Получение альтернативной энергии, или органические батарейки.

Региональная научно-исследовательская конференция учащихся

Секция: Экология

Исследовательский проект на тему:

«Получение альтернативной энергии»

Выполнил: Поляков Валерий,

учащийся 9 класса

МБОУ «СОШ № 22»

Научный руководитель: Гундарева А.В.,

Педагог д/о МБУ ДО СЮН,

учитель химии

Новокузнецкий округ, 2020 г.

Содержание

Введение………………………………………………………………………3

Обзор литературы…………………………………………………………….5

Методика и ход исследования………………………………………………7

Выводы……………………………………………………………………….9

Заключение…………………………………………………………………...9

Список литературы…………………………………………………………..10

Приложение…………………………………………………………………..11

Введение

С каждым годом развитые страны стараются увеличивать удельный вес возобновляемых источников энергии в своем топливно-энергетическом комплексе. Несмотря на огромные усилия, предпринимаемые в последние десятилетия в этой области, и достижение определенных успехов, эффективность солнечной и ветроэнергетики, наиболее безопасных и экологичных возобновляемых источников энергии, остается довольно низкой, а, следовательно, достаточно дорогой. По этой причине в плане повышения эффективности перспективным типом солнечных батарей является фотосенсибилизированные солнечные батареи (ячейки Гретцеля). Объяснением тому служит низкая себестоимость и простота производства такого типа солнечных батарей. [1]

Фотовольтаика на сегодняшний день – наиболее динамично развивающаяся область производства электричества с помощью солнечной энергии. Следует отметить, что последние достижения в области повышения эффективности и экономичности солнечных панелей и батарей сделаны с помощью окрашивающих веществ: красителей и пигментов, играющих в солнечных батареях роль антенны – эффективного поглотителя солнечного света анодной частью солнечного элемента. В данной работе представлен фотовольтаика на основе природных красителей. Красители и пигменты, являясь по определению, по химическому строению абсорбентами видимой и ультрафиолетовой части спектра, фотовозбуждаясь, способны переносить избыточную энергию возбуждения посредством электронов на молекулы окружающей среды. Это их фотосенсибилизирующее свойство используют в фотоэлементах солнечных батарей.

Первоначально в качестве фотосенсибилизаторов в анодах солнечных батарей использовали синтетические очень дорогие и токсичные красители экзотической структуры, содержащие рутений.[2] Только в последнее время появился теоретический и практический интерес к природным красителям растительного и бактериологического происхождения как фотосенсибилизаторам солнечных батарей. Это понятно и очевидно, поскольку в природе красители, как правило, играют роль абсорберов в видимой и ультрафиолетовой области солнечного спектра и проявляют, благодаря этому, свои полезные (окраска для различных целей), защитные (антимикробные) и другие свойства.

Преимуществом природных красителей перед синтетическими красителями и другими неорганическими фотосенсибилизаторами, как и в других областях их применения, является нетоксичность, биологическая совместимость и биоразлагаемость, простота производства, огромный выбор в природе. Использование природных красителей в фотовольтаике, как и в других областях применения, безусловно является примером бионики.

Актуальность работы заключается: в грядущем энергетическом кризисе, как возможное его решение.

Цель проекта: получение электроэнергии из энергии солнца с помощью созданных в домашних условиях световых ячеек с природными красителями.

Гипотеза: в домашних условиях с помощью диоксида титана и сока ягоды клубники возможно изготовить ячейку Гретцеля – простейшую солнечную батарею.

Задачи:

• анализ литературы о способах изготовления световых ячеек с природными красителями;

• изготовление простейшей в домашних условиях;

• проверка солнечной панели на работоспособность;

• анализ результатов и выводы.

Методы исследования: экспериментирование, анализ полученных результатов и выводы.

Обзор литературы

1. Световая ячейка как объект проектирования

1. Строение световой ячейки

Конструктивно ячейка Гретцеля состоит из пластинки электропроводящего стекла, на которую нанесен слой белил из диоксида титана, являющегося полупроводником. Поверх белил располагается слой специального органического красителя, а к стеклу подведены токоприемники. Особенностью красителя является то, что под воздействием солнечного света он выделяет электроны.

Через слой полупроводника электроны могут двигаться только в одном направлении – к токоприемнику. Таким образом, при достижении порогового значения количества выделяемых электронов образуется электрический ток, который течет от верхнего слоя ячейки к нижнему.

Объединив несколько ячеек в одну систему, можно создать на их основе полноценную солнечную батарею. Ее прототип впервые был продемонстрирован еще 1994 году изобретателем Михаилом Гретцелем. Однако по ряду причин в настоящее время коммерческое использование таких батарей еще невыгодно.

1. История открытия ячейки Гретцеля и принцип действия

Сенсибилизированные красителем   фотоэлектрохимические ячейки, в которых используются фоточувствительные мезо пористые оксидные полупроводники с широкой запрещённой зоной. Эти ячейки изобретены в 1991 году Гретцелем.

Солнечные батареи этого типа многообещающи, поскольку изготавливаются из дешёвых материалов и не требуют сложной аппаратуры при производстве.

Ячейки состоят из двух электродов и иодсодержащего электролита. Один электрод состоит из высокопористого насыщенного красителем диоксида титана (TiO₂), нанесённого на прозрачную электропроводящую подложку.

Другим электродом является просто прозрачная электропроводящая подложка. Работа ячейки часто сравнивается с фотосинтезом, поскольку оба процесса используют окислительно-восстановительную реакцию, протекающую в электролите: солнечный свет поступает сквозь электропроводящий стеклянный электрод, насыщенный красителем, где поглощается. Когда краситель поглощает свет, один из электронов его молекулы переходит из основного состояния в возбуждённое состояние. Это явление называется «фотовозбуждение». Возбуждённый электрон перемещается от красителя в зону проводимости TiO₂. Переход происходит очень быстро; он занимает только 10⁻¹⁵секунды. В TiO₂ электрон диффундирует через TiO₂-плёнку, достигает стеклянного электрода и далее по проводнику стекает во второй электрод. Молекула красителя с потерей электрона окисляется. Восстановление молекулы красителя в первоначальное состояние происходит путём получения электрона от иодид-иона, превращая его в молекулу иода, которая в свою очередь диффундирует к противоположному электроду, получает от него электрон и снова становится иодид-ионом. По такому принципу цветосенсибилизированная солнечная батарея преобразует солнечную энергию в электрический ток, протекающий по внешнему проводнику.

1.3 Солнечная батарея

Солнечная батарея, ее фотоэлемент – это устройство, состоящее из полупроводников, непосредственно преобразующее солнечную энергию в электрическую по сложному фотофизическому и фотохимическому механизму. Это отличает батарею-фотоэлемент от природных биофотоэлементов – растений и водорослей, которые поглощают солнечную энергию окрашенными природными веществами (хлоролисты, красители, пигменты) и превращают ее в биохимическую (синтез разнообразных полисахаридов и биологически активных веществ). Биосинтез в природе протекает тоже по сложному фотофизическому и фотохимическому механизму.

1. Плюсы и минусы использования

Главным недостатком органических батарей является:

- низкий КПД – всего 10%, тогда как кремниевые варианты обеспечивают по 40-50%;

- срок службы слоя органического красителя не более 1-2 лет, тогда как кремниевые батареи успешно работают в течение 25-30 лет;

- стоимость производства красителя невелика, но пока еще не настолько, чтобы сделать органические батареи более рентабельными, чем кремниевые.

Однако недавно ученые из университета Роуана в США сумели создать аналог такого красителя на основе хлорофилла и других порфиринов – природных солнечных батарей. Причем процесс из получения очень дешев, что вкупе с малой стоимостью титановых белил и электропроводящего стекла позволяет создавать недорогие солнечные батареи.

Теоретически, в улучшенном варианте ячейка Гретцеля легко сможет стать основным источником энергии для солнечных районов планеты. Все ее компоненты стоят весьма недорого и могут быть произведены без использования сложного оборудования. А конструкция самой батареи позволяет монтировать ее практически на любой поверхности и легко модернизировать при необходимости.

Методика и ход исследования

Изучив литературу, было принято решение работать по следующей методике:

1. Изготовление стекла с токопроводящим слоем.

2. Создание световой ячейки с пигментами клубничного сока.

3. Испытание полученной световой ячейки.

1. Изготовление стекла с токопроводящим слоем.

На стекло наносится токопроводящий слой, который мы получили, смешав супер клей с графитом из карандаша.

2) Создание световой ячейки с пигментами клубничного сока.

Материалы, использованные для изготовления световой ячейки:

1. Азотная разбавленная кислота

2. Диоксид титана

3. Стекло с токопроводящим слоем

4. Сок клубники

5. Йод

Изготовили световую ячейку Гретсталя по следующему алгоритму:

1. Сначала в ступке измельчил диоксид титана до нужной фракции и затем изготовили пасту из диоксида титана и азотной кислоты.

2. Затем нанесли тонким равномерным слоем на стекло и запекли слой пасты на спиртовке в течении двух минут.

3. После того как стекло остыло, накапали на него клубничный сок.

4. Второе стекло нагрели до образования копоти на стекле.

5. Как только сок впитался на слой из диоксида титана, мы соединили эти две пластины вместе и между ними залили йод.

(Приложение, фото 1-4)

3) Испытание световой ячейки.

Подсоединили мультиметр и выставили на солнечный свет. Собранная «солнечная панель» выдала 75,8 mV, а через некоторое время-68,9 mV. (Приложение, фото 5)

Вывод

В результате реализации проекта была получена ячейка Гретцеля. Собранная мной солнечная панель выдала 75,8 mV.

В ходе проведённого мной эксперимента я столкнулся со сложностями в виде лопавшегося при нагревании стекла и при нанесении токопроводящего слоя на его поверхность. Но цель проекта достигнута и гипотеза подтверждена. Технология тонкопленочных солнечных элементов с применением ТіО₂, на базе которых можно делать существенно более емкие и дешевые солнечные батареи для использования на массовом рынке, апробирована в домашних условиях. Пигментом выступил сок клубники.

Заключение

В заключение можно сказать, что не смотря на минусы использования ячеек Гретцеля (низкий КПД и срок службы органической батарейки), в последнее время появился ряд исследований, в которых описывается получение ячеек, в которых вместо высокопористого диоксида титана используется массив нанотрубок TiO₂ в виде мембран, нанесенных на стекло, покрытое диоксидом олова, легированным фтором FTO для повышения электропроводности. Однако создатели такой разновидности ячейки Гретцеля столкнулись с некоторыми проблемами, которые предстоит решить. [1]

Список литературы

1. Улучшая ячейку Гретцеля. Режим доступа: http://www.nanometer.ru/2009/09/20/titanium_dioxide_156962.html

2. Ячейки Гретцеля или солнечная батарея на органическом красителе. Режим доступа: http://zaryad.com/2011/08/30/yacheyka-grettselya-ili-solnechnaya-batareya-na-organicheskom-krasitele/

3. Ячейка Гретцеля. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/

Приложение

Фото 1-3. Изготовление ячейки Гретцеля

Фото 4. Ячейка Гретцеля

Фото 5. Ячейка Гретцеля в действии