Cella di Gratzel
A cura di Jurgen
Mantini e Enrico Pandrin
Anno 2008/2009
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)
Strutture (p-n), messe a contatto, generano un flusso elettronico
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
Antocianine
Antocianine sono dei pigmenti appartenente
ai flavonoidi. Il catione flavilio è la
struttura di base di tutte le antocianine.
Struttura base
Le antocianine sono presenti nei vegetali,fiori
frutti, e foglie. Il colore è dovuto a vari
fattori tra cui il pH.
La cella di gratzel è un dispositivo che serve a trasformare l’energia solare in energia elettrica
300mV
0,26A
Viene registrato una misura di amperaggio
che corrisponde alla potenza degli elettroni
e una di differenza di potenziale che
quantifica gli elettroni passanti nel circuito
SnO2
glass
TiO2 nanoperticles
Counter
electrode
Sun
Conduction Band
Cyanin dye
I3-
electrolyte
__
_
Trap
states
_
____
_
Valence Band
Gli
La
radiazione
elettroni
solarenon
Di questi
elettroni,
che
colpisce
colpiti
vengono
gli elettroni
tutti
entrano
raggiungono
nel
circuito
la
nel colorante.
eccitati
Questo
banda
compiono
dieconduzione
un percorso
coincide
con
la
illoro
livello
Aaumentano
gliun
elettroni
edquesto
sul
entrano
quale punto
è posto
nel
meno
energia
del
dienergetico
nuovo
alloinstato
meno
circuito.
utilizzatore
Alcuni
Un sono
elettrone
entra
contatto
sistema.
del
sistema,
dal
tornano
(lampadina)
allo
stato
conenergetico
l’elettrolita
che
sinegativa
scinde
LoMentre
ione
I- lo
cede
la
carica
ione
I migrasolare
verso li
il al
quale
la
radiazione
iniziale.
acquistando
la carica negativa.lo
colorante.
Contemporaneamente
colorante,
un
altro elettrone
aveva
strappati.
ioni I2- e
2- migra verso il Gli
ione
I
colorante
- per
2I°in
entra
con lo
sicontatto
ricombinano
poiione
per I2 .
cedere la carica negativa
formare l’elettrolita (I3-).
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 energia
colorante + luce → colorante eccitato
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.
entra nella banda di conduzione (CB) del semiconduttore;
da qui è poi immesso nel circuito dove compie lavoro
ritorna allo “stato 0” del colorante.
elettrico dissipando energia.
colorante ossidato + 3/2 I- → colorante + ½ I3colorante eccitato + TiO2 → e-(TiO2) + colorante ossidato
e-(TiO2) + C.E. → (TiO2) + e-(C.E.) + energia elettrica
La cella di Graetzel e la fotosintesi
clorofilliana
La fotosintesi ha due fasi: luminosa e oscura.
I fotoni colpiscono la clorofilla e gli elettroni eccitati ritornando allo stato
iniziale, liberando energia.
L’intera reazione è la seguente:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 + energia luminosa
Tramite la scissione dell’ acqua si formano , ossigeno idrogeno ed elettroni .
L’idrogeno e gli elettroni, tramite la presenza di NADP+ serviranno per la fase
oscura.
O2
H
eH2O
Nella fotosintesi l’energia luminosa si trasforma in energia chimica.
Confronto tra la cella di Gratzel e la fotosintesi clorofilliana.
Fotosintesi
Clorofilla
Trasformata in energia chimica
H2O - 2e- → ½ O2
Funzione
Raccoglie l’energia luminosa
Energia luminosa
Ossidazione
NADP* + H* + 2e- → NADPH
Elettrone trasferito tramite
Sostanze organiche
Tipi di materiali
Cella di Gratzel
Antocianine
Trasformata in elettricità
2 I- - 2e- → I2
D* + TiO2 → e-(TiO2) + D+
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.
Parte conduttiva
la pasta viene stesa con l’ausilio di una bacchetta di vetro per formare lo strato sottile
(40μm)
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.
sono sfalsati per attaccare i
cavi elettrici
Vengono depositate delle gocce di elettrolita
sul bordo del dispositivo che viene assorbito
La cella è così pronta per il funzionamento
Caratterizzazione della cella da noi costruita
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
1,2
1
I
0,8
0,6
0,4
0,2
0
spettrofotometria molecolare
nell’uv-visibile
Caratterizzazione dei
cristalli di TiO2
mediante TEM
Determinazione dello
spessore dello strato di
TiO2
0
50
100
150
200
250
V
300
curva
volt-amperometrica
SEM
Profilometro
TiO2
Vetrino conduttore
Il profilometro è uno strumento che fornisce
un profilo della superficie.
140000
funziona attraverso un ago che va a
contatto con l’oggetto calcolando le misure.
120000
100000
80000
60000
40000
20000
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Attraverso il profilometro abbiamo misurato lo spessore del TiO2 della cella
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
Fascio primario
Elettroni
Auger
Elettroni retrodiffusi
Raggi x
Elettroni secondari
fotoni
Conducibilità indotta
Elettroni trasmessi
Elettroni assorbiti
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
particelle di dimensioni nanometriche(5-25nm) sono le
più adatte
Microstruttura a grana grossa
•Sono determinanti la preparazione della
sospensione e il deposito sul vetrino del TiO2
Diffrazione ai raggi x dei cristalli di
biossido di titanio (anatasio)
Scansione al TEM (microscopio a
trasmissione elettronica) dei cristalli di
biossido di titanio(foto relizzate
all’Università di Venezia,Scienze dei
materiali)
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
Tratta dal manuale del nanocrystalline solar cell kit (USA)
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)
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
Tratto dall’ Università Tor Vergata di Roma
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
Conclusioni:
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
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 Jurgen
Pandrin Enrico
Studenti della classe
5^ch/B dell’ITIS P.Levi