Cella fotovoltaica all'ossido di rame (I) (funzionamento)

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Drako

2010-05-17 16:56

Ciao a tutti, oggi sono venuto per chiedervi una delucidazione su questa cella fotovoltaica:

http://www.youtube.com/watch?v=jL1KiWN26Q0

mi sembra che se ne sia già parlato da qualche parte, ma non riesco più a ritrovare la discussione, perciò ne ho aperta un'altra definendo che non si tratta della sua preparazione ma del suo funzionamento.

Allora, abbiamo un foglio di rame ricoperto di Cu2O e uno di rame "pulito", entrami immersi in una soluzione di elettrolita (nel caso del video NaHCO3). Qualcuno può spiegarmi quali sono le reazioni che avvengono? Partendo dal presupposto che non sappia cosa sia una cella fotovoltaica...

Grazie per la disponibilità *Hail*

Nicolò

2010-05-17 17:37

allora..vediamo se riesco a spiegarti come funziona l'effetto fotovoltaico (quello alla base del funzionamento della cella omonima). in pratica un elettrone di un materiale semiconduttore può appartenere a varie "bande (livelli energetici)" di energia, la banda di valenza: quando ha un livello energetico basso tale da farlo rimanere dei pressi del singolo atomo del semiconduttore, quando uno specifico semiconduttore (vedi silicio) viene colpito dai fotoni (pacchetti di energia), l'energia viene trasferita agli elettroni che passano alla banda di conduzione: l'elettrone a questo punto ha abbastanza energia per "staccarsi" dall'atomo, lasciando una lacuna. siccome questo accade per tutti gli atomi costituenti il semiconduttore, si creano moltissime lacune e siccome gli elettroni "liberi" tendono a rimpiazzare le lacune lasciate dagli elettroni che si sono "staccati" prima, generano un flusso di elettroni noto come corrente elettrica. spero di esserti stato chiaro e di aiuto :-)

ps: esiste anche una cosidetta banda proibita che si trova tra quella di conduzione e quella di valenza, ossia un'insieme di livelli energetici non consentiti, infatti un'elettrone deve appartenere a una o all'altra banda e per farlo deve avere determinati livelli di energia che dipendono da materiale a materiale.

ad esempio, negli isolanti la banda proibita è molto alta, infatti essendo chiamati isolanti non lasciano passare facilmente un flusso di elettroni, nei conduttori invece le due bande si intersecano e infatti nei semiconduttori non esiste una banda proibita e lasciano passare gli elettroni molto facilmente. infine nei semiconduttori la banda proibita è molto piccola e basta una determinata quantità di energia per far superare agli elettroni la banda proibita e portarli da quella di valenza a quella di conduzione :-)

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al-ham-bic

2010-05-17 19:52

A parte che non vedo l'immagine e mi baso solo sulla descrizione, sei sicuro che sia una "cella fotovoltaica"? :-S

La coppia rame+rame ossido ha sempre formato un "raddrizzatore", ovvero un diodo che lascia passare la corrente solo in un senso.

(Avevo anche in mente di provarlo e prima o poi lo farò).

Una volta (prima del silicio ed anche prima del selenio...) i diodi ad ossidulo di rame Cu2O erano abbastanza usati.

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Drako

2010-05-18 13:09

Così è meglio, almeno il link funziona sempre... grazie per le spiegazioni, vediamo se ho appreso in modo corretto:

i fotoni colpiscono ilmateriale semiconduttore (Cu2O) che caricano gli elettroni del materiale fino ad allontanarli, poi i posti vuoti lasciati da questi elettroni vengono occupati da altri elettroni che provengono da un collegamento tra la piastra di Cu2O e Cu. Mentre gli elettroni carichi di energia seguono un'altro percorso, ossia passano dalla soluzione per andare a sostituire i precedenti elettroni che a loro volta hanno sostituito quelli carichi...

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Rusty

2010-05-18 13:27

Il funzionamento bene o male è già stato spiegato, il fenomeno è dato dalla proprietà di semiconduzione del Cu2O. La struttura elettronica di quest'ossido è tale che esiste un gap energetico (nel caso pari a circa 2eV tra la banda di valenza e quella di conduzione. Tale separazione energetica viene comunemente superata da una percentuale minima di elettroni per effetto termico. Tuttavia, il non utilizzo della separazione di carica generata, fa si che gli elettroni successivamente tendano a ricombinarsi con le lacune formatesi inizialmente per effetto del loro passaggio in banda di conduzione. Qualora l'ossido venga investito da una luce di lunghezza d'onda corrispondente ad un'energia di almeno 2 eV, il gap energetico potrà essere superato da una percentuale più elevata di elettroni. Non tutti i fotoni in arrivo produrranno l'effetto, ma solo quelli di energia E = h*v = 2 eV, dove h è la costante di Planck e v è la frequenza in Hertz (sarebbe una "ni" lettera greca, non una v). Gli elettroni che giungono alla banda di conduzione, se opportunamente convogliati da un campo elettrico, fornito dalla cella elettrolitica nella quale è presente l'altro elettrodo, generano una corrente notevolmente superiore a quella di fondo, rendendo trascurabile il fenomeno della ricombinazione elettrone-lacuna, elettroni e lacune separate dall'agitazione termica che è sempre presente in quanto la materia non è allo 0 Kelvin. L’intensità di corrente passa da circa 5 a 30/50 microampère alla luce del sole, mentre orientando opportunamente la cella in direzione dei raggi solari (o di una comune lampada) si può trovare una differenza anche maggiore tra la corrente nell’ombra e quella nella luce. Tutto dipende chiaramente dalla superficie dell'ossido e la proporzione è diretta. La soluzione elettrolitica può essere composta da acqua con disciolto un cucchiaino di NaCl o NaHCO3. L'effetto raddrizzante di cui parla Al si ottiene poggiando direttamente a contatto la lastra di rame ossidata (dalla parte dell'ossido) su un'altra lastra identica di rame non ossidato, senza bisogno di elettrolita e quindi senza bisogno di luce (il fenomeno non è fotoelettrico). Per la scoperta del fenomeno fotoelettrico dobbiamo ringraziare il Sig. Einstein *Hail*

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Max Fritz

2010-05-18 13:44

Un piccolo corollario... Il Cu2O NON è da confondere con il CuO che è, oltre che semiconduttore, anche superconduttore, alle temperature opportune ;-)

Nicolò

2010-05-18 14:10

ovviamente la resa della cella (50µA) è pressoche inutilizzabile per alimentare qualunque tipo di carico. (pensate che un semplice led assorbe circa 10mA) :-)

Chimico

2010-05-18 19:14

quindi con 2 celle di queste alimenti un led...

myttex

2010-05-18 19:26

ebè, un led è gia qualcosa. Con la mia di Gratzel non ce la faccio asd *Fischietta* Discussione molto interessante, ringrazio anche io delle risposte ;-)

Dott.MorenoZolghetti

2010-05-18 21:42

Chimico ha scritto:

quindi con 2 celle di queste alimenti un led...

50 microA + 50 microA = 100 microA = 0,1 milliA

Un LED assorbe 10 milliA, ergo ci vogliono 200 di queste celle!

2 in matematica!

al-ham-bic

2010-05-18 22:01

Ora che si vede il video l'effetto fotoelettrico è evidente (sovrapposto ad un minore effetto elettrochimico, dato che anche al buio non andrà sicuramente a zero).

La tensione fornita è dell'ordine delle decine di mV, non so se i 5-50 µA detti da Rusty si riferiscano a questa cella o a simili, dato che il video non parla di corrente ma solo di tensione a vuoto. Però tale valore di corrente mi sembra coerente.

La potenza in gioco è irrisoria, ma ricordo che prima dell'avvento delle celle al silicio (cioè fino a ieri, ora sembra tutto facile... *Fischietta* ) si usavano le fotocellule al cesio, per esempio per la lettura della traccia audio delle pellicole cinematografiche, di uscita bassissima e debitamente da amplificare con apposito circuito elettronico.

xChimico: stavo correggendo anch'io, poi ho visto l'appunto di DMZ!

Rusty

2010-05-18 22:51

al-ham-bic ha scritto:

La tensione fornita è dell'ordine delle decine di mV, non so se i 5-50 µA detti da Rusty si riferiscano a questa cella o a simili

Si Al, una cella simile, diciamo con una lastrina di rame ossidata da circa 100 cm^2. Più di tanto purtroppo non ci si riesce a ricavare (in termini di corrente per unità di superficie) *Si guarda intorno*

Chimico

2010-05-19 00:30

O cazz...xke ero convinto di quello che ho scritto? :S

lo so che micro è 10^-6 xo in quel momento ero del tutto convinto XD sorry x la minkiata

Nicolò

2010-05-19 11:14

al-ham-bic ha scritto:

Ora che si vede il video l'effetto fotoelettrico è evidente (sovrapposto ad un minore effetto elettrochimico, dato che anche al buio non andrà sicuramente a zero).

La tensione fornita è dell'ordine delle decine di mV, non so se i 5-50 µA detti da Rusty si riferiscano a questa cella o a simili, dato che il video non parla di corrente ma solo di tensione a vuoto. Però tale valore di corrente mi sembra coerente.

La potenza in gioco è irrisoria, ma ricordo che prima dell'avvento delle celle al silicio (cioè fino a ieri, ora sembra tutto facile... *Fischietta* ) si usavano le fotocellule al cesio, per esempio per la lettura della traccia audio delle pellicole cinematografiche, di uscita bassissima e debitamente da amplificare con apposito circuito elettronico.

xChimico: stavo correggendo anch'io, poi ho visto l'appunto di DMZ!

peccato che per il circuito di amplificazione (che si potrebbe usare in questo caso) serve energia elettrica..che deve arrivare da qualche parte ;-)

Rusty

2010-05-19 11:38

Nicolò ha scritto:

peccato che per il circuito di amplificazione (che si potrebbe usare in questo caso) serve energia elettrica..che deve arrivare da qualche parte ;-)

Si beh ovvio, ma le fotocellule menzionate da Al non erano mica costruite come fonti di energia, piuttosto per trasduzione, dei sensori... per definizione un sensore va amplificato, ma qui c'è anche un segnale utile da considerare, mentre per la "nostra" cella al Cu2O il discorso è completamente differente, non arriva nessun segnale a contenuto informativo *Fischietta*

non so se si è capito... il discorso che l'energia da qualche parte viene mi pare abbastanza assodato asd asd asd

myttex

2010-05-19 16:10

Rusty ha scritto:

... piuttosto per trasduzione, dei sensori... [...]

Ovvero? Blush

Nicolò

2010-05-19 17:33

il trasduttore, o sensore, è un dispositivo che appunto "trasduce" (perdonatemi il gioco di parole) una qualunque "informazione" fisica in un segnale elettrico.

ad esempio il fotodiodo ricevitore del segnale del telecomando della televisione. in pratica quando tu schiacci un tasto del telecomando, un circuito integrato interno provvede a inviare in una data maniera (di solito in PWM(Pulse With Modulation) il segnale elettrico a un led ( di solito infrarosso) che lo trasmette in aria fino al fotodiodo che converte la luce nel segnale elettrico :-)

PS: se prendete un lo rivolgete verso una fonte di luce e misurate la tensione la tensione ai suoi capi, vedrete che si comporterà come un fotodiodo, generando una debole corrente elettrica: infatti il led è definito come macchina reversibile :-)

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