Jak si vyrobit solární článek nebo solární článek citlivý na barvivo z ovocného čaje

Inovace solárních článků citlivých na barvivo rozšířila potenciál zařízení až do bodu, kdy by mohl zcela vyloučit nákladné křemíkové solární články.

Následující článek vysvětluje, jak můžete snadno vyrobit tento všestranný solární článek citlivý na barvivo pomocí velmi běžných materiálů.

Tento experiment se opírá o koncept využití organické sloučeniny v rostlinách, zejména organických barviv, které působí jako donory elektronů v solárních článcích.

Namísto polovodičového materiálu křemíku v solárním článku jsme použili oxid titaničitý (TiO2), který je také polovodič. Vlastnosti TiO2 mu umožňují ještě lépe absorbovat sluneční světlo, pokud je „senzibilizováno“ organickým barvivem.

Účinnost solárních článků citlivých na barvivo je o 7% vyšší než třetina účinnosti konvenčních solárních článků. I když to není velká výhoda, solární články citlivé na barvivo jsou levnější kvůli jednoduššímu výrobnímu procesu ve srovnání se silikonovými články, které jsou také komplikované.

Solární článek budoucnosti?

Ačkoli může komerčně úspěšné solární články citlivé na barvivo trvat několik let, zůstanou na správné cestě, pokud budou některé problémy vyřešeny.

Nejprve je třeba řešit problémy s dlouhodobou stabilitou buněk, protože kyslík ho nakonec časem poškodí.

Z malin nebo ovocného čaje lze odebrat vhodné barvivo. Přidejte několik dalších komponent, jako je sklo s nízkou emisivitou (low-E) a oxid titaničitý, a máte všechny ingredience pro konstrukci soupravy. V tomto experimentu používáme růžový čaj pro červené barvivo.

Potřebné materiály

• Tabulové sklo (kusy) s vrstvou vodivou pro proud na jedné straně. Jsou k dispozici v sadách a lze je najít online. Alternativně můžete použít sklo s nízkým E, které lze získat od sklenářů, protože materiál je začleněn do výroby tepelně izolačních oken. Doporučujeme pořídit dva kusy o rozměru 5 x 2 cm.
• TiO2 a polyethylenglykol. Ta je standardní přísadou různých mastí, ale v tomto experimentu se používá k suspendování oxidu titaničitého.
• Tyto položky lze zakoupit od místního chemika. Musíte se také ujistit, že polyethylenglykol má kromě tekutosti také molekulovou hmotnost 300.
• Pokud si zakoupíte soupravu z internetu, obvykle je dodávána s bílým odpružením, což věci usnadňuje. Určitě můžete vědět, že velikost částic TiO2 je přesná (přibližně 20 nm) a jemně izolovaná, což je nesmírně náročné získat, pokud to děláte sami.
• Jako bělidlo můžete přidat bílou zubní pastu, Tipp-Ex, bílou barvu nebo podobné látky obsahující oxid titaničitý.
• V tomto experimentu jsme jako elektrolyt použili roztok jódu v 65% ethanolu. I když to funguje dobře, produkuje pouze jednu třetinu stejného proudu jako typický elektrolyt.
• Ovocný čaj použitý v našem testu je šípkový, ale ibišek také funguje.
• Kempovací kamna a zapalovač.
• Jeden laboratorní stojan se svorkou, kroužkem a obrazovkou. Úlohou obrazovky je podepřít sklenici během pečení.
• Pipeta, ale pokud žádnou nemáte, můžete použít čajovou lžičku jako náhradu tím, že necháte na sklenici kapat suspenzi oxidu titaničitého.
• Pinzeta, rychlovarná konvice, konvice, fén a páska Sellotape.
• List hliníkové fólie.
• Petriho miska nebo běžná plochá mísa nebo talíř na polévku.
• Grafitová tužka a kousek skleněné nebo plastové karty pro rozprostření oxidu titaničitého.
• Sada jednoho multimetru.

Jak fungují solární články citlivé na barvivo

Konstrukt solárního článku citlivého na barvivo je tvořen dvěma plochými tabulemi skla s elektricky vodivou vrstvou na jedné straně. Vodivý povlak je obvykle vyroben z oxidu kovu.

Mezi dvěma kousky skla je identifikován reedový povlak (přibližně 10 μm) krystalů TiO2 o rozměrech přibližně 20 nm, který byl společně vypálen za vzniku porézní vrstvy.

Poté se barvivo umístí na tento porézní povlak. V průmyslu obsahuje barvivo vybrané pro senzibilizované solární články ruthenium z ušlechtilého kovu.

Přirozeně dostupná červená barviva však mohou být použita pro účelové testování. Kvůli neuvěřitelně nepatrným velikostem krystalů oxidu titaničitého a mezerám mezi nimi obsahuje porézní struktura velkou účinnou plochu a povlak barviva je pozoruhodně tenký.

To je zásadní pro správnou funkci, protože barvivo je mizerný elektrický vodič.

V okamžiku, kdy světelný paprsek zasáhne molekulu barviva, vystřelí elektron do oxidu titaničitého.

Elektrony se shromažďují ve vodivém povlaku (pracovní elektrodě) umístěném mezi oxidem titanu a skleněnou tabulí.

K převrácení je nutná ještě jedna vodivá vrstva, aby fungovala jako protielektroda a mezera mezi elektrodami je opatřena roztokem elektrolytu.

To je místo, kde se používá jednoduchý roztok jodové soli, spíše než průmyslový acetonitrilový elektrolyt, který je velmi těkavý a toxický. Molekuly trijodidu v roztoku elektrolytu jsou „nuceny“ dosáhnout protielektrodou a vytvořit molekuly jodidu.

K tomu dochází, pouze pokud je do elektrody zaveden katalyzátor, a to je místo, kde vstupuje grafit z tužky. Pro průmyslovou úroveň je použitým katalyzátorem vysoce nákladná platina.

Tento experiment vyžaduje elektrony. Přebytek elektronů na druhé elektrodě produkuje elektrický potenciál, do kterého lze proniknout.

Pokud jsou elektrody připojeny externě pomocí zátěže, může dojít k toku proudu.

Jodidové molekuly v roztoku se vzdají elektronů barvivu a během procesu, který na oplátku dokončí elektrický obvod, se přemění na molekuly trijodidu.

Substrát solárního článku je normální okenní sklo o tloušťce přibližně 2 mm s čirou vodivou vrstvou oxidu kovu (jako oxid zinečnatý). Tento povlak bohužel nelze vyrobit sami.

Postupy krok za krokem

Postupy výroby solárního článku citlivého na barvivo jsou vysvětleny níže a na obrázku.

Velikost částic titanového prášku je kolem 15-25 nm, jak je uvedeno níže.

1. Smíchejte to s polyethylenglykol , což je olejové emulgační činidlo, a směs opatrně míchejte, dokud nedosáhnete viskózního krému.

2) U elektrolytu se můžete rozhodnout pro jód v ethanolu, ale výsledky mohou být pod průměrem ve srovnání s komerčně dostupným redoxním elektrolytem.

3) Popadněte jednotku multimetru a nastavte rozsah odporu, abyste zjistili, která strana skleněného kusu je vodivá.

4) Dále připevněte sklo na stole pomocí lepicí pásky Sellotape a vodivou stranou směrem nahoru.

5) Pokud máte pipetu, vytáhněte část krému nebo pasty TiO2 a naneste několik kapek na vodivý povrch sklenice.

6) Poté pomocí plastové karty nebo jiného skleněného kousku kapky důkladně udeřte. Zkuste získat rovnoměrný kabát jemným nasunutím skleněného kusu přes pastu Tio2.

7) Dále vytáhněte lepicí pásku kolem sklenice a uvolněte ji ze stolu.

8) Doporučujeme pečení povlaku v troubě nebo na otevřeném plameni, jako je plynový sporák. Očekávaná teplota je kolem 450 ° C. Jakmile je nastaveno, umístěte podpůrné síto jen o několik centimetrů nad plamen hořáku a umístěte skleněný kus s povlakem TiO2 na jeho horní část.

9) Vrstva oxidu titaničitého změní na začátku pečení barvu na hnědou kvůli svému organickému obsahu. Musíte však zajistit, aby se barva TiO2 na konci procesu změnila na bílou.

10) Důrazně doporučujeme ponechat správnou dobu chlazení skla, jinak existuje šance, že se rozbije. Tip je sklouznout sklo do chladnější oblasti (obvykle blízko okraje) a nepospíchat ho z horké obrazovky.

11) Je čas připravit ovocný čaj vroucí vodou. V našem experimentu jsme použili méně vody a více čajových sáčků. Nalijte roztok uvařeného ovocného čaje do velké misky. Pokud nemáte ovocné čajové sáčky, můžete si dát šťávu z červené řepy, malinovou šťávu nebo dokonce červený inkoust.

12) Jakmile skleněný kus dosáhne teploty okolí, můžete jej opatrně zasunout do misky a nechat několik minut nasáknout.

13) Jak proces namáčení prochází, můžete začít pokrýt vodivou stranu druhého skleněného kusu velkým množstvím grafitu, který lze získat z olověné tužky. Tento povlak bude fungovat jako katalyzátor pro přenos elektronů do elektrolytu z elektrody.

14) Poté vyjměte vodivý skleněný kousek z čajové lázně. Vrstva oxidu titaničitého absorbuje barvu čaje (viz střed obrázku). Poté opláchněte sklenici čistou vodou nebo ethanolem a použijte fén, abyste se zbavili každé kapky vody .

15) Dále uspořádejte dva skleněné kousky společně s vodivými povrchy obrácenými k sobě a konce odsazené. Musíte dávat velký pozor, aby obě brýle nesklouzly, protože by to mohlo způsobit setření TiO2.

16) Poté mohou být skleněné kousky drženy pohromadě pomocí kancelářských sponek (mírně upravených nebo pomocí běžné pásky Sellotape kolem nich).

17) Nyní přidejte elektrolyt mezi dva skleněné kousky. Doporučuje se nanést na každou stranu skleněných kousků několik kapek elektrolytu, které se díky kapilárnímu působení natáhnou mezi sklenice.

18) A je to, váš solární článek na bázi barviva citlivý na ovocné šťávy je nyní připraven k testování. Pomocí multimetru můžete měřit napětí (kolem 0,4 V) a proud (přibližně 1 mA). Vzhledem k osvětlení studia se výsledky budou trochu lišit. Kromě toho můžete použít několik krokodýlích spon, abyste rozšířili více buněk v sérii.

Nebereme v úvahu krok utěsnění skleněných kousků, jak je tomu u průmyslových solárních článků citlivých na barvivo. To nám umožňuje znovu použít kousky skla, a v takovém případě je musíte pouze oddělit a důkladně umýt jejich povrchy vodou a jemně je vydrhnout. Protože úplné odstranění grafitového povlaku není možné, doporučujeme v budoucích experimentech znovu použít protielektrodové sklo pro přesný účel.

Obrázek s laskavým svolením: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0