Com fer una cèl·lula solar sensible als tints o cèl·lula solar a partir de te de fruites

La innovació de les cèl·lules solars sensibles al colorant ha ampliat el potencial del dispositiu fins al punt que podria eliminar completament les costoses cèl·lules solars de silici.

El següent article explica com es pot construir fàcilment aquesta versàtil cèl·lula solar sensible al colorant amb materials molt corrents.

Aquest experiment es basa en el concepte d’utilitzar el compost orgànic en plantes, especialment els colorants orgànics per actuar com a donants d’electrons en les cèl·lules solars.

En lloc d’un silici de material semiconductor a la cèl·lula solar, hem utilitzat òxid de titani (TiO2), que també és un semiconductor. Les propietats del TiO2 li permeten absorbir la llum del sol encara millor si està ‘sensibilitzat’ amb un colorant orgànic.

L'eficiència de les cèl·lules solars sensibles al colorant és un 7% superior a un terç de l'eficiència de les cèl·lules solars convencionals. Tot i que això no suposa un gran avantatge, les cèl·lules solars sensibles als colorants són més econòmiques a causa del procés de fabricació més senzill en comparació amb les cèl·lules de silici, que també són complicades.

La cèl·lula solar del futur?

Tot i que poden passar uns quants anys fins que les cèl·lules solars sensibilitzades amb colorants tinguin èxit comercial, seguiran pel bon camí sempre que es resolguin alguns problemes.

En primer lloc, s’han d’abordar els problemes d’estabilitat a llarg termini de les cèl·lules, ja que l’oxigen finalment el danya amb el pas del temps.

Es pot treure un colorant adequat de gerds o te de fruita. Afegiu uns quants components com el vidre de baixa emissivitat (baixa en E) i l’òxid de titani, i teniu tots els ingredients per construir el kit. En aquest experiment, estem utilitzant te de rosa mosqueta per al colorant vermell.

Materials necessaris

• Làmines de vidre (peces) amb una capa de conducció de corrent per un costat. Estan disponibles en kits i es poden trobar en línia. Com a alternativa, podeu utilitzar vidres de baixa E que es poden obtenir de vidres, ja que el material s’incorpora a la fabricació de finestres d’aïllament tèrmic. Es recomana aconseguir dues peces amb una dimensió de 5 x 2 cm.
• TiO2 i polietilè glicol. Aquest últim és un ingredient estàndard en diversos ungüents, però en aquest experiment s’utilitza per suspendre l’òxid de titani.
• Aquests articles es poden comprar a un farmacèutic local. També heu d’assegurar-vos que el polietilè glicol té un pes molecular de 300, a més de ser fluid.
• Si compreu el vostre kit a Internet, normalment inclou una suspensió blanca, cosa que facilita les coses. Podeu saber amb certesa que la mida de les partícules del TiO2 és precisa (aprox. 20 nm) i finament aïllada, cosa que és extremadament difícil obtenir si ho feu vosaltres mateixos.
• Podeu incloure pasta de dents blanca, Tipp-Ex, pintura blanca o substàncies similars que contenen òxid de titani com a blanquejador.
• En aquest experiment, hem utilitzat una solució de iode en un 65% d’etanol com a electròlit. Tot i que funciona bé, només produeix un terç de la intensitat que l’electròlit típic.
• El te de fruita utilitzat a la nostra prova és la rosa mosqueta, però l’hibisc també funciona.
• Una estufa de gasolina i més lleugera.
• Un suport de laboratori amb pinça, anell i pantalla. La funció de la pantalla és recolzar el got durant la cocció.
• Una pipeta, però si no en teniu, es pot fer servir una culleradeta de substitució, ja que permet que la suspensió d’òxid de titani goteixi sobre el vidre.
• Pinces, bullidor d'aigua, tetera, assecador i sellotape.
• Una làmina de paper d'alumini.
• Una placa de Petri o un plat normal o un plat de sopa.
• Llapis de grafit i un tros de vidre o targeta de plàstic per estendre l’òxid de titani.
• Un conjunt de multímetres.

Com funcionen les cèl·lules solars sensibilitzades amb el colorant

La construcció d’una cèl·lula solar sensible al colorant està formada per dues làmines planes de vidre amb una capa conductora elèctricament per un costat. El recobriment conductor es fa comunament a partir d’un òxid metàl·lic.

Entre els dos trossos de vidre s’identifica un recobriment de canya (aprox. 10 μm) de cristalls de TiO2 d’uns 20 nm que s’ha cuinat junts per crear una capa porosa.

Després, el colorant es col·loca sobre aquest revestiment porós. A la indústria, el colorant triat per a les cèl·lules solars sensibilitzades comprèn ruteni de metall noble.

Tanmateix, es poden utilitzar colorants vermells disponibles de forma natural per provar-los. A causa de les mides increïblement minúscules dels cristalls d’òxid de titani i les llacunes entre ells, l’estructura porosa conté una enorme superfície efectiva i el recobriment de colorant és notablement prim.

Això és crucial per a un funcionament correcte, ja que el colorant és un pèssim conductor elèctric.

En el moment que un raig de llum colpeja una molècula de colorant, dispara un electró cap al diòxid de titani.

Els electrons es reuneixen en el recobriment conductor (elèctrode de treball) situat entre l’òxid de titani i la làmina de vidre.

Una capa conductora més és necessària a la part contrària per funcionar com un contraelèctrode i la bretxa entre els elèctrodes està proveïda d’una solució d’electròlits.

Aquí és on s’aplica la solució simple de sal de iode en lloc de l’electròlit acetonitril industrial, que és molt volàtil i tòxic. Les molècules de tri-iodur de la solució electrolítica estan 'obligades' a arribar amb el contraelèctrode per formar molècules de iodur.

Això només passa si s'introdueix un catalitzador a l'elèctrode i és aquí on entra el grafit del llapis. Per al nivell industrial, el catalitzador utilitzat és un platí molt costós.

Aquest experiment requereix electrons. L’excés d’electrons de l’altre elèctrode produeix un potencial elèctric que es pot aprofitar.

Es pot produir un flux de corrent si els elèctrodes estan connectats externament mitjançant una càrrega.

Les molècules de iodur de la solució renuncien als electrons del colorant i es converteixen en molècules de triodur durant el procés que, a canvi, completa el circuit elèctric.

El substrat de la cèl·lula solar és un vidre normal de la finestra que té uns 2 mm de gruix amb una capa d’òxid de metall transparent i conductora (com l’òxid de zinc). Malauradament, aquest recobriment no es pot fer pel vostre compte.

Procediments pas a pas

A continuació es mostren els procediments pas a pas de fabricació de la cèl·lula solar sensible al colorant mitjançant explicacions i imatges.

La mida de les partícules de la pols de titani és d’uns 15-25 nm, com es mostra a continuació.

1. Barregeu-ho amb polietilè glicol , que és un agent emulsionant greixós, i remeneu la barreja amb cura fins aconseguir una crema viscosa.

2) Per a l'electròlit, podeu optar per iode en etanol, però els resultats poden ser inferiors a la mitjana en comparació amb l'electròlit redox disponible en el comerç.

3) Agafeu una unitat multímetre i configureu el rang de resistència per saber quin costat de la peça de vidre és conductora.

4) A continuació, assegureu el vidre de la taula amb Sellotape mentre col·loqueu el costat conductor cap amunt.

5) Si teniu una pipeta, traieu una mica de crema o pasta de TiO2 i col·loqueu diverses gotes a la superfície conductora del got.

6) Després, amb una targeta de plàstic o una altra peça de vidre, colpeu bé les gotes. Proveu d’obtenir una capa uniforme fent lliscar suaument la peça de vidre sobre la pasta Tio2.

7) A continuació, traieu la cinta adhesiva al voltant del got, alliberant-la de la taula.

8) Es recomana coure el revestiment al forn o a foc obert com una estufa de gas. La temperatura prevista és d’uns 450 ° C. Un cop ajustada, organitzeu la pantalla de suport uns pocs centímetres per sobre de la flama del cremador i col·loqueu la peça de vidre amb recobriment de TiO2 a sobre.

9) La capa d'òxid de titani canviarà el seu color a marró al començament del procés de cocció a causa del seu contingut orgànic. Però heu d’assegurar-vos que el color del TiO2 canvia a blanc durant el final del procés.

10) Us aconsellem que permeti un temps de refredament adequat per al vidre, en cas contrari hi ha la possibilitat que es trenqui. Un consell és fer lliscar el vidre cap a una zona més fresca (generalment a prop de la vora) i no desplaçar-lo a corre-cuita de la pantalla calenta.

11) És hora de preparar el te de fruites amb aigua bullent. En el nostre experiment, hem utilitzat menys aigua i més bosses de te. Aboqueu la solució de te de fruita elaborada en un bol gran. Si no teniu bossetes de te de fruites, podeu anar amb suc de remolatxa vermella, suc de gerds o fins i tot tinta vermella.

12) Un cop la peça de vidre hagi assolit la temperatura ambient, podeu fer-la lliscar amb cura al bol i deixar-la remullar durant uns quants minuts.

13) A mesura que es produeix el procés de remull, podeu començar a cobrir el costat conductor d’una segona peça de vidre amb molt grafit que es pot obtenir a partir d’un llapis de plom. Aquest recobriment funcionarà com a catalitzador per transportar electrons a l’electròlit des de l’elèctrode.

14) A continuació, traieu la peça de vidre conductora del bany de te. La capa d’òxid de titani haurà absorbit el color del te (consulteu el centre de la imatge). Després d'això, esbandiu el got amb aigua neta o etanol i utilitzeu un assecador per desfer-vos de cada gota d’aigua .

15) A continuació, organitzeu les dues peces de vidre juntes amb les superfícies conductores enfrontades i els extrems desplaçats. Heu de tenir molta cura que les dues ulleres no es llisquin, ja que poden fer que es retiri el TiO2.

16) Després d'això, les peces de vidre es poden mantenir juntes utilitzant clips de paper (lleugerament modificats o amb sellotape normal embolicat al seu voltant).

17) Ara, afegiu l'electròlit entre les dues peces de vidre. Es recomana col·locar unes gotes d'electròlit a cada costat de les peces de vidre i es trauran entre les ulleres a causa de l'acció capil·lar.

18) Ja està, la vostra cèl·lula solar sensible a colorants a base de suc de fruita ja està a punt per provar-la. Amb el multímetre podeu mesurar la tensió (al voltant de 0,4 V) i el corrent (aproximadament 1 mA). A causa de la il·luminació de l’estudi, els resultats variaran una mica. A més, podeu utilitzar diversos clips de cocodril per ampliar més cèl·lules en sèrie.

No farem cas del segellat de les peces de vidre, tal com es fa amb cèl·lules solars industrialitzades sensibles al colorant. Això ens permet tornar a utilitzar els trossos de vidre i, en aquest cas, només cal separar-los i rentar bé les seves superfícies amb aigua i fregar-les suaument. Com que no és possible eliminar completament el recobriment de grafit, us recomanem que torneu a utilitzar el vidre contraelèctrode per a la finalitat exacta en futurs experiments.

Imatge cortesia: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0