Wie man aus Früchtetee farbstoffsensibilisierte Solarzellen oder Solarzellen herstellt

Die Innovation farbstoffsensibilisierter Solarzellen hat das Potenzial des Geräts bis zu dem Punkt erweitert, an dem teure Siliziumsolarzellen vollständig verdrängt werden könnten.

Der folgende Artikel erklärt, wie Sie diese vielseitige farbstoffsensibilisierte Solarzelle mit ganz normalen Materialien einfach konstruieren können.

Dieses Experiment basiert auf dem Konzept, die organische Verbindung in Pflanzen, insbesondere organische Farbstoffe, als Elektronendonoren in Solarzellen zu verwenden.

Anstelle eines Halbleitermaterials Silizium in der Solarzelle haben wir Titanoxid (TiO2) verwendet, das ebenfalls ein Halbleiter ist. Die Eigenschaften von TiO2 ermöglichen es, Sonnenlicht noch besser zu absorbieren, wenn es mit einem organischen Farbstoff „sensibilisiert“ wird.

Der Wirkungsgrad farbstoffsensibilisierter Solarzellen liegt um 7% über einem Drittel des Wirkungsgrades herkömmlicher Solarzellen. Obwohl dies kein großer Vorteil ist, sind farbstoffsensibilisierte Solarzellen aufgrund des einfacheren Herstellungsprozesses billiger als Siliziumzellen, die ebenfalls kompliziert sind.

Die Solarzelle der Zukunft?

Obwohl es einige Jahre dauern kann, bis die farbstoffsensibilisierten Solarzellen kommerziell erfolgreich sind, bleibt sie auf dem richtigen Weg, sofern bestimmte Probleme gelöst sind.

Erstens müssen Probleme mit der Langzeitstabilität der Zellen angegangen werden, da Sauerstoff sie im Laufe der Zeit schädigt.

Ein geeigneter Farbstoff kann aus Himbeeren oder Früchtetee entnommen werden. Fügen Sie einige andere Komponenten wie Glas mit niedrigem Emissionsgrad (Low-E) und Titanoxid hinzu, und Sie haben alle Zutaten für die Erstellung des Kits. In diesem Experiment verwenden wir Rosenschifftee für den roten Farbstoff.

Erforderliche Materialien

• Glasscheiben (Stücke) mit einer stromleitenden Schicht auf einer Seite. Diese sind in Kits erhältlich und können online gefunden werden. Alternativ können Sie auch Glas mit niedrigem E-Wert verwenden, das aus Gläsern erhältlich ist, da das Material bei der Herstellung von Wärmedämmfenstern verwendet wird. Wir empfehlen zwei Teile mit einer Abmessung von 5 x 2 cm.
• TiO2 und Polyethylenglykol. Letzteres ist ein Standardbestandteil in verschiedenen Salben, aber in diesem Experiment wird es verwendet, um das Titanoxid zu suspendieren.
• Diese Artikel können bei einem örtlichen Apotheker gekauft werden. Sie müssen auch sicherstellen, dass das Polyethylenglykol nicht nur flüssig ist, sondern auch ein Molekulargewicht von 300 hat.
• Wenn Sie Ihr Kit über das Internet kaufen, wird es normalerweise mit einer weißen Federung geliefert, was die Sache einfacher macht. Sie können sicher sein, dass die Partikelgröße des TiO2 präzise (ca. 20 nm) und fein isoliert ist, was äußerst schwierig ist, wenn Sie es selbst tun.
• Sie können weiße Zahnpasta, Tipp-Ex, weiße Farbe oder ähnliche Substanzen einschließen, die Titanoxid als Weißmacher enthalten.
• In diesem Experiment haben wir eine Lösung von Jod in 65% Ethanol als Elektrolyt verwendet. Obwohl dies nur gut funktioniert, erzeugt es nur ein Drittel so viel Strom wie der typische Elektrolyt.
• Der in unserem Test verwendete Früchtetee ist die Hagebutte, aber der Hibiskus funktioniert auch.
• Ein Gas-Campingkocher und ein Feuerzeug.
• Ein Laborständer mit Klammer, Ring und Bildschirm. Die Funktion des Bildschirms besteht darin, das Glas beim Backen zu stützen.
• Eine Pipette, aber wenn Sie keine haben, kann ein Teelöffel als Ersatz verwendet werden, indem die Titanoxidsuspension auf das Glas tropft.
• Pinzette, Wasserkocher, Teekanne, Haartrockner und Sellotape.
• Ein Blatt Aluminiumfolie.
• Eine Petrischale oder eine normale flache Schüssel oder ein Suppenteller.
• Graphitstift und ein Stück Glas- oder Plastikkarte zum Verteilen des Titanoxids.
• Ein Multimeter-Set.

Wie farbstoffsensibilisierte Solarzellen funktionieren

Das Konstrukt einer farbstoffsensibilisierten Solarzelle besteht aus zwei flachen Glasscheiben mit einer elektrisch leitenden Schicht auf einer Seite. Die leitfähige Beschichtung besteht üblicherweise aus einem Metalloxid.

Zwischen den beiden Glasstücken ist eine Schilfbeschichtung (ca. 10 μm) aus TiO2-Kristallen mit einer Größe von etwa 20 nm zu erkennen, die zu einer porösen Schicht zusammengebrannt wurden.

Dann wird der Farbstoff auf diese poröse Beschichtung aufgetragen. In der Industrie umfasst der für die sensibilisierten Solarzellen ausgewählte Farbstoff Edelmetall-Ruthenium.

Natürlich verfügbare rote Farbstoffe können jedoch zu Testzwecken verwendet werden. Aufgrund der unglaublich winzigen Größen der Titanoxidkristalle und der Lücken zwischen ihnen enthält die poröse Struktur eine große effektive Oberfläche und die Farbstoffbeschichtung ist bemerkenswert dünn.

Dies ist entscheidend für den korrekten Betrieb, da der Farbstoff ein mieser elektrischer Leiter ist.

In dem Moment, in dem ein Lichtstrahl auf ein Farbstoffmolekül trifft, schießt er ein Elektron in das Titandioxid.

Die Elektronen sammeln sich in der leitenden Beschichtung (Arbeitselektrode) zwischen Titanoxid und Glasscheibe.

Auf der Rückseite ist eine weitere leitende Schicht erforderlich, um als Gegenelektrode zu fungieren, und der Spalt zwischen den Elektroden ist mit einer Elektrolytlösung versehen.

Hier wird die einfache Jodsalzlösung anstelle des industriellen Acetonitrilelektrolyten angewendet, der sehr flüchtig und toxisch ist. Die Triiodidmoleküle in der Elektrolytlösung werden 'gezwungen', mit der Gegenelektrode zu greifen, um Iodidmoleküle zu bilden.

Dies geschieht nur, wenn ein Katalysator in die Elektrode eingeführt wird und dort der Graphit aus dem Bleistift ins Spiel kommt. Für die industrielle Ebene ist der verwendete Katalysator sehr kostspieliges Platin.

Dieses Experiment erfordert Elektronen. Der Elektronenüberschuss an der anderen Elektrode erzeugt ein elektrisches Potential, das erschlossen werden kann.

Ein Stromfluss kann auftreten, wenn die Elektroden extern über eine Last angeschlossen werden.

Die Iodidmoleküle in der Lösung verzichten auf Elektronen für den Farbstoff und wandeln sich während des Prozesses in Trijodidmoleküle um, was wiederum den Stromkreis vervollständigt.

Das Substrat der Solarzelle ist ein normales Fensterglas mit einer Dicke von etwa 2 mm und einer klaren, leitfähigen Metalloxidschicht (wie Zinkoxid). Leider kann diese Beschichtung nicht selbst hergestellt werden.

Schritt für Schritt Verfahren

Die schrittweisen Verfahren zur Herstellung der farbstoffsensibilisierten Solarzelle sind nachstehend anhand von Erläuterungen und Abbildungen dargestellt.

Die Teilchengröße des Titanpulvers beträgt etwa 15 bis 25 nm, wie nachstehend gezeigt.

1. Mischen Sie es mit Polyethylenglykol , das ein öliges Emulgator ist, und rühre die Mischung vorsichtig um, bis eine viskose Creme erreicht ist.

2) Für den Elektrolyten können Sie sich für Jod in Ethanol entscheiden, aber die Ergebnisse können im Vergleich zu handelsüblichem Redoxelektrolyten unterdurchschnittlich sein.

3) Nehmen Sie eine Multimetereinheit und stellen Sie den Widerstandsbereich ein, um herauszufinden, welche Seite des Glasstücks leitfähig ist.

4) Befestigen Sie anschließend das Glas mit Klebeband auf dem Tisch, während Sie die leitende Seite nach oben legen.

5) Wenn Sie eine Pipette haben, ziehen Sie etwas TiO2-Creme oder -Paste heraus und geben Sie mehrere Tropfen auf die leitende Oberfläche des Glases.

6) Schlagen Sie dann mit einer Plastikkarte oder einem anderen Glasstück gründlich auf die Tropfen. Versuchen Sie, eine gleichmäßige Schicht zu erhalten, indem Sie das Glasstück vorsichtig über die Tio2-Paste schieben.

7) Ziehen Sie als nächstes das Klebeband um das Glas herum vom Tisch.

8) Wir empfehlen, die Beschichtung in einem Ofen oder über einer offenen Flamme wie einem Gasherd zu backen. Die erwartete Temperatur liegt bei 450 ° C. Sobald es eingestellt ist, ordnen Sie das Stützsieb nur wenige Zentimeter über der Brennerflamme an und positionieren Sie das Glasstück mit der TiO2-Beschichtung darauf.

9) Die Titanoxidschicht ändert zu Beginn des Backvorgangs aufgrund ihres organischen Gehalts ihre Farbe in braun. Sie müssen jedoch sicherstellen, dass die Farbe von TiO2 am Ende des Prozesses weiß wird.

10) Wir empfehlen dringend, das Glas ausreichend abzukühlen, da es sonst zerbrechen kann. Ein Tipp ist, das Glas in einen kühleren Bereich (normalerweise in der Nähe des Randes) zu schieben und es nicht hastig vom heißen Bildschirm zu entfernen.

11) Es ist Zeit, den Früchtetee mit kochendem Wasser zuzubereiten. In unserem Experiment haben wir weniger Wasser und mehr Teebeutel verwendet. Gießen Sie die gebrühte Früchtetee-Lösung in eine große Schüssel. Wenn Sie keine Früchteteebeutel haben, können Sie roten Rübensaft, Himbeersaft oder sogar rote Tinte verwenden.

12) Sobald das Glasstück Raumtemperatur erreicht hat, können Sie es vorsichtig in die Schüssel schieben und einige Minuten einwirken lassen.

13) Während des Einweichvorgangs können Sie beginnen, die leitende Seite eines zweiten Glasstücks mit viel Graphit zu bedecken, das mit einem Bleistift erhältlich ist. Diese Beschichtung fungiert als Katalysator für den Transport von Elektronen von der Elektrode zum Elektrolyten.

14) Nehmen Sie dann das leitfähige Glasstück aus dem Teebad. Die Titanoxidschicht hat die Farbe des Tees absorbiert (siehe Bildmitte). Danach spülen Sie das Glas mit sauberem Wasser oder Ethanol und Verwenden Sie einen Haartrockner, um jeden Tropfen Wasser loszuwerden .

15) Ordnen Sie anschließend die beiden Glasstücke so an, dass die leitenden Oberflächen einander zugewandt sind und die Enden versetzt sind. Sie müssen sehr darauf achten, dass beide Gläser nicht abrutschen, da dies dazu führen kann, dass das TiO2 abgerieben wird.

16) Danach können die Glasstücke mit Büroklammern (leicht modifiziert oder mit normalem, um sie gewickeltem Klebeband) zusammengehalten werden.

17) Fügen Sie nun den Elektrolyten zwischen die beiden Glasstücke. Es wird empfohlen, ein paar Tropfen Elektrolyt auf jede Seite der Glasstücke zu geben, die aufgrund der Kapillarwirkung zwischen die Gläser gezogen werden.

18) Das war's, Ihre farbstoffsensibilisierte Solarzelle auf Fruchtsaftbasis kann jetzt getestet werden. Mit dem Multimeter können Sie die Spannung (ca. 0,4 V) und den Strom (ca. 1 mA) messen. Aufgrund der Beleuchtung des Studios variieren die Ergebnisse geringfügig. Darüber hinaus können Sie mehrere Krokodilklemmen verwenden, um mehr Zellen in Reihe zu verlängern.

Wir werden den Schritt des Versiegelns der Glasstücke außer Acht lassen, wie dies bei industrialisierten farbstoffsensibilisierten Solarzellen der Fall ist. Auf diese Weise können wir die Glasstücke wieder verwenden. In diesem Fall müssen Sie sie nur trennen, ihre Oberflächen gründlich mit Wasser waschen und sie vorsichtig schrubben. Da ein vollständiges Entfernen der Graphitbeschichtung nicht möglich ist, empfehlen wir, das Gegenelektrodenglas in zukünftigen Experimenten erneut für den genauen Zweck zu verwenden.

Mit freundlicher Genehmigung von youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0