Fotovoltaico ai frutti di bosco

La cella di Grätzel è stata inventata nel 1991 da Michael Grätzel. E' un dispositivo che produce energia elettrica convertendo l'energia luminosa in maniera simile alla fotosintesi clorofilliana (al contrario delle celle al silicio).

La cella di Grätzel ha una struttura a "sandwich" : due vetrini conduttori, che fungono da elettrodi, separati da uno strato di biossido di titanio TiO2, da un materiale attivo (pigmento o colorante) e una soluzione elettrolitica.

Il materiale attivo è costituito da un colorante che trasferisce elettroni al biossido di titanio, in seguito all'assorbimento di un fotone... Come colorante si utilizzano gli antociani, che vengono estratti dai mirtilli, melograno, lamponi ecc.

Il biossido di titanio è un nanomateriale utilizzato come base su cui si "agganciano" un gran numero di molecole di colorante. Per migliorare questa prestazione, lo strato di TiO2 si scalda in un forno per aumentarne la porosità, quindi la superficie sulla quale gli antociani aderiscono.

La soluzione elettrolitica, in generale a base di I2 in KI acquoso, che il compito di permettere il trasporto degli elettroni nella "buca" formatasi in seguito all'assorbimento del fotone(antociani) e il trasferimento dell'elettrone(TiO2). In questo modo l'elettrone viene restituito al colorante e il ciclo continua indefinitivamente.

Quando la cella è in funzione, la luce solare entra attraverso l'elettrodo trasparente superiore, colpendo il pigmento depositato sulla superficie di TiO2. I fotoni che colpisco il colorante con sufficiente energia per essere assorbiti creano uno stato eccitato della molecole del pigmento, da cui l'elettrone si sposta direttamente nella banda di conduzione del TiO2. L'elettrone si sposta verso l'anodo, a questo punto. Nel frattempo, la molecola del colorante ha perso un elettrone che viene sostituito da un altro elettrone proveniente da I- della soluzione elettrolitica.

Il triioduro recupera il suo elettrone dal passaggio degli elettroni attraverso il contro-elettrodo, e ancor prima attraverso il circuito esterno.

Quindi il biossido di titanio funge da accettore di elettroni, il pigmento è il materiale attivo ("pompa" elettrochimica) e la soluzione elettrolitica agisce da donatore di elettroni. Questo principio è del tutto analogo al fenomeno della fotosintesi clorofilliana : l'anidride carbonica funge da accettore di elettroni, la clorofilla da materiale attivo e l'acqua da donatore.

Preparazione del dispositivo

L'apparecchio è costituto dai seguenti componenti :

a. un elettrodo formato da un vetrino conduttore e da uno strato di semiconduttore ;

b. un semiconduttore impregnato nel colorante ;

c. un elettrolita ;

d. un contro-elettrodo formato da un vetrino conduttore e un catalizzatore (carbonio).

Per la realizzazione occorrono :

1. due vetrini conduttori

2. biossido di titanio

3. mirtilli freschi o surgelati

4. etilene glicole

5. I2

6. KI

7. matita molto morbida

Ah, è necessario disporre di un forno che arrivi intorno ai 450-500 °C.

I) L'elettrodo di biossido di titanio

Porre in un mortaio 3g di TiO2 e aggiungere 1-2 mL di HNO3 3M, poco per volta, mescolando fino a eliminare i grumi. Lasciare a riposo per 15 min.

Una volta pronta la pasta, disporla su un vetrino e metterla in forno per 30 min circa. Togliere e lasciare raffreddare a temperatura ambiente.

II) Il colotante

In un mortaio schiacciare dei mirtilli con 30 mL di acetone e acqua (1:1). Filtrare. Quindi porre il filtrato in un imbuto separatore. Aggiungere 30 mL di una miscela di diclorometano-acetone (70:30). Cautamente, senza formare emulsioni, roteare l'imbuto e lasciare a riposo. Separare lo strato superiore e concentrarlo fino a consistenza sciropposa.

III) L'elettrolita

Unire 125 mg di I2, 815 mg di KI a 10 mL di etilene glicole. Portare a 25 mL con acqua distillata. Conservare al buio o in boccetta scura.

IIII) Il contro-elettrodo

Per ricoprire il contro-elettrodo di carbonio si può usare una candela su cui affumicarlo. Onde evitare la rottura del vetro a causa del calore della fiamma si preferisce passare ripetutamente una matita morbida sulla superficie del vetrino.

Immergere l'elettrodo ricoperto di biossido di titanio nel colorante e lasciare a riposo per 15 min. Togliere e sciaquare con acqua distillata. Se la superficie è rosa-violacea, lavare con isopropanolo o acetone per eliminare l'acqua, altrimenti prolungare la durata dell'immersione.

Porre l'elettrodo ricoperto di biossido di titanio(precedentemente immerso nel colorante) sul contro-elettrodo senza strisciarli l'uno sull'altro. I due vetrini vanno disposti sfalsati per permettere il collegamento ai contatti elettrici. I vetrini vanno tenuti uniti da due clips.

Versare qualche goccia di elettrolita sul bordo dell'elettrodo con l'ossido di titanio. Esso si diffonderà per capillarità su tutta la superficie.

Va tutto bene Christian, ma manca la parte finale.

Quando posterà le misurazioni di voltaggio e corrente generate dalla cella?

E il suo rendimento?

rimango in fiduciosa attesa

Mario

Esperienza molto interessante. Bravo Christian!

E' una di quelle cose che mi piacerebbe provare: ho già acquistato il biossido di titanio e ho diversi antociani solidi. Mi manca solo di preparare i vetri conduttori.

Il voltaggio erogato da una cella delle dimensioni 4x5 cm è dell'ordine dei mV. Esso può essere incrementato sotto diretta illuminazione con una torcia.

Posso aggiungere che le radiazioni con lunghezza d'onda 400 nm aumentano l'efficienza della cella, in quanto più energetiche. Mentre quelle aventi lunghezza d'onda più prossime agli 800 nm non sono in grado di fornire sufficiente energia agli elettroni, affinché passino dalla banda di valenza a quella di conduzione. A breve metterò i calcoli relativi

Grazie del suggerimento

Confermo che il post è interessante potenzialmente, ma mi sembra che marci su due binari paralleli che non si intersecano.

Mi spiego:

- si danno tutte le informazioni pratiche semplici (da -I a -IIII) e seguenti

- si omettono le informazioni pratiche fondamentali (da -a a -d)

Poichè il post (oltre a fornire informazioni di base) sembra volersi proporre come "operativo" e "riproducibile" (in grande sintonia col forum), si dovrebbe allora dire come risolvere la reperibilità o la preparazione dei componenti da -a a -d.

Se invece l'esperimento come credo è una sintesi di uno condotto in ambito istituzionale (scuole o altro) può andar bene come curiosità ma in questo caso le puntualizzazioni "pratiche" facili non aggiungono niente di utile.

(Sono quelle "difficili" che servono!).

Dott.MorenoZolghetti ha scritto:

Mi manca solo di preparare i vetri conduttori.

hai qualche metodo per prepararli? io so che si usano ossidi di stagno ma nulla più...

comunque avevo già visto queste immagini...

Chimico ha scritto:

hai qualche metodo per prepararli? io so che si usano ossidi di stagno ma nulla più...

comunque avevo già visto queste immagini...

Stesso discorso.

Sul web è stracolmo di celle fatte con blackberry juices & co. Il problema principale di queste cellette, per quanto carine e didatticamente semplici da realizzare e testare (mi pare che non l'avete fatto qui), è il maledetto ossigeno, come per i TFT organici e le fotovoltaiche organiche (per esempio al pentacene come semiconduttore) l'ostacolo piu' grande da superare economicamente è il packaging di questi dispositivi, che si degradano esponenzialmente e in tempi brevissimi se l'ossigeno viene a contatto con il materiale attivo. Purtroppo non posso farvi vedere i nostri dispositivi in lab, al massimo qualche sterile famiglia di curve che non dice molto ai non addetti ai lavori, mi dispiace. Per il resto, l'esperienza è stata fatta anche nel nostro lab i primi anni, ora non si fa' piu' perchè abbastanza inutile come dispositivo. Resta comunque una cosa carina da costruire tutti assieme in lab per passare un bel paio d'ore, se pero' alla costruzione segue il test con dei tracciacurve, analizzatori vari, e successiva elaborazione dei dati con conseguente discussione su come migliorare la cella e quali sono i limiti superiori ed inferiori di tali dispositivi, altrimenti non è scienza sperimentale ma soltanto bricolage! Saluti Riferimenti: Vari doc pratico/teorici - http://www.walkingitaly.com/tuserg/tuserg500.htm Uno fra i tanti - http://www.walkingitaly.com/tuserg/tuserg_docman/celle_solari.pdf

Chimico ha scritto:

hai qualche metodo per prepararli? io so che si usano ossidi di stagno ma nulla più...

comunque avevo già visto queste immagini...

No, non ho idea di come prepararli. Se è cosa tanto complessa, mi occuperò di altro. Il mio tempo libero è sempre così limitato che dare spazio a lungaggini mi crea difficoltà.

Si usano anche ossidi di indio. Però quelli converebbe semplicemente comperarli belli e pronti, secondo me. (http://www.ebay.it/itm/ITO-Indium-Tin-Oxide-Conductive-Glass-Substrate-10-ohm-m2-/150799371924?pt=UK_WSJL_Wholesale_GL&var=&hash=item68ca8ab77a)

Dott.MorenoZolghetti ha scritto:

Mi manca solo di preparare i vetri conduttori.

Feci quest'esperienza qualche mese fa, sicuramente per fare i vetri conduttori ci sono più modi, io provai (cercando sul web sembrava la soluzione più efficace) con una soluzione di SnCl vaporizzata spruzzata sul vetrino e poi a riscaldare ad alte temperature, ma non ricordo quanto, il vetrino (io usai uno da microscopio), per fare ciò usai un phon da 550°. il metodo funziona (si deve ripetere la procedura un paio di volte e verificare con un ohmmetro) nel senso che il vetro diventa conduttore ma non essendo vetro adatto si crepava o si rompeva direttamente quindi alla fine scelsi di andare dal vetraio e comprare del vetro EKO che è già di suo, su un lato, conduttore.

La temperatura dovrebbe essere intorno ai 400°C, ed è conveniente mettere la soluzione concentrata di cloruro stannoso tra due vetrini, per mantenerla distesa in maniera omogenea.

Bell'accorgimento, a questo non avevo pensato! ah prima ho sbagliato: ovviamente è SnCl2...

al-ham-bic ha scritto:

Confermo che il post è interessante potenzialmente, ma mi sembra che marci su due binari paralleli che non si intersecano.

Mi spiego:

- si danno tutte le informazioni pratiche semplici (da -I a -IIII) e seguenti

- si omettono le informazioni pratiche fondamentali (da -a a -d)

Poichè il post (oltre a fornire informazioni di base) sembra volersi proporre come "operativo" e "riproducibile" (in grande sintonia col forum), si dovrebbe allora dire come risolvere la reperibilità o la preparazione dei componenti da -a a -d.

Se invece l'esperimento come credo è una sintesi di uno condotto in ambito istituzionale (scuole o altro) può andar bene come curiosità ma in questo caso le puntualizzazioni "pratiche" facili non aggiungono niente di utile.

(Sono quelle "difficili" che servono!).

I vetrini conduttori sono drogati con ossidi di indio e stagno.

Il semiconduttore, il biossido di titanio in questo caso, non è altro che la polvere usata per imbiancare i muri reperibile presso i colorifici (varie impurezze sono presenti).

Come soluzione elettrolitica, secondo me, si può utilizzare anche della tintura di iodio opportunamente diluita (ma non ne sono certo...).

Spero di aver risposto.

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Ho fatto alcuni calcoli. Perché un elettrone passi dalla banda di valenza del materiale attivo alla banda di conduzione del semiconduttore, occorre fornire una quantità di energia pari a 2,1 eV. Prendiamo in esame i due estremi dello spettro visivo :

1eV= 1,9 x 10^-19 J => 2,1eV= 3,99 x 10^-19 J

h= 6,6 x 10^-34 Jxs

c= 3x10^8 m/s

A. 400 nm

ν= c/λ = 3x10^8 m/s : 400x10^-9 m = 7,5x10^14 Hz

E= h x ν = 6,6x10^-34 Jxs x 7,5x10^14 1/s = 4,95x10^-19 J (sì)

B. 800 nm

ν= c/λ = 3x10^8 m/s : 800x10^-9 m = 3,75x10^14 Hz

E= h x ν = 6,6x10^-34 Jxs x 3,75x10^14 1/s = 2,49x10-19 J (no)

Come si può notare le radiazioni con minore λ sono più energetiche. Perciò forniscono sufficiente energia agli elettroni che possono passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Mentre quelle con λ maggiore non forniscono sufficiente energia agli elettroni.

Aggiungo anche un altro link molto interessante, il piu' completo che ho trovato in italiano:

http://www.unive.it/media/allegato/corsi_laurea/tri_scienze_tecnol_materiali/settimana_scienza_2007/2_Premio.ppt

Saluti

Credo sia utile aggiungere il video del mitico NurdRage che si diletta con questo simpatico esperimento

http://www.youtube.com/watch?v=WHTbw5jy6qU

Christian ha scritto:

Il voltaggio erogato da una cella delle dimensioni 4x5 cm è dell'ordine dei mV. Esso può essere incrementato sotto diretta illuminazione con una torcia. Posso aggiungere che le radiazioni con lunghezza d'onda 400 nm aumentano l'efficienza della cella, in quanto più energetiche. Mentre quelle aventi lunghezza d'onda più prossime agli 800 nm non sono in grado di fornire sufficiente energia agli elettroni, affinché passino dalla banda di valenza a quella di conduzione. A breve metterò i calcoli relativi Grazie del suggerimento

Non credo sia corretto parlare di bande di conduzione, il meccanismo da quanto ricordo è un trasferimento elettronico stile fotosintesi. Hai provato a operare a diverse temperature? Le Graetzel sono più efficienti ad alta temperatura contrariamente a quelle al silicio. PS sono anche io un teorico ho lavorato col gruppo di Moro a Padova, e tu?

Grazie per la guida, e confermo che anche usando la tintura di iodio l'esperimento funziona benissimo