classe 4°G indirizzo Beni Culturali Liceo Scientifico "A.Roiti"

Costruzione di una cella fotoelettrochimica per la conversione dell'energia solare in energia elettrica Il dispositivo di cui si propone la costruzione è una cella fotoelettrochimica, chiamata anche DSC (Dye-sensitized Solar Cell: cella solare a colorante sensibilizzatore), in grado di convertire in elettricità, con buona efficienza, la radiazione visibile proveniente da una sorgente di energia radiante come il sole. A differenza dei comuni dispositivi fotovoltaici, basati su semiconduttori come il silicio, che richiedono processi industriali ad alta tecnologia, una DSC può essere assemblata in un comune laboratorio chimico senza particolari attrezzature. Il funzionamento di una DSC si basa sul principio della sensibilizzazione spettrale di semiconduttori ad elevato band-gap. In un materiale semiconduttore gli elettroni del guscio di valenza si muovono in orbitali dalla cui sovrapposizione prende origine la cosiddetta banda di valenza, un quasi-continuo di livelli energetici occupati dagli elettroni di legame. Ad energia più elevata si trova un altro quasi-continuo di livelli energetici, non occupati, detto banda di conduzione. Nei metalli, la banda di conduzione è sovrapposta a quella di valenza, per cui gli elettroni possono essere trasferiti a temperatura ambiente in livelli vuoti dove si muovono liberamente sotto l’azione di un campo elettrico. Ciò spiega l’elevata conducibilità elettrica dei metalli. In un materiale semiconduttore le bande di valenza e conduzione sono separate da un intervallo di valori di energia, che gli elettroni non possono assumere, che prende il nome di band-gap. Solo pochi elettroni, a temperatura ambiente, hanno energia sufficiente a “saltare” il band-gap per portarsi nella banda di conduzione, con il risultato che i semiconduttori hanno una conducibilità inferiore a quella dei metalli. Negli isolanti il band-gap risulta così elevato che gli elettroni non possiedono energia sufficiente per popolare la banda di conduzione e la conducibilità elettrica è praticamente nulla. Il passaggio di un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione può avvenire anche in seguito all’assorbimento di un fotone che deve possedere un’energia almeno pari a quella del band-gap. Il processo genera una cosiddetta coppia elettrone-lacuna che accresce la conducibilità elettrica del materiale (fotoconducibilità). I semiconduttori ad elevato band-gap come il TiO2 assorbono fotoni di lunghezza d’onda inferiore a 400 nm (UV) e risultano di colore bianco. La sensibilizzazione spettrale di un semiconduttore (Figura 1) è un processo in cui ad assorbire fotoni è una molecola il cui stato eccitato è in grado di trasferire un elettrone nella banda di conduzione del semiconduttore (iniezione di carica). In questo modo si può estendere il campo spettrale a cui il sistema semiconduttore-molecola risulta sensibile. La sensibilizzazione spettrale è alla base del funzionamento di una DSC.

Lo schema di principio di una DSC è illustrato in figura 2 Lo schema di principio di una DSC è illustrato in figura 2. La molecola di sensibilizzatore (S) assorbe un fotone e si porta in uno stato elettronicamente eccitato (S*) in cui un elettrone viene trasferito dal metallo sul legante che vi è coordinato. Questo elettrone viene poi iniettato nel semiconduttore in un tempo di poche decine di femtosecondi (1 femtosecondo = 10-15 s) e si localizza nella banda di conduzione del TiO2 dove può muoversi liberamente (figura 1). Il metallo che ha perso un elettrone si trova ora in uno stato ossidato (S+) e viene prontamente ridotto dallo ione ioduro, presente nella soluzione elettrolitica, che si converte in iodio. Lo iodio diffonde verso il controelettrodo sulla cui superficie viene nuovamente ridotto a ioduro, con il concorso del platino metallico che funge da catalizzatore, dall’elettrone che dal TiO2 è passato al controelettrodo lungo il circuito esterno. I risultato finale è la conversione di un fotone in un elettrone, mentre ogni altra specie all’interno della cella viene rigenerata dal circuito elettrochimico. L’efficienza quantica del processo, detta Incident Photon-to-current Conversion Efficiency (IPCE), è data dal rapporto tra il numero di elettroni circolanti nel circuito esterno ed il numero di fotoni incidenti sul fotoelettrodo ad una particolare lunghezza d’onda Il valore della IPCE viene calcolato con la formula: in cui h è la costante di Planck (J s), c è la velocità della luce nel vuoto (m/s), e è la carica dell’elettrone (C), J è la densità di corrente di corto circuito (A/m2),  è la lunghezza d’onda (nm) e P è la densità di potenza radiante incidente sul fotoelettrodo (W/m2). Il grafico della IPCE in funzione della lunghezza d’onda è detto spettro di fotoazione.

Fase 1: Preparazione Del Fotoelettrodo Per la preparazione del fotoelettrodo si utilizza una sospensione colloidale di TiO2 (150g/l), contenente particelle del diametro medio di circa 20 nm (1nm = 10-9 m), a cui si aggiunge una sostanza cerosa, il cui nome commerciale è Carbowax, avente la funzione di facilitare la formazione di un film uniforme su vetro. Si prende una lastra quadrata (circa 10 X 10 cm2) di vetro conduttore e si controlla con un multimetro quale dei due lati risulta conduttivo. Si pone il vetro con la parte conduttrice rivolta verso l’alto e si applicano quattro strisce di nastro adesivo come mostrato in figura 3. La distanza del nastro dal bordo è di circa 5 mm su tre lati e circa 1 cm sul quarto lato. Con l’aiuto di una pipetta di vetro si deposita una quantità sufficiente di sospensione colloidale di TiO2 sulla striscia di nastro adesivo alta 1 cm e per mezzo di una bacchetta di vetro o di una lastrina di vetro appoggiata sulle due strisce di nastro laterali, si distribuisce la pasta colloidale in modo da ricoprire uniformemente la superficie del vetro conduttore. Facendo evaporare l’acqua con l’aiuto di un phon si ottiene un film uniforme e trasparente di TiO2. Il vetro ricoperto di TiO2 viene riscaldato in un forno a muffola alla temperatura di 450°C per circa 30 minuti. Questo trattamento ha lo scopo di produrre una sinterizzazione delle particelle colloidali che si interconnettono creando una struttura tridimensionale di elevatissima area superficiale. Lo spessore del film è di circa 7-10 micrometri.

Fase 2: Adsorbimento Del Colorante Sensibilizzatore L’adsorbimento è il processo spontaneo attraverso il quale il colorante sensibilizzatore si lega alla superficie delle particelle di semiconduttore per mezzo delle funzioni carbossiliche –COOH. Il fotoelettrodo di TiO2 sinterizzato viene posto sul fondo di un cristallizzatore con la parte rivestita di TiO2 rivolta verso l’alto, e viene ricoperto con una soluzione del colorante sensibilizzatore, disciolto in etanolo assoluto, la cui concentrazione è circa 10-3 M. Il processo di adsorbimento richiede circa ventiquattr’ore a temperatura ambiente o circa un’ora se si riscalda la soluzione fin quasi al punto di ebollizione. Completato l’adsorbimento, il film di TiO2 che inizialmente si presenta incolore, assume la colorazione impartita dal complesso sensibilizzatore. Il film estratto dalla soluzione di adsorbimento viene lavato con etanolo assoluto e asciugato con aria calda.

Fase 3: Preparazione Del Controelettrodo Platinizzato Il controelettrodo della DSC è un lastra di vetro conduttore, delle stesse dimensioni del fotoelettrodo, sulla cui parte conduttrice viene spruzzata, per mezzo di un aerografo, una soluzione 5 10-3 M di acido esacloroplatinico (H2PtCl6) in alcol isopropilico. L’operazione, da effettuarsi sotto cappa, si esegue appoggiando il vetro conduttore ad un sostegno che lo mantenga in posizione quasi verticale ed effettuando leggere passate con l’aerografo tenuto alla distanza di circa venti centimetri in modo che la soluzione spruzzata evapori subito appena bagna la superficie del vetro. Per facilitare l’evaporazione si può asciugare la superficie con un phon dopo ogni passata, in questo modo si garantisce l’ottenimento di un deposito uniforme. Al termine dell’operazione, si pone il vetro, adagiato in un cristallizzatore, all’interno del forno a muffola precedentemente riscaldato alla temperatura di 385°C e lo si lascia per circa quindici minuti. Durante il riscaldamento, l’acido esacloroplatinico depositato sulla superficie del vetro si decompone lasciando particelle di platino metallico ben aderenti. Il controelettrodo estratto dal forno si lascia raffreddare lentamente a temperatura ambiente. La superficie platinizzata si presenta di un leggero grigio uniforme.

Fase 4: Preparazione Della Soluzione Elettrolitica La soluzione elettrolitica che riempie una DSC è costituita da Ioduro di Litio (LiI) in concentrazione 0.3M e iodio in concentrazione 0.03M disciolti in un solvente organico poco volatile: il g-butirrolattone. Si pesano 4,02 g di LiI con la bilancia analitica e si pongono in una beuta da 250 ml, si versano poi 80 ml circa di g-butirrolattone e si agita a temperatura ambiente con una barretta magnetica fino a completa dissoluzione del solido. Si versa la soluzione in un matraccio tarato da 100 ml nel quale si sono introdotti 0.76 g di iodio bisublimato e si porta a volume con il solvente dopo la dissoluzione completa dello iodio. La soluzione viene filtrata con un imbuto filtrante munito di setto di vetro sinterizzato di porosità 4 e si pone in un recipiente chiuso da un tappo a vite.

Fase 5: Assemblaggio Della Cella Per l’assemblaggio della cella si utilizza un polimero termoplastico il cui nome commerciale è Surlyn. Con l’aiuto di un taglierino e di una squadra si ritaglia da un foglio di Surlyn una cornice, come mostrato in figura 4, dello spessore di circa tre mm e si pratica un taglio a circa metà del lato lungo asportandone circa 5 mm. Si pone la cornice sul lato platinizzato del controelettrodo e si inseriscono due laminette di rame sopra e sotto la parte di cornice più alta come illustrato in figura 4. Vi si appoggia sopra con cura il fotoelettrodo dal lato rivestito di TiO2 con il bordo alto 1 cm in corrispondenza della laminetta di rame superiore. Le due laminette sono tra loro isolate dal Surlyn e realizzano il contatto elettrico con la superficie conduttrice del vetro. Si dispongono tutt’attorno delle clip metalliche per tenere i due vetri in posizione e si riscalda in forno a circa 130°C fino a fusione del Surlyn. Dopo raffreddamento a temperatura ambiente, si tolgono le clip e si procede al riempimento della cella con la soluzione elettrolitica.

Fase 6: Riempimento Della Cella La cella assemblata si pone con il lato recante l’apertura appoggiato sul fondo di una vaschetta riempita con la soluzione elettrolitica, ed il tutto si introduce in un essiccatore per vuoto. Con una pompa rotativa si fa il vuoto nell’essiccatore sino a quando cessa lo sviluppo di bollicine dovute all’aria, contenuta nella cella, che fuoriesce dall’apertura gorgogliando nella soluzione elettrolitica. A questo punto si spegne la pompa e si apre lentamente il rubinetto dell’essiccatore: l’aria, entrando, spingerà la soluzione elettrolitica all’interno della cella. Si asciuga accuratamente il bordo che era immerso nella soluzione e si sigilla l’apertura con resina epossidica.

Fase 7: Test In Luce Bianca Le prestazioni della cella possono essere valutate utilizzando un comune multimetro ed una sorgente di luce artificiale come una lampada alogena da 100W . La cella, irradiata con luce solare, produce una tensione a circuito aperto di circa 700 mV ed una corrente di corto circuito di circa 100 mA. La corrente generata dalla cella irradiata dal sole o da una sorgente intensa come una lavagna luminosa o un proiettore, è sufficiente ad azionare un piccolo motore elettrico di bassa potenza. Una DSC ottimizzata e di piccole dimensioni raggiunge una efficienza di conversione di energia luminosa in energia elettrica di circa 11%.