Hogyan készítsünk színezékkel érzékeny napelemet vagy napelemet a gyümölcs teából

A színezékkel érzékenyített napelemek innovációja kibővítette a készülék potenciálját addig a pontig, ahol teljesen kiszoríthatja a költséges szilícium napelemeket.

A következő cikk elmagyarázza, hogyan lehet ezt a sokoldalú, festékekkel érzékenyített napelemet egyszerűen megépíteni nagyon hétköznapi anyagok felhasználásával.

Ez a kísérlet a szerves vegyület növényekben történő felhasználásának koncepciójára támaszkodik, különösen a szerves színezékekben, amelyek elektrondonorként működnek a napelemekben.

A napelemben lévő félvezető szilícium helyett titán-oxidot (TiO2) használtunk, amely szintén félvezető. A TiO2 tulajdonságai még jobban elnyelik a napfényt, ha szerves festékkel „érzékenyítik”.

A festékkel érzékenyített napelemek hatékonysága 7% -kal magasabb, mint a hagyományos napelemek hatékonyságának harmada. Bár ez nem túl nagy előny, a festékkel érzékenyített napelemek az egyszerűbb gyártási eljárás miatt olcsóbbak a szilícium cellákhoz képest, amelyek szintén bonyolultak.

A jövő napelemje?

Bár néhány évbe telhet, mire a festékkel érzékenyített napelemek kereskedelmileg sikeresek lesznek, a helyes úton maradnak, ha bizonyos kérdések megoldódnak.

Először is meg kell oldani a sejtek hosszú távú stabilitási problémáit, mivel az oxigén idővel károsítja azt.

Megfelelő festéket lehet venni a málnából vagy a gyümölcs teából. Adjon hozzá néhány más komponenst, például alacsony emissziós (alacsony E-tartalmú) üveget és titán-oxidot, és minden összetevő megvan a készlet elkészítéséhez. Ebben a kísérletben rózsahajó teát használunk a vörös festékhez.

Szükséges anyagok

• Üveglap (darabokban), egyik oldalán áramvezető réteggel. Ezek készletekben kaphatók, és online is megtalálhatók. Alternatív megoldásként alacsony E-üvegű üvegeket is használhat, amelyeket üvegekből szerezhetünk be, mivel az anyagot beépítik a hőszigetelő ablakok gyártásába. Két darab 5 x 2 cm méretű darab beszerzését javasoljuk.
• TiO2 és polietilénglikol. Ez utóbbi különféle kenőcsök standard összetevője, de ebben a kísérletben a titán-oxid szuszpendálására szolgál.
• Ezeket az elemeket helyi vegyészektől lehet megvásárolni. Azt is meg kell győződnie arról, hogy a polietilénglikol molekulatömege 300, továbbá folyékony.
• Ha a készletet az interneten kívül vásárolja meg, általában fehér felfüggesztéssel érkezik, ami megkönnyíti a dolgokat. Biztosan tudja, hogy a TiO2 részecskemérete pontos (kb. 20 nm) és finoman el van szigetelve, amit rendkívül nehéz megszerezni, ha saját maga csinálja.
• Hozzáadhat fehér fogkrémet, Tipp-Ex, fehér festéket vagy hasonló anyagokat, amelyek fehérítőszerként titán-oxidot tartalmaznak.
• Ebben a kísérletben jód 65% -os etanolban készült oldatát használtuk elektrolitként. Ez ugyan jól teljesít, de csak egyharmada annyi áramot termel, mint a tipikus elektrolit.
• A tesztünkben használt gyümölcs tea a csipkebogyó, de a hibiszkusz is működik.
• Gázkemping és öngyújtó.
• Egy laboratóriumi állvány szorítóval, gyűrűvel és az ernyővel. A képernyő funkciója az üveg megtámasztása sütés közben.
• Egy pipetta, de ha nincs, akkor egy teáskanál használható helyettesítő anyagként, lehetővé téve a titán-oxid-szuszpenzió csöpögését az üvegen.
• Csipesz, vízforraló, teáskanna, hajszárító és Sellotape.
• Alumínium fólia lap.
• Petri-csészét vagy rendes lapos tálat vagy levestálat.
• Grafitceruza és egy darab üveg vagy műanyag kártya a titán-oxid szétterítéséhez.
• Egy multiméter készlet.

Hogyan működnek a festékkel érzékenyített napelemek

A festékkel érzékenyített napelem konstrukciója két lapos üveglapból áll, egyik oldalán elektromosan vezető réteggel. A vezetőképes bevonatot általában fémoxidból készítik.

A két üvegdarab között kb. 10 μm TiO2 kristályokból álló, körülbelül 20 nm nagyságú nádbevonatot azonosítottak, amelyet porózus réteg létrehozása céljából együtt sütöttek.

Ezután a festéket erre a porózus bevonatra helyezzük. Az iparban az érzékenyített napelemekhez választott festék nemesfém ruténiumot tartalmaz.

Természetesen rendelkezésre álló vörös színezékek azonban felhasználhatók a teszteléshez. A titán-oxid kristályok hihetetlenül csekély méretei és a közöttük lévő hézagok miatt a porózus szerkezet hatalmas hatékony felületet tartalmaz, és a festékbevonat rendkívül vékony.

Ez döntő fontosságú a helyes működéshez, mivel a festék tetemes elektromos vezető.

Abban a pillanatban, amikor egy fénysugár eléri a festékmolekulát, egy elektront lő a titán-dioxidba.

Az elektronok a titán-oxid és az üveglap közé helyezett vezetőképes bevonatban (működő elektródában) gyűlnek össze.

Még egy vezetőréteg szükséges a hátoldalán, hogy ellenelektródként működjön, és az elektródák közötti rést elektrolitoldattal látják el.

Itt alkalmazzák az egyszerű jód-só oldatot, nem pedig az ipari acetonitril elektrolit helyett, amely nagyon illékony és mérgező. Az elektrolit oldatban lévő tri-jodid molekulákat „kényszerítik” arra, hogy az ellenelektróddal elérjék a jodid molekulákat.

Ez csak akkor történik meg, ha egy katalizátort vezetnek be az elektródába, és ott jön be a ceruza grafitja. Ipari szinten a használt katalizátor nagyon költséges platina.

Ehhez a kísérlethez elektronok szükségesek. Az elektronfelesleg a másik elektródon elektromos potenciált eredményez, amelybe bele lehet csapni.

Áramáramlás léphet fel, ha az elektródákat külső terheléssel csatlakoztatják.

Az oldatban lévő jodidmolekulák lemondanak az elektronokról a festékre, és a folyamat során trijodidmolekulákká alakulnak, amelyek cserébe befejezik az elektromos áramkört.

A napelem szubsztrátja egy normál ablaküveg, amelynek vastagsága körülbelül 2 mm, tiszta, vezetőképes fém-oxid réteggel (mint a cink-oxid). Sajnos ezt a bevonatot nem lehet saját maga elkészíteni.

Lépésről lépésre

A festékkel érzékenyített napelem előállításának lépésről lépésre történő bemutatását az alábbiakban magyarázatok és kép segítségével szemléltetjük.

A titánpor részecskemérete 15-25 nm körül van, amint az alább látható.

1. Keverjük össze polietilén glikol , amely olajos emulgeálószer, és óvatosan keverje a főzetet, amíg egy viszkózus krémet nem kap.

2) Az elektrolit esetében választhat jódot etanolban, de az eredmények átlag alattiak lehetnek a kereskedelemben kapható redox elektrolithoz képest.

3) Fogjon meg egy multiméter egységet, és állítsa be az ellenállási tartományt, hogy megtudja, az üvegdarab melyik oldala vezető.

4) Ezután rögzítse az üveget az asztalon a Sellotape segítségével, miközben a vezető oldalt felfelé helyezi.

5) Ha van pipettája, húzza ki a TiO2 krém vagy paszta egy részét, és tegyen néhány cseppet az üveg vezető felületére.

6) Ezután műanyag kártyával vagy más üvegdarabbal üsse meg alaposan a cseppeket. Próbáljon meg egységes kabátot szerezni az üvegdarab óvatos csúsztatásával a Tio2 paszta fölé.

7) Ezután húzza ki az üveg körül a szalagot, és szabadítsa meg az asztaltól.

8) Azt javasoljuk, hogy a bevonatot sütőben vagy nyílt lángon, például gáztűzhelyen sütje. A várható hőmérséklet 450 ° C körül alakul. Miután beállt, helyezze el a támasztó képernyőt néhány centiméterrel az égő lángja felett, és helyezze rá az üvegdarabot TiO2 bevonattal.

9) A titán-oxid réteg szerves tartalma miatt a sütés elején barnára változik. De a folyamat végén biztosítani kell, hogy a TiO2 színe fehérre változzon.

10) Nyomatékosan javasoljuk az üveg megfelelő hűtési idejének biztosítását, különben fennáll annak az esélye, hogy összetörik. Tipp: csúsztassa az üveget egy hűvösebb helyre (általában a szél közelében), és ne sietjen el gyorsan a forró képernyőről.

11) Itt az ideje elkészíteni a gyümölcs teát forrásban lévő vízzel. Kísérletünk során kevesebb vizet és több teazsákot használtunk. Öntsük a főzött gyümölcs tea oldatot egy nagy tálba. Ha nincs gyümölcstea-zsákja, mehet a vörös répalé, a málna leve vagy akár a vörös tinta is.

12) Miután az üvegdarab szobahőmérséklet körüli hőmérséklet elérte, óvatosan csúsztathatja a tálba, és hagyja néhány percig ázni.

13) Az áztatási folyamat során elkezdheti eltakarni egy második üvegdarab vezető oldalát sok grafittal, amely ólomceruzából nyerhető. Ez a bevonat katalizátorként fog működni az elektronok elektródba történő szállításához az elektródtól.

14) Ezután vegye ki a vezető üvegdarabot a teafürdőből. A titán-oxid réteg felszívja a tea színét (lásd a kép közepét). Ezt követően öblítse le az üveget tiszta vízzel vagy etanollal és hajszárítóval szabaduljon meg minden vízcsepptől .

15) Ezután rendezze el a két üvegdarabot a vezető felületekkel egymással szemben, és a végeik eltolódjanak. Nagy gondot kell fordítania arra, hogy mindkét szemüveg ne csússzon ki, mert a TiO2-t ledörzsölheti.

16) Ezt követően az üvegdarabokat össze lehet fogni (kissé módosított vagy a köré tekert normál Sellotape segítségével).

17) Most adja hozzá az elektrolitot a két üvegdarab közé. Javasoljuk, hogy az üvegdarabok mindkét oldalára tegyen néhány csepp elektrolitot, és a kapilláris hatás következtében az üvegek közé húzódnak.

18) Ennyi, a gyümölcslé alapú, festékekkel érzékenyített napelem készen áll a tesztelésre. A multiméter segítségével megmérheti a feszültséget (kb. 0,4 V) és az áramot (kb. 1 mA). A stúdió megvilágítása miatt az eredmények kissé változnak. Ezenkívül több krokodilkapcsot használhat, hogy több sejtet sorozatosan kibővítsen.

Nem fogunk figyelmen kívül hagyni az üvegdarabok lezárásának lépését, ahogyan az ipari festékekkel érzékenyített napelemekkel történik. Ez lehetővé teszi számunkra az üvegdarabok újbóli hasznosítását, és ebben az esetben csak annyit kell tennie, hogy szétválasztja őket, alaposan megmossa a felületüket vízzel, és finoman megmossa. Mivel a grafitbevonat teljes eltávolítása nem lehetséges, ezért azt javasoljuk, hogy a jövőbeni kísérletek során az ellenelektródás üveget használja újra a pontos cél érdekében.

Kép jóvoltából: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0