Hoe maak je een kleurstofgevoelige zonnecel of zonnecel van vruchtenthee

De innovatie van kleurstofgevoelige zonnecellen heeft het potentieel van het apparaat vergroot tot het punt waarop het kostbare silicium zonnecellen volledig zou kunnen verdringen.

In het volgende artikel wordt uitgelegd hoe je deze veelzijdige kleurstofgevoelige zonnecel eenvoudig kunt bouwen met heel gewone materialen.

Dit experiment is gebaseerd op het concept van het gebruik van de organische verbinding in planten, met name organische kleurstoffen, om als elektronendonor in zonnecellen te fungeren.

In plaats van een halfgeleidermateriaal silicium in de zonnecel hebben we titaniumoxide (TiO2) gebruikt, dat ook een halfgeleider is. Door de eigenschappen van TiO2 kan het zonlicht nog beter absorberen als het wordt ‘gesensibiliseerd’ met een organische kleurstof.

Het rendement van kleurstofgevoelige zonnecellen is 7% hoger dan een derde van het rendement van conventionele zonnecellen. Hoewel dit geen groot voordeel is, zijn kleurstofgevoelige zonnecellen goedkoper vanwege het eenvoudiger fabricageproces in vergelijking met siliciumcellen die ook gecompliceerd zijn.

De zonnecel van de toekomst?

Hoewel het enkele jaren kan duren voordat de kleurstofgevoelige zonnecellen commercieel succesvol zijn, blijft het op de goede weg, mits bepaalde problemen worden opgelost.

Ten eerste moeten de stabiliteitsproblemen van de cellen op de lange termijn worden aangepakt, aangezien zuurstof het uiteindelijk na verloop van tijd beschadigt.

Een geschikte kleurstof kan worden gehaald uit frambozen of vruchtenthee. Voeg een paar andere componenten toe, zoals glas met een lage emissiviteit (low-E) en titaniumoxide, en je hebt alle ingrediënten om de kit te bouwen. In dit experiment gebruiken we rozenbottelthee voor de rode kleurstof.

Vereiste materialen

• Glasplaat (stukjes) met aan één zijde een stroomgeleidende laag. Deze zijn verkrijgbaar in kits en zijn online te vinden. Als alternatief kunt u kiezen voor glas met een laag E-gehalte en dit kan worden verkregen bij glazenmakers, omdat het materiaal wordt gebruikt bij de productie van thermische isolatieramen. We raden aan om twee stukken te kopen met een afmeting van 5 x 2 cm.
• TiO2 en polyethyleenglycol. Dit laatste is een standaard ingrediënt in verschillende zalven, maar in dit experiment wordt het gebruikt om het titaniumoxide te suspenderen.
• Deze artikelen zijn verkrijgbaar bij een plaatselijke apotheek. Je moet er ook voor zorgen dat het polyethyleenglycol niet alleen vloeibaar is, maar ook een molecuulgewicht van 300 heeft.
• Als u uw kit via internet koopt, wordt deze meestal geleverd met een witte ophanging, wat het gemakkelijker maakt. U kunt er zeker van zijn dat de deeltjesgrootte van de TiO2 nauwkeurig is (ongeveer 20 nm) en fijn geïsoleerd, wat een enorme uitdaging is om te verkrijgen als u het zelf doet.
• U kunt witte tandpasta, Tipp-Ex, witte verf of soortgelijke stoffen met titaniumoxide als witmaker gebruiken.
• In dit experiment hebben we een oplossing van jodium in 65% ethanol als elektrolyt gebruikt. Hoewel dit prima presteert, produceert het slechts een derde van de stroom als de typische elektrolyt.
• Vruchtenthee die in onze test wordt gebruikt, is de rozenbottel, maar hibiscus werkt ook.
• Een gaskooktoestel en aansteker.
• Een laboratoriumstandaard met klem, ring en het scherm. De functie van het scherm is om het glas te ondersteunen tijdens het bakken.
• Een pipet, maar als je die niet hebt, kan een theelepel als vervanging worden gebruikt door de titaniumoxidesuspensie op het glas te laten druppelen.
• Pincet, waterkoker, theepot, haardroger en plakband.
• Een vel aluminiumfolie.
• Een petrischaal of een gewone platte kom of soepbord.
• Grafietpotlood en een stuk glas of plastic kaart om het titaniumoxide te verspreiden.
• Een multimeterset.

Hoe kleurstofgevoelige zonnecellen werken

De constructie van een kleurstofgevoelige zonnecel bestaat uit twee vlakke glasplaten met aan één zijde een elektrisch geleidende laag. De geleidende coating is gewoonlijk gemaakt van een metaaloxide.

Tussen de twee stukken glas wordt een rietlaag (ongeveer 10 μm) van TiO2-kristallen van ongeveer 20 nm die aan elkaar is gebakken om een ​​poreuze laag te creëren, geïdentificeerd.

Vervolgens wordt de kleurstof op deze poreuze coating aangebracht. In de industrie bestaat de kleurstof die voor de gesensibiliseerde zonnecellen wordt gekozen uit edelmetaal ruthenium.

Natuurlijk beschikbare rode kleurstoffen kunnen echter worden gebruikt voor het testen. Vanwege de ongelooflijk minuscule afmetingen van de titaniumoxidekristallen en de openingen ertussen, bevat de poreuze structuur een enorm effectief oppervlak en is de verflaag opmerkelijk dun.

Dit is cruciaal voor een correcte werking, aangezien de kleurstof een slechte elektrische geleider is.

Op het moment dat een lichtstraal een kleurstofmolecuul raakt, schiet het een elektron omhoog in het titaniumdioxide.

De elektronen verzamelen zich in de geleidende coating (werkelektrode) die zich tussen het titaniumoxide en de glasplaat bevindt.

Aan de andere kant is nog een geleidende laag nodig om als tegenelektrode te functioneren, en de opening tussen de elektroden is voorzien van een elektrolytoplossing.

Dit is waar de eenvoudige jodiumzoutoplossing wordt toegepast in plaats van de industriële acetonitrilelektrolyt die zeer vluchtig en giftig is. De tri-jodidemoleculen in de elektrolytoplossing worden 'gedwongen' om met de tegenelektrode te reiken om jodidemoleculen te vormen.

Dit gebeurt alleen als een katalysator in de elektrode wordt gebracht en dat is waar het grafiet uit het potlood binnenkomt. Voor het industriële niveau is de gebruikte katalysator zeer kostbaar platina.

Dit experiment vereist elektronen. Het teveel aan elektronen op de andere elektrode produceert een elektrisch potentieel dat kan worden afgetapt.

Er kan stroom vloeien als de elektroden extern met een belasting zijn aangesloten.

De jodidemoleculen in de oplossing doen afstand van elektronen aan de kleurstof en worden tijdens het proces omgezet in tri-jodidemoleculen, wat op zijn beurt het elektrische circuit voltooit.

Het substraat van de zonnecel is een normaal vensterglas van ongeveer 2 mm dik met een heldere, geleidende metaaloxidelaag (zoals zinkoxide). Deze coating kan helaas niet zelf gemaakt worden.

Stap voor stap procedures

De stapsgewijze procedures voor het maken van de kleurstofgevoelige zonnecel worden hieronder geïllustreerd door middel van uitleg en afbeelding.

De deeltjesgrootte van het titaniumpoeder is ongeveer 15-25 nm, zoals hieronder weergegeven.

1. Meng het met polyethyleenglycol , dat een olieachtig emulgeermiddel is, en roer het brouwsel voorzichtig tot een stroperige crème is verkregen.

2) Voor de elektrolyt kun je kiezen voor jodium in ethanol, maar de resultaten zijn mogelijk onder het gemiddelde in vergelijking met in de handel verkrijgbare redox-elektrolyt.

3) Pak een multimetereenheid en stel het weerstandsbereik in om erachter te komen welke kant van het glasstuk geleidend is.

4) Zet ​​vervolgens het glas op de tafel vast met plakband terwijl u de geleidende zijde naar boven legt.

5) Als u een pipet heeft, trek dan wat van de TiO2-crème of -pasta eruit en plaats enkele druppels op het geleidende oppervlak van het glas.

6) Sla vervolgens met een plastic kaart of een ander stuk glas goed op de druppels. Probeer een uniforme laag te krijgen door het glazen stuk voorzichtig over de Tio2-pasta te schuiven.

7) Trek vervolgens het plakband rond het glas los van de tafel.

8) We raden aan om de coating in een oven of boven een open vlam zoals een gasfornuis te bakken. De verwachte temperatuur ligt rond de 450 ° C. Als het eenmaal is ingesteld, plaatst u het steunscherm slechts enkele centimeters boven de brandervlam en plaatst u het glazen stuk met TiO2-coating erop.

9) De titaniumoxidelaag zal aan het begin van het bakproces zijn kleur naar bruin veranderen vanwege zijn organische gehalte. Maar je moet ervoor zorgen dat de kleur van TiO2 aan het einde van het proces in wit verandert.

10) We raden sterk aan om het glas voldoende af te laten koelen, anders bestaat de kans dat het breekt. Een tip is om het glas naar een koeler gebied te schuiven (meestal nabij de rand) en het niet overhaast van het hete scherm te verplaatsen.

11) Het is tijd om de vruchtenthee te bereiden met kokend water. In ons experiment gebruikten we minder water en meer theezakjes. Giet de gebrouwen vruchtenthee-oplossing in een grote kom. Als u geen vruchtentheezakjes heeft, kunt u kiezen voor rode bietensap, frambozensap of zelfs rode inkt.

12) Zodra het glazen stuk rond kamertemperatuur is bereikt, kunt u het voorzichtig in de kom schuiven en enkele minuten laten weken.

13) Tijdens het inweekproces kunt u beginnen met het bedekken van de geleidende zijde van een tweede stuk glas met veel grafiet, dat verkrijgbaar is met een potlood. Deze coating fungeert als katalysator voor het transporteren van elektronen naar de elektrolyt vanaf de elektrode.

14) Haal vervolgens het geleidende glazen stuk uit het theebad. De titaniumoxidelaag heeft de kleur van de thee geabsorbeerd (zie het midden van de foto). Spoel daarna het glas af met schoon water of ethanol en Gebruik een haardroger om elke druppel water kwijt te raken ​

15) Plaats vervolgens de twee glasdelen samen met de geleidende oppervlakken naar elkaar toe gericht en de uiteinden versprongen. U moet er goed op letten dat beide glazen niet afglijden, aangezien dit ertoe kan leiden dat de TiO2 wordt afgewreven.

16) Hierna kunnen de stukjes glas bij elkaar worden gehouden met paperclips (licht aangepast of met normaal plakband eromheen gewikkeld.

17) Voeg nu de elektrolyt toe tussen de twee glazen stukken. Het wordt aanbevolen om een ​​paar druppels elektrolyt aan elke kant van de glasstukken te plaatsen en deze zullen door de capillaire werking tussen de glazen worden getrokken.

18) Dat is alles, uw kleurstofgevoelige zonnecel op vruchtensap is nu klaar om te testen. Met behulp van de multimeter kun je de spanning (ongeveer 0,4 V) en stroom (ongeveer 1 mA) meten. Door de verlichting van de studio zullen de resultaten enigszins variëren. Bovendien kunt u meerdere krokodillenklemmen gebruiken om meer cellen in serie uit te breiden.

We laten de stap van het afdichten van de glasstukken buiten beschouwing, zoals bij geïndustrialiseerde kleurstofgevoelige zonnecellen. Hierdoor kunnen we de stukjes glas opnieuw gebruiken en in dat geval hoeft u ze alleen maar te scheiden en hun oppervlakken grondig met water te wassen en voorzichtig te schrobben. Omdat het volledig verwijderen van de grafietcoating niet mogelijk is, raden we aan om het tegenelektrodeglas opnieuw te gebruiken voor het exacte doel in toekomstige experimenten.

Met dank aan: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0