Boya Duyarlı Güneş Pilleri
Kaynak: Tamara M. Powers, Kimya Bölümü, Texas A&M Üniversitesi
Günümüzün modern dünyası, büyük miktarda enerji kullanımını gerektirmektedir. Kömür ve…
1. TiO2 Yapıştır
Hazırlanması- 6 g kolloidal TiO2 tozunu çıkarın ve bir havan içine koyun.
- TiO2'ye dikkatlice 2-3 mL sirke ekleyin ve homojen bir macun elde edilene kadar süspansiyonu havaneli ile öğütmeye başlayın. Öğütme, tozdaki toplanmış kümeleri parçalamaya yarar.
- Öğütme sırasında ~ 1 mL'lik artışlarla ~ 9 mL toplam hacme kadar sirke eklemeye devam edin. Her eklemeden önce, macunun kıvamı homojen ve topaksız olmalıdır. Son macun kalın olmalı, ancak damlalıklı bir şişeden sıkılamayacak kadar kalın olmamalıdır.
- 1 mL damıtılmış suya 1 damla bulaşık deterjanı ekleyin, hafifçe karıştırın.
- Bulaşık deterjanı solüsyonunu TiO2 süspansiyonuna ekleyin ve kabarcık oluşturmamaya dikkat ederek hafifçe karıştırın.
- Süspansiyonun 15 dakika dengelenmesine izin verin. Bulaşık deterjanı, süspansiyonun cam üzerinde düzgün bir film halinde daha kolay yayılmasına yardımcı olmak için bir yüzey aktif madde görevi görür.
2. TiO2'nin Cam
Üzerine Biriktirilmesi- İki iletken cam sürgüyü temizleyin. Bir kimwipe'ı etanol ile ıslatın ve iki iletken cam slaytı silmek için kullanın. Temiz slaytları yeni bir kimwipe üzerine yerleştirin.
- Camın hangi tarafının iletken olduğunu belirleyin. Ohm'a ayarlanmış bir multimetre kullanarak, her iki uca da camın bir tarafına dokunun. 10 ile 30 Ω arasında bir okuma gözlenirse, bu iletken taraftır. 0 Ω'lik bir okuma, iletken olmayan tarafı gösterir.
- Slaytı maskeleyin. Bir cam slaytı iletken tarafı yukarı, diğerini iletken tarafı aşağı gelecek şekilde yerleştirin. Slaytları dikkatlice temas ettirerek, cam slaytları tezgah üstüne bantlayın. Slaytın dört tarafından üçüne bant yerleştirin, slaytın ~ 5-8 mm'sinin üç tarafın her birinde bantla kaplandığından emin olun (Şekil 4). Hava kabarcığı olmadığından emin olmak için bandı sıkıca bastırın.
- TiO2 macununu uygulayın. Bir cam çubuk kullanarak, slaytın maskelenmiş üst kenarı boyunca ince bir macun çizgisi uygulayın. Macunu slaytın uzunluğu boyunca dikkatlice aşağı yuvarlamak için cam çubuğu kullanın ve tekrar yukarı kaldırın. Çubuğu kaldırmadan veya düzgün bir film elde edilene kadar bu hareketi 2-3 kez tekrarlayın.
- Film homojen değilse, bir kimwipe ile silin, camı etanol ile temizleyin ve kuruduktan sonra tekrar deneyin.
- Filmin biraz kurumasını bekleyin, ardından bandı camdan dikkatlice çıkarın. TiO2 filmli slayt iletken tarafta olmalıdır. Diğer slayt daha sonra temizlenip kullanılabilir.
- TiO2 filmini tavlayın. Slaytı (TiO2 tarafı yukarı) 450 °C'ye ayarlanmış bir sıcak plakaya dikkatlice yerleştirin. TiO2'nin mor/kahverengi bir renge koyulaşmasını ve beyaz rengini geri kazanmasını izleyin. Bu noktada, ocak gözünü kapatın ve filmin yavaşça soğumasını bekleyin. Sürgü çok hızlı soğutulursa çatlayabilir veya parçalanabilir.
- Bir cetvel ile filmin kapladığı yüzey alanını ölçün ve bu değeri not edin.
Şekil 4. TiO2'nin cam üzerine biriktirilmesi.
3. TiO2 Filmi Boya ile Boyayın
- Bir havana birkaç böğürtlen, ahududu veya kiraz koyun ve havan tokmağı ile ezin.
- Çözeltiyi bir kahve filtresinden geçirin ve bir Petri kabına süzün. Meyve suyuna birkaç mL su eklemek gerekebilir.
- Soğutulmuş TiO2 filmi, yüzü aşağı bakacak şekilde Petri kabına yerleştirin. Herhangi bir TiO2 çizmemeye dikkat edin. Boyanın film üzerine adsorbe edilmesine izin verin. Bu işlem birkaç dakika sürebilir.
- Film tamamen kaplandıktan sonra (koyu kırmızı veya mor olmalı ve beyaz lekeler olmamalıdır), sürgüyü maşa ile yukarı kaldırın (filmi değil, yalnızca camı sertleştirmeye dikkat edin) ve sürgüyü suyla, ardından etanolle durulayın. Filmi bir kimwipe ile kurulayın ve hemen kullanın.
- Hemen kullanılmayacaksa, filmi pH 3-5'te asetik asit içeren bir Petri kabında saklayın ve tabağı kapakla örtün ve folyoya sarın.
4. Karşı elektrodu hazırlayın
- Başka bir iletken cam slayt kullanarak 2.1-2.2 adımlarını izleyin.
- Karbon katalizörü iletken tarafa uygulayın. Cımbız kullanarak, sürgüyü iletken tarafı aşağı bakacak şekilde bir Bunsen brülörünün ucunun üzerinde tutun. Slaytı, kurum tüm yüzeyde toplanacak şekilde, ancak 30 saniyeden daha uzun süre hareket ettirmeyin. Slaytı soğumaya bırakın ve sürgünün bir tarafındaki kurumu pamuklu çubukla silin.
- Alternatif olarak, bir HB kalemi kullanarak tüm iletken yüzeyi grafit ile kaplayın. Bu, daha sağlam bir elektrot verir, ancak daha az iyi performans gösteren bir elektrot verir.
5. Güneş pilini birleştirin
- Lekeli filmi kurutun. Etanol ile durulayın ve bir kimwipe üzerine yerleştirin. Filmi ikinci bir silme ile nazikçe kurulayın. Film, elektrolit çözeltisini etkilemeyecek şekilde kuru olmalıdır.
- Elektrot filmi yukarı bakacak şekilde, karbon kaplı elektrodu yavaşça üstüne yerleştirin (karbon yüzü aşağı bakacak şekilde). Her iki elektrotun açıkta kalan taraflarının tellere kırpılabilmesi için kızakları kaydırdığınızdan emin olun. Ofset camın bitişiğindeki yanlara iki bağlayıcı klips yerleştirin.
- Slaytların bir kenarı boyunca birkaç damla elektrolit çözeltisi yerleştirin ve bağlayıcı klipsleri dönüşümlü olarak açıp kapatarak hücrenin her iki tarafını dikkatlice açın / kapatın. Lekeli alanın tamamının elektrolit solüsyonu ile temas halinde olduğundan emin olun ve gerekirse adım 5.2'yi tekrarlayın.
- Kimwipes ve etanol kullanarak açıkta kalan bölgelerdeki fazla elektroliti silin.
- Timsah klipslerini güneş pilinin açıkta kalan iki tarafına sabitleyin.
6. Hücre Performansının Ölçülmesi
Not: İdeal olarak, bu ölçümler dışarıda yapılmalıdır. Bununla birlikte, hava izin vermiyorsa, bir halojen lamba kullanılarak içeride yapılabilir. Tüm ölçümler, aynı koşullar altında gerçekleştirilmesi için hücre hareket etmeden yapılmalıdır.
- Hücreyi, TiO2 filmi güneşe bakacak şekilde yönlendirdiğinizden emin olun ve hücrenin üzerine polikarbonat bir örtü yerleştirin. Bu, hücreyi UV hasarından korur.
- Negatif elektrodu (TiO2 kaplı cam) multimetrenin negatif teline ve pozitif elektrodu (C) multimetrenin pozitif teline bağlayın (Şekil 5).
- Multimetreyi volta ayarlayın ve voltajı ölçün. Bu açık devre potansiyelidir (sıfır akımda maksimum voltaj). Voltajın azaldığından emin olmak için hücreyi (bir el veya katı bir cisimle) örtün.
- Multimetreyi miliamper (mA) olarak ayarlayın ve maksimum akımı ölçün. Bu kısa devre akımıdır (sıfır voltajda maksimum akım). Akımın azaldığından emin olmak için hücreyi (bir eliyle) örtün.
- Değişken yük olarak 500 Ω potansiyometre kullanarak tam bir akım-voltaj eğrisi kaydedin.
- Potansiyometre üzerindeki hangi kablonun merkezi musluk olduğunu belirleyin. Bu kurşun, direncin değiştirilmesine izin verir. Bunu yapmak için, multimetreyi (ohm olarak ayarlanmış) potansiyometre üzerindeki iki kabloya bağlayın ve potansiyometre üzerindeki direnci değiştirin. Direncin değişip değişmediğine dikkat edin. Bunu, diğer iki müşteri adayı kombinasyonuyla tekrarlayın. Dirençteki değişiklikler üç kombinasyonun ikisinde gözlenmelidir. Değişiklik veren her iki kombinasyonda da kullanılan uç, merkezi musluktur ve diğer ikisi işlevsel olarak aynıdır.
- Devreyi Şekil 5 (sağda) gösterildiği gibi monte edin.
- Potansiyometreyi tam (veya sıfır) dirence ayarlayın ve akım ve voltajı not edin.
- Potansiyometre üzerindeki direnci küçük artışlarla değiştirin ve akım ve voltajı not edin, böylece potansiyometrenin tüm aralığını kapsayan birkaç nokta olur. Bu ölçümler sırasında hücreyi hareket ettirmediğinizden emin olun. Akım değişmeye başladığında, birçok veri noktası topladığınızdan emin olun; Sabit olduğunda daha az veri noktası elde edilebilir.
Şekil 5. Açık devre potansiyelini ve kısa devre akımını ölçmek (solda, adım 6.3 ve 6.4) ve I-V eğrisini kaydetmek (sağda) için devre şeması.
Boyaya duyarlı güneş pilleri, geleneksel yarı iletken fotovoltaiklere umut verici bir alternatiftir ve son yıllarda ticari olarak uygulanabilir hale gelmiştir.
Boyaya duyarlı hücreler, yüksek sıcaklıklarda ve yüksek foton geliş açılarında bile benzersiz bir şekilde tutarlı güç üreterek düşük verimliliklerini telafi eder ve düşük ışık altında silikon güneş pillerinden yaklaşık %50 daha fazla güç sağlar. Üretimleri çok daha kolaydır ve boya olarak doğal, bol miktarda bitki bazlı pigmentler kullanabilirler. Bu video, boyaya duyarlı güneş pillerinin çalışmasını gösterir, bitki pigmentleri kullanarak laboratuvarda test numuneleri oluşturmak için temel bir prosedürü gösterir ve birkaç uygulamayı tartışır.
Tüm güneş pilleri, ışığın elektrik akımları üretmek için elektronlara enerji bağışlama yeteneğine güvenir.
Tek atomlarda, elektronlar ayrı enerji seviyeleri ile sınırlıdır. Bununla birlikte, ışık fotonlarını emdiklerinde, elektronlar geçici olarak daha yüksek enerji seviyelerine yükselir ve daha düşük seviyede bir delik bırakır.
İki atom birbirine yakın olduğunda, birbirlerinin elektronlarını bozarlar. Bu, elektronların işgal edebileceği yeni enerji seviyeleri yaratır. Ek atomlar eklendikçe, daha fazla enerji seviyesi oluşur ve sonuçta yoğun enerji bantlarında birleşir.
Yarı iletkenlerde, boş enerji seviyeleri yüksek enerjili bir iletim bandı oluştururken, dolu seviyeler düşük enerjili bir değerlik bandı oluşturur. Enerji farkı "bant aralığı enerjisi" olarak bilinir. Bant aralığı enerjisine sahip bir foton bir elektrona çarparsa, elektron terfi ettirilir ve geride bir delik bırakır. Hem elektron hem de delik, yeniden birleşene kadar atomdan atoma iletilebilir.
Artık yarı iletkenlerin ışık enerjisini nasıl emdiğini gördüğümüze göre, bu fenomeni boyaya duyarlı bir güneş pilinde nasıl kullanabileceğimizi görelim.
Silikon güneş pillerinin aksine, boyaya duyarlı güneş pilleri, rekombinasyon oranını düşürmek için ışık emme sürecini akım iletiminden ayırır.
Hücre bir hassaslaştırıcı boya, bir yarı iletken tabaka, bir elektrolit ve iki elektrot içerir. Yarı iletken, anataz TiO2 gibi kararlı bir dielektriktir. Elektrolit tipik olarak bir organik iyodürdür ve karşı elektrot, genellikle platin veya karbon olmak üzere korozyona ve ısıya dayanıklı bir malzemedir.
Yarı iletken mezogözeneklidir ve tek katmanlı bir adsorbe edilmiş boya içerir. Bir boya elektronu bir foton tarafından uyarıldığında, hemen yarı iletkenin iletim bandına enjekte edilir.
Yarı iletken elektronu fotoelektroda ve sırayla devreye iletir. Elektron, harcanan elektrolitin indirgendiği ve döngüyü tamamladığı karşı elektrot yoluyla geri döner.
Etkili boyalar tüm görünür spektruma cevap verir. Erken boyalar organik rutenyum komplekslerini içeriyordu. Bunlar kızılötesine yüksek dönüşüm sağlar, ancak pahalıdır ve üretilmesi zordur. Karotenoidler ve antosiyaninler gibi bitki bazlı ışığa duyarlı pigmentler, daha az verimli olsalar da daha bol ve pratiktir.
İlkeler bunlar. Şimdi laboratuvarda temel bir çalışma prosedürünü inceleyelim.
Burada gösterilen prosedür, boyaya duyarlı güneş pillerinin yalnızca yaygın öncüler ve laboratuvar malzemeleri kullanılarak hızlı bir şekilde üretilmesine ve test edilmesine izin verir.
Bir harca 6 g anataz TiO2 tozu ekleyerek başlayın. 2-3 mL sirke ekleyin ve topakları parçalamak için süspansiyonu öğütün. Sirkeyi 1 mL'lik artışlarla yinelemeli olarak ekleyin ve toplam 9 mL eklenene kadar öğütün. Macun sonuçta tek tip olmalıdır.
Ardından, bir damla bulaşık deterjanını 1 mL damıtılmış su ile hafifçe karıştırarak bir yüzey aktif madde çözeltisi üretin. Yüzey aktif madde çözeltisini nazikçe macunun içine karıştırın ve kabarcık oluşturmamaya dikkat edin. Süspansiyonun dengelenmesine izin verin
İki SnO2 kaplı iletken cam slaytı etanole batırılmış düşük tüylü bir mendil kullanarak temizleyin. İletken taraflarını bulmak için bir multimetre kullanın. İletken taraf 10-30 ° C'lik bir dirence sahip olmalıdır.
Slaytları, 5-8 mm maskelenecek ve hava kabarcığı olmayacak şekilde, bir iletken tarafı yukarı ve diğer iletken tarafı aşağı bakacak şekilde tezgaha bantlayın. Bir cam çubuk kullanarak, iletken tarafın üst kenarı boyunca ince, düzgün bir macun çizgisi uygulayın. Filmin hafifçe kurumasını bekleyin ve bandı çıkarın.
Slaytı, iletken tarafı yukarı bakacak şekilde sıcak bir plakaya yerleştirerek kurulayın. Film önce mor-kahverengiye koyulaşacak ve sonra beyazlaşacaktır. Bu meydana geldiğinde, sürgüyü üstte tutarak sıcak plakayı kapatın. Oda sıcaklığına soğuduktan sonra, filmin yüzey alanını kaydedin.
Karşı elektrodu hazırlamak için ikinci bir iletken cam sürgüyü temizleyin. Karbon katalizörü iletken tarafa uygulayın. İletken tarafı cımbızla daha hafif bir alevin üzerinde tutun. Kurumun 30 saniyeden fazla toplanmamasına izin verin. Slaytı cımbızla yeniden yönlendirin ve kalan köşeyi aynı şekilde kurumla örtün, tüm sürgünün kaplandığından emin olun.
Elektrotlar hazırlandığına göre, boyaya duyarlı güneş pilini inşa edelim.
Bir beherde birkaç ahududu, böğürtlen veya kirazı ezmek için bir spatula kullanın. Daha sonra çözeltiyi bir kahve filtresi kullanarak bir Petri kabına süzün ve gerekirse birkaç damla damıtılmış su ekleyin.
Cımbız kullanarak, fotoelektrodu iletken tarafı aşağı bakacak şekilde Petri kabına yerleştirin ve filmi çizmemeye dikkat edin. Boyama tamamlandığında, slaytı dikkatlice geri çekin ve beyaz lekelerin görünmediğini kontrol edin. Slaytı etanolde durulayın ve kurulayın.
Karşı elektrodu, kızaklar arasında bir ofset bırakarak yüzü aşağı bakacak şekilde filmin üzerine yerleştirin. Klasör klipslerini slayt kenarlarına takın. Kenar boyunca birkaç damla elektrolit yerleştirin ve bağlayıcı klipsleri hafifçe açarak filmin üzerinden sızmasına izin verin. Hücre artık çalışmaya hazırdır.
Bir halojen lamba altında hücre performansını ölçmeye hazırlanın. Hücreyi, fotoelektrot halojen lambaya bakacak şekilde yönlendirin. Açık devre potansiyelini ve kısa devre akımını ölçmek için bir multimetre kullanın.
Ardından, hücreyi 500 ?? Potansiyometre metin protokolünde gösterilen devreyi oluşturmak için. Potansiyometre aracılığıyla direnci sırayla artırın ve voltajı ve akımı ölçmek için multimetreyi kullanın.
Toplanan veriler, güneş pilinin güneş enerjisi dönüşümünü ve güneş verimliliğini tanımlayan bir akım-voltaj eğrisi oluşturmak için kullanılır.
Eğrinin x eksenini geçtiği noktaya, sıfır akımdaki maksimum voltaj olan açık devre voltajı denir. 0 V'taki maksimum akım noktası, eğrinin y eksenini geçtiği grafikte görünür.
Maksimum güç noktası (MPP), eğrinin "dizinde" meydana gelir ve güneş pilinin ideal çalışması için voltaj ve akım koşullarını sağlar. Akım-voltaj eğrilerinin MPP'si, farklı güneş pillerinin performansını karşılaştırmak için bir araç sağlar. Bu deneyde ölçülen açık devre gerilimi 0,5 volt değerlerine ve 1-2 mA/cm2 kısa devre potansiyeline ulaşabilir.
Boyaya duyarlı güneş pilleri, niş uygulamalarda değerlidir ve bu videodaki yaklaşım, hücrelerin yeni boyalarla hızlı bir şekilde prototiplenmesine olanak tanır.
Boyaya duyarlı güneş pilleri, düşük ışık altında yüksek güç sağladığından, "ışık hasadı", iç mekan ışığının sensörlere, kimlik etiketlerine, veri vericilerine ve daha fazlasına güç sağlamak için yeniden kullanılması için kullanışlıdırlar. Bunu başarmanın bir yolu, elektronların iletim bandına yukarı dönüşebileceği bant aralığı içinde enerji seviyeleri sunan boyalar geliştirmektir. Ampirik olarak, bu, tek bir yüksek enerjili absorpsiyonu iki düşük enerjili absorpsiyonla değiştirerek yakın kızılötesi dalga boylarında foton-elektron dönüşümünü iki katına çıkarmıştır.
Boyaya duyarlı hücreler, kirliliği en aza indirmek ve çıktıyı korumak için elektrotlara TiO2 içi boş cam mikro kürelerin eklendiği fotovoltaik pencerelerin üretimi için kullanılır. Bu uygun fiyatlı üretim için, yüksek performanslı elektrotlar için nanofiberler üretmek üzere bir TiO2 bulamacının bir elektrik alanına yavaşça enjekte edildiği elektrospinning gibi teknikler kullanılabilir. Diğer bir üretim tekniği ise mürekkep püskürtmeli baskıdır. Bu, elektrotları cam yüzeyler üzerine yerleştirmek için kullanılmış ve %3,5 verimliliğe sahip hücreler elde edilmiştir.
JoVE'nin boyaya duyarlı güneş pilleriyle tanışmasını az önce izlediniz. Artık boyaya duyarlı hücrelerin çalışmasına, bunları laboratuvarda ucuza üretmek için bir prosedüre ve bazı uygulamalara aşina olmalısınız. Her zaman olduğu gibi, izlediğiniz için teşekkürler!
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.