Presentazione_DSSC_PLS2-versione_per_sito

Il mercato energetico globale
Si stima che entro il 2040
i giacimenti di petrolio e
carbone saranno esauriti
Ricerca e sviluppo di
fonti di energia
alternative e rinnovabili
M. Grätzel, 6e Symposium Photovoltaϊque National SIG, Genève (2005).
L’energia solare
Ogni giorno il sole irradia la Terra con una quantità di energia
circa 1000 volte superiore a quella attualmente utilizzata.
È una fonte di energia inesauribile
Fornisce energia “pulita”
Tipologie di dispositivi per convertire l’energia solare:
Celle a giunzione solida a base di Silicio
DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) o celle di Grätzel
Celle polimeriche
Efficienza delle Celle Solari
Tipo di cella
Silicio
cristallo
singolo
Silicio
policristallino
Silicio amorfo
Celle
sensibilizzate
a colorante
M. Grätzel, Nature (London) 414 338 (2001).
Efficienza
cella singola
(%)
Efficienza
in modulo
(%)
24
10-15
18
9-12
13
7
10-11
7
DSSC: Il funzionamento
Catodo
Elettrodo di vetro conduttore
Film di Platino
Soluzione elettrolitica con
mediatore redox (I-/I3-)
TiO2 con colorante adsorbito
Anodo
J. DeSilvestro, M. Grätzel, L. Kavan et al. J. Chem. Soc. 107 2988 (1985).
Elettrodo di vetro conduttore
DSSC: Il dispositivo
M. Grätzel, Nature (London) 414 338 (2001).
).
I vantaggi delle DSSC
Maggiore disponibilità di materie prime
Processi produttivi maggiormente economici e meno complessi
Minori costi
Aspetto ( trasparenza)
Prestazioni indipendenti dalla temperatura
Maggiore assorbimento della luce diffusa
B. O’Regan, M. Grätzel, Nature 353 737 (1991); M. Grätzel, Nature (London) 414 338 (2001).
M. Grätzel, J. Photochem. Photobiol. A. 164 3 (2004).
Le performance
Efficienza di conversione fino all’ 11%
Test di invecchiamento condotti a 60-80°C per 1000 h sotto intensità
di luce pari a 1.5 l’intensità della luce solare
Durata circa 20 anni
M. Grätzel C. R. Chimie 578-583 9 (2006).
I sensibilizzatori
Requisiti:
Essere saldamente ancorato alla superficie del semiconduttore.
Iniettare elettroni nella banda di conduzione con una resa quantica
pari ad 1.
Avere idonee proprietà redox dello stato eccitato.
Essere in grado di assorbire tutti i fotoni della luce solare al di sotto
della lunghezza d’onda soglia pari a circa 920nm.
Avere una stabilità a lungo termine, termica ed ottica, per sostenere
almeno un turnover redox di 108 cicli sotto illuminazione
corrispondente a circa venti anni di esposizione alla luce solare
naturale.
M. X. Tan, P. E. Laibinis, S. T. Nguyen et al. Prog. Inorg. Chem. 44 21 (1994);
S. Nakade, W. Kubo, Y. Saito, T. Kanzaki, T. Kitamura, Y. Wada, S. Yanagida J. Phys. Chem. B 107 (2003).
CELLE SOLARI A
COLORANTE
Assemblaggio con materiali a
basso costo e coloranti naturali
Realizzazione di una cella
Materiale occorrente:
Componenti per ciascuna cella:
• 2 vetrini conduttori 25 x 25 mm
• 3 – 4 gocce di TiO2 in sospensione acquosa
• colorante
• 2 gocce di soluzione elettrolitica
• 1 matita
Strumenti per l’assemblaggio della
cella:
• pinzette
• nastro adesivo
• 2 clips
Realizzazione di una cella
I stadio:
Preparazione della sospensione acquosa di TiO2
Ricetta tipo:
• 6 g di TiO2 (P25 Degussa) in un mortaio
• aggiungere 9 ml di una soluzione acquosa di acido nitrico (pH=3-4): 1 ml alla
volta macinando fino ad ottenere una pasta abbastanza densa e senza grumi
• trasferire la sospensione in apposito contenitore e lasciare riposare per almeno 30
minuti (attenzione a non far formare bolle)
Realizzazione di una cella
Realizzazione di una cella
II stadio:
• Prendere due lastrine di vetro conduttivo (FTO, resistenza 15-20 Ω) e lavarle con
etanolo poi asciugarle con un panno morbido come per le lenti degli occhiali)
• Attenzione: d’ora in poi toccare le lastrine solo con le pinzette o per i bordi
• Individuare con un multimetro il lato conduttivo delle lastrine di vetro
• Posizionare le due lastrine affiancate una con il lato conduttivo rivolto verso l’alto
(anodo) e l’altra verso il basso (catodo).
Realizzazione di una cella
III stadio: stesura della pasta di TiO2 sull’anodo
• Utilizzare dello scotch trasparente rimovibile per fissare le due lastrine al banco di
lavoro coprendo anche le lastrine stesse (in alto e sui bordi) per uno spazio pari a
qualche millimetro (4-5 in alto, 2-3 sui lati)
• Depositare 2-3 gocce della sospensione di TiO2 sulla lastrina con la faccia
conduttrice rivolta verso l’alto e stenderle sul vetrino con la bacchetta di vetro in
modo da coprirlo in maniera uniforme (partire dalle gocce depositate, senza far
rotolare la bacchetta, e andare fino all’estremità con il nastro adesivo e quindi
tornare indietro eventualmente portando il TiO2 in eccesso sulla seconda lastrina).
• Se lo strato non fosse omogeneo, è possibile
ripetere la procedura dopo aver rimosso
delicatamente l’ossido già depositato.
• Una volta terminato, rimuovere lo scotch e
lasciare asciugare all’aria per circa 1 minuto
• Pulire la seconda lastrina dall’eventuale
ossido in eccesso (come nel secondo stadio)
Realizzazione di una cella
Realizzazione di una cella
IV stadio: sinterizzazione della pasta di TiO2
• Il vetrino con lo strato di ossido è pronto per essere sinterizzato a 450°C, per 30
minuti.
• Lasciare raffreddare lentamente il vetrino (un raffreddamento rapido potrebbe far
spaccare il vetro o lo strato di ossido).
Realizzazione di una cella
V stadio: preparazione del colorante naturale
• Scegliere 3 - 4 more o lamponi e schiacciarli in un mortaio o su un vetro
d’orologio usando una spatola (se necessario, aggiungere qualche goccia d’acqua)
• Filtrare il succo ottenuto
• Se si usa del vino rosso la soluzione è il vino stesso
Realizzazione di una cella
Realizzazione di una cella
VI stadio: immersione dell’anodo nella soluzione di sensibilizzatore
• Immergere il vetrino nel succo, tenendo la faccia coperta di ossido rivolta verso il
basso: al termine, dovrebbe sparire completamente il colore bianco del TiO2,
anche guardandolo dal sotto, altrimenti immergerlo nuovamente.
• In ogni caso, è opportuno lasciarlo immerso nel colorante fino a quando non si è
pronti ad assemblare la cella.
Realizzazione di una cella
Realizzazione di una cella
VII stadio: preparazione del contro-elettrodo (catodo)
• Se necessario, determinare nuovamente il lato conduttore della seconda lastrina e
coprirlo con uno strato di carbonio, usando una matita morbida o affumicando il
vetro sulla fiamma della candela
• Lo strato di carbonio così depositato agisce da catalizzatore per la reazione di
rigenerazione dello iodio e deve perciò coprire interamente il vetrino, tranne per
una striscia di 4-5 mm che servirà come contatto
Realizzazione di una cella
Realizzazione di una cella
IX stadio: assemblaggio della cella
• Rimuovere il vetrino con l’ossido di titanio dal colorante e lavarlo con acqua e
quindi con etanolo; affinché la cella funzioni correttamente, è importante che non
ci siano tracce d’acqua sullo strato di TiO2/colorante prima di aggiungere la
soluzione elettrolitica
• Asciugarlo delicatamente con un tessuto.
• Appoggiare il primo vetrino su una superficie piana con il lato con lo strato di
ossido/colorante rivolto verso l’alto e adagiare delicatamente sopra di esso il
contro-elettrodo con lo strato di carbonio rivolto verso il basso, lievemente
sfalsato in modo da lasciare esposto il bordo scoperto della prima lastrina: le due
estremità libere, di 4-5 mm serviranno come contatti elettrici.
• Sollevare i due vetrini mantenendoli nella loro posizione e bloccarli con due clips
• Depositare 1 o 2 gocce di soluzione elettrolitica sul bordo del dispositivo: per
azione capillare, il liquido bagnerà completamente lo strato di ossido di titanio tra
i due vetrini (per favorire questo processo è utile togliere e rimettere
alternativamente le due clips)
• Rimuovere l’eccesso di elettrolita dalle aree esposte dei due vetrini.
• La cella di Grätzel così assemblata è pronta per la caratterizzazione elettrica.
Realizzazione di una cella
Realizzazione di una cella
X stadio: misura delle caratteristiche elettriche
• Dopo aver misurato con un righello le dimensioni dell’area attiva della cella,
collegarla con i coccodrilli al multimetro: l’elettrodo negativo è il vetrino coperto
di TiO2 (cavo nero), mentre quello positivo è il contro-elettrodo (cavo rosso). È
così possibile misurare la differenza di tensione ai capi della cella e la corrente
massima prodotta.
Fine