5 Lichide ionice ca electroliți în celulele solare stabile
pe termen lung
Celulele solare sensibile la toate lungimile de undă ale radiației solare (Dye-sensitized solar
cells DSSC) reprezintă o alternativă mai puțin consumatoare de energie față de celulele solare
convenționale pe bază de siliciu aflate acum în producție. În comparație cu acestea din urmă,
DSSC au și alte avantaje, cum ar fi utilizarea unui spectru mai larg de lumină, o conversie mai
eficientă a luminii difuze și opțiunilor de design flexibil. Principalele probleme de
comercializare ulterioară sunt eficiența mai scăzută și, adesea, insuficiența stabilității pe
termen lung datorată utilizării solvenților organici volatili. Cum lichidele ionice sunt foarte
versatile și non-volatile pot ca înlocui electroliți organici asigurând stabilitatea ridicată pe
termen lung și din acest punct de vedere și eficiența economică, costul de utilizare fiind mai
scăzut și.
-1-
1. Introducere
Celulele solare cu coloranți organici sau sensibilizate (Dye sensitive solar cell – DSSC) sau
celule Grätzel-Zellen (dezvoltate de Michael Grätzel [1]) servesc la transformarea energiei
solare în energie electrică prin absorbția luminii cu ajutorul unui colorant [2-4]. Celulele solare
anorganice utilizate pe scară largă, bazate pe semiconductori, în primul rând pe siliciu , care
încorporează lichide ionice pot fi produse cu cheltuieli chimice și de energie relativ scăzute
[5,6]. Acest mod mai prietenos și mai ieftin de a face celulele solare cu coloranți ar putea
contribui în mod semnificativ la dezvoltarea durabilă, mai ecologică și la tranziția energetică
[7]. În prezent , comercializarea DSSC are loc în mod constant la un anumit nivel, dar încă
destul de modest, mai ales în comparație cu convenționalele celulele solare bazate pe siliciu
anorganice. Problematică pentru celulele solare este stabilitatea pe termen lung [8]. Etanșarea
celulelor bazate pe solvenți organici și coloranți s-a dovedit a fi deosebit de critică. Solvenții
electrolitici organici convenționali utilizați, la temperaturi ridicate datorită radiației solare, în
-1-
special în lumina directă a soarelui, au probleme datorită gradului ridicat de volatilitate, care
limitează durata de funcționare a DSSC [9,10]. În plus, electroliți organici pot dizolva sau
penetra în timp polimerul de etanșare, reducând astfel performanțele celulei solare ți timpul de
funcționare. O abordare promițătoare din domeniul științei pentru a rezolva problema stabilității
pe termen lung și a mări eficiența celulelor [11,12] este utilizarea de lichide ionice (LI) , care
sunt recomandate datorită proprietăților lor unice fiind electroliți promițători pentru celulele
solare sensibile cu coloranți [13]. Acest capitol introduce pe elevi în domeniul celulelor solare
și dă căteva și exemple pentru construirea de celule solare sensibilizate cu coloranți și lichide
ionice ca soluție de electrolit. Scopul este de a detalia prin experimente simple ce înseamnă o
celulă solară a familiariza elevii cu aceste tehnologii și a arăata cum pot fi îmbunătățite celulele
solare prin utilizarea de lichide ionice. Construcția de celule solare în clasă poate fi adaptată
ușor funcție de intervalul de timp disponibil, deoarece multe din materialele necesare sunt
comercializate.
1. 2 Structura și funcționarea Celule solare organice
Celulele Grätzel sunt similare în structura și funcționare cu celulele solare anorganice bazate
pe semiconductori [14]. Diferența principală este că în celulele de solare DSSC procesele de
absorbție și de conducție a purtătorilor de sarcină sunt decuplate unele de altele. Prin utilizarea
unui colorant pentru a converti lumina soarelui în alte forme de energie, celula Grätzel poate fi
considerată ca un fel de „fotosinteza tehnică“. Structura schematică a unei celule solare
sensibilă cu coloranți este prezentată în Figura 1.
-2-
Figura 1 : Structura generală a unei celule solare sensibilă cu coloranți.
Celula Graetzel este compusă din două plăci de sticlă, care formează anodul și catodul celulei
solare, care sunt acoperite cu un strat conductor transparent care constituie electrozii [15,16].
De obicei, oxidul semiconductor de indiu și staniu (ITO „indiu thin oxide“ (In2O3)0,9 (Sn2O3)0,1)
este utilizat pentru electrozi dar mai pot fi utilizați și alți oxizi transparenți, conductori, sub
forma unor straturi groase de câteva sute de nanometri. Pe partea anodului, acest strat este
acoperit cu dioxid de titan nanocristalin, TiO 2, neacoperit pe care se aplică apoi un strat de
colorant organometalic sensibil la absorbția luminii. Dioxidul de titan în produsele obișnuite
nu este acoperit și are dimensiuni mai mari ale particulelor ceea ce conduce la o dispersie
ridicată a luminii și la o lipsă de transparență, făcându-l inutilizabil pentru celulele Grätzel.
Oxidul de titan nanocristalin (dimensiunea particulelor ≈ 20nm) este aproape transparent
pentru lumina vizibilă, care este crucială pentru performanțele celulei solare și , în plus, poate
fixa cantități mai mari de colorant pe suprafața specifică mărită. Atunci când se utilizează
particule de dioxid de titan, cu o dimensiune mai mare a particulelor indicele de refracție
ridicat al TiO2 produce o dispersie mare a luminii din domeniul vizibil al spectrului
electromagnetic, ceea ce reduce excitarea colorantului. Partea catodică a celulei Grätzel este de
asemenea realizată dintr-o placă de sticlă acoperită cu un strat subțire de electrocatalizator
conductor. Ca electrocatalizator în celulele solare performante este utilizată platina sau un metal
-3-
din grupa ei, dar este posibilă și utilizarea grafitului chiar dacă se produce o ușoară scădere a
eficienței celulei solare. Între cei doi electrozi, care sunt conectați extern prin fire conductoare
de alimentare externă, se dispune un electrolit pentru cuplaj redox. Ca sistem redox este
utilizat în majoritatea cazurilor amestecul Iodid-Triiodid I-/I3.
Pentru procesul de transfer de electroni poziția energetică a benzii de conducție a TiO2 (- 0,5 V
vs. electrod normal de hidrogen), este relevantă comparativ cu starea de sol energetic al
colorantului / fotosensitiverului (S). După fotoexcitare (1) din starea energetică fundamentală a
solului (HOMO) al sensitizerului (S) are loc excitarea în stare excitată (LUMO, S *) cu ajutorul
luminii cu o lungime de undă adecvată care determină un transfer foarte rapid de electroni de
de la colorantul excitat în banda de conducție a oxidului de titan (IV) S(2). Colorantul în sine
este oxidat la starea (S +). Când circuitul este închis, electronii se scurg prin plăcile de sticlă
conductoare acoperite și circuitul exterior la catod unde se reduc de la triiodura I 3 la iodură (3).
Iodulul migrează spre partea anodică și poate reduce sensibilizatorul la starea fundamentală
neîncărcată (4). Principiul de funcționare al celulei solare sensibilizate cu colorant este
prezentat în figura 2 și este descris de ecuațiile [17].
Figura 2 : Principiul funcțional al celulei solare colorante sensibilizate.
𝑆 (𝑇𝑖𝑂2 ) + ℎ𝜐 → 𝑆 ∗ (𝑇𝑖𝑂2 )
(1)
Fotoexcitarea sensibilizatorului:
(2)
Fotooxidarea sensibilizatorului:𝑆 ∗ (𝑇𝑖𝑂2 ) → 𝑆 + (𝑇𝑖𝑂2 ) + 𝑒 − (𝐵𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐ț𝑖𝑒)
(3)
Reducerea triiodidei (catod):
𝐼3− + 2 𝑒 − → 3 𝐼 −
-4-
(3)
3𝐼 − + 2 𝑆 + (𝑇𝑖𝑂2 ) → 𝐼3− + 𝑆 (𝑇𝑖𝑂2 )
Reducerea sensibilizatorului (anod):
Valaorea teoretică a tensiunii celulei a atins tensiunea teoretică celulară maximă a celulei
Grätzel este diferența dintre nivelul energetic a nivelului (quasi) Fermi al oxidului de titan (IV)
și potențialul redox al electrolitului este de aproximativ 0, 7V în condițiile iluminării cu lumină
solară.
1. 3 Avantaje și dezavantaje în comparație cu celulele solare convenționale
Comparativ cu celulele solare conventionale de siliciu, celulele Grätzel în general sun mult mai
durabile și necesită spre a fi produse un consum mai mic de energie și chimicale, cee ace
reprezinta o ampremtă mai mica asupra mediului [18]. Prin urmare, celula solară sensibilizate
cu coloranți este considerată o alternativă promițătoare pentru celulele solare bazate pe siliciu.
Celulele solare obișnuite necesită un siliciu foarte pur, dopat, pentru a funcționa eficient ,
obținut prin procese complexe carea au loc în mai multe etape (de exemplu la topirea în cuptoare
Siemens și un process Bridgman de creștere a cristalului) la temperaturi foarte ridicate și, prin
urmare, un consum mare de energie .
Deoarece celulele solare sensibile la coloranți sunt relativ tolerante față de impurități, etapele
de purificare, timpul de producție și energa consummate sunt minimalizate [19]. Celulele DSSC
pot fi utilizate în lumină difuză pentru a genera electricitate, la niveluri de lumină mai scăzute,
cum poate fi lumina ambientală pe timp noros [20]. De asemenea, pot fi concepute aplicații la
scară largă în interiorul clădirilor, de exemplu sub formă de tapet generator de energie electrică.
Costul lor efectiv și procesul tehnologic de producție simplu ar putea, în special, le recomanda
pre implementare în țările în curs de dezvoltare și țările cu economie emergentă contribuind la
dezvoltarea durabilă. Alt avantaj este scalabilitatea lor, fabricarea de straturi foarte subțiri și
flexibile, precum și adaptarea lor de către arhitecți și designeri funcție de alegerea coloranților
sensibili la lumina soarelui sau alegerea culorilor dorite [21].
Comparativ cu celulele solare convenționale care au eficiență de 15-22% celulele DSSC au o
eficiență mai scăzută de obicei 8 - 13%, dezavantaj ce poate fi compensate de costul
semnificativ mai mic de fabricatie. Încercările de creștere a eficienței celulelor DSSC sunt
foarte diverse și includ optimizarea tuturor componentelor celulei, cum ar fi fotoanodul [22,23],
coloranților sau sensibilizatoarele [24], materialele catodice [25,26], cuplajele redox [27] sau
electroliții [28]. Cu toate acestea, un mare dezavantaj al celulelor solare cu coloranți constă în
lipsa de stabilitate pe termen lung a celulelor și foarte mulți cercetatori din întreaga lume caută
soluții pentru a rezolva această problemă. Comparativ cu celulele convenționale
semiconductoare organice, celulele solare Grätzel se mențin la un nivel scăzut pe piața celulelor
-5-
solare. În schimb mulți cercetători văd în această tehnologie un potențial enorm în viitor pentru
producția de energie electrică din surse regenerabile și o tehnologie mai durabilă [29].
1. 4 Lichidele ionice ca electrolit pentru celula solară sensibilizată cu coloranți
După cum sa menționat mai sus este o problemă majoră a celulei Grätzel este insuficienta sa
stabilitate pe termen lung, care este cauzată în principal de degradare a colorantului și de
pierderea electrolitului [30]. Descompunerea coloranților, care duce la o pierdere lentă de
energie recuperată, este acum gestionabilă prin utilizarea complecșilor metalici care sunt termic
și fotochimic stabile. Mai problematică este uscarea electrolitului, chiar dacă se utilizează
solvenți organici cu punct de fierbere ridicat. Solvenții organici convenționali (cel mai utilizat
este acetonitrilul) au întotdeauna o anumită presiune a vaporilor, care crește semnificativ cu
temperatura. În lumina directă a soarelui aceată temperatură crește; temperaturile obișnuite de
operare sunt de aproximativ 80°C; și poate duce la deteriorări mecanice datorită presiunii care
determină dilatarea mecanică și eventual distrugerea (umflarea sau deformarea celulei) [31].
Datorită tensiunilor mecanice suplimentare și micro-fisurilor care pot apărea în materialul de
etanșare se pot produce pierderi de solvent. Evitarea pierderilor de electrolit poate fi făcută prin
utilizarea unui solvent organic care un are tensiune de vapori ridicată pentru a nu umfla
materialul polimeric. Sunt cazuri în care materialul de etanșare este penetrat de solvent și apare
o pierdere prin difuzie din celulă (fenomen dependent de temperatura). O abordare
promițătoare, dezvoltată de diferite grupuri de cercetare, este utilizarea de lichide ionice ca
electroliți, deoarece acestea oferă o combinație de proprietăți bune pentru această aplicație [32].
S-a demonstrat că LI sunt adecvate ca electroliți pentru DSSC, cu eficiență relativ ridicată [33].
Datorită structurii lor ionice, forțele intermoleculare dominante sunt interacțiuni Coulomb,
astfel încât acestea sunt non-volatile și au o presiune de vapori extrem de scăzută chiar și la
temperaturi foarte ridicate, ceea ce determină creșterea timpului de viață a celulelor DSSC [34].
Pentru utilizare ca electrolit stabil pe termen lung lichide ionice sunt recomandate de înalta lor
stabilitate termică, chimică, electrochimică și de conductivitatea intrinsecă ridicată, ca urmare
a structurii lor ionice ideale. În intervalul de temperatură al aplicației, pentru utilizare în celula
Grätzel sunt disponibili numai reprezentanți cu punct de topire sub temperatura ambiantă.
Deoarece lichidele ionice au adesea polarități semnificativ mai mari decât solvenții organici,
ele prezintă interacțiuni slabe cu substanțele de etanșare polimerice nepolare. În consecință ,
multe lichide ionice au o tendință foarte scăzută de a se umfla și de a penetra materialele de
etanșare. În plus, vâscozitatea mai mare în comparație cu cea a solvenților organici previne
scurgerea prin fisurile carea r putea apare în timp. Influența pozitivă a utilizării electroliților LI
-6-
asupra stabilității pe termen lung a celulelor solare cu coloranți a fost demonstrată în numeroase
exemple [35,36]. Multe LI utilizate în DSSC au iodura ca un anion, astfel încât nu există nici o
problema de solubilitate aa triodurii utilizată frecvent ca sistema redox. Vâscozitatea crescută
a LI care conțin iodură și transportul de sarcini electrice mai lent asociat poate fi apoi
compensat, de exemplu, prin amestecarea cu un alt LI cu vâscozitate mai scăzută [37]. În unele
metode alternative se investighează utilizarea LI în electrolit de tipul gelului polimer, în loc de
electroliții lichizi, mai frecvent utilizați [38,39]. În plus, lichide ionice oferă un nivel crescut de
securitate prin non-volatilitatea lor și non-inflamabilitate în timpul procesului de fabricație și
poate, în procesele industriale de producere în masă de DSSC, depus prin pulverizare [40], fără
pierderi prin evaporare, sub forma unor straturi subțiri.
2. Experimente cu celule solare cu coloranți senzitivi cu
lichide ionice
Datorită actualității subiectului dedicat trecerii de la combustibililor fosili spre o proporție din
ce în ce mai mare de combustibili regenerabili și energii alternative utilizate o importanță este
acordată celulelor solare cu durabilitate crescută printer care și DSSC cu LI. Din această
perspectivă sunt recomandate experimente pentru elevi, studenți și profesori care să atragă
atenția asupra domeniului [41]. Prin aceste experimente se face o referire directă la problemele
științifice actuale și la modul în care noile tehnologii pot contribui la conturarea unei dezvoltări
mai durabile a mediului economic și social. Experimentele prezentate în acest capitol un
necesită un grad de precizie foarte ridicat și oferă rezultate relevante chiar și pentru persoanele
mai puțin experimentate în domeniu. Materialele utilizate în diferitelor etape de producție sunt
toate disponibile comercial și , prin urmare, oferă un grad ridicat de diversitate, în special în
măsura timpului alocat, în funcție de experiment putând fi effectuate în clasă în etape. Cu
ajutorul acestor experimente, elevii și studenții pot explora experimental câteva procese fizice
și chimice de bază din domeniul DSSC și LI și pot fi sensibilizați cu privire la aspecte precum
dezvoltarea durabilă și protecția mediului.
Pentru protecția persoanelor implicate în aceste experimente ale elevilor sau demonstrative ale
profesorului, trebuie aplicate măsurile de protecție obișnuite pentru laboratoare (ochelari de
protecție, halate de laborator și mănuși de protecție). Materialele utilizate ca și componente
structurale, cum ar fi plăci de sticlă conductoare, plăci de sticlă conductoare deja acoperite cu
bioxid de titan (IV), pastă de oxid de titan sau soluții de electrolit organic pentru celule solare
cu coloranți senzitivi pot fi obținute de la diverși furnizori. De exemplu, componentele
-7-
concepute pentru a satisface nevoile studenților și experimentele demonstrative cu DSSC pot fi
găsite în furnizorii olandezi Man Solar (www.mansolar.nl). Lichidele ionice utilizate precum
1-propil - 3-metilimidazoliu - iodura [Pr MIM] [I] (a se vedea mai jos) pot fi preparați fie în
cadrul lucrărilor de laborator fie pot fi achiziționați de la diferiți furnizori comerciali, în
Germania, de exemplu, de la compania IoLiTec (Ionic Liquids Technologies GmbH www.iolitec.de).
2.1 Experimente pregătitoare
În această subcapitol fabricarea unei DSSC este discutată în detaliu precizând materialele
necesare care permit producerea unei unități de bază. Dacă este disponibil mai puțin timp,
această secțiune poate fi ignorată și pot fi utilizate produse comerciale. Ca și componente pentru
construcția de DSSC cu lichid ionic este utilizată iodura de 1-metil-3-propylimidazolium (pe
scurt [PrMIM] [I]) ca solvent pentru soluția electrolitică, plăcile de sticlă conductive și
producerea de diferiți coloranți.
2.1 .1 Producerea lichidului ionic
Lichidul ionic utilizat în experimentele ce urmează în acest capitol poate fi produs printr-un
procedeu de sinteză relativ simplu, rentabil din punct de vedere economic, pornind de la 1metilimidazol și 1-iodopropan. Este o reacție de substituție nucleofilă. Produsul final este
sensibil la umiditate și trebuie să fie păstrat într-un vas închis. Schema de reacție și formula
structurală a lichidului ionic 1 methyl-3-propylimidazole-ium-iodide [PrMIM] [I] sunt
prezentate în figura 3.
Figura 3 : Sinteza și structura 1 Methyl-3-propyl-imidazolium-iodid [PrMIM][I]
-8-
Sinteza prezentată aici este pentru o cantitate de 10g, dar cantitatea poate fi mărită sau scăzută
după cum este necesar.
Dispozitive: Două baloane de 100mL cu două gâturi; Balon de 50mL cu un gât; Balanță;
Termometru; Condensor de reflux mic; Agitator magnetic cu termometru de contact și Baie de
ulei; Seringi marcate cu indicații de volum; Suporturi de aparatură de laborator; Baghete de
sticlă pentru amestecare; Pahar de 250mL; Sâmbure de maslină ¿ Kernolive ; Pompă de vid;
Furtunuri de vid; Eprubete.
Produse chimice : 1 - Metilimidazol (GHS05: Coroziv; GHS07: Atenție), 1 - iodpropan
(GHS02: Inflamabil; GHS06: Toxic), acetonitril (GHS02: Inflamabil; GHS07 Atenție), acetat
de etil (GHS02: Inflamabil; GHS07 Atenție), clorură de sodiu, gheață.
Mod de lucru: Pentru sinteză se adaugă 3,2mL de 1-metilimidazol (3,3g , 40 mmol, 1 echivalent)
și 4,6mL de 1-iod popan (8,1g, 48mmol, 1,2 echivalent) într-un vas de 100mL cu două gâturi
și este dizolvat în 25mL de acetonitril. Termometrul intern și condensorul de reflux sunt
montate pe balon. Apoi vasul este introdus într-o baie de ulei dotată cu un agitator magnetic și
cu un termometer de contact. Timp de aproximativ 48 ore la temperatura de 40°C amestecul
este agitat, iar răcit condensorul de reflux slab este atașat instalației. După răcire soluția este
transferată într-un pahar de 250mL și 150mL de acetat de etil este adăugat. Se formează o a
doua fază insolubilă în acetat de etil. După separarea completă a fazelor, faza superioară este
decantată cu atenție de celelate reziduuri și ceea ce rămâne este din nou amestecat cu 50mL de
acetat de etil. După o scurtă agitare viguroasă faza superioară se decantează cu atenție din nou
înainte de procedura de spălare cu 50mL acetat de etil; procedura se repetă de două ori. Reziduul
este transferat într-un balon cu fund rotund de 50 mL care este cântărit înainte de experiment.
Balonul este prevăzut cu un miez de măslină și conectat prin intermediul unui furtun de vid la
o pompă de vid. Balonul de spălare este răcit cu un amestec de apă cu gheață și sare. Balonul
de sinteză se încălzește lent într-o baie de ulei cu termometru de contact la 70°C sub vid și cu
agitare intensă. Balonul se încălzește până când nu mai poate fi observat bule de gaz timp de
aproximativ 30 de minute și se urmărește ca greutatea balonului să rămână constantă.
Observație: Soluția la început limpede își schimă culoarea la galben deschis în timpul reacției.
După spălare cu acetat de etil, reziduul obținut este de vâscozitate scăzută, în timp ce produsul
lichid obținut prin procedeul de vidare conduce la un produs cu vâscozitate mult mai mare.
După procedura de răcire în vasul barbotor se obține un lichid fară culoare cu un miros
-9-
caracteristic de acetat de etil (adeziv sau lac de unghii). Greutatea produsului obținut este ușor
sub valoarea așteptată. Reziduul este un lichid vâscos, galben.
Interpretare: Succesul reacției de siteză este indicat de precipitarea lichidului ionic în acetat de
etil. Lichidul ionic este relativ polar, spre deosebire de materialele de pornire nepolare, și este
insolubil în solventul nepolar de acetat de etil formând un amestec în două faze. În consecință,
lichidul ionic rezultat poate fi purificat prin extracția reactanților cu solventul nepolar acetat de
etil. Reziduul după spălare cu acetat de etil are o vâscozitate mai scăzută decât reziduul tratat
sub vid, deoarece o cantitate de acetat de etil este încă dizolvată în lichidul ionic. Prin încălzire
și vidare, acest reziduu este îndepărtat și colectat în flaconul de spălare care este răcit de
amestecul de apă și gheață. Produsul obținut este lichidul pur ionic, care are o vâscozitate
semnificativ mai mare. Vâscozitatea relativ ridicată a LI pur poate fi explicată prin forța
puternică, direcționată Coulomb, care este interacțiunea intermoleculară dominantă în lichidele
ionice. Delocalizare centrului de sarcină al anionului iodid în comparație cu anionii aromatici
obișnuiți contribuie semnificativ la vâscozitatea ridicată observată. Dimpotrivă, interacțiunea
van der Waals, în mod semnificativ mai slabă, non-direcțională, este forța intermoleculară
dominantă în solvenții organici. Ca rezultat, interacțiunea în compuși moleculari este
semnificativ mai mică decât în compușii ionicii ceea ce explică vâscozitatea scăzută și
volatilitatea solventilor convenționali. Datorită volatilității acetatului de etil acesta poate fi
îndepărtat prin distilare în vid. Greutatea ușor mai mică a produsului de reacție decât cea
preconizată se datorează reacțiilor incomplete și pierderilor în timpul procesului de spălare.
2. 1. 2 Pregătirea pastei de dioxid de titan pentru acoperirea plăcilor de sticlă
Producția opțională a pastei de oxid titan (IV) utilizată pentru acoperirea anodului este descrisă
în acest subcapitol. Pasta realizată în laborator asigură rezultate comparabile cu pasta
comercială pentru celulelor solare DSSC. Deși TiO2 este pigmentul cel mai frecvent utilizat în
multe produse comerciale (de exemplu, vopsele, creme de protecție solară sau pastă de dinți),
aceste surse sunt nepotrivite pentru utilizarea în realizarea pastei de acoperire a anodulului
celulelor solare cu coloranți sensibili datorită acoperirilor aplicate nanoparticulelor sau a
dimensiunilor prea mari ale acestora. Plăcile deja acoperite sunt comercial disponibile dar oferă
rezultate comparabile cu cele care se pot produce în laborator prin acoperirea cu pasta a cărei
obținere este descrisă în cele ce urmează. Pasta produsă poate fi ușor păstrată într - un vas închis
și utilizată atunci când este necesar. Vasul trebuie agitat viguros chiar înainte de utilizare.
-10-
Echipamente: Mojar și pistil ; Mască de praf.
Produse chimice : Pudră de dioxid de titan neacoperite ≈ 20nm dimensiunea de particulă; de
ex. Degussa AEROXIDE® P- 25 cu 21nm dimensiunea medie a particulelor (fără pictograme
GHS); 1 acid acetic molar (GHS05: caustic).
Mod de lucru : Pentru prepararea pastei de oxid de titan (IV) se iau 6g de pulbere de TiO 2 și se
pun în mojar. Se adugă în picături în total 8mL de acid acetic 1 M și cu blândețe se mojarează
amestecul astfel încât este contracarată formarea bulgărilor (aglomeratul). Pulberea trebuie
înglobată cu atenție în lichid astfel încât să nu se producă praf care ar putea fi inhalat.
Observație : După câteva minute de mojarare, se obține o pastă albă omogenă, fără bulgări, care
este adecvată pentru acoperirea anozilor celulelor solare cu coloranți sensibili. Dispersia foarte
concentrată obținută este stabilă mult timp și un sedimentează ușor. Prepararea pastei este
prezentată în figura 4.
Figura 4 : Pregătirea pastei de dioxid de titan.
Interpretare: Datorită dimensiunilor de nanometrii a particulelor din dioxidul de titan pulbere,
acestea sunt foarte ușoare și pot fi învârtite în jurul lor atunci când se lucrează neatent ceea ce
conduce la formarea de aglomerate. Pudra de TiO2 nanostructurată are un raport foarte mare
suprafață-volum, care contribuie la adsorbția unui număr mare de molecule de coloranți
sensibili și, astfel, la o generare eficientă de energie. La prepararea pastei nu are loc nicio reacție
chimică, ci doar o dispersie a solidului în soluția de acid acetic. Datorită conținutului ridicat de
substanțe solide se obține o pastă omogena precum pastele care sunt utilizate la lustruirea unor
obiecte.
2. 1. 3 Acoperirea plăcilor de sticlă cu dioxid de titan
-11-
Acoperirea plăcilor de sticlă care sunt deja coperite cu un strat conductor electric poate fi făcută
cu produce comerciale sau cu pasta de dioxid de titan (IV) preparată conform indicațiilor din
paragraful anterior. Deoarece, de obicei, numai o parte a plăcilor de sticlă este acoperităcu un
strat conductor transparent (adică invizibil), trebuie descoperită această suprafață să fie
identificată cu ajutorul unei măsurători de rezistență electrică.
Echipamente și produse chimice: Placi de sticlă acoperite cu un strat subțire de material
conductor (de exemplu, TCO Glass panel disponibile, printre altele de la firma Man Solar
www.mansolar.nl); Multimetru; Bendă adezivă; Spatuleș Pipete de unică folosință; Tijă din
sticlă; Arzător Bunsen cu placă Ceran / placă metalică sau plasă metalică; Pastă de dioxid de
titan (preparată conform secțiunii 2.1.2 sau produs comercial); dacă este necesar, Spatulă de
plastic.
Mod de lucru: Pentru a determina suprafața plăcii de sticlă care are acoperirea conductoare
sondele multimetrului sunt plasate pe una dintre suprafeșe la distanșă de 1cm. Apăsați cu atenție
și efectuați o măsurare a rezistenței. Se măsoară apoi cealaltă parte a plăcii de sticlă. Partea
conductoare acoperită cu ITO prezintă o rezistență de aproximativ 30 până la 40 Ω, în timp ce
pentru partea neacoperită nu se obține o valoare afișată, deoarece este prea mare pentru
instrumentele convenționale. Pentru a preveni încurcare suprafețelor este recomandă ca
suprafața să fie marcată cu un marker permanent. Ulterior, placa de sticlă este plasată cu partea
conductoare în sus, pe un suport solid. O margine laterală transversală este fixată cu o bandă
adezivă de tip scotch, astfel încât aproximativ 0,5cm lățimea să fie acoperită (această bandă
trebuie să rămână liberă pentru contactul electric ce va fi realizat ulterior), cealaltă margine a
laturii transversale este acoperită cu o bandă adezivă de numai câțiva milimetri. Pentru
simplificare, se recomandă ca mai multe plăci de sticlă să fie prelucrate simultan. Pe suprafața
de sticlă liberă acum este dispusă cu o spatulă sau o pipetă de unică folosință, o picătură de
TiO2 pastă și distribuită uniform. Tija de sticlă este așezată pe banda adezivă pe două laturi
opuse. Cu bagheta de sticlă pasta este distribuita uniform fără presiune exagerată sub forma
unui film laminat de grosimea benzii adezive. Această procedură este o formă simplificată a
modului în care în procesul industrial sunt realízate astfel de acoperiri. Pasta în exces este
presată peste banda adezivă și este ștersă. Dacă este necesar, se aplică o altă picătură de pastă
suplimentară și / sau operațiile de distribuire se realizează cu ajutorul tijei de sticlă în direcția
longitudinală, astfel încât rezultatul final să fie un film foarte subțire, uniform distribuit. Banda
adezivă și excesul de pastă de dioxid de titan sunt îndepărtate daca este cazul. Cu grijă placa de
sticlă este asezată pe o placă ceramică sau de metal și apoi plasată pe o plasă metalică deasupra
-12-
arzătorului Bunsen și se coace timp de 10 minute pentru a elimina produsele volatile. După
răcire, se obține un strat alb uniform și aderent pe placa de sticlă pentru a asigura performanțe
bune a celulelor solare cu coloranți sensibili. Procesul de fabricare a plăcilor de sticlă poate fi
vizualizat în figura 5.
Figura 5: Procesul de acoperire a plăcilor de sticlă cu dioxid de titan. a ) Identificarea laturilor
conductoare cu multimetru. b) aplicarea de dioxid de titan cu ajutorul spatulei. c ) distribuirea
uniformă a pastei de TiO2 cu o tijă de sticlă, simultan pe 2 plăci de sticlă. d ) încălzirea a 7 plăci
de sticlă.
-13-
Pentru o mai bună aderență a benzii adezive față-verso pe parcursul experimentelor trebuie
utilizată o spatulă pentru a presa banda adezivă.
Observație : Pasta de dioxid de titan pur alb se solidifică în timpul coacerii, devine puțin
maronie pentru o perioadă scurtă de timp și apoi revine la un nuanță albă.
Interpretare : Procedeul de ardere îndepărtează constituenții volatili ai pastei. Substanțele
organice, cum ar fi acidul acetic sau aditivii (pasta comercială) sunt arse, provocând produse
dedescompunere pe termen scurt (rumenire), care sunt oxidate în continuare la CO2 . Placa de
sticlă este apoi acoperit cu particule nanocristaline TiO2.
2. 1. 4 Prepararea solușiilor electrolitice pentru DSSC
Soluția electrolitică în celulele Grätzel se bazează, după cum s-a menționat deja, pe cuplul redox
I-/I3- și în acord cu aceasta cele două specii trebuie să fie prezente într-un raport adecvat în
soluția electrolitică. În acest scop, iodul elemental este pur și simplu adăugat la o soluție care
conține iodură, pentru a forma poliiodidul care este de culoare roșiei. Pentru a demonstra
performanțele DSSC realízate cu lichide ionice în experimentele elevilor sau experimente
demonstrative [Pr MIM] [I] cu aproximativ 1% în greutate iod elementar s-a dovedit a fi relativ
nepericulos și foarte potrivit electrolit. La concentrații mai mici de iod, performanța celulei
scade, deoarece sunt puține specii redox presente. La concentrații semnificativ mai mari,
deoarece soluția de electrolit înconjoară colorantul și absoarbe prea prea multă lumină care nu
mai contribuie la generare de energie electrică. Soluția electrolitică preparată poate fi depozitată
într-un recipient închis pentru a împiedica contactul cu vaporii de apă. Ca sistem alternativ de
comparare, poate fi utilizată o soluție apoasă de iodură de potasiu și iod într-un raport molar de
2:1, așa-numita soluție Lugol sau o soluție electrolitică comercială
Dispozitive: Mici recipiente de sticlă cu capac, Hârtie pentru căntărire, Baghetă de sticlă sau
Spatulă de plastic.
Produse chimice : 1 - metil-3-propil imidazolium iodură [PrMIM] [I] (GHS07: Atenție), iod
(GHS07: Atenție; GHS08: Toxic; GHS09: Periculos pentru mediu).
Mod de lucru: 5,0g de 1-metil-3-propil imidazoliu - iodura sunt cântărite într-un mic de sticlă
cu capac. Separat, se cântăresc 50 mg de iod elementar pe o hârtie de cântărire și apoi se adaugă
-14-
la lichidul ionic. Cu o tijă de sticlă sau spatulă de plastic, soluția este amestecată până când este
complet omogenizată. Soluția electrolitică rezultată poate fi comparată cu un produs comercial.
Observație: Adăugarea iodului violet închis la soluția gălbuie de lichid ionic conduce la
obținerea unei soluții de culoare roșu închis. Soluția electrolitică astfel preparată este foarte
asemănătoare vizual cu un produs comercial și aproape imposibil de distins de acesta. Lichidul
ionic, soluția de electrolit preparată din acesta și comparație cu soluția de electrolit comercial
sunt prezentate în figura 6.
Figura 6 : Lichidul ionic utilizat [PrMIM] [I] (mijloc), soluția electrolitică preparată din acesta
prin adăugarea de iod (stânga) și soluție de electrolit organic comercial (dreapta).
Interpretare : Culoarea roșie închisă rezultată este caracteristică ionilor de triiodid în soluție.
Formarea are loc direct și complet după adăugarea iodului elementar în lichidul ionic prin
reacția cu anionul lichidului ionic. Soluția electrolitică comercială pare identică din punct de
vedere vizual, deoarece se bazează și pe sistemul redox iodură / triiodid.
2. 1.5 Recuperarea soluțiilor de coloranți
În principiu, pentru colorant sunt utilizate multe vopsele diferite pentru celule solare DSSC.
Din motive de simplitate și sustenabilitate, coloranții naturali [42,43] sunt potriviți pentru aceste
experimente ale elevilor și pot fi obținute direct din surse adecvate. Grupele de coloranți naturali
cu formúlele structurale și sursele acestora sunt prezentate în figura 7.
-15-
Figura 7 : Formule structurale și surse pentru diferite clase naturale de coloranți pentru celulele
solare cu coloranți sensibili.
Din punct de vedere didactic, se recomandă testarea diferiților coloranți pentru eficiența lor în
celula Grätzel. Coloranții prezentați în figura 7 au fost selectați datorită structurii lor chimice
diferită și ușurinței cu care pot fi obținuți. Pot fi imagínate și alte metode de a obține coloranți
naturali. Pentru prepararea unei soluție de colorant Antocian o linguriță de flori de hibiscus
uscate (un săculeț de ceai) se umezește cu 150mL de apă clocotită. Frunzele se ăndepartează și
infuzia obșinută este fiartă din nou și răcită. Sucul de mure sau afine care se găsește în comerț
poate fi utilizat ca soluție alternativă pentru colorant deoerece conțin pigmenți antociani. Ca o
sursă de caroten poate fi utilizat suscul de morcovi care este în comerț. Pot fi utilizați și coloranți
alimentari care sunt comercializați (E160a). Utilizarea clorofilelor are din punct de vedere
didactic un impact crescut, pentru că se poate face referire directă la procesul de fotosinteză
[24]. Performanțele obținute de o celulă solară DSSC cu clorofilă sunt mai scăzute decât cele
cu coloranți antocianici. Celulele DSSC cu caroten au cea mai mică tensiune la borne. Acest
lucru se datorează, în principal, caracterului puternic apolar al carotenelor și al fiecăruia dintre
grupurile de ancore, astfel încât acestea sunt foarte puțin legate de suprafața dioxidului de titan.
In contrast, antocianul poate și absorbit de grupările hidroxil la suprafața TiO2, mecanism prin
care se obține o bună aderență și o ocupare a suprafeței ceea ce conferă eficiență ridicată celulei
solare. Majoritatea coloranților utilizați în știința și tehnologia DSSC de înaltă performanță sunt
pe bază de complecși metalici cu metale din grupa platinei și grupe de ancorare de liganzi pe
-16-
bază de chelați. Aceste complexe metalice se caracterizează prin stabilitate ridicată, spectru larg
de lumină utilizabilă, rate de conversie ridicate și o bună acoperire a electrodului nanostructurat.
Echipamente: Mortar și pistil; Filtru de hârtie; Pâlnie de sticlă, Pahar de 50mL.
Produse chimice : Spanac (opțional proaspăt sau congelat), alternativ frunze verzi; nisip de
cuarț; Etanol (GHS02: Inflamabil, GHS07: Atenție).
Mod de lucru: Într-un mojar, se amestecă aproximativ 5g spanac (sau frunze verzi) cu circa 1g
de nisip de cuarț și se măcină fin. Ulterior, se adaugă aproximativ 20 mL de etanol și se
mojarează în continuare timp de 10 minute. Apoi, soluția este filtrată prin filtrul așezat în pâlnia
de sticlă în paharul de laborator.
Observație : Se obține o soluție limpede verde.
Interpretare : Datorită mojarării, pereții celulelor de spanac sunt rupți, astfel încât clorofila
conținută pot fi dizolvată. Clorofila nu este solubilă în apă care este un solvent polar dar este
solubilă în etanol care este un solvent mai puțin polar. Soluția rezultată poate fi utilizată direct
pentru aplicarea coloranților pe stratul de dioxid de titan.
2.2 Prepararea celulelor solare cu lichide ionice și coloranți
Fabricarea unei celule solare DSSC se realizează în mai multe etape care cuprind acoperirea
anodului cu o soluție de colorant, prepararea catodului și asamblarea celulei. Pentru pregătirea
catodului este necesară identificarea părții conductoare (vezi secțiunea 2.2). Este recomandată
și aici marcarea cu un marker permanent a suprafeței pentru a evita erorile și pentru a asigura
funcționarea celulei solare. Deși diferiți coloranți sunt potriviți pentru celula solară DSSC,
experimentele ce urmează sunt descrise, ca exemplu, cu coloranții de antocian, deoarece pot fi
aplicați rapid și ușor la anod și oferă cele mai bune rezultate în experimente. Pentru a compara
eficiența diferitelor electroliți (Secțiunea 2.1.4) se poate fabrica și o celulă solară cu soluție de
Lugol și / sau cu altfel de electroliți comerciali.
Echipamente: Placă de sticlă acoperită cu de dioxid de titan nanostructurat (vezi secțiunea 2.1.3
sau plăci comerciale); Vas Petri; Antociani soluție de colorare (vezi secțiunea 2.1.5), Pensete;
Uscător de păr; Placă conductoare de sticlă; Creion; Bandă edezivă cu doua fețe; Foarfece;
Pipetă; Clame de prindere dacă sunt necesare.
-17-
Produse chimice : Soluția electrolitică a iodului în lichidul ionic (vezi secțiunea 2.1.4); pentru
comparație, soluția Lugol sau varianate comercial disponibile de solvent organic.
Mod de lucru: Vasul Petri este umplut la o înălțimea de câțiva milimetri cu soluția de colorant;
placa de sticlă acoperită cu TiO2 este imersată. În cazul coloranților antocianici, este suficient
un timp de 5 minute. Pentru clorofilă sau β - caroten, timpi de expunere recomandați sunt mai
lungi (vasul Petri se acoperă și placa este lăsată peste noapte) pentru a obține cele mai bune
rezultate posibile. Celula funcționează și după o expunere scurtă la colorant dar este de preferat
adsobția total a colorantului. Ulterior, placa de sticlă este îndepărtată din soluție, spălată cu grijă
cu apă și uscate lent cu un uscător de păr. Anodul este pregătit. Sensibilizarea anodului cu
coloranți de antocianină este prezentată în Figura 8.
Figura 8 : a) Înmuierea plăcii de sticlă acoperită cu dioxid de titan într-o soluție de colorant. b)
spălarea coloranților: Colorarea anodului sensibilizat. c) Marcarea părții acoperite cu strat
conductor electric a catodului.
Pentru producerea catodului, partea conductivă electrică a plăcii de sticlă este acoperită cu grafit
cu ajutorul unui creion moale până când se obține un voal subțire de culoare gri din grafit.
Electrozii produși ar trebui marcați distinctiv, astfel încât mai târziu să poată fi selectată corect
partea corespunzătoare pentru iluminare. Fabricarea celulei Grätzel și orientarea electrozilor
este prezentată în figura 9.
-18-
Figura 9 : Montarea celulei Grätzel. A ) Tăierea benzii adezive față-verso. b) Realizarea
catodului și poziționarea lui. c) umplerea spațiului cu soluția electrolitică. d ) Celula Grätzel
asamblată cu ansamblul benzii adezive cu fața dublă prin poziționarea față în față a celor doi
electrozi.
Pentru montarea DSSC un cadru pentru celula solară este tăiat din bandă adezivă cu doua fețe,
care închide plăca de sticlă catod pe toate părțile (aproximativ 0,5cm lățime) și lasă liberă o
suprafață pentru contactele electrice. Cea mai ușoară modalitate de tăiere a cadrului este să
îndoiți o bucată tăiată de bandă dublă la mijloc și să o tăiați astfel încât să se oprească numai o
margine de 2-3mm. Cadrul este apoi plasat așa cum se arată în figura 9 pe partea acoperită cu
grafit a catodului. Ulterior, o picătură de electrolit lichid pe bază de lichid ionic și colorant este
distribuit prin pipetare uniform în cadrul realizat. Procesul se repetă până când întreaga
suprafață a catodului este acoperită cu un strat subțire de soluție de electroliți (în total sunt
necesare circa 3 picături). După aceea, anodul cu fața coperită cu dioxid de titan este plasată
peste catod astfel încât să lase liber spațiu pentru contactul electric și este lipit prin presare
fermă (vezi Figura 9 d). Cele două plăci de sticlă sunt decalate una în raport cu cealaltă. Celulele
-19-
solare sunt asamblate și pot fi acum utilizate. În plus, celula poate fi încă fixată cu o clemă de
hârtie sau cu o clemă de laborator.
Observație: După îndepărtarea anodului din soluția cu colorant violet dioxid de titan s-a colorat
în violet. Partea catodică poate fi foarte ușor acoperită cu grafitul catalitic prin hașurarea cu un
creion moale.
Interpretare : Coloranții antocianici din soluție se leagă rapid și bine la grupele hidroxibazice
de pe suprafața dioxidului de titan. Datorită legăturii chimice sau caracterului de bază al
suprafeței dioxidului de titan (deprotonarea colorantului) se modifică structura electronică a
colorantului. Prin urmare, culoarea percepută a suprafaței dioxidului de titan sugerează fixarea
colorantului și în comparație cu cea a soluției este diferită, ceea ce demonstrează deplasarea
intervalului în care lumina va fi absorbită.
2.3 Testarea celulei Grätzel
Pentru a investiga influența diferiților factori asupra performanței unei celule Grätzel ]n cele ce
urmează sunt propuse experimente didactice în care sunt fabricate diferite celule, cu diferiți
coloranți sau soluții de electroliți și sunt măsurate performanțele acestora. Pentru a asigura o
comparație directă, măsurătorile ar trebui efectuate întotdeauna în aceleași condiții (lumina de
iradiere, suprafața electrodului etc.). În final carcateristicile celulei depinde de numeroși factori,
inclusiv, de exemplu, de calitatea dioxidului de titan și suprafața electrodului expusă radiație
solare, care depinde în mod semnificativ, de asemenea, de îndemânarea experimentatorului și
în aceste experimente ale elevilor să varieze ușor. Cu toate acestea, cu această configurație
experimentală și cu recoamndările ce urmează principiul de funcționare a celulei Grätzel și
chiar funcționarea ei pot fi demonstrate cu acoperiri vizibil neomogene, coloranți cu aderență
slabă sau părți deteriorate. Tensiunile măsurate sunt în mod natural mai scăzute decât în cazul
celulelor fabricate industrial sau îngrijit realizate. Experimentele pot decurge și ca o competiâiei
între elevi pentru a crește motivația cu prognosticuri precum: „Cine construiește cea mai
performantă celule Grätzel? Cine obține tensiunea cea mai mare la borne? Metodele de
carcaterizare prezentate aici sunt foarte minimale și pot fi extinse dacă se consider necesar.
2.3.1 Caracterizarea celulelor
Studiul unei celule Grätzel se efectuează cu ajutorul unui multimetru stabilind contacte electrice
cu capetelor libere ale electrozilor. Tensiunea obținută este o măsură a performanței celulei.
-20-
Este recomandabil să se compare rezultatele pentru diferiți electroliți, coloranți și surse de
iradiere pentru a identifica diferențele. Dacă este necesar, se pot trage concluzii cu privire la
problemele de proiectare (cum ar fi, acoperirea neomogenă, electrolitul care se scurge sau
umezirea incompletă a electrozilor etc.) datorită diferențelor observate în modul în care celula
a fost împachetată. Tensiunea generată de o singură celulă poate fi mai mică decât ar fi nevoie
pentru a opera un consumator simplu. Prin urmare în următorul capitol consumatorii simpli sunt
operați prin conectarea în serie a celulelor.
Echipamente: Celulă Grätzel montată (vezi secțiunea 2.2); Multimetru cu cleme de tip crocodil;
Sursă de iradiere (de exemplu, proiector cu diverse culori sau becuri colorate).
Mod de lucru: Anodul și catodul celulei Grätzel sunt conectați cu ajutorul clemelor și tensiunea
măsurată în lumina ambientală. Apoi, diverse surse de radiații și distanțe față de acestea sunt
utilizate, pentru a iluminarea partea anodică. Sunt simulate diverse situații: o zi însorită, o zi cu
nori, dependența eficienței de lungimea de undă a luminii folosite pentru a iradia etc. Valorile
măsurate sunt înregistrate într-un tabel.
Observații: Celula solară cu colorant lichid ionic ca electrolit și antociani coloranți arată, în
funcție de grija cu care a fost produsă și asamblată, în lumină ambientală o tensiune în intervalul
80 - 130mV la o suprafață de electrod de aproximativ 3,5cm². Dacă acestea sunt iradiate cu o
sursă de lumină ușor mai puternică, de exemplu un retroproiector spate sau un bec, tensiunea
măsurată crește în intervalul 250-500 mV. Dacă sursa de radiații este adusă în apropierea
celulei, tensiunea măsurată crește ușor. Celulele solare cu soluție Lugol furnizează tensiuni mai
mici, valorile pentru electrolitul comercial sunt de același ordin (câteva sute de milivolți), ca și
în cazul LI sinetizat în laborator. În funcție de colorantul utilizat, iradierea cu lămpi
incandescente colorate duce la valori diferite ale tensiunii măsurate.
Interpretare: Dependența tensiunii și puterii furnizate de celula Grätzel de intensitatea și tipul
sursei luminoase este clar recunoscută. Iluminarea puternică a celulelor asigură întotdeauna
tensiuni mai mari, datorită numărului mai mare de fotoni acre interacționează cu colorantul.
Chiar și în lumina ambientală difuză, se poate observa funcționarea satisfăcătoare a celulelor
solare DSSC. Electrolitul pe baza lichidul ionic duce la rezultate comparabile cu cele obținute
în cazul solvenților convenționali organici. În ceea ce privește performanța, LI electroliții nu
rămân în urma solvenților convenționali și oferă în plus avantaje în ceea ce privește siguranța
și stabilitatea pe termen lung (a se vedea secțiunea 5). Dintre vopselele naturale studiate,
coloranții antocianină prezintă cea mai mare eficiență. Clorofila are o performanță puțin mai
-21-
scăzută, iar β - carotenul este semnificativ mai scăzut, datorită conexiunii slabe la suprafața
dioxidului de titan, așa cum a fot menționat deja. În funcție de natura lor, coloranții au maxime
de absorbție a luminii la diferite lungimi de undă, ceea ce se reflectă în valorile tensiunii
măsurate la bornele celulelor solare.
2.3.2 Conectarea în serie a celulelor solare și funcționarea consumatorilor
Pentru a demonstra funcționarea și performanțele celulelor Grätzel ele pot fi conectate în serie
pentru a asegura funcționarea unor consumatori. În acest scop, mai multe celule sunt conectate
în serie și se măsoară tensiunea în timpul iluminării. Dacă tensiunea indicată de multimetru este
adecvată funcționării se poate conecta în locul multimetrului un consumator. Este importante
cunoasterea acestor tensiuni de către elevi. Un LED roșu disponibil comercial necesită
aproximativ 2,1 V, un LED verde 2,3V, pentru calculatoare de buzunar este ncesară o tensiune
de 1.5 - 3,0V; pentru operarea unui cip de sunet tensiunea suficientă este de aproximativ 2,5V.
Echipament: Mai multe celule Grätzel complet asamblate (a se vedea secțiunea 2.2); Cabluri
electrice și cleme de tip crocodil; Multimetru; Sursa de lumină; Retroproiector sau bec;
Consumatori: cip de sunet (de exemplu, de la o felicitare), în plus sau în mod alternativ, LED uri (fără rezistor serie și cu cât mai joasă tensiune de funcționare); Calculator de buzunar sau
alți consumatori care funcționează și aliméntate de energía solară.
Mod de lucru: Celulele Grätzel gata asamblate sunt conectate în serie prin cablurile de conectare
cu cleme crocodil. În acest scop, catodul unei celule este conectat la anodul următoarei celule.
Circuitului serie format de celule este conectat mai întâi la un multimetru și se notează tensiunea
măsurată. Ulterior, DSSC este expus la sursa de lumină și tensiunea observată este notată.
Construcția unui circuit serie de celule Grätzel este prezentat în figura 10.
-22-
Figura 10: Structura d a circuitului serie de Grätzel de celule n și măsurat cu o tensiune
multimetru după iradierea cu un proiector.
În funcție de valoarea tensiunii măsurate, diferiții consumatori pot fi alimentatși dacă tensiunea
furnizată este suficientă pentru acest scop.
Observație: Tensiunea totală măsurată a grupării serie de celulele solare DSSC corespunde
sumei tensiunilor individuale ale celulelor individuale. Dacă tensiunea necesară pentru un
consumator este ușor depășită, aceasta își îndeplinește funcția.
Interpretare : Însumarea tensiunilor în conexiunea serie cu succes a unor celule DSSC arată că
o astfel de grupare poate asegura funcționarea unor consumatori. Celule Grätzel cu suprafețe
mici ale electrozilor furnizează suficientă tensiune și putere electrică pentru diferite
componente electronice. Se demonstrează că celulele DSSC au performanțe comparabile cu
celulele cu electroliți organici convenționali.
2.4 Stabilitatea pe termen lung a celulelor
-23-
Cel mai mare avantaj al celulelor cu lichide ionice, în comparație cu celulele cu solvenți
ornanici sau pe bază de apă constă în stabilitatea pe termen lung, deoarece LI nu se evaporă și
nu au presiune de vapori care să deformeze sau deterioreze celula. Având o vâscozitate mai
mare LI nu curg precum solvenții organici. Următorul experiment demonstrează că lichidele
ionice pot îmbunătăți stabilitatea DSSC și că reprezintă viitorul în domeniul celulelor solare.
Echipamente: O celulă Grätzel cu lichid ionic ca electrolit și una cu soluție de Lugol comercial;
Multimetru; Cabluri electrice cu clame tip crocodil; Surse de lumină, Riglă sau ruletă pentru
măsurarea distanței.
Mod de lucru: Se măsoară tensiunea la bornele celor trei celule DSSC cu coloranți diferiți și cu
diferiți în absența iluminării. Se măsoară tensiunea generată la expunerea la o sursă de lumină
puternică (a se vedea secțiunea 2.3.1). Valorile măsurate de tensiune sunt înregistrate în cazul
unor distanțe diferite față de sursa luminoasă. Timp de căteva luni, în aceleași condiții (aceeași
sursă de lumină aflată la aceeași distanță) se măsoară periodic tensiunea de la borne.
Observație: Valorile tensiunii pentru celula DSSC cu lichid ionic scad greu în timp. În celula
Grätzel cu electrolit apos, tensiunea scade considerabil în timp și nu mai poate fi măsurată după
o perioadă scurtă de timp. Valorile măsurate pentru celula cu electrolit organic scad în timp, iar
banda adezivă de pe cele două fețe începe să se dizolve sau lipicioasă.
Interpretare: Celulele cu electroliții organici sau apoși volatili se usucă treptat în timp datorită
evaporării, ceea ce duce la o scădere semnificativă a tensiunii până la încetarea completă a
funcționării celulei. Datorită presiunii mai mari a vaporilor soluției apoase în comparație directă
cu electrolitul organic comercial cu punct de fierbere mai ridicat, se usucă mai repede.
Electrolitul organic dizolvă cu timpul polimer adeziv organic sau reduce forța de lipire prin
umflarea rezultată din penetrarea liantului. Lichidul ionic are o presiune foarte scăzută a
vaporilor și, prin urmare, nu este volatil. Performanța celulei nu scade în timp datorită
pierderilor prin evaporare. În plus, datorită polarității relativ ridicate, nu are o interacțiune cu
polimerul adeziv care închide celula. Deoarece lichidul ionic nu penetrează adezivul, nu îl
umflă și nu afectează stabilitatea mecanică a celulei.
3. Rezumat
Celulele solare DSSC sunt o alternativă simplă și ieftină la celulele solare convenționale pe
bază de siliciu și au numeroase avantaje. Ele constituie o variantă de viitor a surselor de energie
-24-
durabilă cu un potențial ridicat pentru generarea de energie electrică din radiația solară. Deși
DSSC au deja o anumită maturitate pe piață, există limitări datorate eficienței și stabilității pe
termen, datorate în principal utilizării solvenților organici volatili ca electrolit. Lichidele ionice
ca electroliți polari alternativi și non-volatile în DSSC ar putea ajuta la rezolvarea problemei
stabilității pe termen lung conducând astfel la o comercializare ulterioară mult mai intensă. În
acest capitol au fost prezentate experimente proiectate să familiarizeze elevii cu celulele solare
și cu cercetările știinșifice recente în domeniul utilizării lichidelor ionice ca electrolit in DSSC.
Experimentele didactice prezentate solicită cunoștințe din diverse discipline și prezintă modul
în care producția de energie electrică din surse regenerabile de energie se poate realiza utilizând
celule solare. În acest scop, diferitele componente din construcție DSSC sunt discutate în detaliu
și produse în experimente înlănțuite. Celulele simple Grätzel sunt fabricate cu diferiți solvenți
și coloranți și performanțele lor în final sunt compárate. Diferiți consumatori sunt alimentați de
o grupare serie de celule și stabilitatea în timp a diverselor tipuri de celule este comparată. Elevii
descoperă că celulele cu lichide ionice funcționează și după căteva luni fără înrăutățirea
semnificativă a performanțelor. Deoarece lichidele ionice și rolul lor în tranziția energetică,
precum și dezvoltarea durabilă sunt în prezent un subiect important, mult discutat în tehnică,
aceste experimente fac o referire directă la subiectele de cercetare actuale, orientate spre
practică și legate de energie
Referințe
[1]
B. O’Regan, M. Grätzel, A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized
colloidal TiO2 films, Nature., 1991, 353, 737–740. DOI: 10.1038/353737a0.
[2]
M. Grätzel, Dye-sensitized solar cells, J. Photochem. Photobiol. C Photochem. Rev.,
2003, 4, 145–153. DOI: 10.1016/S1389-5567(03)00026-1.
[3]
A. Hagfeldt, G. Boschloo, L. Sun, L. Kloo, H. Pettersson, Dye-Sensitized Solar Cells,
Chem. Rev., 2010, 110, 6595–6663. DOI: 10.1021/cr900356p.
[4]
J. Gong, J. Liang, K. Sumathy, Review on dye-sensitized solar cells (DSSCs):
Fundamental concepts and novel materials, Renew. Sustain. Energy Rev., 2012, 16,
5848–5860. DOI: 10.1016/j.rser.2012.04.044.
[5]
M. Ye, X. Wen, M. Wang, J. Iocozzia, N. Zhang, C. Lin, Z. Lin, Recent advances in
dye-sensitized solar cells: from photoanodes, sensitizers and electrolytes to counter
electrodes, Mater. Today., 2015, 18, 155–162. DOI: 10.1016/j.mattod.2014.09.001.
[6]
J. Gong, K. Sumathy, Q. Qiao, Z. Zhou, Review on dye-sensitized solar cells (DSSCs):
-25-
Advanced techniques and research trends, Renew. Sustain. Energy Rev., 2017, 68, 234–
246. DOI: 10.1016/j.rser.2016.09.097.
[7]
J. Wu, Z. Lan, J. Lin, M. Huang, Y. Huang, L. Fan, G. Luo, Electrolytes in DyeSensitized Solar Cells, Chem. Rev., 2015, 115, 2136–2173. DOI: 10.1021/cr400675m.
[8]
D. Kuang, P. Wang, S. Ito, S. M. Zakeeruddin, M. Grätzel, Stable Mesoscopic DyeSensitized Solar Cells Based on Tetracyanoborate Ionic Liquid Electrolyte, J. Am.
Chem. Soc., 2006, 128, 7732–7733. DOI: 10.1021/ja061714y.
[9]
M. I. Asghar, K. Miettunen, J. Halme, P. Vahermaa, M. Toivola, K. Aitola, P. Lund,
Review of stability for advanced dye solar cells, Energy Environ. Sci., 2010, 3, 418.
DOI: 10.1039/b922801b.
[10] V. Armel, J. M. Pringle, M. Forsyth, D. R. MacFarlane, D. L. Officer, P. Wagner, Ionic
liquid electrolyte porphyrin dye sensitised solar cells, Chem. Commun., 2010, 46, 3146.
DOI: 10.1039/b926087k.
[11] N. Yamanaka, R. Kawano, W. Kubo, T. Kitamura, Y. Wada, M. Watanabe, S.
Yanagida, Ionic liquid crystal as a hole transport layer of dye-sensitized solar cells,
Chem. Commun., 2005, 740. DOI: 10.1039/b417610c.
[12] R. Kawano, M. Watanabe, Anomaly of charge transport of an iodide/tri-iodide redox
couple in an ionic liquid and its importance in dye-sensitized solar cells, Chem.
Commun., 2005, 1, 2107. DOI: 10.1039/b418031c.
[13] Y. Cao, J. Zhang, Y. Bai, R. Li, S. M. Zakeeruddin, M. Grätzel, P. Wang, DyeSensitized Solar Cells with Solvent-Free Ionic Liquid Electrolytes, J. Phys. Chem. C.,
2008, 112, 13775–13781. DOI: 10.1021/jp805027v.
[14] D. Wöhrle, O. R. Hild, Organische Solarzellen. Energie der Zukunft, Chem. unserer
Zeit., 2010, 44, 174–189. DOI: 10.1002/ciuz.201000516.
[15] F.-T. Kong, S.-Y. Dai, K.-J. Wang, Review of Recent Progress in Dye-Sensitized Solar
Cells, Adv. Optoelectron., 2007, 2007, 1–13. DOI: 10.1155/2007/75384.
[16] M.-E. Yeoh, K.-Y. Chan, Recent advances in photo-anode for dye-sensitized solar
cells: a review, Int. J. Energy Res., 2017, 41, 2446–2467. DOI: 10.1002/er.3764.
[17] C.-P. Lee, C.-T. Li, K.-C. Ho, Use of organic materials in dye-sensitized solar cells,
Mater. Today., 2017, 20, 267–283. DOI: 10.1016/j.mattod.2017.01.012.
[18] L. M. Gonçalves, V. de Zea Bermudez, H. A. Ribeiro, A. M. Mendes, Dye-sensitized
solar cells: A safe bet for the future., Energy Environ. Sci., 2008, 1, 655. DOI:
10.1039/b807236a.
[19] A. Yella, H.-W. Lee, H. N. Tsao, C. Yi, A. K. Chandiran, M. K. Nazeeruddin, E. W.-G.
-26-
Diau, C.-Y. Yeh, S. M. Zakeeruddin, M. Gratzel, Porphyrin-Sensitized Solar Cells with
Cobalt (II/III)-Based Redox Electrolyte Exceed 12 Percent Efficiency, Science (80-. ).,
2011, 334, 629–634. DOI: 10.1126/science.1209688.
[20] N. Prabavathy, S. Shalini, R. Balasundaraprabhu, D. Velauthapillai, S. Prasanna, N.
Muthukumarasamy, Enhancement in the photostability of natural dyes for dyesensitized solar cell (DSSC) applications: a review, Int. J. Energy Res., 2017, 41,
1372–1396. DOI: 10.1002/er.3703.
[21] R. Grisorio, L. De Marco, C. Baldisserri, F. Martina, M. Serantoni, G. Gigli, G. P.
Suranna, Sustainability of Organic Dye-Sensitized Solar Cells: The Role of Chemical
Synthesis, ACS Sustain. Chem. Eng., 2015, 3, 770–777. DOI:
10.1021/acssuschemeng.5b00108.
[22] K. Fan, J. Yu, W. Ho, Improving photoanodes to obtain highly efficient dye-sensitized
solar cells: a brief review, Mater. Horiz., 2017, 4, 319–344. DOI:
10.1039/C6MH00511J.
[23] A. Omar, H. Abdullah, Electron transport analysis in zinc oxide-based dye-sensitized
solar cells: A review, Renew. Sustain. Energy Rev., 2014, 31, 149–157. DOI:
10.1016/j.rser.2013.11.031.
[24] S. Shalini, R. Balasundaraprabhu, T. S. Kumar, N. Prabavathy, S. Senthilarasu, S.
Prasanna, Status and outlook of sensitizers/dyes used in dye sensitized solar cells
(DSSC): a review, Int. J. Energy Res., 2016, 40, 1303–1320. DOI: 10.1002/er.3538.
[25] F. Hao, P. Dong, Q. Luo, J. Li, J. Lou, H. Lin, Recent advances in alternative cathode
materials for iodine-free dye-sensitized solar cells, Energy Environ. Sci., 2013, 6, 2003.
DOI: 10.1039/c3ee40296g.
[26] D. H. Kim, S. E. Atanasov, P. Lemaire, K. Lee, G. N. Parsons, Platinum-Free Cathode
for Dye-Sensitized Solar Cells Using Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT)
Formed via Oxidative Molecular Layer Deposition, ACS Appl. Mater. Interfaces.,
2015, 7, 3866–3870. DOI: 10.1021/am5084418.
[27] N. Prabavathy, S. Shalini, R. Balasundaraprabhu, D. Velauthapillai, S. Prasanna, N.
Muthukumarasamy, Enhancement in the photostability of natural dyes for dyesensitized solar cell (DSSC) applications: a review, Int. J. Energy Res., 2017, 41,
1372–1396. DOI: 10.1002/er.3703.
[28] F. Bella, C. Gerbaldi, C. Barolo, M. Grätzel, Aqueous dye-sensitized solar cells, Chem.
Soc. Rev., 2015, 44, 3431–3473. DOI: 10.1039/C4CS00456F.
[29] S. Zhang, X. Yang, Y. Numata, L. Han, Highly efficient dye-sensitized solar cells:
-27-
progress and future challenges, Energy Environ. Sci., 2013, 6, 1443. DOI:
10.1039/c3ee24453a.
[30] N. Papageorgiou, The Performance and Stability of Ambient Temperature Molten Salts
for Solar Cell Applications, J. Electrochem. Soc., 1996, 143, 3099. DOI:
10.1149/1.1837171.
[31] Y. Zhao, T. Bostrom, Application of Ionic Liquids in Solar Cells and Batteries: A
Review, Curr. Org. Chem., 2015, 19, 556–566. DOI:
10.2174/1385272819666150127002529.
[32] M. Gorlov, L. Kloo, Ionic liquid electrolytes for dye-sensitized solar cells, Dalt. Trans.,
2008, 2655. DOI: 10.1039/b716419j.
[33] P. Wang, S. M. Zakeeruddin, J.-E. Moser, R. Humphry-Baker, M. Grätzel, A SolventFree, SeCN - /(SeCN) 3 - Based Ionic Liquid Electrolyte for High-Efficiency DyeSensitized Nanocrystalline Solar Cells, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 7164–7165.
DOI: 10.1021/ja048472r.
[34] D. R. MacFarlane, M. Forsyth, P. C. Howlett, M. Kar, S. Passerini, J. M. Pringle, H.
Ohno, M. Watanabe, F. Yan, W. Zheng, S. Zhang, J. Zhang, Ionic liquids and their
solid-state analogues as materials for energy generation and storage, Nat. Rev. Mater.,
2016, 1, 15005. DOI: 10.1038/natrevmats.2015.5.
[35] H. Lin, J. Peng, V. Suryanarayanan, D. Velayutham, K. Ho, Perfluoro anion based
binary and ternary ionic liquids as electrolytes for dye-sensitized solar cells, J. Power
Sources., 2016, 311, 167–174. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.02.029.
[36] E. Kowsari, M. R. Chirani, High efficiency dye-sensitized solar cells with tetra alkyl
ammonium cation-based ionic liquid functionalized graphene oxide as a novel additive
in nanocomposite electrolyte, Carbon N. Y., 2017, 118, 384–392. DOI:
10.1016/j.carbon.2017.03.074.
[37] S. M. M. Yusof, W. Z. N. Yahya, Binary Ionic Liquid Electrolyte for Dye-Sensitized
Solar Cells, Procedia Eng., 2016, 148, 100–105. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.06.453.
[38] P. Wang, S. M. Zakeeruddin, I. Exnar, M. Grätzel, High efficiency dye-sensitized
nanocrystalline solar cells based on ionic liquid polymer gel electrolyte, Chem.
Commun., 2002, 5, 2972–2973. DOI: 10.1039/B209322G.
[39] P. C. Marr, A. C. Marr, Ionic liquid gel materials: applications in green and sustainable
chemistry, Green Chem., 2016, 18, 105–128. DOI: 10.1039/C5GC02277K.
[40] S. G. Hashmi, M. Ozkan, J. Halme, K. D. Misic, S. M. Zakeeruddin, J. Paltakari, M.
Grätzel, P. D. Lund, High performance dye-sensitized solar cells with inkjet printed
-28-
ionic liquid electrolyte, Nano Energy., 2015, 17, 206–215. DOI:
10.1016/j.nanoen.2015.08.019.
[41] G. P. Smestad, M. Gratzel, Demonstrating Electron Transfer and Nanotechnology: A
Natural Dye-Sensitized Nanocrystalline Energy Converter, J. Chem. Educ., 1998, 75,
752. DOI: 10.1021/ed075p752.
[42] M. R. Narayan, Review: Dye sensitized solar cells based on natural photosensitizers,
Renew. Sustain. Energy Rev., 2011, 16, 208–215. DOI: 10.1016/j.rser.2011.07.148.
[43] R. Syafinar, N. Gomesh, M. Irwanto, M. Fareq, Y. M. Irwan, Chlorophyll Pigments as
Nature Based Dye for Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC), Energy Procedia., 2015, 79,
896–902. DOI: 10.1016/j.egypro.2015.11.584.
http://www.ghidelectric.ro/stire-182-Celula-solara.html
-29-