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Celle di Grätzel (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

15,625 Views

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10:30 min

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April 30, 2023

Overview

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. Mentre sfruttiamo l’energia da combustibili fossili come carbone e petrolio, queste fonti non sono rinnovabili e quindi l’offerta è limitata. Per mantenere il nostro stile di vita globale, dobbiamo estrarre energia da fonti rinnovabili. La fonte rinnovabile più promettente, in termini di abbondanza, è il sole, che ci fornisce energia solare più che sufficiente per alimentare completamente il nostro pianeta molte volte.

Quindi, come estraiamo energia dal sole? La natura è stata la prima a capirlo: la fotosintesi è il processo con cui le piante convertono l’acqua e l’anidride carbonica in carboidrati e ossigeno. Questo processo si verifica nelle foglie delle piante e si basa sui pigmenti di clorofilla che colorano le foglie di verde. Sono queste molecole colorate che assorbono l’energia dalla luce solare e questa energia assorbita che guida le reazioni chimiche.

Nel 1839, Edmond Becquerel, allora un fisico francese di 19 anni che sperimentava nel laboratorio di suo padre, creò la prima cella fotovoltaica. Ha illuminato una soluzione acida di cloruro d’argento che è stata collegata a elettrodi di platino che hanno generato una tensione e corrente. ¹ Molte scoperte e progressi sono stati fatti alla fine del 19^° e nella prima metà del 20^° secolo, ed è stato solo nel 1954 che la prima cella solare pratica è stata costruita dai Bell Laboratories. A partire dal 1950, le celle solari sono state utilizzate per alimentare i satelliti nello spazio. ²

Le celle solari sono dispositivi elettrici che utilizzano la luce per creare una corrente. Questo video mostra la preparazione e il test di uno di questi tipi di cellule, la cella solare sensibilizzata al colorante (DSSC). Inventato per la prima volta alla UC Berkeley da Brian O’Regan e Michael Grätzel, Grätzel ha proseguito questo lavoro presso l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne in Svizzera, culminando nel primo DSSC altamente efficiente nel 1991. ³ Queste celle solari, come le piante, usano un colorante per aiutare a sfruttare l’energia del sole.

Principles

Teoria delle bande:

Quando due atomi si uniscono per formare orbitali molecolari, si formano due orbitali, uno con un legame e l’altro con una simmetria anti-legante. ⁴ Questi sono separati da una certa quantità di energia. Quando n atomi si uniscono per formare orbitali molecolari, come in una forma solida, n orbitali molecolari. Quando n è grande, anche il numero di orbitali che sono strettamente distanziati in energia è grande. Il risultato è una banda di orbitali di energia simile (Figura 1). Gli elettroni degli atomi risiedono in queste bande. La banda di valenza è la banda di energia più alta popolata da elettroni. È simile all’orbitale molecolare occupato più alto (HOMO) delle molecole. La banda di conduzione è la banda più bassa che non è popolata da elettroni ed è simile all’orbitale molecolare non occupato più basso (LUMO) delle molecole. Il gap di banda è la differenza di energia tra queste due bande.

Quando il gap di banda è grande, il materiale solido è un isolante: gli elettroni non possono fluire liberamente all’interno del materiale (Figura 1). Al contrario, i conduttori sono quelli in cui il gap di banda valenza-conduzione è sfocato. In un conduttore, come un metallo, l’applicazione di una tensione aumenta alcuni degli elettroni nella banda di valenza alla banda di conduzione. Questi elettroni eccitati sono liberi di muoversi. Gli elettroni lasciano dietro di sé buchi positivi, che sono anche liberi di muoversi. In realtà, i buchi non si muovono, ma piuttosto gli elettroni si muovono per riempire i buchi positivi. Nei conduttori, all’aumentare della temperatura, le vibrazioni molecolari aumentano, ostruendo così il flusso di elettroni e diminuendo la conduttività.

I semiconduttori sono materiali che fungono da isolanti a 0 Kelvin, ma diventano conduttori all’aumentare della temperatura (Figura 1). Questo perché il gap di banda – l’energia tra la banda di valenza e la banda di conduzione – è piccolo, quindi l’energia termica è sufficiente per eccitare gli elettroni nella banda di conduzione. I semiconduttori intrinseci tipici includono silicio e germanio.

Figura 1. Diagramma a banda per un isolante, un semiconduttore e un conduttore. Le bande ombreggiate sono piene di elettroni, mentre le bande bianche sono vuote. Gli elettroni discreti sono indicati da una sfera rossa, mentre i fori discreti sono indicati da una sfera bianca.

Effetto fotovoltaico:

Quando la luce colpisce un semiconduttore, può eccitare un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Questo elettrone può quindi ricombinarsi con il foro che ha lasciato, con conseguente uscita di nessun flusso netto di elettroni. Oppure, può muoversi attraverso il semiconduttore, attorno a un circuito, e ricombinarsi con un foro all’altra estremità del circuito. Questo flusso di elettroni creato dall’esposizione alla luce solare è chiamato effetto fotovoltaico. Quest’ultimo scenario è desiderato per generare elettricità, e quindi i sistemi devono essere progettati per favorire questo rispetto alla ricombinazione.

Un modo per favorire questo è quello di progettare celle con una giunzione p-n, cioèuna giunzione tra un semiconduttore drogato n- e p. Questi sono semiconduttori per cui alcuni degli atomi sono stati sostituiti da atomi vicini sulla tavola periodica. Nei semiconduttori n-drogati, questi sono sostituiti da atomi che hanno più elettroni, e nei semiconduttori drogati p, questi sono sostituiti da atomi che hanno meno elettroni. Le celle solari “tradizionali” a base di silicio fanno uso di questo approccio.

Tuttavia, un tipo emergente di celle solari sono DSSC, spesso indicato come la cella di Grätzel. ⁵ Questi sono promettenti in quanto sono semi-traslucidi e il loro costo è significativamente inferiore. Queste celle solari fanno ancora uso di semiconduttori, ma è un colorante che viene utilizzato per assorbire la luce dal sole.

Componenti di un DSSC:

Esistono molti componenti per un DSSC, illustrato nella Figura 2.

Tingere

Per promuovere l’effetto fotovoltaico, un DSSC fa uso di coloranti. La molecola del colorante assorbe la luce, promuovendo un elettrone da un orbitale di legame a un orbitale anti-legame. Questo elettrone eccitato può quindi cadere di nuovo verso l’orbitale di legame, con conseguente ingiatura di nessun flusso di elettroni. Oppure, può essere iniettato in un semiconduttore, il percorso produttivo di un DSSC. Questo lascia dietro di sé un buco, che deve essere riempito per completare il circuito. Per il percorso produttivo, l’energia dell’elettrone allo stato eccitato nel colorante deve essere maggiore della banda di conduzione del semiconduttore. Il colorante dovrebbe anche assorbire gran parte dello spettro solare, per migliorare l’efficienza della cella. I coloranti tipici sono a base di rutenio (Ru) e quindi limitano un DSSC, poiché questo metallo non è molto economico.

In questo esperimento, utilizzeremo un colorante naturale (antociani) trovato in alcune bacche, come more e lamponi. La struttura del colorante antocianico deve presentare diversi gruppi =O o -OH, che consentono al colorante di legarsi alla superficie Ti^IVO₂ (Figura 3). ⁶

Semiconduttore

L’elettrone eccitato fluisce quindi verso la banda di conduzione del semiconduttore. Il semiconduttore che utilizzeremo in questo esperimento è TiO₂.

Anodo

L’elettrone scorre dal semiconduttore all’anodo, che in questo caso è vetro rivestito SnO_2. L’SnO₂ consente una superficie conduttiva sul vetro, che altrimenti sarebbe un isolante.

Catodo

Dopo aver attraversato un carico, l’elettrone arriva al catodo, che è anche coperto in SnO₂. Il catodo è inoltre coperto da un catalizzatore, in questo caso, la grafite, che aiuta a promuovere la reazione redox del mediatore.

Mediatore

L’elettrone passa dal catodo a I₃^–, riducendolo a I^–. Questa molecola ridotta può quindi donare un elettrone al foro lasciato nella molecola del colorante, completando il circuito. Questo processo rigenera I₃^–. La differenza tra il potenziale della cella I₃^–/I^– e il livello di Fermi corrisponde al potenziale a circuito aperto della cella solare, o alla tensione massima che può essere prodotta con la cella.

In questo video viene preparato un DSSC e ne vengono valutate le prestazioni.

Figura 2. Schema di un DSSC. La luce solare viene assorbita dal colorante, sollevando un elettrone a un orbitale anti-legame nel colorante. Questo elettrone si sposta quindi nella banda di conduzione TiO_2, lasciando dietro di sé un foro. L’elettrone gira intorno al circuito e passa un carico, e viene utilizzato per ridurre I₃^–a I^–, che viene poi ossidato di nuovo a I₃^–mentre l’elettrone riempie il buco lasciato nel colorante.

Figura 3. Il pigmento antocianico trovato in alcune bacche chela sulla superficie del TiO_2.

Procedure

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 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.
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 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.
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.
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

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.
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

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.
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).

Le celle solari sensibilizzate al colorante 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 univoco una potenza costante anche a temperature elevate e angoli di incidenza dei fotone elevati, producendo quasi il 50% in più di energia rispetto alle celle solari al silicio in condizioni di scarsa illuminazione. Sono considerevolmente 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 al 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 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, pertiscono gli elettroni l’uno dell’altro. Questo crea nuovi livelli di energia che gli elettroni possono occupare. Man mano che vengono aggiunti ulteriori atomi, si formano più livelli di energia, che alla fine si coaliscentino 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 con l’energia bandgap colpisce un elettrone, l’elettrone sarà promosso, lasciando un buco dietro. Sia l’elettrone che il foro possono essere condotti da atomo ad atomo 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 della trasmissione della corrente, per abbassare il tasso di ricombinazione.

La cella contiene un colorante sensibilizzante, uno strato di semiconduttore, un elettrolita e due elettrodi. Il semiconduttore è un dielettrico stabile, come l’anatasi 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 trasmette 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’alta conversione nell’infrarosso, ma sono costosi e difficili da produrre. I pigmenti fotosensibili a base vegetale, come i carotenoidi e gli antociani, sono più abbondanti e pratici, anche se meno efficienti.

Questi sono i principi. Ora esaminiamo una procedura operativa elementare in laboratorio.

La procedura qui dimostrata consente di fabbricare e testare rapidamente celle solari sensibilizzate al colorante, utilizzando solo precursori comuni e materiali di laboratorio.

Inizia aggiungendo 6 g di polvere di anatasi 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 in definitiva essere uniforme.

Quindi, produrre una soluzione tensioattiva mescolando delicatamente una goccia di sapone per i piatti con 1 ml di acqua distillata. Mescolare delicatamente la soluzione tensioattivo nella pasta, facendo attenzione a non produrre bolle. Consentire alla sospensione di equilibrarsi

Pulire due vetrini in vetro conduttivo rivestito SnO₂ utilizzando una salvietta a bassa lanugine imbevuta di etanolo. Usa un multimetro per trovare i loro lati conduttivi. Il lato conduttivo dovrebbe avere una resistenza di 10-30 Ω.

Fissare le diapositive al banco, un lato conduttivo verso l’alto e l’altro lato conduttivo verso il basso, in modo tale che 5-8 mm siano mascherati e non ci siano bolle d’aria. Utilizzando un’asta di vetro, applicare una linea di pasta sottile e uniforme sul bordo superiore del lato conduttivo. Lasciare asciugare leggermente il film e rimuovere il nastro.

Asciugare il vetrino posizionandolo su una piastra calda, lato conduttivo verso l’alto. Il film prima si scurirà in un viola-marrone e poi sbianco. Quando ciò accade, spegnere la piastra calda, mantenendo la diapositiva in cima. Dopo che si è raffreddato a temperatura ambiente, registrare la superficie del film.

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. Lascia che la fuliggine si raccolga per non più di 30 secondi. Riorientare la diapositiva con le pinzette e coprire l’angolo rimanente con fuliggine allo stesso modo, assicurarsi che l’intera diapositiva sia coperta.

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 becher. Quindi filtrare la soluzione in una capsula di Petri usando un filtro per caffè, aggiungendo alcune gocce di acqua distillata se necessario.

Usando una pinzetta, posizionare il fotoelettrodo nella capsula di Petri, conduttivo verso il basso, facendo attenzione a non graffiare il film. Quando la colorazione è completa, prelevare con attenzione il vetrino e controllare che non siano visibili macchie bianche. Risciacquare il vetrino in etanolo e asciugare.

Posizionare il controelettrodo rivolto verso il basso sulla pellicola, mantenendo un offset tra le diapositive. Attaccate le clip di rilegato ai bordi della diapositiva. Posizionare alcune gocce di elettrolita lungo il bordo e lasciarlo fuoriuscire sul film aprendo leggermente le clip leganti. La cella è ora pronta per il funzionamento.

Prepararsi a misurare le prestazioni della cella sotto una lampada alogena. Orientare la cella in modo che il fotoelettrodo sia rivolto verso la lampada alogena. Utilizzare un multimetro per misurare il potenziale del circuito aperto e la corrente di cortocircuito.

Quindi, collegare la cella a un potenziometro da 500 Ω per creare il circuito mostrato nel protocollo di testo. Aumentare sequenzialmente 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 attraversa 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 viene visualizzato sul grafico in cui la curva attraversa l’asse y.

Il punto di massima potenza (MPP) si trova 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/cm^2.

Le celle solari sensibilizzate al colorante sono preziose in applicazioni di nicchia e l’approccio in questo video consente la prototipazione rapida 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 sviluppare coloranti che introducono livelli di energia all’interno del bandgap, da cui gli elettroni possono upconvertirsi 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 vengono utilizzate per la produzione di finestre fotovoltaiche, dove le microsfere di vetro cavo TiO₂ vengono aggiunte agli elettrodi per ridurre al minimo l’inquinamento e mantenere l’uscita. Per questo possono essere utilizzate tecniche di produzione a prezzi accessibili, come l’elettrofilatura, in cui un liquame TiO₂ viene lentamente iniettato 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 in modo economico in laboratorio e alcune applicazioni. Come sempre, grazie per aver guardato!

Results

Per ogni punto dati raccolto nei passaggi 6.5.3-6.5.4, calcolare la densità di corrente (mA/cm²) e la densità di potenza (mW/cm²). Per calcolare la densità di corrente, dividere la corrente per l’area della superficie del film determinata nel passaggio 2.7. Per calcolare la densità di potenza, moltiplicare la tensione per la densità di corrente. Tracciare la corrente (mA) rispetto alla tensione (mV) per i dati raccolti nei passaggi 6.3, 6.4 e 6.5.3-6.5.4. Traccia la densità di corrente rispetto ai volt per tutti i dati. Questo dovrebbe essere vicino al “ginocchio” della curva. Determinare l’efficienza di conversione della luce solare in energia elettrica dividendo la potenza massima (mW / cm²) per l’energia solare in entrata (considerata 800-1.000 W / m²) e moltiplicando per il 100%.

L’analisi dei dati e la preparazione delle curve I-V è standard nella letteratura delle celle solari come mezzo per confrontare le prestazioni delle celle. La tensione a circuito aperto misurata deve essere compresa tra 0,3 e 0,5 V e si ottiene un potenziale di cortocircuito di 1-2 mA/cm^2.

Applications and Summary

Questo video ha mostrato la preparazione e l’analisi di un semplice DSSC.

Le celle solari stanno diventando sempre più comuni e ci sono molte ricerche in corso per migliorare le loro prestazioni. Le celle solari tradizionali basate su semiconduttori di silicio vengono utilizzate per realizzare pannelli solari utilizzati nello spazio e sulla terra. L’aeroporto internazionale di Denver sfrutta il clima soleggiato del Colorado e dispone di quattro pannelli solari che forniscono il 6% del fabbisogno energetico dell’aeroporto.

I DSSC operano con efficienze fino al 15%,⁷ rispetto all’efficienza del 14-17% per i tradizionali pannelli di silicio commerciali a basso costo. Mentre l’efficienza operativa dei DSSC è competitiva, l’alto costo dei materiali (come il ru-dye) è problematico per le applicazioni su larga scala. Forse il più grande svantaggio dei DSSC è l’uso di un elettrolita liquido sensibile alle variazioni di temperatura. L’elettrolita liquido può congelare a basse temperature, interrompendo così la produzione di energia e/o causando danni strutturali al pannello solare. A temperature elevate, l’elettrolita liquido si espande, il che rende difficile la sigillatura dei pannelli.

References

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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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