Cách tạo pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm hoặc pin mặt trời từ trà trái cây

Sự đổi mới của pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm đã mở rộng tiềm năng của thiết bị lên đến mức có thể loại bỏ hoàn toàn các pin mặt trời silicon đắt tiền.

Bài viết dưới đây giải thích cách bạn có thể dễ dàng chế tạo pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm đa năng này bằng những vật liệu rất bình thường.

Thí nghiệm này dựa trên khái niệm sử dụng hợp chất hữu cơ trong thực vật, đặc biệt là thuốc nhuộm hữu cơ để hoạt động như những chất cho điện tử trong pin mặt trời.

Thay vì vật liệu bán dẫn silicon trong pin mặt trời, chúng tôi đã sử dụng oxit titan (TiO2), cũng là một chất bán dẫn. Các đặc tính của TiO2 cho phép nó hấp thụ ánh sáng mặt trời tốt hơn nếu nó được ‘nhạy cảm’ với thuốc nhuộm hữu cơ.

Hiệu suất của pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm cao hơn 7% so với một phần ba hiệu suất của pin mặt trời thông thường. Mặc dù đây không phải là một lợi thế rộng rãi, nhưng pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm rẻ hơn do quy trình sản xuất đơn giản hơn so với pin silicon vốn cũng phức tạp.

Pin mặt trời của tương lai?

Mặc dù có thể mất một vài năm để pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm thành công về mặt thương mại, nhưng nó sẽ đi đúng hướng với điều kiện một số vấn đề được giải quyết.

Thứ nhất, vấn đề ổn định lâu dài của các tế bào phải được giải quyết vì oxy cuối cùng làm hỏng nó theo thời gian.

Có thể dùng thuốc nhuộm phù hợp từ quả mâm xôi hoặc trà hoa quả. Thêm một vài thành phần khác như thủy tinh có độ phát xạ thấp (low-E) và oxit titan, và bạn đã có cho mình tất cả các thành phần để chế tạo bộ phụ kiện. Trong thí nghiệm này, chúng tôi sử dụng trà tầm xuân để nhuộm màu đỏ.

Vật liệu thiết yếu

• Kính tấm (miếng) với một lớp dẫn dòng điện ở một mặt. Chúng có sẵn trong bộ dụng cụ và có thể tìm thấy trực tuyến. Ngoài ra, bạn có thể đi với kính low-E và những thứ này có thể được lấy từ kính, vì vật liệu này được kết hợp trong sản xuất cửa sổ cách nhiệt. Chúng tôi khuyên bạn nên nhận hai mảnh có kích thước 5 x 2 cm.
• TiO2 và polyetylen glycol. Chất thứ hai là thành phần tiêu chuẩn trong các loại thuốc mỡ khác nhau nhưng trong thí nghiệm này, nó được sử dụng để đình chỉ oxit titan.
• Những mặt hàng này có thể được mua từ một nhà hóa học địa phương. Bạn cũng phải đảm bảo rằng polyethylene glycol có trọng lượng phân tử là 300 ngoài chất lỏng.
• Nếu bạn mua bộ dụng cụ của mình qua internet, nó thường đi kèm với hệ thống treo màu trắng, giúp mọi thứ dễ dàng hơn. Bạn có thể biết chắc chắn rằng kích thước hạt của TiO2 là chính xác (khoảng 20nm) và được phân lập tinh vi, điều này cực kỳ khó để đạt được nếu bạn tự làm.
• Bạn có thể bao gồm kem đánh răng trắng, Tipp-Ex, sơn trắng hoặc các chất tương tự bao gồm oxit titan làm chất làm trắng.
• Trong thí nghiệm này, chúng tôi đã sử dụng dung dịch iot trong etanol 65% làm chất điện phân. Mặc dù điều này hoạt động tốt, nó chỉ tạo ra dòng điện bằng một phần ba so với chất điện phân điển hình.
• Trà trái cây được sử dụng trong thử nghiệm của chúng tôi là tầm xuân, nhưng dâm bụt cũng có tác dụng.
• Một bếp ga cắm trại và bật lửa.
• Một giá đỡ phòng thí nghiệm với kẹp, vòng và màn hình. Chức năng của màn hình là nâng đỡ mặt kính trong quá trình nướng.
• Một chiếc pipet nhưng nếu bạn không có, bạn có thể dùng thìa cà phê để thay thế bằng cách cho phép huyền phù oxit titan chảy trên kính.
• Nhíp, ấm đun nước, ấm trà, máy sấy tóc và Sellotape.
• Một tấm lá nhôm.
• Đĩa petri hoặc bát phẳng thông thường hoặc đĩa súp.
• Bút chì than chì và một mảnh thủy tinh hoặc thẻ nhựa để trải oxit titan.
• Một bộ đồng hồ vạn năng.

Cách hoạt động của các tế bào năng lượng mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm

Cấu tạo của pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm được tạo thành từ hai tấm kính phẳng với một lớp dẫn điện ở một mặt. Lớp phủ dẫn điện thường được làm từ một oxit kim loại.

Một lớp phủ sậy (khoảng 10 μm) gồm các tinh thể TiO2 có kích thước khoảng 20 nm đã được nung với nhau để tạo ra một lớp xốp, được xác định giữa hai mảnh thủy tinh.

Sau đó, thuốc nhuộm được đặt trên lớp phủ xốp này. Trong ngành công nghiệp, thuốc nhuộm được chọn cho pin mặt trời nhạy cảm bao gồm ruthenium kim loại quý.

Tuy nhiên, thuốc nhuộm đỏ có sẵn tự nhiên có thể được sử dụng để thử nghiệm có mục đích. Do kích thước cực kỳ nhỏ của các tinh thể oxit titan và khoảng trống giữa chúng, cấu trúc xốp có diện tích bề mặt hiệu quả rất lớn và lớp phủ thuốc nhuộm mỏng đáng kể.

Điều này rất quan trọng để vận hành chính xác vì thuốc nhuộm là chất dẫn điện tệ hại.

Khoảnh khắc một tia sáng chiếu vào một phân tử thuốc nhuộm, nó phóng một điện tử vào titan đioxit.

Các điện tử tập trung trong lớp phủ dẫn điện (điện cực làm việc) nằm giữa oxit titan và tấm thủy tinh.

Một lớp dẫn điện nữa là cần thiết ở mặt bên để hoạt động như một điện cực ngược và khoảng trống giữa các điện cực được cung cấp dung dịch điện phân.

Đây là nơi sử dụng dung dịch muối iốt đơn giản hơn là dung dịch điện phân axetonitril trong công nghiệp rất dễ bay hơi và độc hại. Các phân tử tri-iotua trong dung dịch điện phân bị “buộc” phải tiếp cận với điện cực ngược để tạo thành phân tử iotua.

Điều này chỉ xảy ra nếu một chất xúc tác được đưa vào điện cực và đó là nơi mà graphite từ bút chì đi vào. Đối với cấp độ công nghiệp, chất xúc tác được sử dụng là bạch kim đắt tiền.

Thí nghiệm này đòi hỏi các electron. Sự dư thừa của các electron trên điện cực kia tạo ra một thế điện có thể khai thác được.

Dòng điện có thể xảy ra nếu các điện cực được kết nối bên ngoài bằng tải.

Các phân tử iotua trong dung dịch từ bỏ các điện tử cho thuốc nhuộm và chuyển đổi thành các phân tử tri-iotua trong quá trình mà ngược lại, hoàn thành mạch điện.

Chất nền của pin mặt trời là một tấm kính cửa sổ bình thường dày khoảng 2mm với một lớp oxit kim loại dẫn điện trong suốt (như Oxit kẽm). Rất tiếc, lớp phủ này không thể tự làm được.

Thủ tục từng bước

Các quy trình từng bước của việc tạo ra pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm được minh họa dưới đây thông qua các giải thích và hình ảnh.

Kích thước hạt của bột titan là khoảng 15-25 nm, như hình dưới đây.

1. Trộn nó với polyetylen glycol , là một chất nhũ hóa dầu, và khuấy hỗn hợp một cách cẩn thận cho đến khi đạt được một loại kem sệt.

2) Đối với chất điện phân, bạn có thể chọn iốt trong etanol, nhưng kết quả có thể dưới mức trung bình so với chất điện phân oxy hóa khử bán sẵn trên thị trường.

3) Lấy một đơn vị đồng hồ vạn năng và đặt dải điện trở để biết mặt nào của mảnh thủy tinh dẫn điện.

4) Tiếp theo, cố định kính trên bàn bằng Sellotape trong khi đặt mặt dẫn điện lên trên.

5) Nếu bạn có pipet, hãy lấy một ít kem hoặc hồ TiO2 ra và nhỏ vài giọt lên bề mặt dẫn điện của thủy tinh.

6) Sau đó, sử dụng một thẻ nhựa hoặc một mảnh thủy tinh khác, đánh kỹ các giọt. Thử làm áo khoác đồng nhất bằng cách trượt nhẹ miếng thủy tinh lên trên mặt dán Tio2.

7) Tiếp theo, kéo tấm sellotape xung quanh tấm kính ra khỏi bàn.

8) Chúng tôi khuyên bạn nên nướng lớp phủ trong lò nướng hoặc trên ngọn lửa trần như bếp ga. Nhiệt độ dự kiến ​​là khoảng 450 ° C. Khi nó đã được thiết lập, hãy bố trí màn hình đỡ chỉ cách ngọn lửa đốt vài cm và đặt miếng thủy tinh có lớp phủ TiO2 lên trên nó.

9) Lớp oxit titan sẽ thay đổi màu sắc của nó thành màu nâu khi bắt đầu quy trình nướng vì thành phần hữu cơ của nó. Nhưng bạn phải đảm bảo màu sắc của TiO2 chuyển sang màu trắng trong khi kết thúc quá trình.

10) Chúng tôi đặc biệt khuyên bạn nên để kính thời gian làm mát thích hợp nếu không sẽ có khả năng bị vỡ. Một mẹo là trượt kính đến một khu vực mát hơn (thường là gần cạnh) và không vội vàng dời nó khỏi màn hình nóng.

11) Đã đến lúc chuẩn bị trà trái cây với nước sôi. Trong thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi sử dụng ít nước hơn và nhiều túi trà hơn. Đổ dung dịch trà hoa quả đã pha vào một chiếc bát lớn. Nếu không có túi trà trái cây, bạn có thể pha với nước củ cải đỏ, nước quả mâm xôi hoặc thậm chí mực đỏ.

12) Khi miếng thủy tinh đã đạt đến nhiệt độ phòng, bạn có thể cẩn thận trượt miếng thủy tinh trong bát và ngâm trong vài phút.

13) Khi quá trình ngâm trải qua, bạn có thể bắt đầu phủ lên mặt dẫn điện của miếng thủy tinh thứ hai bằng rất nhiều than chì có thể lấy được từ bút chì. Lớp phủ này sẽ hoạt động như một chất xúc tác để vận chuyển các electron đến chất điện phân từ điện cực.

14) Sau đó, lấy mảnh thủy tinh dẫn điện ra khỏi bồn trà. Lớp oxit titan sẽ hấp thụ màu sắc của trà (xem ở giữa hình). Sau đó, tráng kính bằng nước sạch hoặc etanol và sử dụng máy sấy tóc để loại bỏ từng giọt nước .

15) Tiếp theo, sắp xếp hai miếng thủy tinh với nhau với các bề mặt dẫn điện đối diện nhau và hai đầu bù nhau. Bạn phải hết sức lưu ý để cả hai kính không bị trượt ra ngoài vì nó có thể khiến TiO2 bị cọ xát.

16) Sau đó, các mảnh kính có thể được giữ lại với nhau bằng kẹp giấy (sửa đổi một chút hoặc sử dụng Sellotape bình thường quấn quanh chúng.

17) Bây giờ, thêm chất điện phân vào giữa hai miếng thủy tinh. Bạn nên nhỏ một vài giọt chất điện phân vào mỗi mặt của các mảnh thủy tinh và chúng sẽ bị hút ra giữa các kính do hoạt động của mao dẫn.

18) Vậy là xong, pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm dựa trên nước hoa quả của bạn hiện đã sẵn sàng để thử nghiệm. Sử dụng đồng hồ vạn năng, bạn có thể đo điện áp (khoảng 0,4 V) và dòng điện (khoảng 1 mA). Vì ánh sáng của studio, kết quả sẽ thay đổi một chút. Hơn nữa, bạn có thể sử dụng một số kẹp cá sấu để mở rộng nhiều ô hơn trong chuỗi.

Chúng tôi sẽ bỏ qua bước niêm phong các mảnh thủy tinh, như được thực hiện với các pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm đã được công nghiệp hóa. Điều này cho phép chúng tôi sử dụng lại các mảnh kính và trong trường hợp đó, tất cả những gì bạn cần làm là tách chúng ra và rửa kỹ bề mặt bằng nước và chà nhẹ. Vì không thể loại bỏ hoàn toàn lớp phủ graphite, vì vậy chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng lại kính phản điện cực cho mục đích chính xác trong các thí nghiệm trong tương lai.

Hình ảnh lịch sự: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0