Как сделать сенсибилизированный красителем солнечный элемент или солнечный элемент из фруктового чая

Инновация сенсибилизированных красителем солнечных элементов расширила потенциал устройства до точки, где оно может полностью вытеснить дорогостоящие кремниевые солнечные элементы.

В следующей статье объясняется, как легко построить этот универсальный сенсибилизированный красителем солнечный элемент из самых обычных материалов.

Этот эксперимент основан на концепции использования органических соединений в растениях, в частности органических красителей, которые действуют как доноры электронов в солнечных элементах.

Вместо кремния из полупроводникового материала в солнечном элементе мы использовали оксид титана (TiO2), который также является полупроводником. Свойства TiO2 позволяют ему даже лучше поглощать солнечный свет, если он «сенсибилизирован» органическим красителем.

Эффективность сенсибилизированных красителями солнечных элементов на 7% выше, чем треть эффективности обычных солнечных элементов. Хотя это не является большим преимуществом, сенсибилизированные красителем солнечные элементы дешевле из-за более простого производственного процесса по сравнению с кремниевыми элементами, которые также являются сложными.

Солнечные батареи будущего?

Хотя для коммерческого успеха сенсибилизированных красителями солнечных элементов может потребоваться несколько лет, они останутся на правильном пути, если будут решены определенные проблемы.

Во-первых, необходимо решить проблемы долгосрочной стабильности клеток, поскольку кислород со временем повреждает их.

Подходящий краситель можно взять из малины или фруктового чая. Добавьте несколько других компонентов, таких как стекло с низким коэффициентом излучения (low-E) и оксид титана, и у вас будут все ингредиенты для создания набора. В этом эксперименте мы используем чай из шиповника в качестве красного красителя.

Необходимые материалы

• Стекло листовое (куски) с токопроводящим слоем с одной стороны. Они доступны в наборах и могут быть найдены в Интернете. В качестве альтернативы вы можете использовать стекло с низким энергопотреблением, которое можно приобрести у стекольщиков, поскольку этот материал используется при производстве окон с теплоизоляцией. Рекомендуем приобрести две детали размером 5 х 2 см.
• TiO2 и полиэтиленгликоль. Последний является стандартным ингредиентом различных мазей, но в этом эксперименте он используется для суспендирования оксида титана.
• Эти предметы можно купить в местном аптеке. Вы также должны убедиться, что полиэтиленгликоль имеет молекулярную массу 300 в дополнение к тому, что он жидкий.
• Если вы покупаете свой комплект в Интернете, он обычно поставляется с белой подвеской, что упрощает работу. Вы можете точно знать, что размер частиц TiO2 является точным (около 20 нм) и хорошо изолированным, что чрезвычайно сложно получить, если вы делаете это самостоятельно.
• Вы можете использовать белую зубную пасту, Tipp-Ex, белую краску или аналогичные вещества, содержащие оксид титана в качестве отбеливателя.
• В этом эксперименте в качестве электролита мы использовали раствор йода в 65% этаноле. Несмотря на то, что он работает хорошо, он производит только треть тока от обычного электролита.
• Фруктовый чай, использованный в нашем тесте, - это шиповник, но гибискус тоже работает.
• Газовая походная плита и зажигалка.
• Один лабораторный штатив с зажимом, кольцом и экраном. Функция экрана - поддерживать стекло во время выпечки.
• Пипетка, но если у вас ее нет, то вместо нее можно использовать чайную ложку, позволив суспензии оксида титана капать по стеклу.
• Пинцет, чайник, чайник, фен и скотч.
• Лист алюминиевой фольги.
• Чашка Петри, обычная плоская миска или суповая тарелка.
• Графитовый карандаш и кусок стекла или пластиковой карты для нанесения оксида титана.
• Один набор мультиметра.

Как работают сенсибилизированные красителем солнечные элементы

Конструкция сенсибилизированного красителем солнечного элемента состоит из двух плоских листов стекла с электропроводящим слоем на одной стороне. Электропроводящее покрытие обычно изготавливают из оксида металла.

Между двумя кусками стекла обнаруживается тростниковое покрытие (около 10 мкм) из кристаллов TiO2 размером около 20 нм, которые были спечены вместе для создания пористого слоя.

Затем на это пористое покрытие наносится краситель. В промышленности краситель, выбранный для сенсибилизированных солнечных элементов, содержит благородный металл рутений.

Тем не менее, для тестирования можно использовать естественные красные красители. Из-за невероятно крошечных размеров кристаллов оксида титана и зазоров между ними пористая структура имеет огромную эффективную площадь поверхности, а красочное покрытие очень тонкое.

Это очень важно для правильной работы, так как краситель плохо проводит электрический ток.

В тот момент, когда луч света попадает на молекулу красителя, он запускает электрон в диоксид титана.

Электроны собираются в проводящем покрытии (рабочем электроде), расположенном между оксидом титана и стеклянным листом.

Еще один проводящий слой необходим с обратной стороны для работы в качестве противоэлектрода, а зазор между электродами заполняется раствором электролита.

Именно здесь применяется простой раствор йодной соли, а не промышленный ацетонитрильный электролит, который очень летуч и токсичен. Молекулы трийодида в растворе электролита «вынуждены» достигать противоэлектрода с образованием молекул йодида.

Это происходит только в том случае, если катализатор вводится в электрод, и именно здесь появляется графит от карандаша. Для промышленного уровня используемый катализатор представляет собой дорогостоящую платину.

Этот эксперимент требует электронов. Избыток электронов на другом электроде создает электрический потенциал, который можно использовать.

Если электроды подключены снаружи с помощью нагрузки, может возникнуть ток.

Молекулы йодида в растворе отталкивают электроны от красителя и во время процесса превращаются в молекулы трийодида, который, в свою очередь, замыкает электрическую цепь.

Подложка солнечного элемента представляет собой обычное оконное стекло толщиной около 2 мм с прозрачным проводящим слоем оксида металла (например, оксида цинка). К сожалению, это покрытие невозможно сделать самостоятельно.

Пошаговые процедуры

Пошаговые процедуры изготовления сенсибилизированного красителем солнечного элемента проиллюстрированы ниже с помощью пояснений и изображений.

Размер частиц титанового порошка составляет около 15-25 нм, как показано ниже.

1. Смешайте это с полиэтиленгликоль , который представляет собой маслянистый эмульгатор, и тщательно перемешайте смесь до получения густого крема.

2) В качестве электролита вы можете выбрать йод в этаноле, но результаты могут быть ниже среднего по сравнению с коммерчески доступным окислительно-восстановительным электролитом.

3) Возьмите мультиметр и установите диапазон сопротивления, чтобы узнать, какая сторона стеклянного предмета является проводящей.

4) Затем закрепите стекло на столе с помощью скотча, поместив проводящую сторону вверх.

5) Если у вас есть пипетка, вытащите немного крема или пасты TiO2 и нанесите несколько капель на проводящую поверхность стекла.

6) Затем, используя пластиковую карту или другой кусок стекла, тщательно ударьте по каплям. Постарайтесь получить равномерный слой, аккуратно проведя стеклом по пасте Tio2.

7) Затем вытяните скотч вверх по стеклу и освободите его от стола.

8) Рекомендуем запекать покрытие в духовке или на открытом огне, например, на газовой плите. Ожидаемая температура составляет около 450 ° C. После того, как он установлен, расположите опорный экран всего на несколько сантиметров над пламенем горелки и поместите кусок стекла с покрытием TiO2 поверх него.

9) Слой оксида титана изменит свой цвет на коричневый в начале процесса выпечки из-за содержания в нем органических веществ. Но вы должны убедиться, что цвет TiO2 изменится на белый в конце процесса.

10) Мы настоятельно рекомендуем подождать, пока стекло остынет, в противном случае оно может разбиться. Совет - сдвинуть стекло в более прохладное место (обычно около края) и не спешить смещать его с горячего экрана.

11) Пора приготовить фруктовый чай с кипятком. В нашем эксперименте мы использовали меньше воды и больше чайных пакетиков. Вылейте заваренный фруктовый чай в большую миску. Если у вас нет фруктовых пакетиков чая, вы можете использовать сок красной свеклы, малиновый сок или даже красные чернила.

12) Когда стеклянный кусок нагреется примерно до комнатной температуры, вы можете осторожно положить его в миску и дать ему впитаться в течение нескольких минут.

13) По мере замачивания вы можете начать покрывать проводящую сторону второго куска стекла большим количеством графита, который можно получить с помощью графитного карандаша. Это покрытие будет действовать как катализатор переноса электронов к электролиту от электрода.

14) Затем выньте кусок токопроводящего стекла из чайной ванны. Слой оксида титана будет поглощать цвет чая (см. Центр рисунка). После этого ополосните стакан чистой водой или этанолом и используйте фен, чтобы избавиться от каждой капли воды .

15) Затем расположите две части стекла вместе так, чтобы проводящие поверхности были обращены друг к другу, а концы были смещены. Вы должны быть очень осторожны, чтобы оба стекла не соскользнули, так как это может привести к стиранию TiO2.

16) После этого кусочки стекла можно скрепить вместе с помощью скрепок (слегка модифицированных или с помощью обычной скотча, обернутого вокруг них.

17) Теперь добавьте электролит между двумя кусочками стекла. Рекомендуется нанести несколько капель электролита на каждую сторону кусочков стекла, и они будут вытягиваться между стеклами из-за капиллярного действия.

18) Вот и все, ваш сенсибилизированный красителем солнечный элемент на основе фруктового сока готов к тестированию. С помощью мультиметра вы можете измерить напряжение (около 0,4 В) и ток (около 1 мА). Из-за освещения студии результаты будут немного отличаться. Кроме того, вы можете использовать несколько зажимов типа «крокодил», чтобы увеличить количество ячеек последовательно.

Мы проигнорируем этап герметизации стеклянных элементов, как это делается с промышленными сенсибилизированными красителями солнечными элементами. Это позволяет нам снова использовать осколки стекла, и в этом случае все, что вам нужно сделать, - это разделить их, тщательно вымыть их поверхности водой и осторожно протереть. Поскольку полностью удалить графитовое покрытие невозможно, мы рекомендуем снова использовать стекло противоэлектрода для конкретной цели в будущих экспериментах.

Изображение предоставлено: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0