Cella di Gratzel

Anno 2008/2009

A cura di Jurgen Mantini e Enrico Pandrin

Michael Gratzel, insegna chimica fisica all’università di Losanna. Nel 1991 ha presentato la cella fotovoltaica, basata sul processo che si ispira alla fotosintesi delle piante (cella di Grätzel o di Dye Sensitized Solar Cell).

La struttura del nostro lavoro

Il nostro lavoro sarà strutturato in vari punti che verranno sviluppati in seguito.

° La spiegazione dei principi di funzionamento su cui si basa la cella di Gratzel.

° Caratterizzazione della cella e dei frutti utilizzati.

° Prospettive per il futuro e applicazioni adoperate nell’industria.

i fotoni , all'interno del semiconduttore, cedono energia agli elettroni della banda di valenza per trasferirli nella banda di conduzione.

Viene messa a disposizione una quantità di carica proporzionale all’intensità della radiazione incidente.

L’elettricità si crea con un campo elettrico, realizzato con l’introduzione di cationi (boro) da una parte e di anioni (fosforo) nell’altra parte del semiconduttore (silicio). Questo trattamento è detto drogaggio.

struttura di tipo p (eccesso di lacune)tipo n (eccesso di elettroni)

1. Le lacune e gli elettroni degli strati p-n attraversano la giunzione e si ricombinano

2. Si genera un campo elettrico dovuto a due strati di carica fissa e di segno opposto

Strutture (p-n), messe a contatto, generano un flusso elettronico

Antocianine sono dei pigmenti appartenente ai flavonoidi. Il catione flavilio è la struttura di base di tutte le antocianine.

Antocianine

Le antocianine sono presenti nei vegetali,fiori frutti, e foglie. Il colore è dovuto a vari fattori tra cui il pH.

Struttura base

La cella di gratzel è un dispositivo che serve a trasformare l’energia solare in energia elettrica

0,26A Viene registrato una misura di amperaggio che corrisponde alla

potenza degli elettroni

300mV

e una di differenza di potenziale che quantifica gli elettroni passanti nel

circuito

_ _ _

Trap states

Valence Band

Conduction Band

SnO2

glass

_

_

__

_

_

TiO2 nanoperticles

Cyanin dye

Counter electrode

I3- electrolyte

La radiazione solare colpisce gli elettroni nel colorante. Questo coincide con il livello meno energetico del sistema.

Gli elettroni colpiti vengono eccitati e aumentano la loro energia

Di questi elettroni, non tutti raggiungono la banda di conduzione ed entrano nel circuito. Alcuni tornano allo stato iniziale.

Gli elettroni che entrano nel circuito compiono un percorso sul quale è posto un utilizzatore (lampadina)

Un elettrone entra in contatto con l’elettrolita che si scinde acquistando la carica negativa.

Mentre lo ione I- migra verso il colorante, un altro elettrone entra in contatto con lo ione I2-.

Lo ione I- cede la carica negativa al colorante. Contemporaneamente lo ione I22- migra verso il colorante per cedere la carica negativa

A questo punto gli elettroni sono di nuovo allo stato meno energetico del sistema, dal quale la radiazione solare li aveva strappati. Gli ioni I2- e I° si ricombinano poi per formare l’elettrolita (I3-).

Sun

All’inizio l’elettrone si trova nel colorante S occupando l’orbitale

meno energetico di tutto il ciclo (che si può

chiamare “stato 0”).La luce solare lo eccita aumentando la sua energiacolorante + luce → colorante eccitato

entra nella banda di conduzione (CB) del semiconduttore; da qui è poi immesso nel circuito dove compie lavoro elettrico dissipando energia.

colorante eccitato + TiO2 → e-(TiO2) + colorante ossidato

e-(TiO2) + C.E. → (TiO2) + e‑(C.E.) + energia elettrica 

Una volta sul catalizzatore,

occupa un orbitale del platino a

minore energia di quella posseduta

sul primo elettrodo

viene ceduto allo iodio, dove occupa un orbitale ancora

meno energetico ½ I3 - + e‑ (C.E.) → 3/2 I- +

C.E.ritorna allo “stato 0” del colorante.

colorante ossidato + 3/2 I- → colorante + ½ I3-

La fotosintesi ha due fasi: luminosa e oscura. I fotoni colpiscono la clorofilla e gli elettroni eccitati ritornando allo stato iniziale, liberando energia.

La cella di Graetzel e la fotosintesi clorofilliana

L’intera reazione è la seguente:6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 + energia luminosa

Tramite la scissione dell’ si formano , ed .L’idrogeno e gli elettroni, tramite la presenza di NADP+ serviranno per la fase oscura.

H2O

O2

e-

acqua ossigeno idrogeno elettroni

Nella fotosintesi l’energia luminosa si trasforma in energia chimica.

Confronto tra la cella di Gratzel e la fotosintesi clorofilliana.

Fotosintesi Funzione

Cella di Gratzel

Clorofilla Raccoglie l’energia luminosa

Antocianine

Trasformata in energia chimica

Energia luminosa

Trasformata in elettricità

H2O - 2e‑ → ½ O2 Ossidazione 2 I- - 2e‑ → I2

NADP* + H* + 2e- → NADPH Elettrone trasferito tramite D* + TiO2 → e-(TiO2) + D+

Sostanze organiche Tipi di materiali Celle con colorante organico

Schema operativo per la preparazione e l’assemblaggio della cella:

1. Preparazione della sospensione di biossido di titanio

2. Deposito della sospensione di Biossido di Titanio sul vetrino conduttivo

3. Cottura del vetrino

4. Preparazione della tintura antocianina e immersione del vetrino

5. Preparazione del controelettrodo

6. Assemblaggio della cella

7. Aggiunta dell’elettrolita

Fase 1: Preparazione della sospensione di Biossido di Titanio

La sospensione di TiO2 si prepara macinando il biossido e aggiungendo una

soluzione acida a pH 3

Fase 2: Deposito del Biossido di Titanio sul vetrino conduttivo

Sul vetrino, pulito con etanolo,si deposita la pasta di biossido di titanio, tramite una

siringa.

la pasta viene stesa con l’ausilio di una bacchetta di vetro per formare lo strato sottile (40μm)

Parte conduttiva

Fase 3: Cottura del vetrino in muffola

Il vetrino subisce il trattamento termico a 450 °C per circa 30 minuti e viene raffreddato gradualmente a temperatura ambiente

Fase 4: preparazione della tintura antocianina e immersione del vetrino

I frutti vengono trattati con una miscela di solventi.

La sospensione è filtrata per ottenere la tintura antocianina

Nella tintura antocianina, viene immerso il vetrino con il biossido di titanio

Dopo aver depositato il colorante sul vetrino, questo viene lavato prima con etanolo e poi

con acqua

La cella poi viene asciugata delicatamente con della carta

Il controelettrodo si ottiene depositando con

la matita un strato di carbonio sulla faccia

conduttiva del vetrino

Fase 6: Assemblaggio della cella

Vengono sovrapposti il vetrino coperto di TiO2 e il controelettrodo con la grafite.

Vengono depositate delle gocce di elettrolita sul bordo del dispositivo che viene assorbito

sono sfalsati per attaccare i cavi elettrici

La cella è così pronta per il funzionamento

Caratterizzazione della cella da noi costruita

Determinazione dello spessore dello strato

di TiO2 SEM

Caratterizzazione dei cristalli di TiO2

mediante TEM

spettrofotometria molecolare nell’uv-visibile curva

volt-amperometrica

Nelle diapositive che seguiranno saranno illustrate le misure della caratterizzazione della cella. I dati ottenuti sono volti a determinare le condizioni ottimali per la costruzione della cella e garantire migliori efficienze.

I-V 5 nm rspberries freezer

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 50 100 150 200 250 300V

I

Profilometro

0 200 400 600 800 1000 1200

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

Il profilometro è uno strumento che fornisce un profilo della superficie.

Vetrino conduttore

funziona attraverso un ago che va a contatto con l’oggetto calcolando le

misure.

Attraverso il profilometro abbiamo misurato lo spessore del TiO2 della cella

TiO2

Fascio primario

Elettroni retrodiffusi

Elettroni secondari

Elettroni Auger

Raggi x

fotoni

Elettroni trasmessi

Elettroni assorbitiConducibilità indotta

SEM (microscopio a scansione elettronica)

Un fascio di elettroni colpisce il campione da analizzare, e le sue varie emissioni vengono analizzate dal rivelatore che

ricava un immagine in 3D

Caratterizzazione del nanostrato di TiO2 al SEM

Il biossido di titanio presenta uno spessore di circa 15 micron, si nota la formazione della nanostruttura porosa con una grande superficie specifica, dove verrà assorbito il colorante

Le scansioni sono state effettuate presso i laboratori

di “Scienze e tecnologie dei

materiali ”dell’Università di Venezia, sede di via Torino

(Progetto Lauree scientifiche)

La cottura del TiO2 ha lo scopo di formare la struttura

nanocristallina:•Una temperatura di (800-900°C)

provoca la perdita della nanostruttura a grana fine

Microstruttura fine

Microstruttura a grana grossa

particelle di dimensioni nanometriche(5-25nm) sono le più adatte

•Sono determinanti la preparazione della sospensione e il deposito sul

vetrino del TiO2

Scansione al TEM (microscopio a trasmissione elettronica) dei cristalli di biossido di titanio(foto relizzate all’Università di Venezia,Scienze dei materiali)

Diffrazione ai raggi x dei cristalli di biossido di titanio (anatasio)

Le dimensioni ottimali dei cristalli sono di circa 25 nm

La grandezza dei cristalli influenza la formazione della nanostruttura.

Identificazione dei diversi composti presenti nella tintura dei coloranti tramite spettrofotometria molecolare nell’UV-VISIBILE

Nello spettro del mirtillo si notano i picchi dell’antociano a 530 nm e

del rutin a 360 nm

L’identificazione del picco a 360 nm (rutin) si ottiene tramite lo spettro di assorbimento della sostanza pura che mostra il

medesimo picco

Lo spettro del colorante mostra le impurezze presenti negli

antociani

Dopo il passaggio del colorante nella colonna cromatografica, si

nota un netto miglioramento della purezza dei diversi

componenti

Dopo aver completato l’assemblaggio della cella, queste vengono sottoposte a misure di intensità di corrente e differenza di potenziale

Circuito di misura di ddp e intensità di corrente

La costruzione della curva caratteristica I-V consente di determinare il punto di funzionamento della cella (potenza di picco)

Le misure sono riferite a celle illuminate da una lampada con uno spettro e un flusso luminoso simile a quello del sole (800-1000 W/m2)

Tratta dal manuale del nanocrystalline solar cell kit (USA)

Nella industria ci sono molte applicazioni del fotovoltaico

Le celle vengono assemblate fra uno strato di vetro ed uno di materiale plastico (Tedlar) e racchiuse in una struttura di alluminio, : il modulo fotovoltaico, è costituito da 36 –

72 unità collegate, per una potenza da 50 a 150Wp

Stazione di ricarica solare per auto elettriche

Lo stadio solare

Il fotovoltaico è utilizzato anche per usi casalinghi. Attraverso l’energia del sole vengono fatti funzionare elettrodomestici

Le prospettive per il futuro

L’obiettivo che si è posto l’istituto Levi è quello di costruire una cella (modulo) in modo da aumentarne

l’efficienza

Sono allo studio delle soluzioni tecniche per la realizzazione del panello fotovoltaico

Tratto dall’ Università Tor Vergata di Roma

Il progetto lauree scientifiche ci è servito ad approfondire l’argomento relativo alle celle fotoelettrochimiche e a cercare collegamenti tra diverse discipline curricolari (chimica fisica, chimica analitica e chimica organica)

Questa attività è stata interessante in quanto ci ha consentito di svolgere esperienze, che hanno coinvolto studenti provenienti da istituti diversi.

E’ stata un’opportunità che c’è stata utile per conoscere come viene condotta la ricerca scientifica in un ambiente universitario dotato di attrezzature di livello tecnologico avanzato

Si vuole sottolineare infine che il presente lavoro è stato oggetto di approfondimento disciplinare nelle attività curriculari relative al laboratorio di chimica analitica e alla chimica fisica della classe 5^chimici del nostro istituto

In particolare si è cercato di riprodurre, il metodo della ricerca sperimentale mettendo a punto le condizioni operative tratte dalla pubblicazione di Graetzel del 1997

Conclusioni:

Si ringrazia per la disponibilità, la collaborazione e i materiali forniti, il dipartimento di scienze dei materiali dell’università di Venezia

(dott. Stefano Polizzi).

Si ringraziano infine il dirigente scolastico e i docenti dell’I.T.I.S. P.Levi per la disponibilità dimostrata nella realizzazione del progetto

Progetto realizzato da:Mantini JurgenPandrin Enrico

Studenti della classe 5^ch/B dell’ITIS P.Levi