Dye-sensitized Solar Cells

Inorganic Chemistry

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Overview

Source : Tamara M. Powers, département de chimie, Texas A & M University

Monde moderne d’aujourd'hui nécessite l’utilisation d’une grande quantité d’énergie. Alors que nous exploiter l’énergie des combustibles fossiles comme le charbon et le pétrole, ces sources sont non renouvelables et donc l’offre est limitée. Pour maintenir notre mode de vie global, nous devons extraire l’énergie provenant de sources renouvelables. Source renouvelable la plus prometteuse, en termes d’abondance, est le soleil, qui nous donne plus de suffisamment d’énergie solaire pour pleinement alimenter notre planète plusieurs fois au cours.

Alors, comment nous extraire l’énergie du soleil ? Nature a été le premier à le comprendre : la photosynthèse est le processus par lequel les plantes convertir eau et dioxyde de carbone aux hydrates de carbone et d’oxygène. Ce processus se produit dans les feuilles des plantes et s’appuie sur les pigments de chlorophylle que les feuilles de couleur verte. C’est ces molécules colorées qui absorbent l’énergie des rayons du soleil, et cela absorbée l’énergie qui anime les réactions chimiques.

En 1839, Edmond Becquerel, puis un physicien Français âgé de 19 an expériences dans le laboratoire de son père, a créé la première cellule photovoltaïque. Il allume une solution acide de chlorure d’argent qui était relié à des électrodes de platine qui a généré une tension et courant. 1 beaucoup de découvertes et d’avancées ont été faites à la fin 19ème et la première moitié du 20ème siècle, et c’est seulement en 1954 que la première cellule solaire pratique a été construite par Bell Laboratories. Commençant dans les années 1950, cellules solaires ont été utilisées pour alimenter des satellites dans l’espace. 2

Cellules solaires sont des dispositifs électriques qui utilisent la lumière pour créer un courant. Cette vidéo montre la préparation et analyse d’un tel type de cellule, la cellule solaire de colorant (DSSC). Tout d’abord inventé à Berkeley par Brian O'Regan et Michael Grätzel, Grätzel poursuivi ce travail à l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse, aboutissant à la première DSSC très efficace en 1991. 3 ces cellules solaires, comme les plantes, utiliser un colorant pour harnais énergie du soleil.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Chimie inorganique. Dye-sensitized Solar Cells. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Théorie de bande :

Quand deux atomes sont rencontrent pour former des orbitales moléculaires, les deux orbitales sont forment, l’un avec une liaison et l’autre avec une symétrie antiliante. 4 , ceux-ci sont séparés par une certaine quantité d’énergie. Quand les atomes d’azote sont réunissent pour former des orbitales moléculaires, comme dans la forme solide, n orbitales moléculaires. Lorsque n est grand, le nombre d’orbitales qui sont rapprochées en énergie est également important. Le résultat est une bande d’orbitales de même énergie (Figure 1). Les électrons des atomes se trouvent dans ces bandes. La bande de Valence est la bande d’énergie plus élevée qui est remplie d’électrons. Il s’apparente à la plus haute orbitale moléculaire occupée (HOMO) des molécules. La bande de conduction est le groupe le plus bas n’est pas rempli par des électrons et s’apparente à la plus basse inoccupée orbitale moléculaire (LUMO) des molécules. La bande interdite est la différence d’énergie entre ces deux bandes.

Lorsque la bande interdite est grande, la matière solide est un isolant : électrons ne peut pas circuler librement au sein de la matière (Figure 1). En revanche, les conducteurs sont ceux dont la bande interdite de valance-conduction est floue. Dans un conducteur, par exemple une partie métallique, appliquant une tension déclenche certains électrons dans la bande de valence à la bande de conduction. Ces électrons excités sont libres de se déplacer. Les électrons laissent derrière eux de trous positifs, qui sont aussi libres de se déplacer. En réalité, les trous ne bougent pas, mais plutôt les électrons se déplacent combler les trous positifs. Semi-conducteurs, lorsque la température augmente, vibrations moléculaires augmentent, ce qui entrave la circulation des électrons et diminuant la conductivité.

Semi-conducteurs sont des matériaux qui agissent comme isolants à 0 Kelvin, mais deviennent des chefs d’orchestre comme la température augmente (Figure 1). C’est parce que l’énergie de bande, le fossé entre la bande de valence et de conduction-est petit, donc l’énergie thermique est suffisant pour exciter les électrons dans la bande de conduction. Les semi-conducteurs intrinsèques typiques incluent silicium et germanium.

Figure 1
Figure 1. Diagramme de bande à un isolant, semi-conducteur, et chef d’orchestre. Bandes ombrées sont remplis d’électrons, alors que les bandes blanches sont vides. Électrons discrètes sont indiqués par une sphère rouge, tandis que les trous discrets sont indiqués par une sphère blanche.

Effet photovoltaïque :

Lorsque la lumière frappe un semi-conducteur, il peut exciter un électron de la bande de valence à la bande de conduction. Cet électron peut alors se recombiner avec le trou il laissé derrière lui, ayant pour résultat aucun flux d’électrons. Ou, il peut se déplacer dans le semi-conducteur, autour d’un circuit et se recombinent avec un trou à l’autre bout du circuit. Ce flux d’électrons créés à partir de l’exposition au soleil est appelé l’effet photovoltaïque. Ce dernier scénario est souhaité pour produire de l’électricité, et ainsi les systèmes doivent être conçus pour favoriser ce rapport recombinaison.

Favoriser cela consiste à concevoir des cellules avec une jonction p-n, c'est-à-direune jonction entre un semi-conducteur dopé de n et de p. Ce sont des semi-conducteurs par lequel certains des atomes ont été remplace être voisins des atomes du tableau périodique. Ceux-ci sont remplacés par des atomes qui ont plus d’électrons dans les semi-conducteurs dopés n, et dans les semi-conducteurs dopés p, ceux-ci sont remplacés par des atomes qui ont moins d’électrons. « Traditionnels » cellules solaires à base de silicium font usage de cette approche.

Toutefois, un nouveaux type de cellules solaires sont DSSC, souvent désigné comme la cellule Grätzel. 5 ce sont prometteurs car ils sont semi translucides, et leur coût est beaucoup moins. Ces cellules solaires font encore usage de semi-conducteurs, mais c’est un colorant qui sert à absorber la lumière du soleil.

Composants d’un DSSC :

Il y a de nombreux composants à un DSSC, illustrée à la Figure 2.

Colorant

Afin de favoriser l’effet photovoltaïque, un DSSC rend l’utilisation de colorants. La molécule de colorant absorbe la lumière, promouvoir un électron d’un bonding orbital à une orbitale anti-collage. Cet électron excité peut ensuite retomber vers le bas à l’orbitale de liaison, ayant pour résultat aucun flux d’électrons. Ou, il peut être injecté dans un semi-conducteur, la voie productive d’un DSSC. Il laisse derrière lui un trou, qui sont obligatoires pour compléter le circuit. Pour la voie productive, l’énergie de l’électron de l’état excité dans la teinture doit être supérieure à la bande de conduction du semi-conducteur. Le colorant doit aussi absorber une grande partie du spectre solaire, pour améliorer l’efficacité de la cellule. Les colorants typiques sont de ruthénium (Ru)-basé et donc limite un DSSC, car ce métal n’est pas très économique.

Dans cette expérience, on utilisera un colorant naturel (anthocyanines) trouvé dans certains fruits comme les mûres et les framboises. La structure du colorant anthocyane doit figurer plusieurs = O ou -OH groupes, qui permettent de la teinture lier à la surface de2 Ti OIV(Figure 3). 6

Semiconductor

L’électron excité passe ensuite à la bande de conduction du semi-conducteur. Les semi-conducteurs que nous utiliserons dans cette expérience sont TiO2.

Anode

L’électron découle de la fabrication de semi-conducteurs à l’anode, qui est dans ce cas, SnO2-verre à couche. Le SnO2 permet une surface conductrice sur le verre, qui autrement serait un isolant.

Cathode

Après avoir traversé une charge, l’électron est livré à la cathode, qui est également couvert dans SnO2. La cathode est en outre recouvert d’un catalyseur, en l’occurrence, graphite, qui contribue à promouvoir la réaction rédox du médiateur.

Médiateur

L’électron passe de la cathode à j’ai3-, la réduisant à I. Cette molécule réduite peut alors donner un électron au trou laissé dans la molécule de colorant, remplir le circuit. Ce processus je régénère3. La différence entre l’I3/i cellule de potentiel et le niveau de Fermi correspond à la possibilité de circuit ouvert de la cellule solaire, ou de la tension maximale qui peut être produite par la cellule.

Dans cette vidéo, un DSSC est prêt et sa performance est évaluée.

Figure 2
Figure 2. Schéma d’un DSSC. La lumière du soleil est absorbé par la teinture, soulevant un électron d’une orbitale anti-collage dans la teinture. Puis, cet électron se déplace vers la bande de conduction de2 TiO, laissant derrière lui un trou. L’électron tourne autour du circuit et passe une charge et est utilisé pour réduire j’ai3i-, qui est ensuite oxydé à j’ai3, comme l’électron remplit le trou laissé dans la teinture.

Figure 3
Figure 3. Pigments anthocyanes trouvés dans des baies se chélater à la surface de2 TiO.

Procedure

1. préparation de la pâte de2 TiO

  1. Masse sortir 6 g de poudre de2 TiO colloïdale et placez-le dans un mortier.
  2. Soigneusement ajouter 2-3 mL de vinaigre à la TiO2et commencer le ponçage la suspension avec le pilon jusqu'à obtention d’une pâte homogène. Le ponçage sert à briser les agrégats agrégées dans la poudre.
  3. Continuer à ajouter du vinaigre, dans ~ 1 mL augmente durant le broyage, jusqu'à ~ volume total 9 mL. Avant chaque ajout, la consistance de la pâte doit être homogène et sans grumeaux. La pâte finale doit être épaisse, mais pas si épais qu’il ne peut pas être évincé un flacon compte-gouttes.
  4. Ajouter 1 goutte de savon à vaisselle à 1 mL d’eau distillée, mélanger doucement.
  5. Ajouter la solution de savon de vaisselle à la suspension de2 TiO et mélanger délicatement, en veillant à ne pas produire des bulles.
  6. Permettre la suspension s’équilibrer pendant 15 min. Le savon à vaisselle sert un agent tensio-actif, pour faciliter la suspension plus facilement étaler en un film uniform sur le verre.

2. dépôt de TiO2 sur verre

  1. Nettoyez les deux lames de verre conducteur. Tremper un kimwipe avec de l’éthanol et utilisez-le pour essuyer le verre conducteur propre deux diapositives. Placez les glissières propres sur un kimwipe frais.
  2. Déterminer de quel côté de la vitre est conductrice. À l’aide d’un multimètre réglé ohms, toucher les deux fils sur le côté du verre. Si on observe une lecture entre 10 et 30 Ω, c’est le côté conducteur. Une lecture de Ω 0 indique le côté non-conducteur.
  3. Le masque de la diapositive. Placez une lamelle de verre avec son côté conducteur vers le haut et l’autre avec son côté conducteur vers le bas. Soigneusement conservées les diapositives toucher, scotchez les lames de verre sur le dessus du banc. Placer le ruban-cache sur trois des quatre côtés des lames, veillant à ce que ~ 5-8 mm de la lame est couverte par la bande sur chacun des trois côtés (Figure 4). Appuyez fermement, le ruban adhésif pour s’assurer qu’il n’y a pas de bulles d’air.
  4. Appliquer la pâte de2 TiO. À l’aide d’une baguette de verre, appliquer une fine ligne de pâte sur le bord supérieur masqué de la diapositive. Utilisez la baguette de verre soigneusement rouler la pâte sur toute la longueur de la lame, et sauvegarder. Répétez ce mouvement 2 ou 3 x sans la tige de levage, ou jusqu'à l’obtention d’un film uniform.
    1. Si le film n’est pas uniform, simplement essuyez-la avec un kimwipe, nettoyez la vitre avec de l’éthanol et une fois sec, essayez à nouveau.
  5. Laissez le film sécher un peu, puis retirer délicatement le de la vitre. La diapositive avec le film de2 TiO devrait être du côté du conducteur. Les autres diapositives peuvent être nettoyés et utilisés plus tard.
  6. Recuire le film de2 TiO. Placer soigneusement la diapositive (TiO2 vers le haut) sur une plaque chauffante qui est définie à 450 ° C. Regardez comme le TiO2 s’assombrit à une couleur pourpre/brun et retrouve sa couleur blanche. À ce stade, éteindre la plaque chauffante et laisser le film se refroidir lentement. Si la diapositive est refroidie trop rapidement, il peut casser ou se briser.
  7. Avec une règle, mesurer la surface qui est recouvert d’un film et Notez cette valeur.

Figure 4
Figure 4 . Dépôts de TiO2 sur verre.

3. tache le TiO2 Film avec colorant

  1. Placez quelques mûres, framboises ou cerises dans un mortier et les écraser avec un pilon.
  2. Filtrer la solution à travers un filtre à café et dans une boîte de Pétri. Il peut être nécessaire d’ajouter quelques mL d’eau au jus.
  3. Placez le film de2 TiO refroidi, côté face vers le bas dans la boîte de Pétri. Veillez pas gratter tout TiO2. Laissez le colorant être adsorbé sur le film. Cela peut prendre plusieurs minutes.
  4. Une fois que le film est entièrement enduit (il devrait être rouge foncé ou pourpre, et il n’y a aucune taches blanches), soulevez la diapositive vers le haut avec une pince (être dur attention seulement le verre et pas le film) et rincer la lame avec de l’eau, puis l’éthanol. Sécher le film avec un kimwipe et utiliser immédiatement.
    1. Si ne pas utilisée immédiatement, puis stocker le film dans une boîte de Pétri contenant de l’acide acétique à pH 3-5, et couvrir le plat avec le couvercle et envelopper dans du papier.

4. préparer la contre-électrode

  1. À l’aide d’une autre diapositive de verre conducteur, suivez les étapes 2.1-2.2.
  2. Appliquer le catalyseur de carbone du côté conducteur. À l’aide de pinces à épiler, maintenez la lame, côté conducteur, sur la pointe d’un bec Bunsen. Déplacer la diapositive afin que la suie recueille sur toute la surface, mais pour pas plus de 30 s. Laisser refroidir les diapositives et essuyer la suie sur un côté de la lame avec un coton-tige.
    1. Par ailleurs, à l’aide d’un crayon HB, couvrent la totalité de la surface conductrice avec graphite. Cela donne une électrode plus robuste, mais qui effectue moins bien.

5. Assembler la cellule solaire

  1. Sécher le film teinté. Rincez-le avec de l’éthanol et le placer sur un kimwipe. Éponger doucement le film avec un kimwipe de seconde. Le film doit être sèche quant à ne pas d’incidence sur la solution d’électrolyte.
  2. Avec le côté film électrode vers le haut, doucement placer l’électrode enrobée de carbone sur le dessus (face vers le bas en carbone). N’oubliez pas de compenser les diapositives afin que les côtés exposés de deux électrodes peuvent être fixées aux fils. Placer deux pinces pour reliures sur les côtés adjacents au verre décalé.
  3. Versez quelques gouttes de la solution d’électrolyte sur un bord des lames et soigneusement ouvrir/fermer chaque côté de la cellule alternativement ouverture/fermeture des pinces pour reliures. N’oubliez pas que toute la zone tachée est en contact avec la solution d’électrolyte et répétez l’étape 5.2 si nécessaire.
  4. Essuyez l’excès électrolyte des zones exposées à l’aide de kimwipes et éthanol.
  5. Fixer les pinces crocodiles aux deux parties exposées de la cellule solaire.

6. mesure du rendement de la cellule

Remarque : Dans l’idéal, ces mesures doivent se faire en dehors. Toutefois, si la météo n'est pas, il peuvent se faire à l’intérieur à l’aide d’une lampe halogène. Toutes les mesures doivent être faites avec aucun mouvement de la cellule afin que qu’ils soient effectués dans des conditions identiques.

  1. N’oubliez pas d’orienter la cellule alors que le film de2 TiO est vers le haut vers le soleil et placez un couvercle en polycarbonate sur la cellule. Cela protège les cellules contre les dommages UV.
  2. Connecter l’électrode négative (TiO2-verre à couche) au câble négatif du multimètre et l’électrode positive (C) à la ligne positive du multimètre (Figure 5).
  3. La valeur du multimètre volts et mesurer la tension. C’est le potentiel de circuit ouvert (tension maximale à courant de zéro). Couvrir la cellule (avec une main ou un objet solide) pour s’assurer que la tension diminue.
  4. La valeur du multimètre en milliampères (mA) et mesurer le courant maximal. C’est le courant de court circuit (courant maximum au zéro de tension). Couvrir la cellule avec (avec un coup de main) pour s’assurer que le courant diminue.
  5. Enregistrer une courbe pleine de courant-tension à l’aide d’un potentiomètre 500-Ω comme une charge variable.
    1. Déterminer qui conduisent au niveau du potentiomètre est le robinet central. Ce câble permet la résistance d’être varié. Pour ce faire, connectez le multimètre (Ohm) à deux des cordons sur le potentiomètre et varier la résistance sur le potentiomètre. Note si la résistance change. Répétez ceci avec les deux autres combinaisons de prospects. Changements de résistance devraient être observés dans deux des trois combinaisons. Le plomb qui a été utilisé dans les deux combinaisons qui ont donné des changements est le robinet central, et les deux autres sont fonctionnellement identiques.
    2. Assembler le circuit tel qu’illustré à la Figure 5 (à droite).
    3. Réglez le potentiomètre à zéro (ou entièrement) résistance et notez le courant et la tension.
    4. Changer la résistance sur le potentiomètre par petits incréments et notez le courant et la tension afin qu’il y a plusieurs points qui s’étendent sur toute la gamme du potentiomètre. N’oubliez pas de ne pas déplacer la cellule au cours de ces mesures. Une fois que le courant commence à changer, n’oubliez pas de recueillir de nombreux points de données ; les points de données moins peuvent être obtenus lorsqu’il est constant.

Figure 5
Figure 5 . Schéma de circuit pour mesurer le potentiel de circuit ouvert et le courant de court circuit (à gauche, étapes, 6.3 et 6.4) et d’enregistrer la courbe I-V (à droite).

Colorant les cellules solaires sont une alternative prometteuse au photovoltaïque semi-conducteurs classiques et sont devenus rentables ces dernières années.

Cellules à colorant compensent leur efficacité moindre en produisant uniquement une alimentation régulière même à des températures élevées et les angles d’incidence élevée de photon, produisant près de 50 % plus de puissance que les cellules solaires en silicium sous une lumière faible. Ils sont beaucoup plus faciles à fabriquer et peut utiliser des pigments à base de plante naturels, abondants comme colorants. Cette vidéo illustre le fonctionnement du colorant les cellules solaires, illustre une procédure élémentaire pour la création d’échantillons testés en laboratoire en utilisant des pigments végétaux et discute de quelques applications.

Toutes les cellules solaires dépendent de la capacité de la lumière pour faire un don d’énergie aux électrons pour produire des courants électriques.

En atomes, électrons sont limitent à des niveaux d’énergie discrets. Toutefois, lorsqu’ils absorbent les photons de la lumière, les électrons montent temporairement à des niveaux plus élevés de l’énergie, laissant un trou au niveau inférieur.

Lorsque deux atomes sont à proximité, ils perturbent des uns et des autres électrons. Cela crée de nouveaux niveaux d’énergie que des électrons peuvent occuper. Lorsque des atomes supplémentaires sont ajoutés, niveaux d’énergie plus forme, finalement coalescence en bandes d’énergie dense.

Dans les semi-conducteurs, les niveaux d’énergie inoccupées forment une bande de conduction à haute énergie, tandis que les niveaux occupés forment une bande de valence de basse énergie. La différence d’énergie est connue comme le « énergie de bande interdite ». Si un photon dont l’énergie de bande interdite heurte un électron, l’électron sera promu, laissant un trou derrière. Électrons et des trous peuvent être effectuées d’un atome à l’atome jusqu'à ce qu’ils se recombinent.

Maintenant que nous avons vu comment semi-conducteurs absorbent l’énergie lumineuse, nous allons voir comment nous pouvons exploiter ce phénomène dans une cellule solaire de colorant.

À la différence des cellules solaires en silicium, colorant les cellules solaires séparer le processus d’absorption de la lumière de celle de la transmission actuelle, d’abaisser le taux de recombinaison.

La cellule contient un colorant sensibilisateur, une couche de semi-conducteur, un électrolyte et deux électrodes. Le semi-conducteur est un diélectrique stable, comme l’anatase TiO2. L’électrolyte est généralement un iodure organique et la contre-électrode un matériau résistant à la corrosion et à la chaleur, souvent platine ou carbone.

Le semi-conducteur est mésoporeux et contient une monocouche de colorant adsorbée. Quand un électron de colorant est excité par un photon, il est immédiatement injecté dans la bande de conduction du semi-conducteur.

Le semi-conducteur transmet l’électron à le PHOTOÉLECTRODE et à son tour sur le circuit. Les retours d’électrons par l’intermédiaire de la contre-électrode, où l’électrolyte usé est réduite, complétant le cycle.

Colorants efficaces répondent à l’ensemble du spectre visible. Début colorants inclus complexes de ruthénium organique. Ceux-ci fournissent une conversion élevée dans l’infrarouge, mais sont coûteux et difficiles à produire. Des pigments photosensibles à base de plantes, comme les caroténoïdes et les anthocyanes, sont plus abondantes et plus pratique, quoique moins efficace.

Ce sont les principes. Maintenant examinons un mode opératoire élémentaire dans le laboratoire.

La procédure a démontré ici permet de colorant des cellules solaires à être rapidement fabriqués et analysés, en utilisant uniquement les précurseurs communs et matériel de laboratoire.

Commencer en ajoutant 6 g d’anatase TiO2 poudre dans un mortier. Ajouter 2 - 3 mL de vinaigre et broyer la suspension pour briser les mottes. Par itération ajouter du vinaigre par incréments de 1 mL et moudre, jusqu'à ce qu’un total de 9 mL ont été ajoutés. La pâte doit finalement être uniforme.

Ensuite, produire une solution d’agent tensio-actif en mélangeant doucement une goutte de savon à vaisselle avec 1 mL d’eau distillée. Mélanger délicatement la solution de surfactant dans la pâte, en veillant à ne pas produire des bulles. Permettre la suspension s’équilibrer

Nettoyer deux SnO2 enduit verre conducteur diapositives à l’aide d’une lingette bas charpie imbibé d’éthanol. Utiliser un multimètre pour trouver le côté conducteur. Le côté conducteur doit avoir une résistance de 10-30 Ω.

Scotchez les diapositives pour le banc, un côté conducteur vers le haut et l’autre côté conducteur, tels que 5 à 8 mm sont masqués et il n’y a pas de bulles d’air. À l’aide d’une baguette de verre, appliquez une ligne mince et uniforme de la pâte sur le bord supérieur du côté conducteur. Laissez le film sécher légèrement et retirer la bande.

Sécher la lame en le plaçant sur une plaque chauffante, côté conducteur vers le haut. Le film sera tout d’abord foncer au pourpre-marron et puis blanchir. Lorsque cela se produit, éteignez la plaque de cuisson, gardant la glissière sur le dessus. Après qu’il est refroidi à la température ambiante, enregistrer la surface du film.

Pour préparer la contre-électrode, nettoyer une deuxième lame de verre conducteur. Appliquez le catalyseur de carbone sur le côté conducteur. Maintenez le côté conducteur avec des pincettes au-dessus d’une flamme de briquet. Laissez la suie recueillir pendant pas plus de 30 secondes de réorienter la diapositive avec la pince à épiler et couvrir le coin restant avec la suie de la même façon, s’assurer que l’ensemble de la diapositive est couvert.

Maintenant que les électrodes ont été préparés, nous allons construire la cellule solaire de colorant.

Utilisez une spatule pour écraser quelques framboises, des mûres ou des cerises dans un bécher. Puis filtrer la solution dans une boîte de Pétri à l’aide d’un filtre à café, ajouter quelques gouttes d’eau distillée si nécessaire.

À l’aide de pinces à épiler, placer le PHOTOÉLECTRODE dans la boîte de Pétri côté conducteur vers le bas, en prenant soin de ne pas gratter le film. Lorsque la coloration est terminée, soigneusement retirer la culasse et vérifier qu’aucune taches blanches ne sont visibles. Rincer la lame dans de l’éthanol et les éponger.

Placez la comptoir électrode face vers le bas sur le film, maintenant un décalage entre les diapositives. Fixez liant sur les bords de la diapositive. Versez quelques gouttes de l’électrolyte le long du bord et laissez-le s’infiltrer sur le film en ouvrant légèrement les clips de liant. La cellule est maintenant prête à fonctionner.

Préparer pour mesurer le rendement de la cellule sous une lampe halogène. Orienter la cellule de sorte que la PHOTOÉLECTRODE fait face à lampe halogène. Utiliser un multimètre pour mesurer le potentiel de circuit ouvert et le courant de court-circuit.

Ensuite, connecter la cellule à un potentiomètre de 500 Ω pour créer le circuit représenté dans le protocole du texte. Dans l’ordre augmente la résistance à travers le potentiomètre et utilisez le multimètre pour mesurer la tension et le courant.

Les données recueillies sont utilisées pour créer une courbe courant-tension, qui décrit la conversion de l’énergie solaire de la cellule solaire et son efficacité solaire.

Le point où la courbe croise l’axe des abscisses est appelé la tension en circuit ouvert, qui est la tension maximale à courant de zéro. Le point du courant maximal à 0 V apparaît sur le graphique où la courbe croise l’axe des ordonnées.

Le point de puissance maximum (MPP) se produit au niveau de la courbe du « genou » et fournit la tension et les conditions actuelles pour un fonctionnement idéal de la cellule solaire. Le député de courbes de courant-tension fournit un moyen de comparer les performances de différentes cellules solaires. La tension de circuit ouvert mesurée dans cette expérience peut atteindre des valeurs de 0,5 volts et un potentiel de court-circuit de 1-2 mA/cm2 .

Colorant les cellules solaires sont utiles dans des applications de niche, et l’approche dans cette vidéo permet le prototypage rapide de cellules avec des nouveaux colorants.

Étant donné que le colorant les cellules solaires produisent haute puissance sous une lumière faible, ils sont utiles pour « récolte, lumière », la réutilisation de la lumière intérieure aux capteurs de puissance, ID tags, émetteurs de données, etc.. Une façon de régler ce problème est en développant des colorants qui introduisent des niveaux d’énergie au sein de la bande interdite, d'où les électrons peuvent upconvert dans la bande de conduction. Empiriquement, il a doublé conversion photon-électron aux longueurs d’onde du proche infrarouge en remplaçant une absorption haute énergie simple avec deux écoulements de plus basse énergie.

Cellules à colorant sont utilisés pour la production de fenêtres photovoltaïques, où les microsphères de verre creuses TiO2 sont ajoutés aux électrodes de minimiser la pollution et de maintenir la sortie. Pour cela des techniques de fabrication abordable, comme électrofilage, utilisable, où une boue de2 TiO est injectée lentement un champ électrique pour produire des nanofibres pour électrodes de haute performance. Une autre technique de fabrication est impression jet d’encre. Cela a été utilisé pour déposer des électrodes sur des substrats de verre, ce qui donne des cellules avec un rendement de 3,5 %.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE à colorant les cellules solaires. Vous devriez maintenant être familiarisé avec le fonctionnement des cellules de colorant, une procédure pour eux générant peu de frais dans le laboratoire et certaines applications. Comme toujours, Merci pour regarder !

Results

Pour chaque point de données recueillie dans les étapes 6.5.3-6.5.4, calculer la densité de courant (mA/cm2) et la densité de puissance (mW/cm2). Pour calculer la densité de courant, divisez le courant de la surface du film qui a été déterminé à l’étape 2.7. Pour calculer la densité de puissance, il faut multiplier la tension par la densité de courant. Tracer le courant (mA) par rapport à la tension (mV) pour les données collectées lors des étapes, 6.3, 6.4 et 6.5.3-6.5.4. Tracer la densité de courant contre volts pour toutes les données. Cela devrait être proche du « genou » de la courbe. Déterminer la lumière du soleil à l’efficacité de conversion d’énergie électrique en divisant la puissance maximale (mW/cm2) par l’énergie solaire entrante (prise à 800-1 000 W/m2) et en multipliant par 100 %.

L’analyse des données et la préparation des courbes I-V est standards dans la littérature de la cellule solaire comme un moyen de comparer les performances des cellules. La tension de circuit ouvert mesurée doit être comprise entre 0,3 et 0,5 V, et un potentiel de court circuit 1-2 mA/cm2 devrait être obtenu.

Applications and Summary

Cette vidéo montre la préparation et l’analyse d’un DSSC simple.

Cellules solaires sont de plus en plus fréquents et il y a beaucoup de recherches entrepris pour faire progresser leurs performances. Les cellules solaires traditionnelles qui reposent sur les semi-conducteurs de silicium sont utilisés pour fabriquer des panneaux solaires qui sont utilisés dans l’espace et sur terre. L’aéroport International Denver fait usage du climat ensoleillé du Colorado et a quatre panneaux solaires qui fournit 6 % de l’énergie de l’aéroport a besoin.

DSSCs exploiter à des rendements allant jusqu'à 15 %,7 par rapport à l’efficacité de 14 à 17 % pour les panneaux de silicium traditionnel de faible coût, commercial. Alors que l’efficacité de l’exploitation de DSSCs est concurrentielles, le coût élevé des matériaux (tels que le Ru-colorant) est problématique pour les applications à grande échelle. Peut-être le plus grand inconvénient de DSSCs est l’utilisation d’un électrolyte liquide qui est sensible aux changements de température. L’électrolyte liquide peut geler à basses températures, ainsi mettre un terme à la production d’énergie et/ou résultant des dommages structurels au panneau solaire. À des températures élevées, l’électrolyte liquide s’élargit, ce qui rend difficiles les panneaux d’étanchéité.

References

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  2. Perlin (2005), Late 1950s - Saved by the Space Race", Solar Evolution - The history of Solar Energy. The Rahus Institute. Retrieved 28 June 2016.
  3. Regan, B., Gratzel, M. Nature, 353, 737-740 (1991).
  4. Miessler, G. L., Fischer, P. J., Tarr, D. A. Inorganic Chemistry, Pearson, 2014.
  5. Wikipedia page: Dye-sensitized solar cell,
  6. Smestad, G. P., Grätzel, M. Demonstrating Electron Transfer and Nanotechnology: A Natural Dye-Sensitized Nanocrystalline Energy Converter. J Chem Ed. 75 (6), 752 (1998).
  7. 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).

1. préparation de la pâte de2 TiO

  1. Masse sortir 6 g de poudre de2 TiO colloïdale et placez-le dans un mortier.
  2. Soigneusement ajouter 2-3 mL de vinaigre à la TiO2et commencer le ponçage la suspension avec le pilon jusqu'à obtention d’une pâte homogène. Le ponçage sert à briser les agrégats agrégées dans la poudre.
  3. Continuer à ajouter du vinaigre, dans ~ 1 mL augmente durant le broyage, jusqu'à ~ volume total 9 mL. Avant chaque ajout, la consistance de la pâte doit être homogène et sans grumeaux. La pâte finale doit être épaisse, mais pas si épais qu’il ne peut pas être évincé un flacon compte-gouttes.
  4. Ajouter 1 goutte de savon à vaisselle à 1 mL d’eau distillée, mélanger doucement.
  5. Ajouter la solution de savon de vaisselle à la suspension de2 TiO et mélanger délicatement, en veillant à ne pas produire des bulles.
  6. Permettre la suspension s’équilibrer pendant 15 min. Le savon à vaisselle sert un agent tensio-actif, pour faciliter la suspension plus facilement étaler en un film uniform sur le verre.

2. dépôt de TiO2 sur verre

  1. Nettoyez les deux lames de verre conducteur. Tremper un kimwipe avec de l’éthanol et utilisez-le pour essuyer le verre conducteur propre deux diapositives. Placez les glissières propres sur un kimwipe frais.
  2. Déterminer de quel côté de la vitre est conductrice. À l’aide d’un multimètre réglé ohms, toucher les deux fils sur le côté du verre. Si on observe une lecture entre 10 et 30 Ω, c’est le côté conducteur. Une lecture de Ω 0 indique le côté non-conducteur.
  3. Le masque de la diapositive. Placez une lamelle de verre avec son côté conducteur vers le haut et l’autre avec son côté conducteur vers le bas. Soigneusement conservées les diapositives toucher, scotchez les lames de verre sur le dessus du banc. Placer le ruban-cache sur trois des quatre côtés des lames, veillant à ce que ~ 5-8 mm de la lame est couverte par la bande sur chacun des trois côtés (Figure 4). Appuyez fermement, le ruban adhésif pour s’assurer qu’il n’y a pas de bulles d’air.
  4. Appliquer la pâte de2 TiO. À l’aide d’une baguette de verre, appliquer une fine ligne de pâte sur le bord supérieur masqué de la diapositive. Utilisez la baguette de verre soigneusement rouler la pâte sur toute la longueur de la lame, et sauvegarder. Répétez ce mouvement 2 ou 3 x sans la tige de levage, ou jusqu'à l’obtention d’un film uniform.
    1. Si le film n’est pas uniform, simplement essuyez-la avec un kimwipe, nettoyez la vitre avec de l’éthanol et une fois sec, essayez à nouveau.
  5. Laissez le film sécher un peu, puis retirer délicatement le de la vitre. La diapositive avec le film de2 TiO devrait être du côté du conducteur. Les autres diapositives peuvent être nettoyés et utilisés plus tard.
  6. Recuire le film de2 TiO. Placer soigneusement la diapositive (TiO2 vers le haut) sur une plaque chauffante qui est définie à 450 ° C. Regardez comme le TiO2 s’assombrit à une couleur pourpre/brun et retrouve sa couleur blanche. À ce stade, éteindre la plaque chauffante et laisser le film se refroidir lentement. Si la diapositive est refroidie trop rapidement, il peut casser ou se briser.
  7. Avec une règle, mesurer la surface qui est recouvert d’un film et Notez cette valeur.

Figure 4
Figure 4 . Dépôts de TiO2 sur verre.

3. tache le TiO2 Film avec colorant

  1. Placez quelques mûres, framboises ou cerises dans un mortier et les écraser avec un pilon.
  2. Filtrer la solution à travers un filtre à café et dans une boîte de Pétri. Il peut être nécessaire d’ajouter quelques mL d’eau au jus.
  3. Placez le film de2 TiO refroidi, côté face vers le bas dans la boîte de Pétri. Veillez pas gratter tout TiO2. Laissez le colorant être adsorbé sur le film. Cela peut prendre plusieurs minutes.
  4. Une fois que le film est entièrement enduit (il devrait être rouge foncé ou pourpre, et il n’y a aucune taches blanches), soulevez la diapositive vers le haut avec une pince (être dur attention seulement le verre et pas le film) et rincer la lame avec de l’eau, puis l’éthanol. Sécher le film avec un kimwipe et utiliser immédiatement.
    1. Si ne pas utilisée immédiatement, puis stocker le film dans une boîte de Pétri contenant de l’acide acétique à pH 3-5, et couvrir le plat avec le couvercle et envelopper dans du papier.

4. préparer la contre-électrode

  1. À l’aide d’une autre diapositive de verre conducteur, suivez les étapes 2.1-2.2.
  2. Appliquer le catalyseur de carbone du côté conducteur. À l’aide de pinces à épiler, maintenez la lame, côté conducteur, sur la pointe d’un bec Bunsen. Déplacer la diapositive afin que la suie recueille sur toute la surface, mais pour pas plus de 30 s. Laisser refroidir les diapositives et essuyer la suie sur un côté de la lame avec un coton-tige.
    1. Par ailleurs, à l’aide d’un crayon HB, couvrent la totalité de la surface conductrice avec graphite. Cela donne une électrode plus robuste, mais qui effectue moins bien.

5. Assembler la cellule solaire

  1. Sécher le film teinté. Rincez-le avec de l’éthanol et le placer sur un kimwipe. Éponger doucement le film avec un kimwipe de seconde. Le film doit être sèche quant à ne pas d’incidence sur la solution d’électrolyte.
  2. Avec le côté film électrode vers le haut, doucement placer l’électrode enrobée de carbone sur le dessus (face vers le bas en carbone). N’oubliez pas de compenser les diapositives afin que les côtés exposés de deux électrodes peuvent être fixées aux fils. Placer deux pinces pour reliures sur les côtés adjacents au verre décalé.
  3. Versez quelques gouttes de la solution d’électrolyte sur un bord des lames et soigneusement ouvrir/fermer chaque côté de la cellule alternativement ouverture/fermeture des pinces pour reliures. N’oubliez pas que toute la zone tachée est en contact avec la solution d’électrolyte et répétez l’étape 5.2 si nécessaire.
  4. Essuyez l’excès électrolyte des zones exposées à l’aide de kimwipes et éthanol.
  5. Fixer les pinces crocodiles aux deux parties exposées de la cellule solaire.

6. mesure du rendement de la cellule

Remarque : Dans l’idéal, ces mesures doivent se faire en dehors. Toutefois, si la météo n'est pas, il peuvent se faire à l’intérieur à l’aide d’une lampe halogène. Toutes les mesures doivent être faites avec aucun mouvement de la cellule afin que qu’ils soient effectués dans des conditions identiques.

  1. N’oubliez pas d’orienter la cellule alors que le film de2 TiO est vers le haut vers le soleil et placez un couvercle en polycarbonate sur la cellule. Cela protège les cellules contre les dommages UV.
  2. Connecter l’électrode négative (TiO2-verre à couche) au câble négatif du multimètre et l’électrode positive (C) à la ligne positive du multimètre (Figure 5).
  3. La valeur du multimètre volts et mesurer la tension. C’est le potentiel de circuit ouvert (tension maximale à courant de zéro). Couvrir la cellule (avec une main ou un objet solide) pour s’assurer que la tension diminue.
  4. La valeur du multimètre en milliampères (mA) et mesurer le courant maximal. C’est le courant de court circuit (courant maximum au zéro de tension). Couvrir la cellule avec (avec un coup de main) pour s’assurer que le courant diminue.
  5. Enregistrer une courbe pleine de courant-tension à l’aide d’un potentiomètre 500-Ω comme une charge variable.
    1. Déterminer qui conduisent au niveau du potentiomètre est le robinet central. Ce câble permet la résistance d’être varié. Pour ce faire, connectez le multimètre (Ohm) à deux des cordons sur le potentiomètre et varier la résistance sur le potentiomètre. Note si la résistance change. Répétez ceci avec les deux autres combinaisons de prospects. Changements de résistance devraient être observés dans deux des trois combinaisons. Le plomb qui a été utilisé dans les deux combinaisons qui ont donné des changements est le robinet central, et les deux autres sont fonctionnellement identiques.
    2. Assembler le circuit tel qu’illustré à la Figure 5 (à droite).
    3. Réglez le potentiomètre à zéro (ou entièrement) résistance et notez le courant et la tension.
    4. Changer la résistance sur le potentiomètre par petits incréments et notez le courant et la tension afin qu’il y a plusieurs points qui s’étendent sur toute la gamme du potentiomètre. N’oubliez pas de ne pas déplacer la cellule au cours de ces mesures. Une fois que le courant commence à changer, n’oubliez pas de recueillir de nombreux points de données ; les points de données moins peuvent être obtenus lorsqu’il est constant.

Figure 5
Figure 5 . Schéma de circuit pour mesurer le potentiel de circuit ouvert et le courant de court circuit (à gauche, étapes, 6.3 et 6.4) et d’enregistrer la courbe I-V (à droite).

Colorant les cellules solaires sont une alternative prometteuse au photovoltaïque semi-conducteurs classiques et sont devenus rentables ces dernières années.

Cellules à colorant compensent leur efficacité moindre en produisant uniquement une alimentation régulière même à des températures élevées et les angles d’incidence élevée de photon, produisant près de 50 % plus de puissance que les cellules solaires en silicium sous une lumière faible. Ils sont beaucoup plus faciles à fabriquer et peut utiliser des pigments à base de plante naturels, abondants comme colorants. Cette vidéo illustre le fonctionnement du colorant les cellules solaires, illustre une procédure élémentaire pour la création d’échantillons testés en laboratoire en utilisant des pigments végétaux et discute de quelques applications.

Toutes les cellules solaires dépendent de la capacité de la lumière pour faire un don d’énergie aux électrons pour produire des courants électriques.

En atomes, électrons sont limitent à des niveaux d’énergie discrets. Toutefois, lorsqu’ils absorbent les photons de la lumière, les électrons montent temporairement à des niveaux plus élevés de l’énergie, laissant un trou au niveau inférieur.

Lorsque deux atomes sont à proximité, ils perturbent des uns et des autres électrons. Cela crée de nouveaux niveaux d’énergie que des électrons peuvent occuper. Lorsque des atomes supplémentaires sont ajoutés, niveaux d’énergie plus forme, finalement coalescence en bandes d’énergie dense.

Dans les semi-conducteurs, les niveaux d’énergie inoccupées forment une bande de conduction à haute énergie, tandis que les niveaux occupés forment une bande de valence de basse énergie. La différence d’énergie est connue comme le « énergie de bande interdite ». Si un photon dont l’énergie de bande interdite heurte un électron, l’électron sera promu, laissant un trou derrière. Électrons et des trous peuvent être effectuées d’un atome à l’atome jusqu'à ce qu’ils se recombinent.

Maintenant que nous avons vu comment semi-conducteurs absorbent l’énergie lumineuse, nous allons voir comment nous pouvons exploiter ce phénomène dans une cellule solaire de colorant.

À la différence des cellules solaires en silicium, colorant les cellules solaires séparer le processus d’absorption de la lumière de celle de la transmission actuelle, d’abaisser le taux de recombinaison.

La cellule contient un colorant sensibilisateur, une couche de semi-conducteur, un électrolyte et deux électrodes. Le semi-conducteur est un diélectrique stable, comme l’anatase TiO2. L’électrolyte est généralement un iodure organique et la contre-électrode un matériau résistant à la corrosion et à la chaleur, souvent platine ou carbone.

Le semi-conducteur est mésoporeux et contient une monocouche de colorant adsorbée. Quand un électron de colorant est excité par un photon, il est immédiatement injecté dans la bande de conduction du semi-conducteur.

Le semi-conducteur transmet l’électron à le PHOTOÉLECTRODE et à son tour sur le circuit. Les retours d’électrons par l’intermédiaire de la contre-électrode, où l’électrolyte usé est réduite, complétant le cycle.

Colorants efficaces répondent à l’ensemble du spectre visible. Début colorants inclus complexes de ruthénium organique. Ceux-ci fournissent une conversion élevée dans l’infrarouge, mais sont coûteux et difficiles à produire. Des pigments photosensibles à base de plantes, comme les caroténoïdes et les anthocyanes, sont plus abondantes et plus pratique, quoique moins efficace.

Ce sont les principes. Maintenant examinons un mode opératoire élémentaire dans le laboratoire.

La procédure a démontré ici permet de colorant des cellules solaires à être rapidement fabriqués et analysés, en utilisant uniquement les précurseurs communs et matériel de laboratoire.

Commencer en ajoutant 6 g d’anatase TiO2 poudre dans un mortier. Ajouter 2 - 3 mL de vinaigre et broyer la suspension pour briser les mottes. Par itération ajouter du vinaigre par incréments de 1 mL et moudre, jusqu'à ce qu’un total de 9 mL ont été ajoutés. La pâte doit finalement être uniforme.

Ensuite, produire une solution d’agent tensio-actif en mélangeant doucement une goutte de savon à vaisselle avec 1 mL d’eau distillée. Mélanger délicatement la solution de surfactant dans la pâte, en veillant à ne pas produire des bulles. Permettre la suspension s’équilibrer

Nettoyer deux SnO2 enduit verre conducteur diapositives à l’aide d’une lingette bas charpie imbibé d’éthanol. Utiliser un multimètre pour trouver le côté conducteur. Le côté conducteur doit avoir une résistance de 10-30 Ω.

Scotchez les diapositives pour le banc, un côté conducteur vers le haut et l’autre côté conducteur, tels que 5 à 8 mm sont masqués et il n’y a pas de bulles d’air. À l’aide d’une baguette de verre, appliquez une ligne mince et uniforme de la pâte sur le bord supérieur du côté conducteur. Laissez le film sécher légèrement et retirer la bande.

Sécher la lame en le plaçant sur une plaque chauffante, côté conducteur vers le haut. Le film sera tout d’abord foncer au pourpre-marron et puis blanchir. Lorsque cela se produit, éteignez la plaque de cuisson, gardant la glissière sur le dessus. Après qu’il est refroidi à la température ambiante, enregistrer la surface du film.

Pour préparer la contre-électrode, nettoyer une deuxième lame de verre conducteur. Appliquez le catalyseur de carbone sur le côté conducteur. Maintenez le côté conducteur avec des pincettes au-dessus d’une flamme de briquet. Laissez la suie recueillir pendant pas plus de 30 secondes de réorienter la diapositive avec la pince à épiler et couvrir le coin restant avec la suie de la même façon, s’assurer que l’ensemble de la diapositive est couvert.

Maintenant que les électrodes ont été préparés, nous allons construire la cellule solaire de colorant.

Utilisez une spatule pour écraser quelques framboises, des mûres ou des cerises dans un bécher. Puis filtrer la solution dans une boîte de Pétri à l’aide d’un filtre à café, ajouter quelques gouttes d’eau distillée si nécessaire.

À l’aide de pinces à épiler, placer le PHOTOÉLECTRODE dans la boîte de Pétri côté conducteur vers le bas, en prenant soin de ne pas gratter le film. Lorsque la coloration est terminée, soigneusement retirer la culasse et vérifier qu’aucune taches blanches ne sont visibles. Rincer la lame dans de l’éthanol et les éponger.

Placez la comptoir électrode face vers le bas sur le film, maintenant un décalage entre les diapositives. Fixez liant sur les bords de la diapositive. Versez quelques gouttes de l’électrolyte le long du bord et laissez-le s’infiltrer sur le film en ouvrant légèrement les clips de liant. La cellule est maintenant prête à fonctionner.

Préparer pour mesurer le rendement de la cellule sous une lampe halogène. Orienter la cellule de sorte que la PHOTOÉLECTRODE fait face à lampe halogène. Utiliser un multimètre pour mesurer le potentiel de circuit ouvert et le courant de court-circuit.

Ensuite, connecter la cellule à un potentiomètre de 500 Ω pour créer le circuit représenté dans le protocole du texte. Dans l’ordre augmente la résistance à travers le potentiomètre et utilisez le multimètre pour mesurer la tension et le courant.

Les données recueillies sont utilisées pour créer une courbe courant-tension, qui décrit la conversion de l’énergie solaire de la cellule solaire et son efficacité solaire.

Le point où la courbe croise l’axe des abscisses est appelé la tension en circuit ouvert, qui est la tension maximale à courant de zéro. Le point du courant maximal à 0 V apparaît sur le graphique où la courbe croise l’axe des ordonnées.

Le point de puissance maximum (MPP) se produit au niveau de la courbe du « genou » et fournit la tension et les conditions actuelles pour un fonctionnement idéal de la cellule solaire. Le député de courbes de courant-tension fournit un moyen de comparer les performances de différentes cellules solaires. La tension de circuit ouvert mesurée dans cette expérience peut atteindre des valeurs de 0,5 volts et un potentiel de court-circuit de 1-2 mA/cm2 .

Colorant les cellules solaires sont utiles dans des applications de niche, et l’approche dans cette vidéo permet le prototypage rapide de cellules avec des nouveaux colorants.

Étant donné que le colorant les cellules solaires produisent haute puissance sous une lumière faible, ils sont utiles pour « récolte, lumière », la réutilisation de la lumière intérieure aux capteurs de puissance, ID tags, émetteurs de données, etc.. Une façon de régler ce problème est en développant des colorants qui introduisent des niveaux d’énergie au sein de la bande interdite, d'où les électrons peuvent upconvert dans la bande de conduction. Empiriquement, il a doublé conversion photon-électron aux longueurs d’onde du proche infrarouge en remplaçant une absorption haute énergie simple avec deux écoulements de plus basse énergie.

Cellules à colorant sont utilisés pour la production de fenêtres photovoltaïques, où les microsphères de verre creuses TiO2 sont ajoutés aux électrodes de minimiser la pollution et de maintenir la sortie. Pour cela des techniques de fabrication abordable, comme électrofilage, utilisable, où une boue de2 TiO est injectée lentement un champ électrique pour produire des nanofibres pour électrodes de haute performance. Une autre technique de fabrication est impression jet d’encre. Cela a été utilisé pour déposer des électrodes sur des substrats de verre, ce qui donne des cellules avec un rendement de 3,5 %.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE à colorant les cellules solaires. Vous devriez maintenant être familiarisé avec le fonctionnement des cellules de colorant, une procédure pour eux générant peu de frais dans le laboratoire et certaines applications. Comme toujours, Merci pour regarder !

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