Tra Treviso e Venezia,
18-19 novembre 2008
LA CELLA
DI GRÄTZEL
Diario di un esperimento in laboratorio
DOMENICO BOTTEGA
Istituto Statale di Istruzione
Secondaria Superiore “Marco
Casagrande” - Pieve di Soligo
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COME E’ POSSIBILE?
2
COME E’ POSSIBILE CHE…
due vetrini violacei illuminati
da una lampada possano far
funzionare una calcolatrice?
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QUESTA E’
LA POTENZA
DELLA CELLA
DI GRÄTZEL!
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Treviso, 18 novembre 2008
LE FASI DEL LAVORO
PRIMO GRUPPO
• Preparazione
della sospensione
di Biossido di
Titanio
• Deposizione sul
vetrino
SECONDO GRUPPO
•Preparazione della
tintura
•Preparazione del
controelettrodo
• Cottura
ASSEMBLAGGIO DELLA CELLA
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PRIMO GRUPPO
Preparazione della sospensione
di Biossido di Titanio
E’ stata messa in un
mortaio la polvere di
TiO2 ed è stata
aggiunta, un ml per
volta, la soluzione
acida (acido acetico o
acido nitrico). Il
tutto è stato pestato
con un pestello.
Il composto ottenuto è
stato poi raccolto con una
spatola e lasciato riposare
in un contenitore chiuso
per 15 minuti.
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Deposito della sospensione di
Biossido di Titanio sul vetrino
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Deposito della sospensione di
Biossido di Titanio sul vetrino
I vetrini sono stati puliti con etanolo e asciugati.
Lo strato di Biossido di Titanio è stato deposto
sulla superficie conduttiva dei vetrini, verificata
attraverso un multimetro.
I vetrini sono stati assicurati al
tavolo con dello scotch, il quale
ha creato un solco da riempire con
lo strato della sospensione.
Una piccola quantità di sospensione è stata
disposta per tutta la larghezza e spalmata con
una bacchetta, compiendo movimenti rapidi
avanti e indietro, senza sollevare la bacchetta.
Dopo un minuto è stato rimosso lo scotch.
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Cottura del vetrino
I vetrini ottenuti vanno appoggiati in
una capsula di porcellana.
Lo strato di TiO2 viene sinterizzato
(cotto) in una muffola a 450°C per 30
minuti.
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SECONDO GRUPPO
Preparazione della tintura e
immersione del vetrino con TiO2
I semi di melograno sono stati strizzati
con una garza.
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Il liquido ottenuto è
stato filtrato, e
raccolto in un vetrino
da orologio. Poi è stata
aggiunta un po’ di
acqua deionizzata.
Il vetrino, con la
faccia di TiO2 in giù,
è stato immerso per
circa 10 minuti nella
tintura ottenuta.
Successivamente Il vetrino è stato
risciacquato con acqua e asciugato.
Infine risciacquato con etanolo e tamponato.
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Preparazione del controelettrodo
Il vetrino è stato pulito con etanolo e asciugato.
Usando una barretta di grafite –
nell’immagine una matita – ne viene applicato
un strato sulla faccia conduttiva del vetro. 12
PRIMO E SECONDO GRUPPO
L’ASSEMBLAGGIO
DELLA CELLA
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Una cella si assembla
in questo modo:
le superfici trattate e conduttive (una
coperta di biossido di titanio e l’altra di
grafite) devono essere rivolte verso
l’interno, lievemente sfalsate, al fine di
avere due estremità libere per i contatti
elettrici.
I vetrini vanno bloccati con due clip.
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La soluzione elettrolitica
Sul bordo della cella vanno depositate due
o tre gocce di soluzione elettrolitica, che, per
capillarità, bagnerà completamente lo
strato tra i due vetrini.
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COSTRUZIONE DEL CIRCUITO E
VERIFICA DEL FUNZIONAMENTO
DELLA CELLA
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Al fine di verificare il funzionamento della cella di
Grätzel, quest’ultima è stata collegata ad un
multimetro, utilizzato dapprima come amperometro
per la misura della corrente di corto circuito e poi
come voltmetro per la misura della differenza di
potenziale.
In seguito abbiamo utilizzato tre celle di
Grätzel, collegate tra loro attraverso degli
elettrodi: quello positivo posto sul vetrino
ricoperto di grafite e quello negativo sulla
faccia che presentava lo strato di Biossido di
Titanio.
Le tre celle sono state poste sotto una
lampada, la cui luce generava un passaggio
di elettroni all’interno delle celle.
Gli elettroni andavano ad alimentare la
calcolatrice.
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Venezia, 19 novembre 2008
CARATTERIZZAZIONE
DELL’ESPERIMENTO
Il profilometro
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Il profilometro è uno strumento che
permette di misurare differenze di
spessore dell’ordine degli Armostrong.
Questo strumento è così composto: è
presente un cuscino d’aria che permette
l’isolamento da eventuali vibrazioni; una
punta metallica che scorre sul campione
per la distanza di un millimetro e uno
schermo che visualizza l’operazione e i
dati raccolti.
Il nostro obiettivo era quello di
quantificare lo spessore dello strato di
Biossido di Titanio, misurando la
differenza tra quest’ultimo e il vetrino.
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Differenza di spessore tra il vetrino
e lo strato di Biossido di Titanio
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Spessore rilevato (Armstrong)
250000
200000
150000
100000
50000
0
1
110 219 328 437 546 655 764 873 982
-50000
Posizione punta (micron)
Il grafico mostra lo spessore (dopo che la
punta aveva percorso circa mezzo
millimetro sul vetrino) dello strato di
Biossido di Titanio.
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CARATTERIZZAZIONE
DELL’ESPERIMENTO
SEM
Microscopio elettronico a scansione
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A differenza dei microscopi ottici, i
quali utilizzano la luce come
sorgente di radiazioni, il
microscopio elettronico a scansione
(o semplicemente SEM) utilizza un
fascio di elettroni, il quale colpisce
il campione da osservare.
Il risultato che noi otteniamo
attraverso questo strumento è
un’immagine in bianco e nero,
assai simile ad una comune
fotografia.
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Seguono alcune immagini del vetrino, sul
quale era stato posto lo strato di Biossido di
Titanio, ottenute attraverso il SEM.
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L’immagine presenta in primo piano una frattura
nello strato di Biossido di Titanio.
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Tra le diverse funzioni del SEM, vi è
anche quella di fare della misurazioni.
L’immagine presenta la distanza tra due
estremi di una frattura in punti diversi.
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Il fascio di elettroni incidente
emesso dal SEM stimola il
campione a produrre raggi x.
Tali raggi sono quantizzati e
perciò caratteristici di ogni
elemento. Una microsonda li
analizza e riesce così a
restituirci dei dati che ci
permettono di identificare la
composizione del campione.
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Analisi sullo strato di Biossido di Titanio
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CONTESTO
TECNOLOGICO E
INDUSTRIALE IN CUI
SI COLLOCA LA CELLA
DI GRÄTZEL
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La Dyesol sta realizzando delle
unità produttive sia in Grecia
che in Turchia.
Nel progetto che sta conducendo
il materiale organico è
integrato con il Biossido di
Titanio.
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Sylvia Tulloch,
Managing Director of
Dyesol, ha dichiarato che
la Dyesol sta avendo un
ruolo importante nel
realizzare il sogno
dell’ideatore di questa
rivoluzionaria cella:
rendere l’ambiente di
questo pianeta pulito e
sano, attraverso risorse
energetiche rinnovabili.
Il professor Michael Grätzel collabora con
la Dyesol in qualità di Presidente
dell’Ufficio Consulenza Tecnologica.
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Arno Penzias, Premio Nobel per la
Fisica, e l’azienda Siemens stanno
collaborando al progetto della
Konarka Technologies: imitando il
processo di produzione della
pellicola fotografica, il loro obiettivo
è quello di contenere il materiale
elettrolitico all’interno di un film
sottile, utilizzando un sigillante.
Attualmente l’efficienza delle loro
celle è bassa: si aggira intorno al
5%.
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Una variante tecnologica è ciò che propone la
Nanosolar, che sta sviluppando una cella
che non necessita dell’elettrolita liquido in
quanto provvista di un substrato flessibile
sul quale viene applicata una vernice
semiconduttrice organica.
Le celle fotovoltaiche vengono prodotte in
rotoli. L’efficienza è pari al 10%.
Inoltre gli studi della Nanosolar hanno
dimostrato che una cella solare è più
efficiente delle migliori versioni in silicone e
che può essere prodotta per un decimo del
costo di queste ultime.
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Il MIT (Massachusetts Institute of
Technology)ha sperimentato per la prima
volta nel maggio 2004 una cella fotovoltaica
ad alta efficienza e a basso costo che prevede
l’utilizzo di cloroplasti e proteine
fotosintetiche.
La messa a punto di un prodotto commerciale è
prevista a medio - lungo termine (10-20 anni).
Friederike Fleischhaker, Professoressa Associata
presso il MIT, dichiara che le celle di Grätzel
sono candidate promettenti a rimpiazzare le
classiche cellule solari al silicio.
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L’Università di Tor Vergata, attraverso un fondo
della Regione Lazio, sperimenta sulle Dye solar
Cell l’utilizzo di un pigmento, le antocianine,
simile a quello che caratterizza il colore dei frutti
di bosco.
Il professor Thomas Brown, docente di
Elettronica Biologica e Molecolare presso
l’Università di Roma Tor Vergata, ha
affermato che «il grosso vantaggio dei
materiali fotovoltaici risiede nel fatto
che questi possono essere depositati, su
larghe aeree e a costi molto ridotti, in
soluzione liquida come veri e propri
inchiostri o paste».
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Questo comporta che i metodi
dell’industria della stampa possono essere
applicati nel campo del solare organico.
Quindi, a differenza del
processo produttivo dei
wafer in silicio, l’utilizzo
dei materiali fotovoltaici
permette di evitare dispendi
energetici, economici e
Esempi di diversi tipi di
danni ambientali.
cella fotovoltaica
Va inoltre sottolineata la
loro compatibilità con film
e rotoli di plastica: ciò
comporta vantaggi nei
costi, nel trasporto e
nell’installazione.
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Riferimenti sitografici:
•www.unive.it
•www.energoclub.it
•www.newscientist.com
•www.dyesol.com
•www.eifer.uni-karlsruhe.de
•www.konarka.com
•www.solideas.com
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