Progetto lauree scientifiche di Scienza dei Materiali La cella Graetzel IV Liceo Scientifico Tecnologico – Badoni - Lecco - a.s. 2010/2011

Fra le energie rinnovabili troviamo: Bacini idroelettrici Energia idroelettrica; Con stazioni di pompaggio A bassa entalpia Energia geotermica; Sistemi idrotermali Energia delle correnti marine Energia da acqua di falda; Energia osmotica Energia delle maree Energia marina; Energia del moto ondoso Energia tassalotermica Energia eolica; Ad asse verticale Ad asse orizzontale Energia da biomasse; Forestale Agroenergie Energia solare; Termici Fotovoltaico

Sviluppo storico del fotovoltaico • 1816 – Stirling brevetta il suo motore; • 1839 – Edmond Berquel scopre l’effetto fotovoltaico; • 1873 – Scoperta della conduttività del selenio; • 1883 – Charles Frittes produce la prima cella solare in Selenio; • 1956 – Prima applicazione in campo aereo spaziale per le celle fotovoltaiche; • 1974 – Primo utilizzo del fotovoltaico in campo “stradale”. In più i Wronski fabbricano la prima cella al silicio amorfo; • 1981 – Prima cella solare con efficienza superiore al 20%; • 1991 – Sviluppo delle celle fotoelettrochimiche; • 1996 – Prime celle fotoelettriche con efficienze superiori al 10%; • 2005 – Moduli di celle solari che utilizzano circa il 17% della luce incidente;

I semiconduttori Intrinsechi Classificazione Drogaggio di tipo p Si definiscono semiconduttori elementi che hanno una resistività, cioè un gap di energia proibita intermedia tra i conduttori e gli isolanti. Questo permette che solo dopo specifiche sollecitazioni un elettrone si liberi proiettandosi nella banda di conduzione e lasciando una lacuna positiva in quella valenza. In questo modo si può originare una corrente elettrica Intrinsechi Classificazione Drogaggio di tipo p Estrinsechi Drogaggio di tipo n Per essere utilizzato il silicio deve andare incontro a purificazione Fusione Fisica Trattazione in acido Purificazione Chimica

Effetto fotoelettrico È l'emissione di elettroni da un metallo eccitato dall'esposizione alla luce o ad una qualsiasi radiazione elettromagnetica con frequenza superiore ad una certa “frequenza di soglia”. L’effetto fotovoltaico Sotto-categoria effetto fotoelettrico si verifica quando un elettrone, stimolato, passa dalla banda di valenza a quella di conduzione. Ciò si verifica nei semiconduttori.

Cella di Graetzel e fotosintesi clorofilliana Nella fotosintesi l’energia luminosa si trasforma in energia chimica; un fotone eccita una molecola di clorofilla, che innesca il trasferimento di elettroni dall’acqua al NADP sintetizzando il glucosio (energia immagazzinata). Nella cella di Graetzel la funzione della clorofilla viene svolta dal colorante; la luce produce il salto dell’elettrone dallo stato fondamentale a quello eccitato. Si può così produrre, attraverso il biossido di titanio e lo iodio in soluzione, corrente elettrica per un “immediato” utilizzo.

I componenti della cella Materiale attivo (colorante) Si lega facilmente con il biossido di TitanioTiO2, è fotosensibile, cioè ossidandosi cede elettroni; Soluzione elettrolitica A base di iodio e ioduro di potassio; Fa da mediatore ricevendo elettroni dal contro-elettrodo e cedendoli al TiO2 attraverso il colorante Controelettrodo E’ di carbonio o grafite, ripristina il ciclo della cella cedendo elettroni Vetrini conduttori Lasciano passare la luce e permettono il contatto elettrico con il circuito esterno Biossido di titanio Essendo nanostrutturato rende maggiore la superficie di presa del colorante Funge da accettore di elettroni

Procedimento Taglio dei vetrini Preparazione maschera Usando il multimetro si determina il lato conduttore. Con una punta diamantata, si incide il vetro sul lato non conduttore e lo si taglia. Preparazione maschera Si ricoprono i bordi del lato conduttore del vetrino applicando 3 strisce di nastro adesivo larghe qualche millimetro lasciando libero un lato corto.

Preparazione e stesura del TiO2 Con un pestello si macinano 5[g] di TiO2 aiutandosi con 3 [mL] di acido nitrico. È importante non lasciare grumi per la riuscita dell’esperienza. Si spalma poi la pasta di TiO2 sul lato incorniciato dal nastro adesivo aiutandosi con una bacchetta di vetro allo striscio. Questo deve essere fatto in una unica passata. Cottura Quando il TiO2 è asciutto (~4 min) si toglie il nastro adesivo e si inforna a 450 [°C] per 10 minuti.

Preparazione del contro-elettrodo Operando sul lato conduttore di un nuovo vetrino si può annerirlo tutto a con una matita più morbida possibile (grafite), o per mezzo di una fiamma (carbonio). Aggiunta del succo Viene fatto sgocciolare con molta calma il succo sulla superficie di TiO2. Poi si aspetta che il succo venga assorbito bene.

Soluzione elettrolitica Pulizia Asciugare l’eccesso di succo e poi lavare con isopropanolo entrambi i vetrini. Soluzione elettrolitica Gocciolare la soluzione elettrolitica sul biossido di titanio. Poi, dopo che è stata assorbita, asciugare la sostanza in eccesso sui bordi.

Assemblaggio Caratterizzazione Il vetrino con il contro-elettrodo viene affacciato al TiO2 impregnato di colorante lasciando libero il tratto in cui non è stato posto il TiO2 , si chiude la cella con delle clips metalliche Caratterizzazione Per mezzo di un tester si misurano corrente e tensione esponendo la cella a diversi gradi di illuminazione cioè a diverse distanze da una sorgente fissa.

Grafico cella al silicio Grafico cella Graetzel Infine i grafici Abbiamo concluso con uno studio dei grafici dell’intensità di corrente in funzione della differenza di potenziale della cella Graetzel confrontata con una normale cella al silicio (smontata da una calcolatrice tascabile) Grafico cella al silicio Grafico cella Graetzel L’andamento è simile anche se l’intensità di corrente e la tensione sono su scale diverse.

Ecco il gruppo lavorativo!