Kuinka valmistaa väriaineille herkistettyä aurinkokennoa tai aurinkokennoa hedelmäteestä

Väriaineille herkistettyjen aurinkokennojen innovaatio on laajentanut laitteen potentiaalia siihen pisteeseen, jossa se saattaa kokonaan syrjäyttää kalliit pii-aurinkokennot.

Seuraava artikkeli selittää, kuinka voit helposti rakentaa tämän monipuolisen väriaineille herkistyneen aurinkokennon hyvin tavallisista materiaaleista.

Tämä koe perustuu ajatukseen käyttää orgaanista yhdistettä kasveissa, erityisesti orgaanisissa väriaineissa toimiakseen elektronidonoreina aurinkokennoissa.

Aurinkokennossa olevan puolijohdemateriaalin piin sijaan olemme käyttäneet titaanioksidia (TiO2), joka on myös puolijohde. TiO2: n ominaisuuksien ansiosta se absorboi auringonvaloa vielä paremmin, jos se 'herkistetään' orgaanisella väriaineella.

Väriaineille herkistettyjen aurinkokennojen hyötysuhde on 7% suurempi kuin kolmasosa tavanomaisten aurinkokennojen hyötysuhteesta. Vaikka tämä ei ole suuri etu, väriaineille herkistetyt aurinkokennot ovat halvempia yksinkertaisemman valmistusprosessin ansiosta kuin piikennot, jotka ovat myös monimutkaisia.

Tulevaisuuden aurinkokenno?

Vaikka voi kestää muutama vuosi, ennen kuin väriaineille herkistetyt aurinkokennot ovat kaupallisesti menestyviä, se pysyy oikealla tiellä edellyttäen, että tietyt ongelmat ratkaistaan.

Ensinnäkin solujen pitkäaikaisiin vakauskysymyksiin on puututtava, koska happi lopulta vahingoittaa sitä ajan myötä.

Vadelmista tai hedelmäteestä voidaan ottaa sopiva väriaine. Lisää muutama muu komponentti, kuten vähäpäästöinen (matala E-lasi) lasi ja titaanioksidi, ja sinulla on itsellesi kaikki ainesosat paketin rakentamiseen. Tässä kokeessa käytämme punaista väriainetta ruusulaiva-teetä.

Tarvittavat materiaalit

• Arkkilasi (kappaletta), jossa toisella puolella on virta johtava kerros. Nämä ovat saatavana sarjoina ja löytyvät verkosta. Vaihtoehtoisesti voit käyttää matala-E-lasia, ja ne voidaan saada lasista, koska materiaali on sisällytetty lämpöeristettyjen ikkunoiden valmistukseen. Suosittelemme hankkimaan kaksi kappaletta, joiden koko on 5 x 2 cm.
• TiO2 ja polyetyleeniglykoli. Jälkimmäinen on standardi ainesosa erilaisissa voiteissa, mutta tässä kokeessa sitä käytetään titaanioksidin suspendointiin.
• Näitä tuotteita voi ostaa paikalliselta apteekilta. Sinun on myös varmistettava, että polyetyleeniglykolin molekyylipaino on 300 nestemäisen lisäksi.
• Jos ostat paketin Internetistä, siinä on yleensä valkoinen jousitus, mikä helpottaa asioita. Voit varmasti tietää, että TiO2: n hiukkaskoko on tarkka (noin 20 nm) ja hienoksi eristetty, mikä on erittäin haastavaa saada, jos teet sen itse.
• Voit sisällyttää valkoista hammastahnaa, Tipp-Ex, valkoista maalia tai vastaavia aineita, jotka sisältävät titaanioksidia valkaisuaineena.
• Tässä kokeessa olemme käyttäneet elektrolyyttinä jodiliuosta 65-prosenttisessa etanolissa. Vaikka tämä toimii hyvin, se tuottaa vain kolmanneksen yhtä paljon virtaa kuin tyypillinen elektrolyytti.
• Testissämme käytetty hedelmätee on ruusunmarja, mutta hibiscus toimii myös.
• Kaasu teltta-uuni ja sytytin.
• Yksi laboratorioteline, jossa on kiinnike, rengas ja seula. Näytön tehtävänä on tukea lasia paistamisen aikana.
• Pipetti, mutta jos sinulla ei ole, tl voidaan korvikkeena käyttää antamalla titaanioksidisuspensiota tippua lasille.
• Pinsetit, vedenkeitin, teekannu, hiustenkuivaaja ja Sellotape.
• Alumiinifoliolevy.
• Petri-astia tai tavallinen tasainen kulho tai keittolevy.
• Grafiittikynä ja pala lasia tai muovikortti titaanioksidin levittämiseen.
• Yksi yleismittarisarja.

Kuinka väriaineille herkistetyt aurinkokennot toimivat

Väriaineille herkistetyn aurinkokennon rakenne koostuu kahdesta tasaisesta lasilevystä, joiden toisella puolella on sähköä johtava kerros. Johtava pinnoite on yleensä valmistettu metallioksidista.

Kahden lasikappaleen väliin on tunnistettu noin 20 nm: n TiO2-kiteiden ruokopäällyste (noin 10 μm), joka on paistettu yhdessä huokoisen kerroksen muodostamiseksi.

Sitten väriaine asetetaan tälle huokoiselle pinnoitteelle. Teollisuudessa herkistetyille aurinkokennoille valittu väri sisältää jalometalliruteenia.

Luonnossa saatavia punaisia ​​väriaineita voidaan kuitenkin käyttää tarkoituksenmukaiseen testaukseen. Titaanioksidikiteiden uskomattoman pienikokoisten ja niiden välisten aukkojen vuoksi huokoinen rakenne sisältää valtavan tehokkaan pinta-alan ja väriainepinnoite on huomattavan ohut.

Tämä on ratkaisevan tärkeää oikean toiminnan kannalta, koska väriaine on huono sähköjohdin.

Kun valonsäde osuu värimolekyyliin, se ampuu elektronin titaanidioksidiin.

Elektronit kerääntyvät johtavaan päällysteeseen (työelektrodi), joka on sijoitettu titaanioksidin ja lasilevyn väliin.

Kääntöpuolelta tarvitaan vielä yksi johtava kerros toimiakseen vastaelektrodina, ja elektrodien välinen rako on varustettu elektrolyyttiliuoksella.

Tässä käytetään yksinkertaista jodisuolaliuosta teollisen asetonitriilielektrolyytin sijasta, joka on erittäin haihtuva ja myrkyllinen. Elektrolyyttiliuoksessa olevat trijodidimolekyylit “pakotetaan” saavuttamaan vastaelektrodin kanssa jodidimolekyylien muodostamiseksi.

Tämä tapahtuu vain, jos elektrodiin syötetään katalyyttiä ja sieltä tulee lyijykynän grafiitti. Teollisuuden kannalta käytetty katalyytti on erittäin kallista platinaa.

Tämä koe vaatii elektroneja. Toisen elektrodin ylimääräinen elektronien määrä tuottaa sähköpotentiaalin, johon voidaan päästä kiinni.

Virtavirta voi ilmetä, jos elektrodit kytketään ulkoisesti kuormaa käyttämällä.

Liuoksessa olevat jodidimolekyylit luopuvat elektroneista väriaineeksi ja muuttuvat trijodidimolekyyleiksi prosessin aikana, joka vastineeksi täydentää sähköpiirin.

Aurinkokennon substraatti on normaali ikkunalasi, joka on noin 2 mm paksu ja jossa on kirkas, johtava metallioksidikerros (kuten sinkkioksidi). Valitettavasti tätä pinnoitetta ei voida tehdä omalla.

Vaiheittaiset menettelyt

Väriaineherkistetyn aurinkokennon valmistamisen vaiheittaiset menettelytavat on kuvattu alla selitysten ja kuvan avulla.

Titaanijauheen hiukkaskoko on noin 15-25 nm, kuten alla on esitetty.

1. Sekoita se polyetyleeniglykoli , joka on öljyinen emulgointiaine, ja sekoita keittoa varovasti, kunnes saadaan viskoosi kerma.

2) Elektrolyytille voit valita jodin etanolissa, mutta tulokset voivat olla keskimääräistä pienempiä verrattuna kaupallisesti saataviin redox-elektrolyytteihin.

3) Tartu yleismittariin ja aseta vastusalue selvittääkseen, mikä lasikappaleen puoli on johtava.

4) Kiinnitä seuraavaksi lasi pöydälle Sellotape-teipillä ja aseta johtava puoli ylöspäin.

5) Jos sinulla on pipetti, vedä osa TiO2-emulsiovoiteesta tai -pasta ja aseta useita tippoja lasin johtavaan pintaan.

6) Lyö sitten tipat huolellisesti muovikortilla tai muulla lasikappaleella. Yritä saada tasainen takki liu'uttamalla lasikappale varovasti Tio2-tahnan päälle.

7) Vedä seuraavaksi selloteippi lasin ympärille vapauttamalla se pöydästä.

8) Suosittelemme päällysteen paistamista uunissa tai avotulessa, kuten kaasuliesi. Odotettu lämpötila on noin 450 ° C. Kun se on asetettu, aseta tukiruutu vain muutama senttimetri polttimen liekin yläpuolelle ja aseta lasikappale TiO2-pinnoitteella sen päälle.

9) Titaanioksidikerroksen väri muuttuu ruskeaksi leivontamenettelyn alussa sen orgaanisen sisällön vuoksi. Mutta sinun on varmistettava, että TiO2: n väri muuttuu valkoiseksi prosessin lopussa.

10) Suosittelemme, että lasille annetaan asianmukainen jäähdytysaika, muuten on mahdollista, että se hajoaa. Vinkki on työntää lasi viileämmälle alueelle (yleensä lähelle reunaa) äläkä siirrä sitä hätäisesti kuumalta näytöltä.

11) On aika valmistaa hedelmätee kiehuvalla vedellä. Kokeessamme käytimme vähemmän vettä ja enemmän teepusseja. Kaada haudutettu hedelmäteeliuos suureen kulhoon. Jos sinulla ei ole hedelmäteepusseja, voit käyttää punajuurimehua, vadelmamehua tai jopa punaista mustetta.

12) Kun lasikappale on saavuttanut huoneenlämpötilan, voit liu'uttaa sen varovasti kulhoon ja antaa sen liota useita minuutteja.

13) Kun liotusprosessi on käynnissä, voit aloittaa toisen lasikappaleen johtavan puolen peittämisen paljon grafiittia, joka saadaan lyijykynästä. Tämä pinnoite toimii katalysaattorina elektronien kuljettamiseksi elektrodiin elektrodista.

14) Ota sitten johtava lasikappale teekylvystä. Titaanioksidikerros on absorboinut teen värin (katso kuvan keskiosaa). Tämän jälkeen huuhtele lasi puhtaalla vedellä tai etanolilla ja käytä hiustenkuivaaja päästäksesi eroon kaikista vesipisaroista .

15) Järjestä seuraavaksi kaksi lasikappaletta yhdessä johtavien pintojen kanssa vastakkain ja päiden siirtymä. Sinun on huolehdittava siitä, että molemmat lasit eivät liu'u pois, koska se voi hieroa TiO2: ta.

16) Tämän jälkeen lasikappaleita voidaan pitää yhdessä käyttämällä paperiliittimiä (hieman muokattuja tai niiden ympärille käärittyjä tavallisia Sellotape-teippejä).

17) Lisää nyt elektrolyytti kahden lasikappaleen väliin. On suositeltavaa laittaa muutama tippa elektrolyyttiä lasikappaleiden molemmille puolille, ja ne vedetään lasien väliin kapillaarivaikutuksen vuoksi.

18) Se on, hedelmämehupohjainen väriaineherkkä aurinkokennosi on nyt valmis testaukseen. Yleismittarilla voit mitata jännitteen (noin 0,4 V) ja virran (noin 1 mA). Studion valaistuksen takia tulokset vaihtelevat hieman. Lisäksi voit käyttää useita krokotiilileikkeitä laajentamaan useampia soluja sarjaan.

Hylkäämme lasikappaleiden sulkemisvaiheen, kuten teollisilla väriaineherkistetyillä aurinkokennoilla. Tämä antaa meille mahdollisuuden käyttää lasipaloja uudelleen, ja siinä tapauksessa sinun tarvitsee vain erottaa ne ja pestä niiden pinnat huolellisesti vedellä ja hankaa niitä varovasti. Koska grafiittipinnoitteen poistaminen kokonaan ei ole mahdollista, suosittelemme vastaelektrodilasin käyttämistä uudelleen tarkkaan tarkoitukseen tulevissa kokeissa.

Kuva: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0