Πώς να φτιάξετε ηλιακά κύτταρα ή ηλιακά κύτταρα με ευαισθησία στη βαφή από φρούτα τσάι

Η καινοτομία των ηλιακών κυττάρων που έχουν ευαισθητοποιηθεί στη βαφή έχει επεκτείνει τις δυνατότητες της συσκευής έως το σημείο που θα μπορούσε να αποβάλει εντελώς δαπανηρά ηλιακά κύτταρα πυριτίου.

Το παρακάτω άρθρο εξηγεί πώς μπορείτε εύκολα να κατασκευάσετε αυτό το ευέλικτο ευαισθητοποιημένο με ηλιακή κυψέλη χρωμάτων χρησιμοποιώντας πολύ συνηθισμένα υλικά.

Αυτό το πείραμα βασίζεται στην έννοια της χρήσης της οργανικής ένωσης σε φυτά, ιδιαίτερα οργανικών χρωστικών για να ενεργούν ως δότες ηλεκτρονίων σε ηλιακά κύτταρα.

Αντί για πυρίτιο ημιαγωγών στο ηλιακό στοιχείο, χρησιμοποιήσαμε οξείδιο τιτανίου (TiO2), το οποίο είναι επίσης ημιαγωγό. Οι ιδιότητες του TiO2 του επιτρέπουν να απορροφά το φως του ήλιου ακόμη καλύτερα εάν «ευαισθητοποιείται» με μια οργανική βαφή.

Η αποδοτικότητα των ηλιακών κυψελών που είναι ευαισθητοποιημένες με βαφή είναι 7% υψηλότερη από το ένα τρίτο της αποτελεσματικότητας των συμβατικών ηλιακών κυψελών. Αν και αυτό δεν είναι ένα μεγάλο πλεονέκτημα, τα ηλιακά κύτταρα που είναι ευαίσθητα στη βαφή είναι φθηνότερα λόγω της απλούστερης διαδικασίας κατασκευής σε σύγκριση με τα κύτταρα πυριτίου που είναι επίσης περίπλοκα.

Το ηλιακό κελί του μέλλοντος;

Αν και μπορεί να χρειαστούν λίγα χρόνια για να είναι εμπορικά επιτυχημένα τα ηλιακά κύτταρα που έχουν ευαισθητοποιήσει τη βαφή, θα παραμείνουν στο σωστό δρόμο με την προϋπόθεση ότι επιλύονται ορισμένα ζητήματα.

Πρώτον, τα ζητήματα μακροπρόθεσμης σταθερότητας των κυττάρων πρέπει να αντιμετωπιστούν καθώς το οξυγόνο τελικά το καταστρέφει με την πάροδο του χρόνου.

Μια κατάλληλη βαφή μπορεί να ληφθεί από σμέουρα ή τσάι φρούτων. Προσθέστε μερικά άλλα συστατικά όπως το γυαλί χαμηλής εκπομπής (χαμηλό Ε) και το οξείδιο του τιτανίου, και έχετε τον εαυτό σας όλα τα συστατικά για την κατασκευή του κιτ. Σε αυτό το πείραμα, χρησιμοποιούμε τσάι τριαντάφυλλων για την κόκκινη βαφή.

Απαιτούμενα υλικά

• Φύλλο από γυαλί (κομμάτια) με ένα ρεύμα αγώγιμο στρώμα στη μία πλευρά. Αυτά είναι διαθέσιμα σε κιτ και μπορείτε να τα βρείτε στο Διαδίκτυο. Εναλλακτικά, μπορείτε να πάτε με γυαλί χαμηλού Ε και αυτά μπορούν να ληφθούν από υαλοπίνακες, καθώς το υλικό ενσωματώνεται στην κατασκευή θερμομονωτικών παραθύρων. Συνιστούμε να πάρετε δύο κομμάτια με διάσταση 5 x 2 cm.
• TiO2 και πολυαιθυλενογλυκόλη. Το τελευταίο είναι ένα τυπικό συστατικό σε διάφορες αλοιφές, αλλά σε αυτό το πείραμα, χρησιμοποιείται για την εναιώρηση του οξειδίου του τιτανίου.
• Αυτά τα είδη μπορούν να αγοραστούν από έναν τοπικό φαρμακοποιό. Πρέπει επίσης να βεβαιωθείτε ότι η πολυαιθυλενογλυκόλη έχει μοριακό βάρος 300 εκτός από το ότι είναι υγρό.
• Εάν αγοράσετε το κιτ σας από το Διαδίκτυο, συνήθως έρχεται με μια λευκή ανάρτηση, η οποία διευκολύνει τα πράγματα. Μπορείτε να γνωρίζετε με βεβαιότητα ότι το μέγεθος των σωματιδίων του TiO2 είναι ακριβές (περίπου 20nm) και είναι εξαιρετικά απομονωμένο, κάτι που είναι εξαιρετικά δύσκολο να το αποκτήσετε εάν το κάνετε μόνοι σας.
• Μπορείτε να συμπεριλάβετε λευκή οδοντόκρεμα, Tipp-Ex, λευκό χρώμα ή παρόμοιες ουσίες που περιλαμβάνουν οξείδιο τιτανίου ως λευκαντικό.
• Σε αυτό το πείραμα, χρησιμοποιήσαμε ένα διάλυμα ιωδίου σε 65% αιθανόλη ως ηλεκτρολύτη. Αν και αυτό αποδίδει πολύ καλά, παράγει μόνο το ένα τρίτο τόσο ρεύματος όσο και του τυπικού ηλεκτρολύτη.
• Το τσάι φρούτων που χρησιμοποιείται στη δοκιμή μας είναι το τριαντάφυλλο, αλλά ο ιβίσκος λειτουργεί επίσης.
• Σόμπα αερίου και αναπτήρα.
• Μία εργαστηριακή βάση με σφιγκτήρα, δακτύλιο και οθόνη. Η λειτουργία της οθόνης είναι να στηρίζει το ποτήρι κατά το ψήσιμο.
• Μια πιπέτα, αλλά αν δεν έχετε, ένα κουταλάκι του γλυκού μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υποκατάστατο, αφήνοντας το εναιώρημα οξειδίου του τιτανίου να στάζει στο γυαλί.
• Λαβίδα, βραστήρα, τσαγιέρα, στεγνωτήρα μαλλιών και Sellotape.
• Ένα φύλλο αλουμινίου.
• Ένα τρυβλίο Petri ή ένα κανονικό επίπεδο μπολ ή σούπα.
• Μολύβι γραφίτη και ένα κομμάτι γυαλιού ή πλαστικής κάρτας για τη διάδοση του οξειδίου του τιτανίου.
• Ένα σετ πολυμέτρων.

Πώς λειτουργούν τα ηλιακά κύτταρα με ευαισθησία στη βαφή

Η κατασκευή ενός ηλιακού στοιχείου με ευαισθησία στη βαφή αποτελείται από δύο επίπεδα φύλλα γυαλιού με ηλεκτρικά αγώγιμο στρώμα στη μία πλευρά. Η αγώγιμη επικάλυψη κατασκευάζεται συνήθως από ένα μεταλλικό οξείδιο.

Μεταξύ των δύο τεμαχίων γυαλιού εντοπίζεται μια επικάλυψη reedy (περίπου 10 μm) κρυστάλλων TiO2 με μέγεθος περίπου 20 nm που έχει ψηθεί μαζί για να δημιουργήσει ένα πορώδες στρώμα.

Στη συνέχεια, η βαφή τοποθετείται σε αυτό το πορώδες επίχρισμα. Στη βιομηχανία, η βαφή που επιλέγεται για τα ευαισθητοποιημένα ηλιακά κύτταρα περιλαμβάνει ευγενές μέταλλο ρουθήνιο.

Ωστόσο, οι φυσικώς διαθέσιμες κόκκινες χρωστικές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για σκοπούς δοκιμής. Λόγω των απίστευτα μικρών μεγεθών των κρυστάλλων οξειδίου τιτανίου και των κενών μεταξύ τους, η πορώδης δομή περιέχει μια τεράστια αποτελεσματική επιφάνεια και η επίστρωση βαφής είναι εξαιρετικά λεπτή.

Αυτό είναι σημαντικό για τη σωστή λειτουργία, καθώς η βαφή είναι ένας άθλιος ηλεκτρικός αγωγός.

Τη στιγμή που μια ακτίνα φωτός χτυπά ένα μόριο βαφής, πυροδοτεί ένα ηλεκτρόνιο στο διοξείδιο του τιτανίου.

Τα ηλεκτρόνια συγκεντρώνονται στο αγώγιμο επίχρισμα (ηλεκτρόδιο εργασίας) τοποθετημένο μεταξύ του οξειδίου του τιτανίου και του υάλινου φύλλου.

Ένα άλλο αγώγιμο στρώμα είναι απαραίτητο από την άλλη πλευρά για να λειτουργεί ως αντίθετο ηλεκτρόδιο και το διάκενο μεταξύ των ηλεκτροδίων είναι εφοδιασμένο με ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη.

Εδώ εφαρμόζεται το απλό διάλυμα άλατος ιωδίου παρά ο βιομηχανικός ηλεκτρολύτης ακετονιτριλίου που είναι πολύ πτητικός και τοξικός. Τα μόρια τρι-ιωδιδίου στο διάλυμα ηλεκτρολύτη «αναγκάζονται» να φτάσουν με το αντίθετο ηλεκτρόδιο για να σχηματίσουν μόρια ιωδιούχου.

Αυτό συμβαίνει μόνο εάν ένας καταλύτης εισάγεται στο ηλεκτρόδιο και εκεί βρίσκεται ο γραφίτης από το μολύβι. Για βιομηχανικό επίπεδο, ο καταλύτης που χρησιμοποιείται είναι πολύ δαπανηρή πλατίνα.

Αυτό το πείραμα απαιτεί ηλεκτρόνια. Η περίσσεια ηλεκτρονίων στο άλλο ηλεκτρόδιο παράγει ηλεκτρικό δυναμικό στο οποίο μπορεί να αξιοποιηθεί.

Μια ροή ρεύματος μπορεί να συμβεί εάν τα ηλεκτρόδια συνδέονται εξωτερικά χρησιμοποιώντας φορτίο.

Τα μόρια ιωδιδίου εντός του διαλύματος παραιτούν τα ηλεκτρόνια στη βαφή και μετατρέπονται σε μόρια τρι-ιωδιδίου κατά τη διάρκεια της διαδικασίας η οποία σε αντάλλαγμα ολοκληρώνει το ηλεκτρικό κύκλωμα.

Το υπόστρωμα της ηλιακής κυψέλης είναι ένα κανονικό τζάμι παραθύρου πάχους περίπου 2 mm με ένα διαυγές, αγώγιμο στρώμα μεταλλικού οξειδίου (όπως το οξείδιο του ψευδαργύρου). Δυστυχώς, αυτή η επίστρωση δεν μπορεί να φτιαχτεί μόνοι σας.

Διαδικασίες βήμα προς βήμα

Οι διαδικασίες βήμα προς βήμα της κατασκευής του ηλιακού κυττάρου με ευαισθησία στη βαφή απεικονίζονται παρακάτω μέσω επεξηγήσεων και εικόνας.

Το μέγεθος σωματιδίων της σκόνης τιτανίου είναι περίπου 15-25 nm, όπως φαίνεται παρακάτω.

1. Ανακατέψτε το με πολυαιθυλενογλυκόλη , που είναι ένας λιπαρός παράγοντας γαλακτωματοποίησης και αναδεύεται προσεκτικά το σκεύασμα μέχρι να επιτευχθεί ιξώδης κρέμα.

2) Για τον ηλεκτρολύτη, μπορείτε να επιλέξετε ιώδιο σε αιθανόλη, αλλά τα αποτελέσματα μπορεί να είναι χαμηλότερα του μέσου όρου σε σύγκριση με τον εμπορικώς διαθέσιμο ηλεκτρολύτη redox.

3) Πιάστε μια μονάδα πολύμετρου και ρυθμίστε το εύρος αντίστασης για να μάθετε ποια πλευρά του γυαλιού είναι αγώγιμο.

4) Στη συνέχεια, στερεώστε το γυαλί στο τραπέζι χρησιμοποιώντας Sellotape ενώ τοποθετείτε την αγώγιμη πλευρά προς τα πάνω.

5) Εάν έχετε πιπέτα, βγάλτε λίγο από την κρέμα ή πάστα TiO2 και τοποθετήστε αρκετές σταγόνες στην αγώγιμη επιφάνεια του γυαλιού.

6) Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας πλαστική κάρτα ή διαφορετικό γυάλινο κομμάτι, χτυπήστε καλά τις σταγόνες. Δοκιμάστε να αποκτήσετε ένα ομοιόμορφο παλτό σύροντας απαλά το γυάλινο κομμάτι πάνω από την πάστα Tio2.

7) Στη συνέχεια, βγάλτε την ταινία προς τα έξω γύρω από το γυαλί, απελευθερώστε την από το τραπέζι.

8) Σας συνιστούμε να ψήνετε την επικάλυψη σε φούρνο ή πάνω σε ανοιχτή φλόγα σαν σόμπα αερίου. Η αναμενόμενη θερμοκρασία είναι περίπου 450 ° C. Μόλις ρυθμιστεί, τοποθετήστε την οθόνη στήριξης μόλις μερικά εκατοστά πάνω από τη φλόγα του καυστήρα και τοποθετήστε το γυάλινο κομμάτι με επίστρωση TiO2 πάνω του.

9) Το στρώμα οξειδίου του τιτανίου θα αλλάξει το χρώμα του σε καφέ στην αρχή της διαδικασίας ψησίματος λόγω της οργανικής του περιεκτικότητας. Αλλά πρέπει να διασφαλίσετε ότι το χρώμα του TiO2 αλλάζει σε λευκό κατά το τέλος της διαδικασίας.

10) Σας συνιστούμε ανεπιφύλακτα να επιτρέψετε τον κατάλληλο χρόνο ψύξης για το γυαλί, διαφορετικά υπάρχει πιθανότητα θραύσης. Μια συμβουλή είναι να σύρετε το γυαλί σε μια πιο δροσερή περιοχή (συνήθως κοντά στην άκρη) και να μην το μετατοπίζετε βιαστικά από την καυτή οθόνη.

11) Ήρθε η ώρα να προετοιμάσετε το τσάι φρούτων με βραστό νερό. Στο πείραμά μας, χρησιμοποιήσαμε λιγότερο νερό και περισσότερες σακούλες τσαγιού. Ρίχνουμε το παρασκευασμένο διάλυμα τσαγιού φρούτων σε ένα μεγάλο μπολ. Εάν δεν έχετε φακελάκια τσαγιού φρούτων, μπορείτε να πάτε με χυμό κόκκινων τεύτλων, χυμό βατόμουρου ή ακόμη και κόκκινο μελάνι.

12) Μόλις το γυάλινο κομμάτι επιτευχθεί γύρω από τη θερμοκρασία δωματίου, μπορείτε να το σύρετε προσεκτικά στο μπολ και να το αφήσετε να μουλιάσει για αρκετά λεπτά.

13) Καθώς η διαδικασία διαβροχής διέρχεται, μπορείτε να αρχίσετε να καλύπτετε την αγώγιμη πλευρά ενός δεύτερου γυάλινου κομματιού με πολύ γραφίτη που μπορείτε να λάβετε από μολύβι μολύβδου. Αυτή η επικάλυψη θα λειτουργεί ως καταλύτης για τη μεταφορά ηλεκτρονίων στον ηλεκτρολύτη από το ηλεκτρόδιο.

14) Στη συνέχεια, βγάλτε το αγώγιμο γυάλινο κομμάτι από το λουτρό τσαγιού. Το στρώμα οξειδίου του τιτανίου θα έχει απορροφήσει το χρώμα του τσαγιού (ανατρέξτε στο κέντρο της εικόνας). Μετά από αυτό, ξεπλύνετε το ποτήρι με καθαρό νερό ή αιθανόλη και χρησιμοποιήστε στεγνωτήρα μαλλιών για να απαλλαγείτε από κάθε σταγόνα νερό .

15) Στη συνέχεια, τακτοποιήστε τα δύο γυάλινα κομμάτια μαζί με τις αγώγιμες επιφάνειες που βλέπουν το ένα το άλλο και τα άκρα αντισταθμίζονται. Πρέπει να προσέξετε πολύ και τα δύο γυαλιά να μην γλιστρήσουν καθώς μπορεί να προκαλέσει το τρίψιμο του TiO2.

16) Μετά από αυτό, τα γυάλινα τεμάχια μπορούν να συγκρατηθούν μαζί χρησιμοποιώντας συνδετήρες (ελαφρώς τροποποιημένοι ή χρησιμοποιώντας κανονικό Sellotape τυλιγμένο γύρω τους.

17) Τώρα, προσθέστε τον ηλεκτρολύτη μεταξύ των δύο γυάλινων κομματιών. Συνιστάται να τοποθετείτε μερικές σταγόνες ηλεκτρολύτη σε κάθε πλευρά των γυάλινων κομματιών και να τραβηχτούν μεταξύ των γυαλιών λόγω τριχοειδούς δράσης.

18) Αυτό είναι, το ηλιακό κύτταρο με βάση το χυμό φρούτων σας είναι τώρα έτοιμο για δοκιμή. Χρησιμοποιώντας το πολύμετρο μπορείτε να μετρήσετε την τάση (περίπου 0,4 V) και το ρεύμα (περίπου 1 mA). Λόγω του φωτισμού του στούντιο, τα αποτελέσματα θα διαφέρουν λίγο. Επιπλέον, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε πολλά κλιπ κροκοδείλου για να επεκτείνετε περισσότερα κελιά σε σειρά.

Θα αγνοήσουμε το βήμα σφράγισης των γυάλινων τεμαχίων, όπως γίνεται με βιομηχανικά ηλιακά κύτταρα ευαισθητοποιημένα με βαφές. Αυτό μας επιτρέπει να χρησιμοποιήσουμε ξανά τα κομμάτια γυαλιού και σε αυτήν την περίπτωση, το μόνο που χρειάζεται να κάνετε είναι να τα διαχωρίσετε και να πλύνετε καλά τις επιφάνειές τους με νερό και να τα καθαρίσετε απαλά. Επειδή δεν είναι δυνατή η πλήρης αφαίρεση της επικάλυψης γραφίτη, γι 'αυτό σας συμβουλεύουμε να χρησιμοποιήσετε ξανά το γυαλί αντίθετου ηλεκτροδίου για τον ακριβή σκοπό σε μελλοντικά πειράματα.

Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0