Dai lamponi agli elettroni Realizzazione della cella di Grätzel

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1 Università degli Studi di Genova Dipartimento di chimica e chimica industriale Progetto Lauree Scientifiche Laboratori Regionali Scienza dei Materiali Dai lamponi agli elettroni Realizzazione della cella di Grätzel Dr. Riccardo Carlini

2 Il meccanismo della cella di Grätzel Una cella di Grätzel è un dispositivo che produce energia elettrica convertendo energia luminosa in maniera simile alla fotosintesi. Infatti in questo dispositivo un pigmento organico (come la clorofilla o altre molecole) viene eccitato dalla luce solare per generare una corrente di elettroni. Quando la luce solare colpisce la cella, eccita una molecola di pigmento e un suo elettrone riesce a trasferirsi dalla molecola di pigmento alla banda di conduzione del semiconduttore per effetto tunnel, lasciando il colorante ossidato. Una volta arrivati sul cristallo, gli elettroni sono immessi nel circuito elettrico, il quale termina su un contro-elettrodo formato da un altro vetrino conduttore e da un catalizzatore (platino o carbonio); fra i due elettrodi c è un elettrolita, tipicamente liquido e a base di iodio. Dopo il circuito l elettrone arriva sul contro-elettrodo e viene ceduto all elettrolita che lo trasporta alla molecola di colorante precedentemente ossidata: il circuito si chiude. Nel processo è indispensabile il catalizzatore per la cessione dell elettrone dal vetrino all elettrolita altrimenti questa avverrebbe troppo lentamente.

3 Quando la molecola di colorante viene ossidata, lo iodio dell elettrolita le cede immediatamente un suo elettrone. Lo iodio nella cella si può quindi trovare sotto due forme, come ione ioduro ( I-) e come trioduro (I3-) ed è coinvolto nella seguente serie di reazioni (dove R indica il colorante): lo iodio nell elettrolita si trova sotto forma di ione ioduro; riceve 2 lacune da 2 molecole di colorante eccitato e diventa ione triiodio: e- 3I- + 2R + I3- + 2R e- lo ione triiodio migra verso il controelettrodo, dove viene ridotto a ioduro: I e 3I - e- e- 3I- e- I3 - particelle di TiO2 antocianine e- strato conduttore elettrodo e- strato elettrodo conduttore strato di grafite lo ioduro migra verso l elettrodo di titanio chiudendo il ciclo.

4 Materiali utilizzati L elettrodo semiconduttore Il biossido di titanio è scelto per la sua stabilità alla corrosione e perché non assorbe luce nello spettro di lavoro del colorante (infatti risulta bianco alla vista). Lo spessore dello strato di biossido di titanio non deve superare i µm: se ciò avviene, solo le molecole superficiali di colorante risulteranno attive, ossia assorbiranno la luce. Inoltre, se lo strato è troppo spesso il trasporto di elettroni al vetrino può essere troppo lento e presentare resistenze troppo elevate. Può essere utile fare un paragone con il campo gravitazionale paragonando l elettrone ad una boccia da bowling che allo stato 0 si trova a terra. L energia della luce solare lo porta poi ad una certa altezza h dalla quale man mano ridiscende compiendo prima il lavoro (analogo a quello elettrico svolto nel circuito) e poi dissipando una certa energia nel passare da un gradino all altro (il catalizzatore di Pt, lo iodio) fino di nuovo a terra, ossia alla molecola di colorante.

5 Il colorante Come coloranti si possono utilizzare tutti i tipi di coloranti che abbiano un buon assorbimento nel visibile e parzialmente nell infrarosso e nell ultravioletto, ossia tutti quelli che rispondano allo spettro solare. Nella letteratura si trova traccia di vari coloranti, non solo di origine naturale (clorofilla, antocianine ) ma anche sintetici che hanno buone prestazioni. In questa cella sono stati utilizzati flavonoidi filtrando e lavando il succo di mirtillo. Questo sistema non è molto efficiente in quanto lasciava passare varie impurità come residui organici (cellule, ecc.), tanto che il filtrato si coagulava dopo min. Si è visto che il modo più pratico per ottenere una soluzione idonea allo scopo è quello di centrifugare le diverse porzioni del filtrato, per qualche minuto, e poi riunirle in un unico contenitore.

6 L elettrolita Come elettroliti si possono usare sia quelli liquidi (più diffusi) che solidi. Gran parte di quelli liquidi sono a base di iodio ( infatti, in questa esperienza si userà una soluzione di I2/I3- ). In generale è meglio minimizzare la distanza che i portatori devono percorrere, ad esempio riducendo al massimo le dimensioni dello strato di semiconduttore e di catalizzatore. Il catalizzatore Anche per il catalizzatore vale il discorso sul fattore di rugosità fatto per il semiconduttore: maggiore è la sua superficie equivalente, maggiore è il rendimento della cella. Nella letteratura sono stati trovati principalmente due materiali utilizzati come catalizzatori: il platino (scelta spesso scartata per il suo costo elevato) e il carbonio.

7 L elettrodo di biossido di titanio Preparare 3 g di polvere di TiO2 nel mortaio ed aggiungere 5 ml di acido acetico, poco alla volta, mescolando continuamente per eliminare tutti i grumi. Aggiungere 1 ml di sapone per piatti molto diluito ( 1% Vol.). Nel caso il composto fosse ancora troppo denso diluire ulteriormente con acido acetico fino ad ottenere una sospensione fluida ( tipo tintura da parati ). Lasciar riposare per 15 minuti.

8 Una volta pronta la sospensione, disporre due vetrini come in figura; il vetrino che servirà per la cella con il lato conduttore verso l alto e l altro verso il basso. Attaccare due strisce di scotch sui lati lunghi ed una sul lato corto del vetrino conduttore in modo tale che rientrino di qualche mm. In questo modo si crea una zona incassata di spessore pari a quello dello scotch (qualche decina di mm) che poi sarà riempita dall ossido di titanio. Stendere ora la pasta sul vetrino cercando di ottenere uno strato sottile quindi appoggiare un agitatore sullo scotch e spalmare la sospensione uniformemente con movimenti longitudinali senza fermarsi durante il percorso. Una volta pronto, togliere lo scotch il più rapidamente possibile onde evitare che reagisca con l ambiente acido della sospensione. Isolare il vetrino che comporrà la cella e ripulire l altro con acqua corrente.

9 Lato conduttore verso il BASSO Lato conduttore verso l ALTO D Gocce di sospensione E Movimento agitatore lungo la freccia Vetrino con atanasio che comporrà la cella

10 Il semiconduttore va ora sinterizzato. Questo processo è necessario per due motivi: se mantenuto ad alta temperatura per un determinato periodo, l ossido di titanio aumenta la sua conduttività e ha il tempo di cristallizzarsi. Il vetrino va quindi messo in stufa e riscaldato a 250 C e tale temperatura va mantenuta per circa 30 minuti. Il tempo necessario per la sinterizzazione dipende dallo spessore dello strato di anatasio; è comunque possibile riscontrare l avvenuta reazione quando l anatasio comincia a scurirsi.. Dopo il riscaldamento è necessario lasciare raffreddare il vetrino fino a temperatura ambiente senza esporlo a shock termici poiché il vetro conduttore o lo strato di ossido di titanio su di esso potrebbero fessurarsi.

11 Il colorante Per preparare il colorante bisogna schiacciare i mirtilli in un mortaio e dopo, usando la garza come filtro, far colare il succo in una bacinella; tutte le impurità devono essere bloccate: disponendo opportune porzioni di liquido in provette si procede alla separazione del surnatante tramite centrifuga. Quindi riunire le aliquote centrifugate in una bacinella o in capsula di Petri e immergere l elettrodo con l ossido di titanio nella bacinella (la faccia conduttrice va verso il basso). Lasciare penetrare il succo per capillarità per 10 o 15 minuti. In ogni caso, è bene lasciare il vetrino finché entrambi i lati dello strato di TiO2 abbiano un colore lilla. Estratto il vetrino, lasciarlo asciugare bene all aria o nel caso tamponarlo delicatamente con carta. Nel frattempo si procede alla preparazione dell elettrolita.

12 L elettrolita Per la preparazione dell elettrolita si devono aggiungere 125 mg di I2 a 10 ml di etilene glicole, agitando e mescolando per qualche minuto per sciogliere lo iodio; successivamente aggiungere 815 mg di KI e agitare fino a completa dissoluzione. La soluzione va conservata al buio o in una boccetta scura. Il contro-elettrodo Per ricoprire il contro-elettrodo di carbonio si può usare una candela su cui affumicarlo. In questo modo il carbonio derivante dalla combustione si va a depositare sul vetro. Tuttavia, per evitare il rischio di rompere il vetrino con il calore della fiamma si preferisce usare una matita morbida di grafite. Passare ripetutamente la punta sulla superficie conduttrice del vetrino fino ad ottenere una copertura completa. Bisogna però fare attenzione a non asportare il film conduttore e quindi operare con delicatezza e con la punta non perpendicolare.

13 Assemblaggio della cella Appoggiare il contro-elettrodo sull elettrodo di anatase facendo attenzione a non strisciarlo, altrimenti il carbonio potrebbe venir grattato via (A). Al momento della preparazione dell elettrodo di ossido di titanio era stata realizzata con lo scotch una piccola rientranza priva di TiO2 sul lato corto del vetrino. Ebbene, ora i due vetrini vanno messi sfalsati l un l altro sui lati corti di una distanza pari a questa sfasatura, sulla quale si possono applicare i contatti elettrici (B). I vetrini vanno tenuti assieme con le due clips (C).

14 Versare qualche goccia di soluzione elettrolitica sul bordo dell elettrodo con l ossido di titanio: per capillarità si disperderà uniformemente su tutto lo strato. Al fine di evitare corti circuiti nella cella, rimuovere l elettrolita debordato al di fuori del cristallo. Collegare i due cavi, tramite i coccodrilli, ai due estremi sporgenti della cella. Ora tutti i componenti sono pronti e si può procedere alla verifica del funzionamento della cella.

15 Quando non c'è energia non c'è colore, non c'è forma, non c'è vita Michelangelo Merisi - Caravaggio