كيفية صنع خلايا شمسية أو خلايا شمسية حساسة للصبغة من شاي الفاكهة

لقد أدى ابتكار الخلايا الشمسية الحساسة للصبغ إلى توسيع إمكانات الجهاز إلى الحد الذي قد يؤدي فيه إلى التخلص تمامًا من خلايا السيليكون الشمسية المكلفة.

تشرح المقالة التالية كيف يمكنك بسهولة بناء هذه الخلية الشمسية متعددة الاستخدامات والمُحسسة للصبغة باستخدام مواد عادية جدًا.

تعتمد هذه التجربة على مفهوم استخدام المركب العضوي في النباتات ، وخاصة الأصباغ العضوية للعمل كمانحين للإلكترونات في الخلايا الشمسية.

بدلاً من مادة السيليكون شبه الموصلة في الخلية الشمسية ، استخدمنا أكسيد التيتانيوم (TiO2) ، وهو أيضًا أشباه موصلات. تسمح خصائص TiO2 له بامتصاص ضوء الشمس بشكل أفضل إذا تم 'تحسسه' بصبغة عضوية.

كفاءة الخلايا الشمسية الصبغية هي 7٪ أعلى من ثلث كفاءة الخلايا الشمسية التقليدية. على الرغم من أن هذه ليست ميزة كبيرة ، إلا أن الخلايا الشمسية الصبغية أرخص بسبب عملية التصنيع الأبسط مقارنة بخلايا السيليكون المعقدة أيضًا.

الخلية الشمسية في المستقبل؟

على الرغم من أن نجاح الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة قد يستغرق بضع سنوات ، إلا أنها ستبقى على المسار الصحيح بشرط حل بعض المشكلات.

أولاً ، يجب معالجة مشكلات الاستقرار طويل المدى للخلايا حيث يؤدي الأكسجين في النهاية إلى إتلافها بمرور الوقت.

يمكن أخذ صبغة مناسبة من التوت أو شاي الفاكهة. أضف بعض المكونات الأخرى مثل الزجاج منخفض الانبعاثية (low-E) وأكسيد التيتانيوم ، وستحصل بنفسك على جميع المكونات لبناء المجموعة. في هذه التجربة ، نستخدم شاي الورد للصبغة الحمراء.

المواد المطلوبة

• لوح زجاجي (قطع) بطبقة موصلة للتيار على جانب واحد. هذه متوفرة في مجموعات ويمكن العثور عليها عبر الإنترنت. بدلاً من ذلك ، يمكنك استخدام الزجاج منخفض الانبعاثية ويمكن الحصول عليه من الزجاج ، حيث يتم دمج المادة في تصنيع نوافذ العزل الحراري. نوصي بالحصول على قطعتين بأبعاد 5 × 2 سم.
• TiO2 والبولي إيثيلين جلايكول. هذا الأخير هو مكون قياسي في المراهم المختلفة ولكن في هذه التجربة ، يتم استخدامه لتعليق أكسيد التيتانيوم.
• يمكن شراء هذه العناصر من الصيدلي المحلي. عليك أيضًا التأكد من أن البولي إيثيلين جلايكول له وزن جزيئي قدره 300 بالإضافة إلى كونه سائلًا.
• إذا قمت بشراء المجموعة الخاصة بك من الإنترنت ، فعادة ما تأتي مع تعليق أبيض ، مما يجعل الأمور أسهل. يمكنك أن تعرف على وجه اليقين أن حجم جسيم TiO2 دقيق (حوالي 20 نانومتر) ومعزول بدقة ، وهو أمر صعب للغاية للحصول عليه إذا كنت تفعل ذلك بنفسك.
• يمكنك تضمين معجون أسنان أبيض أو Tipp-Ex أو طلاء أبيض أو مواد مماثلة تشتمل على أكسيد التيتانيوم كمبيض.
• في هذه التجربة ، استخدمنا محلول اليود في 65٪ من الإيثانول كإلكتروليت. على الرغم من أن هذا يؤدي أداءً جيدًا ، إلا أنه ينتج فقط ثلث مقدار التيار الذي ينتج عن الإلكتروليت النموذجي.
• شاي الفاكهة المستخدم في اختبارنا هو ثمر الورد ، لكن الكركديه يعمل أيضًا.
• موقد غاز ولاعة للتخييم.
• حامل مختبر واحد مع مشبك وحلقة وشاشة. وظيفة الشاشة هي دعم الزجاج أثناء الخبز.
• ماصة ولكن إذا لم يكن لديك أي ماصة ، فيمكن استخدام ملعقة صغيرة كبديل عن طريق السماح لتعليق أكسيد التيتانيوم بالتنقيط على الزجاج.
• ملاقط وغلاية وابريق شاي ومجفف شعر وسيلوتيب.
• ورقة من رقائق الألومنيوم.
• طبق بتري أو وعاء مسطح عادي أو طبق شوربة.
• قلم رصاص جرافيت وقطعة من الزجاج أو بطاقة بلاستيكية لنشر أكسيد التيتانيوم.
• مجموعة متعددة المتر.

كيف تعمل الخلايا الشمسية الحساسة للصبغ

يتكون بناء الخلية الشمسية ذات الحساسية الصبغية من لوحين مسطّحين من الزجاج مع طبقة موصلة كهربائيًا على جانب واحد. عادة ما يتم تصنيع الطلاء الموصل من أكسيد فلز.

يتم تحديد طلاء القصب (حوالي 10 ميكرومتر) من بلورات TiO2 قياسها حوالي 20 نانومتر والتي تم تحميصها معًا لإنشاء طبقة مسامية ، بين قطعتين من الزجاج.

ثم توضع الصبغة على هذا الطلاء المسامي. في الصناعة ، تتكون الصبغة المختارة للخلايا الشمسية الحساسة من الروثينيوم المعدني النبيل.

ومع ذلك ، يمكن استخدام الأصباغ الحمراء المتاحة بشكل طبيعي للاختبار المقصود. نظرًا للأحجام الصغيرة للغاية لبلورات أكسيد التيتانيوم والفجوات بينها ، فإن البنية المسامية تحتوي على مساحة سطح فعالة ضخمة وطلاء الصبغة رقيق بشكل ملحوظ.

هذا أمر بالغ الأهمية للتشغيل الصحيح لأن الصبغة موصل كهربائي رديء.

في اللحظة التي يصطدم فيها شعاع الضوء بجزيء الصبغة ، يطلق إلكترونًا في ثاني أكسيد التيتانيوم.

تتجمع الإلكترونات في طلاء موصل (قطب كهربائي عامل) موضوعة بين أكسيد التيتانيوم وصفيحة الزجاج.

من الضروري وجود طبقة موصلة أخرى على الجانب الآخر لتعمل كقطب كهربائي مضاد ، ويتم تزويد الفجوة بين الأقطاب بمحلول إلكتروليت.

هذا هو المكان الذي يتم فيه استخدام محلول ملح اليود البسيط بدلاً من إلكتروليت الأسيتونتريل الصناعي المتطاير والسام للغاية. يتم 'إجبار' جزيئات ثلاثي اليوديد في محلول الإلكتروليت على الوصول إلى القطب الكهربائي المضاد لتكوين جزيئات اليود.

يحدث هذا فقط إذا تم إدخال محفز إلى القطب ، وهنا يأتي دور الجرافيت من قلم الرصاص. بالنسبة للمستوى الصناعي ، يكون المحفز المستخدم عبارة عن بلاتين مكلف للغاية.

تتطلب هذه التجربة إلكترونات. ينتج عن فائض الإلكترونات على القطب الآخر جهد كهربائي يمكن استغلاله.

يمكن أن يحدث تدفق التيار إذا تم توصيل الأقطاب الكهربائية خارجيًا باستخدام الحمل.

تتخلى جزيئات اليوديد الموجودة داخل المحلول عن الإلكترونات في الصبغة وتتحول إلى جزيئات ثلاثي يوديد أثناء العملية التي تكمل بدورها الدائرة الكهربائية.

الركيزة للخلية الشمسية عبارة عن زجاج نافذة عادي يبلغ سمكه حوالي 2 مم مع طبقة أكسيد معدني واضحة وموصل (مثل أكسيد الزنك). للأسف ، لا يمكن صنع هذا الطلاء بنفسك.

إجراءات خطوة بخطوة

يتم توضيح الإجراءات خطوة بخطوة لصنع خلية شمسية حساسة للصبغة أدناه من خلال التفسيرات والصورة.

حجم الجسيمات لمسحوق التيتانيوم حوالي 15-25 نانومتر ، كما هو موضح أدناه.

1. امزجها مع البولي ايثيلين جلايكول ، وهو عامل استحلاب زيتي ، ويقلب الخليط بعناية حتى يتم الحصول على كريم لزج.

2) بالنسبة للإلكتروليت ، يمكنك اختيار اليود في الإيثانول ، ولكن قد تكون النتائج أقل من المتوسط ​​مقارنة بالإلكتروليت الأكسجيني المتاح تجاريًا.

3) احصل على وحدة متعددة المقاييس واضبط نطاق المقاومة لمعرفة أي جانب من القطعة الزجاجية موصل.

4) بعد ذلك ، قم بتثبيت الزجاج على المنضدة باستخدام Sellotape مع وضع الجانب الموصّل للوجه لأعلى.

5) إذا كان لديك ماصة ، اسحب بعضًا من كريم أو معجون TiO2 وضع عدة قطرات على السطح الموصل للزجاج.

6) ثم ، باستخدام بطاقة بلاستيكية أو قطعة زجاجية مختلفة ، قم بضرب القطرات جيدًا. حاول الحصول على معطف موحد عن طريق تحريك القطعة الزجاجية برفق فوق معجون Tio2.

7) بعد ذلك ، اسحب شريط البيع حول الزجاج وحرره من الطاولة.

8) نوصي بخبز الطلاء في الفرن أو فوق اللهب المكشوف مثل موقد الغاز. درجة الحرارة المتوقعة حوالي 450 درجة مئوية. بمجرد أن يتم ضبطه ، قم بترتيب شاشة الدعم ببضعة سنتيمترات فقط فوق لهب الموقد وضع القطعة الزجاجية مع طلاء TiO2 فوقها.

9) طبقة أكسيد التيتانيوم سوف تغير لونها إلى اللون البني في بداية عملية الخبز بسبب محتواها العضوي. لكن عليك التأكد من أن لون TiO2 يتغير إلى اللون الأبيض أثناء نهاية العملية.

10) ننصح بشدة بإتاحة وقت تبريد مناسب للزجاج وإلا فهناك فرصة لتحطمها. نصيحة هي تحريك الزجاج إلى منطقة أكثر برودة (عادةً بالقرب من الحافة) وعدم إزاحته على عجل من الشاشة الساخنة.

11) حان وقت تحضير شاي الفاكهة بالماء المغلي. في تجربتنا ، استخدمنا كمية أقل من الماء وأكياس شاي أكثر. صب محلول شاي الفاكهة في وعاء كبير. إذا لم يكن لديك أكياس شاي فواكه ، يمكنك استخدام عصير البنجر الأحمر أو عصير التوت أو حتى الحبر الأحمر.

12) بمجرد أن تصل القطعة الزجاجية إلى درجة حرارة الغرفة ، يمكنك تحريكها بعناية في الوعاء وتركها تنقع لعدة دقائق.

13) أثناء إجراء عملية النقع ، يمكنك البدء في تغطية الجانب الموصل لقطعة زجاجية ثانية بالكثير من الجرافيت الذي يمكن الحصول عليه من قلم رصاص. سيعمل هذا الطلاء كمحفز لنقل الإلكترونات إلى الإلكتروليت من القطب.

14) ثم أخرج قطعة الزجاج الموصلة من حمام الشاي. ستمتص طبقة أكسيد التيتانيوم لون الشاي (راجع مركز الصورة). بعد ذلك ، اشطف الزجاج بالماء النظيف أو الإيثانول و استخدم مجفف الشعر للتخلص من كل قطرة ماء .

15) بعد ذلك ، قم بترتيب قطعتين زجاجيتين مع الأسطح الموصلة التي تواجه بعضها البعض وإزاحة الأطراف. يجب أن تحرص بشدة على ألا ينزلق كلا الكوبين لأنه قد يتسبب في فرك TiO2.

16) بعد ذلك ، يمكن تثبيت القطع الزجاجية معًا باستخدام مشابك ورق (معدلة قليلاً أو باستخدام شريط Sellotape العادي ملفوف حولها.

17) الآن ، أضف المنحل بالكهرباء بين قطعتين زجاجيتين. يوصى بوضع بضع قطرات من الإلكتروليت على كل جانب من قطع الزجاج وسيتم سحبها بين الكؤوس بسبب عمل الشعيرات الدموية.

18) هذا كل شيء ، الخلايا الشمسية الصبغية المعتمدة على عصير الفاكهة جاهزة الآن للاختبار. باستخدام جهاز القياس المتعدد ، يمكنك قياس الجهد (حوالي 0.4 فولت) والتيار (حوالي 1 مللي أمبير). بسبب إضاءة الاستوديو ، ستختلف النتائج قليلاً. علاوة على ذلك ، يمكنك استخدام عدة مقاطع تمساح لتمديد المزيد من الخلايا على التوالي.

سوف نتجاهل خطوة إحكام إغلاق القطع الزجاجية ، كما هو الحال مع الخلايا الشمسية الصناعية الحساسة للصبغ. هذا يسمح لنا باستخدام قطع الزجاج مرة أخرى وفي هذه الحالة ، كل ما عليك فعله هو فصلها وغسل أسطحها جيدًا بالماء وفركها برفق. نظرًا لعدم إمكانية إزالة طلاء الجرافيت تمامًا ، فإننا ننصح باستخدام زجاج القطب الكهربائي المضاد مرة أخرى للغرض المحدد في التجارب المستقبلية.

الصورة مجاملة: youtube.com/watch؟v=Jw3qCLOXmi0