Celle di Grätzel (Dye-sensitized Solar Cells)
Fonte: Tamara M. Powers, Dipartimento di Chimica, Texas A & M University
Il mondo moderno di oggi richiede l'uso di una grande quantità di energia. Me…
1. Preparazione della pasta TiO2
- Massaggiare 6 g di polvere colloidale tiO2 e metterlo in un mortaio.
- 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.
- 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.
- Aggiungere 1 goccia di sapone per i piatti a 1 mL di acqua distillata, mescolare delicatamente.
- Aggiungere la soluzione di sapone per i piatti alla sospensione di TiO2 e mescolare delicatamente, facendo attenzione a non produrre bolle.
- 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
- Pulire due vetrini conduttivi. Immergere un kimwipe con etanolo e usarlo per pulire due vetrini conduttivi. Posizionare le diapositive pulite su un kimwipe fresco.
- 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.
- 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.
- Applicare la pasta TiO2. 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.
- Se il film non è uniforme, è sufficiente pulirlo con un kimwipe, pulire il vetro con etanolo e, una volta asciutto, riprovare.
- 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.
- Anneal il film TiO2. 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.
- 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
- Metti alcune more, lamponi o ciliegie in un mortaio e schiacciali con un pestello.
- Filtrare la soluzione attraverso un filtro per caffè e in una capsula di Petri. Potrebbe essere necessario aggiungere qualche ml di acqua al succo.
- 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.
- 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.
- 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
- Utilizzando un'altra diapositiva di vetro conduttivo, seguire i passaggi 2.1-2.2.
- 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.
- 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
- 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.
- 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.
- 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.
- Pulire l'elettrolita in eccesso dalle aree esposte usando kimwipes ed etanolo.
- 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.
- 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.
- Collegare l'elettrodo negativo (vetro rivestito TiO2)al filo negativo del multimetro e l'elettrodo positivo (C) al filo positivo del multimetro (Figura 5).
- 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.
- 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.
- Registrare una curva corrente-tensione completa utilizzando un potenziometro da 500 Ω come carico variabile.
- 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.
- Assemblate il circuito come mostrato nella Figura 5 (a destra).
- Impostare il potenziometro su piena (o zero) resistenza e annotare la corrente e la tensione.
- 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).
Le celle solari sensibilizzate con coloranti sono un'alternativa promettente al fotovoltaico a semiconduttore convenzionale e sono diventate commercialmente valide negli ultimi anni.
Le celle sensibilizzate al colorante compensano la loro minore efficienza producendo in modo unico energia costante anche ad alte temperature e angoli di incidenza dei fotoni elevati, producendo quasi il 50% in più di energia rispetto alle celle solari al silicio in condizioni di scarsa illuminazione. Sono notevolmente più facili da produrre e possono utilizzare pigmenti naturali e abbondanti a base vegetale come coloranti. Questo video illustra il funzionamento delle celle solari sensibilizzate con colorante, dimostra una procedura elementare per la creazione di campioni di prova in laboratorio utilizzando pigmenti vegetali e discute alcune applicazioni.
Tutte le celle solari si basano sulla capacità della luce di donare energia agli elettroni per produrre correnti elettriche.
Nei singoli atomi, gli elettroni sono confinati a livelli di energia discreti. Tuttavia, quando assorbono i fotoni di luce, gli elettroni salgono temporaneamente a livelli di energia più elevati, lasciando un buco nel livello inferiore.
Quando due atomi sono in prossimità, si perturbano a vicenda gli elettroni. Questo crea nuovi livelli di energia che gli elettroni possono occupare. Man mano che vengono aggiunti altri atomi, si formano più livelli di energia, che alla fine si fondono in bande di energia dense.
Nei semiconduttori, i livelli di energia non occupati formano una banda di conduzione ad alta energia, mentre i livelli occupati formano una banda di valenza a bassa energia. La differenza di energia è nota come "energia bandgap". Se un fotone avente l'energia della banda proibita colpisce un elettrone, l'elettrone verrà promosso, lasciando dietro di sé un buco. Sia l'elettrone che la lacuna possono essere condotti da un atomo all'altro fino a quando non si ricombinano.
Ora che abbiamo visto come i semiconduttori assorbono l'energia luminosa, vediamo come possiamo sfruttare questo fenomeno in una cella solare sensibilizzata al colorante.
A differenza delle celle solari al silicio, le celle solari sensibilizzate al colorante separano il processo di assorbimento della luce da quello di trasmissione della corrente, per ridurre il tasso di ricombinazione.
La cella contiene un colorante sensibilizzante, uno strato semiconduttore, un elettrolita e due elettrodi. Il semiconduttore è un dielettrico stabile, come l'anatasio TiO2. L'elettrolita è tipicamente uno ioduro organico e il controelettrodo un materiale resistente alla corrosione e al calore, spesso platino o carbonio.
Il semiconduttore è mesoporoso e contiene un monostrato di colorante adsorbito. Quando un elettrone colorante viene eccitato da un fotone, viene immediatamente iniettato nella banda di conduzione del semiconduttore.
Il semiconduttore trasporta l'elettrone al fotoelettrodo e, a sua volta, al circuito. L'elettrone ritorna attraverso il controelettrodo, dove l'elettrolita esaurito viene ridotto, completando il ciclo.
I coloranti efficaci rispondono all'intero spettro visibile. I primi coloranti includevano complessi organici di rutenio. Questi forniscono un'elevata conversione nell'infrarosso, ma sono costosi e difficili da produrre. I pigmenti fotosensibili di origine vegetale, come i carotenoidi e gli antociani, sono più abbondanti e pratici, anche se meno efficienti.
Questi sono i principi. Esaminiamo ora una procedura operativa elementare in laboratorio.
La procedura qui dimostrata consente di fabbricare e testare rapidamente celle solari sensibilizzate con colorante, utilizzando solo precursori comuni e materiali di laboratorio.
Inizia aggiungendo 6 g di polvere di anatasio TiO2 a un mortaio. Aggiungere 2-3 ml di aceto e macinare la sospensione per rompere i grumi. Aggiungere iterativamente l'aceto con incrementi di 1 ml e macinare, fino a quando non sono stati aggiunti un totale di 9 ml. La pasta dovrebbe essere uniforme.
Successivamente, produrre una soluzione tensioattiva mescolando delicatamente una goccia di detersivo per piatti con 1 ml di acqua distillata. Mescolare delicatamente la soluzione tensioattiva nella pasta, facendo attenzione a non produrre bolle. Lasciare che la sospensione si equilibri
Pulire due vetrini conduttivi rivestiti di SnO2 utilizzando un panno a basso contenuto di lanugine imbevuto di etanolo. Usa un multimetro per trovare i loro lati conduttivi. Il lato conduttivo dovrebbe avere una resistenza di 10-30 ?.
Fissare le guide al banco, una con il lato conduttivo rivolto verso l'alto e l'altra con il lato conduttivo rivolto verso il basso, in modo che 5-8 mm siano mascherati e non ci siano bolle d'aria. Utilizzando una bacchetta di vetro, applicare una linea sottile e uniforme di pasta lungo il bordo superiore del lato conduttivo. Lascia asciugare leggermente la pellicola e rimuovi il nastro.
Asciugare il vetrino posizionandolo su una piastra calda, con il lato conduttivo rivolto verso l'alto. La pellicola prima si scurirà in un marrone porpora e poi sbianca. Quando ciò si verifica, spegnere la piastra riscaldante, mantenendo il cursore in alto. Dopo che si è raffreddato a temperatura ambiente, registrare la superficie della pellicola.
Per preparare il controelettrodo, pulire un secondo vetrino conduttivo. Applicare il catalizzatore di carbonio sul lato conduttivo. Tenere il lato conduttivo con una pinzetta su una fiamma più leggera. Lasciare che la fuliggine si raccolga per non più di 30 secondi. Riorientare il vetrino con le pinzette e coprire l'angolo rimanente con la fuliggine allo stesso modo, assicurarsi che l'intero vetrino sia coperto.
Ora che gli elettrodi sono stati preparati, costruiamo la cella solare sensibilizzata al colorante.
Usa una spatola per schiacciare alcuni lamponi, more o ciliegie in un bicchiere. Quindi filtrare la soluzione in una capsula di Petri utilizzando un filtro da caffè, aggiungendo qualche goccia di acqua distillata se necessario.
Utilizzando una pinzetta, posizionare il fotoelettrodo nella capsula di Petri, con il lato conduttivo rivolto verso il basso, facendo attenzione a non graffiare la pellicola. Al termine della colorazione, estrarre con cautela il vetrino e verificare che non siano visibili macchie bianche. Sciacquare il vetrino con etanolo e asciugarlo.
Posizionare il controelettrodo a faccia in giù sulla pellicola, mantenendo uno scostamento tra i vetrini. Fissare le clip per raccoglitore ai bordi della diapositiva. Metti alcune gocce di elettrolita lungo il bordo e lascialo filtrare sulla pellicola aprendo leggermente le clip del legante. La cella è ora pronta per il funzionamento.
Prepararsi a misurare le prestazioni della cella con una lampada alogena. Orientare la cella in modo che il fotoelettrodo sia rivolto verso la lampada alogena. Utilizzare un multimetro per misurare il potenziale di circuito aperto e la corrente di cortocircuito.
Quindi, collegare la cella a un 500 ?? potenziometro per creare il circuito mostrato nel protocollo di testo. Aumentare in sequenza la resistenza attraverso il potenziometro e utilizzare il multimetro per misurare la tensione e la corrente.
I dati raccolti vengono utilizzati per creare una curva corrente-tensione, che descrive la conversione dell'energia solare della cella solare e la sua efficienza solare.
Il punto in cui la curva incrocia l'asse x è chiamato tensione a circuito aperto, che è la tensione massima a corrente zero. Il punto di corrente massima a 0 V appare sul grafico in cui la curva incrocia l'asse y.
Il punto di massima potenza (MPP) si verifica al "ginocchio" della curva e fornisce le condizioni di tensione e corrente per il funzionamento ideale della cella solare. L'MPP delle curve corrente-tensione fornisce un mezzo per confrontare le prestazioni di diverse celle solari. La tensione a circuito aperto misurata in questo esperimento può raggiungere valori di 0,5 volt e un potenziale di cortocircuito di 1-2 mA/cm2.
Le celle solari sensibilizzate con colorante sono preziose in applicazioni di nicchia e l'approccio in questo video consente una rapida prototipazione di celle con nuovi coloranti.
Poiché le celle solari sensibilizzate al colorante producono un'elevata potenza in condizioni di scarsa illuminazione, sono utili per la "raccolta della luce", il riutilizzo della luce interna per alimentare sensori, tag ID, trasmettitori di dati e altro ancora. Un modo per raggiungere questo obiettivo è lo sviluppo di coloranti che introducono livelli di energia all'interno della banda proibita, da cui gli elettroni possono riconvertirsi nella banda di conduzione. Empiricamente, questo ha raddoppiato la conversione da fotone a elettrone nelle lunghezze d'onda del vicino infrarosso, sostituendo un singolo assorbimento ad alta energia con due assorbimenti a bassa energia.
Le celle sensibilizzate al colorante sono utilizzate per la produzione di finestre fotovoltaiche, dove agli elettrodi vengono aggiunte microsfere di vetro cave di TiO2 per ridurre al minimo l'inquinamento e mantenere l'uscita. Per questo è possibile utilizzare tecniche di produzione convenienti, come l'elettrofilatura, in cui un impasto di TiO2 viene iniettato lentamente in un campo elettrico per produrre nanofibre per elettrodi ad alte prestazioni. Un'altra tecnica di fabbricazione è la stampa a getto d'inchiostro. Questo è stato utilizzato per depositare elettrodi su substrati di vetro, producendo celle con efficienze del 3,5%.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE alle celle solari sensibilizzate al colorante. Ora dovresti avere familiarità con il funzionamento delle cellule sensibilizzate al colorante, una procedura per generarle a basso costo in laboratorio e alcune applicazioni. Come sempre, grazie per la visione!
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Q1: How do dye-sensitized solar cells differ from conventional silicon solar cells?
Dye-sensitized solar cells separate light absorption from current transmission, reducing electron-hole recombination. Unlike silicon cells, they produce consistent power at high temperatures and steep light angles, yielding nearly 50% more power under low light conditions. They are easier to manufacture and can use abundant plant-based pigments as dyes instead of expensive materials.
Q2: What happens when a photon excites an electron in a semiconductor?
When a photon with bandgap energy strikes an electron, the electron is promoted to the conduction band, leaving a hole in the valence band. Both the electron and hole can be conducted from atom to atom until they recombine. In dye-sensitized cells, the excited dye electron is immediately injected into the semiconductor's conduction band, preventing recombination.
Q3: What are the main components of a dye-sensitized solar cell?
A dye-sensitized solar cell contains a sensitizer dye, a mesoporous semiconductor layer like anatase TiO2, an organic iodide electrolyte, and two electrodes. The photoelectrode collects electrons from the excited dye, while the counter-electrode, typically platinum or carbon, completes the circuit. This configuration allows efficient charge separation and current generation.
Q4: Why are plant-based pigments useful for dye-sensitized solar cells?
Plant-based photosensitive pigments such as carotenoids and anthocyanins are abundant, practical, and inexpensive compared to organic ruthenium complexes. While less efficient than synthetic dyes, they respond across the visible spectrum and enable rapid prototyping of cells with novel dyes. Their natural availability makes them ideal for affordable, scalable solar cell fabrication.
Q5: What information does a current-voltage curve reveal about solar cell performance?
A current-voltage curve describes solar energy conversion efficiency and identifies three key performance points. The open circuit voltage is where the curve crosses the x-axis at maximum voltage with zero current. The maximum power point occurs at the curve's knee, providing ideal voltage and current conditions. These metrics allow comparison of different solar cell designs.
Q6: How can dye-sensitized solar cells be used for light harvesting applications?
Dye-sensitized solar cells yield high power under low light, making them valuable for harvesting indoor light to power sensors, ID tags, and data transmitters. Developing dyes that introduce energy levels within the bandgap enables electrons to upconvert into the conduction band. This approach has doubled photon-to-electron conversion in near-infrared wavelengths by replacing single high-energy absorption with two lower-energy absorptions.
Q7: What fabrication techniques improve dye-sensitized solar cell performance and transparency?
Electrospinning injects a TiO2 slurry into an electric field to produce nanofibers for high-performance electrodes. Inkjet printing deposits electrodes on glass substrates, achieving cell efficiencies of 3.5%. For photovoltaic windows, TiO2 hollow glass microspheres are added to electrodes to minimize pollution while maintaining output, enabling affordable manufacturing of transparent solar devices.