Cómo hacer una célula solar sensibilizada con colorante o una célula solar a partir de té de frutas

La innovación de las células solares sensibilizadas por colorante ha ampliado el potencial del dispositivo hasta el punto en que podría acabar con las costosas células solares de silicio.

El siguiente artículo explica cómo puede construir fácilmente esta versátil célula solar sensibilizada con colorante utilizando materiales muy comunes.

Este experimento se basa en el concepto de utilizar el compuesto orgánico en las plantas, particularmente los tintes orgánicos para actuar como donantes de electrones en las células solares.

En lugar de un material semiconductor de silicio en la celda solar, hemos utilizado óxido de titanio (TiO2), que también es un semiconductor. Las propiedades del TiO2 le permiten absorber la luz solar incluso mejor si se 'sensibiliza' con un tinte orgánico.

La eficiencia de las células solares sensibilizadas con colorante es un 7% superior a un tercio de la eficiencia de las células solares convencionales. Aunque esto no es una gran ventaja, las células solares sensibilizadas con colorante son más baratas debido al proceso de fabricación más simple en comparación con las células de silicio que también son complicadas.

¿La célula solar del futuro?

Aunque pueden pasar algunos años para que las células solares sensibilizadas por colorante tengan éxito comercial, se mantendrá en el camino correcto siempre que se resuelvan ciertos problemas.

En primer lugar, se deben abordar los problemas de estabilidad a largo plazo de las células, ya que el oxígeno eventualmente las daña con el tiempo.

Se puede sacar un tinte adecuado de frambuesas o té de frutas. Agregue algunos otros componentes como vidrio de baja emisividad (baja E) y óxido de titanio, y tendrá todos los ingredientes para construir el kit. En este experimento, usamos té de rosas para el tinte rojo.

Materiales necesarios

• Vidrio en láminas (piezas) con una capa conductora de corriente en un lado. Estos están disponibles en kits y se pueden encontrar en línea. Alternativamente, puede optar por vidrios de baja emisividad y estos se pueden obtener de vidrieros, ya que el material se incorpora en la fabricación de ventanas de aislamiento térmico. Recomendamos adquirir dos piezas con una dimensión de 5 x 2 cm.
• TiO2 y polietilenglicol. Este último es un ingrediente estándar en varios ungüentos, pero en este experimento, se usa para suspender el óxido de titanio.
• Estos artículos se pueden comprar en una farmacia local. También debe asegurarse de que el polietilenglicol tenga un peso molecular de 300 además de ser fluido.
• Si compra su kit a través de Internet, generalmente viene con una suspensión blanca, lo que facilita las cosas. Puede estar seguro de que el tamaño de partícula del TiO2 es preciso (aproximadamente 20 nm) y finamente aislado, lo cual es extremadamente difícil de obtener si lo está haciendo usted mismo.
• Puede incluir pasta de dientes blanca, Tipp-Ex, pintura blanca o sustancias similares que comprendan óxido de titanio como blanqueador.
• En este experimento, hemos utilizado una solución de yodo en etanol al 65% como electrolito. Aunque funciona bien, solo produce un tercio de la corriente que produce el electrolito típico.
• El té de frutas utilizado en nuestra prueba es la rosa mosqueta, pero el hibisco también funciona.
• Una estufa de gas y un encendedor.
• Un soporte de laboratorio con pinza, anilla y pantalla. La función de la pantalla es apoyar el vidrio durante la cocción.
• Una pipeta, pero si no tiene ninguna, puede utilizar una cucharadita como sustituto permitiendo que la suspensión de óxido de titanio gotee sobre el vidrio.
• Pinzas, hervidor, tetera, secador de pelo y cinta adhesiva.
• Una hoja de papel de aluminio.
• Una placa de Petri o un cuenco plano normal o plato hondo.
• Lápiz de grafito y un trozo de vidrio o cartulina para esparcir el óxido de titanio.
• Un juego de multímetro.

Cómo funcionan las células solares sensibilizadas por colorante

La construcción de una célula solar sensibilizada con colorante se compone de dos hojas planas de vidrio con una capa conductora de electricidad en un lado. El revestimiento conductor suele estar hecho de un óxido metálico.

Entre las dos piezas de vidrio se identifica una capa de junco (aprox. 10 μm) de cristales de TiO2 que miden unos 20 nm y que se han horneado juntos para crear una capa porosa.

Luego, el tinte se coloca sobre este recubrimiento poroso. En la industria, el tinte elegido para las células solares sensibilizadas comprende rutenio de metal noble.

Sin embargo, los tintes rojos disponibles de forma natural se pueden utilizar para realizar pruebas. Debido a los tamaños increíblemente minúsculos de los cristales de óxido de titanio y los espacios entre ellos, la estructura porosa contiene una enorme área de superficie efectiva y la capa de tinte es notablemente delgada.

Esto es crucial para el funcionamiento correcto, ya que el tinte es un conductor eléctrico pésimo.

En el momento en que un rayo de luz golpea una molécula de tinte, dispara un electrón hacia el dióxido de titanio.

Los electrones se juntan en el revestimiento conductor (electrodo de trabajo) colocado entre el óxido de titanio y la hoja de vidrio.

Se necesita una capa conductora más en el otro lado para funcionar como un contraelectrodo, y el espacio entre los electrodos se proporciona con una solución de electrolito.

Aquí es donde se aplica la solución de sal de yodo simple en lugar del electrolito de acetonitrilo industrial, que es muy volátil y tóxico. Las moléculas de tri-yoduro en la solución de electrolito son 'forzadas' a alcanzar con el contraelectrodo para formar moléculas de yoduro.

Esto ocurre solo si se introduce un catalizador en el electrodo y ahí es donde entra el grafito del lápiz. Para el nivel industrial, el catalizador utilizado es platino altamente costoso.

Este experimento demanda electrones. El exceso de electrones en el otro electrodo produce un potencial eléctrico que se puede aprovechar.

Puede ocurrir un flujo de corriente si los electrodos se conectan externamente usando una carga.

Las moléculas de yoduro dentro de la solución renuncian a los electrones al tinte y se convierten en moléculas de tri-yoduro durante el proceso que a su vez completa el circuito eléctrico.

El sustrato de la celda solar es un vidrio de ventana normal de alrededor de 2 mm de espesor con una capa de óxido de metal conductor transparente (como el óxido de zinc). Lamentablemente, este revestimiento no se puede fabricar por su cuenta.

Procedimientos paso a paso

Los procedimientos paso a paso de fabricación de la célula solar sensibilizada con colorante se ilustran a continuación a través de explicaciones e imágenes.

El tamaño de partícula del polvo de titanio es de alrededor de 15-25 nm, como se muestra a continuación.

1. Mezclarlo con polietilenglicol , que es un agente emulsionante aceitoso, y revuelva el brebaje con cuidado hasta obtener una crema viscosa.

2) Para el electrolito, puede optar por el yodo en etanol, pero los resultados pueden estar por debajo del promedio en comparación con el electrolito redox disponible comercialmente.

3) Tome una unidad de multímetro y establezca el rango de resistencia para averiguar qué lado de la pieza de vidrio es conductor.

4) A continuación, asegure el vidrio sobre la mesa con cinta adhesiva mientras coloca el lado conductor hacia arriba.

5) Si tiene una pipeta, saque un poco de crema o pasta de TiO2 y coloque varias gotas en la superficie conductora del vidrio.

6) Luego, usando una tarjeta de plástico o una pieza de vidrio diferente, golpee bien las gotas. Intente obtener una capa uniforme deslizando suavemente la pieza de vidrio sobre la pasta Tio2.

7) A continuación, saque la cinta adhesiva alrededor del vaso y libérela de la mesa.

8) Recomendamos hornear el recubrimiento en un horno o sobre una llama abierta como una estufa de gas. La temperatura esperada ronda los 450 ° C. Una vez fraguado, coloque la rejilla de soporte solo unos centímetros por encima de la llama del quemador y coloque la pieza de vidrio con revestimiento de TiO2 encima.

9) La capa de óxido de titanio cambiará de color a marrón al comienzo del proceso de horneado debido a su contenido orgánico. Pero debe asegurarse de que el color del TiO2 cambie a blanco durante el final del proceso.

10) Recomendamos encarecidamente que permita un tiempo de enfriamiento adecuado para el vidrio, de lo contrario existe la posibilidad de que se rompa. Un consejo es deslizar el vidrio a un área más fría (generalmente cerca del borde) y no desplazarlo apresuradamente de la pantalla caliente.

11) Es hora de preparar el té de frutas con agua hirviendo. En nuestro experimento, usamos menos agua y más bolsitas de té. Vierta la solución de té de frutas elaborado en un tazón grande. Si no tiene bolsitas de té de frutas, puede optar por jugo de remolacha roja, jugo de frambuesa o incluso tinta roja.

12) Una vez que la pieza de vidrio haya alcanzado la temperatura ambiente, puede deslizarla con cuidado en el recipiente y dejarla en remojo durante varios minutos.

13) A medida que avanza el proceso de remojo, puede comenzar a cubrir el lado conductor de una segunda pieza de vidrio con mucho grafito que se puede obtener con un lápiz. Este revestimiento funcionará como un catalizador para transportar electrones al electrolito desde el electrodo.

14) Luego, saque la pieza de vidrio conductor del baño de té. La capa de óxido de titanio habrá absorbido el color del té (consulte el centro de la imagen). Después de eso, enjuague el vaso con agua limpia o etanol y use un secador de pelo para deshacerse de cada gota de agua .

15) A continuación, coloque las dos piezas de vidrio juntas con las superficies conductoras enfrentadas y los extremos desplazados. Debe tener mucho cuidado de que ninguno de los dos cristales se salga, ya que podría provocar que el TiO2 se borre por frotamiento.

16) Después de esto, las piezas de vidrio se pueden unir con clips (ligeramente modificados o con cinta adhesiva normal envuelta alrededor de ellos).

17) Ahora, agregue el electrolito entre las dos piezas de vidrio. Se recomienda que coloques unas gotas de electrolito a cada lado de las piezas de vidrio y estas se dibujarán entre los vasos debido a la acción capilar.

18) Eso es todo, su celda solar sensibilizada con colorante a base de jugo de fruta ya está lista para ser probada. Con el multímetro puede medir el voltaje (alrededor de 0,4 V) y la corriente (alrededor de 1 mA). Debido a la iluminación del estudio, los resultados variarán un poco. Además, puede usar varios clips de cocodrilo para extender más celdas en serie.

Descartaremos el paso de sellar las piezas de vidrio, como se hace con las células solares industrializadas sensibilizadas con colorante. Esto nos permite utilizar las piezas de vidrio nuevamente y, en ese caso, todo lo que necesita hacer es separarlas y lavar bien sus superficies con agua y frotarlas suavemente. Debido a que no es posible eliminar completamente el recubrimiento de grafito, recomendamos utilizar nuevamente el vidrio del contraelectrodo para el propósito exacto en experimentos futuros.

Imagen cortesía: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0