Ako si vyrobiť solárny článok alebo solárny článok citlivý na farbivo z ovocného čaju

Inovácia solárnych článkov citlivých na farbivo rozšírila potenciál zariadenia až do bodu, kedy by mohol úplne vylúčiť nákladné kremíkové solárne články.

Nasledujúci článok vysvetľuje, ako môžete ľahko zostaviť tento všestranný solárny článok citlivý na farbivo pomocou veľmi bežných materiálov.

Tento experiment sa opiera o koncept využitia organickej zlúčeniny v rastlinách, najmä organických farbív, ktoré pôsobia ako donory elektrónov v solárnych článkoch.

Namiesto polovodičového materiálu kremíka v solárnom článku sme použili oxid titaničitý (TiO2), ktorý je tiež polovodičom. Vlastnosti TiO2 umožňujú, aby ešte lepšie absorboval slnečné svetlo, ak je ‚senzibilizovaný 'organickým farbivom.

Účinnosť solárnych článkov citlivých na farbivo je o 7% vyššia ako tretina účinnosti bežných solárnych článkov. Aj keď to nie je veľká výhoda, solárne články citlivé na farbivo sú lacnejšie z dôvodu jednoduchšieho výrobného procesu v porovnaní so silikónovými článkami, ktoré sú tiež komplikované.

Solárny článok budúcnosti?

Aj keď môže byť komerčne úspešné solárne články citlivé na farbivo, môže to trvať niekoľko rokov, za predpokladu vyriešenia určitých problémov zostanú na dobrej ceste.

Najskôr sa musia vyriešiť problémy s dlhodobou stabilitou buniek, pretože kyslík ho časom časom poškodí.

Z malín alebo ovocného čaju je možné odobrať vhodné farbivo. Pridajte niekoľko ďalších komponentov, ako je sklo s nízkou emisivitou (low-E) a oxid titaničitý, a máte všetky ingrediencie na zostavenie súpravy. V tomto experimente používame šípkový čaj na červené farbivo.

Potrebné materiály

• Tabuľové sklo (kusy) s vrstvou vedúcou prúd na jednej strane. Sú k dispozícii v súpravách a možno ich nájsť online. Prípadne môžete ísť so sklom s nízkym E, ktoré je možné získať od sklenárov, pretože materiál je začlenený do výroby tepelnoizolačných okien. Odporúčame zaobstarať si dva kusy s rozmerom 5 x 2 cm.
• TiO2 a polyetylénglykol. Posledná uvedená látka je štandardnou zložkou rôznych mastí, ale v tomto experimente sa používa na suspendovanie oxidu titaničitého.
• Tieto položky je možné zakúpiť od miestneho chemika. Musíte sa tiež ubezpečiť, že polyetylénglykol má okrem tekutín aj molekulovú hmotnosť 300.
• Ak si svoju súpravu kupujete cez internet, obvykle sa dodáva s bielym zavesením, ktoré uľahčuje prácu. Určite viete, že veľkosť častíc TiO2 je presná (približne 20 nm) a jemne izolovaná, čo je nesmierne náročné získať, ak si to robíte sami.
• Ako bielidlo môžete použiť bielu zubnú pastu, Tipp-Ex, bielu farbu alebo podobné látky obsahujúce oxid titaničitý.
• V tomto experimente sme použili roztok jódu v 65% etanole ako elektrolyt. Aj keď to funguje dobre, produkuje iba o tretinu viac prúdu ako typický elektrolyt.
• Ovocný čaj použitý v našom teste je šípkový, ale ibištek funguje tiež.
• Kempingový sporák a zapaľovač.
• Jeden laboratórny stojan so svorkou, krúžkom a obrazovkou. Úlohou obrazovky je podopierať pohár počas pečenia.
• Pipetu, ale ak nemáte, môžete použiť čajovú lyžičku ako náhradu tým, že dáte na sklo kvapkať suspenziu oxidu titaničitého.
• Pinzeta, rýchlovarná kanvica, kanvica na čaj, sušič vlasov a páska Sellotape.
• List hliníkovej fólie.
• Petriho misky alebo bežná plochá misa alebo tanier na polievku.
• Grafitová ceruzka a kúsok sklenenej alebo plastovej karty na roztieranie oxidu titaničitého.
• Jedna sada multimetrov.

Ako fungujú solárne články citlivé na farbivo

Konštrukt solárneho článku citlivého na farbivo je zložený z dvoch plochých sklenených tabúľ s elektricky vodivou vrstvou na jednej strane. Vodivý povlak je obyčajne vyrobený z oxidu kovu.

Medzi dvoma sklenenými sklami je identifikovaný reedový povlak (asi 10 μm) kryštálov TiO2 s rozmermi asi 20 nm, ktorý bol spolu zapečený na vytvorenie poréznej vrstvy.

Potom sa farbivo umiestni na tento porézny povlak. V priemysle obsahuje farbivo vybrané pre senzibilizované solárne články ruténium z ušľachtilého kovu.

Prirodzene dostupné červené farbivá sa však môžu použiť na účelové testovanie. Kvôli neuveriteľne nepatrným veľkostiam kryštálov oxidu titaničitého a medzerám medzi nimi obsahuje porézna štruktúra obrovský efektívny povrch a farebný povlak je pozoruhodne tenký.

To je rozhodujúce pre správnu činnosť, pretože farbivo je mizerný elektrický vodič.

V okamihu, keď svetelný lúč zasiahne molekulu farbiva, vystrelí elektrón do oxidu titaničitého.

Elektróny sa zhromažďujú vo vodivom povlaku (pracovná elektróda) ​​umiestnenom medzi oxidom titaničitým a sklenenou tabuľou.

Na opačnej strane je potrebná ďalšia vodivá vrstva, aby fungovala ako protielektróda, a medzera medzi elektródami je opatrená roztokom elektrolytu.

Toto je miesto, kde sa aplikuje jednoduchý roztok jódovej soli, a nie veľmi prchavý a toxický priemyselný acetonitrilový elektrolyt. Molekuly trijodidu v roztoku elektrolytu sú „nútené“ dosiahnuť protiľahlou elektródou za vzniku molekúl jodidu.

Stáva sa to iba vtedy, ak je do elektródy zavedený katalyzátor, a to je miesto, kde prichádza grafit z ceruzky. Na priemyselnej úrovni je použitým katalyzátorom vysoko nákladná platina.

Tento experiment vyžaduje elektróny. Prebytok elektrónov na druhej elektróde produkuje elektrický potenciál, do ktorého je možné zachytávať.

Ak sú elektródy pripojené externe pomocou záťaže, môže dôjsť k prúdeniu.

Molekuly jodidu v roztoku sa zriekajú elektrónov farbiva a počas procesu, ktorý na oplátku dokončí elektrický obvod, sa prevedú na molekuly trijodidu.

Substrátom solárneho článku je normálne okenné sklo s hrúbkou približne 2 mm s čírou vodivou vrstvou oxidu kovu (napríklad oxid zinočnatý). Bohužiaľ, tento povlak sa nedá vyrobiť svojpomocne.

Postupy krok za krokom

Postupy výroby solárneho článku citlivého na farbivo sú ilustrované nižšie pomocou vysvetlení a obrázkov.

Ako je uvedené nižšie, veľkosť častíc titánového prášku je okolo 15-25 nm.

1. Zmiešajte to s polyetylénglykol , čo je olejové emulgačné činidlo, a zmes opatrne miešajte, kým sa nedosiahne viskózny krém.

2) Pokiaľ ide o elektrolyt, môžete sa rozhodnúť pre jód v etanole, ale výsledky môžu byť podpriemerné v porovnaní s komerčne dostupným redoxným elektrolytom.

3) Chyťte jednotku multimetra a nastavte rozsah odporu, aby ste zistili, ktorá strana skleneného kúsku je vodivá.

4) Ďalej pripevnite sklo na stole pomocou pásky Sellotape a vodivú stranu položte lícom nahor.

5) Ak máte pipetu, vytiahnite časť krému alebo pasty TiO2 a kvapnite niekoľko kvapiek na vodivý povrch pohára.

6) Potom pomocou plastovej karty alebo iného skleneného kúsku kvapky dôkladne udrite. Pokúste sa získať jednotný kabát jemným zasunutím sklenenej časti cez pastu Tio2.

7) Ďalej vytiahnite samolepku okolo pohára a uvoľnite ju zo stola.

8) Povlak odporúčame piecť v rúre alebo na otvorenom plameni ako plynový sporák. Predpokladaná teplota je okolo 450 ° C. Akonáhle je nastavená, umiestnite podpornú clonu len o niekoľko centimetrov nad plameň horáka a položte na ňu sklenený kus s povlakom TiO2.

9) Vrstva oxidu titaničitého zmení na začiatku procesu pečenia farbu na hnedú kvôli svojmu organickému obsahu. Musíte však zabezpečiť, aby sa farba TiO2 na konci procesu zmenila na bielu.

10) Dôrazne odporúčame, aby ste sklo nechali správne vychladnúť, inak by mohlo dôjsť k jeho rozbitiu. Tip je, ak posuniete sklo na chladnejšie miesto (zvyčajne blízko okraja) a nenápadne ho premiestnite z horúcej obrazovky.

11) Je čas pripraviť ovocný čaj s vriacou vodou. V našom experimente sme použili menej vody a viac čajových vrecúšok. Nalejte varený ovocný čajový roztok do veľkej misy. Ak nemáte vrecúška s ovocným čajom, môžete si dať šťavu z červenej repy, malinovú šťavu alebo dokonca červený atrament.

12) Keď sklenený kúsok dosiahne izbovú teplotu, môžete ho opatrne zasunúť do misky a nechať niekoľko minút vsiaknuť.

13) Ako prebieha proces namáčania, môžete začať pokryť vodivú stranu druhého skleneného kusu veľkým množstvom grafitu, ktorý je možné získať z olovenej ceruzky. Tento povlak bude fungovať ako katalyzátor na prenos elektrónov do elektrolytu z elektródy.

14) Potom vyberte z čajového kúpeľa vodivý sklenený kúsok. Vrstva oxidu titaničitého absorbuje farbu čaju (pozrite do stredu obrázka). Potom pohár vypláchnite čistou vodou alebo etanolom a použite fén, aby ste sa zbavili každej kvapky vody .

15) Ďalej usporiadajte dva sklenené kúsky spolu s vodivými povrchmi smerom k sebe a koncami odsadenými. Musíte dávať veľký pozor, aby vám obidve okuliare neskĺzli, pretože by to mohlo spôsobiť otrenie TiO2.

16) Potom môžu byť sklenené kúsky držané pohromade pomocou kancelárskych sponiek (mierne upravených alebo pomocou obyčajnej pásky Sellotape okolo nich).

17) Teraz pridajte elektrolyt medzi dva sklenené kúsky. Odporúča sa naniesť niekoľko kvapiek elektrolytu na každú stranu sklenených kúskov, ktoré sa vďaka kapilárnemu pôsobeniu vtiahnu medzi sklá.

18) A je to, váš solárny článok založený na ovocných šťavách založený na farbive je teraz pripravený na testovanie. Pomocou multimetra môžete merať napätie (okolo 0,4 V) a prúd (okolo 1 mA). Z dôvodu osvetlenia štúdia sa výsledky budú mierne líšiť. Ďalej môžete použiť niekoľko krokosvoriek, aby ste rozšírili viac buniek v sérii.

Neberieme ohľad na krok utesňovania sklenených častí, ako je to v prípade priemyselných solárnych článkov citlivých na farbivá. To nám umožňuje znovu použiť kúsky skla a v takom prípade ich stačí iba oddeliť a dôkladne umyť povrchy vodou a jemne ich vydrhnúť. Pretože úplné odstránenie grafitového povlaku nie je možné, odporúčame v ďalších experimentoch znovu použiť protielektródové sklo na presný účel.

Obrázok so zdvorilosťou: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0