Esperienza celle di Graetzel
Transcript
Esperienza celle di Graetzel
CELLE DI GRÄTZEL (rendimento: 10-12%) Il principio del loro funzionamento,individuato nel 1990 dal chimico svizzero Michael Graetzel, sta nel porre sulla superficie di un semiconduttore uno strato di molecole organiche trattate in modo da metterle in grado di assorbire la luce. Se prodotte a livello industriale, le celle di Graetzel potrebbero superare in breve tempo in efficienza e convenienza le attuali celle fotovoltaiche in silicio. Esperienza realizzazione di una cella solare basata su TiO2 nanocristallino nanoparticelle di TiO2 • accettano e- donati dal colorante • trasportano carica agli elettrodi elettrodi celle fotovoltaiche dispositivi che convertono la luce solare in energia elettrica controllo su scala nanometrica delle dimensioni cella di Grätzel Cu Cu colorante (dye) assorbe luce visibile; si eccita e può donare un elettrone 33 •Sistema redox (in questo caso I/I3in soluzione acquosa), che serve a ripristinare il cromoforo allo stato neutro e quindi a chiudere il ciclo di reazioni elettrochimiche. I-/I3- in H2O ripristina il colorante allo stato neutro e chiude il ciclo nanocristalli di TiO2 e e e he e eh e eh e h e 3II3- ee Vetro TiO 2 conduttore e hν D Au/TiO2 → aumento efficienza siti attivatori dei processi di trasferimento di carica l’elevatissima area superficiale offerta dai nanocristalli è un fattore decisivo per il funzionamento del dispositivo N. Chandrasekharan, P.V. Kamat, J. Phys. Chem. B 104, 10851 (2000) Perchè si usa TiO2 anziche’ Si? (anche Si è fotoconduttore ed è abbondante in natura) 1. TiO2 si ottiene facilmente in forma di dispersione colloidale (nanoparticelle) 2. Il fattore principale che limita l’efficienza è la ricombinazione (la perdita) dei portatori di carica → è bassissima in TiO2 3. Gli atomi di Ti sulla superficie delle nanoparticelle sono sottocoordinati (possono accettare nuovi leganti → chemisorbimento del colorante) 4. Matching dei livelli energetici di D e TiO2 il minimo della banda di conduzione (BC) di TiO2 si trova ad energia più BASSA rispetto al livello eccitato di alcuni coloranti naturali veloce donazione dell’ e- a TiO2 minimizzando la ricombinazione TiO2 dye D* D* D* D* D* D* D* D* È necessario che lo stato eccitato del colorante si trovi ad energie più alte della BC di TiO2 TiO2 dye D* D* D* ricombinazione: l’e- donato da D a TiO2 può essere “restituito” a D provocandone la riduzione può anche avvenire per donazione dell’e- da TiO2 a I3- scelta del colorante deve adsorbirsi facilmente su TiO2 livello eccitato deve avere energia più alta del minimo della BC di TiO2 rosso blu Antocianine classe di coloranti responsabile del colore di molti fiori e frutti (sono indicatori di pH) La nostra cella fotovoltaica funziona con il succo di mirtillo! efficienza % a causa delle ridotte dimensioni delle nanoparticelle l’area superficiale della titania è migliaia di volte quella dell’elettrodo efficienza % affinchè la cella funzioni bene è cruciale utilizzare TiO2 sotto forma di nanoparticelle Cristallo singolo di TiO2 (bulk) bassissima efficienza TiO2 nanocristallino • aumento di efficienza • migliora anche l’intervallo di funzionamento della cella (quasi tutto il Vis) Esperienza Parte sperimentale 1. Preparazione della soluzione colloidale di TiO2 in CH3COOH a pH=3 amalgamare bene il tutto in mortaio 2. Applicazione della soluzione di TiO2 sul substrato di SnO2:Sb • mascherare i bordi della lastrina conduttrice • aggiungere 3 gocce della soluzione di TiO2 sul vetro e disperderla uniformemente • in forno a 200ºC per 48 h 3. Preparazione del colorante • macinare bene i frutti di bosco nel mortaio e diluire il preparato con H2O • depositare sulla lastrina ricoperta da TiO2 ed attendere 10’ • rimuovere delicatamente l’eccesso di frutti di bosco con carta 4. Preparazione del controelettrodo • altro vetrino conduttore ricoperto con uno strato di grafite (a matita!) Esperienza Parte sperimentale 5. Preparazione della soluzione di I2/KI • in glicole etilenico • attenzione: I2 sublima velocemente! 6. Assemblaggio della cella • ricoprire vetrino con TiO2 con il controelettrodo (N.B. TiO2 rivolto verso la grafite!) • i 2 elettrodi vanno collocati sfasati • aggiungere 2 gocce della soluzione I2/KI lungo i bordi • chiudere la cella con due graffette 6. Misura del fotovoltaggio • collegare al voltmetro i due elettrodi (vetrino con grafite: polo +!) • illuminare con una pila o con luce solare Preparazione e lavaggio Ricerca della parte conduttrice dei vetrini Preparazione della soluzione colloidale di TiO2 in CH3COOH a pH=3 amalgamare bene il tutto in mortaio Applicazione della soluzione di TiO2 sul substrato di SnO2:Sb •mascherare i bordi della lastrina conduttrice •aggiungere 3 gocce della soluzione di TiO2 sul vetro e disperderla uniformemente Togliere il nastro adesivo dai bordi della lastrina conduttrice in forno a 200ºC per 48 h oppure 2 h a 500°C Preparazione del colorante macinare bene i frutti di bosco nel mortaio e diluire il preparato con H2O Preparazione del controelettrodo altro vetrino conduttore ricoperto con uno strato di grafite (a matita!) Lasciare che i vetrini si raffreddino lentamente nel forno Si tolgono i vetrini dal forno depositare il colorante sulla lastrina ricoperta da TiO2 ed attendere 10’ rimuovere delicatamente l’eccesso di frutti di bosco con carta Assemblaggio della cella •ricoprire vetrino con TiO2 con il controelettrodo (N.B. TiO2 rivolto verso la grafite!) •i 2 elettrodi vanno collocati sfasati •chiudere la cella con due graffette . Preparazione della soluzione di I2/KI •in glicole etilenico •attenzione: I2 sublima velocemente! •aggiungere 2 gocce della soluzione I2/KI lungo i bordi Misura del fotovoltaggio •collegare al voltmetro i due elettrodi (vetrino con grafite: polo +!) •illuminare con una pila, con luce solare o con luce ultravioletta