How to make Dye-Sensitized Solar Cell หรือโซล่าเซลล์จากชาผลไม้

นวัตกรรมของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อการย้อมสีได้ขยายศักยภาพของอุปกรณ์ไปจนถึงจุดที่อาจทำลายเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนที่มีราคาแพงได้อย่างสมบูรณ์

บทความต่อไปนี้จะอธิบายถึงวิธีการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อสีย้อมอเนกประสงค์นี้อย่างง่ายดายโดยใช้วัสดุธรรมดา ๆ

การทดลองนี้อาศัยแนวคิดในการใช้สารประกอบอินทรีย์ในพืชโดยเฉพาะสีย้อมอินทรีย์เพื่อทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอนในเซลล์แสงอาทิตย์

แทนที่จะใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ซิลิกอนในเซลล์แสงอาทิตย์เราใช้ไททาเนียมออกไซด์ (TiO2) ซึ่งเป็นเซมิคอนดักเตอร์ด้วย คุณสมบัติของ TiO2 ช่วยให้สามารถดูดซับแสงแดดได้ดียิ่งขึ้นหากมีการ 'ไวแสง' ด้วยสีย้อมออร์แกนิก

ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อการย้อมสีสูงกว่า 1 ใน 3 ของประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ทั่วไปถึง 7% แม้ว่านี่จะไม่ใช่ข้อได้เปรียบที่กว้างขวาง แต่เซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อการย้อมสีก็มีราคาถูกกว่าเนื่องจากกระบวนการผลิตที่ง่ายกว่าเมื่อเทียบกับเซลล์ซิลิกอนซึ่งมีความซับซ้อนเช่นกัน

เซลล์แสงอาทิตย์แห่งอนาคต?

แม้ว่าเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อการย้อมสีอาจใช้เวลาสองสามปีจึงจะประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ แต่ก็ยังคงอยู่ในเส้นทางที่ถูกต้องหากปัญหาบางอย่างได้รับการแก้ไข

ประการแรกปัญหาความเสถียรในระยะยาวของเซลล์จะต้องได้รับการแก้ไขเนื่องจากในที่สุดออกซิเจนจะทำลายมันเมื่อเวลาผ่านไป

สีย้อมที่เหมาะสมสามารถนำออกจากราสเบอร์รี่หรือชาผลไม้ เพิ่มส่วนประกอบอื่น ๆ อีกเล็กน้อยเช่นแก้ว emissivity ต่ำ (low-E) และไททาเนียมออกไซด์และคุณมีส่วนผสมทั้งหมดในการสร้างชุด ในการทดลองนี้เราใช้ชาโรสฮิปสำหรับย้อมสีแดง

วัสดุที่จำเป็น

• แผ่นกระจก (ชิ้น) ที่มีชั้นนำกระแสอยู่ด้านหนึ่ง มีอยู่ในชุดอุปกรณ์และสามารถพบได้ทั่วไป หรือคุณสามารถเลือกใช้กระจก Low-E และหาได้จากเครื่องเคลือบเนื่องจากวัสดุนี้รวมอยู่ในการผลิตหน้าต่างฉนวนกันความร้อน ขอแนะนำให้ใช้สองชิ้นขนาด 5 x 2 ซม.
• TiO2 และโพลีเอทิลีนไกลคอล หลังเป็นส่วนผสมมาตรฐานในขี้ผึ้งต่างๆ แต่ในการทดลองนี้ใช้เพื่อระงับไททาเนียมออกไซด์
• สินค้าเหล่านี้สามารถซื้อได้จากนักเคมีในพื้นที่ คุณต้องตรวจสอบให้แน่ใจด้วยว่าโพลีเอทิลีนไกลคอลมีน้ำหนักโมเลกุล 300 นอกเหนือจากการเป็นของเหลว
• หากคุณซื้อชุดอุปกรณ์จากอินเทอร์เน็ตมักจะมาพร้อมกับระบบกันสะเทือนสีขาวซึ่งช่วยให้ทุกอย่างง่ายขึ้น คุณสามารถทราบได้อย่างแน่นอนว่าขนาดอนุภาคของ TiO2 นั้นแม่นยำ (ประมาณ 20 นาโนเมตร) และแยกได้อย่างประณีตซึ่งเป็นสิ่งที่ท้าทายอย่างยิ่งที่จะได้รับหากคุณทำด้วยตัวเอง
• คุณสามารถใส่ยาสีฟันสีขาวทิป - เอ็กซ์สีขาวหรือสารที่คล้ายกันซึ่งประกอบด้วยไททาเนียมออกไซด์เป็นสารทำให้ขาว
• ในการทดลองนี้เราได้ใช้สารละลายไอโอดีนในเอทานอล 65% เป็นอิเล็กโทรไลต์ แม้ว่าจะทำงานได้ดี แต่ก็ผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากเท่ากับอิเล็กโทรไลต์ทั่วไปเพียงหนึ่งในสามเท่านั้น
• ชาผลไม้ที่ใช้ในการทดสอบของเราคือโรสฮิป แต่ชบาก็ใช้ได้เช่นกัน
• เตาแก๊สและไฟแช็ก
• ขาตั้งห้องปฏิบัติการหนึ่งตัวพร้อมที่หนีบแหวนและหน้าจอ หน้าที่ของหน้าจอคือรองรับกระจกระหว่างการอบ
• ปิเปต แต่ถ้าคุณไม่มีก็สามารถใช้หนึ่งช้อนชาทดแทนได้โดยปล่อยให้สารแขวนลอยไททาเนียมออกไซด์หยดลงบนแก้ว
• แหนบกาต้มน้ำกาน้ำชาไดร์เป่าผมและ Sellotape
• แผ่นอลูมิเนียมฟอยล์
• จานเพาะเชื้อหรือชามแบนธรรมดาหรือจานซุป
• ดินสอกราไฟท์และแผ่นแก้วหรือพลาสติกสำหรับกระจายไททาเนียมออกไซด์
• มัลติมิเตอร์หนึ่งชุด

เซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อการย้อมสีทำงานอย่างไร

โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อการย้อมสีประกอบด้วยแผ่นกระจกแบนสองแผ่นที่มีชั้นนำไฟฟ้าด้านหนึ่ง สารเคลือบที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้ามักทำจากโลหะออกไซด์

มีการระบุผลึก TiO2 (ประมาณ 10 μm) ที่มีขนาดประมาณ 20 นาโนเมตรซึ่งถูกอบเข้าด้วยกันเพื่อสร้างชั้นที่มีรูพรุนระหว่างกระจกทั้งสองชิ้น

จากนั้นสีย้อมจะถูกวางลงบนเคลือบที่มีรูพรุนนี้ ในอุตสาหกรรมสีย้อมที่เลือกใช้สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อแสงประกอบด้วยรูทีเนียมโลหะมีตระกูล

อย่างไรก็ตามสามารถใช้สีย้อมสีแดงที่มีอยู่ตามธรรมชาติเพื่อการทดสอบตามวัตถุประสงค์ เนื่องจากขนาดที่เล็กมากอย่างไม่น่าเชื่อของผลึกไทเทเนียมออกไซด์และช่องว่างระหว่างพวกเขาโครงสร้างที่มีรูพรุนจึงมีพื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพขนาดใหญ่และการเคลือบสีย้อมมีความบางอย่างน่าทึ่ง

นี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำงานที่ถูกต้องเนื่องจากสีย้อมเป็นตัวนำไฟฟ้าที่มีหมัด

ในขณะที่แสงกระทบโมเลกุลสีย้อมมันจะยิงอิเล็กตรอนเข้าไปในไททาเนียมไดออกไซด์

อิเล็กตรอนรวมตัวกันในสารเคลือบที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า (อิเล็กโทรดทำงาน) ซึ่งอยู่ระหว่างไททาเนียมออกไซด์และแผ่นแก้ว

จำเป็นต้องมีชั้นนำไฟฟ้าอีกชั้นหนึ่งที่ด้านพลิกเพื่อทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดเคาน์เตอร์และช่องว่างระหว่างอิเล็กโทรดจะถูกตกแต่งด้วยสารละลายอิเล็กโทรไลต์

นี่คือที่ที่ใช้สารละลายเกลือไอโอดีนอย่างง่ายแทนที่จะใช้อิเล็กโทรไลต์อะซิโทไนไตรล์ในอุตสาหกรรมซึ่งมีความระเหยและเป็นพิษมาก โมเลกุลของไตรไอโอไดด์ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ถูก 'บังคับ' ให้ไปถึงด้วยอิเล็กโทรดเคาน์เตอร์เพื่อสร้างโมเลกุลของไอโอไดด์

สิ่งนี้จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อมีการนำตัวเร่งปฏิกิริยาเข้ากับอิเล็กโทรดและนั่นคือจุดที่กราไฟต์จากดินสอเข้ามาสำหรับในระดับอุตสาหกรรมตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้คือแพลตตินั่มที่มีราคาสูง

การทดลองนี้เรียกร้องอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนส่วนเกินบนอิเล็กโทรดอื่นทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าที่สามารถแตะเข้าไปได้

การไหลของกระแสอาจเกิดขึ้นได้หากเชื่อมต่ออิเล็กโทรดภายนอกโดยใช้โหลด

โมเลกุลของไอโอไดด์ภายในสารละลายจะละทิ้งอิเล็กตรอนไปยังสีย้อมและแปลงเป็นโมเลกุลไตรไอโอไดด์ในระหว่างกระบวนการซึ่งจะทำให้วงจรไฟฟ้าสมบูรณ์

พื้นผิวของเซลล์แสงอาทิตย์เป็นกระจกหน้าต่างปกติที่มีความหนาประมาณ 2 มม. โดยมีชั้นโลหะออกไซด์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า (เช่นสังกะสีออกไซด์) น่าเสียดายที่ไม่สามารถทำเคลือบนี้ได้ด้วยตัวคุณเอง

ขั้นตอนทีละขั้นตอน

ขั้นตอนทีละขั้นตอนในการทำเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อการย้อมสีแสดงไว้ด้านล่างพร้อมคำอธิบายและรูปภาพ

ขนาดอนุภาคของผงไทเทเนียมอยู่ที่ประมาณ 15-25 นาโนเมตรดังที่แสดงด้านล่าง

1. ผสมกับ โพลีเอทิลีนไกลคอล ซึ่งเป็นสารอิมัลซิไฟเออร์ที่มีความมันและคนส่วนผสมอย่างระมัดระวังจนได้ครีมที่มีความหนืด

2) สำหรับอิเล็กโทรไลต์คุณสามารถเลือกใช้ไอโอดีนในเอทานอลได้ แต่ผลลัพธ์อาจต่ำกว่าค่าเฉลี่ยเมื่อเทียบกับอิเล็กโทรไลต์รีดอกซ์ที่มีจำหน่ายทั่วไป

3) หยิบมัลติมิเตอร์และตั้งค่าช่วงความต้านทานเพื่อดูว่าด้านใดของชิ้นแก้วเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

4) จากนั้นยึดกระจกบนโต๊ะโดยใช้ Sellotape ในขณะที่วางด้านที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าให้หงายขึ้น

5) หากคุณมีปิเปตให้ดึงครีมหรือครีม TiO2 ออกมาแล้วหยดหลาย ๆ หยดบนพื้นผิวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าของแก้ว

6) จากนั้นใช้บัตรพลาสติกหรือชิ้นแก้วอื่นเคาะหยดให้ละเอียด ลองใช้เสื้อโค้ทแบบสม่ำเสมอโดยค่อยๆเลื่อนชิ้นแก้วไปวางบน Tio2

7) จากนั้นดึงแผ่นป้ายขึ้นรอบ ๆ แก้วให้พ้นจากโต๊ะ

8) ขอแนะนำให้อบเคลือบในเตาอบหรือบนเปลวไฟเช่นเตาแก๊ส อุณหภูมิที่คาดว่าจะอยู่ที่ประมาณ 450 ° C เมื่อตั้งค่าแล้วให้จัดหน้าจอรองรับเหนือเปลวไฟเพียงไม่กี่เซนติเมตรและวางชิ้นแก้วด้วยการเคลือบ TiO2 ที่ด้านบน

9) ชั้นไทเทเนียมออกไซด์จะเปลี่ยนสีเป็นสีน้ำตาลเมื่อเริ่มขั้นตอนการอบเนื่องจากมีสารอินทรีย์ แต่คุณต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าสีของ TiO2 เปลี่ยนเป็นสีขาวในระหว่างสิ้นสุดกระบวนการ

10) ขอแนะนำอย่างยิ่งให้เผื่อเวลาในการทำความเย็นที่เหมาะสมสำหรับกระจกมิฉะนั้นอาจทำให้กระจกแตกได้ เคล็ดลับคือการเลื่อนกระจกไปยังบริเวณที่เย็นกว่า (โดยปกติจะอยู่ใกล้ขอบ) และอย่ารีบเคลื่อนออกจากหน้าจอที่ร้อน

11) ได้เวลาเตรียมชาผลไม้ด้วยน้ำเดือด ในการทดลองของเราเราใช้น้ำน้อยลงและใช้ถุงชามากขึ้น เทสารละลายชาผลไม้ที่ชงแล้วลงในชามขนาดใหญ่ หากคุณไม่มีถุงชาผลไม้คุณอาจซื้อน้ำบีทรูทน้ำราสเบอร์รี่หรือแม้แต่หมึกแดงก็ได้

12) เมื่อชิ้นแก้วได้ที่อุณหภูมิห้องแล้วคุณสามารถเลื่อนลงในชามอย่างระมัดระวังและปล่อยให้แช่ไว้หลายนาที

13) เมื่อผ่านกระบวนการแช่คุณสามารถเริ่มปิดด้านที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าของชิ้นแก้วที่สองด้วยกราไฟท์จำนวนมากซึ่งหาได้จากดินสอกด สารเคลือบนี้จะทำหน้าที่เป็นตัวเร่งในการขนส่งอิเล็กตรอนไปยังอิเล็กโทรไลต์จากอิเล็กโทรด

14) จากนั้นนำชิ้นแก้วที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าออกจากอ่างชา ชั้นไทเทเนียมออกไซด์จะดูดซับสีของชาไว้ (อ้างอิงจากตรงกลางภาพ) หลังจากนั้นล้างแก้วด้วยน้ำสะอาดหรือเอทานอลและ ใช้ไดร์เป่าผมเพื่อกำจัดน้ำทุกหยด .

15) จากนั้นจัดเรียงชิ้นแก้วทั้งสองเข้าด้วยกันโดยให้พื้นผิวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าหันเข้าหากันและปลายหักล้างกัน คุณต้องใช้ความระมัดระวังเป็นอย่างยิ่งว่าแว่นทั้งสองจะไม่เลื่อนหลุดเพราะอาจทำให้ TiO2 ถูออกได้

16) หลังจากนี้สามารถยึดชิ้นแก้วเข้าด้วยกันโดยใช้คลิปหนีบกระดาษ (ดัดแปลงเล็กน้อยหรือใช้ Sellotape ปกติพันรอบ ๆ

17) ตอนนี้เพิ่มอิเล็กโทรไลต์ระหว่างชิ้นแก้วทั้งสอง ขอแนะนำให้คุณวางอิเล็กโทรไลต์สองสามหยดที่ด้านข้างของชิ้นแก้วแต่ละชิ้นและจะถูกดึงระหว่างแว่นตาเนื่องจากการกระทำของเส้นเลือดฝอย

18) เท่านี้เซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อการย้อมสีน้ำผลไม้ของคุณก็พร้อมสำหรับการทดสอบแล้ว การใช้มัลติมิเตอร์คุณสามารถวัดแรงดันไฟฟ้า (ประมาณ 0.4 V) และกระแสไฟฟ้า (ประมาณ 1 mA) เนื่องจากการจัดแสงของสตูดิโอผลลัพธ์จะแตกต่างกันเล็กน้อย นอกจากนี้คุณสามารถใช้คลิปจระเข้หลายตัวเพื่อขยายเซลล์เพิ่มเติมในอนุกรม

เราจะเพิกเฉยต่อขั้นตอนการปิดผนึกชิ้นแก้วเช่นเดียวกับเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อสีย้อมอุตสาหกรรม สิ่งนี้ทำให้เราสามารถนำเศษแก้วกลับมาใช้ประโยชน์ได้อีกครั้งและในกรณีนี้สิ่งที่คุณต้องทำคือแยกมันออกและล้างพื้นผิวด้วยน้ำให้สะอาดแล้วขัดเบา ๆ เนื่องจากไม่สามารถขจัดสารเคลือบกราไฟท์ได้ทั้งหมดดังนั้นเราจึงแนะนำให้ใช้กระจกเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดอีกครั้งเพื่อวัตถุประสงค์ที่แน่นอนในการทดลองในอนาคต

เอื้อเฟื้อภาพ: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0