Сенсибилизированные красителем солнечные батареи

1. Приготовление пасты TiO₂

1. Насыпьте 6 г коллоидного порошка TiO₂ и поместите его в ступку.
2. Осторожно добавьте 2-3 мл уксуса в TiO₂ и начните растирать суспензию пестиком до получения однородной пасты. Измельчение служит для разрушения агрегированных комков в порошке.
3. Продолжайте добавлять уксус с шагом ~ 1 мл во время измельчения, до ~ 9 мл общего объема. Перед каждым добавлением консистенция пасты должна быть однородной и без комочков. Конечная паста должна быть густой, но не настолько густой, чтобы ее нельзя было выдавить из флакона-капельницы.
4. Добавьте 1 каплю средства для мытья посуды в 1 мл дистиллированной воды, аккуратно перемешайте.
5. Добавьте раствор средства для мытья посуды в суспензию TiO₂ и аккуратно перемешайте, стараясь не допустить образования пузырьков.
6. Дайте суспензии сбалансироваться в течение 15 минут. Средство для мытья посуды служит поверхностно-активным веществом, помогающим сделать так, чтобы суспензия легче распределялась в однородную пленку на стекле.

2. Осаждение TiO₂ на стекле

1. Очистите два токопроводящих предметных стекла. Смочите салфетку с этанолом и используйте ее, чтобы протереть два проводящих стекла. Поместите чистые горки на свежую салфетку.
2. Определите, какая сторона стекла является проводящей. С помощью мультиметра, настроенного на Ом, коснитесь обоих проводов с одной стороны стекла. Если наблюдается показатель от 10 до 30 Ω, то это проводящая сторона. Значение 0 Ω указывает на непроводящую сторону.
3. Замаскируйте слайд. Поместите одно стекло проводящей стороной вверх, а другое — токопроводящей стороной вниз. Осторожно удерживая горки в соприкосновении, прикрепите стеклянные горки к столешнице скотчей. Наклейте ленту на три из четырех сторон слайдов, убедившись, что ~ 5-8 мм слайда покрыты лентой с каждой из трех сторон (Рисунок 4). Плотно прижмите ленту, чтобы в ней не было пузырьков воздуха.
4. Нанесите пасту TiO₂. С помощью стеклянного стержня нанесите тонкую линию пасты на замаскированный верхний край предметного стекла. С помощью стеклянного стержня осторожно раскатайте пасту вниз по длине горки и снова вверх. Повторите это движение 2-3 раза, не поднимая стержень, или до получения однородной пленки.
   1. Если пленка не однородная, просто сотрите ее салфеткой, очистите стекло этанолом и, высохнув, повторите попытку.
5. Дайте пленке немного подсохнуть, затем аккуратно снимите скотч со стекла. Предметное стекло с пленкой TiO₂ должно быть на проводящей стороне. Другую горку можно очистить и использовать позже.
6. Отжечь фильм TiO₂. Осторожно поместите предметное стекло (TiO₂ стороной вверх) на горячую плиту, установленную на 450 °C. Наблюдайте, как TiO₂ темнеет до фиолетово-коричневого цвета и восстанавливает свой белый цвет. На этом этапе выключите конфорку и дайте пленке медленно остыть. Если предметное стекло охлаждается слишком быстро, оно может треснуть или разбиться.
7. С помощью линейки измерьте площадь поверхности, которая покрыта пленкой, и запишите это значение.

Рисунок 4. Осаждение TiO₂ на стекло.

3. Испачкайте пленку TiO₂ красителем

1. Положите в ступку несколько ягод ежевики, малины или вишни и раздавите их пестиком.
2. Процедите раствор через кофейный фильтр и поместите в чашку Петри. Возможно, потребуется добавить в сок несколько мл воды.
3. Поместите охлажденную пленку TiO₂ лицевой стороной вниз в чашку Петри. Будьте осторожны, чтобы не стереть TiO₂. Дайте красителю адсорбироваться на пленке. Это может занять несколько минут.
4. Как только пленка будет полностью покрыта (она должна быть темно-красной или фиолетовой и на ней не должно быть белых пятен), поднимите предметное стекло вверх с помощью щипцов (будьте осторожны, чтобы только жесткое стекло, а не пленку), и промойте предметное стекло водой, затем этанолом. Промокните пленку насухо с помощью салфетки и сразу же используйте.
   1. Если вы не используете сразу, то храните пленку в чашке Петри, которая содержит уксусную кислоту при pH 3-5, а посуду накройте крышкой и заверните в фольгу.

4. Подготовьте противоэлектрод

1. С помощью другого проводящего предметного стекла выполните шаги 2.1-2.2.
2. Нанесите углеродный катализатор на проводящую сторону. Используя пинцет, держите предметное стекло токопроводящей стороной вниз над кончиком горелки Бунзена. Перемещайте предметное стекло так, чтобы сажа собиралась по всей поверхности, но не дольше 30 с. Дайте предметному стеклу остыть и сотрите сажу с одной стороны предметного стекла ватным тампоном.
   1. В качестве альтернативы, с помощью карандаша HB, покройте графитом всю проводящую поверхность. Это дает более прочный электрод, но он работает хуже.

5. Соберите солнечную батарею

1. Высушите испачканную пленку. Промойте его этанолом и положите на салфетку. Аккуратно промокните пленку второй салфеткой. Пленка должна быть сухой, чтобы не воздействовать на раствор электролита.
2. Пленкой электрода вверх аккуратно поместите сверху электрод с углеродным покрытием (карбоновой стороной вниз). Обязательно сместите предметные стекла, чтобы открытые стороны обоих электродов можно было прикрепить к проводам. Поместите два связующих зажима по бокам, прилегающим к офсетному стеклу.
3. Поместите несколько капель раствора электролита вдоль одного края предметных стекол и осторожно откройте/закройте каждую сторону элемента, поочередно открывая/закрывая связующие зажимы. Убедитесь, что весь окрашенный участок контактирует с раствором электролита, и при необходимости повторите шаг 5.2.
4. Сотрите излишки электролита с открытых участков с помощью салфеток и этанола.
5. Закрепите зажимы из кожи аллигатора на двух открытых сторонах солнечного элемента.

6. Измерение производительности ячейки

Примечание: В идеале эти измерения должны проводиться на улице. Однако, если погода не позволяет, их можно проводить в помещении с помощью галогенной лампы. Все измерения должны производиться без движения клетки, чтобы они выполнялись в идентичных условиях.

1. Обязательно расположите ячейку так, чтобы пленка TiO₂ была обращена вверх к солнцу, и наденьте на ячейку крышку из поликарбоната. Это защищает клетку от повреждения ультрафиолетом.
2. Подсоедините отрицательный электрод (TiO₂-стекло с покрытием) к отрицательному проводу мультиметра, а положительный электрод (C) — к положительному проводу мультиметра (Рисунок 5).
3. Установите мультиметр в положение вольт и измерьте напряжение. Это потенциал холостого хода (максимальное напряжение при нулевом токе). Накройте ячейку (рукой или твердым предметом), чтобы напряжение снизилось.
4. Установите мультиметр в положение миллиампер (мА) и измерьте максимальный ток. Это ток короткого замыкания (максимальный ток при нулевом напряжении). Накройте ячейку (рукой) так, чтобы ток уменьшился.
5. Запишите полную вольт-амперную кривую с помощью потенциометра 500-Ω в качестве переменной нагрузки.
   1. Определите, в каком отведении потенциометра находится центральный кран. Этот провод позволяет варьировать сопротивление. Для этого подключите мультиметр (настроенный на Ом) к двум проводам на потенциометре и варьируйте сопротивление на потенциометре. Обратите внимание, если сопротивление изменится. Повторите то же самое с двумя другими комбинациями лидов. Изменения резистентности должны наблюдаться в двух из трех комбинаций. Провод, который использовался в обеих комбинациях, давших изменения, является центральным краном, а два других функционально идентичны.
   2. Соберите схему, как показано на рисунке Рисунок 5 (справа).
   3. Установите потенциометр на полное (или нулевое) сопротивление и обратите внимание на ток и напряжение.
   4. Изменяйте сопротивление на потенциометре с небольшим шагом и обратите внимание на ток и напряжение так, чтобы было несколько точек, охватывающих весь диапазон потенциометра. Не двигайте ячейку во время этих измерений. Как только течение начнет меняться, обязательно соберите много точек данных; При постоянном значении можно получить меньше точек данных.

Рисунок 5. Принципиальная схема для измерения потенциала холостого хода и тока короткого замыкания (слева, шаги 6.3 и 6.4), а также для записи вольт-амперной кривой (справа).