Kuidas puuviljateest valmistada värvitundlikku päikesepatareid või päikeserakke

Värviga sensibiliseeritud päikesepatareide uuendus on seadme potentsiaali laiendanud kuni punktini, kus see võib kulukad ränist päikesepatareid täielikult välja tõrjuda.

Järgmine artikkel selgitab, kuidas saate selle mitmekülgse värvitundlikkusega päikesepatarei väga tavaliste materjalide abil hõlpsasti ehitada.

See katse tugineb ideele kasutada orgaanilist ühendit taimedes, eriti orgaanilisi värvaineid, et toimida elektronidoonoritena päikesepatareides.

Päikesepatareis oleva pooljuhtmaterjali räni asemel oleme kasutanud titaanoksiidi (TiO2), mis on samuti pooljuht. TiO2 omadused võimaldavad tal päikesevalgust veelgi paremini absorbeerida, kui see on sensibiliseeritud orgaanilise värviga.

Värviga sensibiliseeritud päikesepatareide kasutegur on 7% kõrgem kui kolmandik tavapäraste päikesepatareide efektiivsusest. Kuigi see ei ole suur eelis, on värviga sensibiliseeritud päikesepatareid lihtsama tootmisprotsessi tõttu odavamad võrreldes ränielementidega, mis on samuti keerukad.

Tuleviku päikesepatarei?

Ehkki värvaine suhtes sensibiliseeritud päikesepatareide kaubandusliku edukuse saavutamiseks võib kuluda paar aastat, jääb see õigele teele tingimusel, et teatud probleemid on lahendatud.

Esiteks tuleb lahendada rakkude pikaajalise stabiilsuse probleemid, kuna hapnik kahjustab seda aja jooksul.

Sobiva värvi võib võtta vaarikatest või puuviljateest. Lisage mõned muud komponendid, nagu madala emissioonivõimega (madala E-väärtusega) klaas ja titaanoksiid, ning komplekti koostamiseks on teil kõik koostisosad. Selles katses kasutame punase värvaine jaoks roosilaeva teed.

Vajalikud materjalid

• Leheklaas (tükid), mille ühel küljel on voolu juhtiv kiht. Need on saadaval komplektidena ja nende leiate veebis. Teise võimalusena võite kasutada madala E-klaasi ja neid saab klaasimeestelt, kuna materjal on lisatud soojusisolatsiooniakende valmistamisel. Soovitame hankida kaks tükki mõõtmetega 5 x 2 cm.
• TiO2 ja polüetüleenglükool. Viimane on erinevate salvide standardne koostisosa, kuid selles katses kasutatakse seda titaanoksiidi suspendeerimiseks.
• Neid esemeid saab osta kohalikult keemikult. Samuti peate veenduma, et polüetüleenglükooli molekulmass on lisaks vedelale ka 300.
• Kui ostate oma komplekti Internetist, on sellel tavaliselt valge vedrustus, mis muudab asja lihtsamaks. Võite kindlalt teada, et TiO2 osakeste suurus on täpne (umbes 20 nm) ja peenelt eraldatud, mida on äärmiselt keeruline saada, kui teete seda ise.
• Võite lisada valget hambapastat, Tipp-Ex, valget värvi või muid sarnaseid aineid, mis sisaldavad titaanoksiidi.
• Selles katses oleme elektrolüüdina kasutanud joodi lahust 65% etanoolis. Kuigi see toimib lihtsalt hästi, tekitab see ainult kolmandiku võrra rohkem voolu kui tüüpiline elektrolüüt.
• Meie testis kasutatud puuviljatee on kibuvits, kuid ka hibisk toimib.
• Gaasiga matkapliit ja tulemasin.
• Üks klambri, rõnga ja ekraaniga laborialus. Ekraani ülesanne on klaasi küpsetamise ajal toetada.
• Pipett, kuid kui teil seda pole, võib asendajana kasutada teelusikatäit, võimaldades titaanoksiidi suspensioonil klaasile tilkuda.
• Pintsetid, veekeetja, teekann, föön ja Sellotape.
• Alumiiniumfooliumi leht.
• Petri roog või tavaline tasane kauss või supitaldrik.
• Grafiitpliiats ja klaas- või plastkaart titaandioksiidi levitamiseks.
• Üks multimeetrikomplekt.

Kuidas värviga sensibiliseeritud päikeserakud toimivad

Värviga sensibiliseeritud päikesepatarei konstruktsioon koosneb kahest lamedast klaaslehest, mille ühel küljel on elektrit juhtiv kiht. Juhtiv kate on tavaliselt valmistatud metalloksiidist.

Kahe klaasitüki vahel on tuvastatud umbes 20 nm TiO2 kristallide roostekiht, mille suurus on küpsetatud poorse kihi loomiseks.

Seejärel asetatakse värv sellele poorsele kattele. Tööstuses sisaldab sensibiliseeritud päikesepatareide jaoks valitud värv väärismetallist ruteeniumi.

Kuid sihtotstarbeliste testide tegemiseks võib kasutada looduslikke punaseid värvaineid. Titaandioksiidkristallide uskumatult väikeste mõõtmete ja nende vaheliste tühimike tõttu sisaldab poorne struktuur tohutut efektiivset pinda ja värvikiht on märkimisväärselt õhuke.

See on õige töö jaoks ülioluline, kuna värv on ebameeldiv elektrijuht.

Hetkel, kui valguskiir tabab värvaine molekuli, laseb see elektroni titaandioksiidi.

Elektronid kogunevad titaanoksiidi ja klaaspleki vahele asetatud juhtivasse kattesse (tööelektrood).

Vastaselektroodina toimimiseks on tagaküljel vaja veel ühte juhtivat kihti ja elektroodide vahe on varustatud elektrolüüdilahusega.

Siin kasutatakse lihtsat joodisoola lahust, mitte tööstuslikku atsetonitriilelektrolüüdi, mis on väga lenduv ja mürgine. Elektrolüüdi lahuses olevad trijodiidi molekulid on sunnitud jõudma loendelektroodiga, moodustades jodiidi molekule.

See juhtub ainult siis, kui elektroodi sisestatakse katalüsaator ja sinna tuleb pliiatsi grafiit. Tööstuslikul tasandil on kasutatud katalüsaator väga kulukas plaatina.

See eksperiment nõuab elektrone. Elektroonide ülejääk teisel elektroodil tekitab elektrilise potentsiaali, mida saab ära kasutada.

Vooluhulk võib tekkida, kui elektroodid on koormuse abil väliselt ühendatud.

Lahuses olevad jodiidimolekulid loobuvad elektronidest värviks ja muunduvad protsessi käigus trijodiidimolekulideks, mis vastutasuks lõpetab elektriskeemi.

Päikesepatarei substraat on tavaline aknaklaas, mille paksus on umbes 2 mm koos selge juhtiva metalloksiidikihiga (nagu tsinkoksiid). Kahjuks ei saa seda katet ise teha.

Samm-sammult protseduurid

Allpool on selgitatud värvide abil sensibiliseeritud päikesepatarei valmistamise protseduure selgituste ja pildi abil.

Titaanipulbri osakeste suurus on umbes 15-25 nm, nagu allpool näidatud.

1. Segage seda polüetüleenglükool , mis on õline emulgaator, ja segage segu hoolikalt, kuni saavutatakse viskoosne kreem.

2) Elektrolüüdi jaoks võite valida joodi etanoolis, kuid tulemused võivad olla keskmisest madalamad võrreldes kaubanduslikult saadaval oleva redokselektrolüüdiga.

3) Haarake multimeetriseade ja määrake takistuspiirkond, et teada saada, milline klaasikülg on juhtiv.

4) Seejärel kinnitage klaas Sellotape abil lauale, asetades juhtiva külje ülespoole.

5) Kui teil on pipett, tõmmake osa TiO2 kreemist või pastast välja ja asetage mitu tilka klaasi juhtivale pinnale.

6) Seejärel lööge tilgad põhjalikult plastkaardi või muu klaasitüki abil. Proovige saada ühtlane karv, libistades klaasitüki õrnalt üle Tio2 pasta.

7) Seejärel tõmmake klaasi ümber olev kleeplint lahti ja vabastage see lauast.

8) Katet soovitame küpsetada ahjus või lahtise leegi kohal nagu gaasipliit. Eeldatav temperatuur on umbes 450 ° C. Kui see on seatud, korraldage tugikraan vaid mõne sentimeetri võrra põleti leegi kohal ja asetage selle peale TiO2 kattega klaasitükk.

9) Titaandioksiidikihi orgaaniline sisaldus muudab küpsetamise alguses pruuniks. Kuid peate tagama, et TiO2 värvus muutub protsessi lõpus valgeks.

10) Soovitame tungivalt lubada klaasile õige jahutusaeg, vastasel juhul on tõenäoline, et see puruneb. Näpunäide on libistada klaas jahedamale alale (tavaliselt serva lähedale) ja mitte kiirustada seda kuumalt ekraanilt.

11) On aeg valmistada puuvilja tee keeva veega. Oma katses kasutasime vähem vett ja rohkem teekotte. Valage valmistatud puuvilja tee lahus suurde kaussi. Kui teil pole puuviljateede kotte, võite kasutada punase peedi mahla, vaarikamahla või isegi punase tindiga.

12) Kui klaasitükk on jõudnud toatemperatuurini, võite selle ettevaatlikult kaussi libistada ja lasta sellel mitu minutit liguneda.

13) Kui leotamine toimub, võite teise klaasitüki juhtivat külge katma rohke grafiidiga, mida saab pliipliiatsilt. See kate toimib katalüsaatorina elektronide elektroodile transportimiseks elektroodist.

14) Seejärel võtke juhtiv klaasitükk teevannist välja. Titaandioksiidikiht on absorbeerinud tee värvi (vt pildi keskosa). Pärast seda loputage klaasi puhta vee või etanooliga ja igast veetilgast vabanemiseks kasutage fööni .

15) Seejärel korraldage kaks klaasitükki koos juhtivate pindadega vastamisi ja otsad nihkega. Peate olema väga ettevaatlik, et mõlemad klaasid ei libiseks, kuna see võib TiO2 maha hõõruda.

16) Pärast seda saab klaasitükke koos hoida klambrite abil (kergelt modifitseeritud või nende ümber keeratud tavalise Sellotape'i abil).

17) Nüüd lisage elektrolüüt kahe klaasitüki vahele. Klaasitükkide mõlemale küljele on soovitatav panna paar tilka elektrolüüdi ja need tõmbuvad kapillaaride mõjul klaaside vahele.

18) See on kõik, teie puuviljamahlapõhine värvitundlik päikesepatarei on nüüd testimiseks valmis. Multimeetri abil saate mõõta pinget (umbes 0,4 V) ja voolu (umbes 1 mA). Stuudio valgustuse tõttu on tulemused veidi erinevad. Lisaks saate mitme raku järjestikuse laiendamise jaoks kasutada mitut krokodilliklippi.

Jätame tähelepanuta klaasitükkide tihendamise sammu, nagu seda tehakse tööstuslike värvainetundlike päikesepatareidega. See võimaldab meil klaasitükke uuesti kasutada ja sellisel juhul on vaja vaid need eraldada, nende pinnad veega põhjalikult pesta ja õrnalt nühkida. Kuna grafiitkatte täielik eemaldamine pole võimalik, soovitame edaspidistes katsetes täpsel eesmärgil uuesti kasutada vastelektroodklaasi.

Pildi viisakus: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0