Cella di Gratzel Anno 2008/2009 A cura di Jurgen Mantini e Enrico Pandrin.

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1 Cella di Gratzel Anno 2008/2009 A cura di Jurgen Mantini e Enrico Pandrin

2 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).

3 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.

4 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.

5 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)

6 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 Strutture (p-n), messe a contatto, generano un flusso elettronico

7 Antocianine sono dei pigmenti appartenente ai flavonoidi. Il catione flavilio è la struttura di base di tutte le antocianine. Antocianine Le antocianine sono presenti nei vegetali,fiori frutti, e foglie. Il colore è dovuto a vari fattori tra cui il pH. Struttura base

8 La cella di gratzel è un dispositivo che serve a trasformare l’energia solare in energia elettrica 0,26A Viene registrato una misura di amperaggio che corrisponde alla potenza degli elettroni 300mV e una di differenza di potenziale che quantifica gli elettroni passanti nel circuito

9 ___ Trap states Valence Band Conduction Band SnO 2 glass _ _ _ _ _ _ TiO 2 nanoperticles Cyanin dye Counter electrode I 3 - electrolyte La radiazione solare colpisce gli elettroni nel colorante. Questo coincide con il livello meno energetico del sistema. Gli elettroni colpiti vengono eccitati e aumentano la loro energia Di questi elettroni, non tutti raggiungono la banda di conduzione ed entrano nel circuito. Alcuni tornano allo stato iniziale. Gli elettroni che entrano nel circuito compiono un percorso sul quale è posto un utilizzatore (lampadina) Un elettrone entra in contatto con l’elettrolita che si scinde acquistando la carica negativa. Mentre lo ione I - migra verso il colorante, un altro elettrone entra in contatto con lo ione I 2 -. Lo ione I - cede la carica negativa al colorante. Contemporaneamente lo ione I 2 2- migra verso il colorante per cedere la carica negativa A questo punto gli elettroni sono di nuovo allo stato meno energetico del sistema, dal quale la radiazione solare li aveva strappati. Gli ioni I 2 - e I° si ricombinano poi per formare l’elettrolita (I 3 - ). Sun

10 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 entra nella banda di conduzione (CB) del semiconduttore; da qui è poi immesso nel circuito dove compie lavoro elettrico dissipando energia. colorante eccitato + TiO2 → e-(TiO2) + colorante ossidato e-(TiO2) + C.E. → (TiO2) + e ‑ (C.E.) + energia elettrica 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. ritorna allo “stato 0” del colorante. colorante ossidato + 3/2 I- → colorante + ½ I3-

11 La fotosintesi ha due fasi: luminosa e oscura. I fotoni colpiscono la clorofilla e gli elettroni eccitati ritornando allo stato iniziale, liberando energia. La cella di Graetzel e la fotosintesi clorofilliana L’intera reazione è la seguente: 6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + energia luminosa

12 Tramite la scissione dell’ si formano, ed. L’idrogeno e gli elettroni, tramite la presenza di NADP + serviranno per la fase oscura. H2OH2O O2O2 H+H+ e-e- acquaossigeno idrogeno elettroni Nella fotosintesi l’energia luminosa si trasforma in energia chimica.

13 Confronto tra la cella di Gratzel e la fotosintesi clorofilliana. FotosintesiFunzione Cella di Gratzel ClorofillaRaccoglie l’energia luminosaAntocianine Trasformata in energia chimicaEnergia luminosaTrasformata in elettricità H 2 O - 2e ‑ → ½ O2Ossidazione2 I - - 2e ‑ → I 2 NADP* + H* + 2e- → NADPH Elettrone trasferito tramite D* + TiO 2 → e - (TiO 2 ) + D + Sostanze organiche Tipi di materialiCelle con colorante organico

14 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

15 Fase 1: Preparazione della sospensione di Biossido di Titanio La sospensione di TiO 2 si prepara macinando il biossido e aggiungendo una soluzione acida a pH 3

16 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.

17 la pasta viene stesa con l’ausilio di una bacchetta di vetro per formare lo strato sottile (40μm) Parte conduttiva

18 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

19 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

20 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

21 Fase 6: Assemblaggio della cella Vengono sovrapposti il vetrino coperto di TiO 2 e il controelettrodo con la grafite. Vengono depositate delle gocce di elettrolita sul bordo del dispositivo che viene assorbito sono sfalsati per attaccare i cavi elettrici La cella è così pronta per il funzionamento

22 Caratterizzazione della cella da noi costruita Determinazione dello spessore dello strato di TiO 2 SEM Caratterizzazione dei cristalli di TiO 2 mediante TEM spettrofotometria molecolare nell’uv-visibile curva volt-amperometrica 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.

23 Profilometro Il profilometro è uno strumento che fornisce un profilo della superficie. Vetrino conduttore funziona attraverso un ago che va a contatto con l’oggetto calcolando le misure. Attraverso il profilometro abbiamo misurato lo spessore del TiO2 della cella TiO 2

24 Fascio primario Elettroni retrodiffusi Elettroni secondari Elettroni Auger Raggi x fotoni Elettroni trasmessi Elettroni assorbiti Conducibilità indotta 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

25 Caratterizzazione del nanostrato di TiO 2 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)

26 La cottura del TiO 2 ha lo scopo di formare la struttura nanocristallina: Una temperatura di (800-900°C) provoca la perdita della nanostruttura a grana fine Microstruttura fine Microstruttura a grana grossa particelle di dimensioni nanometriche(5-25nm) sono le più adatte Sono determinanti la preparazione della sospensione e il deposito sul vetrino del TiO 2

27 Scansione al TEM (microscopio a trasmissione elettronica) dei cristalli di biossido di titanio(foto relizzate all’Università di Venezia,Scienze dei materiali) Diffrazione ai raggi x dei cristalli di biossido di titanio (anatasio) Le dimensioni ottimali dei cristalli sono di circa 25 nm La grandezza dei cristalli influenza la formazione della nanostruttura.

28 Identificazione dei diversi composti presenti nella tintura dei coloranti tramite spettrofotometria molecolare nell’UV-VISIBILE

29 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

30 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

31 Dopo aver completato l’assemblaggio della cella, queste vengono sottoposte a misure di intensità di corrente e differenza di potenziale

32 Circuito di misura di ddp e intensità di corrente 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/m 2 ) Tratta dal manuale del nanocrystalline solar cell kit (USA)

33 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

34 Il fotovoltaico è utilizzato anche per usi casalinghi. Attraverso l’energia del sole vengono fatti funzionare elettrodomestici

35 Le prospettive per il futuro 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 Tratto dall’ Università Tor Vergata di Roma

36 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 Conclusioni:

37 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