Hvordan lage fargefølsomme solceller eller solceller fra fruktte

Innovasjonen med fargestoffsensibiliserte solceller har utvidet enhetens potensial til det punktet at det kan fjerne dyre silisiumceller helt.

Den følgende artikkelen forklarer hvordan du enkelt kan konstruere denne allsidige fargestoffsensibiliserte solcellen ved hjelp av helt vanlige materialer.

Dette eksperimentet er avhengig av konseptet med å bruke den organiske forbindelsen i planter, spesielt organiske fargestoffer for å fungere som elektrondonorer i solceller.

I stedet for et halvledermateriale silisium i solcellen har vi brukt titanoksid (TiO2), som også er en halvleder. Egenskapene til TiO2 gjør det mulig å absorbere sollys enda bedre hvis det er 'sensibilisert' med et organisk fargestoff.

Effektiviteten til fargestoffsensibiliserte solceller er 7% høyere enn en tredjedel av effektiviteten til konvensjonelle solceller. Selv om dette ikke er en stor fordel, er fargestoffsensibiliserte solceller billigere på grunn av den enklere produksjonsprosessen sammenlignet med silisiumceller som også er kompliserte.

Fremtidens solcelle?

Selv om det kan ta noen år for de fargestoffsensibiliserte solcellene å være kommersielt vellykkede, vil det holde seg på rett vei forutsatt at visse problemer blir løst.

For det første må langsiktige stabilitetsproblemer i cellene takles ettersom oksygen til slutt ødelegger det over tid.

Et passende fargestoff kan tas ut av bringebær eller fruktte. Legg til noen få andre komponenter som glass med lav emissivitet (lav-E) og titanoksid, og du har selv alle ingrediensene for å konstruere settet. I dette eksperimentet bruker vi roseskipte til det røde fargestoffet.

Nødvendig materiale

• Arkglass (stykker) med et strømledende lag på den ene siden. Disse er tilgjengelige i sett og kan bli funnet online. Alternativt kan du gå med lite E-glass, og disse kan fås fra glassmaskiner, da materialet er innlemmet i produksjonen av varmeisolasjonsvinduer. Vi anbefaler å få to stykker med en dimensjon på 5 x 2 cm.
• TiO2 og polyetylenglykol. Sistnevnte er en standard ingrediens i forskjellige salver, men i dette eksperimentet brukes den til å suspendere titanoksydet.
• Disse artiklene kan kjøpes fra en lokal kjemiker. Du må også sørge for at polyetylenglykolen har en molekylvekt på 300 i tillegg til å være flytende.
• Hvis du kjøper settet ditt fra internett, kommer det vanligvis med en hvit suspensjon, noe som gjør ting enklere. Du kan helt sikkert vite at partikkelstørrelsen til TiO2 er presis (ca. 20 nm) og finisolert, noe som er ekstremt utfordrende å oppnå hvis du gjør det selv.
• Du kan inkludere hvit tannkrem, Tipp-Ex, hvit maling eller lignende stoffer som inneholder titanoksid som blekemiddel.
• I dette eksperimentet har vi brukt en løsning av jod i 65% etanol som en elektrolytt. Selv om dette fungerer bra, produserer det bare en tredjedel så mye strøm som for den typiske elektrolytten.
• Fruktte som ble brukt i testen vår er nypen, men hibiskus fungerer også.
• En gasscampingovn og lighter.
• Ett laboratoriestativ med klemme, ring og skjerm. Skjermens funksjon er å støtte glasset under baking.
• En pipette, men hvis du ikke har noen, kan en teskje brukes som erstatning ved å la titanoksydsuspensjonen dryppe på glasset.
• Pincett, vannkoker, tekanne, hårføner og selotape.
• Et ark aluminiumsfolie.
• En petriskål eller en vanlig flat bolle eller suppetallerken.
• Grafitt blyant og et stykke glass eller plastkort for spredning av titanoksyd.
• Ett multimeter sett.

Hvordan fargestoffsensibiliserte solceller fungerer

Konstruksjonen av en fargestoffsensibilisert solcelle består av to flate glassplater med et elektrisk ledende lag på den ene siden. Det ledende belegget er ofte laget av et metalloksyd.

Et tynt belegg (ca. 10 mikrometer) av TiO2-krystaller som måler ca. 20 nm som er bakt sammen for å skape et porøst lag, blir identifisert mellom de to glassbitene.

Deretter plasseres fargestoffet på dette porøse belegget. I bransjen består fargestoffet som er valgt for de sensibiliserte solcellene edelt metall ruthenium.

Imidlertid kan naturlig tilgjengelige røde fargestoffer brukes til målrettet testing. På grunn av de utrolig små størrelsene på titanoksydkrystallene og hullene mellom dem, inneholder den porøse strukturen et enormt effektivt overflateareal, og fargestoffbelegget er bemerkelsesverdig tynt.

Dette er avgjørende for riktig drift siden fargestoffet er en elendig elektrisk leder.

I det øyeblikket en lysstråle treffer et fargestoffmolekyl, skyter det opp et elektron i titandioksydet.

Elektronene samles i det ledende belegget (arbeidselektroden) plassert mellom titanoksydet og glassplaten.

Ytterligere et ledende lag er nødvendig på baksiden for å fungere som en motelektrode, og gapet mellom elektrodene er utstyrt med en elektrolyttløsning.

Dette er hvor den enkle jodssaltløsningen påføres i stedet for den industrielle acetonitrilelektrolytten som er veldig flyktig og giftig. Trijodidmolekylene i elektrolyttløsningen blir 'tvunget' til å nå med motelektroden for å danne jodidmolekyler.

Dette skjer bare hvis en katalysator blir introdusert til elektroden, og det er her grafitten fra blyanten kommer inn. For det industrielle nivået er katalysatoren som er svært kostbar platina.

Dette eksperimentet krever elektroner. Overskuddet av elektroner på den andre elektroden produserer et elektrisk potensial som kan tappes inn i.

En strøm kan oppstå hvis elektrodene er koblet utvendig ved hjelp av en belastning.

Jodidmolekylene i løsningen fraskriver seg elektroner til fargestoffet og konverterer til trijodidmolekyler under prosessen, som til gjengjeld fullfører den elektriske kretsen.

Underlaget til solcellen er et normalt vindusglass som er rundt 2 mm tykt med et klart, ledende metalloksydlag (som sinkoksid). Dessverre kan ikke dette belegget lages på egen hånd.

Fremgangsmåte trinn for trinn

De trinnvise prosedyrene for fremstilling av den fargestoffsensibiliserte solcellen er illustrert nedenfor gjennom forklaringer og bilde.

Partikkelstørrelsen til titanpulveret er rundt 15-25 nm, som vist nedenfor.

1. Bland det med polyetylenglykol , som er et oljeaktig emulgeringsmiddel, og rør blandingen forsiktig til en viskøs krem ​​oppnås.

2) For elektrolytten kan du velge jod i etanol, men resultatene kan være under gjennomsnittet sammenlignet med kommersielt tilgjengelig redokselektrolytt.

3) Ta tak i en multimeterenhet og still inn motstandsområdet for å finne ut hvilken side av glassstykket som er ledende.

4) Fest deretter glasset på bordet ved å bruke sellotape mens du legger den ledende siden for å vende opp.

5) Hvis du har en pipette, trekker du ut litt av TiO2-kremen eller limer inn, og legger flere dråper på glassets ledende overflate.

6) Slå deretter dråpene grundig med et plastkort eller et annet glassstykke. Prøv å få et jevnt strøk ved å skyve glassstykket forsiktig over Tio2-limen.

7) Deretter trekker du ut selobåndet rundt glasset og frigjør det fra bordet.

8) Vi anbefaler å bake belegget i en ovn eller over åpen ild som en gasskomfyr. Den forventede temperaturen er rundt 450 ° C. Når den er satt, ordner du støtteskjermen bare noen få centimeter over brenneflammen og plasserer glassstykket med TiO2-belegg på toppen av den.

9) Titanoksydlaget vil endre fargen til brun ved begynnelsen av bakeprosedyren på grunn av det organiske innholdet. Men du må sørge for at fargen på TiO2 endres til hvit underveis i prosessen.

10) Vi ​​anbefaler på det sterkeste at du tillater riktig kjølingstid for glasset, ellers er det en sjanse for at det knuses. Et tips er å skyve glasset til et kjøligere område (vanligvis nær kanten) og ikke raskt flytte det fra den varme skjermen.

11) Det er på tide å tilberede fruktteen med kokende vann. I eksperimentet vårt brukte vi mindre vann og mer teposer. Hell den bryggede fruktte-løsningen i en stor bolle. Hvis du ikke har fruktteposer, kan du gå med rødbeterjuice, bringebærjuice eller til og med rødt blekk.

12) Når glassstykket har nådd rundt romtemperatur, kan du forsiktig skyve det i bollen og la det trekke i flere minutter.

13) Når bløtleggingsprosessen gjennomgår, kan du begynne å dekke den ledende siden av et andre glassstykke med mye grafitt som kan fås fra en blyblyant. Dette belegget vil fungere som en katalysator for transport av elektroner til elektrolytten fra elektroden.

14) Ta deretter ut det ledende glassstykket fra tebadet. Titanoksydlaget vil ha absorbert fargen på teen (se midten av bildet). Etter det, skyll glasset med rent vann eller etanol og bruk en hårføner for å kvitte deg med hver dråpe vann .

15) Deretter ordner du de to glassbitene sammen med de ledende overflatene mot hverandre og endene forskjøvet. Du må være nøye med at begge brillene ikke glir av, da det kan føre til at TiO2 blir gnidd av.

16) Etter dette kan glassbitene holdes sammen ved hjelp av binders (litt modifisert eller ved bruk av vanlig sellotape viklet rundt dem.

17) Tilsett nå elektrolytten mellom de to glassbitene. Det anbefales at du legger noen dråper elektrolytt på hver side av glassbitene, og de trekkes mellom glassene på grunn av kapillærvirkning.

18) Det er det, din fruktjuicebaserte fargestoffsensibiliserte solcelle er nå klar for testing. Ved hjelp av multimeteret kan du måle spenningen (rundt 0,4 V) og strømmen (ca. 1 mA). På grunn av belysningen i studioet vil resultatene variere litt. Videre kan du bruke flere krokodilleklipp for å utvide flere celler i serie.

Vi vil se bort fra trinnet med å forsegle glassbitene, som gjort med industrialiserte fargestoffsensibiliserte solceller. Dette tillater oss å bruke glassbitene igjen, og i så fall er alt du trenger å gjøre å skille dem og vaske overflatene grundig med vann og skrubbe dem forsiktig. Fordi det ikke er mulig å fjerne grafittbelegget, anbefaler vi at du bruker motelektrodeglasset igjen for det nøyaktige formålet i fremtidige eksperimenter.

Bilde med tillatelse: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0