Hur man gör färgämneskänslig solcell eller solcell från fruktte

Innovationen av färgkänsliga solceller har utökat enhetens potential upp till den punkt där den helt kan avvärja dyra kiselsolceller.

Följande artikel förklarar hur du enkelt kan konstruera denna mångsidiga färgkänsliga solcell med mycket vanliga material.

Detta experiment bygger på begreppet att använda den organiska föreningen i växter, särskilt organiska färgämnen för att fungera som elektrondonatorer i solceller.

I stället för ett halvledarmaterialkisel i solcellen har vi använt titanoxid (TiO2), som också är en halvledare. Egenskaperna hos TiO2 gör det möjligt att absorbera solljus ännu bättre om det är 'sensibiliserat' med ett organiskt färgämne.

Effektiviteten hos färgkänsliga solceller är 7% högre än en tredjedel av effektiviteten hos konventionella solceller. Även om detta inte är en stor fördel är färgkänsliga solceller billigare på grund av den enklare tillverkningsprocessen jämfört med kiselceller som också är komplicerade.

Framtidens solcell?

Även om det kan ta några år för de färgämneskänsliga solcellerna att bli kommersiellt framgångsrika kommer det att fortsätta på rätt väg förutsatt att vissa problem löses.

För det första måste cellernas långsiktiga stabilitetsfrågor hanteras eftersom syre så småningom skadar det över tiden.

Ett lämpligt färgämne kan tas ur hallon eller fruktte. Lägg till några andra komponenter som glas med låg emissivitet (låg E) och titanoxid, så har du själv alla ingredienser för att konstruera satsen. I det här experimentet använder vi roshuggte för det röda färgämnet.

Material som krävs

• Arkglas (bitar) med ett strömledande skikt på ena sidan. Dessa finns i kit och kan hittas online. Alternativt kan du använda låg E-glas och dessa kan erhållas från glasmaskiner, eftersom materialet ingår i tillverkningen av värmeisoleringsfönster. Vi rekommenderar att du får två stycken med en dimension på 5 x 2 cm.
• TiO2 och polyetylenglykol. Den senare är en standardingrediens i olika salvor men i detta experiment används den för att upphäva titanoxiden.
• Dessa artiklar kan köpas från en lokal kemist. Du måste också se till att polyetylenglykolen har en molekylvikt på 300 förutom att den är flytande.
• Om du köper ditt kit från internet kommer det vanligtvis med en vit upphängning, vilket gör det enklare. Du kan säkert veta att partikelstorleken på TiO2 är exakt (ca 20 nm) och fint isolerad, vilket är extremt utmanande att få om du gör det själv.
• Du kan inkludera vit tandkräm, Tipp-Ex, vit färg eller liknande ämnen som innehåller titanoxid som vitare.
• I detta experiment har vi använt en lösning av jod i 65% etanol som en elektrolyt. Även om detta fungerar bra, producerar det bara en tredjedel så mycket ström som för den typiska elektrolyten.
• Fruktte som används i vårt test är nypon, men hibiskus fungerar också.
• En gaskampspis och tändare.
• Ett laboratoriestativ med klämma, ring och skärm. Skärmens funktion är att stödja glaset under bakning.
• En pipett men om du inte har någon kan en tesked användas som ett substitut genom att låta titanoxidsuspensionen dribblas på glaset.
• Pincett, vattenkokare, tekanna, hårtork och Sellotape.
• Ett ark aluminiumfolie.
• En petriskål eller en vanlig platt skål eller soppfat.
• Grafitpenna och en bit glas eller plastkort för spridning av titanoxiden.
• En multimeteruppsättning.

Hur färgkänsliga solceller fungerar

Konstruktionen av en färgkänslig solcell består av två platta glasark med ett elektriskt ledande skikt på ena sidan. Den ledande beläggningen är vanligtvis tillverkad av en metalloxid.

En vass beläggning (ca 10 μm) av TiO2-kristaller som mäter cirka 20 nm som har bakats tillsammans för att skapa ett poröst skikt identifieras mellan de två glasbitarna.

Därefter placeras färgämnet på denna porösa beläggning. Inom branschen omfattar färgämnet som valts för de sensibiliserade solcellerna ädelmetall-rutenium.

Naturligt tillgängliga röda färgämnen kan dock användas för avsedd testning. På grund av de otroligt små storlekarna på titanoxidkristallerna och mellanrummen mellan dem innehåller den porösa strukturen en enorm effektiv ytarea och färgbeläggningen är anmärkningsvärt tunn.

Detta är avgörande för korrekt drift eftersom färgämnet är en elak elektrisk ledare.

I det ögonblick som en ljusstråle träffar en färgmolekyl skjuter den upp en elektron i titandioxiden.

Elektronerna samlas i den ledande beläggningen (arbetselektroden) placerad mellan titanoxiden och glasarket.

Ytterligare ett ledande skikt är nödvändigt på baksidan för att fungera som en motelektrod, och klyftan mellan elektroderna är försedd med en elektrolytlösning.

Det är här den enkla jodssaltlösningen appliceras snarare än den industriella acetonitrilelektrolyten som är mycket flyktig och giftig. Trijodidmolekylerna i elektrolytlösningen 'tvingas' att nå med motelektroden för att bilda jodidmolekyler.

Detta händer bara om en katalysator införs i elektroden och det är där grafiten från penna kommer in. För den industriella nivån är den använda katalysatorn mycket dyr platina.

Detta experiment kräver elektroner. Överskottet av elektroner på den andra elektroden ger en elektrisk potential som kan utnyttjas.

Ett strömflöde kan uppstå om elektroderna är anslutna externt med en belastning.

Jodidmolekylerna i lösningen avstår från elektroner till färgämnet och omvandlas till trijodidmolekyler under processen som i sin tur fullbordar den elektriska kretsen.

Solcellens substrat är ett normalt fönsterglas som är cirka 2 mm tjockt med ett klart, ledande metalloxidskikt (som zinkoxid). Tyvärr kan denna beläggning inte göras på egen hand.

Steg för steg-procedurer

Steg för steg-procedurer för framställning av den färgkänsliga solcellen illustreras nedan genom förklaringar och bild.

Partikelstorleken hos titanpulvret är cirka 15-25 nm, såsom visas nedan.

1. Blanda det med polyetylenglykol , som är ett oljigt emulgeringsmedel, och rör om kokningen försiktigt tills en viskös kräm uppnås.

2) För elektrolyten kan du välja jod i etanol, men resultaten kan vara under genomsnittet jämfört med kommersiellt tillgänglig redoxelektrolyt.

3) Ta tag i en multimeterenhet och ställ in motståndsområdet för att ta reda på vilken sida av glasstycket som är ledande.

4) Fäst sedan glaset på bordet med Sellotape medan du placerar den ledande sidan uppåt.

5) Om du har en pipett drar du ut lite av TiO2-grädden eller klistrar in och placerar flera droppar på glasets ledande yta.

6) Slå sedan dropparna ordentligt med ett plastkort eller ett annat glasstycke. Försök få en enhetlig päls genom att försiktigt skjuta glasstycket över Tio2-pastaen.

7) Dra sedan ut säljbandet runt glaset och frigör det från bordet.

8) Vi rekommenderar att du bakar beläggningen i en ugn eller över en öppen eld som en gasspis. Den förväntade temperaturen är cirka 450 ° C. När den är inställd, placera stödskärmen bara några centimeter ovanför brännarens flamma och placera glasstycket med TiO2-beläggning ovanpå den.

9) Titanoxidskiktet ändrar färg till brun i början av bakningsproceduren på grund av dess organiska innehåll. Men du måste se till att färgen på TiO2 ändras till vit under slutet av processen.

10) Vi ​​rekommenderar starkt att du tillåter rätt kyltid för glaset, annars finns det risk för att det splittras. Ett tips är att skjuta glaset till ett svalare område (vanligtvis nära kanten) och inte snabbt flytta det från den heta skärmen.

11) Det är dags att förbereda fruktte med kokande vatten. I vårt experiment använde vi mindre vatten och mer tepåsar. Häll den bryggda fruktte-lösningen i en stor skål. Om du inte har tepåsar med frukt kan du gå med rödbetor, hallonsaft eller till och med rött bläck.

12) När glasstycket har uppnått cirka rumstemperatur kan du försiktigt skjuta det i skålen och låta det blötläggas i flera minuter.

13) När blötläggningsprocessen genomgår kan du börja täcka den ledande sidan av ett andra glasstycke med mycket grafit som kan erhållas från en blypenna. Denna beläggning kommer att fungera som en katalysator för att transportera elektroner till elektrolyten från elektroden.

14) Ta sedan ut det ledande glasstycket från tebadet. Titanoxidskiktet har absorberat teets färg (se mitten på bilden). Skölj därefter glaset med rent vatten eller etanol och använd en hårtork för att bli av med varje droppe vatten .

15) Ordna sedan de två glasbitarna tillsammans med de ledande ytorna mot varandra och ändarna förskjutna. Du måste vara mycket noga med att båda glasögonen inte glider av, eftersom det kan leda till att TiO2 gnuggas av.

16) Efter detta kan glasbitarna hållas ihop med hjälp av gem (något modifierade eller med normal Sellotape lindad runt dem.

17) Lägg nu till elektrolyten mellan de två glasbitarna. Det rekommenderas att du placerar några droppar elektrolyt på vardera sidan av glasbitarna och de dras mellan glasen på grund av kapillärverkan.

18) Det är allt, din fruktjuicebaserade färgkänsliga solcell är nu redo för testning. Med multimetern kan du mäta spänningen (cirka 0,4 V) och strömmen (cirka 1 mA). På grund av belysningen i studion kommer resultaten att variera lite. Dessutom kan du använda flera krokodilklämmor för att förlänga fler celler i serie.

Vi kommer att bortse från steget att täta glasbitarna, som det görs med industrialiserade färgkänsliga solceller. Detta gör det möjligt för oss att använda glasbitarna igen och i så fall är allt du behöver göra att separera dem och tvätta ytorna noggrant med vatten och skrubba dem försiktigt. Eftersom det inte är möjligt att ta bort grafitbeläggningen helt, rekommenderar vi att använda motelektrodglaset igen för det exakta ändamålet i framtida experiment.

Bild med tillstånd: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0