Diario di un esperimento in laboratorio 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

COME E’ POSSIBILE?

COME E’ POSSIBILE CHE… due vetrini violacei illuminati da una lampada possano far funzionare una calcolatrice? CELLA DI GRÄTZEL

QUESTA E’ LA POTENZA DELLA CELLA DI GRÄTZEL!

ASSEMBLAGGIO DELLA CELLA Treviso, 18 novembre 2008 LE FASI DEL LAVORO PRIMO GRUPPO SECONDO GRUPPO Preparazione della sospensione di Biossido di Titanio Deposizione sul vetrino Cottura Preparazione della tintura Preparazione del controelettrodo ASSEMBLAGGIO DELLA CELLA

Preparazione della sospensione di Biossido di Titanio 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.

Deposito della sospensione di Biossido di Titanio sul vetrino

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.

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.

Preparazione della tintura e immersione del vetrino con TiO2 SECONDO GRUPPO Preparazione della tintura e immersione del vetrino con TiO2 I semi di melograno sono stati strizzati con una garza.

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.

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.

L’ASSEMBLAGGIO DELLA CELLA PRIMO E SECONDO GRUPPO L’ASSEMBLAGGIO DELLA CELLA

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.

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.

COSTRUZIONE DEL CIRCUITO E VERIFICA DEL FUNZIONAMENTO DELLA CELLA

Gli elettroni andavano ad alimentare la calcolatrice. 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.

CARATTERIZZAZIONE DELL’ESPERIMENTO Venezia, 19 novembre 2008 CARATTERIZZAZIONE DELL’ESPERIMENTO Il profilometro

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.

Vetrino Punta metallica Biossido di Titanio

Differenza di spessore tra il vetrino e lo strato di Biossido di Titanio

Il grafico mostra lo spessore (dopo che la punta aveva percorso circa mezzo millimetro sul vetrino) dello strato di Biossido di Titanio.

CARATTERIZZAZIONE DELL’ESPERIMENTO Microscopio elettronico a scansione SEM Microscopio elettronico a scansione

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.

Seguono alcune immagini del vetrino, sul quale era stato posto lo strato di Biossido di Titanio, ottenute attraverso il SEM. Voltaggio Scala di riferimento

Elettroni utilizzati per ottenere l’immagine: SECONDARI Ingrandimento

L’immagine presenta in primo piano una frattura nello strato di Biossido di Titanio. Grandezza del fascio incidente (spotsize)

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.

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.

Analisi sullo strato di Biossido di Titanio

CONTESTO TECNOLOGICO E INDUSTRIALE IN CUI SI COLLOCA LA CELLA DI GRÄTZEL

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.

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.

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%.

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.

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.

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».

Esempi di diversi tipi di cella fotovoltaica 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 danni ambientali. Va inoltre sottolineata la loro compatibilità con film e rotoli di plastica: ciò comporta vantaggi nei costi, nel trasporto e nell’installazione. Esempi di diversi tipi di cella fotovoltaica

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