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
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 40-50 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
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
Verifica del funzionamento e curva caratteristica V-I V 1 2 3 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 0,2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 V(mV)
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 www.energoclub.it www.freenergy.uniroma2.it www.solideas.com www.konarka.com www.eifer.uni-karlsruhe.de www.nanosolar.com www.dyesol.com www.sciencenews.org www.newscientist.com