Kā pagatavot no augļu tējas krāsām jutīgu saules šūnu vai saules šūnu

Ar krāsām sensibilizētu saules bateriju jauninājumi ir paplašinājuši ierīces potenciālu līdz vietai, kur tā var pilnībā izspiest dārgas silīcija saules baterijas.

Šajā rakstā ir paskaidrots, kā jūs varat viegli uzbūvēt šo daudzveidīgo ar krāsu jutīgumu saistīto saules bateriju, izmantojot ļoti parastus materiālus.

Šis eksperiments balstās uz organiskā savienojuma izmantošanas koncepciju augos, jo īpaši organiskās krāsās, lai darbotos kā elektronu donori saules baterijās.

Saules šūnā esošā pusvadītāja materiāla silīcija vietā mēs izmantojām titāna oksīdu (TiO2), kas arī ir pusvadītājs. TiO2 īpašības ļauj tai vēl labāk absorbēt saules gaismu, ja to ‘sensibilizē’ ar organisku krāsu.

Krāsai sensibilizētu saules bateriju efektivitāte ir par 7% augstāka nekā trešdaļa no parasto saules bateriju efektivitātes. Lai gan tā nav plaša priekšrocība, ar krāsu jutīgas saules baterijas ir lētākas vienkāršāka ražošanas procesa dēļ salīdzinājumā ar silīcija šūnām, kas arī ir sarežģītas.

Nākotnes saules baterija?

Lai gan var paiet daži gadi, līdz krāsvielām sensibilizētās saules baterijas ir komerciāli veiksmīgas, tā paliks uz pareizā ceļa, ja vien daži jautājumi tiks atrisināti.

Pirmkārt, ir jārisina šūnu ilgtermiņa stabilitātes jautājumi, jo skābeklis laika gaitā to sabojā.

Piemērotu krāsvielu var izņemt no avenēm vai augļu tējas. Pievienojiet dažus citus komponentus, piemēram, zemas emisijas (zemas E) klases stiklu un titāna oksīdu, un jums ir visas sastāvdaļas, lai izveidotu komplektu. Šajā eksperimentā sarkanajai krāsai mēs izmantojam rožu kuģa tēju.

Nepieciešamie materiāli

• Lokšņu stikls (gabalos) ar strāvu vadošu slāni vienā pusē. Tie ir pieejami komplektos, un tos var atrast tiešsaistē. Alternatīvi, jūs varat izmantot ar zemu E stiklu, un tos var iegūt no stiklotājiem, jo ​​materiāls ir iekļauts siltumizolācijas logu ražošanā. Mēs iesakām iegūt divus gabalus ar izmēru 5 x 2 cm.
• TiO2 un polietilēnglikols. Pēdējais ir dažādu ziedes standarta sastāvdaļa, bet šajā eksperimentā to izmanto titāna oksīda suspendēšanai.
• Šīs preces var iegādāties pie vietējā ķīmiķa. Jums arī jāpārliecinās, ka polietilēnglikola molekulārā masa papildus šķidrumam ir 300.
• Ja jūs iegādājaties savu komplektu ārpus interneta, tam parasti ir balta suspensija, kas atvieglo lietas. Jūs varat droši zināt, ka TiO2 daļiņu izmērs ir precīzs (aptuveni 20 nm) un smalki izolēts, ko iegūt ir ļoti grūti, ja to darāt pats.
• Jūs varat iekļaut baltu zobu pastu, Tipp-Ex, baltu krāsu vai līdzīgas vielas, kas kā balinātāju satur titāna oksīdu.
• Šajā eksperimentā kā elektrolītu izmantojām joda šķīdumu 65% etanolā. Lai gan tas darbojas vienkārši labi, tas rada tikai trešdaļu lielāku strāvu nekā tipiskais elektrolīts.
• Mūsu pārbaudē izmantotā augļu tēja ir mežrozīte, taču darbojas arī hibisks.
• Gāzes kempinga krāsns un šķiltavas.
• Viens laboratorijas statīvs ar skavu, gredzenu un sietu. Ekrāna funkcija ir atbalstīt stiklu cepšanas laikā.
• Pipete, bet, ja jums tādas nav, tējkaroti var izmantot aizstājēju, ļaujot titāna oksīda suspensijai pilēt uz stikla.
• Pincetes, tējkanna, tējkanna, fēns un Sellotape.
• Alumīnija folijas loksne.
• Petri trauks vai parasta plakana bļoda vai zupas šķīvis.
• Grafīta zīmulis un stikla vai plastmasas kartītes gabals titāna oksīda izkliedēšanai.
• Viens multimetru komplekts.

Kā darbojas ar krāsu jutīgas saules baterijas

Krāsu sensibilizētas saules baterijas konstrukcija sastāv no divām plakanām stikla loksnēm ar elektriski vadošu slāni vienā pusē. Vadošo pārklājumu parasti izgatavo no metāla oksīda.

Starp abiem stikla gabaliem tiek identificēts niedru slānis (apmēram 10 μm) TiO2 kristālu, kura izmērs ir aptuveni 20 nm un kas ir cepts kopā, lai izveidotu porainu slāni.

Pēc tam uz šī porainā pārklājuma tiek uzklāta krāsa. Rūpniecībā sensibilizētajām saules baterijām izvēlētā krāsa satur cēlmetāla rutēniju.

Tomēr mērķtiecīgai testēšanai var izmantot dabiski pieejamās sarkanās krāsvielas. Sakarā ar neticami mazajiem titāna oksīda kristālu izmēriem un atstarpēm starp tiem, porainā struktūra satur milzīgu efektīvo virsmu, un krāsas pārklājums ir ievērojami plāns.

Tas ir izšķiroši pareizai darbībai, jo krāsa ir nepatīkams elektrības vadītājs.

Brīdī, kad gaismas stars nokļūst krāsas molekulā, tas uzšauj elektronu titāna dioksīdā.

Elektroni pulcējas vadošā pārklājumā (darba elektrodā), kas novietots starp titāna oksīdu un stikla loksni.

Lai darbotos kā pretelektrods, otrā pusē ir nepieciešams vēl viens vadošs slānis, un atstarpe starp elektrodiem ir aprīkota ar elektrolīta šķīdumu.

Šeit tiek izmantots vienkāršais joda sāls šķīdums, nevis rūpnieciskais acetonitrila elektrolīts, kas ir ļoti gaistošs un toksisks. Elektrolīta šķīdumā esošās trijodīdu molekulas ir “spiestas” sasniegt ar pretelektrodu, veidojot jodīda molekulas.

Tas notiek tikai tad, ja elektrodā tiek ievadīts katalizators un tieši tur nāk zīmuļa grafīts. Rūpnieciskajā līmenī izmantotais katalizators ir ļoti dārgs platīns.

Šis eksperiments prasa elektronus. Elektronu pārpalikums uz otra elektroda rada elektrisko potenciālu, kurā var pieskarties.

Strāvas plūsma var rasties, ja elektrodi ir savienoti ārēji, izmantojot slodzi.

Šķīdumā esošās jodīda molekulas atsakās no elektroniem uz krāsvielu un procesa laikā pārvēršas par tri-jodīda molekulām, kas savukārt pabeidz elektrisko ķēdi.

Saules elementa substrāts ir parasts loga stikls, kura biezums ir aptuveni 2 mm ar skaidru, vadošu metāla oksīda slāni (piemēram, cinka oksīds). Diemžēl šo pārklājumu nevar izgatavot pats.

Soli pa solim procedūras

Krāsu sensibilizētās saules baterijas izgatavošanas pakāpeniskās procedūras ir ilustrētas zemāk, izmantojot paskaidrojumus un attēlu.

Titāna pulvera daļiņu izmērs ir aptuveni 15-25 nm, kā parādīts zemāk.

1. Sajauc to ar polietilēnglikols , kas ir eļļains emulgators, un maisījumu uzmanīgi maisa, līdz tiek sasniegts viskozs krēms.

2) Elektrolītam varat izvēlēties jodu etanolā, taču rezultāti var būt zem vidējā līmeņa salīdzinājumā ar komerciāli pieejamo redoksa elektrolītu.

3) Paņemiet multimetra vienību un iestatiet pretestības diapazonu, lai uzzinātu, kura stikla gabala puse ir vadoša.

4) Pēc tam piestipriniet stiklu uz galda, izmantojot Sellotape, vienlaikus novietojot vadošo pusi uz augšu.

5) Ja jums ir pipete, izvelciet daļu no TiO2 krēma vai pastas un uzlieciet vairākus pilienus uz stikla vadošās virsmas.

6) Pēc tam, izmantojot plastmasas karti vai citu stikla gabalu, kārtīgi notrieciet pilienus. Mēģiniet iegūt vienmērīgu mēteli, viegli pabīdot stikla gabalu virs Tio2 pastas.

7) Pēc tam izvelciet lenti uz augšu ap stiklu un atbrīvojiet to no galda.

8) Pārklājumu iesakām cept krāsnī vai virs atklātas liesmas, piemēram, gāzes plīts. Paredzamā temperatūra ir aptuveni 450 ° C. Kad tas ir iestatīts, sakārtojiet atbalsta sietu tikai dažus centimetrus virs degļa liesmas un novietojiet tam virsū stikla gabalu ar TiO2 pārklājumu.

9) Titāna oksīda slānis mainīs savu krāsu uz brūnu cepšanas procedūras sākumā organiskā satura dēļ. Bet procesa beigās jums jānodrošina, lai TiO2 krāsa mainītos uz baltu.

10) Mēs ļoti iesakām atļaut pienācīgu stikla dzesēšanas laiku, pretējā gadījumā pastāv iespēja, ka tas var saplīst. Padoms ir paslīdēt stiklu uz vēsāku zonu (parasti netālu no malas) un nesteidzīgi izstumt to no karstā ekrāna.

11) Ir pienācis laiks sagatavot augļu tēju ar verdošu ūdeni. Veicot eksperimentu, mēs izmantojām mazāk ūdens un vairāk tējas maisiņu. Izlieto augļu tējas šķīdumu ielej lielā traukā. Ja jums nav augļu tējas maisiņu, varat ieturēt sarkano biešu sulu, aveņu sulu vai pat sarkanu tinti.

12) Kad stikla gabals ir sasniedzis istabas temperatūru, varat to uzmanīgi ieslidināt bļodā un ļaut tam vairākas minūtes uzsūkties.

13) Mērcēšanas procesā jūs varat sākt pārklāt otrā stikla gabala vadošo pusi ar daudz grafīta, ko var iegūt no svina zīmuļa. Šis pārklājums darbosies kā katalizators elektronu transportēšanai uz elektrolītu no elektroda.

14) Pēc tam no tējas vannas izņemiet vadošu stikla gabalu. Titāna oksīda slānis būs absorbējis tējas krāsu (skat. Attēla centru). Pēc tam izskalojiet stiklu ar tīru ūdeni vai etanolu un izmantojiet fēnu, lai atbrīvotos no katra ūdens piliena .

15) Pēc tam sakārtojiet abus stikla gabalus kopā ar vadošajām virsmām, kas vērstas viena pret otru, un galus nobīdīs. Jums ļoti jāuzmanās, lai abas brilles nenoslīdētu, jo tas var izraisīt TiO2 noberšanos.

16) Pēc tam stikla gabalus var turēt kopā, izmantojot saspraudes (nedaudz modificētas vai izmantojot parastu Sellotape, kas ap tām ir iesaiņota).

17) Tagad pievienojiet elektrolītu starp abiem stikla gabaliņiem. Katrā stikla gabalu pusē ieteicams ievietot dažus pilienus elektrolīta, un kapilāru darbības dēļ tie tiks ievilkti starp glāzēm.

18) Viss, jūsu augļu sulas bāzes sensibilizētā saules baterija tagad ir gatava testēšanai. Izmantojot multimetru, jūs varat izmērīt spriegumu (ap 0,4 V) un strāvu (apmēram 1 mA). Studijas apgaismojuma dēļ rezultāti nedaudz atšķirsies. Turklāt jūs varat izmantot vairākus krokodila klipus, lai paplašinātu vairāk šūnu virkni.

Mēs neņemsim vērā stikla gabalu aizzīmogošanas soli, kā tas tiek darīts ar industrializētām, ar sensibilizētām krāsvielām saules baterijām. Tas ļauj mums atkal izmantot stikla gabalus, un tādā gadījumā viss, kas jums jādara, ir tos atdalīt, rūpīgi nomazgāt to virsmas ar ūdeni un viegli noberzt. Tā kā pilnībā noņemt grafīta pārklājumu nav iespējams, tāpēc turpmākajos eksperimentos iesakām vēlreiz precīzam mērķim izmantot pretelektrodu stiklu.

Attēla pieklājība: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0