Laboratorium z Elektrochemii Ciała Stałego Ćwiczenie nr 1 Nanokrystaliczne ogniwa słoneczne Spis treści 1. Cel ćwiczenia... 2 2. Widmo elektromagnetyczne... 2 3. Odziaływanie materii ze światłem... 3 4. Ogniwo fotoelektrochemiczne PEC... 5 4.1. Budowa i zasada działania... 5 4.2. Dobór materiału na fotoanodę... 6 4.3. Rozwiązania konstrukcyjne PEC... 7 5. Nanokrystaliczne ogniwa barwnikowe... 9 6. Sposób wykonania ćwiczenia... 12
1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zbudowanie barwnikowego ogniwa słonecznego, działającego w oparciu o półprzewodnik dwutlenek tytanu, TiO 2 sensybilizowany barwnikiem organicznym. 2. Widmo elektromagnetyczne Fale elektromagnetyczne, czyli zaburzenia pola elektromagnetycznego rozchodzące się w przestrzeni, w próżni można opisać charakterystycznymi wielkościami, takimi jak: energia fotonu, długość fali λ czy częstość ν, pomiędzy którymi zachodzą następujące zależności: E = h (1) gdzie: h stała Plancka, ν - częstość promieniowania [Hz], oraz: c = (2) gdzie: c prędkość rozchodzenia się światła w próżni, λ długość fali elektromagnetycznej. Z zależności tych wynika, że im krótsza jest fala, tym większą energię fotonu ze sobą niesie. Związek energii fotonu z długością fali można zapisać jako: E = h c 1240 (3) gdzie: h stała Plancka wyrażona w jednostce [ev s], λ długość fali elektromagnetycznej [nm]. Widmo elektromagnetyczne obejmuje promieniowanie γ i X, promieniowanie słoneczne i mikrofalowe oraz fale radiowe krótkie i długie, a zakres ich długości i częstotliwości przedstawiono na tabeli 1. Tabela 1. Składowe promieniowania elektromagnetycznego. częstotliwość fali długość fali energia pojedynczego kwantu promieniowania fale radiowe >300 MHz >1 m <1,24 μev mikrofale 0,3-300 GHz 0,001-1 m 0,001-1,24 mev podczerwień 0,3-400 THz 0,78 µm - 1 mm 0,001-1,6 ev światło widzialne 400-789 THz 380-780 nm 1,6-3,4 ev ultrafiolet 0,8-30 PHz 10-380 nm 3,4-124 ev promieniowanie rentgenowskie 0,03-60 EHz 0,005-10 nm 0,124-250 kev promieniowanie gamma >60 EHz <5 pm >250 kev Częścią widma elektromagnetycznego jest promieniowanie słoneczne światło, na które składają się trzy zakresy długości fali: 100-380 nm ultrafiolet UV, 380-780 nm widzialne vis, 0,78-100 μm podczerwień IR. Spośród nich wyróżnia się światło widzialne, składające się m.in. z następujących barw: fioletu, niebieskiego, zielonego, żółtego, pomarańczowego i czerwonego. Jednak w wyniku oddziaływania z okiem ludzkim widziane jest jako światło białe, polichromatyczne. Przyjmuje się, że promieniowanie słoneczne poza atmosferą ziemską odpowiada promieniowaniu ciała doskonale czarnego o temperaturze 5530 C, a gęstość mocy wynosi 1,35 kw m -2 (stała słoneczna). Katedra Chemii Nieorganicznej 2
Promieniowanie słoneczne przechodząc przez kolejne warstwy atmosfery ulega osłabieniu na skutek dyfuzji, absorpcji, dyfrakcji i refrakcji. Moc promieniowania docierającego dla naszej szerokości geograficznej to ok. 0,9 kw m -2, a udział energetyczny poszczególnych zakresów promieniowania wynosi odpowiednio: 9% UV, 42,5% vis, 48,5% IR. 3. Odziaływanie materii ze światłem Spośród zjawisk zachodzących w wyniku oddziaływania światła z materią wyróżnić można: 1. Odbicie światła, czyli zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków. Kąt padania jest równy kątowi odbicia, a promień padający, promień odbity i normalna leżą w jednej płaszczyźnie. 2. Załamanie światła, czyli zmiana kierunku rozchodzenia się fali przy przejściu przez granicę między dwoma ośrodkami przeźroczystymi o różnych współczynnikach załamania. Zjawisko to opisane jest prawem Snelliusa: sinδ sin = n 2 = V 1 (4) n 1 V 2 gdzie: δ kąt fali padającej, β kąt fali załamanej, n współczynnik załamania światła, V prędkość fali, 1 ośrodek w którym fala pada, 2 ośrodek w którym fala ulega załamaniu. Wyrażenie na bezwzględny współczynnik załamania światła odniesiony do próżni można zapisać jako: n x = c V x (5) gdzie: c prędkość światła w próżni, v x prędkość światła w danym ośrodku. 3. Całkowite odbicie wewnętrzne szczególny przypadek załamania światła, który zachodzi, gdy fala przechodzi z ośrodka o współczynniku załamania światła n 1 do ośrodka o współczynniku n 2, przy czym n 1>n 2. Jeśli przekroczony zostanie kąt graniczny, fala nie zostanie załamana i nie przejdzie do drugiego ośrodka, zajdzie natomiast zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia, które opisuje zależność: δ gr = arcsin ( n 2 ) (6) n 1 gdzie: δ gr kąt graniczny całkowitego odbicia wewnętrznego. 4. Rozpraszanie, czyli częściowa zmiana kierunku rozchodzenia się światła, rozpraszanie sprężyste (Rayleigha) rozpraszanie, któremu nie towarzyszy zmiana energii promieniowania rozproszonego. W przypadku rozpraszania na cząstkach, których rozmiar jest mniejszy niż długość fali, intensywność promieniowania rozproszonego opisuje zależność: (1 + cos 2 θ) I r = I 0 2r 2 ( 2π 4 λ ) ( n2 2 1 n 2 + 2 ) ( d2 6 ) (7) gdzie: r odległość do cząstki, θ kąt rozpraszania, λ długość fali, n współczynnik załamania światła cząstki o średnicy d, na której zachodzi rozpraszanie. Gdy rozpraszanie zachodzi na cząstkach o dużych rozmiarach, wówczas intensywność promieniowania rozproszonego dana jest zależnością: I r = 8π4 a 2 λ 4 r 2 (1 + cos2 θ) (8) gdzie: a polaryzowalność. rozpraszanie niesprężyste rozpraszanie fali, podczas którego następuje zmiana energii i częstości promieniowania rozproszonego. 5. Absorpcja światła pochłanianie energii fali w postaci kwantów (fotonów); selektywna lub całkowita. Katedra Chemii Nieorganicznej 3
Aby rozważać absorpcję promieniowania przez ciało stałe należy najpierw określić warunki absorpcji światła korzystając z modelu pasmowego ciała stałego. Tworzenie struktury pasmowej można wyjaśnić analizując zbliżanie się do siebie swobodnych atomów. Dla odległości, w których atomy zajmują położenia równowagowe w sieci krystalicznej, następuje rozszczepienie poziomów orbitali atomowych, które tworzą pasma energetyczne. Dwa najwyżej położone pasma, wyższe całkowicie puste pasmo przewodnictwa CB (Conductive Band) i niższe całkowicie zapełnione pasmo walencyjne VB (Valance Band) mogą być oddzielone od siebie przerwą wzbronioną E g. Na rysunku 1 przedstawiono w sposób uproszczony możliwe wzajemne położenia pasma walencyjnego i pasma przewodnictwa. Aby elektron mógł uczestniczyć w przewodzeniu prądu musi przejść na wyższy poziom energetyczny. W przypadku metali, charakteryzujących się częściowo zapełnionym pasmem przewodnictwa, takie przejście możliwe jest w obrębie danego pasma. W przypadku izolatorów pasmo walencyjne jest całkowicie obsadzone, a najbliższe poziomy są wzbronione, przez co poziomy dozwolone znajdują się dopiero w paśmie przewodnictwa. Jeżeli jednak energia przerwy wzbronionej jest odpowiednio mała, wówczas możliwe jest wzbudzenie elektronu do pasma przewodnictwa na sposób termiczny, optyczny lub inny, w efekcie czego powstaną dwa częściowo wypełnione pasma półprzewodnika. Rysunek 1. Wzajemne położenia pasm energetycznych w a) metalu, b) półprzewodniku i c) izolatorze. Ze względu na sposób przekazania zaabsorbowanej energii kwantów promieniowania wyróżnia się następujące mechanizmy absorpcji: przez swobodne nośniki ładunku energia powoduje przyspieszenie nośników ładunku w paśmie, elektronów w CB lub dziur elektronowych w VB, powodując przepływ prądu, a tak powstała energia przetwarzana jest na ciepło, domieszkowa energia zużywana jest na jonizację atomów domieszki, czyli przejście nośników ładunku z poziomu podstawowego po poziomu wzbudzonego, sieciowa energia wykorzystywana jest na drgania węzłów sieci krystalicznej, ekscytonowa energia powoduje wzbudzenie elektronu w paśmie walencyjnym, który nie przechodzi do pasma przewodnictwa, a tworzy z dziurą elektronową ekscyton, podstawowa (samoistna, międzypasmowa) energia powoduje wzbudzenie elektronu ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego, co jest przyczyną przejścia elektronu do pasma przewodnictwa i pozostawienia dziury elektronowej w paśmie walencyjnym. Aby zaszła absorpcja samoistna fotony padające na półprzewodnik muszą posiadać energię hν E g. Z pewnym prawdopodobieństwem zachodzi wówczas absorpcja kwantu promieniowania na skutek której wzbudzony elektron zostaje przeniesiony do pasma przewodnictwa, a w paśmie walencyjnym pozostaje dziura elektronowa. Katedra Chemii Nieorganicznej 4
W półprzewodniku, w wyniku działania czynników zewnętrznych, generowane są pary elektrondziura, czego konsekwencją jest nierównowagowa koncentracja nośników. Nośniki powracają samorzutnie do stanu równowagi elektronowej, a sposób w jaki ten proces zachodzi zależy od rodzaju półprzewodnika. Jednym z takich procesów jest rekombinacja elektronu i dziury elektronowej. Uwolniona w tym procesie energia może być przekazana na różne sposoby: rekombinacja promienista proces w wyniku którego energia wypromieniowana zostaje w postaci fotonu o energii hν. Może zachodzić w sposób bezpośredni (międzypasmowo), pośredni (przez defekty punktowe stanowiące poziomy pułapkowe), poprzez donor-akceptor lub ekscytonowo. rekombinacja niepromienista zachodzi poprzez efekt Augera lub wielofotonowo. 4. Ogniwo fotoelektrochemiczne PEC Ogniwo fotoelektrochemiczne PEC, z ang. PhotoElectrochemical Cell, to ogniwo pozwalające na konwersję zaabsorbowanej przez półprzewodnik energii słonecznej na energię chemiczną wodoru. 4.1. Budowa i zasada działania Aby rozerwać dwa wiązania w cząsteczce wody H 2O potrzebna jest energia równa 2,46 ev, co odpowiada fali świetlnej o długości około 500 nm. Absorpcja światła o tej długości w wodzie jest zaniedbywalnie mała a przez to bezpośredni rozkład wody nie jest możliwy. W 1839 r. Becquerel przeprowadził eksperyment elektrochemiczny z wykorzystaniem światła. Zbudował on ogniwo składające się z elektrody chlorosrebrowej AgCl i elektrody platynowej zanurzonych w elektrolicie a elektrody połączone były obwodem zewnętrznym. Elektroda chlorosrebrowa była oświetlana, przez co w obwodzie zewnętrznym zaobserwowany został prąd. Ponad 130 lat później, w 1972 r., Fujishima i Honda opublikowali na łamach czasopisma Nature wyniki eksperymentu przeprowadzonego w układzie przedstawionym na rysunku 2. W układzie tym oświetlana była fotoanoda półprzewodnikowa monokryształ dwutlenku tytanu. Poddanie TiO 2 działaniu światła z zakresu ultrafioletu spowodowało wytworzenie prądu elektrycznego płynącego obwodem zewnętrznym. Dodatkowo zaobserwowano, że na obu elektrodach wydzielają się gazy na elektrodzie półprzewodnikowej tlen a na elektrodzie platynowej wodór. Inaczej mówiąc, zachodzi proces fotoelektrolizy. Zastosowanie tak skonstruowanego ogniwa umożliwia przeprowadzenie rozkładu wody przy udziale światła słonecznego. Katedra Chemii Nieorganicznej 5
Rysunek 2. Schemat budowy ogniwa fotoelektrochemicznego PEC. W ogniwie PEC zachodzą następujące procesy: generacja par elektron-dziura elektronowa w obszarze fotoanody półprzewodnikowej, wskutek absorpcji fotonu o energii h : hv e + h (9) gdzie: e elektron, h dziura elektronowa, utlenianie wody przy powierzchni fotoanody: 2h + H 2 O 1 2 O 2 (gaz) + 2H + (10) wydzielanie gazowego tlenu przy fotoanodzie i migracja jonów wodorowych (hydroniowych) do katody, transport elektronów do katody poprzez elektryczny obwód zewnętrzny, redukcja jonów wodorowych do gazowego wodoru przy katodzie, zgodnie z reakcją: 2H + + 2e H 2 (gaz) (11) Całkowita reakcja zachodząca w ogniwie fotoelektrochemicznym może być opisana następującym równaniem reakcji fotochemicznej: 2hv + H 2 O H 2 (gaz) + 1 2 O 2 (gaz) (12) 4.2. Dobór materiału na fotoanodę Kluczową rolę w ogniwie PEC pełni anoda dlatego przy wyborze materiału należy kierować się pewnymi kryteriami. Fotoanoda powinna: mieć przerwę energetyczną rzędu 1,5-2,0 ev, co z jednej strony odpowiada maksymalnej absorpcji w zakresie vis, a z drugiej jest wystarczające do procesu fotoelektrolizy, mieć powierzchnię charakteryzującą się wysoką odpornością na korozję i fotokorozję w roztworach elektrolitów wodnych oraz stabilnością w czasie pracy w ogniwie, być półprzewodnikiem typu n, charakteryzować się szybkim transportem ładunku do elektrolitu oraz wysoką ruchliwością ładunku w objętości fotoanody, Katedra Chemii Nieorganicznej 6
posiadać ujemny potencjał płaskich pasm V FB (Flat Band Potential) w stosunku do skali elektrochemicznej. Na rysunku 3 przedstawione są położenia pasma walencyjnego E V i przewodnictwa E C w stosunku do potencjałów redoksowych O 2 /H 2O i H + /H 2 dla wybranych półprzewodników, które są badane pod kątem zastosowania jako fotoanoda w ogniwie fotoelektrochemicznym (w odniesieniu do poziomu próżni oraz normalnej elektrody wodorowej NHE w wodnym roztworze elektrolitu). Rysunek 3. Położenie pasm walencyjnych i przewodnictwa dla wybranych półprzewodników w stosunku do potencjałów redoksowych O 2 /H 2O i H + /H 2 (ph=2). Jak widać, tytanian strontu SrTiO 3 czy TiO 2 w formie anatazu pomimo dużej wartości przerwy energetycznej umożliwiają zachodzenie rozkładu wody przy użyciu energii słonecznej bez konieczności stosowania dodatkowych bodźców. Obiecujące również są materiały o niewielkiej przerwie energetycznej m.in.: tlenek żelaza Fe 2O 3 (E g = 2,3 ev), fosforek galu GaP (E g = 2,2 ev), arsenek galu GaAs (E g = 1,4 ev). Jednak poważnym problemem w ich przypadku jest niska odporność na korozję i fotokorozję zachodzącą w wodnych roztworach elektrolitów. 4.2.1. Modyfikacja właściwości TiO 2 Uwarunkowania związane z wartością przerwy wzbronionej dwutlenku tytanu (E g=3,0 ev dla fazy rutylu i 3,2 ev dla fazy anatazu), sprawiają, że materiał ten absorbuje promieniowanie jedynie z zakresu UV (290-400 nm), czyli ok. 8% promieniowania słonecznego. TiO 2 jest jednak niedrogi, stabilny w roztworach wodnych, powszechnie dostępny i przyjazny środowisku naturalnemu, dlatego też od wielu lat nieprzerwanie trwają prace nad jego modyfikacjami w kierunku zwiększenia zakresu absorpcji promieniowania słonecznego. Spośród stosowanych metod kształtowania foto-właściwości TiO 2 wymienić można: domieszkowanie (akceptorowe i donorowe), pokrywanie powierzchni warstwami barwników organicznych i nieciągłymi warstwami metali szlachetnych. 4.3. Rozwiązania konstrukcyjne PEC Poza pracami związanymi z modyfikacją właściwości materiału fotoanody, poprawę efektywności konwersji energii słonecznej w ogniwie fotoelektrochemicznym można również uzyskać poprzez zmianę samej konstrukcji ogniwa. Spośród wielu rozwiązań wymieć można następujące: Katedra Chemii Nieorganicznej 7
fotoelektrochemiczne ogniwa tandemowe zbudowane z dwóch osobnych ogniw: fotoelektrochemicznego PEC połączonego szeregowo z ogniwem Gratzela, jako źródłem dodatkowej energii. fotoelektrochemiczne monolityczne ogniwo tandemowe, którego działanie oparte jest na złączu p- n składającym się z serii półprzewodników o różnej energii przerwy wzbronionej. ogniwo fotoelektrochemiczne z przegrodą półprzewodnikową Sc-septum pełniącą również rolę fotoanody. Ogniwo to może być zbudowane różnych układów półprzewodnik/metal: CdS/Ti, CdS/Ni, CdSe/Ti, CdSe/Ni, CdS 1-xSe x/ti, CdS 1-xTe x/ni. Katedra Chemii Nieorganicznej 8
hybrydowa elektroda do pracy w ogniwie PEC oparta na wielokrotnym złączu półprzewodnikowym złożonym z serii cienkich warstw pełniących różne funkcje. 5. Nanokrystaliczne ogniwa barwnikowe Nanokrystaliczne ogniwa barwnikowe stanowią grupę ogniw, w których zachodzi konwersja energii słonecznej na energię elektryczną, a nie jak mam to miejsce w przypadku typowych ogniw fotoelektrochemicznych, na energię chemiczną. Ogniwa te, oparte na półprzewodnikach sensybilizowanych barwnikami organicznymi, stanowią ważną i obiecującą grupę pośród niekrzemowych ogniw słonecznych. Do ich największych zalet należą: niska cena, nietoksyczność i powszechna dostępność. Początków ogniwa nanokrystalicznego szukać można w końcu XIX w. w pionierskich badaniach nad fotografią. Odkryto wówczas, że molekuły niektórych kolorowych barwników organicznych sprawiają, że filmy fotograficzne oparte na chlorku srebra reagują w szerszym zakresie światła widzialnego. Obecnie wiadomo, że sensybilizacja związana jest z transferem elektronu lub energii z barwnika do półprzewodnikowego chlorku srebra w filmie fotograficznym. Również wspomniany już wcześniej eksperyment przeprowadzony przez Becquerela bazował na tym zjawisku. Połączenie wiedzy o transferze elektronów i fotosyntezie pozwoliło na opracowanie pierwszego nanokrystalicznego barwnikowego ogniwa słonecznego przez O Regana i Grätzela w 1991 roku. Było to heterozłącze fotoelektrochemiczne, w którym fotoelektroda wykonana była z nanokrystalicznego dwutlenku tytanu sensybilizowanego barwnikiem na bazie rutenu. Schemat i zasada działania takiego ogniwa przedstawia Rys. 4. Fotoelektrodę stanowi szkło przewodzące, zapewniające odprowadzenie nośników, pokryte warstwą dwutlenku tytanu w formie nanomateriału, na którym zaadsorbowana jest warstwa barwnika. Przeciwelektrodą jest zwykle elektroda platynowa a elektrolitem roztwór zawierający pary redoksowe. W wyniku absorpcji światła przez chemisorbowaną monowarstwę barwnika następuje wzbudzenie elektronu w cząsteczce barwnika. Katedra Chemii Nieorganicznej 9
Elektrony zostają wzbudzone z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa a następnie wstrzyknięte do pasma przewodnictwa półprzewodnika i odprowadzone do elektrody. Przepływ elektronów pomiędzy elektrodami zapewnia elektryczny obwód zewnętrzny. Barwnik, w wyniku fotowzbudzenia, zostaje utleniony. Jego jony regenerowane są na powierzchni przeciwelektrody dzięki elektronom pochodzącym z elektrolitu zawierającego pary redoks. Wydajność tego ogniwa wynosiła ok. 7%. Rysunek. 4. Schemat działania nanokrystalicznego ogniwa słonecznego. Reakcje zachodzące w ogniwie barwnikowym można zapisać w następujący sposób: barwnik + światło barwnik (13) barwnik + TiO 2 e (TiO 2 ) + utleniony barwnik (14) utleniony barwnik + 3 2 I barwnik + 1 2 I 3 (15) 1 2 I 3 + e (katoda) 3 2 I (16) Duże rozwinięcie powierzchni TiO 2 pozwala na zaadsorbowanie większej ilości barwnika i zwiększoną absorpcję światła tj. zwiększoną wydajność. Aby barwnik spełniał swoją rolę, powinien absorbować światło z szerokiego zakresu widma słonecznego, silnie przylegać do powierzchni półprzewodnika, charakteryzować się odpowiednim położeniem poziomów energetycznych niezbędnych do wstrzyknięcia elektronów, jak również być stabilny w oddziaływaniu ze światłem. Spośród barwników spełniających większość tych kryteriów można wyróżnić: N3 = cis-bis(4,4'-dikarboksy-2,2'-bipyrydylo)ditiocyjaniano ruten(ii) N712 = tetra(tetrabutyloamono[cis-di(tiocyajniano)-bis(2,2'-bipirydylo-4,4 -dikarboksylo)- ruten(ii)] Z907 = cis-di(tiocyjaniano)-(2,2'-bipirydylo-4,4'-dikarboksylowy kwas)(4,4'-dinonylo-2,2'- bipirydylo)-ruten(ii) Dibenzo[a,e]piran 10H-9-oksoantracen Często stosowane są również kompleksy osmu, miedzi, a także porfiryny i ftalocyjaniany. Katedra Chemii Nieorganicznej 10
Alternatywą dla barwników syntetycznych są barwniki naturalne, które znajdują się w kwiatach, liściach czy owocach. Metodę ekstrakcji barwników zastosować można m.in w przypadku kwiatów takich jak rododendron, petunia, begonia, róża, fiołek czy nagietek. Pozyskiwanie barwników możliwe jest również z różnych owoców: malin, jagód czy mangostanu. Na rysunku 5 przedstawiono główne składniki ekstraktu z owoców mangostanu w różnych rozpuszczalnikach. a b c Rysunek 5. Wzór strukturalny głównych składników ekstraktu owocu mangostanu z różnych roztworów: a) chloroformu, b) octanu etylu, c) butanolu. Z punktu widzenia efektywności konwersji energii słonecznej ważny jest również dobór elektrolitu, który umożliwia szybką regenerację barwnika oraz wysokie przewodnictwo dziur elektronowych. Z tego względu najczęściej stosowany jest roztwór zawierający pary redoksowe I 3 /I, które zapewniają transfer elektronu z przeciwelektrody do utlenionego barwnika. Inne testowane elektrolity to amorficzne związki organiczne o przewodnictwie dziurowym: spiro-ometad (2,2,7,7 -tetrakis(n,ndi-p-metoksyfenyl-amina)9,9 -spirobifluoren) i związki na bazie kobaltu, np. (Co(II/III)tri(bipirydyl)), czy organometaliczne perowskity halogenków, np. CsSnI 3. Ograniczenia efektywności nanokrystalicznego ogniwa barwnikowego wynikają z II zasady termodynamiki. Tylko 33% światła słonecznego może być zamienione w inną formę energii w ogniwie z jednym rodzajem barwnika. Efektywność obecnie stosowanych ogniw wynosi 7-13% co daje wiele możliwości jeśli chodzi o rozwój tej technologii. Katedra Chemii Nieorganicznej 11
15mm Laboratorium z Elektrochemii Ciała Stałego 6. Sposób wykonania ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zbudowanie nanokrystalicznego ogniwa słonecznego oraz zapoznanie się z jego zasadą działania. Do wykonania ćwiczenia potrzebne są: 6 kawałków szkła przewodzącego, proszek TiO 2/pasta TiO 2, roztwór jod-jodek potasu, metanol, kwas octowy, piec rurowy, barwniki, klipsy, szpatułka, moździerz, ręczniki papierowe, świeczka, zapałki, źródło światła, multimetr uniwersalny. Przygotowanie ogniwa przygotowanie barwników i podłoży szklanych Wybrane przez prowadzącego źródła barwników przygotować zgodnie z wytycznymi. Z pomocą miernika uniwersalnego określić która strona szkła jest przewodząca. Szkło przykleić do stołu stroną przewodzącą do góry. Taśmę klejącą naklejać w sposób przedstawiony na Schemacie 1.Taśma powinna dokładnie przylegać do powierzchni szkła. 15mm Schemat 1 przygotowanie przeciwelektrody Przewodzącą stronę przemytego metanolem szkła przewodzącego dokładnie pokryć warstwą węgla, używając w tym celu świeczki. przygotowanie i nanoszenie emulsji TiO 2 W celu przygotowania emulsji, proszek TiO 2 w ilości 3 miarek (szpatułek) należy umieścić w moździerzu agatowym. Przygotować 50 cm 3 roztworu kwasu octowego w taki sposób, aby jego ph mieściło się w przedziale ph=3-4. W przypadku korzystania z gotowego roztworu kwasu octowego pominąć ten krok. Do proszku dodać ok. 3-4 krople roztworu kwasu octowego i całość ucierać do uzyskania jednorodnej i pozbawionej grudek pasty o konsystencji zbliżonej do pasty do zębów. W przypadku używania gotowej pasty TiO 2, pominąć ten krok. Na przygotowane wcześniej szkło przewodzące nanieść pastę TiO 2 i rozprowadzić równomiernie szpatułką (schemat 2). Następnie delikatnie usunąć taśmę klejącą z powierzchni szkła. Po wyschnięciu, naniesioną warstwę umieścić w piecu w temperaturze 450 o C na 30 min, a po wygrzaniu poczekać aż wystygnie. Katedra Chemii Nieorganicznej 12
Schemat 2 nanoszenie barwników Na wygrzaną warstwę TiO 2 umieszczoną na szalce nanieść kilka kropli barwnika i odczekać ok. 10 min. W tym czasie barwnik zaadsorbuje się na powierzchni TiO 2; zmiana barwy warstwy powinna być wyraźna. Po zaadsorbowaniu barwnika, warstwę należy delikatnie umieścić w metanolu, wyciągną i odczekać ok. 10 min aż wyschnie. składanie ogniwa Elektrody na bazie TiO 2 i węgla złożyć w ogniwo (schemat 3). Klipsami spiąć ogniwo pozostawiając możliwie dużą powierzchnię TiO 2 nie zasłoniętą. Poprzez krawędź ogniwa wpuścić dwie krople elektrolitu jod/jodek. Do wysuniętych części szkła niepokryte TiO 2 i pokryte węglem dołączyć elektrody. Schemat 3 Pomiary Zmierzyć napięcie i natężenie (opcjonalnie) prądu generowanego w ogniwie: bez oświetlenia, przy oświetlaniu w różnej odległości, przy zmianie kąta oświetlenia dla wybranego barwnika (opcjonalnie). Zagadnienia do opracowania w sprawozdaniu: 1. Nazwać i opisać substancje aktywne zawarte w zastosowanych barwnikach. 2. W tabeli zebrać wyniki otrzymane dla badanych barwników. Omówić przydatność zastosowanych barwników do budowy nanokrystalicznego barwnikowego ogniwa słonecznego. 3. Na wykresie przedstawić zależność napięcia prądu lub mocy (opcjonalnie) generowanej przez ogniwo od odległości źródła światła i jego kąta padania. Omówić otrzymane zależności. Katedra Chemii Nieorganicznej 13