6.28: Celdas solares teñidas con colorante

1. preparación de pasta de TiO₂

1. Masa coloidal TiO₂ polvo 6 g y colóquelo en un mortero.
2. 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.
3. 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.
4. Añadir 1 gota de jabón a 1 mL de agua destilada, mezclar suavemente.
5. Añadir la solución de jabón del plato a la suspensión de TiO₂ y mezclar suavemente, teniendo cuidado de no producir burbujas.
6. 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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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

1. Coloque unas moras, frambuesas o cerezas en un mortero y machacar con un mortero.
2. 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.
3. 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.
4. 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

1. Con otro portaobjetos de vidrio conductor, siga los pasos 2.1-2.2.
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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Limpie el exceso del electrólito de las zonas expuestas con kimwipes y etanol.
5. 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.

1. 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.
2. 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).
3. 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.
4. 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.
5. 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).

Las células solares sensibilizadas con colorante son una alternativa prometedora a la fotovoltaica semiconductora convencional y se han vuelto comercialmente viables en los últimos años.

Las células sensibilizadas por colorante compensan su menor eficiencia al producir de manera única energía constante incluso a altas temperaturas y altos ángulos de incidencia de fotones, lo que produce casi un 50% más de energía que las células solares de silicio con poca luz. Son considerablemente más fáciles de fabricar y pueden utilizar pigmentos naturales y abundantes de origen vegetal como tintes. Este video ilustra el funcionamiento de las células solares sensibilizadas por colorante, muestra un procedimiento elemental para crear muestras de prueba en el laboratorio utilizando pigmentos vegetales y analiza algunas aplicaciones.

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

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

Cuando dos átomos están en proximidad, se perturban mutuamente los electrones. Esto crea nuevos niveles de energía que los electrones pueden ocupar. A medida que se agregan átomos adicionales, se forman más niveles de energía, que finalmente se fusionan en bandas de energía densas.

En los semiconductores, los niveles de energía desocupados forman una banda de conducción de alta energía, mientras que los niveles ocupados forman una banda de valencia de baja energía. La diferencia de energía se conoce como "energía de banda prohibida". Si un fotón que tiene la energía de banda prohibida golpea un electrón, el electrón será promovido, dejando un agujero detrás. Tanto el electrón como el agujero pueden ser conducidos de átomo a átomo hasta que se recombinen.

Ahora que hemos visto cómo los semiconductores absorben la energía de la luz, veamos cómo podemos aprovechar este fenómeno en una célula solar sensibilizada con colorante.

A diferencia de las células solares de silicio, las células solares sensibilizadas por colorante separan el proceso de absorción de luz del de transmisión de corriente, para reducir la tasa de recombinación.

La celda contiene un tinte sensibilizador, una capa semiconductora, un electrolito y dos electrodos. El semiconductor es un dieléctrico estable, como la anatasa TiO2. El electrolito suele ser un yoduro orgánico, y el contraelectrodo un material resistente a la corrosión y al calor, a menudo platino o carbono.

El semiconductor es mesoporoso y contiene una monocapa de colorante adsorbido. Cuando un electrón de tinte es excitado por un fotón, se inyecta inmediatamente en la banda de conducción del semiconductor.

El semiconductor transporta el electrón al fotoelectrodo y, a su vez, al circuito. El electrón regresa a través del contraelectrodo, donde el electrolito gastado se reduce, completando el ciclo.

Los tintes efectivos responden a todo el espectro visible. Los primeros tintes incluían complejos orgánicos de rutenio. Estos proporcionan una alta conversión en infrarrojos, pero son caros y difíciles de producir. Los pigmentos fotosensibles de origen vegetal, como los carotenoides y las antocianinas, son más abundantes y prácticos, aunque menos eficientes.

Esos son los principios. Ahora examinemos un procedimiento operativo elemental en el laboratorio.

El procedimiento demostrado aquí permite que las células solares sensibilizadas por colorante se fabriquen y prueben rápidamente, utilizando solo precursores comunes y materiales de laboratorio.

Comience agregando 6 g de polvo de anatasa TiO2 a un mortero. Agregue 2 a 3 ml de vinagre y muela la suspensión para romper los grumos. Agregue vinagre de forma iterativa en incrementos de 1 mL y muele, hasta que se hayan agregado un total de 9 mL. En última instancia, la pasta debe ser uniforme.

A continuación, produzca una solución de tensioactivo mezclando suavemente una gota de jabón para platos con 1 ml de agua destilada. Mezcle suavemente la solución de surfactante en la pasta, teniendo cuidado de no producir burbujas. Permita que la suspensión se equilibre

Limpie dos portaobjetos de vidrio conductor recubiertos de SnO2 con una toallita con poca pelusa empapada en etanol. Usa un multímetro para encontrar sus lados conductores. El lado conductor debe tener una resistencia de 10-30 ?.

Pegue los portaobjetos al banco, con un lado conductor hacia arriba y el otro hacia abajo, de modo que queden enmascarados de 5 a 8 mm y no haya burbujas de aire. Con una varilla de vidrio, aplique una línea delgada y uniforme de pasta a través del borde superior del lado conductor. Deje que la película se seque un poco y retire la cinta.

Seque el portaobjetos colocándolo sobre una placa calefactora, con el lado conductor hacia arriba. La película primero se oscurecerá a un marrón púrpura y luego se blanqueará. Cuando esto ocurra, apague la placa calefactora, manteniendo la corredera en la parte superior. Después de que se haya enfriado a temperatura ambiente, registre el área de la superficie de la película.

Para preparar el contraelectrodo, limpie un segundo portaobjetos de vidrio conductor. Aplique el catalizador de carbono en el lado conductor. Sostenga el lado conductor con pinzas sobre una llama más ligera. Deje que el hollín se acumule durante no más de 30 segundos. Reoriente la diapositiva con las pinzas y cubra la esquina restante con hollín de la misma manera, asegúrese de que toda la diapositiva esté cubierta.

Ahora que se han preparado los electrodos, construyamos la célula solar sensibilizada con colorante.

Use una espátula para triturar algunas frambuesas, moras o cerezas en un vaso de precipitados. A continuación, filtre la solución en una placa de Petri con un filtro de café, añadiendo unas gotas de agua destilada si es necesario.

Con unas pinzas, coloque el fotoelectrodo en la placa de Petri, con el lado conductor hacia abajo, teniendo cuidado de no rayar la película. Una vez finalizada la tinción, retire con cuidado el portaobjetos y compruebe que no se vean manchas blancas. Enjuague el portaobjetos en etanol y séquelo.

Coloque el contraelectrodo boca abajo sobre la película, manteniendo un desplazamiento entre los portaobjetos. Coloque clips de carpeta en los bordes de la corredera. Coloque unas gotas de electrolito a lo largo del borde y deje que se filtre sobre la película abriendo ligeramente los clips de la carpeta. La célula ya está lista para funcionar.

Prepárese para medir el rendimiento de la celda bajo una lámpara halógena. Oriente la celda de modo que el fotoelectrodo quede frente a la lámpara halógena. Utilice un multímetro para medir el potencial de circuito abierto y la corriente de cortocircuito.

A continuación, conecte la celda a un 500 ?? potenciómetro para crear el circuito que se muestra en el protocolo de texto. Aumente secuencialmente la resistencia a través del potenciómetro y use el multímetro para medir el voltaje y la corriente.

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

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

El punto de máxima potencia (MPP) se encuentra en la "rodilla" de la curva y proporciona las condiciones de voltaje y corriente para el funcionamiento ideal de la célula solar. El MPP de las 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 de cortocircuito de 1-2 mA/cm2.

Las células solares sensibilizadas con colorantes son valiosas en aplicaciones de nicho, y el enfoque de este vídeo permite la creación rápida de prototipos de células con nuevos tintes.

Dado que las células solares sensibilizadas con colorante producen una alta potencia con poca luz, son útiles para la "recolección de luz", la reutilización de la luz interior para alimentar sensores, etiquetas de identificación, transmisores de datos y más. Una forma de lograr esto es mediante el desarrollo de tintes que introduzcan niveles de energía dentro de la banda prohibida, desde los cuales los electrones pueden convertirse en la banda de conducción. Empíricamente, esto ha duplicado la conversión de fotón a electrón en longitudes de onda del infrarrojo cercano al reemplazar una sola absorción de alta energía con dos absorciones de menor energía.

Las células sensibilizadas con colorante se utilizan para la producción de ventanas fotovoltaicas, en las que se añaden microesferas de vidrio hueco de TiO2 a los electrodos para minimizar la contaminación y mantener la salida. Para ello, se pueden utilizar técnicas de fabricación asequibles, como el electrohilado, en el que una suspensión de TiO2 se inyecta lentamente en un campo eléctrico para producir nanofibras para electrodos de alto rendimiento. Otra técnica de fabricación es la impresión por inyección de tinta. Esto se ha utilizado para depositar electrodos en sustratos de vidrio, produciendo celdas con eficiencias del 3,5%.

Acabas de ver la introducción de JoVE a las células solares sensibilizadas por colorantes. Ahora debería estar familiarizado con el funcionamiento de las células sensibilizadas por colorante, un procedimiento para generarlas de forma económica en el laboratorio y algunas aplicaciones. Como siempre, ¡gracias por mirar!