Ogniwa słoneczne uwrażliwione na barwnik
Źródło: Tamara M. Powers, Wydział Chemii, Texas A&M University
Dzisiejszy współczesny świat wymaga użycia dużej ilości energii. Chociaż wykorzystujemy…
1. Przygotowanie pasty TiO2
- Wymasować 6 g koloidalnego proszku TiO2 i umieścić go w moździerzu.
- Ostrożnie dodaj 2-3 ml octu do TiO2 i rozpocznij mielenie zawiesiny tłuczkiem, aż do uzyskania jednolitej pasty. Mielenie służy do rozbijania zagnieżdżonych grudek w proszku.
- Kontynuuj dodawanie octu, w odstępach co ~ 1 ml podczas mielenia, do ~ 9 ml całkowitej objętości. Przed każdym dodatkiem konsystencja pasty powinna być jednolita i pozbawiona grudek. Ostateczna pasta powinna być gęsta, ale nie na tyle gęsta, aby nie można jej było wycisnąć z butelki z zakraplaczem.
- Dodaj 1 kroplę płynu do naczyń do 1 ml wody destylowanej, delikatnie wymieszaj.
- Dodaj roztwór płynu do naczyń do zawiesiny TiO2 i delikatnie wymieszaj, uważając, aby nie powstały bąbelki.
- Pozostawić zawiesinę do wyrównania przez 15 minut. Mydło do naczyń służy jako środek powierzchniowo czynny, dzięki czemu zawiesina łatwiej rozprowadza się w postaci jednolitego filmu na szkle.
2. Osadzanie TiO2 na szkle
- Wyczyść dwa przewodzące szkiełka szklane. Namocz kimwipe w etanolu i użyj go do wytarcia dwóch przewodzących szkiełek szkiełkowych. Umieść czyste szkiełka na świeżej chusteczce.
- Określ, która strona szkła jest przewodząca. Za pomocą multimetru ustawionego na omy dotknij obu przewodów po jednej stronie szkła. Jeśli obserwuje się odczyt od 10 do 30 Ω, jest to strona przewodząca. Odczyt 0 Ω wskazuje na stronę nieprzewodzącą.
- Zamaskuj slajd. Umieść jedno szkiełko przewodzącą stroną do góry, a drugie przewodzącą stroną do dołu. Ostrożnie trzymając szkiełka w kontakcie, przyklej szklane szkiełka do blatu. Umieść taśmę na trzech z czterech stron szkiełek, upewniając się, że ~ 5-8 mm szkiełka jest pokryte taśmą z każdej z trzech stron (Rysunek 4). Mocno dociśnij taśmę, aby upewnić się, że nie ma pęcherzyków powietrza.
- Zastosuj pastę TiO2. Za pomocą szklanego pręta nałóż cienką linię pasty na zamaskowaną górną krawędź szkiełka. Użyj szklanego pręta, aby ostrożnie przetoczyć pastę w dół szkiełka i z powrotem do góry. Powtórz ten ruch 2-3 razy bez podnoszenia pręta lub do uzyskania jednolitej folii.
- Jeśli folia nie jest jednolita, po prostu zetrzyj ją chusteczką kimwipe, wyczyść szkło etanolem, a po wyschnięciu spróbuj ponownie.
- Poczekaj, aż folia trochę wyschnie, a następnie ostrożnie usuń taśmę ze szkła. Szkiełko z folią TiO2 powinno znajdować się po stronie przewodzącej. Drugi slajd można wyczyścić i użyć później.
- Wyżarzanie filmu TiO2. Ostrożnie umieść szkiełko (TiO2 stroną do góry) na płycie grzejnej ustawionej na 450 °C. Obserwuj, jak TiO2 ciemnieje do fioletowo-brązowego koloru i odzyskuje swój biały kolor. W tym momencie wyłącz płytę grzejną i pozwól folii powoli ostygnąć. Jeśli szkiełko zostanie zbyt szybko schłodzone, może pęknąć lub pęknąć.
- Za pomocą linijki zmierz powierzchnię pokrytą folią i zanotuj tę wartość.
Rysunek 4. Osadzanie TiO2 na szkle.
3. Barwnik zabarwić folię TiO2 barwnikiem
- Umieść kilka jeżyn, malin lub wiśni w moździerzu i rozgnieś je tłuczkiem.
- Przefiltrować roztwór przez filtr do kawy i na szalkę Petriego. Może być konieczne dodanie kilku ml wody do soku.
- Umieść schłodzony film TiO2 ekranem do dołu na szalce Petriego. Uważaj, aby nie zdrapać żadnych TiO2. Pozwól, aby barwnik został zaadsorbowany na folii. Może to potrwać kilka minut.
- Gdy folia jest całkowicie pokryta (powinna być ciemnoczerwona lub fioletowa i nie ma białych plam), podnieś szkiełko szczypcami (uważaj, aby utwardzić tylko szkło, a nie folię) i spłucz szkiełko wodą, a następnie etanolem. Osusz folię chusteczką kimwipe i natychmiast zużyj.
- Jeśli nie zostanie natychmiast zużyty, przechowuj folię na szalce Petriego, która zawiera kwas octowy o pH 3-5, przykryj naczynie pokrywką i zawiń w folię.
4. Przygotuj przeciwelektrodę
- Używając innego szkiełka przewodzącego, wykonaj kroki 2.1-2.2.
- Nałóż katalizator węglowy po stronie przewodzącej. Za pomocą pęsety przytrzymaj szkiełko przewodzącą stroną do dołu nad końcówką palnika Bunsena. Przesuwaj szkiełko tak, aby sadza zbierała się na całej powierzchni, ale nie dłużej niż 30 s. Poczekaj, aż szkiełko ostygnie i wytrzyj sadzę po jednej stronie szkiełka bawełnianym wacikiem.
- Alternatywnie, za pomocą ołówka HB, pokryj całą powierzchnię przewodzącą grafitem. Daje to bardziej wytrzymałą elektrodę, ale taką, która działa gorzej.
5. Złóż ogniwo słoneczne
- Wysuszyć poplamioną folię. Opłucz go etanolem i umieść na chusteczce kimwipe. Delikatnie osusz folię drugą chusteczką kimwipe. Folia musi być sucha, aby nie wpływała na roztwór elektrolitu.
- Folią elektrody skierowaną do góry delikatnie umieść elektrodę pokrytą węglem (węglem skierowanym w dół). Pamiętaj, aby przesunąć szkiełka, aby odsłonięte boki obu elektrod można było przypiąć do przewodów. Umieść dwa spinki do segregatora po bokach przylegających do szkła offsetowego.
- Umieść kilka kropli roztworu elektrolitu wzdłuż jednej krawędzi szkiełek i ostrożnie otwórz/zamknij każdą stronę ogniwa, naprzemiennie otwierając/zamykając zaciski do segregatora. Upewnij się, że cały zaplamiony obszar ma kontakt z roztworem elektrolitu i w razie potrzeby powtórz krok 5.2.
- Zetrzyj nadmiar elektrolitu z odsłoniętych obszarów za pomocą chusteczek kimwipes i etanolu.
- Przymocuj zaciski krokodylkowe do dwóch odsłoniętych stron ogniwa słonecznego.
6. Pomiar wydajności komórki
Uwaga: Idealnie byłoby, gdyby pomiary te były wykonywane na zewnątrz. Jeśli jednak pogoda na to nie pozwala, można to zrobić wewnątrz za pomocą lampy halogenowej. Wszystkie pomiary powinny być wykonywane bez ruchu celi, tak aby były wykonywane w identycznych warunkach.
- Upewnij się, że ustawiłeś ogniwo tak, aby folia TiO2 była skierowana do góry w stronę słońca i umieść poliwęglanową osłonę na ogniwie. Chroni to ogniwo przed uszkodzeniem przez promieniowanie UV.
- Podłącz elektrodę ujemną (TiO2 ze szkła pokrytego powłoką) do przewodu ujemnego multimetru, a elektrodę dodatnią (C) do przewodu dodatniego multimetru (Rysunek 5).
- Ustaw multimetr na wolty i zmierz napięcie. Jest to potencjał obwodu otwartego (maksymalne napięcie przy zerowym prądzie). Zakryj ogniwo (ręką lub solidnym przedmiotem), aby upewnić się, że napięcie spadnie.
- Ustaw multimetr na miliampery (mA) i zmierz maksymalny prąd. Jest to prąd zwarciowy (maksymalny prąd przy zerowym napięciu). Przykryj ogniwo (ręką), aby upewnić się, że prąd maleje.
- Nagraj pełną krzywą prądowo-napięciową za pomocą potencjometru 500-Ω jako obciążenia zmiennego.
- Określ, który przewód na potencjometrze jest odczepem centralnym. Przewód ten pozwala na zmianę oporu. W tym celu podłącz multimetr (ustawiony na omy) do dwóch przewodów na potencjometrze i zmieniaj rezystancję na potencjometrze. Zwróć uwagę, czy zmienia się opór. Powtórz to z pozostałymi dwiema kombinacjami przewodów. Zmiany oporu należy zaobserwować w dwóch z trzech kombinacji. Smycz, która została użyta w obu kombinacjach, które dały zmiany, to centralny kran, a pozostałe dwa są funkcjonalnie identyczne.
- Zmontuj obwód, jak pokazano na Rysunek 5 (po prawej).
- Ustaw potencjometr na pełną (lub zerową) rezystancję i zanotuj prąd i napięcie.
- Zmieniaj rezystancję na potencjometrze w małych krokach i notuj prąd i napięcie, tak aby było kilka punktów, które obejmują cały zakres potencjometru. Pamiętaj, aby nie przesuwać ogniwa podczas tych pomiarów. Gdy prąd zacznie się zmieniać, pamiętaj o zebraniu wielu punktów danych; Można uzyskać mniej punktów danych, gdy jest stała.
Rysunek 5. Schemat obwodu do pomiaru potencjału obwodu otwartego i prądu zwarciowego (po lewej, kroki 6.3 i 6.4) oraz do zapisu krzywej I-V (po prawej).
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Barwnikowe ogniwa słoneczne są obiecującą alternatywą dla konwencjonalnych ogniw fotowoltaicznych półprzewodnikowych i w ostatnich latach stały się komercyjnie opłacalne.
Ogniwa barwnikowe kompensują swoją niższą wydajność poprzez unikalne wytwarzanie stałej mocy nawet w wysokich temperaturach i przy wysokich kątach padania fotonów, dając prawie 50% więcej energii niż krzemowe ogniwa słoneczne przy słabym oświetleniu. Są znacznie łatwiejsze w produkcji i mogą wykorzystywać naturalne, obfite pigmenty roślinne jako barwniki. Ten film ilustruje działanie barwnikowych ogniw słonecznych, demonstruje podstawową procedurę tworzenia próbek testowych w laboratorium przy użyciu pigmentów roślinnych i omawia kilka zastosowań.
Wszystkie ogniwa słoneczne opierają się na zdolności światła do oddawania energii elektronom w celu wytworzenia prądu elektrycznego.
W pojedynczych atomach elektrony są ograniczone do dyskretnych poziomów energetycznych. Jednakże, gdy pochłaniają fotony światła, elektrony tymczasowo wznoszą się na wyższe poziomy energetyczne, pozostawiając dziurę na niższym poziomie.
Kiedy dwa atomy znajdują się w pobliżu, zaburzają nawzajem swoje elektrony. Tworzy to nowe poziomy energii, które elektrony mogą zajmować. W miarę dodawania kolejnych atomów tworzy się więcej poziomów energii, które ostatecznie łączą się w gęste pasma energii.
W półprzewodnikach niezajęte poziomy energii tworzą pasmo przewodnictwa o wysokiej energii, podczas gdy zajęte poziomy tworzą pasmo walencyjne o niskiej energii. Różnica energii jest znana jako "energia przerwy energetycznej". Jeśli foton o energii przerwy energetycznej uderzy w elektron, elektron zostanie wypromowany, pozostawiając po sobie dziurę. Zarówno elektron, jak i dziura mogą być przewodzone z atomu na atom, aż do rekombinacji.
Teraz, gdy widzieliśmy, jak półprzewodniki pochłaniają energię świetlną, zobaczmy, jak możemy wykorzystać to zjawisko w barwnikowym ogniwie słonecznym.
W przeciwieństwie do krzemowych ogniw słonecznych, barwnikowe ogniwa słoneczne oddzielają proces absorpcji światła od procesu transmisji prądu, aby obniżyć szybkość rekombinacji.
Ogniwo zawiera barwnik uczulający, warstwę półprzewodnikową, elektrolit i dwie elektrody. Półprzewodnik jest stabilnym dielektrykiem, takim jak anataz TiO2. Elektrolit jest zazwyczaj jodkiem organicznym, a przeciwelektroda jest materiałem odpornym na korozję i ciepło, często platyną lub węglem.
Półprzewodnik jest mezoporowaty i zawiera monowarstwę zaadsorbowanego barwnika. Kiedy elektron barwnika jest wzbudzany przez foton, jest natychmiast wstrzykiwany do pasma przewodnictwa półprzewodnika.
Półprzewodnik przenosi elektron do fotoelektrody, a następnie do obwodu. Elektron wraca przez przeciwelektrodę, gdzie zużyty elektrolit jest redukowany, kończąc cykl.
Skuteczne barwniki reagują na całe spektrum widzialne. Wczesne barwniki zawierały organiczne kompleksy rutenu. Zapewniają one wysoką konwersję na podczerwień, ale są drogie i trudne do wyprodukowania. Barwniki światłoczułe pochodzenia roślinnego, takie jak karotenoidy i antocyjany, są bardziej obfite i praktyczne, choć mniej wydajne.
Takie są zasady. Przyjrzyjmy się teraz podstawowej procedurze operacyjnej w laboratorium.
Zademonstrowana tutaj procedura pozwala na szybkie wytwarzanie i testowanie barwnikowych ogniw słonecznych przy użyciu wyłącznie powszechnie stosowanych prekursorów i materiałów laboratoryjnych.
Zacznij od dodania 6 g proszku anatazu TiO2 do moździerza. Dodaj 2-3 ml octu i zmiel zawiesinę, aby rozbić grudki. Kilkakrotnie dodawaj ocet w odstępach co 1 ml i mielej, aż zostanie dodanych łącznie 9 ml. Pasta powinna ostatecznie być jednolita.
Następnie wytwórz roztwór środka powierzchniowo czynnego, delikatnie mieszając jedną kroplę płynu do naczyń z 1 ml wody destylowanej. Delikatnie wymieszaj roztwór środka powierzchniowo czynnego z pastą, uważając, aby nie wytworzyć pęcherzyków. Pozwól, aby zawiesina się zrównoważyła
Wyczyść dwa szkiełka przewodzące pokryte SnO2 za pomocą ściereczki nasączonej etanolem o niskiej zawartości kłaczków. Użyj multimetru, aby znaleźć ich przewodzące strony. Strona przewodząca powinna mieć rezystancję 10-30 Ω.
Przyklej szkiełka do ławki, jedną przewodzącą stroną do góry, a drugą przewodzącą stroną do dołu, tak aby 5-8 mm było zamaskowane i nie było pęcherzyków powietrza. Za pomocą szklanego pręta nałóż cienką, jednolitą linię pasty na górną krawędź strony przewodzącej. Pozostaw folię do lekkiego wyschnięcia i usuń taśmę.
Osusz szkiełko, umieszczając je na płycie grzejnej, przewodzącą stroną do góry. Film najpierw ciemnieje do fioletowo-brązowego, a następnie wybiela. W takim przypadku wyłącz płytę grzejną, trzymając suwak na górze. Po schłodzeniu do temperatury pokojowej zapisz powierzchnię folii.
Aby przygotować przeciwelektrodę, wyczyść drugi przewodzący szkiełko podstawowe. Nałóż katalizator węglowy na stronę przewodzącą. Przytrzymaj stronę przewodzącą pęsetą nad płomieniem zapalniczki. Pozwól, aby sadza zbierała się nie dłużej niż 30 sekund. Zmień orientację szkiełka za pomocą pęsety i przykryj pozostały róg sadzą w ten sam sposób, upewnij się, że cała prowadnica jest zakryta.
Teraz, gdy elektrody zostały przygotowane, skonstruujmy uwrażliwione na barwnik ogniwo słoneczne.
Za pomocą szpatułki rozdrobnij w zlewce kilka malin, jeżyn lub wiśni. Następnie przefiltruj roztwór na szalkę Petriego za pomocą filtra do kawy, dodając kilka kropli wody destylowanej, jeśli to konieczne.
Za pomocą pęsety umieść fotoelektrodę na szalce Petriego przewodzącą stroną do dołu, uważając, aby nie zarysować filmu. Po zakończeniu barwienia ostrożnie wyjmij szkiełko i sprawdź, czy nie są widoczne żadne białe plamy. Opłucz szkiełko w etanolu i osusz.
Umieść przeciwelektrodę na folii stroną zadrukowaną do dołu, zachowując przesunięcie między szkiełkami. Przymocuj klipsy do segregatora do krawędzi prowadnicy. Umieść kilka kropli elektrolitu wzdłuż krawędzi i pozwól mu przesączyć się przez folię, lekko otwierając klipsy do segregatora. Komórka jest teraz gotowa do pracy.
Przygotuj się do pomiaru wydajności ogniwa pod lampą halogenową. Ustaw ogniwo tak, aby fotoelektroda była skierowana w stronę lampy halogenowej. Użyj multimetru, aby zmierzyć potencjał obwodu otwartego i prąd zwarciowy.
Następnie podłącz komórkę do 500 ?? potencjometr do utworzenia obwodu pokazanego w protokole tekstowym. Sekwencyjnie zwiększaj rezystancję za pomocą potencjometru i użyj multimetru do pomiaru napięcia i prądu.
Zebrane dane są wykorzystywane do stworzenia krzywej prąd-napięcie, która opisuje konwersję energii słonecznej ogniwa słonecznego i jego wydajność słoneczną.
Punkt, w którym krzywa przecina oś x, nazywany jest napięciem obwodu otwartego, które jest maksymalnym napięciem przy prądzie zerowym. Punkt maksymalnego prądu przy 0 V pojawia się na wykresie, w którym krzywa przecina oś y.
Punkt maksymalnej mocy (MPP) występuje w "kolanie" krzywej i zapewnia warunki napięcia i prądu dla idealnej pracy ogniwa słonecznego. MPP krzywych prąd-napięcie umożliwia porównanie wydajności różnych ogniw słonecznych. Napięcie obwodu otwartego zmierzone w tym eksperymencie może osiągnąć wartości 0,5 V i potencjał zwarciowy 1-2 mA/cm2 .
Barwnikowe ogniwa słoneczne są cenne w zastosowaniach niszowych, a podejście przedstawione w tym filmie pozwala na szybkie prototypowanie ogniw z wykorzystaniem nowatorskich barwników.
Ponieważ barwnikowe ogniwa słoneczne wytwarzają dużą moc przy słabym oświetleniu, są przydatne do "zbierania światła", czyli ponownego wykorzystania światła w pomieszczeniach do zasilania czujników, identyfikatorów, nadajników danych i innych. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego celu jest opracowanie barwników, które wprowadzają poziomy energii w paśmie wzbronionym, z których elektrony mogą przekształcać się w pasmo przewodnictwa. Empirycznie podwoiło to konwersję fotonów na elektrony w bliskiej podczerwieni poprzez zastąpienie pojedynczej absorpcji wysokoenergetycznej dwiema absorpcjami o niższej energii.
Ogniwa barwnikowe są wykorzystywane do produkcji okien fotowoltaicznych, w których do elektrod dodawane są puste w środku szklane mikrosfery TiO2 w celu zminimalizowania zanieczyszczenia i utrzymania wydajności. W tym celu można zastosować niedrogie techniki produkcyjne, takie jak elektroprzędzenie, w których zawiesina TiO2 jest powoli wstrzykiwana w pole elektryczne w celu wytworzenia nanowłókien do elektrod o wysokiej wydajności. Inną techniką wytwarzania jest druk atramentowy. Zostało to wykorzystane do osadzania elektrod na szklanych podłożach, uzyskując ogniwa o wydajności 3,5%.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do barwnikowych ogniw słonecznych. Powinieneś być teraz zaznajomiony z działaniem komórek uczulonych na barwnik, procedurą niedrogiego generowania ich w laboratorium i niektórymi zastosowaniami. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
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.