Come realizzare celle solari sensibilizzate con coloranti o celle solari da tè alla frutta

L'innovazione delle celle solari sensibilizzate con colorante ha ampliato il potenziale del dispositivo fino al punto in cui potrebbe spodestare completamente le costose celle solari in silicio.

Il seguente articolo spiega come costruire facilmente questa versatile cella solare sensibilizzata con coloranti utilizzando materiali molto ordinari.

Questo esperimento si basa sul concetto di utilizzare il composto organico nelle piante, in particolare i coloranti organici per agire come donatori di elettroni nelle celle solari.

Invece di un materiale semiconduttore silicio nella cella solare, abbiamo usato ossido di titanio (TiO2), che è anche un semiconduttore. Le proprietà del TiO2 gli consentono di assorbire ancora meglio la luce solare se 'sensibilizzato' con un colorante organico.

L'efficienza delle celle solari sensibilizzate con colorante è del 7% superiore a un terzo dell'efficienza delle celle solari convenzionali. Sebbene questo non sia un ampio vantaggio, le celle solari sensibilizzate con colorante sono più economiche a causa del processo di produzione più semplice rispetto alle celle al silicio che sono anche complicate.

La cella solare del futuro?

Anche se potrebbero essere necessari alcuni anni prima che le celle solari sensibilizzate con coloranti abbiano successo commerciale, rimarranno sulla strada giusta a condizione che alcuni problemi vengano risolti.

In primo luogo, i problemi di stabilità a lungo termine delle cellule devono essere affrontati poiché l'ossigeno alla fine le danneggia nel tempo.

Un colorante adatto può essere preso dai lamponi o dal tè alla frutta. Aggiungi alcuni altri componenti come il vetro a bassa emissività (low-E) e l'ossido di titanio e avrai tutti gli ingredienti per costruire il kit. In questo esperimento, stiamo usando il tè alla rosa canina per la tintura rossa.

Materiali richiesti

• Lastra di vetro (pezzi) con uno strato conduttore di corrente su un lato. Questi sono disponibili in kit e possono essere trovati online. In alternativa, puoi optare per vetri a bassa emissività e questi possono essere ottenuti dai vetrai, poiché il materiale è incorporato nella produzione di finestre termoisolanti. Si consiglia di acquistare due pezzi con una dimensione di 5 x 2 cm.
• TiO2 e polietilenglicole. Quest'ultimo è un ingrediente standard in vari unguenti, ma in questo esperimento viene utilizzato per sospendere l'ossido di titanio.
• Questi articoli possono essere acquistati da una farmacia locale. Devi anche assicurarti che il polietilenglicole abbia un peso molecolare di 300 oltre ad essere fluido.
• Se acquisti il ​​tuo kit da Internet, di solito viene fornito con una sospensione bianca, che semplifica le cose. Puoi sapere per certo che la dimensione delle particelle del TiO2 è precisa (circa 20 nm) e finemente isolata, il che è estremamente difficile da ottenere se lo fai da solo.
• Puoi includere dentifricio bianco, Tipp-Ex, vernice bianca o sostanze simili contenenti ossido di titanio come sbiancante.
• In questo esperimento, abbiamo usato una soluzione di iodio in etanolo al 65% come elettrolita. Anche se funziona bene, produce solo un terzo della corrente rispetto al tipico elettrolita.
• Il tè alla frutta usato nel nostro test è il cinorrodo, ma anche l'ibisco funziona.
• Fornello da campeggio a gas e accendino.
• Un supporto da laboratorio con morsetto, anello e schermo. La funzione dello schermo è quella di sostenere il vetro durante la cottura.
• Una pipetta, ma se non ne hai, un cucchiaino può essere utilizzato come sostituto consentendo alla sospensione di ossido di titanio di gocciolare sul vetro.
• Pinzette, bollitore, teiera, asciugacapelli e nastro adesivo.
• Un foglio di carta stagnola.
• Una capsula di Petri o una normale ciotola piatta o un piatto da minestra.
• Matita di grafite e un pezzo di carta di vetro o plastica per la diffusione dell'ossido di titanio.
• Un set multimetro.

Come funzionano le celle solari sensibilizzate con coloranti

La struttura di una cella solare sensibilizzata con colorante è costituita da due lastre di vetro piatte con uno strato elettricamente conduttivo su un lato. Il rivestimento conduttivo è comunemente costituito da un ossido di metallo.

Tra i due pezzi di vetro viene identificato un rivestimento lamellare (circa 10 μm) di cristalli di TiO2 di circa 20 nm che è stato cotto insieme per creare uno strato poroso.

Quindi, il colorante viene posto su questo rivestimento poroso. Nell'industria, il colorante scelto per le celle solari sensibilizzate comprende il metallo nobile rutenio.

Tuttavia, coloranti rossi naturalmente disponibili possono essere utilizzati per i test proposti. A causa delle dimensioni incredibilmente minuscole dei cristalli di ossido di titanio e degli spazi tra di essi, la struttura porosa contiene un'enorme area superficiale effettiva e il rivestimento colorante è notevolmente sottile.

Questo è fondamentale per il corretto funzionamento poiché il colorante è un pessimo conduttore elettrico.

Nel momento in cui un raggio di luce colpisce una molecola di colorante, spara un elettrone nel biossido di titanio.

Gli elettroni si raccolgono nel rivestimento conduttivo (elettrodo di lavoro) posizionato tra l'ossido di titanio e la lastra di vetro.

Un altro strato conduttivo è necessario sul rovescio per funzionare come un controelettrodo, e lo spazio tra gli elettrodi è fornito con una soluzione elettrolitica.

Qui è dove viene applicata la semplice soluzione di sale di iodio piuttosto che l'elettrolita acetonitrile industriale che è molto volatile e tossico. Le molecole di triioduro nella soluzione elettrolitica sono 'costrette' a raggiungere il controelettrodo per formare molecole di ioduro.

Questo accade solo se viene introdotto un catalizzatore nell'elettrodo ed è qui che entra in gioco la grafite della matita. Per il livello industriale, il catalizzatore utilizzato è platino molto costoso.

Questo esperimento richiede elettroni. L'eccesso di elettroni sull'altro elettrodo produce un potenziale elettrico che può essere attinto.

Può verificarsi un flusso di corrente se gli elettrodi sono collegati esternamente utilizzando un carico.

Le molecole di ioduro all'interno della soluzione rinunciano agli elettroni al colorante e si convertono in molecole di triioduro durante il processo che a sua volta completa il circuito elettrico.

Il substrato della cella solare è un normale vetro per finestre di circa 2 mm di spessore con uno strato di ossido metallico trasparente e conduttivo (come l'ossido di zinco). Purtroppo, questo rivestimento non può essere realizzato da solo.

Procedure passo passo

Le procedure passo passo per la realizzazione della cella solare sensibilizzata con colorante sono illustrate di seguito attraverso spiegazioni e immagini.

La dimensione delle particelle della polvere di titanio è di circa 15-25 nm, come mostrato di seguito.

1. Mescolalo con glicole polietilenico , che è un agente emulsionante oleoso, e mescolare accuratamente la miscela fino a ottenere una crema viscosa.

2) Per l'elettrolita, puoi optare per lo iodio in etanolo, ma i risultati potrebbero essere inferiori alla media rispetto all'elettrolita redox disponibile in commercio.

3) Prendi un multimetro e imposta l'intervallo di resistenza per scoprire quale lato del pezzo di vetro è conduttivo.

4) Quindi, fissare il vetro sul tavolo usando il nastro adesivo mentre si posiziona il lato conduttivo rivolto verso l'alto.

5) Se si dispone di una pipetta, estrarre un po 'della crema o della pasta TiO2 e versare diverse gocce sulla superficie conduttiva del vetro.

6) Quindi, usando una carta di plastica o un altro pezzo di vetro, colpire accuratamente le gocce. Prova a ottenere una mano uniforme facendo scorrere delicatamente il pezzo di vetro sulla pasta Tio2.

7) Quindi, tirare fuori il nastro adesivo attorno al bicchiere e liberarlo dal tavolo.

8) Si consiglia di cuocere il rivestimento in forno o su fiamma viva come una stufa a gas. La temperatura prevista è intorno ai 450 ° C. Una volta impostato, disporre lo schermo di supporto di pochi centimetri sopra la fiamma del bruciatore e posizionare sopra di esso il pezzo di vetro con rivestimento TiO2.

9) Lo strato di ossido di titanio cambierà il suo colore in marrone all'inizio della procedura di cottura a causa del suo contenuto organico. Ma devi assicurarti che il colore del TiO2 diventi bianco durante la fine del processo.

10) Consigliamo vivamente di consentire un tempo di raffreddamento adeguato per il vetro altrimenti c'è la possibilità che si frantumi. Un consiglio è quello di far scorrere il vetro in una zona più fresca (di solito vicino al bordo) e non spostarlo frettolosamente dallo schermo caldo.

11) È ora di preparare il tè alla frutta con acqua bollente. Nel nostro esperimento abbiamo utilizzato meno acqua e più bustine di tè. Versare la soluzione di tè alla frutta in una ciotola capiente. Se non hai bustine di tè alla frutta, potresti andare con succo di barbabietola rossa, succo di lampone o persino inchiostro rosso.

12) Una volta che il pezzo di vetro ha raggiunto la temperatura ambiente, puoi farlo scorrere con cautela nella ciotola e lasciarlo in ammollo per diversi minuti.

13) Durante il processo di ammollo, puoi iniziare a coprire il lato conduttivo di un secondo pezzo di vetro con molta grafite che è ottenibile da una matita di piombo. Questo rivestimento funzionerà come catalizzatore per il trasporto di elettroni all'elettrolita dall'elettrodo.

14) Quindi, estrarre il pezzo di vetro conduttivo dal bagno del tè. Lo strato di ossido di titanio avrà assorbito il colore del tè (fare riferimento al centro dell'immagine). Successivamente, sciacquare il vetro con acqua pulita o etanolo e usa un asciugacapelli per eliminare ogni goccia d'acqua .

15) Quindi, disporre i due pezzi di vetro insieme con le superfici conduttive una di fronte all'altra e le estremità sfalsate. È necessario fare molta attenzione che entrambi i bicchieri non scivolino via poiché potrebbe causare lo sfregamento del TiO2.

16) Dopodiché, i pezzi di vetro possono essere tenuti insieme usando graffette (leggermente modificate o usando un normale nastro adesivo avvolto attorno ad essi.

17) Ora aggiungi l'elettrolita tra i due pezzi di vetro. Si consiglia di posizionare alcune gocce di elettrolita su ciascun lato dei pezzi di vetro e verranno aspirati tra i bicchieri a causa dell'azione capillare.

18) Ecco fatto, la tua cella solare sensibilizzata a base di succo di frutta è ora pronta per il test. Utilizzando il multimetro è possibile misurare la tensione (circa 0,4 V) e la corrente (circa 1 mA). A causa dell'illuminazione dello studio, i risultati varieranno leggermente. Inoltre, puoi utilizzare diverse clip a coccodrillo per estendere più celle in serie.

Ignoreremo la fase di sigillatura dei pezzi di vetro, come fatto con celle solari sensibilizzate a coloranti industrializzate. Questo ci permette di riutilizzare i pezzi di vetro e in tal caso, tutto ciò che devi fare è separarli e lavare accuratamente le loro superfici con acqua e strofinarli delicatamente. Poiché non è possibile rimuovere completamente il rivestimento in grafite, consigliamo di utilizzare nuovamente il vetro del controelettrodo per lo scopo esatto in esperimenti futuri.

Cortesia dell'immagine: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0