Материал: Виготовлення та дослідження органічного фотоелементу

Рис. 3. 1 Нанесення шару диоксиду титану на скло

Висушений шар прожарювали нагріванням на газовому пальнику, в нижній частині полум’я. Перед початком нагріву шар був сніжно-білого кольору, потім за рахунок осмолення поверхнево-активної речовини темнів. Після повного вигоряння органічних речовин диоксид титану стає лимонно-жовтого кольору. Цей ефект виникає завдяки зворотній зміні кристалічної гратки при нагріві. Занадто інтенсивний жовтий колір свідчить про перегрів зразка. Це не призводить до погіршення властивостей речовини, але бажано дотримуватись температури до 500 0С. При охолодженні білий колір поновлюється.

Було виготовлено декілька зразків електродів. Вони значно відрізнялися за механічною стійкістю шару диоксиду титану та його адсорбційними властивостями. Це пов’язано з наявністю декількох кристалічних форм диоксиду титану та різним вмістом даних форм у різних зразках. За даними [9], в комірці Гретцеля найкраще працює нанокристалічний анатаз. Найбільш звичайною формою існування диоксиду титану є рутил. Перетворення рутилу в анатаз можливе, але досить нетривіальне та включає, наприклад, перекристалізацію з киплячої сірчаної кислоти. Після декількох невдалих спроб було знайдено, що пігмент титанові білила придатні для даної роботи. Вони утворюють міцний шар та адсорбують барвник.

Як джерело барвника використовувалася заморожена малина. Вона перетиралася та в отриману масу занурювався електрод та витримувався протягом 10 хвилин. Потім обережно відмивався спочатку водою від залишків малини, потім етанолом щоб витягнути залишки вологи, потім сушився у потоці теплого повітря. В залежності від властивостей електроду колір був від світло-рожевого до фіолетового. Більш темний колір відповідає сильнішій адсорбції та більшій потужності фотоелементу.

Контрелектрод вироблявся закопченням, бажано рівномірним, іншого шматка електропровідного скла на свічці.

Рис. 3.2 Вимірювання струму короткого замикання органічного фотоелементу

Інформація щодо електроліту, що була в літературі, була досить різноманітна. Більшість методик, знайдених в літературі, пропонують застосовувати в якості електроліту розчин 0.5 М йодиду калію та 0.1 М йоду в безводному етиленгліколі. З міркувань безпеки етиленгліколь було замінено на пропіленгликоль. Йодид калію розчинився не повністю, невелика його частка залишилася у вигляді осаду. Розчин був темно-коричневого кольору. Взагалі, інформація щодо розчинника в електроліті досить непевна. [4] вказує на придатність багатьох органічних розчинників та перевагу ацетонітрилу. А [10] взагалі пропонує використовувати водний розчин медичного препарату йоду.

Фотоелемент збирався накладанням двох електродів активними шарами один до одного. Електроди фіксувалися скріпкою. Електроліт вводився у вже зібраний елемент. Капілярні сили швидко затягували його та рівномірно розподіляли між електродами. Надлишок електроліту, що витікав назовні, видаляли фільтрувальним папером.

РОЗДІЛ 3. Вимірювання параметрів та порівняння з кремнієвим фотоелементом

провідниковий сонячний енергія фотоелемент

В ході експерименту було отримано фотоелемент з активним шаром розміром близько 0.8х4 см та площею 3.2 см2. При освітленні світлодіодним ліхтарем потужністю 2.5 Вт на відстані 1 см було отримано струм 25 мкА, тобто близько 8 мкА/см2. Напруга розімкненого ланцюга у тих же умовах становила 0.5 В. В [10] вказано, що в залежності від походження застосованого диоксиду титану щільність струму лежить у межах від 2 до 200 мкА/см2. Тобто треба працювати в напрямку пошуку джерела анатазу, що досить нетривіально, але можливо.

Комерційно доступні фотоелементи мають значно кращі параметри. Наприклад, модуль розміром 4х4 см має струм короткого замикання 44 мА, тобто в 350 разів більший в перерахунку на одиницю площини[11].

Таким чином, у даний час ефективність органічних фотоелементів значно нижча за класичні та вони не можуть конкурувати у промислових використаннях. Але простір для вдосконалення майже безмежний, і це компенсується відносно низькою ціною та екологічною безпекою процесу виробництва [12].

РОЗДІЛ 4. ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ

У хімічній лабораторії співробітники повинні дотримуватися правил техніки безпеки, щоб не допускати нещасних випадків у результаті теплових опіків, хімічних опіків, отруєння шкідливими речовинами, ураження електричним струмом.

При виконанні експериментальної частини використовувалися такі прилади та реактиви:

скляний посуд;

оприскувач;

газовий пальник.

Необхідно бути уважними при використанні скляного посуду, оскільки скло має ряд недоліків: крихкість та невисока стійкість до різкої зміни температури. Також треба пам’ятати, що при порушенні правил роботи зі склом можливі серйозні механічні поранення.

Категорично забороняється використовувати посуд, який має тріщини. Перед роботою зі скляним посудом треба обов’язково оглянути його на наявність дефектів.

Роботу зі шкідливі речовинами проводять під тягою з опущеним склом. Оприскування також проводили у витяжній шафі таким чином, щоб розпилений реагент витягувало у вентиляцію.

Усі операції з виготовлення фотоелементу виконували відповідно основним правилам безпеки в хімічній лабораторії [13].

ВИСНОВКИ

У ході роботи була опрацьована література з хімії, фізики та електроніки з питань виготовлення фотоелементів. За його результатами було розроблено методику виготовлення. Фотоелемент було виготовлено та виміряно його параметри. Новизна роботи полягає у дослідженні відносно нового об’єкту.

Головним результатом роботи стала демонстрація можливості виготовлення органічного фотоелемента в умовах шкільної лабораторії. За умови незначного спрощення експерименту його цілком можливо використовувати для наочної демонстрації широкого спектра явищ на межі хімії , фізики та технології. Властивості отриманого фотоелемента, звичайно, не дають можливості застосувати його для вирішення якихось практичних задач.

Безперечно, тематика цієї роботи досить широка, вона може бути продовжена в наступних роботах. Можна провести більш поглиблене дослідження методики нанесення електропровідних плівок на скло для досягнення більш стабільних результатів. Треба дослідити вплив розчинника на параметри фотоелементу. Зовсім не приділено уваги питанню ресурсу фотоелементу та методам його регенерації, що має суто практичне значення.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1.        M. Gratzel, B. O’Regan. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films // Nature. - 1991 - Vol. 353 - P. 737-739

2.      В.І. Лебідь. Фізична хімія / Підручник. Харків: Фоліо, 2005. 478с.

.        Савельев И. Курс общей физики. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. 2-е изд., перераб. - М.: Наука, Гл. ред. физ-мат. лит., 1982.- 496с.

.        U. Mehmood, S. Rahman, K. Harrabi. Recent advances in dye sensitized solar cells // Adv. Mater. Sci. Eng - 2014 - Vol. 2014

.        Биохимия фенольных соединений / Под ред. Дж. Харборна М.: Мир, 1968.

6.        О.Л. Берсирова. Тонкие пленки оксидов титана и олова и полупроводниковы структуры на их основе, полученные пиролитической пульверизацией: Изготовление, характеризация и коррозиционные свойства // О.Л. Берсирова, Л.И. Брук, А.И. Дикусар/ Электронная обработка материалов - 2007 - № 6 - С. 40−49.

7.      B. Forslund. A Simple Laboratory Demonstration of Electrochromism // J. Chem. Educ. - 1997 - Vol. 74 - P. 932-936

.        J. Tanaka, S. L. Suib. Surfaces conductive glass //J. Chem. Educ. - 1984 - Vol. 61, N 12 - P. 1104-1106

9.        G. Boschloo, A. Hagfeldt. Charasteristics of the iodide/triiodide redox mediator in dye-sensitized solar cells // Acc. Chem. Res. - 2009 - Vol. 42, No. 11 - P. 1819-1826

10.    Y. Smith, E. Crone, V. Subramanian. A simple photocell to demonstrate solar energy using benign household ingredients // J. Chem. Educ., 2014.

11.    Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения <http://lib.org.by/info/E_Engineering/Andreev,%20Grilihes,%20Rumjancev.%20Fotoe%27lektricheskoe%20preobrazovanie%20koncentrirovannogo%20solnechnogo%20izluchenija%20%28Nauka,%201989%29%28ru%29%28T%29%28310s%29_E_.djvu>. - Л.: Наука, 1989. - 310 с.

.        P. Berinstein. Alternative energy: facts, statistics, and issues - Greenwood, 2001.

.        Захаров Л.Н. Техника безопасности в химических лабораториях. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1991.-167с.