Como fazer célula solar sensibilizada com corante ou célula solar a partir de chá de frutas

A inovação das células solares sensibilizadas por corante expandiu o potencial do dispositivo até o ponto em que pode derrubar completamente as caras células solares de silício.

O artigo a seguir explica como você pode construir facilmente esta versátil célula solar sensibilizada por corante usando materiais muito comuns.

Este experimento baseia-se no conceito de utilização de compostos orgânicos em plantas, particularmente corantes orgânicos, para atuar como doadores de elétrons em células solares.

Em vez de um material semicondutor de silício na célula solar, usamos óxido de titânio (TiO2), que também é um semicondutor. As propriedades do TiO2 permitem que ele absorva a luz solar ainda melhor se for 'sensibilizado' com um corante orgânico.

A eficiência das células solares sensibilizadas com corante é 7% maior do que um terço da eficiência das células solares convencionais. Embora isso não seja uma grande vantagem, as células solares sensibilizadas por corante são mais baratas devido ao processo de fabricação mais simples em comparação com as células de silício, que também são complicadas.

A célula solar do futuro?

Embora possa levar alguns anos para que as células solares sensibilizadas com corante tenham sucesso comercial, elas permanecerão no caminho certo, desde que certos problemas sejam resolvidos.

Em primeiro lugar, os problemas de estabilidade das células a longo prazo têm de ser resolvidos, uma vez que o oxigénio eventualmente as danifica com o tempo.

Um corante adequado pode ser obtido de framboesas ou chá de frutas. Adicione alguns outros componentes, como vidro de baixa emissividade (low-E) e óxido de titânio, e você terá todos os ingredientes para construir o kit. Neste experimento, estamos usando chá de rosas para o corante vermelho.

Materiais requisitados

• Folha de vidro (peças) com uma camada condutora de corrente em um dos lados. Eles estão disponíveis em kits e podem ser encontrados online. Alternativamente, pode-se optar por vidros low-E e estes podem ser obtidos em vidrarias, pois o material é incorporado na fabricação de janelas com isolamento térmico. Recomendamos obter duas peças com dimensão de 5 x 2 cm.
• TiO2 e polietilenoglicol. Este último é um ingrediente padrão em várias pomadas, mas, neste experimento, é usado para suspender o óxido de titânio.
• Esses itens podem ser adquiridos em uma farmácia local. Você também deve ter certeza de que o polietilenoglicol tem um peso molecular de 300, além de ser fluido.
• Se você comprar seu kit pela internet, ele geralmente vem com uma suspensão branca, o que facilita as coisas. Você pode ter certeza de que o tamanho de partícula do TiO2 é preciso (aprox. 20 nm) e finamente isolado, o que é extremamente difícil de obter se você mesmo fizer isso.
• Você pode incluir pasta de dente branca, Tipp-Ex, tinta branca ou substâncias semelhantes que contenham óxido de titânio como um branqueador.
• Neste experimento, usamos uma solução de iodo em etanol 65% como eletrólito. Embora tenha um bom desempenho, ele produz apenas um terço da corrente do eletrólito típico.
• O chá de frutas usado em nosso teste é a rosa mosqueta, mas o hibisco também funciona.
• Um fogão a gás e mais leve.
• Uma bancada de laboratório com grampo, anel e tela. A função da tela é apoiar o vidro durante o cozimento.
• Uma pipeta, mas se você não tiver, uma colher de chá pode ser usada como um substituto, permitindo que a suspensão de óxido de titânio goteje no vidro.
• Pinça, chaleira, bule, secador de cabelo e fita adesiva.
• Uma folha de papel alumínio.
• Uma placa de Petri ou uma tigela plana regular ou prato de sopa.
• Lápis de grafite e um pedaço de vidro ou cartão plástico para espalhar o óxido de titânio.
• Um conjunto de multímetro.

Como funcionam as células solares sensibilizadas com corante

A construção de uma célula solar sensibilizada por corante é composta por duas folhas planas de vidro com uma camada eletricamente condutora de um lado. O revestimento condutor é comumente feito de óxido de metal.

Um revestimento fino (aproximadamente 10 μm) de cristais de TiO2 medindo cerca de 20 nm que foram cozidos juntos para criar uma camada porosa é identificado entre as duas peças de vidro.

Em seguida, o corante é colocado sobre esse revestimento poroso. Na indústria, o corante escolhido para as células solares sensibilizadas é o metal nobre rutênio.

No entanto, os corantes vermelhos naturalmente disponíveis podem ser utilizados para fins de teste. Devido aos tamanhos incrivelmente minúsculos dos cristais de óxido de titânio e às lacunas entre eles, a estrutura porosa contém uma enorme área de superfície efetiva e o revestimento de tinta é notavelmente fino.

Isso é crucial para a operação correta, pois o corante é um péssimo condutor elétrico.

No momento em que um raio de luz atinge uma molécula de corante, ele lança um elétron no dióxido de titânio.

Os elétrons se reúnem no revestimento condutor (eletrodo de trabalho) posicionado entre o óxido de titânio e a lâmina de vidro.

É necessária mais uma camada condutora no outro lado para funcionar como um contra-eletrodo, e a lacuna entre os eletrodos é fornecida com uma solução eletrolítica.

É aqui que a solução simples de sal de iodo é aplicada, em vez do eletrólito de acetonitrila industrial, que é muito volátil e tóxico. As moléculas de tri-iodeto na solução eletrolítica são “forçadas” a alcançar com o eletrodo contador para formar moléculas de iodeto.

Isso acontece apenas se um catalisador é introduzido no eletrodo e é aí que entra o grafite do lápis. Para o nível industrial, o catalisador usado é a platina de alto custo.

Este experimento exige elétrons. O excesso de elétrons no outro eletrodo produz um potencial elétrico que pode ser aproveitado.

Um fluxo de corrente pode ocorrer se os eletrodos forem conectados externamente por meio de uma carga.

As moléculas de iodeto na solução renunciam aos elétrons para o corante e se convertem em moléculas de tri-iodeto durante o processo que, por sua vez, completa o circuito elétrico.

O substrato da célula solar é uma janela de vidro normal com cerca de 2 mm de espessura e uma camada de óxido de metal transparente e condutora (como o óxido de zinco). Infelizmente, este revestimento não pode ser feito por você.

Procedimentos passo a passo

Os procedimentos passo a passo de fabricação da célula solar sensibilizada com corante são ilustrados abaixo por meio de explicações e imagens.

O tamanho das partículas do pó de titânio é de cerca de 15-25 nm, conforme mostrado abaixo.

1. Misture com polietileno glicol , que é um agente emulsificante oleoso, e mexa a mistura cuidadosamente até obter um creme viscoso.

2) Para o eletrólito, você pode optar pelo iodo em etanol, mas os resultados podem ficar abaixo da média em comparação com o eletrólito redox disponível no mercado.

3) Pegue uma unidade de multímetro e defina a faixa de resistência para descobrir qual lado da peça de vidro é condutor.

4) Em seguida, prenda o vidro na mesa usando fita adesiva enquanto coloca o lado condutor voltado para cima.

5) Se você tiver uma pipeta, retire um pouco do creme ou pasta de TiO2 e coloque várias gotas na superfície condutora do vidro.

6) Em seguida, usando um cartão plástico ou uma peça de vidro diferente, golpeie as gotas completamente. Tente obter uma camada uniforme deslizando suavemente a peça de vidro sobre a pasta Tio2.

7) Em seguida, puxe a fita adesiva ao redor do copo e solte-o da mesa.

8) Recomendamos assar o revestimento no forno ou sobre uma chama aberta como um fogão a gás. A temperatura esperada é de cerca de 450 ° C. Depois de instalado, organize a tela de suporte alguns centímetros acima da chama do queimador e posicione a peça de vidro com revestimento de TiO2 por cima.

9) A camada de óxido de titânio mudará de cor para marrom no início do processo de cozimento devido ao seu conteúdo orgânico. Mas você deve garantir que a cor do TiO2 mude para branco ao final do processo.

10) Aconselhamos fortemente permitir o tempo de resfriamento adequado para o vidro, caso contrário, há uma chance de quebrar. Uma dica é deslizar o vidro para uma área mais fria (geralmente perto da borda) e não retirá-lo precipitadamente da tela quente.

11) É hora de preparar o chá de frutas com água fervente. Em nosso experimento, usamos menos água e mais saquinhos de chá. Despeje a solução de chá de frutas preparadas em uma tigela grande. Se você não tem saquinhos de chá de frutas, pode ir com suco de beterraba vermelha, suco de framboesa ou até mesmo tinta vermelha.

12) Quando o pedaço de vidro atingir a temperatura ambiente, você pode colocá-lo com cuidado na tigela e deixá-lo de molho por alguns minutos.

13) À medida que o processo de imersão avança, pode-se começar a cobrir o lado condutor de uma segunda peça de vidro com uma grande quantidade de grafite que pode ser obtido com um lápis. Este revestimento funcionará como um catalisador para o transporte de elétrons do eletrodo para o eletrólito.

14) Em seguida, retire o pedaço de vidro condutor do banho de chá. A camada de óxido de titânio terá absorvido a cor do chá (consulte o centro da imagem). Depois disso, enxágue o copo com água limpa ou etanol e use um secador de cabelo para se livrar de cada gota de água .

15) Em seguida, coloque as duas peças de vidro juntas com as superfícies condutoras voltadas uma para a outra e as extremidades deslocadas. Você deve tomar muito cuidado para que os dois vidros não deslizem, pois isso pode causar a fricção do TiO2.

16) Depois disso, os pedaços de vidro podem ser mantidos juntos usando clipes de papel (ligeiramente modificados ou usando fita adesiva normal enrolada em torno deles.

17) Agora, adicione o eletrólito entre as duas peças de vidro. Recomenda-se que você coloque algumas gotas de eletrólito de cada lado das peças de vidro e elas serão puxadas entre os vidros devido à ação capilar.

18) É isso, sua célula solar sensibilizada com corante à base de suco de fruta agora está pronta para teste. Usando o multímetro, você pode medir a tensão (cerca de 0,4 V) e a corrente (cerca de 1 mA). Por causa da iluminação do estúdio, os resultados variam um pouco. Além disso, você pode usar vários clipes de crocodilo para estender mais células em série.

Desconsideraremos a etapa de selagem das peças de vidro, como é feito com células solares sensibilizadas com corante industrializado. Isso nos permite reaproveitar os cacos de vidro e, nesse caso, basta separá-los e lavar bem suas superfícies com água e esfregar suavemente. Como a remoção completa do revestimento de grafite não é possível, recomendamos a utilização do vidro do contra-eletrodo novamente para a finalidade exata em experimentos futuros.

Imagem cortesia: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0