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Como fazer células solares sensibilizadas por corantes ou células solares de chá de frutas

A inovação das células solares sensibilizadas por corante expandiu o potencial do dispositivo até o ponto em que pode eliminar completamente as dispendiosas células solares de silício.

O artigo a seguir explica como você pode construir facilmente essa versátil célula solar sensibilizada por corante usando materiais muito comuns.

Este experimento baseia-se no conceito de utilizar o composto orgânico em plantas, principalmente corantes orgânicos para atuar como doadores de elétrons em células solares.

Em vez de um material semicondutor de silício na célula solar, usamos óxido de titânio (TiO2), que também é um semicondutor. As propriedades do TiO2 permitem que ele absorva ainda melhor a luz solar se for ‘sensibilizado’ com um corante orgânico.

A eficiência das células solares sensibilizadas por corante é 7% maior do que um terço da eficiência das células solares convencionais. Embora esta não seja uma grande vantagem, as células solares sensibilizadas por corante são mais baratas devido ao processo de fabricação mais simples em comparação com as células de silício, que também são complicadas.

A célula solar do futuro?

Embora possa levar alguns anos para que as células solares sensibilizadas por corante sejam comercialmente bem-sucedidas, elas permanecerão no caminho certo desde que certos problemas sejam resolvidos.

Em primeiro lugar, os problemas de estabilidade a longo prazo das células precisam ser resolvidos, pois o oxigênio acaba danificando-as com o tempo.

Um corante adequado pode ser retirado de framboesas ou chá de frutas. Adicione alguns outros componentes, como vidro de baixa emissividade (low-E) e óxido de titânio, e você terá todos os ingredientes para construir o kit. Neste experimento, estamos usando chá de rosas para o corante vermelho.

Materiais requisitados

  • Folha de vidro (peças) com uma camada condutora de corrente em um lado. Estes estão disponíveis em kits e podem ser encontrados online. Alternativamente, você pode optar por vidros low-E e estes podem ser obtidos de vidraceiros, pois o material é incorporado na fabricação de janelas de isolamento térmico. Recomendamos obter duas peças com uma dimensão de 5 x 2 cm.
  • TiO2 e polietilenoglicol. Este último é um ingrediente padrão em várias pomadas, mas neste experimento, é usado para suspender o óxido de titânio.
  • Esses itens podem ser adquiridos em uma farmácia local. Você também deve garantir que o polietilenoglicol tenha um peso molecular de 300, além de ser fluido.
  • Se você comprar seu kit pela internet, geralmente ele vem com uma suspensão branca, o que facilita as coisas. Você pode saber com certeza que o tamanho de partícula do TiO2 é preciso (aprox. 20 nm) e finamente isolado, o que é extremamente difícil de obter se você estiver fazendo isso sozinho.
  • Você pode incluir creme dental branco, Tipp-Ex, tinta branca ou substâncias semelhantes que contenham óxido de titânio como branqueador.
  • Neste experimento, usamos uma solução de iodo em 65% de etanol como eletrólito. Embora isso funcione bem, ele produz apenas um terço da corrente do eletrólito típico.
  • O chá de frutas usado em nosso teste é a rosa mosqueta, mas o hibisco também funciona.
  • Um fogão a gás e um isqueiro.
  • Um suporte de laboratório com pinça, anel e tela. A função da tela é apoiar o vidro durante o cozimento.
  • Uma pipeta, mas se você não tiver nenhuma, uma colher de chá pode ser usada como substituto, permitindo que a suspensão de óxido de titânio goteje no vidro.
  • Pinças, chaleira, bule, secador de cabelo e fita adesiva.
  • Uma folha de papel alumínio.
  • Uma placa de Petri ou uma tigela plana regular ou prato de sopa.
  • Lápis de grafite e um pedaço de vidro ou cartão plástico para espalhar o óxido de titânio.
  • Um conjunto de multímetro.

Como funcionam as células solares sensibilizadas por corantes

A construção de uma célula solar sensibilizada por corante é composta de duas folhas planas de vidro com uma camada eletricamente condutora de um lado. O revestimento condutor é geralmente feito de um óxido metálico.

Um revestimento fino (aprox. 10 μm) de cristais de TiO2 medindo cerca de 20 nm que foi cozido em conjunto para criar uma camada porosa é identificado entre os dois pedaços de vidro.

Em seguida, o corante é colocado sobre esse revestimento poroso. Na indústria, o corante escolhido para as células solares sensibilizadas é o rutênio de metal nobre.

No entanto, corantes vermelhos naturalmente disponíveis podem ser utilizados para fins de teste. Por causa dos tamanhos incrivelmente minúsculos dos cristais de óxido de titânio e das lacunas entre eles, a estrutura porosa contém uma enorme área de superfície efetiva e o revestimento de corante é notavelmente fino.

Isso é crucial para a operação correta, pois o corante é um péssimo condutor elétrico.

No momento em que um raio de luz atinge uma molécula de corante, ele dispara um elétron no dióxido de titânio.

Os elétrons se reúnem no revestimento condutor (eletrodo de trabalho) posicionado entre o óxido de titânio e a lâmina de vidro.

Mais uma camada condutora é necessária no outro lado para funcionar como um contra-eletrodo, e o espaço entre os eletrodos é fornecido com uma solução eletrolítica.

É aqui que a solução simples de sal de iodo é aplicada em vez do eletrólito industrial de acetonitrila, que é muito volátil e tóxico. As moléculas de tri-iodeto na solução eletrolítica são “forçadas” a alcançar com o contra-eletrodo para formar moléculas de iodeto.

Isso só acontece se um catalisador for introduzido no eletrodo e é aí que entra a grafite do lápis. Para o nível industrial, o catalisador usado é a platina de alto custo.

Este experimento exige elétrons. O excesso de elétrons no outro eletrodo produz um potencial elétrico que pode ser aproveitado.

Um fluxo de corrente pode ocorrer se os eletrodos forem conectados externamente usando uma carga.

As moléculas de iodeto dentro da solução renunciam aos elétrons do corante e se convertem em moléculas de tri-iodeto durante o processo que, por sua vez, completa o circuito elétrico.

O substrato da célula solar é um vidro de janela normal com cerca de 2 mm de espessura com uma camada de óxido metálico transparente e condutor (como o óxido de zinco). Lamentavelmente, este revestimento não pode ser feito por conta própria.

Procedimentos passo a passo

Os procedimentos passo a passo de fabricação da célula solar sensibilizada por corante são ilustrados abaixo através de explicações e imagem.

O tamanho de partícula do pó de titânio é de cerca de 15-25 nm, conforme mostrado abaixo.

  1. Misture com polietilenoglicol, que é um agente emulsificante oleoso, e mexa a mistura cuidadosamente até obter um creme viscoso.

2) Para o eletrólito, pode-se optar pelo iodo no etanol, mas os resultados podem ficar abaixo da média em relação ao eletrólito redox disponível comercialmente.

3) Pegue um multímetro e defina a faixa de resistência para descobrir qual lado da peça de vidro é condutor.

4) Em seguida, prenda o vidro na mesa usando fita adesiva enquanto coloca o lado condutor para cima.

5) Se você tiver uma pipeta, retire um pouco do creme ou pasta de TiO2 e coloque várias gotas na superfície condutora do vidro.

6) Em seguida, usando um cartão plástico ou outro pedaço de vidro, bata bem as gotas. Tente obter uma camada uniforme deslizando suavemente a peça de vidro sobre a pasta Tio2.

7) Em seguida, puxe a fita adesiva para cima ao redor do vidro e solte-o da mesa.

8) Recomendamos assar o revestimento em um forno ou sobre uma chama aberta como um fogão a gás. A temperatura esperada é de cerca de 450°C. Uma vez definido, disponha a tela de suporte apenas alguns centímetros acima da chama do queimador e posicione a peça de vidro com revestimento de TiO2 sobre ela.

9) A camada de óxido de titânio mudará sua cor para marrom no início do processo de cozimento devido ao seu conteúdo orgânico. Mas você precisa garantir que a cor do TiO2 mude para branco durante o final do processo.

10) Aconselhamos vivamente a permitir o tempo de arrefecimento adequado para o vidro, caso contrário existe a possibilidade de que este se parta. Uma dica é deslizar o vidro para uma área mais fria (geralmente próximo à borda) e não deslocá-lo às pressas da tela quente.

11) É hora de preparar o chá de frutas com água fervente. Em nosso experimento, usamos menos água e mais saquinhos de chá. Despeje a solução de chá de frutas em uma tigela grande. Se você não tiver saquinhos de chá de frutas, pode usar suco de beterraba vermelha, suco de framboesa ou até tinta vermelha.

12) Quando a peça de vidro atingir a temperatura ambiente, você pode deslizá-la cuidadosamente na tigela e deixá-la de molho por alguns minutos.

13) À medida que o processo de imersão se processa, você pode começar a cobrir o lado condutor de uma segunda peça de vidro com bastante grafite que pode ser obtida com um lápis de grafite. Este revestimento funcionará como um catalisador para o transporte de elétrons para o eletrólito do eletrodo.

14) Em seguida, retire o pedaço de vidro condutor do banho de chá. A camada de óxido de titânio terá absorvido a cor do chá (consulte o centro da imagem). Depois disso, lave o vidro com água limpa ou etanol e use um secador de cabelo para se livrar de cada gota de água.

15) Em seguida, disponha as duas peças de vidro com as superfícies condutoras voltadas uma para a outra e as extremidades deslocadas. Você deve tomar muito cuidado para que ambos os vidros não deslizem, pois isso pode fazer com que o TiO2 seja esfregado.

16) Depois disso, as peças de vidro podem ser mantidas juntas usando clipes de papel (ligeiramente modificados ou usando fita adesiva normal enrolada em torno deles.

17) Agora, adicione o eletrólito entre as duas peças de vidro. Recomenda-se colocar algumas gotas de eletrólito em cada lado das peças de vidro e elas serão puxadas entre os copos devido à ação capilar.

18) É isso aí, sua célula solar sensibilizada por corante à base de suco de fruta está agora pronta para teste. Usando o multímetro, você pode medir a tensão (cerca de 0,4 V) e a corrente (cerca de 1 mA). Por causa da iluminação do estúdio, os resultados vão variar um pouco. Além disso, você pode usar vários clipes de crocodilo para estender mais células em série.

Desconsideraremos a etapa de vedação das peças de vidro, como é feito com células solares sensibilizadas por corantes industrializadas. Isso nos permite utilizar os pedaços de vidro novamente e, nesse caso, tudo o que você precisa fazer é separá-los e lavar bem suas superfícies com água e esfregá-los suavemente. Como não é possível remover completamente o revestimento de grafite, recomendamos a utilização do vidro contra-eletrodo novamente para o propósito exato em experimentos futuros.

Cortesia da imagem: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0

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FONTE


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