Hvordan man laver farvestoffølsom solcelle eller solcelle fra frugtte

Innovationen af ​​farvestofsensibiliserede solceller har udvidet enhedens potentiale op til det punkt, hvor det måske fuldstændigt udkaster dyre silicium-solceller.

Den følgende artikel forklarer, hvordan du nemt kan konstruere denne alsidige farvesensibiliserede solcelle ved hjælp af meget almindelige materialer.

Dette eksperiment bygger på begrebet at bruge den organiske forbindelse i planter, især organiske farvestoffer til at fungere som elektrondonorer i solceller.

I stedet for et halvledermateriale silicium i solcellen har vi brugt titaniumoxid (TiO2), som også er en halvleder. Egenskaberne af TiO2 gør det muligt at absorbere sollys endnu bedre, hvis det er 'sensibiliseret' med et organisk farvestof.

Effektiviteten af ​​farvestofsensibiliserede solceller er 7% højere end en tredjedel af effektiviteten af ​​konventionelle solceller. Selvom dette ikke er en bred fordel, er farvesensibiliserede solceller billigere på grund af den enklere fremstillingsproces sammenlignet med siliciumceller, som også er komplicerede.

Fremtidens solcelle?

Selvom det kan tage et par år for de farvestoffølsomme solceller at være kommercielt vellykkede, vil det forblive på den rigtige vej, forudsat at visse problemer løses.

For det første skal langsigtede stabilitetsproblemer i cellerne tackles, da ilt til sidst beskadiger det over tid.

Et passende farvestof kan tages ud af hindbær eller frugtte. Tilføj et par andre komponenter som lavemissivitet (lav-E) glas og titaniumoxid, og du har selv alle ingredienserne til at konstruere sættet. I dette eksperiment bruger vi roseskibste til det røde farvestof.

Nødvendige materialer

• Pladeglas (stykker) med et strømledende lag på den ene side. Disse fås i sæt og kan findes online. Alternativt kan du gå med low-E-glas, og disse kan fås fra glasmaskiner, da materialet er inkorporeret i fremstillingen af ​​varmeisoleringsvinduer. Vi anbefaler at få to stykker med en dimension på 5 x 2 cm.
• TiO2 og polyethylenglycol. Sidstnævnte er en standardbestanddel i forskellige salver, men i dette eksperiment bruges den til at suspendere titaniumoxidet.
• Disse varer kan købes hos en lokal kemiker. Du skal også sørge for, at polyethylenglycol har en molekylvægt på 300 ud over at være flydende.
• Hvis du køber dit kit fra internettet, leveres det normalt med en hvid suspension, hvilket gør tingene lettere. Du kan helt sikkert vide, at partikelstørrelsen på TiO2 er præcis (ca. 20 nm) og fint isoleret, hvilket er ekstremt udfordrende at få, hvis du selv gør det.
• Du kan medtage hvid tandpasta, Tipp-Ex, hvid maling eller lignende stoffer, der indeholder titaniumoxid som hvidere.
• I dette eksperiment har vi brugt en opløsning af jod i 65% ethanol som en elektrolyt. Selvom dette fungerer godt, producerer det kun en tredjedel så meget strøm som den typiske elektrolyt.
• Frugtte, der blev brugt i vores test, er hyben, men hibiscus fungerer også.
• En gascampingovn og lighter.
• Et laboratoriestativ med klemme, ring og skærm. Skærmens funktion er at støtte glasset under bagning.
• En pipette, men hvis du ikke har nogen, kan en teske bruges som en erstatning ved at lade titaniumoxidsuspensionen dryppe på glasset.
• Pincet, kedel, tekande, hårtørrer og sellotape.
• Et ark aluminiumsfolie.
• En petriskål eller en almindelig flad skål eller suppetallerken.
• Grafitblyant og et stykke glas eller plastkort til spredning af titaniumoxid.
• Et multimeter sæt.

Hvordan farvesensibiliserede solceller fungerer

Konstruktionen af ​​en farvesensibiliseret solcelle består af to flade glasplader med et elektrisk ledende lag på den ene side. Den ledende belægning er almindeligvis fremstillet af et metaloxid.

En reedybelægning (ca. 10 um) af TiO2-krystaller, der måler ca. 20 nm, er bagt sammen for at skabe et porøst lag, identificeres mellem de to glasstykker.

Derefter placeres farvestoffet på denne porøse belægning. I branchen omfatter farvestoffet, der er valgt til de sensibiliserede solceller, ædelmetal-ruthenium.

Imidlertid kan naturligt tilgængelige røde farvestoffer anvendes til målrettet test. På grund af titaniumoxidkrystallernes utroligt små størrelser og mellemrummene imellem dem indeholder den porøse struktur et enormt effektivt overfladeareal, og farvestofbelægningen er bemærkelsesværdig tynd.

Dette er afgørende for korrekt drift, da farvestoffet er en elendig elektrisk leder.

I det øjeblik en lysstråle rammer et farvestofmolekyle, skyder det en elektron op i titandioxiden.

Elektronerne samles i den ledende belægning (arbejdselektrode) placeret mellem titaniumoxidet og glaspladen.

Et yderligere ledende lag er nødvendigt på bagsiden for at fungere som en modelektrode, og afstanden mellem elektroderne er forsynet med en elektrolytopløsning.

Det er her, den enkle iodsaltopløsning påføres snarere end den industrielle acetonitrilelektrolyt, som er meget flygtig og giftig. Tri-iodidmolekylerne i elektrolytopløsningen 'tvinges' til at nå ud med modelektroden for at danne iodidmolekyler.

Dette sker kun, hvis en katalysator indføres i elektroden, og det er her grafitten fra blyanten kommer ind. På det industrielle niveau er den anvendte katalysator meget dyr platin.

Dette eksperiment kræver elektroner. Overskuddet af elektroner på den anden elektrode producerer et elektrisk potentiale, der kan tappes ind i.

En strøm kan opstå, hvis elektroderne er forbundet eksternt ved hjælp af en belastning.

Jodidmolekylerne i opløsningen afviser elektroner til farvestoffet og konverterer til tri-iodidmolekyler under processen, som til gengæld fuldender det elektriske kredsløb.

Solcellens underlag er et normalt vinduesglas, der er omkring 2 mm tykt med et klart, ledende metaloxidlag (som zinkoxid). Desværre kan denne belægning ikke laves i din egen.

Trin for trin-procedurer

De trinvise procedurer til fremstilling af den farvestoffølsomme solcelle er illustreret nedenfor gennem forklaringer og billede.

Partikelstørrelsen af ​​titanpulveret er omkring 15-25 nm, som vist nedenfor.

1. Bland det med Polyethylenglycol , som er et olieagtigt emulgeringsmiddel, og omrør blandingen forsigtigt, indtil der opnås en viskøs creme.

2) For elektrolytten kan du vælge jod i ethanol, men resultaterne kan være under gennemsnittet sammenlignet med kommercielt tilgængelig redoxelektrolyt.

3) Tag fat i en multimeterenhed, og indstil modstandsområdet for at finde ud af, hvilken side af glasstykket er ledende.

4) Fastgør derefter glasset på bordet ved hjælp af Sellotape, mens du placerer den ledende side opad.

5) Hvis du har en pipette, skal du trække noget af TiO2-cremen eller pastaen ud og placere flere dråber på glassets ledende overflade.

6) Slå dråberne grundigt med et plastkort eller et andet glasstykke. Prøv at få en ensartet frakke ved forsigtigt at skubbe glasstykket over Tio2-pastaen.

7) Træk derefter sellotape op rundt om glasset for at frigøre det fra bordet.

8) Vi anbefaler at bage belægningen i en ovn eller over en åben ild som en gaskomfur. Den forventede temperatur er omkring 450 ° C. Når den er indstillet, skal du placere støtteskærmen kun et par centimeter over brænderflammen og placere glasstykket med TiO2-belægning oven på den.

9) Titaniumoxidlaget ændrer sin farve til brun i begyndelsen af ​​bagningsproceduren på grund af dets organiske indhold. Men du er nødt til at sikre, at farven på TiO2 skifter til hvid under afslutningen af ​​processen.

10) Vi ​​anbefaler kraftigt at tillade korrekt afkølingstid for glasset, ellers er der en chance for, at det knuses. Et tip er at skubbe glasset til et køligere område (normalt nær kanten) og ikke hurtigt skubbe det fra den varme skærm.

11) Det er tid til at forberede frugtteen med kogende vand. I vores eksperiment brugte vi mindre vand og flere teposer. Hæld den bryggede frugtteopløsning i en stor skål. Hvis du ikke har frugt-teposer, kan du gå med rødbedsaft, hindbærjuice eller endda rødt blæk.

12) Når glasstykket har opnået omkring stuetemperatur, kan du forsigtigt skubbe det i skålen og lade det trænge igennem i flere minutter.

13) Når blødgøringsprocessen gennemgår, kan du begynde at dække den ledende side af et andet glasstykke med meget grafit, som kan fås fra en blyblyant. Denne belægning fungerer som en katalysator til transport af elektroner til elektrolytten fra elektroden.

14) Tag derefter det ledende glasstykke ud af tebadet. Titaniumoxidlaget vil have absorberet teens farve (se midten af ​​billedet). Derefter skylles glasset med rent vand eller ethanol og Brug en hårtørrer til at slippe af med hver dråbe vand .

15) Arranger derefter de to glasstykker sammen med de ledende overflader mod hinanden og enderne forskudt. Du skal være meget forsigtig med, at begge briller ikke glider af, da det kan få TiO2 til at blive gnides af.

16) Herefter kan glasstykkerne holdes sammen ved hjælp af papirclips (let modificeret eller ved hjælp af almindelig sellotape viklet omkring dem.

17) Tilsæt nu elektrolytten mellem de to glasstykker. Det anbefales, at du placerer et par dråber elektrolyt på hver side af glasstykkerne, og de trækkes mellem glassene på grund af kapillærvirkning.

18) Det er det, din frugtsaftbaserede farvestofsensibiliserede solcelle er nu klar til test. Ved hjælp af multimeteret kan du måle spændingen (ca. 0,4 V) og strømmen (ca. 1 mA). På grund af belysningen i studiet vil resultaterne variere lidt. Desuden kan du bruge flere krokodilleklip til at udvide flere celler i serie.

Vi vil se bort fra trinnet med at forsegle glasstykkerne, som det gøres med industrialiserede farvestoffølsomme solceller. Dette tillader os at bruge glasstykkerne igen, og i så fald er alt hvad du skal gøre, at adskille dem og vaske deres overflader grundigt med vand og skrubbe dem forsigtigt. Fordi det ikke er muligt at fjerne grafitbelægningen fuldstændigt, anbefaler vi at bruge modelektrodeglasset igen til det nøjagtige formål i fremtidige eksperimenter.

Billede med tilladelse: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0