Università degli Studi di Venezia Ca Foscari Progetto Lauree scientifiche Scienza dei Materiali - Attività Laboratori regionali

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Elena Donato
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1 Università degli Studi di Venezia a Foscari Progetto Lauree scientifiche Scienza dei Materiali - Attività Laboratori regionali Scheda 2: elle solari Realizzazione di una cella solare: la cella di Grätzel Responsabile Prof.ssa Eufemia Giambelluca (ITIS P.Levi, Mirano-Ve) e.giambelluca@virgilio.it Breve descrizione degli scopi dell esperimento La cella di Grätzel nota anche come Dye Sensitized Solar ell, trasforma energia solare in energia elettrica, riproducendo un meccanismo molto simile a quello della fotosintesi clorofilliana. La sua originalità consiste nel fatto che usa pigmenti organici estratti da lamponi, mirtilli, melograni o da foglie di limone per assorbire luce e creare una coppia elettrone-lacuna, uno strato di TiO 2 nanoporoso e ad elevata area superficiale come conduttore di elettroni ed un elettrolita come conduttore delle lacune. Scopi dell esperienza sono: la costruzione stessa della cella, il controllo del suo funzionamento, alimentando con tre celle in serie una calcolatrice, la costruzione della curva caratteristica V-I, l osservazione al SEM dello strato sottile di TiO 2 sinterizzato. Fasi 1) preparazione di un elettrodo 2) preparazione del colorante e colorazione dello strato di TiO 2 3) preparazione del controelettrodo 4) assemblaggio della cella e inserimento elettrolita 5) descrizione del principio di funzionamento 6) verifica del funzionamento e costruzione curva caratteristica V-I 7) osservazione al microscopio elettronico: controllo delle dimensioni dello strato e riflessioni sulla sua struttura

it Breve descrizione degli scopi dell esperimento La cella di Grätzel nota anche come Dye Sensitized Solar ell, trasforma energia solare in energia elettrica, riproducendo un meccanismo molto simile

2 Lavoro sperimentale Le celle solari: la cella di Grätzel Preparazione del primo elettrodo a) preparazione della sospensione di TiO 2 6 gr TiO 2 10 ml di una soluzione acida ( ph 3-4) di acido acetico o acido nitrico un mortaio con pestello una spatola, un contenitore per la conservazione della sospensione ( tempo impiegato circa 30 minuti) mettere la polvere di TiO 2 nel mortaio e aggiungere 1ml alla volta di soluzione acida e pestare con un pestello; aggiungere il ml successivo solo dopo che il primo si è ben amalgamato; aggiungere il ml fino alla fine della soluzione acida; raccogliere il composto al centro del mortaio con la spatola; conservare la sospensione in un contenitore chiuso e lasciare riposare 15 minuti prima dell uso la sospensione deve avere la consistenza di una vernice, ne troppo liquida, né troppo solida e non deve presentare né bolle né aggregati. b) deposito della sospensione di Biossido di Titanio sul vetrino uno o più vetrini conduttivi ( preparati con SnO 2 ) sospensione precedentemente preparata un multimetro una bacchetta di vetro, capsula di porcellana etanolo 1 panno morbido o carta, scotch (3M) di spessore micron pulire i vetrini con etanolo, asciugare poi con delicatezza con il panno; controllare quale delle due superfici è conduttiva con il multimetro e disporre i due vetrini con la faccia conduttiva in su come in figura 1; assicurare con lo scotch i due vetrini al tavolo coprendo sul top 4-5mm e lateralmente 1mm; questo creerà un solco da riempire con lo strato di sospensione; disporre una piccola quantità di sospensione per tutta la larghezza e con una bacchetta di vetro spalmarla su tutta la superficie libera dei vetrini con la faccia conduttiva in su, con dei movimenti rapidi avanti e indietro della bacchetta di vetro ( lo strato della sospensione dovrebbe essere dello stesso spessore dello scotch, che praticamente fa da maschera); dopo un minuto togliere lo scotch, mettere i vetrini preparati in una capsula di porcellana. lo strato deve essere sottile vetro scotch Fig.1 c) cottura del vetrino appoggiare i vetrini in una capsula di porcellana e cuocere in muffola a 450 per 30 minuti o su un fornello ad alcol, per 15 minuti far raffreddare il vetrino gradualmente

alla volta di soluzione acida e pestare con un pestello; aggiungere il ml successivo solo dopo che il primo si è ben amalgamato; aggiungere il ml fino alla fine della soluzione acida; raccogliere il

3 Preparazione del colorante e colorazione dello strato di TiO 2 alcuni frutti di bosco, lamponi o mirtilli o more o melograni acqua demonizzata, etanolo filtro di carta, asta di sostegno, capsula di petri, becher mortaio con pestello, vetrino da orologio pestare i frutti in un pò di acqua deionizzata; filtrare il liquido e raccoglierlo in un vetrino da orologio e immergere per circa 10 minuti il vetrino trattato con la faccia ricoperta di biossido di titanio in giù; risciacquare il vetrino con acqua, asciugarlo con cura e attenzione, risciacquare con etanolo e tamponare, in questo modo si è sicuri che la superficie porosa sia asciutta; appoggiare il vetrino con la superficie macchiata in su filtrare molto bene il colorante e asciugare bene il vetrino Preparazione del controelettrodo un vetrino conduttivo ( per preparare una cella) una barretta di grafite; etanolo, un panno morbido di carta pulire il vetrino con etanolo, asciugare poi con delicatezza con il panno, usare la tecnica usata per pulire gli occhiali; tenere il vetrino per i margini e, usando una barretta di grafite, applicare un leggero strato di carbonio sull intera faccia del vetro conduttivo; appoggiare il vetrino con lo strato di grafite in sù fare i modo che l intera superficie sia coperta uniformemente Assemblaggio della cella. Appaiare i due vetrini (uno coperto di TiO 2, l altro coperto di grafite) con le superfici trattate e conduttive rivolte verso l interno, lievemente sfalsati in modo da lasciare esposti i bordi scoperti (come in figura): le due estremità libere, di 4-5 mm serviranno come contatti elettrici. Bloccare insieme i due vetrini con due piccole clips. controelettrodo Vetrino TiO 2 e colorante ella assemblata Depositare 2 o 3 gocce di soluzione elettrolitica sul bordo del dispositivo, che per azione capillare bagnerà completamente lo strato di biossido di titanio tra i due vetrini Rimuovere l eccesso di elettrolita usando un bastoncino di cotone bagnato con acetone. La cella è pronta per il funzionamento. analogie con il meccanismo della fotosintesi

vetrino trattato con la faccia ricoperta di biossido di titanio in giù; risciacquare il vetrino con acqua, asciugarlo con cura e attenzione, risciacquare con etanolo e tamponare, in questo modo si è

4 Verifica del funzionamento e curva caratteristica V-I V A P V-I 5 nm mirtilli 2 1,8 1,6 1,4 1,2 I(mA) 1 0,8 0,6 0,4 0, V(mV)

5 Osservazioni al SEM le foto effettuate presso la facoltà di Scienze dei Materiali di à Foscari di Venezia, mettono bene in evidenza la porosità e le dimensioni dello strato di TiO 2, rendendo così percepibile la vasta dimensione della superficie con la quale il colorante si lega e gli interstizi occupati dall elettrolita. Spunti per la riflessione e l approfondimento Analogie e differenze con le celle a semiconduttore classiche al silicio Analogie e differenze con le celle elettrolitiche Analogie e differenze nel processo con quello della fotosintesi clorofilliana omportamento della V-I delle celle e potenza di picco Vantaggi e svantaggi di un tale dispositivo Alcuni siti

Spunti per la riflessione e l approfondimento Analogie e differenze con le celle a semiconduttore classiche al silicio Analogie e differenze con le celle elettrolitiche Analogie e differenze nel

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