Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Inorganic Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

תאים סולאריים רגישים לצבע
 
Click here for the English version

תאים סולאריים רגישים לצבע

Overview

מקור: תמרה מ. פאוורס, המחלקה לכימיה, אוניברסיטת טקסס A&M

העולם המודרני של ימינו דורש שימוש בכמות גדולה של אנרגיה. בעוד אנו רותמים אנרגיה מדלקים מאובנים כגון פחם ונפט, מקורות אלה אינם ניתנים לניתוק ולכן האספקה מוגבלת. כדי לשמור על אורח החיים הגלובלי שלנו, עלינו להפיק אנרגיה ממקורות מתחדשים. המקור המתחדש המבטיח ביותר, במונחים של שפע, הוא השמש, המספקת לנו יותר ממספיק אנרגיה סולארית כדי לתדלק את כוכב הלכת שלנו פעמים רבות.

אז איך אנחנו מפיקים אנרגיה מהשמש? הטבע היה הראשון להבין את זה: פוטוסינתזה היא התהליך שבו צמחים ממירים מים ופחמן דו חמצני לפחמימות וחמצן. תהליך זה מתרחש בעלים של צמחים, ונשען על פיגמנטים כלורופיל כי צבע את העלים ירוקים. המולקולות הצבעוניות האלה סופגות את האנרגיה מאור השמש, והאנרגיה הנספגת הזו מניעה את התגובות הכימיות.

בשנת 1839, אדמונד בקרל, אז פיזיקאי צרפתי בן 19 שהתנסה במעבדה של אביו, יצר את התא הפוטו-וולטאי הראשון. הוא האיר תמיסה חומצית של כלוריד כסף שהיה מחובר לאלקטרודות פלטינה שיצרו מתח וזרם. 1 תגליות והתקדמות רבות נעשו בסוף המאה ה-19 והראשונה של המאה ה -20, ורק בשנת 1954 נבנה התא הסולארי המעשי הראשון על ידי מעבדות בל. החל משנות ה-50 של ה-50, תאים סולאריים שימשו להפעלת לוויינים בחלל. 2

תאים סולאריים הם מכשירים חשמליים המשתמשים באור כדי ליצור זרם. וידאו זה מדגים הכנה ובדיקה של סוג אחד כזה של תא, תא סולארי רגיש צבע (DSSC). גרצאל, שהומצא לראשונה באוניברסיטת ברקלי על ידי בריאן או'רגן ומייקל גרצל, המשיך את עבודתו בפוליטכניקה Fédérale de Lausanne בשווייץ, שהגיעה לשיאה ב- DSSC היעיל הראשון בשנת 1991. 3 תאים סולאריים אלה, כמו צמחים, משתמשים בצבע כדי לעזור לרתום אנרגיה מהשמש.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

תורת הלהקה:

כאשר שני אטומים מתאחדים ויוצרים מסלולית מולקולרית, נוצרים שני מסלולית, אחד עם מליטה והשני עם סימטריית נוגדנים. 4 אלה מופרדים על ידי כמות מסוימת של אנרגיה. כאשר n אטומים מתאחדים ויוצרים מסלולית מולקולרית, כגון בצורת מסלולים מולקולריים מוצקים. כאשר n גדול, מספר מסלולית כי הם מרווחים קרובים באנרגיה הוא גם גדול. התוצאה היא רצועת מסלוליות שלאנרגיה דומה (איור 1). אלקטרונים מהאטומים שוכנים בלהקות האלה. רצועת ואלאנס היא רצועת האנרגיה הגבוהה ביותר המאוכלסת באלקטרונים. זה דומה למסלול המולקולרי הכבוש הגבוה ביותר (HOMO) של מולקולות. רצועת ההולכה היא הרצועה הנמוכה ביותר שאינה מאוכלסת באלקטרונים, והיא דומה למסלול המולקולרי הנמוך ביותר (LUMO) של מולקולות. פער הרצועות הוא הפרש האנרגיה בין שתי הלהקות האלה.

כאשר פער הרצועה גדול, החומר המוצק הוא מבודד: אלקטרונים אינם יכולים לזרום בחופשיות בתוך החומר (איור 1). לעומת זאת, מנצחים הם אלה שבהם פער רצועת ההולכה-ואלאנס מטושטש. במוליך, כגון מתכת, החלת מתח מעלה חלק מהאלקטרונים בפס הערכיות לפס ההולכות. האלקטרונים הנרגשים האלה חופשיים לזוז. האלקטרונים משאירים מאחור חורים חיוביים, שגם הם חופשיים לזוז. במציאות, החורים אינם זזים, אלא אלקטרונים נעים כדי למלא את החורים החיוביים. במוליכים, ככל שהטמפרטורה עולה, תנודות מולקולריות גדלות, ובכך חוסמות את זרימת האלקטרונים ומפחיתות את המוליכות.

מוליכים למחצה הם חומרים המשמשים כמבודדים ב-0 קלווין, אך הופכים למוליכים ככל שהטמפרטורה עולה(איור 1). הסיבה לכך היא שהפער-הלהקה - האנרגיה בין הערכיות לרצועת ההולכת - היא קטנה, כך שאנרגיה תרמית מספיקה כדי לרגש אלקטרונים לתוך רצועת ההולכות. מוליכים למחצה מהותיים טיפוסיים כוללים סיליקון וגרמניום.

Figure 1
איור 1. דיאגרמת פס עבור מבודד, מוליך למחצה ומוליך. רצועות מוצלות מלאות באלקטרונים, בעוד הרצועות הלבנות ריקות. אלקטרונים נפרדים מסומנים על ידי כדור אדום, בעוד חורים נפרדים מסומנים על ידי כדור לבן.

אפקט פוטו-וולטאי:

כאשר האור פוגע במוליכים למחצה, הוא יכול לרגש אלקטרון מפס הערכיות לרצועת ההולכה. לאחר מכן, האלקטרון הזה יכול להתאחד מחדש עם החור שהוא השאיר מאחור, וכתוצאה מכך לא זרימה נטו של אלקטרונים. לחלופין, הוא יכול לנוע דרך המוליך למחצה, סביב מעגל, ולהתאחד מחדש עם חור בקצה השני של המעגל. זרימה זו של אלקטרונים הנוצרת מחשיפה לאור השמש מכונה האפקט הפוטו-וולטאי. תרחיש זה הוא הרצוי כדי לייצר חשמל, ולכן יש לתכנן מערכות לטובת זה על פני recombination.

דרך אחת להעדיף זאת היא לעצב תאים עם צומת p-n, כלומר,צומת בין מוליך למחצה n-ו p-מסומם. אלה הם מוליכים למחצה לפיהם חלק מהאטומים הוחלפו להיות אטומים שכנים בטבלה המחזורית. במוליכים למחצה עם סמים n, אלה מוחלפים על ידי אטומים שיש להם יותר אלקטרונים, ובמוליכים למחצה p-מסוממים, אלה מוחלפים על ידי אטומים שיש להם פחות אלקטרונים. תאים סולאריים מבוססי סיליקון "מסורתיים" עושים שימוש בגישה זו.

עם זאת, סוג מתפתח של תאים סולאריים הם DSSC, המכונה לעתים קרובות תא Grätzel. 5 אלה מבטיחים בכך שהם שקופים למחצה, ועלותם נמוכה משמעותית. תאים סולאריים אלה עדיין עושים שימוש במוליכים למחצה, אך זהו צבע המשמש לספיגת האור מהשמש.

רכיבים של DSSC:

ישנם רכיבים רבים ב- DSSC, המוצג באיור 2.

צבע

כדי לקדם את האפקט הפוטו-וולטאי, DSSC עושה שימוש בצבעים. מולקולת הצבע סופגת אור, מקדמת אלקטרון ממסלול מליטה למסלול אנטי מליטה. לאחר מכן, האלקטרון הנרגש הזה יכול לרדת חזרה למסלול המקשר, וכתוצאה מכך אין זרימה של אלקטרונים. או, זה יכול להיות מוזרק לתוך מוליך למחצה, המסלול היצרני של DSSC. זה משאיר מאחורי חור, אשר חייב להיות מלא כדי להשלים את המעגל. עבור המסלול היצרני, האנרגיה של אלקטרון המצב הנרגש בצבע חייבת להיות גדולה יותר מרצועת ההולכות של המוליך למחצה. הצבע צריך גם לספוג הרבה ספקטרום השמש, כדי לשפר את היעילות של התא. צבעים אופייניים מבוססים על רותניום (Ru), ולכן מגביל DSSC, כמו מתכת זו אינה חסכונית מאוד.

בניסוי זה, אנו נשתמש בצבע טבעי (אנתוציאנינים) שנמצאו בחלק מהגרגרים, כגון אוכמניות ופטל. המבנה של צבע האנתוציאנין חייב לכלול מספר קבוצות =O או -OH, המאפשרות לצבע להיקשר למשטח TiIVO2 (איור 3). 6

מוליכים למחצה

לאחר מכן, האלקטרון הנרגש זורם לרצועת ההולכות של המוליך למחצה. המוליך למחצה שנשתמש בו בניסוי זה הוא TiO2.

אנודה

האלקטרון זורם מהמוליך למחצה לאנודה, שבמקרה זה, היא זכוכית מצופה SnO2. SnO2 מאפשר משטח מוליך על הזכוכית, אשר אחרת יהיה מבודד.

קתודה

לאחר שעבר דרך עומס, האלקטרון מגיע לקתודה, אשר מכוסה גם SnO2. הקתודה מכוסה בנוסף עם זרז, במקרה זה, גרפיט, אשר מסייע לקדם את התגובה redox של המתווך.

מתווך

האלקטרון עובר מהקתודהל-I 3ומצמצםאותול-I . . מולקולה מופחתת זו יכולה לתרום אלקטרון לחור שנותר במולקולת הצבע, ובכך להשלים את המעגל. תהליך זה מחדש I3-. ההבדל בין פוטנציאל תאי I3- /I לבין רמת פרמי מתאים לפוטנציאל המעגל הפתוח של התא הסולארי, או למתח המרבי שניתן לייצר עם התא.

בסרטון וידאו זה, DSSC מוכן וביצועיו מוערכים.

Figure 2
איור 2. סכמטי של DSSC. אור השמש נספג על ידי הצבע, מעלה אלקטרון למסלול אנטי מליטה בצבע. לאחר מכן, אלקטרון זה עובר לרצועת ההולכות של TiO2 ומשאיר אחריו חור. האלקטרון מסתובב במעגל ומעביר מטען, ומשמש להפחתת3- ל- I-ואז מחומצן בחזרה ל- I3- כשהאלקטרון ממלא את החור שנותר בצבע.

Figure 3
איור 3. פיגמנט אנתוציאנין שנמצא בחלק מהגרגרים יהיה כלאט על פני השטח TiO2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. הכנת הדבקה של TiO2

  1. מסה החוצה 6 גרם של אבקת TiO2 קולואידי, ומניחים אותו במכתש.
  2. בזהירות להוסיף 2-3 מ"ל של חומץ TiO2, ולהתחיל לטחון את ההשעיה עם עלה עד הדבק אחיד מתקבל. הטחינה משמשת כדי לשבור גושים מצטברים באבקה.
  3. המשך להוסיף חומץ, במרווחים ~ 1 מ"ל תוך כדי טחינה, עד ~ 9 מ"ל נפח כולל. לפני כל תוספת, העקביות של הדבק צריך להיות אחיד וללא גושים. הדבק הסופי צריך להיות עבה, אבל לא כל כך עבה כי זה לא יכול להיות סחוט מתוך בקבוק טפטפת.
  4. מוסיפים טיפה אחת של סבון כלים ל 1 מ"ל של מים מזוקקים, מערבבים בעדינות.
  5. מוסיפים את תמיסתסבון הכלים להשעיית TiO 2 ומערבבים בעדינות, נזהרים שלא לייצר בועות.
  6. אפשר להשעיה להתפרק למשך 15 דקות. סבון הכלים משמש כחומש שטח, כדי לעזור להפוך את ההשעיה לפזר בקלות רבה יותר לסרט אחיד על הזכוכית.

2. תצהיר של TiO2 על זכוכית

  1. נקה שתי מגלשות זכוכית מוליכות. השרו קימבפה עם אתנול והשתמשו בו כדי לנגב שתי מגלשות זכוכית מוליכות. מניחים את השקופיות הנקיות על קיוויפה טרייה.
  2. לקבוע איזה צד של הזכוכית הוא מוליך. באמצעות ערכת מולטימטר לאוהם, מגע בשתי ההובלה לצד אחד של הזכוכית. אם נצפתה קריאה בין 10 ל -30 Ω, זהו הצד המוליך. קריאה של 0 Ω מצביעה על הצד הלא מוליך.
  3. להסוות את השקופית. מניחים שקופית זכוכית אחת עם הצד המוליך שלה למעלה והשנייה עם הצד המוליך שלה כלפי מטה. תוך שמירה קפדנית על המגלשות נוגעות, מדביק את שקופיות הזכוכית לספסל העליון. מקם את הקלטת על שלושה מארבעת הצדדים של השקופיות, ודא כי ~ 5-8 מ"מ של השקופית מכוסה על ידי קלטת בכל אחד משלושת הצדדים (איור 4). לחץ על הקלטת בחוזקה, כדי להבטיח שאין בועות אוויר.
  4. החל את הדבק TiO2. באמצעות מוט זכוכית, יש למרוח קו דק של הדבק על הקצה העליון המסיכה של השקופית. השתמש במוט הזכוכית כדי לגלגל בזהירות את הדבק לאורך השקופית, ולגבות. חזור על תנועה זו 2-3x מבלי להרים את המוט, או עד לקבלת סרט אחיד.
    1. אם הסרט אינו אחיד, פשוט לנגב אותו עם קימאוויפ, לנקות את הכוס עם אתנול, ופעם יבש, לנסות שוב.
  5. אפשר לסרט להתייבש קצת, ולאחר מכן להסיר בזהירות את הקלטת מהכוס. השקופית עם הסרט TiO2 צריכה להיות בצד המוליך. ניתן לנקות את השקופית האחרת ולהשתמש בה מאוחר יותר.
  6. אנאל הסרט טיו2. מניחים בזהירות את השקופית (TiO2 צד למעלה) על צלחת חמה כי מוגדר 450 °C (50 °F). צפו ב-TiO2 מחשיך לצבע סגול/חום, וחוזרים לצבעו הלבן. בשלב זה, לכבות את החום ולאפשר לסרט להתקרר לאט. אם השקופית מקוררת מהר מדי, היא עלולה להיסדק או להתנפץ.
  7. בסרגל, מדדו את שטח הפנים המכוסה בסרט ושימו לב לערך זה.

Figure 4
איור 4. תצהיר של טיו2 על זכוכית.

3. להכתים את הסרט TiO2 עם צבע

  1. מניחים כמה אוכמניות, פטל או דובדבנים במכתש ומועכים אותם עם עלה.
  2. מסננים את הפתרון דרך מסנן קפה לתוך צלחת פטרי. ייתכן שיהיה צורך להוסיף כמה mL של מים למיץ.
  3. מניחים את סרט TiO2 מקורר, עם הפנים כלפי מטה בצלחת פטרי. היזהר לא לגרד את כל TiO2. אפשר לצבע להיות מסוחח על הסרט. פעולה זו עשויה להימשך מספר דקות.
  4. ברגע שהסרט מצופה במלואו (הוא צריך להיות אדום כהה או סגול ואין כתמים לבנים), הרם את המגלשה עם מלקחיים (היזהר רק להקשיח את הזכוכית ולא את הסרט), ולשטוף את המגלשה במים, ואז אתנול. כתם את הסרט יבש עם קימפוויפ, ולהשתמש מיד.
    1. אם לא נעשה שימוש מיידי, אז לאחסן את הסרט בצלחת פטרי המכיל חומצה אצטית ב pH 3-5, ולכסות את המנה עם המכסה לעטוף בנייר כסף.

4. הכן את אלקטרודה הדלפק

  1. באמצעות שקופית זכוכית מוליכת אחרת, בצע את שלבים 2.1-2.2.
  2. החל את זרז הפחמן בצד המוליך. באמצעות פינצטה, להחזיק את השקופית, צד מוליך למטה, מעל קצה של מבער Bunsen. הזז את השקופית כך שהפיח יאסף על פני השטח כולו, אך לא יותר מ- 30 s. תן למגלשה להתקרר, ולנגב את הפיח לאורך צד אחד של המגלשה עם צמר גפן.
    1. לחלופין, באמצעות עיפרון HB, לכסות את כל משטח מוליך עם גרפיט. זה נותן אלקטרודה חזקה יותר, אבל אחד שמבצע פחות טוב.

5. להרכיב את התא הסולארי

  1. ייבש את הסרט המוכתם. שוטפים אותו באתנול ומניחים אותו על קימבפה. בעדינות כתם את הסרט עם קימפוויפ שני. הסרט חייב להיות יבש כדי לא להשפיע על פתרון האלקטרולייט.
  2. עם הצד של סרט האלקטרודה למעלה, הניחו בעדינות את האלקטרודה מצופה הפחמן למעלה (פחמן עם הפנים כלפי מטה). הקפד לקזז את השקופיות כך שהצדדים החשופים של שתי האלקטרודות יוכלו להיות מקוטעים לחוטים. הנח שני קליפים קלסר בצדדים הסמוכים זכוכית היסט.
  3. מניחים כמה טיפות של תמיסת האלקטרולייט לאורך קצה אחד של השקופיות, ופותחים/ סוגרים בזהירות כל צד של התא על ידי פתיחה/סגירה לסירוגין של קליפי הקלסר. ודא כי כל האזור המוכתם נמצא במגע עם פתרון אלקטרוליט, ולחזור על שלב 5.2 במידת הצורך.
  4. נגב את עודף האלקטרולית מהאזורים החשופים באמצעות קימוויפ ואתנול.
  5. הדקו את קליפי התנין לשני הצדדים החשופים של התא הסולארי.

6. מדידת ביצועי התאים

הערה: באופן אידיאלי, מדידות אלה ייעשו בחוץ. עם זאת, אם מזג האוויר אינו מותר, הם יכולים להיעשות בפנים באמצעות מנורת הלוגן. כל המדידות צריכות להיעשות ללא תנועה של התא, כך שהם מבוצעים בתנאים זהים.

  1. הקפד לכוון את התא כך שהסרט TiO2 פונה כלפי מעלה לכיוון השמש, והצב כיסוי פוליקרבונט מעל התא. זה מגן על התא מפני נזק UV.
  2. חברו את האלקטרודה השלילית (זכוכית מצופה TiO2)לחוט השלילי של המולטימטר, ואת האלקטרודה החיובית (C) לחוט החיובי של המולטימטר(איור 5).
  3. הגדר את המולטימטר לוולנטים, ומדוד את המתח. זהו פוטנציאל המעגל הפתוח (מתח מרבי בזרם אפס). לכסות את התא (עם יד או אובייקט מוצק) כדי להבטיח כי המתח פוחת.
  4. הגדר את המולטימטר למיליאמפר (mA) ומדוד את הזרם המרבי. זהו זרם קצר (זרם מרבי במתח אפס). לכסות את התא עם (ביד) כדי להבטיח כי הזרם פוחתת.
  5. הקלט עקומת מתח זרם מלאה באמצעות פוטנציומטר 500 Ω כעומס משתנה.
    1. קבע איזה קצה חוט בפוטנציומטר הוא הברז המרכזי. עופרת זו מאפשרת להתנגדות להיות מגוונת. כדי לעשות זאת, חבר את המולטימטר (מוגדר לאוהם) לשניים מהפניות בפוטנציומטר, ושנה את ההתנגדות על הפוטנציומטר. שים לב אם ההתנגדות משתנה. חזור על כך עם שני השילובים האחרים של הפניות. שינויים בהתנגדות יש לראות בשניים משלושת השילובים. ההפניה ששימשה בשני השילובים שהעניקו שינויים היא הברז המרכזי, והשניים האחרים זהים מבחינה פונקציונלית.
    2. הרכיבו את המעגל כפי שמוצג באיור 5 (מימין).
    3. הגדר את הפוטנציומטר להתנגדות מלאה (או אפסית) ושים לב לזרם ולמתח.
    4. לשנות את ההתנגדות על potentiometer במרווחים קטנים ולשים לב לזרם ומתח, כך שיש כמה נקודות המשתרעות על כל הטווח של potentiometer. הקפד לא להזיז את התא במהלך מדידות אלה. לאחר שהזרם מתחיל להשתנות, הקפד לאסוף נקודות נתונים רבות; ניתן להשיג פחות נקודות נתונים כאשר הוא קבוע.

Figure 5
איור 5. דיאגרמת מעגלים כדי למדוד את הפוטנציאל של המעגל הפתוח ואת זרם המעגל הקצר (משמאל, שלבים 6.3 ו- 6.4) ולתעד את עקומת ה- I-V (מימין).

תאים סולאריים רגישים לצבע הם חלופה מבטיחה למוליכים למחצה קונבנציונליים והפכו בשנים האחרונות לתמיכים מסחריים.

תאים רגישים לצבע מפצים על היעילות הנמוכה שלהם על ידי ייצור כוח עקבי באופן ייחודי אפילו בטמפרטורות גבוהות, וזוויות שכיחות פוטון גבוהות, המניבות כמעט 50% יותר כוח מאשר תאים סולאריים מסיליקון תחת אור נמוך. הם הרבה יותר קלים לייצור ויכולים להשתמש פיגמנטים טבעיים, שופעים על בסיס צמחי כמו צבעים. וידאו זה ממחיש את פעולתם של תאים סולאריים רגישים לצבע, מדגים הליך יסודי ליצירת דגימות בדיקה במעבדה באמצעות פיגמנטים צמחיים, ודן בכמה יישומים.

כל התאים הסולאריים מסתמכים על יכולת האור לתרום אנרגיה לאלקטרונים כדי לייצר זרמים חשמליים.

באטומים בודדים, אלקטרונים מוגבלים לרמות אנרגיה נפרדות. עם זאת, כאשר הם סופגים פוטונים של אור, האלקטרונים עולים באופן זמני לרמות אנרגיה גבוהות יותר, ומשאירים חור במפלס התחתון.

כאשר שני אטומים נמצאים בסמיכות, הם מוטרדים האלקטרונים אחד של השני. זה יוצר רמות אנרגיה חדשות שהאלקטרונים יכולים לכבוש. ככל שמתווספים אטומים נוספים, נוצרות רמות אנרגיה נוספות, ובסופו של דבר מתמזגות ללהקות אנרגיה צפופות.

במוליכים למחצה, רמות האנרגיה הפנויות יוצרות רצועת הולכה בעלת אנרגיה גבוהה, בעוד שרמות תפוסות יוצרות רצועת ערכיות בעלת אנרגיה נמוכה. הבדל האנרגיה מכונה "אנרגיית bandgap". אם פוטון בעל אנרגיית bandgap מכה אלקטרון, האלקטרון יקודם, משאיר חור מאחור. הן אלקטרון והן חור עשויים להתנהל מאטום לאטום עד שהם מתאחדים מחדש.

כעת, לאחר שראינו כיצד מוליכים למחצה סופגים אנרגיית אור, בואו נראה כיצד נוכל לרתום את התופעה הזו בתא סולארי רגיש לצבע.

שלא כמו תאים סולאריים מסיליקון, תאים סולאריים רגישים לצביעה מפרידים את תהליך ספיגת האור מזה של השידור הנוכחי, כדי להוריד את קצב הרקומבינציה.

התא מכיל צבע רגיש, שכבת מוליכים למחצה, אלקטרוליט ושתי אלקטרודות. המוליך למחצה הוא דיאלקטרי יציב, כגון anatase TiO2. האלקטרוליט הוא בדרך כלל יודיד אורגני, והאנט-אלקטרודה היא חומר עמיד בפני קורוזיה וחום, לעתים קרובות פלטינה או פחמן.

המוליך למחצה הוא ממוספור ומכיל מפיל של צבע סופג. כאשר אלקטרון צבע מתרגש על ידי פוטון, הוא מוזרק מיד לתוך רצועת ההולכת של המוליכים למחצה.

המוליך למחצה מעביר את האלקטרון לפוטוטלקטרוד, ובתורו למעגל. האלקטרון חוזר דרך הנגד-אלקטרודה, שם האלקטרולייט המושקע מצטמצם, ומשלים את המחזור.

צבעים יעילים מגיבים לכל הספקטרום הנראה. הצבעים המוקדמים כללו מתחמי רותניום אורגניים. אלה מספקים המרה גבוהה לתוך אינפרא אדום, אבל הם יקרים וקשה לייצר. פיגמנטים רגישים לצמחים, כגון קרוטנואידים ואנתוציאנינים, הם שופעים ומעשיים יותר, אם כי פחות יעילים.

אלה העקרונות. עכשיו בואו נבחן הליך הפעלה יסודי במעבדה.

ההליך המודגם כאן מאפשר לתאים סולאריים רגישים לצביעה להיות מפוברקים ונבדקים במהירות, תוך שימוש רק במבשרים וחומרי מעבדה נפוצים.

התחל על ידי הוספת 6 גרם של אבקת TiO2 anatase למרגמה. מוסיפים 2-3 מ"ל של חומץ, וטוחנים את המתלים כדי לשבור גושים. איטרטיבי להוסיף חומץ במרווחים 1 מ"ל לטחון, עד בסך הכל 9 מ"ל נוספו. הדבק צריך בסופו של דבר להיות אחיד.

לאחר מכן, לייצר פתרון פעילי שטח על ידי ערבוב בעדינות טיפה אחת של סבון כלים עם 1 מ"ל של מים מזוקקים. מערבבים בעדינות את תמיסת פעילי השטח לתוך הדבק, נזהרים שלא לייצר בועות. אפשר להשעיה להתפרק

יש לנקות שתי מגלשות זכוכית מוליכות מצופות SnO2 באמצעות מגבון מוך נמוך ספוג באתנול. השתמש בריבוי מטר כדי למצוא את הצדדים המוליכים שלהם. הצד המוליך צריך להיות התנגדות של 10-30 Ω.

הדביקו את השקופיות לספסל, צד מוליך אחד למעלה והצד השני מוליך כלפי מטה, כך ש-5-8 מ"מ רעולי פנים ואין בועות אוויר. בעזרת מוט זכוכית, יש למרוח קו הדבק דק ואחיד על הקצה העליון של הצד המוליך. תן לסרט להתייבש מעט, ולהסיר את הקלטת.

יבש את השקופית על ידי הנחתו על צלחת חמה, צד מוליך למעלה. הסרט יחשיך תחילה לחום סגול ולאחר מכן להלבין. כאשר זה קורה, לכבות את הצלחת החמה, שמירה על השקופית על גבי. לאחר שהוא התקרר לטמפרטורת החדר, תיעד את שטח הפנים של הסרט.

כדי להכין את הנגד-אלקטרודה, לנקות שקופית זכוכית מוליך שנייה. החל את זרז הפחמן על הצד המוליך. החזק את הצד המוליך עם פינצטה מעל להבה קלה יותר. תן לפיח לאסוף לא יותר מ-30 שניות. כוון מחדש את השקופית עם הפינצטה וכסה את הפינה הנותרת בפיח באותה צורה, ודא שהמגלשה כולה מכוסה.

עכשיו שהאלקטרודות הוכנו, בואו נבנה את התא הסולארי בעל רגישות הצבע.

השתמש מרית למחוץ כמה פטל, אוכמניות או דובדבנים בכוס. לאחר מכן לסנן את הפתרון לתוך צלחת פטרי באמצעות מסנן קפה, הוספת כמה טיפות של מים מזוקקים במידת הצורך.

באמצעות פינצטה, מניחים את הפוטוטלקטרוד בצלחת פטרי, צד מוליך כלפי מטה, דואגים לא לגרד את הסרט. לאחר השלמת ההכתמה, משכו בזהירות את השקופית ובדקו שאין כתמים לבנים גלויים. שוטפים את המגלשה באתנול ומייבשים את הכתם.

מניחים את הדלפק אלקטרודה כלפי מטה על הסרט, שמירה על היסט בין השקופיות. צרף קליפוני קלסר לקצות השקופית. מניחים כמה טיפות של אלקטרוליט לאורך הקצה, ולתת לו לחולחול מעל הסרט על ידי פתיחה קלה של קליפים קלסר. התא מוכן כעת לפעולה.

היכונו למדוד את ביצועי התא תחת מנורת הלוגן. כוון את התא כך photoelectrode פונה מנורת הלוגן. השתמש בריבוי מטר כדי למדוד את פוטנציאל המעגל הפתוח ואת זרם קצר הטווח.

לאחר מכן, חבר את התא ל- 500 Ω פוטנציומטר כדי ליצור את המעגל המוצג בפרוטוקול הטקסט. ברצף להגדיל את ההתנגדות דרך potentiometer, ולהשתמש multimeter כדי למדוד את המתח ואת הזרם.

הנתונים הנאספים משמשים ליצירת עקומת מתח זרם, המתארת את המרת האנרגיה הסולארית של התא הסולארי ואת יעילותו הסולארית.

הנקודה שבה העקומה חוצה את ציר ה- x נקראת מתח המעגל הפתוח, שהוא המתח המרבי בזרם אפס. הנקודה של זרם מרבי ב- 0 V מופיעה בגרף שבו העקומה חוצה את ציר ה- y.

נקודת הכוח המרבית (MPP) מתרחשת ב"ברך "של העקומה ומספקת את תנאי המתח והזרם לפעולה אידיאלית של התא הסולארי. ה- MPP של עקומות מתח זרם מספק אמצעי להשוות את הביצועים של תאים סולאריים שונים. מתח המעגל הפתוח הנמדד בניסוי זה יכול להגיע לערכים של 0.5 וולט ופוטנציאל קצר של 1-2 mA / ס"מ2 .

תאים סולאריים רגישים לצבע הם בעלי ערך ביישומי נישה, והגישה בסרטון זה מאפשרת טיפוס מהיר של תאים עם צבעים חדשניים.

מכיוון שתאים סולאריים רגישים לצבע מניבים כוח גבוה תחת אור נמוך, הם שימושיים ל"קצירת אור", שימוש חוזר באור פנימי כדי להפעיל חיישני כוח, תגי זיהוי, משדרי נתונים ועוד. אחת ה דרך להשיג זאת היא על ידי פיתוח צבעים המציגים את רמות האנרגיה בתוך bandgap, שממנו אלקטרונים יכולים להתקרב לתוך רצועת ההולכה. מבחינה אמפירית, זה הכפיל את ההמרה פוטון לאלקטרון באורכי גל כמעט אינפרא אדום על ידי החלפת ספיגה אחת של אנרגיה גבוהה עם שתי ספיגות אנרגיה נמוכה יותר.

תאים רגישים לצבע משמשים לייצור חלונות פוטו-וולטאיים, שם נוספו מיקרוספרות זכוכית חלולות של TiO2 לאלקטרודות כדי למזער את הזיהום ולשמור על התפוקה. עבור טכניקות ייצור סבירות זה, כגון electrospinning, ניתן להשתמש, שבו תרחיף TiO2 מוזרק לאט לשדה חשמלי כדי לייצר nanofibers עבור אלקטרודות ביצועים גבוהים. טכניקת ייצור נוספת היא הדפסת הזרקת דיו. זה שימש להפקדת אלקטרודות על מצעים זכוכית, תאים מניבים עם יעילות של 3.5%.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לתאים סולאריים רגישים לצבע. עכשיו אתה צריך להכיר את הפעולה של תאים רגישים צבע, הליך ליצירתם בזול במעבדה, וכמה יישומים. כמו תמיד, תודה שצפית!

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

עבור כל נקודת נתונים שנאספת בשלבים 6.5.3-6.5.4, חשב את הצפיפות הנוכחית (mA/ cm 2 ) ואתצפיפותההספק (mW / cm2). כדי לחשב את הצפיפות הנוכחית, חלק את הזרם לפי שטח הפנים של הסרט שנקבע בשלב 2.7. כדי לחשב את צפיפות הכוח, הכפל את המתח בצפיפות הזרם. התווה את הזרם (mA) לעומת מתח (mV) עבור הנתונים שנאספו בשלבים 6.3, 6.4 ו- 6.5.3-6.5.4. התווה את הצפיפות הנוכחית לעומת וולט עבור כל הנתונים. זה צריך להיות ליד "הברך" של העקומה. קבע את אור השמש ליעילות המרת האנרגיה החשמלית על ידי חלוקת ההספק המרבי (mW/cm2)על ידי האנרגיה הסולארית הנכנסת (נלקח להיות 800-1,000 W/m2),והכפלה ב -100%.

ניתוח הנתונים והכנת עקומות I-V הוא סטנדרטי בספרות התאים הסולאריים כאמצעי להשוות את הביצועים של תאים. מתח המעגל הפתוח שנמדד צריך להיות בין 0.3 ל 0.5 V, ופוטנציאל קצר של 1-2 mA / ס"מ2 צריך לקבל.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

וידאו זה הראה את ההכנה והניתוח של DSSC פשוט.

תאים סולאריים הופכים נפוצים יותר, ויש הרבה מחקר שנעשה כדי לקדם את הביצועים שלהם. תאים סולאריים מסורתיים המבוססים על מוליכים למחצה מסיליקון משמשים לייצור פאנלים סולאריים המשמשים בחלל ובכדור הארץ. נמל התעופה הבינלאומי של דנבר עושה שימוש באקלים שטוף השמש של קולורדו ויש לו ארבעה מערכים סולאריים המספקים 6% מצרך האנרגיה של שדה התעופה.

מחשבי DSSCs פועלים ביעילות של עד 15%,7% לעומת יעילות של 14%-17% עבור לוחות סיליקון מסחריים בעלות נמוכה מסורתיים. בעוד יעילות התפעול של DSSCs היא תחרותית, העלות הגבוהה של חומרים (כגון Ru-dye) היא בעייתית עבור יישומים בקנה מידה גדול. אולי החיסרון הגדול ביותר של DSSCs הוא השימוש באלקטרוליטים נוזליים הרגישים לשינויי טמפרטורה. האלקטרוליט הנוזלי יכול לקפוא בטמפרטורות נמוכות, ובכך לעצור את ייצור החשמל ו/או לגרום נזק מבני לפאנל הסולארי. בטמפרטורות גבוהות, האלקטרוליט הנוזלי מתרחב, מה שהופך את איטום הלוחות למאתגר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

References

  1. Williams, R. Becquerel Photovoltaic Effect in Binary Compounds. J Chem Phys, 32 (5), 1505-1514 (1960).
  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).

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter