Progetto lauree scientifiche di Scienza dei Materiali

IV Liceo Scientifico Tecnologico – Badoni - Lecco - a.s. 2010/2011

La cella Graetzel

Fra le energie rinnovabili troviamo:

•Energia da acqua di falda;

•Energia geotermica;

•Energia marina;

•Energia eolica;

•Energia da biomasse;

•Energia solare;

A bassa entalpia

Sistemi idrotermali

Bacini idroelettrici

Con stazioni di pompaggio

Energia delle correnti marine

Energia osmotica

Energia delle maree

Energia del moto ondoso

Energia tassalotermica

•Energia idroelettrica;

Fotovoltaico

Termici

Ad asse verticale

Ad asse orizzontale

Forestale

Agroenergie

Sviluppo storico del fotovoltaico

• 1816 – Stirling brevetta il suo motore;

• 1839 – Edmond Berquel scopre l’effetto fotovoltaico;

• 1873 – Scoperta della conduttività del selenio;

• 1883 – Charles Frittes produce la prima cella solare in Selenio;

• 1956 – Prima applicazione in campo aereo spaziale per le celle fotovoltaiche;

• 1974 – Primo utilizzo del fotovoltaico in campo “stradale”. In più i Wronski fabbricano la prima cella al silicio amorfo;

• 1981 – Prima cella solare con efficienza superiore al 20%;

• 1991 – Sviluppo delle celle fotoelettrochimiche;

• 2005 – Moduli di celle solari che utilizzano circa il 17% della luce incidente;

• 1996 – Prime celle fotoelettriche con efficienze superiori al 10%;

I semiconduttoriSi definiscono semiconduttori elementi che hanno una resistività, cioè un gap di energia proibita intermedia tra i conduttori e gli isolanti. Questo permette che solo dopo specifiche sollecitazioni un elettrone si liberi proiettandosi nella banda di conduzione e lasciando una lacuna positiva in quella valenza. In questo modo si può originare una corrente elettrica

Classificazione

Intrinsechi

Estrinsechi Drogaggio di tipo p

Drogaggio di tipo n

Purificazione

Fisica

Chimica

Fusione

Trattazione in acido

Per essere utilizzato il silicio deve andare incontro a purificazione

Effetto fotoelettricoÈ l'emissione di elettroni da un metallo eccitato dall'esposizione alla luce o ad una qualsiasi radiazione elettromagnetica con frequenza superiore ad una certa “frequenza di soglia”.

L’effetto fotovoltaico

Sotto-categoria effetto fotoelettrico si verifica quando un elettrone, stimolato, passa dalla banda di valenza a quella di conduzione. Ciò si verifica nei semiconduttori.

Cella di Graetzel e fotosintesi clorofilliana

Nella fotosintesi l’energia luminosa si trasforma in energia chimica; un fotone eccita una molecola di clorofilla, che innesca il trasferimento di elettroni dall’acqua al NADP sintetizzando il glucosio (energia immagazzinata).

Nella cella di Graetzel la funzione della clorofilla viene svolta dal colorante; la luce produce il salto dell’elettrone dallo stato fondamentale a quello eccitato. Si può così produrre, attraverso il biossido di titanio e lo iodio in soluzione, corrente elettrica per un “immediato” utilizzo.

I componenti della cella

Soluzione elettrolitica

Materiale attivo (colorante) •Si lega facilmente con il biossido di TitanioTiO2, è fotosensibile, cioè ossidandosi cede elettroni;

•A base di iodio e ioduro di potassio;

•Fa da mediatore ricevendo elettroni dal contro-elettrodo e cedendoli al TiO2 attraverso il colorante

Biossido di titanio

Vetrini conduttori

Controelettrodo •E’ di carbonio o grafite, ripristina il ciclo della cella cedendo elettroni

•Lasciano passare la luce e permettono il contatto elettrico con il circuito esterno

•Essendo nanostrutturato rende maggiore la superficie di presa del colorante

•Funge da accettore di elettroni

Taglio dei vetrini

Preparazione maschera

Usando il multimetro si determina il lato conduttore. Con una punta diamantata, si incide il vetro sul lato non conduttore e lo si taglia.

Si ricoprono i bordi del lato conduttore del vetrino applicando 3 strisce di nastro adesivo larghe qualche millimetro lasciando libero un lato corto.

Procedimento

Preparazione e stesura del TiO2

Con un pestello si macinano 5[g] di TiO2 aiutandosi con 3 [mL] di acido nitrico. È importante non lasciare grumi per la riuscita dell’esperienza. Si spalma poi la pasta di TiO2 sul lato incorniciato dal nastro adesivo aiutandosi con una bacchetta di vetro allo striscio. Questo deve essere fatto in una unica passata.

Cottura

Quando il TiO2 è asciutto (~4 min) si toglie il nastro adesivo e si inforna a 450 [°C] per 10 minuti.

Aggiunta del succo

Viene fatto sgocciolare con molta calma il succo sulla superficie di TiO2. Poi si aspetta che il succo venga assorbito bene.

Preparazione del contro-elettrodo

Operando sul lato conduttore di un nuovo vetrino si può annerirlo tutto a con una matita più morbida possibile (grafite), o per mezzo di una fiamma (carbonio).

PuliziaAsciugare l’eccesso di succo e poi lavare con isopropanolo entrambi i vetrini.

Soluzione elettrolitica

Gocciolare la soluzione elettrolitica sul biossido di titanio. Poi, dopo che è stata assorbita, asciugare la sostanza in eccesso sui bordi.

Assemblaggio

Il vetrino con il contro-elettrodo viene affacciato al TiO2 impregnato di colorante lasciando libero il tratto in cui non è stato posto il TiO2 , si chiude la cella con delle clips metalliche

Caratterizzazione

Per mezzo di un tester si misurano corrente e tensione esponendo la cella a diversi gradi di illuminazione cioè a diverse distanze da una sorgente fissa.

Infine i grafici

Abbiamo concluso con uno studio dei grafici dell’intensità di corrente in funzione della differenza di potenziale della cella Graetzel confrontata con una normale cella al silicio (smontata da una calcolatrice tascabile)

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0

350,0

400,0

450,0

0,000 1,000 2,000 3,000 4,000

differenza di potenziale [V]

inte

nsi

tà d

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te [

mA

]

0,01,0

2,03,04,05,0

6,07,08,0

9,010,0

0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500

differenza di potenziale [V]in

ten

sità

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ente

[m

A]

Grafico cella al silicio Grafico cella Graetzel

L’andamento è simile anche se l’intensità di corrente e la tensione sono su scale diverse.

Ecco il gruppo lavorativo!