Cella solare di Grätzel Principi Fisici, funzionamento, preparazione Prof. Daniela Cavalcoli, Dipartimento di Fisica e Astronomia
Cella solare di Grätzel componenti e letteratura Prof. Daniela Cavalcoli, Dipartimento di Fisica e Astronomia Cella solare DSSC (Dye sensityzed solar cell) o cella di Graetzel i processi che vengono messi in atto ricordano molto la fotosintesi clorofilliana 1. Grätzel, M., and O Regan, B. A Low-Cost, High-Effi ciency Solar Cell Based on Dye sensitized Colloidal TiO 2 Films Nature, 353, 737-740, 1991. 2. Grätzel, M. et al., Solid-state Dye-sensitized Mesoporous TiO 2 Solar Cells with High Photonto-electron Conversion Effi ciencies. Nature, 395, 583-585, 1998. 3. Grätzel, M., Photoelectrochemical Cells. Nature 414, 338-344, 2001. 4. Grätzel, M., Recent Advances in Mesoscopic Solar Cells. Acc. Chem. Res. 42, 1781-1798, 2009. http://blogs.nature.com/news/2010/06/solar_cell_scientist_scoops_mi.html
Componenti Mezzo in cui avviene il trasporto di carica: biossido di titanio nanocristallino. low cost, diffuso, non tossico (usato anche per dentifrici, creme) biocompatibile, alto band gap, isolante (e h non si ricombinano) Dye (colorante) composti del Rutenio: Essere in grado di assorbire radiazione solare Essere in grado di «attaccarsi» al biossido di titanio nanocristalini:
Componenti Elettrolita (iodio-): Deve essere in grado di rimpiazzare gli elettroni perduti dalle molecole del colorante, contiene il mediatore (ione iodio) che riceverà a sua volta elettroni dal contro-elettrodo
Come funzionano? Assorbimento della radiazione solare: strato di colorante chimicamente legato alla superficie di biossido di titanio (TiO 2 ) nanostrutturato Trasporto di carica: un elettrone dal colorante al TiO 2, trasporto dell elettrone dal TiO 2 all elettrodo (TCO), contemporaneamente, una carica positiva (buca) viene trasferita dal colorante ad un composto mediatore (elettrolita) che, ossidandosi (cedendo cioè un elettrone), trasporta la carica positiva fino all altro capo della cella, al contro-elettrodo. Perché è importante la nanostruttura in questo caso?
Principio di funzionamento (1) Un dye (colorante) è adsorbito nel biossido di titanio poroso La molecola del dye assobe un fotone formando uno stato eccitato (dye*) Lo stato eccitato si può pensare come una coppia elettrone-lacuna (eccitone). Il dye trasferisce un elettrone al TiO 2 (semiconduttore) lasciando la lacuna nel dye. [dye* + ] La lacuna si ricombina con un elettrone dallo ione ioduro (elettrolita) [2dye* + + 3I - 2dye + I 3- ]
Principio di funzionamento (2) Gli elettroni raccolti dal TiO 2 migrano al catodo Il catodo è coperto da un catalizzatore (carbone) e inietta elettroni nella cella rigenerando lo ioduro Il mediatore REDOX è ioduro/trioduro (I - /I 3- ) Perché è importante la nanostruttura in questo caso?
Principio di funzionamento (3) colorante + luce colorante eccitato colorante eccitato + TiO 2 e - (TiO 2 ) + colorante ossidato (lacuna) colorante ossidato (lacuna) + (3/2) I - colorante + ½ I 3 - (½) I 3 - + e - (contro-elettrodo) (3/2) I - Le particelle interconnesse di biossido di titanio agiscono da accettori di elettroni, lo iodio agisce da donatore di elettroni e il colorante funziona come una pompa fotochimica: nella fotosintesi, questi tre ruoli sono svolti rispettivamente dal biossido di carbonio, dall acqua e dalla clorofilla. H2O + CO2 + energia carboidrati + O2
Cosa possiamo scegliere come colorante? La cella può essere realizzata anche usando coloranti ottenuti da mirtilli, more, arance rosse, melograni, o melenzane!
DSSC con (vari) coloranti naturali Chemical structures of (a) cyanine and (b) nasunin
La cella deposita usando strumentazione semplice La cella può essere depositata per spin-coating o stendendo lo strato di TiO2 Lo spin coater può essere fatto riciclando vecchi oggetti
Caratterizzazione: il risultato finale può essere sottoposto a test Funziona? Caratteristica IV luce-buio, potenza utile che si può ottenere, efficienza = Pout/Pin. SEM AFM
Caratterizzazione microscopica Come è venuta la nostra cella come è la superficie? Energie rinnovabili Utilizzo di sostanze naturali
Il senso ottico il tatto Microscopi a sonda: oltre la diffrazione Sentire la superficie di un materiale con una piccola punta.. Tatto interazione quale interazione? La superficie la topografia.. Ma non solo topografia ma anche altre interazioni.. Ad esempio la corrente elettrica per scoprire la conducibilità Topography Conductive AFM Current Height 0 500 1000 x (nm)
Dove le punte si costruiscono.. Un microscopio AFM «educational»