Celle di Grätzel (Dye-sensitized Solar Cells)

1. Preparazione della pasta TiO₂

1. Massaggiare 6 g di polvere colloidale tiO₂ e metterlo in un mortaio.
2. Aggiungere con attenzione 2-3 ml di aceto al TiO₂e iniziare a macinare la sospensione con il pestello fino a ottenere una pasta uniforme. La macinazione serve a rompere i ciuffi aggregati nella polvere.
3. Continuare ad aggiungere aceto, con incrementi di ~ 1 mL durante la macinazione, fino a ~ 9 mL di volume totale. Prima di ogni aggiunta, la consistenza della pasta deve essere uniforme e priva di grumi. La pasta finale dovrebbe essere spessa, ma non così spessa da non poter essere spremuta da una bottiglia contagocce.
4. Aggiungere 1 goccia di sapone per i piatti a 1 mL di acqua distillata, mescolare delicatamente.
5. Aggiungere la soluzione di sapone per i piatti alla sospensione di TiO₂ e mescolare delicatamente, facendo attenzione a non produrre bolle.
6. Lasciare equilibrare la sospensione per 15 minuti. Il sapone per i piatti funge da tensioattivo, per aiutare a rendere la sospensione più facilmente distribuita in un film uniforme sul vetro.

2. Deposizione di TiO₂ su vetro

1. Pulire due vetrini conduttivi. Immergere un kimwipe con etanolo e usarlo per pulire due vetrini conduttivi. Posizionare le diapositive pulite su un kimwipe fresco.
2. Determinare quale lato del vetro è conduttivo. Utilizzando un multimetro impostato su ohm, toccare entrambi i cavi su un lato del vetro. Se si osserva una lettura tra 10 e 30 Ω, è il lato conduttivo. Una lettura di 0 Ω indica il lato non conduttivo.
3. Mascherare la diapositiva. Posizionare una diapositiva di vetro con il lato conduttivo verso l'alto e l'altra con il lato conduttivo verso il basso. Mantenendo con attenzione le diapositive in contatto, fissare le diapositive di vetro al piano di lavoro. Posizionare il nastro su tre dei quattro lati delle diapositive, assicurandosi che ~ 5-8 mm della diapositiva siano coperti da nastro adesivo su ciascuno dei tre lati (Figura 4). Premere saldamente il nastro, per assicurarsi che non ci siano bolle d'aria.
4. Applicare la pasta TiO_2. Utilizzando un'asta di vetro, applicare una sottile linea di pasta sul bordo superiore mascherato della diapositiva. Utilizzare l'asta di vetro per arrotolare con cura la pasta lungo la lunghezza della diapositiva e tornare indietro. Ripetere questo movimento 2-3x senza sollevare l'asta o fino a ottenere un film uniforme.
   1. Se il film non è uniforme, è sufficiente pulirlo con un kimwipe, pulire il vetro con etanolo e, una volta asciutto, riprovare.
5. Lasciare asciugare un po 'il film, quindi rimuovere con cura il nastro dal vetro. La diapositiva con la pellicola TiO₂ dovrebbe essere sul lato conduttivo. L'altra diapositiva può essere pulita e utilizzata in un secondo momento.
6. Anneal il film TiO_2. Posizionare con attenzione la diapositiva (TiO₂ lato verso l'alto) su una piastra calda impostata a 450 °C. Guarda come il TiO₂ si scurisce in un colore viola / marrone e riacquista il suo colore bianco. A questo punto, spegnere la piastra riscalda e lasciare raffreddare lentamente il film. Se la diapositiva viene raffreddata troppo rapidamente, potrebbe rompersi o frantumarsi.
7. Con un righello, misurare l'area della superficie coperta con il film e annotare questo valore.

Figura 4. Deposizione di TiO₂ su vetro.

3. Macchia il film TiO₂ con il colorante

1. Metti alcune more, lamponi o ciliegie in un mortaio e schiacciali con un pestello.
2. Filtrare la soluzione attraverso un filtro per caffè e in una capsula di Petri. Potrebbe essere necessario aggiungere qualche ml di acqua al succo.
3. Posizionare la pellicola TiO₂ raffreddata, a faccia in giù nella capsula di Petri. Fai attenzione a non graffiare via qualsiasi TiO₂. Lasciare che il colorante venga adsorbito sul film. Questa tà potrebbe richiedere alcuni minuti.
4. Una volta che il film è completamente rivestito (dovrebbe essere rosso scuro o viola e non ci sono macchie bianche), sollevare lo scivolo con le pinze (fare attenzione a mettere indurire solo il vetro e non il film) e risciacquare il vetrino con acqua, quindi etanolo. Asciugare il film con un kimwipe e utilizzare immediatamente.
   1. Se non utilizzato immediatamente, conservare il film in una capsula di Petri contenente acido acetico a pH 3-5 e coprire il piatto con il coperchio e avvolgere in un foglio.

4. Preparare il controelettrodo

1. Utilizzando un'altra diapositiva di vetro conduttivo, seguire i passaggi 2.1-2.2.
2. Applicare il catalizzatore di carbonio sul lato conduttivo. Usando una pinzetta, tieni la diapositiva, il lato conduttivo verso il basso, sopra la punta di un bruciatore Bunsen. Spostare la diapositiva in modo che la fuliggine si raccolga su tutta la superficie, ma per non più di 30 s. Lasciare raffreddare la diapositiva e pulire la fuliggine lungo un lato della diapositiva con un batuffolo di cotone.
   1. In alternativa, utilizzando una matita HB, coprire l'intera superficie conduttiva con grafite. Questo dà un elettrodo più robusto, ma uno che funziona meno bene.

5. Assemblare la cella solare

1. Asciugare il film macchiato. Risciacquare con etanolo e metterlo su un kimwipe. Asciugare delicatamente il film con un secondo kimwipe. Il film deve essere asciutto in modo da non influire sulla soluzione elettrolitica.
2. Con il film dell'elettrodo rivolto verso l'alto, posizionare delicatamente l'elettrodo rivestito in carbonio sulla parte superiore (carbonio rivolto verso il basso). Assicurarsi di sfalsare le diapositive in modo che i lati esposti di entrambi gli elettrodi possano essere agganciati ai fili. Posizionare due clip leganti sui lati adiacenti al vetro offset.
3. Posizionare alcune gocce della soluzione elettrolitica lungo un bordo delle diapositive e aprire/chiudere con attenzione ciascun lato della cella aprendo/chiudendo alternativamente le clip leganti. Assicurarsi che tutta l'area macchiata sia a contatto con la soluzione elettrolitica e ripetere il passaggio 5.2 se necessario.
4. Pulire l'elettrolita in eccesso dalle aree esposte usando kimwipes ed etanolo.
5. Fissare le clip di alligatore ai due lati esposti della cella solare.

6. Misurazione delle prestazioni della cella

Nota: Idealmente, queste misurazioni devono essere eseguite all'esterno. Tuttavia, se il tempo non lo consente, possono essere fatti all'interno usando una lampada alogena. Tutte le misurazioni devono essere eseguite senza alcun movimento della cella in modo che vengano eseguite in condizioni identiche.

1. Assicurarsi di orientare la cella in modo che la pellicola TiO₂ sia rivolta verso il sole e posizionare una copertura in policarbonato sopra la cella. Questo protegge la cellula dai danni UV.
2. Collegare l'elettrodo negativo (vetro rivestito TiO₂₎al filo negativo del multimetro e l'elettrodo positivo (C) al filo positivo del multimetro (Figura 5).
3. Impostare il multimetro su volt e misurare la tensione. Questo è il potenziale a circuito aperto (tensione massima a corrente zero). Coprire la cella (con una mano o un oggetto solido) per assicurarsi che la tensione diminuisca.
4. Impostare il multimetro su milliampere (mA) e misurare la corrente massima. Questa è la corrente di cortocircuito (corrente massima a tensione zero). Coprire la cella con (con una mano) per assicurarsi che la corrente diminuisca.
5. Registrare una curva corrente-tensione completa utilizzando un potenziometro da 500 Ω come carico variabile.
   1. Determinare quale piombo sul potenziometro è il rubinetto centrale. Questo piombo consente di variare la resistenza. Per fare ciò, collegare il multimetro (impostato su ohm) a due dei cavi sul potenziometro e variare la resistenza sul potenziometro. Nota se la resistenza cambia. Ripeti questo con le altre due combinazioni di lead. I cambiamenti nella resistenza dovrebbero essere osservati in due delle tre combinazioni. Il piombo che è stato utilizzato in entrambe le combinazioni che hanno dato modifiche è il rubinetto centrale, e gli altri due sono funzionalmente identici.
   2. Assemblate il circuito come mostrato nella Figura 5 (a destra).
   3. Impostare il potenziometro su piena (o zero) resistenza e annotare la corrente e la tensione.
   4. Cambia la resistenza sul potenziometro con piccoli incrementi e nota la corrente e la tensione in modo che ci siano diversi punti che coprono l'intera gamma del potenziometro. Assicurarsi di non spostare la cella durante queste misurazioni. Una volta che la corrente inizia a cambiare, assicurati di raccogliere molti punti dati; è possibile ottenere meno punti dati quando è costante.

Figura 5. Schema elettrico per misurare il potenziale a circuito aperto e la corrente di cortocircuito (a sinistra, passaggi 6.3 e 6.4) e per registrare la curva I-V (a destra).