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