja sensybilizowanych barwnikiem ogniw słonecznych zwiększyła potencjał urządzenia do tego stopnia, że ​​może całkowicie wyprzeć kosztowne krzemowe ogniwa słoneczne.

Poniższy artykuł wyjaśnia, w jaki sposób można łatwo skonstruować to wszechstronne ogniwo słoneczne światłoczułe przy użyciu bardzo zwykłych materiałów.

Eksperyment ten opiera się na koncepcji wykorzystania związków organicznych w roślinach, w szczególności barwników organicznych, jako donorów elektronów w ogniwach słonecznych.

Zamiast krzemowego materiału półprzewodnikowego w ogniwie słonecznym zastosowaliśmy tlenek tytanu (TiO2), który również jest półprzewodnikiem. Właściwości TiO2 pozwalają na jeszcze lepsze wchłanianie światła słonecznego, jeśli jest „uczulony” organicznym barwnikiem.

Wydajność sensybilizowanych barwnikiem ogniw słonecznych jest o 7% wyższa niż jedna trzecia wydajności konwencjonalnych ogniw słonecznych. Chociaż nie jest to szeroka zaleta, ogniwa słoneczne światłoczułe są tańsze ze względu na prostszy proces produkcji w porównaniu z ogniwami krzemowymi, które są również skomplikowane.

Ogniwo słoneczne przyszłości?

Chociaż może minąć kilka lat, zanim sensybilizowane barwnikiem ogniwa słoneczne odniosą sukces komercyjny, pozostaną na właściwej drodze, pod warunkiem rozwiązania pewnych problemów.

Po pierwsze, należy zająć się długoterminową stabilnością komórek, ponieważ tlen ostatecznie uszkadza je w czasie.

Odpowiedni barwnik można wyjąć z malin lub herbaty owocowej. Dodaj kilka innych składników, takich jak szkło o niskiej emisyjności (niskoemisyjne) i tlenek tytanu, a otrzymasz wszystkie składniki do skonstruowania zestawu. W tym eksperymencie używamy herbaty różanej jako czerwonego barwnika.

Wymagane materiały

• Szkło płaskie (kawałki) z warstwą przewodzącą prąd po jednej stronie. Są one dostępne w zestawach i można je znaleźć w Internecie. Alternatywnie można zastosować szkło niskoemisyjne, które można uzyskać od szklarzy, ponieważ materiał ten jest wykorzystywany do produkcji okien termoizolacyjnych. Zalecamy zakup dwóch sztuk o wymiarach 5 x 2 cm.
• TiO2 i glikol polietylenowy. Ten ostatni jest standardowym składnikiem różnych maści, ale w tym eksperymencie służy do zawieszania tlenku tytanu.
• Te przedmioty można kupić w lokalnej aptece. Musisz również upewnić się, że glikol polietylenowy ma masę cząsteczkową 300, a ponadto jest płynny.
• Jeśli kupujesz zestaw przez Internet, zwykle jest on wyposażony w białe zawieszenie, co ułatwia sprawę. Możesz być pewien, że wielkość cząstek TiO2 jest precyzyjna (ok. 20 nm) i dokładnie odizolowana, co jest niezwykle trudne do uzyskania, jeśli robisz to sam.
• Możesz dodać białą pastę do zębów, Tipp-Ex, białą farbę lub podobne substancje zawierające tlenek tytanu jako wybielacz.
• W tym doświadczeniu jako elektrolitu użyliśmy roztworu jodu w 65% etanolu. Chociaż działa to dobrze, wytwarza tylko jedną trzecią prądu wyższego niż typowy elektrolit.
• Herbata owocowa użyta w naszym teście to dzika róża, ale działa też hibiskus.
• Gazowa kuchenka kempingowa i zapalniczka.
• Jedno stanowisko laboratoryjne z zaciskiem, pierścieniem i ekranem. Zadaniem sitka jest podtrzymywanie tafli podczas pieczenia.
• Pipeta, ale jeśli jej nie masz, zamiast niej możesz użyć łyżeczki, pozwalając zawiesinie tlenku tytanu spłynąć po szklance.
• Pęseta, czajnik, imbryk, suszarka do włosów i taśma klejąca.
• Arkusz folii aluminiowej.
• Szalka Petriego lub zwykła płaska miska lub talerz do zupy.
• Ołówek grafitowy i kawałek szklanej lub plastikowej karty do rozprowadzenia tlenku tytanu.
• Jeden zestaw multimetrów.

Jak działają sensybilizowane barwnikiem ogniwa słoneczne

Konstrukcja sensybilizowanego barwnikiem ogniwa słonecznego składa się z dwóch płaskich tafli szkła z warstwą przewodzącą prąd elektryczny po jednej stronie. Powłoka przewodząca jest zwykle wykonana z tlenku metalu.

Między dwoma kawałkami szkła znajduje się trzcinowa powłoka (ok. 10 μm) kryształów TiO2 o wymiarach około 20 nm, które zostały spieczone razem w celu utworzenia porowatej warstwy.

Następnie na porowatą powłokę nanosi się barwnik. W przemyśle barwnik wybrany do uczulonych ogniw słonecznych zawiera ruten z metalu szlachetnego.

Jednak do testów można wykorzystać naturalnie dostępne czerwone barwniki. Ze względu na niewiarygodnie małe rozmiary kryształów tlenku tytanu i szczeliny między nimi, porowata struktura ma ogromną efektywną powierzchnię, a powłoka barwnika jest niezwykle cienka.

Ma to kluczowe znaczenie dla prawidłowego działania, ponieważ barwnik jest kiepskim przewodnikiem elektrycznym.

W momencie, gdy promień światła uderza w cząsteczkę barwnika, wystrzeliwuje elektron do dwutlenku tytanu.

Elektrony gromadzą się w przewodzącej powłoce (elektrodzie roboczej) umieszczonej pomiędzy tlenkiem tytanu a taflą szklaną.

Z drugiej strony potrzebna jest jeszcze jedna warstwa przewodząca, aby działać jako przeciwelektroda, a szczelina między elektrodami jest wyposażona w roztwór elektrolitu.

W tym przypadku stosuje się prosty roztwór soli jodu zamiast przemysłowego elektrolitu acetonitrylowego, który jest bardzo lotny i toksyczny. Cząsteczki trójjodku w roztworze elektrolitu są „zmuszane” do sięgania za pomocą przeciwelektrody w celu utworzenia cząsteczek jodku.

Dzieje się tak tylko wtedy, gdy katalizator zostanie wprowadzony do elektrody i tam wejdzie grafit z ołówka. Na poziomie przemysłowym stosowanym katalizatorem jest bardzo kosztowna platyna.

Ten eksperyment wymaga elektronów. Nadmiar elektronów na drugiej elektrodzie wytwarza potencjał elektryczny, do którego można podłączyć.

Przepływ prądu może wystąpić, jeśli elektrody są podłączone zewnętrznie za pomocą obciążenia.

Cząsteczki jodku w roztworze wyrzekają się elektronów do barwnika i przekształcają się w cząsteczki tri-jodku podczas procesu, który z kolei zamyka obwód elektryczny.

Podłoże ogniwa słonecznego to zwykłe szkło okienne o grubości około 2 mm z przezroczystą, przewodzącą warstwą tlenku metalu (np. Tlenek cynku). Niestety tej powłoki nie można wykonać samodzielnie.

Procedury krok po kroku

Poniżej objaśnienia i rysunek ilustrują krok po kroku procedury wytwarzania sensybilizowanego barwnikiem ogniwa słonecznego.

Wielkość cząstek proszku tytanowego wynosi około 15-25 nm, jak pokazano poniżej.

1. Wymieszaj z glikol polietylenowy , który jest oleistym środkiem emulgującym i ostrożnie mieszać miksturę, aż do uzyskania lepkiej śmietanki.

2) W przypadku elektrolitu można wybrać jod w etanolu, ale wyniki mogą być poniżej średniej w porównaniu z dostępnym w handlu elektrolitem redoks.

3) Chwyć miernik uniwersalny i ustaw zakres rezystancji, aby sprawdzić, która strona elementu szklanego przewodzi prąd.

4) Następnie zamocuj szkło na stole za pomocą taśmy Sellotape, umieszczając przewodzącą stronę do góry.

5) Jeśli masz pipetę, wyciągnij trochę kremu lub pasty TiO2 i umieść kilka kropli na przewodzącej powierzchni szkła.

6) Następnie, używając plastikowej karty lub innego kawałka szkła, dokładnie ubij krople. Spróbuj uzyskać jednolitą warstwę, delikatnie nasuwając kawałek szkła na pastę Tio2.

7) Następnie wyciągnij taśmę klejącą wokół szklanki i uwolnij ją od stołu.

8) Zalecamy wypiekanie powłoki w piekarniku lub na otwartym ogniu, jak kuchenka gazowa. Przewidywana temperatura to około 450 ° C. Po związaniu umieść ekran wsporczy zaledwie kilka centymetrów nad płomieniem palnika i umieść na nim element szklany z powłoką TiO2.

9) Warstwa tlenku tytanu zmieni kolor na brązowy na początku procesu pieczenia ze względu na zawartość substancji organicznych. Ale musisz upewnić się, że kolor TiO2 zmieni się na biały pod koniec procesu.

10) Zdecydowanie zalecamy pozostawienie szklanki na odpowiedni czas, w przeciwnym razie istnieje ryzyko, że pęknie. Wskazówką jest przesunięcie szkła w chłodniejszy obszar (zwykle w pobliżu krawędzi) i nie przesuwanie go w pośpiechu z gorącego ekranu.

11) Pora przygotować herbatę owocową z wrzącą wodą. W naszym eksperymencie zużyliśmy mniej wody i więcej torebek herbaty. Wlej zaparzoną herbatę owocową do dużej miski. Jeśli nie masz torebek z herbatą owocową, możesz wybrać sok z czerwonych buraków, sok malinowy lub nawet czerwony tusz.

12) Gdy szklanka osiągnie temperaturę pokojową, możesz ostrożnie wsunąć ją do miski i pozostawić do namoczenia przez kilka minut.

13) W trakcie procesu namaczania można zacząć pokrywać przewodzącą stronę drugiego kawałka szkła dużą ilością grafitu, który można uzyskać z ołówka ołowianego. Powłoka ta będzie działać jako katalizator transportu elektronów z elektrody do elektrolitu.

14) Następnie wyjmij przewodzący kawałek szkła z kąpieli herbacianej. Warstwa tlenku tytanu wchłonie kolor herbaty (patrz środkowa część rysunku). Następnie opłucz szklankę czystą wodą lub etanolem i użyj suszarki do włosów, aby pozbyć się każdej kropli wody .

15) Następnie ułóż dwa kawałki szkła razem z powierzchniami przewodzącymi skierowanymi do siebie, a końce przesunięte. Należy bardzo uważać, aby oba szkła nie zsunęły się, ponieważ może to spowodować ścieranie TiO2.

16) Następnie kawałki szkła można trzymać razem za pomocą spinaczy do papieru (lekko zmodyfikowanych lub za pomocą zwykłej taśmy klejącej owiniętej wokół nich.

17) Teraz dodaj elektrolit między dwa kawałki szkła. Zaleca się umieszczenie kilku kropli elektrolitu na każdej stronie kawałków szkła, a zostaną one wciągnięte między szklanki w wyniku działania kapilarnego.

18) To wszystko, Twoje ogniwo słoneczne, uczulone barwnikiem na bazie soku owocowego, jest teraz gotowe do testów. Za pomocą multimetru można zmierzyć napięcie (około 0,4 V) i prąd (około 1 mA). Ze względu na oświetlenie studia efekty będą się nieco różnić. Ponadto możesz użyć kilku krokodylków, aby przedłużyć szereg komórek.

Zignorujemy krok uszczelniania kawałków szkła, tak jak w przypadku uprzemysłowionych światłoczułych ogniw słonecznych. Pozwala nam to na ponowne wykorzystanie kawałków szkła iw takim przypadku wystarczy je oddzielić, dokładnie umyć wodą i delikatnie wyszorować ich powierzchnie. Ponieważ całkowite usunięcie powłoki grafitowej nie jest możliwe, zalecamy ponowne wykorzystanie szkła przeciwelektrody do dokładnego celu w przyszłych eksperymentach.

Zdjęcie dzięki uprzejmości: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0