Celdas solares teñidas con colorante

Dye-sensitized Solar Cells

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Dye-sensitized Solar Cells

6.21: Electron Paramagnetic Resonance (EPR) Spectroscopy

6.29: Synthesis of an Oxygen-Carrying Cobalt(II) Complex

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10:30 min

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April 30, 2023

Overview

Fuente: Tamara M. Powers, Departamento de química, Texas A & M University

Mundo moderno de hoy requiere el uso de una gran cantidad de energía. Mientras que aprovechar la energía de los combustibles fósiles como el carbón y petróleo, estas fuentes son no renovables y así la oferta es limitada. Para mantener nuestro estilo de vida global, debemos extraer energía de fuentes renovables. La fuente renovable más prometedor, en términos de abundancia, es el sol, que nos proporciona más que suficiente energía solar para alimentar totalmente nuestro planeta muchas veces sobre.

¿Cómo se extrae energía del sol? Naturaleza fue el primero en descubrirlo: la fotosíntesis es el proceso por el que las plantas convierten agua y dióxido de carbono en hidratos de carbono y oxígeno. Este proceso ocurre en las hojas de las plantas y se basa en los pigmentos de clorofila que las hojas de color verde. Es estas moléculas coloreadas que absorben la energía de la luz solar, y esta absorción de la energía que impulsa las reacciones químicas.

En 1839, Edmond Becquerel, entonces un físico francés 19 años experimentando en el laboratorio de su padre, creó la primera célula fotovoltaica. Él ilumina una solución ácida de cloruro de plata que fue conectado con electrodos de platino que generaron un voltaje y corriente. ¹ muchos descubrimientos y avances se realizaron en los 19 finales^XIX y^{primera mitad del siglo 20} , y fue hasta 1954 que la primera célula solar práctica fue construida por Bell Laboratories. A partir de la década de 1950, las células solares fueron utilizadas para los satélites en el espacio. ²

Las células solares son dispositivos eléctricos que utilizan la luz para crear una corriente. Este video muestra la preparación y ensayo de tal tipo de célula, la célula solar teñir-sensibilizada (DSSC). Inventó en UC Berkeley por Brian O’Regan y Michael Grätzel, Grätzel prosiguió este trabajo en la École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suiza, que culminaron en la primera DSSC altamente eficiente en 1991. ³ estas células solares, como las plantas, utilice un colorante para arnés energía del sol.

Principles

Teoría de la banda:

Cuando dos átomos se unen para formar orbitales moleculares, se forman dos orbitales, con una vinculación y otra con una simetría antibonding. ⁴ estos son separados por una cierta cantidad de energía. Cuando n átomos unirse para formar orbitales moleculares, tales como en forma sólida, n orbitales moleculares. Cuando n es grande, además es grande el número de orbitales que se encuentran estrechamente espaciadas en energía. El resultado es una banda de orbitales de energía similar (figura 1). Electrones de los átomos se encuentran en estas bandas. La banda de la cenefa es la banda de energía más alto que se llena con electrones. Es similar a la del orbital molecular ocupado más alto (HOMO) de moléculas. La banda de conducción es la banda más baja que no está poblada por electrones y es el más bajo desocupado orbital molecular (LUMO) de moléculas. El boquete de la venda es la diferencia de energía entre estas dos bandas.

Cuando el boquete de la venda es grande, el material sólido es un aislante: electrones no pueden fluir libremente dentro del material (figura 1). Por el contrario, conductores son aquellos en que el boquete de la venda de conducción de la cenefa es borrosa. En un conductor, tal como un metal, aplicar una tensión plantea algunos de los electrones en la banda de Valencia a la banda de conducción. Estos electrones excitados tienen libertad para moverse. Los electrones dejan agujeros positivos, que también son libres de moverse. En realidad, los agujeros no se mueven, pero algo mover electrones llenar los agujeros positivos. En conductores, como los aumentos de temperatura, vibraciones moleculares aumentan, de tal modo obstruyendo el flujo de los electrones y disminuyendo la conductividad.

Los semiconductores son materiales que actúan como aisladores en 0 Kelvin, pero se convierten en conductores a medida que la temperatura aumenta (figura 1). Esto es porque la banda la brecha de energía entre la banda de Valencia y conducción-es pequeña, así que la energía térmica es suficiente para excitar electrones en la banda de conducción. Semiconductores intrínsecos típicos incluyen el silicio y germanio.

Figura 1. Diagrama de banda de un aislador, semiconductor y conductor. Bandas de sombra están llenos de electrones, mientras que las bandas blancas están vacíos. Una esfera roja, indican electrones discretas mientras que discretos agujeros se indican por una esfera blanca.

Efecto fotovoltaico:

Cuando la luz golpea un semiconductor, puede excitar un electrón desde la banda de Valencia a la banda de conducción. Este electrón puede entonces recombinar con el agujero se izquierda detrás, dando por resultado ningún flujo neto de electrones. O, puede moverse por el semiconductor, alrededor de un circuito y se recombinan con un agujero en el otro extremo del circuito. Este flujo de electrones creados de la exposición a la luz solar se denomina el efecto fotovoltaico. Este último escenario se desea generar energía eléctrica, y así los sistemas deben ser diseñados a favor de esto sobre la recombinación.

Una manera de favorecer esta es diseñar células con una ensambladura del p-n, es decir, un cruce entre un semiconductor dopado n y p. Son semiconductores que han sido algunos de los átomos de átomos de la tabla periódica vecinos se substituye. En n-dopado semiconductores, estos son sustituidos por átomos que tienen electrones más, y en p-dopado semiconductores, estos son reemplazados por átomos que tienen pocos electrones. De células solares basados en silicio “Tradicionales” de hacer uso de este enfoque.

Sin embargo, un tipo emergente de las células solares son DSSC, refiere a menudo como la celda de Grätzel. ⁵ estos son prometedores son semi-transparente, y su costo es significativamente menor. Estas células solares hacen uso de semiconductores, que es un colorante que se utiliza para absorber la luz del sol.

Componentes de un DSSC:

Hay muchos componentes a un DSSC, que se muestra en la figura 2.

Colorante

Para promover el efecto fotovoltaico, un DSSC hace uso de colorantes. La molécula del tinte absorbe la luz, promover un electrón de una orbitario de la vinculación a un orbitario anti-bonding. Este electrón excitado puede luego caer de nuevo hacia abajo a los orbitales de enlace, lo que no hay flujo de electrones. O, puede ser inyectado en un semiconductor, el camino productivo de un DSSC. Esto deja un agujero, que debe llenar para completar el circuito. Por la vía productiva, la energía del electrón excitado-estado en el medio de contraste debe ser mayor que la banda de conducción del semiconductor. El tinte también debe absorber gran parte del espectro solar, para mejorar la eficiencia de la célula. Los tintes típicos son rutenio (Ru)-basado y por lo tanto limita DSSC, ya que este metal no es muy económico.

En este experimento, se utiliza un tinte natural (antocianinas) encontrado en algunas frutas, como moras y frambuesas. La estructura del colorante pigmentación debe tener varios = grupos oh o -OH, que permiten que el tinte que se unen a la superficie de₂ Ti^IVO (figura 3). ⁶

Semiconductor

El electrón excitado entonces fluye hacia la banda de conducción del semiconductor. El semiconductor que usaremos en este experimento es de TiO₂.

Ánodo de

El electrón fluye desde el semiconductor al ánodo, que es en este caso, SnO₂-vidrio revestido. SnO₂ permite una superficie conductora sobre el vidrio, que de otra manera sería un aislante.

Cátodo

Después de pasar por una carga, el electrón llega al cátodo, que además está cubierto de SnO₂. El cátodo se cubre además con un catalizador, en este caso, el grafito, que ayuda a promover la reacción redox del mediador.

Mediador

El electrón pasa de cátodo a I₃^–, reduciéndolo al^–. Esta molécula reducida luego puede donar un electrón con el agujero dejado en la molécula del tinte, completando el circuito. Este proceso regenera I₃^–. La diferencia entre el I₃^–/i^– celular potencial y el nivel de Fermi se corresponde con el potencial de circuito abierto de la célula solar, o la tensión máxima que puede producirse con la célula.

En este video, un DSSC se prepara y se evalúa su desempeño.

Figura 2. Esquema de un DSSC. La luz del sol es absorbida por el tinte, elevar un electrón de un orbitario anti-bonding en el tinte. Este electrón entonces se mueve a la banda de conducción de TiO₂ , dejando un agujero. El electrón recorre el circuito y pasa una carga y se usa para reducir I₃^–i^–, que luego es oxidado a I₃^–que el electrón se llena el orificio en el medio de contraste.

Figura 3. Pigmento de antocianina en algunas bayas se quelato a la superficie de TiO₂ .

Procedure

1. preparación de pasta de TiO₂

Masa coloidal TiO₂ polvo 6 g y colóquelo en un mortero.
Cuidadosamente añadir 2-3 mL de vinagre a la TiO₂y comenzar a pulir la suspensión con la mano del mortero hasta obtener una pasta uniforme. El pulido sirve para dispersar agregados grumos en el polvo.
Continuar agregando vinagre, en ~ 1 mL aumenta al moler, hasta ~ 9 mL de volumen total. Antes de cada adición, la consistencia de la pasta debe ser uniforme y libre de grumos. La pasta final debe ser espesa, pero no tan espeso que no puede ser apretado de un gotero.
Añadir 1 gota de jabón a 1 mL de agua destilada, mezclar suavemente.
Añadir la solución de jabón del plato a la suspensión de TiO₂ y mezclar suavemente, teniendo cuidado de no producir burbujas.
Permita que la suspensión se equilibren durante 15 minutos. El jabón sirve como un agente tensioactivo ayudar a hacer la suspensión más fácilmente se separó hacia fuera en una película uniforme sobre el vidrio.

2. deposición de TiO₂ en vidrio

Limpiar dos portaobjetos de vidrio conductor. Remoje un kimwipe con etanol y usarlo para limpiar el vidrio conductor limpia dos diapositivas. Coloque el portaobjetos limpiamos en un kimwipe fresco.
Determinar qué lado del cristal es conductor. Utilizando un polímetro en ohmios, tocar dos cables a un lado del vidrio. Si se observa una lectura entre 10 y 30 Ω, es el lado del conductor. Una lectura de 0 Ω indica que la parte no conductora.
Máscara de la diapositiva. Coloque un portaobjetos de vidrio con su conductor hacia arriba y el otro con su lado conductor hacia abajo. Mantener cuidadosamente las diapositivas tocar, cinta los portaobjetos de vidrio para la mesa. Coloque cinta en tres de los cuatro lados de las diapositivas, asegurándose de que ~ 5-8 mm de la diapositiva está cubierto por la cinta en cada uno de los tres lados (figura 4). Presione la cinta firmemente, para asegurarse de que no hay burbujas de aire.
Aplique la pasta de TiO₂ . Usando una varilla de vidrio, aplica una línea delgada de la pasta a través del enmascarado borde superior de la diapositiva. Utilice la varilla de vidrio cuidadosamente la pasta a lo largo de la diapositiva del rodillo, y copia de seguridad. Repita la operación 2-3 x sin levantar la barra, o hasta obtener una película uniforme.
1. Si la película no es uniforme, simplemente Limpie con un kimwipe, limpiar el vidrio con etanol y una vez seco, vuelva a intentarlo.
Que la película se seque un poco, luego retire con cuidado la cinta de la Copa. La diapositiva con la película de TiO₂ debe estar en el lado del conductor. El otro deslizamiento se puede limpiar y utilizado más adelante.
Recueza la película de TiO₂ . Con cuidado coloque el portaobjetos (TiO₂ hacia arriba) sobre una placa caliente que se encuentra a 450 ° C. Mira como el TiO₂ se oscurece a un color púrpura/marrón y recupera su color blanco. En este punto, apagar la placa y dejar que la película se enfríe lentamente. Si la diapositiva se enfría demasiado rápido, puede rajen o hagan añicos.
Con una regla, medir el área que se cubre con la película y tenga en cuenta este valor.

Figura 4 . Deposición de TiO₂ en vidrio.

3. mancha de la película de TiO₂ con tinte

Coloque unas moras, frambuesas o cerezas en un mortero y machacar con un mortero.
Filtrar la solución a través de un filtro de café y en una placa Petri. Puede ser necesario agregar unos mL de agua al jugo.
Coloque la película refrigerada de₂ TiO, cara vista hacia abajo en la caja Petri. Tenga cuidado de no raspar cualquier TiO₂. Permita que el tinte que se adsorbe sobre la película. Esto puede tardar varios minutos.
Una vez que la película está totalmente revestida (debe ser rojo oscuro o púrpura y no hay manchas blancas), levante la diapositiva con pinzas (ser duro cuidado de solo el vidrio y no la película) y enjuagar el portaobjetos con agua y luego con etanol. Secar la película seca con un kimwipe y utilizar inmediatamente.
1. Si no se utiliza inmediatamente, luego almacenar la película en una placa Petri que contiene ácido acético a pH 3-5, y cubrir el plato con la tapa y envolver en papel de aluminio.

4. preparar el contraelectrodo

Con otro portaobjetos de vidrio conductor, siga los pasos 2.1-2.2.
Aplicar el catalizador carbón del lado del conductor. Pinzas, presione con la diapositiva, lado conductor, sobre la punta de un mechero de Bunsen. Mueva la diapositiva para que el hollín se recoge en toda la superficie, pero durante no más de 30 s. Deje enfriar el portaobjetos y limpie el hollín a lo largo de un lado de la diapositiva con un hisopo de algodón.
1. Como alternativa, utilizando una Lápiz HB, cubra toda la superficie conductora con grafito. Esto da un electrodo más robusto, pero que realiza menos bien.

5. ensamblar la célula Solar

Secar la película teñida. Enjuagar con etanol y colóquelo en un kimwipe. Seque suavemente la película con un kimwipe segundo. La película debe estar seca para no afectar la solución electrolítica.
Con el lado de la película de electrodo suavemente, coloque el electrodo recubierto de carbono en la parte superior (cara de carbón abajo). Asegúrese de compensar las diapositivas para que las partes expuestas de ambos electrodos se pueden enganchar a los cables. Coloque dos clips binder en los lados adyacentes al vaso de compensación.
Coloque unas pocas gotas de la solución electrolítica a lo largo de un borde de las diapositivas y con cuidado de abrir y cerrar cada lado de la célula alternativamente abriendo/cerrando los ganchos de la carpeta. Asegúrese de que toda el área manchada es en contacto con la solución electrolítica y repita el paso 5.2 si es necesario.
Limpie el exceso del electrólito de las zonas expuestas con kimwipes y etanol.
Sujete las pinzas cocodrilo a las dos partes expuestas de la célula solar.

6. funcionamiento de la célula de medición

Nota: Idealmente, estas medidas son para hacer fuera. Sin embargo, si el tiempo no se lo permite, puede hacer dentro con una lámpara halógena. Todas las medidas deben hacerse con ningún movimiento de la célula para que se realizan en condiciones idénticas.

Asegúrese de orientar la célula para que la película de TiO₂ es hacia arriba hacia el sol y coloque una cubierta de policarbonato sobre la célula. Esto protege a la célula del daño Ultravioleta.
Conectar el electrodo negativo (TiO₂-recubiertos de vidrio) para el cable negativo del multímetro y el electrodo positivo (C) al cable positivo del multímetro (figura 5).
Establece el multímetro en voltios y medir la tensión. Este es el circuito abierto potencial (el voltaje máximo a cero corriente). Cubierta de la célula (con una mano o un objeto sólido) para asegurar que la tensión disminuye.
Establece el multímetro en miliamperios (mA) y medir la corriente máxima. Esta es la corriente de cortocircuito (corriente máxima a voltaje cero). Cubre la célula con (con una mano) para asegurarse de que la corriente disminuye.
Registrar una curva completa de corriente voltaje mediante un potenciómetro de 500-Ω como una carga variable.
1. Determinar que conducen sobre el potenciómetro es el grifo central. Este cable permite la resistencia a variar. Para ello, conecte el multímetro (configurado en ohmios) a dos de los conductores sobre el potenciómetro y variar la resistencia en el potenciómetro. Nota Si cambia la resistencia. Repita con las otras dos combinaciones de cables. Cambios en la resistencia deben observarse en dos de las tres combinaciones. El plomo que fue utilizado en ambas combinaciones que dieron cambios es el grifo central, y los otros dos son funcionalmente idénticos.
2. Arme el circuito como se muestra en la figura 5 (derecha).
3. Ajustar el potenciómetro al completo (o cero) de la resistencia y anote la corriente y voltaje.
4. Cambiar la resistencia en el potenciómetro en pequeños incrementos y observe la corriente y el voltaje de modo que hay varios puntos que abarcan toda la gama del potenciómetro. Asegúrese de no mover el celular durante las mediciones. Una vez que la corriente comienza a cambiar, asegúrese de recoger muchos puntos de datos; menos puntos de datos se pueden obtener cuando es constante.

Figura 5 . Diagrama del circuito para medir el potencial de circuito abierto y la corriente de cortocircuito (a la izquierda, medidas 6.3 y 6.4) y para grabar la curva i-v (derecha).

Células solares teñir-sensibilizadas son una alternativa prometedora para fotovoltaica convencional de semiconductores y se han convertido en viables comercialmente en los últimos años.

Células sensibilizadas por colorante compensan su menor eficiencia únicamente produciendo energía constante incluso a altas temperaturas y ángulos de incidencia alta del fotón, que rinde casi 50% más energía que las células solares de silicio bajo condiciones de poca luz. Son considerablemente más fáciles de fabricar y utilizar pigmentos basados en plantas naturales, abundantes como tintes. Este video ilustra el funcionamiento de las células solares teñir-sensibilizadas, demuestra un procedimiento elemental para la creación de muestras de prueba en el laboratorio empleando pigmentos de la planta y discute un número de aplicaciones.

Todas las células solares se basan en la capacidad de luz para donar energía a los electrones para producir corrientes eléctricas.

En los solos átomos, electrones están limitados a niveles discretos de energía. Sin embargo, cuando absorben fotones de luz, los electrones ascienden temporalmente a niveles más altos de energía, dejando un agujero en el nivel inferior.

Cuando dos átomos están en proximidad, perturban de mutuamente electrones. Esto crea nuevos niveles de energía que los electrones pueden ocupar. Como se agregan átomos adicionales, más energía los niveles de forma, uniéndose finalmente en bandas de energía densa.

En semiconductores, los niveles de energía desocupados formar una banda de conducción de alta energía, mientras que niveles ocupados forman una venda de la Valencia de bajo consumo de energía. La diferencia de energía se conoce como la “energía de banda prohibida”. Si un fotón con la energía de banda prohibida choca contra un electrón, el electrón se promoverá, dejando un agujero. Electrón y el agujero pueden realizarse desde un átomo a átomo hasta que recombinan.

Ahora que hemos visto cómo semiconductores absorben energía de la luz, vamos a ver cómo podemos aprovechar este fenómeno en una célula solar teñir-sensibilizada.

A diferencia de las células solares de silicio, células solares teñir-sensibilizadas separar el proceso de absorción de la luz de la de transmisión actuales, para reducir la tasa de recombinación.

La célula contiene un colorante sensibilizador, una capa de semiconductor, un electrolito y dos electrodos. El semiconductor es un dieléctrico estable, como la Anatasa TiO₂. El electrolito suele ser un yoduro orgánico y el electrodo contra un material y calor-resistente a la corrosión, a menudo platino o carbono.

El semiconductor es mesoporosos y contiene una monocapa de colorante adsorbida. Cuando un electrón del tinte es excitado por un fotón, se inyecta inmediatamente en venda de conducción del semiconductor.

El semiconductor transmite electrones a la photoelectrode y a su vez al circuito. Las vueltas de electrones vía el contra electrodo, donde se reduce el electrolito gastado, completando el ciclo.

Colorantes efectivas responden a todo el espectro visible. Principios colorantes incluyen complejos de rutenio orgánica. Estos proporcionan alta conversión en el infrarrojo, pero son caros y difíciles de producir. Pigmentos fotosensibles basadas en plantas, tales como carotenoides y antocianinas, son más abundantes y práctica, aunque menos eficiente.

Ésos son los principios. Ahora vamos a examinar un procedimiento elemental de funcionamiento en el laboratorio.

El procedimiento demostrado aquí permite células solares teñir-sensibilizadas de que rápidamente fabricado y probado, usando sólo precursores comunes y materiales de laboratorio.

Empezar por agregar 6 g de TiO₂ polvo de Anatasa a un mortero. Añadir 2 – 3 mL de vinagre y la rutina de la suspensión para romper los terrones. Iterativamente Agregar vinagre en incrementos de 1 mL y la rutina, hasta que se han añadido un total de 9 mL. En última instancia, la pasta debe ser uniforme.

A continuación, producir una solución de surfactante mezclando con cuidado una gota de detergente con 1 mL de agua destilada. Mezclar suavemente la solución de surfactante en la pasta, teniendo cuidado de no producir burbujas. Permite la suspensión a que se equilibren

Limpia dos SnO₂ cubierta conductora portaobjetos usando un trapo pelusa baja empapan en etanol. Utilice un multímetro para encontrar su lado conductor. El lado del conductor debe tener una resistencia de 10-30 Ω.

Cinta las diapositivas para el Banco, un conductor hacia arriba y el otro conductor, que son enmascarados 5-8 mm y no hay burbujas de aire. Usando una varilla de vidrio, aplica una línea fina y uniforme de pasta en el borde superior del lado del conductor. Deje que la película seque ligeramente y retire la cinta.

Seco el portaobjetos colocando en un plato caliente, lado conductor para arriba. La película primero oscurecer a un color marrón púrpura y luego blanquear. Cuando esto ocurre, apague la placa, manteniendo el portaobjetos en la parte superior. Después de que se haya enfriado a temperatura ambiente, grabar la superficie de la película.

Para preparar el contra electrodo, limpiar un segundo portaobjetos de vidrio conductor. Aplicar el catalizador de carbón al lado del conductor. Mantenga el lado conductor con pinzas sobre una llama más ligera. Dejar que el hollín recoger para no más de 30 segundos, reorientar el portaobjetos con las pinzas y cubrir la esquina restante con hollín de la misma manera, asegurar que la diapositiva entera está cubierta.

Ahora que los electrodos han sido preparados, vamos a construir la célula solar teñir-sensibilizada.

Use una espátula para aplastar algunas frambuesas, moras o cerezas en un vaso de precipitados. Luego filtrar la solución en una placa Petri con un filtro de café, agregando unas pocas gotas de agua destilada si es necesario.

Utilizando pinzas, coloque el photoelectrode en la caja Petri conductor hacia abajo, teniendo cuidado de no raspar la película. Cuando la coloración se completa, retire la corredera cuidadosamente y compruebe que no hay manchas blancas son visibles. Enjuagar el portaobjetos en etanol y luego séquela.

Coloque el contador electrodo hacia abajo en la película, manteniendo un desplazamiento entre las diapositivas. Fije los ganchos de la carpeta en los bordes de la diapositiva. Coloque unas pocas gotas del electrólito a lo largo del borde y déjelo escurrirse sobre la película abriendo ligeramente los clips de la carpeta. La célula está ahora lista para funcionar.

Prepárese para medir el funcionamiento de la célula debajo de una lámpara halógena. Oriente la célula la photoelectrode se enfrenta a lámpara del halógeno. Utilice un multímetro para medir el potencial de circuito abierto y la corriente de cortocircuito.

A continuación, conecte el celular a un potenciómetro Ω 500 para crear el circuito se muestra en el protocolo de texto. Secuencialmente aumentan la resistencia con el potenciómetro y utilice el multímetro para medir el voltaje y la corriente.

Los datos recopilados se utilizan para crear una curva de corriente / tensión, que describe la conversión de energía solar de la célula solar y la eficiencia solar.

El punto donde la curva cruza el eje x se llama el voltaje de circuito abierto, que es el voltaje máximo a cero corriente. El punto de máxima corriente a 0 V aparece en el gráfico donde la curva cruza el eje y.

El punto de máxima potencia (MPP) se produce en la “rodilla” de la curva y proporciona la tensión y condiciones actuales para el ideal funcionamiento de la célula solar. El MPP de curvas de corriente-voltaje proporciona un medio para comparar el rendimiento de diferentes células solares. El voltaje de circuito abierto medido en este experimento puede alcanzar valores de 0,5 voltios y un potencial cortocircuito de 1-2 mA/cm² .

Las células solares teñir-sensibilizadas son valiosas en aplicaciones de nicho, y el enfoque en este video permite la creación rápida de prototipos de células con tintes de novela.

Puesto que las células solares teñir-sensibilizadas producen alta potencia bajo condiciones de poca luz, son útiles para “luz de cosecha,” la reutilización de la luz interior para sensores de potencia, ID tags, transmisores de datos y más. Una manera de lograrlo es mediante el desarrollo de tintes que introducen niveles de energía dentro de la banda prohibida, de la cual electrones pueden convertir en la banda de conducción. Empíricamente, esto ha duplicado conversión de fotones a electrones en longitudes de onda del infrarrojo cercano mediante la sustitución de una absorción de gran energía única con dos absorciones de energía inferior.

Las células sensibilizadas por colorante se utilizan para la producción de ventanas fotovoltaicas, donde TiO₂ vidrio hueco microesferas se añaden a los electrodos para minimizar la contaminación y para mantener la salida. Para esto pueden utilizarse técnicas asequibles fabricación electrospinning, donde una mezcla de TiO₂ se inyecta lentamente en un campo eléctrico para producir nanofibras para electrodos de alto rendimiento. Otra técnica de fabricación es la impresión de inyección de tinta. Esto ha sido utilizado para depositar los electrodos sobre sustratos de vidrio, obtención de células con eficiencias del 3,5%.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a las células solares sensibilizadas por colorante. Ahora debe estar familiarizado con el funcionamiento de las células sensibilizadas por colorante, un procedimiento de bajo costo los genera en el laboratorio y algunas aplicaciones. ¡Como siempre, gracias por ver!

Results

Para cada punto de datos recogido en pasos 6.5.3-6.5.4, calcular la densidad de corriente (mA/cm²) y la densidad de potencia (mW/cm²). Para calcular la densidad de corriente, dividir la corriente por la superficie de la película que se determinó en el paso 2.7. Para calcular la densidad de energía, multiplicar el voltaje por densidad de corriente. Parcela la corriente (mA) y voltaje (mV) para los datos recopilados en los pasos 6.5.3-6.5.4, 6.3 y 6.4. Parcela la densidad de corriente versus voltios para todos los datos. Esto debe ser cerca de la “rodilla” de la curva. Determinar la eficiencia de conversión de energía eléctrica luz del sol al dividir la potencia máxima (mW/cm²) la energía solar entrante (tomada a 800-1.000 W/m²), y multiplicando por 100%.

El análisis de datos y preparación de las curvas i-v es estándares en la literatura de la célula solar como un medio para comparar el rendimiento de las células. El voltaje de circuito abierto medido debe estar entre 0.3 y 0.5 V, y se obtenga un potencial cortocircuito de 1-2 mA/cm² .

Applications and Summary

Este video demostró la preparación y análisis de un simple DSSC.

Las células solares son cada vez más comunes y hay mucha investigación se hace para avanzar en sus actuaciones. Las células solares tradicionales que se basan en semiconductores de silicio se utilizan para hacer paneles solares que se utilizan en el espacio y en la tierra. El aeropuerto internacional Denver hace uso de clima soleado de Colorado y tiene cuatro paneles solares lo que ofrece el 6% de la energía del aeropuerto necesita.

DSSCs operar con eficiencia hasta un 15%,⁷ en comparación con 14-17% de eficiencia para los paneles de silicio tradicional de bajo costo y comerciales. Aunque las eficiencias operacionales de DSSCs son competitivas, el alto costo de los materiales (como el Ru-tinte) es problemático para aplicaciones a gran escala. Posiblemente la mayor desventaja de DSSCs es el uso de un electrolito líquido que es sensible a cambios de temperatura. El electrolito líquido puede congelarse a bajas temperaturas, de tal modo parando la producción de energía o dando por resultado daño estructural para el panel solar. A altas temperaturas, el electrolito líquido se expande, que hace que los paneles de sellado desafiante.

References

Williams, R. Becquerel Photovoltaic Effect in Binary Compounds. J Chem Phys, 32 (5), 1505-1514 (1960).
Perlin (2005), Late 1950s – Saved by the Space Race", Solar Evolution – The history of Solar Energy. The Rahus Institute. Retrieved 28 June 2016.
Regan, B., Gratzel, M. Nature, 353, 737-740 (1991).
Miessler, G. L., Fischer, P. J., Tarr, D. A. Inorganic Chemistry, Pearson, 2014.
Wikipedia page: Dye-sensitized solar cell,
Smestad, G. P., Grätzel, M. Demonstrating Electron Transfer and Nanotechnology: A Natural Dye-Sensitized Nanocrystalline Energy Converter. J Chem Ed. 75 (6), 752 (1998).
Burschka, J., Pellet, N., Moon, S.-J., Humphry-Baker, R., Nazeeruddin, M. K., Grätzel, M. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature, 499 (7458), 316-9 (2013).

Transcript

Dye-sensitized solar cells are a promising alternative to conventional semiconductor photovoltaics and have become commercially viable in recent years.

Dye-sensitized cells compensate for their lower efficiency by uniquely producing consistent power even at high temperatures, and high photon incidence angles, yielding nearly 50% more power than silicon solar cells under low light. They are considerably easier to manufacture and can use natural, abundant plant-based pigments as dyes. This video illustrates the operation of dye-sensitized solar cells, demonstrates an elementary procedure for creating test samples in the lab using plant pigments, and discusses a few applications.

All solar cells rely on the ability of light to donate energy to electrons to produce electric currents.

In single atoms, electrons are confined to discrete energy levels. However, when they absorb photons of light, the electrons temporarily ascend to higher energy levels, leaving a hole in the lower level.

When two atoms are in proximity, they perturb each other’s electrons. This creates new energy levels the electrons can occupy. As additional atoms are added, more energy levels form, ultimately coalescing into dense energy bands.

In semiconductors, the unoccupied energy levels form a high-energy conduction band, while occupied levels form a low-energy valence band. The energy difference is known as the “bandgap energy.” If a photon having the bandgap energy strikes an electron, the electron will be promoted, leaving a hole behind. Both electron and hole may be conducted from atom to atom until they recombine.

Now that we’ve seen how semiconductors absorb light energy, let’s see how we can harness this phenomenon in a dye-sensitized solar cell.

Unlike silicon solar cells, dye-sensitized solar cells separate the process of light absorption from that of current transmission, to lower the rate of recombination.

The cell contains a sensitizer dye, a semiconductor layer, an electrolyte, and two electrodes. The semiconductor is a stable dielectric, such as anatase TiO2. The electrolyte is typically an organic iodide, and the counter-electrode a corrosion- and heat-resistant material, often platinum or carbon.

The semiconductor is mesoporous and contains a monolayer of adsorbed dye. When a dye electron is excited by a photon, it is immediately injected into the semiconductor’s conduction band.

The semiconductor conveys the electron to the photoelectrode, and in turn to the circuit. The electron returns via the counter-electrode, where the spent electrolyte is reduced, completing the cycle.

Effective dyes respond to the entire visible spectrum. Early dyes included organic ruthenium complexes. These provide high conversion into the infrared, but are expensive and difficult to produce. Plant-based photosensitive pigments, such as carotenoids and anthocyanins, are more abundant and practical, albeit less efficient.

Those are the principles. Now let’s examine an elementary operating procedure in the lab.

The procedure demonstrated here allows dye-sensitized solar cells to be rapidly fabricated and tested, using only common precursors and laboratory materials.

Begin by adding 6 g of anatase TiO2 powder to a mortar. Add 2- 3 mL of vinegar, and grind the suspension to break up lumps. Iteratively add vinegar in 1 mL increments and grind, until a total of 9 mL have been added. The paste should ultimately be uniform.

Next, produce a surfactant solution by gently mixing one drop of dish soap with 1 mL of distilled water. Gently mix the surfactant solution into the paste, being careful not to produce bubbles. Allow the suspension to equilibrate

Clean two SnO2 coated conductive glass slides using a low lint wipe soaked in ethanol. Use a multimeter to find their conductive sides. The conductive side should have a resistance of 10-30 Ω.

Tape the slides to the bench, one conductive side up and the other conductive side down, such that 5-8 mm are masked and there are no air bubbles. Using a glass rod, apply a thin, uniform line of paste across the top edge of the conductive side. Let the film dry slightly, and remove the tape.

Dry the slide by placing it on a hot plate, conductive side up. The film will first darken to a purple-brown and then whiten. When this occurs, switch off the hot plate, keeping the slide on top. After it has cooled to room temperature, record the surface area of the film.

To prepare the counter-electrode, clean a second conductive glass slide. Apply the carbon catalyst to the conductive side. Hold the conductive side with tweezers over a lighter flame. Let the soot collect for no more than 30 sec. Reorient the slide with the tweezers and cover the remaining corner with soot in the same fashion, ensure the entire slide is covered.

Now that the electrodes have been prepared, let’s construct the dye-sensitized solar cell.

Use a spatula to crush a few raspberries, blackberries or cherries in a beaker. Then filter the solution into a Petri dish using a coffee filter, adding a few drops of distilled water if necessary.

Using tweezers, place the photoelectrode in the Petri dish, conductive side down, taking care not to scratch off the film. When staining is complete, carefully withdraw the slide and check that no white patches are visible. Rinse the slide in ethanol and blot dry.

Place the counter electrode face down on the film, maintaining an offset between the slides. Attach binder clips to the slide edges. Place a few drops of electrolyte along the edge, and let it seep over the film by slightly opening the binder clips. The cell is now ready for operation.

Prepare to measure the cell performance under a halogen lamp. Orient the cell so the photoelectrode is facing halogen lamp. Use a multimeter to measure the open circuit potential and the short-circuit current.

Next, connect the cell to a 500 Ω potentiometer to create the circuit shown in the text protocol. Sequentially increase the resistance through the potentiometer, and use the multimeter to measure the voltage and current.

The data collected is used to create a current-voltage curve, which describes the solar energy conversion of the solar cell and its solar efficiency.

The point where the curve crosses the x-axis is called the open circuit voltage, which is the maximum voltage at zero current. The point of maximum current at 0 V appears on the graph where the curve crosses the y-axis.

The maximum power point (MPP) occurs at the “knee” of the curve and provides the voltage and current conditions for ideal operation of the solar cell. The MPP of current-voltage curves provides a means to compare the performance of different solar cells. The open-circuit voltage measured in this experiment can reach values of 0.5 volts and a short circuit potential of 1-2 mA/cm2 .

Dye-sensitized solar cells are valuable in niche applications, and the approach in this video allows for rapid prototyping of cells with novel dyes.

Since dye-sensitized solar cells yield high power under low light, they are useful for “light harvesting,” the reuse of indoor light to power sensors, ID tags, data transmitters, and more. One way of accomplishing this is by developing dyes that introduce energy levels within the bandgap, from which electrons can upconvert into the conduction band. Empirically, this has doubled photon-to-electron conversion in near-infrared wavelengths by replacing a single high-energy absorption with two lower-energy absorptions.

Dye-sensitized cells are used for the production of photovoltaic windows, where TiO2 hollow glass microspheres are added to the electrodes to minimize pollution and to maintain the output. For this affordable manufacturing techniques, such as electrospinning, can be used, where a TiO2 slurry is slowly injected into an electric field to produce nanofibers for high-performance electrodes. Another fabrication technique is inkjet printing. This has been used to deposit electrodes on glass substrates, yielding cells with efficiencies of 3.5%.

You’ve just watched JoVE’s introduction to dye-sensitized solar cells. You should now be familiar with the operation of dye-sensitized cells, a procedure for inexpensively generating them in the lab, and some applications. As always, thanks for watching!

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