Kako narediti sončno celico, občutljivo na barvila, ali sončno celico iz sadnega čaja

Inovacija sončnih celic, občutljivih na barvila, je potencial naprave razširila do te mere, da bi lahko popolnoma izrinila drage silicijeve sončne celice.

V naslednjem članku je razloženo, kako lahko z uporabo zelo običajnih materialov enostavno sestavite to vsestransko občutljivo na barvila sončno celico.

Ta eksperiment temelji na konceptu uporabe organske spojine v rastlinah, zlasti organskih barvil, ki delujejo kot darovalci elektronov v sončnih celicah.

Namesto silicijevega polprevodniškega materiala v sončni celici smo uporabili titanov oksid (TiO2), ki je tudi polprevodnik. Lastnosti TiO2 mu omogočajo, da še bolje absorbira sončno svetlobo, če je 'senzibiliziran' z organskim barvilom.

Učinkovitost sončnih celic, občutljivih na barvila, je 7% večja od tretjine učinkovitosti običajnih sončnih celic. Čeprav to ni velika prednost, so sončne celice, občutljive na barvila, cenejše zaradi enostavnejšega postopka izdelave v primerjavi s silicijevimi celicami, ki so prav tako zapletene.

Sončna celica prihodnosti?

Čeprav bi lahko trajalo nekaj let, da bodo sončne celice, občutljive na barvila, komercialno uspešne, bodo ostale na pravi poti, če bodo določena vprašanja rešena.

Prvič, rešiti je treba dolgoročna vprašanja stabilnosti celic, saj jih kisik sčasoma poškoduje.

Primerno barvilo lahko vzamemo iz malin ali sadnega čaja. Dodajte nekaj drugih komponent, kot sta steklo z nizko emisijsko vrednostjo (nizko E) in titanov oksid, in dobili boste vse sestavine za izdelavo kompleta. V tem poskusu za rdeče barvilo uporabljamo čaj iz vrtnice.

Potrebni materiali

• Ploščasto steklo (kosi) s prevodno plastjo na eni strani. Na voljo so v kompletih in jih lahko najdete na spletu. Lahko pa uporabite steklo z nizko vsebnostjo E, ki ga lahko dobite pri steklarjih, saj je material vgrajen v izdelavo oken s toplotno izolacijo. Priporočamo, da dobite dva kosa dimenzije 5 x 2 cm.
• TiO2 in polietilen glikol. Slednja je standardna sestavina različnih mazil, vendar se v tem poskusu uporablja za suspendiranje titanovega oksida.
• Te izdelke lahko kupite pri lokalnem kemiku. Paziti morate tudi, da ima polietilen glikol poleg tega, da ima tekočino, še molekulsko maso 300.
• Če komplet kupite prek interneta, je običajno na voljo z belo vzmetenjem, ki olajša stvari. Zagotovo lahko veste, da je velikost delcev TiO2 natančna (približno 20 nm) in fino izolirana, kar je izredno težko dobiti, če to počnete sami.
• Kot belilo lahko vključite belo zobno pasto, Tipp-Ex, belo barvo ali podobne snovi, ki vsebujejo titanov oksid.
• V tem poskusu smo kot elektrolit uporabili raztopino joda v 65% etanolu. Čeprav to deluje povsem dobro, proizvede le tretjino toka toliko kot pri običajnem elektrolitu.
• Sadni čaj, uporabljen v našem testu, je šipkov, vendar tudi hibiskus deluje.
• Plinska peč za kampiranje in vžigalnik.
• Eno laboratorijsko stojalo s spono, obročem in zaslonom. Funkcija zaslona je, da med peko podpira kozarec.
• Pipeta, če pa je nimate, lahko čajno žličko nadomestite tako, da suspenzija titanovega oksida kaplja na steklo.
• Pinceta, grelnik za vodo, čajnik, sušilec za lase in Sellotape.
• List aluminijaste folije.
• Petrijev ali običajna ravna posoda ali jušna plošča.
• Grafitni svinčnik in kos steklene ali plastične kartice za širjenje titanovega oksida.
• En multimeter.

Kako delujejo sončne celice, občutljive na barvila

Konstrukcija sončne celice, občutljive na barvila, je sestavljena iz dveh ravnih steklenih plošč z električno prevodno plastjo na eni strani. Prevodna prevleka je običajno narejena iz kovinskega oksida.

Med obema steklenkama je prepoznana trstna prevleka (približno 10 μm) kristalov TiO2 velikosti približno 20 nm, ki je bila spečena skupaj, da se ustvari porozna plast.

Nato se barva položi na to porozno prevleko. V industriji barvilo, izbrano za senzibilizirane sončne celice, vsebuje rutenij iz plemenite kovine.

Vendar pa lahko za preskušanje uporabljamo naravno razpoložljiva rdeča barvila. Zaradi neverjetno majhnih velikosti kristalov titanovega oksida in vrzeli med njimi ima porozna struktura veliko učinkovito površino, barvna prevleka pa je izjemno tanka.

To je ključnega pomena za pravilno delovanje, saj je barvilo ušiv električni vodnik.

V trenutku, ko svetlobni žarek zadene molekulo barvila, sproži elektron v titanov dioksid.

Elektroni se zberejo v prevodni prevleki (delujoči elektrodi), nameščeni med titanovim oksidom in stekleno ploščo.

Na spodnji strani je potrebna še ena prevodna plast, da deluje kot nasprotna elektroda, reža med elektrodama pa je opremljena z raztopino elektrolita.

Tu se uporablja preprosta raztopina jodne soli, namesto industrijskega acetonitrilnega elektrolita, ki je zelo hlapljiv in strupen. Molekule tri-jodida v raztopini elektrolita so 'prisiljene' doseči s prot-elektrodo, da tvorijo jodidne molekule.

To se zgodi le, če v elektrodo vstavimo katalizator in tam vstopi grafit s svinčnika. Za industrijsko raven je uporabljeni katalizator draga platina.

Ta poskus zahteva elektrone. Presežek elektronov na drugi elektrodi ustvarja električni potencial, ki ga je mogoče izkoristiti.

Če so elektrode zunanje povezane z obremenitvijo, lahko pride do toka.

Molekule jodida v raztopini se odpovedujejo elektronom barvilu in se med postopkom pretvorijo v trijodidne molekule, ki v zameno zaključijo električni tokokrog.

Substrat sončne celice je običajno okensko steklo, debelo približno 2 mm, s prozorno prevodno plastjo kovinskega oksida (kot je cinkov oksid). Na žalost tega premaza ni mogoče izdelati sami.

Postopni postopki

Postopni postopki izdelave sončne celice, občutljive na barvila, so v nadaljevanju prikazani s pojasnili in sliko.

Velikost delcev titanovega prahu je približno 15-25 nm, kot je prikazano spodaj.

1. Zmešajte z polietilen glikol , ki je oljno emulgator, in mešamo previdno, dokler ne dobimo viskozne kreme.

2) Za elektrolit se lahko odločite za jod v etanolu, vendar so lahko rezultati podpovprečni v primerjavi s komercialno dostopnim redoks elektrolitom.

3) Zgrabite multimeter in nastavite razpon upora, da ugotovite, katera stran stekla je prevodna.

4) Nato pritrdite kozarec na mizo s programom Sellotape, medtem ko prevodno stran postavite navzgor.

5) Če imate pipeto, izvlecite nekaj kreme ali paste TiO2 in na prevodno površino kozarca položite več kapljic.

6) Nato s pomočjo plastične kartice ali drugega kozarca temeljito udarite po kapljicah. Poskusite dobiti enakomeren sloj tako, da nežno drsite stekleni kos čez pasto Tio2.

7) Nato izvlecite samostojni trak okoli kozarca in ga sprostite od mize.

8) Priporočamo, da premaz pečete v pečici ali na odprtem ognju, kot je plinski štedilnik. Pričakovana temperatura je okoli 450 ° C. Ko je nastavljen, namestite podporni zaslon le nekaj centimetrov nad plamen gorilnika in nanj namestite stekleni kos s prevleko TiO2.

9) Plast titanovega oksida bo na začetku postopka pečenja zaradi organske vsebnosti spremenila svojo barvo v rjavo. Toda po koncu postopka morate zagotoviti, da se barva TiO2 spremeni v belo.

10) Močno priporočamo, da kozarcu omogočite ustrezen čas hlajenja, sicer obstaja možnost, da se razbije. Nasvet je, da steklo potisnete na hladnejše območje (običajno blizu roba) in ga ne naglo odstranite z vročega zaslona.

11) Čas je, da sadni čaj pripravimo z vrelo vodo. V našem poskusu smo uporabili manj vode in več vrečk čaja. Raztopino kuhanega sadnega čaja vlijemo v večjo skledo. Če nimate vrečk s sadnim čajem, lahko uporabite sok rdeče pese, malinov sok ali celo rdeče črnilo.

12) Ko steklenik doseže sobno temperaturo, ga lahko previdno potisnete v skledo in pustite, da se nekaj minut namaka.

13) Ko postopek namakanja mine, lahko začnete prevodno stran drugega kozarca prekriti z veliko grafita, ki ga dobite s svinčnikom. Ta prevleka bo delovala kot katalizator za prenos elektronov v elektrolit z elektrode.

14) Nato vzemite prevodni kozarec iz čajne kopeli. Sloj titanovega oksida bo absorbiral barvo čaja (glejte sredino slike). Po tem sperite kozarec s čisto vodo ali etanolom in s sušilcem za lase se znebite vsake kapljice vode .

15) Nato razporedite dva steklena dela skupaj s prevodnimi površinami, obrnjenimi drug proti drugemu, in konca odmaknite. Paziti morate, da obe kozarci ne zdrsneta, saj lahko povzroči, da se TiO2 podrgne.

16) Po tem lahko steklene koščke držite skupaj s sponkami za papir (nekoliko spremenjene ali z običajnim Sellotapeom, ovitim okoli njih.

17) Zdaj dodajte elektrolit med kozarec. Priporočljivo je, da na vsako stran kozarcev stekla položite nekaj kapljic elektrolita, ki bodo zaradi kapilarnega delovanja potegnjene med kozarce.

18) To je to, vaša sončna celica, občutljiva na barvila, na osnovi sadnega soka, je zdaj pripravljena za testiranje. Z multimetrom lahko izmerite napetost (približno 0,4 V) in tok (približno 1 mA). Zaradi razsvetljave studia se bodo rezultati nekoliko razlikovali. Poleg tega lahko za zaporedno podaljšanje več celic uporabite več krokodilovih sponk.

Ne bomo upoštevali koraka zatesnitve steklenih kosov, kot je to storil pri industrializiranih sončnih celicah, občutljivih na barvila. To nam omogoča, da koščke stekla ponovno uporabimo in v tem primeru jih le ločimo in temeljito speremo z vodo in jih nežno očistimo. Ker popolna odstranitev grafitne prevleke ni mogoča, zato svetujemo, da v prihodnjih poskusih ponovno uporabite steklo proti elektrodi za natančen namen.

Vljudnost slike: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0