Skolceller Grätzelceller i skolexperiment Laborationshandledning och teori
2
3 Förord Hej Med skolcellslådan vill vi låta dig bygga din egna solcell och visa på tvärvetenskapen i teorin bakom. Kemi, fysik, biologi, energi och hållbar utveckling är alla starkt kopplade till solceller, hur kommer du lära dig mer om under experimentets gång. Skolcellslådan är tänkt som en laboration i den ordinarie undervisningen, eller som utgångspunkt för ett projektarbete. I häftet hittar du labhandledning och teori samt längst bak förslag på fördjupningsuppgifter. Solcellerna är så kallade Dye Sentzised Solar Cells eller Grätzelceller, tredje generationens solceller som ännu inte finns komersiellt men det forskas intensivt om dem världen över. Centrala begrepp för Grätzelceller presenteras i samband med respektive steg och vi har också gett förslag på begrepp att slå upp om du vill lära dig mer. Lycka till med labbandet! Vi som har varit delaktiga i Skolcellslådan är Eva Unger, Susanna Kaufmann, Martin Karlsson, David Sörell- Jonsson, Katarina Smedfors, Gerrit Boschloo samt prof. Anders Hagfeldt.
4 Innehåll 1. Teori 5 1.1 Sol, ljus och energi 5 1.2 Ström och spänning 6 1.3 Skolcellens delar 7 2. Material 8 3. Laborativt 10 3.1 Extraktion 10 3.2 TiO2-pasta 11 3.3 Belägg med TiO2-film 12 3.4 Infärgning med spenat 14 3.5 Sätta ihop cellen 16 3.6 Driva en miniräknare 18 3.7 Efter mätningarna 20 3.8 Diskussion - vad händer i cellen 21 4. Fördjupning 22 4.1 IV-kurva 22 4.2 Kort om bandteori 23 5. Gästbok 24 6. Mer information & kontakt 26 och ger mer teori om det aktuella steget i laborationen. Frågorna ger möjlighet att med egna ord formulera vad som sker, och varför.
9 1. Teori 1.1 Solcellens princip I ett system som ska fungera som en solcell ska två processer händer: 1. Excitation: Solen ger sin energi till elektriska laddningbärare i ett material. Elektroner hamnar på ett högre energinivå och positiva laddningar stannar kvar på ett lägre energinivå. 2. Separing: De elektriska måste kunna tas ut vid olika kontakter till solcellen för att kunna utföra elektriskt arbete i en yttre strömkrets.
5 1.2 Sol, ljus och energi Spektral emittans, (mw/cm 2 )/µm Våglängd, λ (nm) Solens ljus som faller in mot jorden är elektromagnetisk strålning med olika våglängd. Förhållandet mellan våglängd (λ, lambda) och frekvens (ν, ny) är c= λ*ν Eftersom allt ljus har samma hastighet c betyder det att varje våglängd har en specifik frekvens samt att de är omvänt proportionellt mot varandra, längre våglängd betyder lägre energi. Våglängden bestämmer om vi uppfattar strålningen som ljus, värme eller inte alls. Det synliga ljuset ser vi som vitt trots att det är en blandning alla färger. Ljuset har olika våglängder och de olika våglängderna uppfattar vi som olika färger. I solspektrat syns att intensiteten är störst för synligt ljus vilket ger att mest energi också kan fås ur solljuset där och solceller bör operera i det spektrala området.
6 1.3 Halvledare och färgämnen 1.3 Ström & spänning Elektrisk energi beskrivs med storheterna ström (I) och spänning (U). Laddningarna förflyttas av elektroner och ström är ett mått på antalet elektroner som passerar en viss yta per tidsenhet. Spänning är den genomsnittliga energin en elektron förflyttar. Vid generering och användning av elektricitet behövs både ström och spänning. Jämför med ett vattenfall, mer vatten ger starkare (vatten)ström medan ett högre vattenfall ökar vattnets potentiella energi. I en solcell exciteras cellens elektroner upp till en högre energetisk nivå av energin i det infallande solljuset. För att använda energin behöver den separeras från det exciterade ämnet och ledas dit arbetet ska utföras. Elektronerna återförs sedan till cellen för att fylla ut platsen en annan exciterad elektron lämnat. Kretsen är sluten.
8 2. Material Skolcellslådan innehåller Ledande glassubstrat Titandioxid, TiO2 (Degussa P25) Elektrolytlösning Pappersklämmor Fickräknare med krokodilklämmor Mjuk blyertspenna Tejp Dessutom behövs: Ättiksyra Destillerat vatten Etanol Färsk spenat Mortel med pistill Glasstav Bunsenbrännare/gasbrännare alt värmeplatta Trefot med nät/triangel Pincett Glasbägare för extraktion av färgämnet Skål för infärgning av TiO2-filmen Kleenex OH-projektor Multimeter
7 1.3 Skolcellens delar Arbetselektrod Ledande glassubstrat Nanoporöst skikt av TiO2 (partiklar 20nm) Små partiklar + porös struktur mycket stor yta Färgas med färgämne som absorberar solljus Solcellens minuskontakt Motelektrod Ledande glassubstrat Lager av grafit, fungerar som katalysator Ger elektroner till redox-reaktionen Solcellens pluskontakt Elektrolyt Jonlösning med I - / [I3] - som leder ström Transporterar elektroner mellan mot- och arbetselektroderna Reducerar färgämnet till grundtillstånd
10 3. Experiment 3.1 Extraktion Hacka spenaten och lägg i en glasbägare. Häll på etanol, rör om och låt stå tills etanolen färgats intensivt grön. För att färga in filmen kan även svarta vinbär, hallon, hibiskuste eller blåbär användas. Eller varför inte rödbetor, björnbär eller något annat med stark färg. Jordgubbar däremot fungerar inte eftersom de saknar en =O eller -OHgrupp som kan binda till TiO2. Istället för Degussa P25 kan TiO2 fås från tandkräm, Tippex, målarfärg mm.
3.2 TiO2-pasta Förberedelsen av TiO2-pastan görs av läraren eller av en labbgrupp medan övriga grupper gör extraktionen samt plockar fram och förbereder resterande moment. Gör TiO2-pastan i dragskåp! Häll medföljande titanoxid-pulver i en mortel. Tillsätt 3 ml ättiksyra droppvis medan blandningen rivs med en pistill. Pastan ska bli slät och klumpfri, tjock som tandkräm. Halvledare leder halvbra Ett materials ledningsförmåga beror på antalet elektroner som kan agera laddningsbärare. I en metall finns många fria elektroner medan de i en isolator är bundna till fasta positioner. En halvledares ledningsförmåga däremot förändras genom tillförd energi eller dopning. Dopning är tillsats av ett annat ämne för att ge materialet ett överskott av elektroner (n-dopning) eller av positiva hål (p-dopning) vilket förbättrar ledningsegenskaperna. Inom elektronik har halvledare (dioder, transistorer, solceller) mycket stor betydelse. TiO2 är en halvledare av n-typ dvs har ett överskott av elektroner Titanoxid, TiO2, är en ogiftig metalloxid som är olösligt i vatten och används som vitt pigment i tandkräm, vit målarfärg, solkräm och pudrade donuts. Som metall är titan mycket hållbar på grund av sitt skyddande oxidskikt och används i allt från rymdfärjor till 11
12 3.3 TiO2-film & sintring Akta, glaskanterna kan vara vassa! Bestäm glasets ledande sida med en multimeter, motståndet ska vara 10-30Ω. Fäst glaset med tejp på tre sidor, ledande sidan upp. Använd en glasstav för att få bort luftbubblor. TiO2-filmen får samma tjocklek som tejpen Sätt en droppe TiO2- pasta på glaset. Dra glasstaven fram och tillbaka för att täcka ytan med en jämn film. Att belägga en yta med en keram på detta sätt kallas doctor blading. Låt pastan torka 1-2 min innan tejpen tas bort. Sintra filmen i 10 min på trefot över bunsenbrännare, den ska först bli gul, sen vit igen. Sintringen kan också göras på värmeplatta ca 35min på minst 300. Låt svalna på plattan för att undvika att glaset spricker
13 Vad händer vid sintring? Elektronerna rör sig med diffusion genom TiO2-nätverket (blå pilarnas random walk ). D* exciterat färgämne, D + oxiderat färgämne, I - jodjoner i elektrolyten När TiO2-pastan värms till hög temperatur bakas nanopartiklarna ihop och bildar ett kontinuerligt nätverk. Detta är viktigt för att elektronerna ska kunna hitta en väg genom TiO2 till elkontakten. Den bruna färgen under sintringen beror på att organiska ämnen (lösningsmedel och eventuellt annat) bränns bort. Kvar blir enbart TiO2. Ledande glas Arbetselektroden och motelektroden är solcellens två kontakter och behöver kunna leda ström. Samtidigt behöver arbetselektroden vara genomskinlig för att släppa in solljuset i cellen. Båda elektroderna är därför gjorda av ledande glas. Glas i sig är en isolator och leder inte ström varför en sida har belagts med en tunn Sn-film. Filmen är tillräckligt tjock för att leda ström men samtidigt så tunn att glaset fortfarande är genomskinligt om än med en grön skiftning.
14 3.4 Infärgning med färgämne Häll den färgade etanolen i en burk och lägg TiO2- elektroderna i färgbadet. Låt dem stå minst en halvtimme tills TiO2-ytan färgats grön. Tag försiktigt upp dem med pincett. Undvik att röra TiO2-ytan, den skrapas lätt. Skölj rent elektroderna med etanol och torka försiktigt med papper. Vissa färgämnen såsom spenat bryts snabbt ner och både den extraherade färgen och de infärgade glassubstraten måste användas samma dag. Färgämnets funktion I nanosolcellerna använder man färgämnet för första steget i omvandlingen av solens energi till ström. Färgämnets elektroner blir exciterade dvs lyfts upp på en energetiskt högre energinivå. Därifrån injiceras elektronena i TiO2 och färgämnet blir positiv laddat.
15 Fotosyntes Solljus består av många olika färger, det kan man t.ex. se när en regnbåge uppstår. Solljusets färger motsvarar fotoner med olika energi. I gröna växter är det mest klorofyllet, det gröna färgämnet, som absorberar vissa våglängder av solljuset. Genom absorption av solljuset kan solens energi omvandlas och driva en kemisk reaktion där CO2 och vatten blir till socker och syre. Kort om nanoteknologi Nanoteknologi är teknik inom elektronik och materialvetenskap där dimensioner i nanometerskalan påverkar tekniken. 1 nanometer (nm) = 0,000 000 001 m I nanosolcellerna använder vi nanopartiklar av TiO2 med en diameter på 10-20 nm. Ett nätverk av många så små partiklar ger en stor yta att belägga med färgämne. Det behövs eftersom elektroner enbart injiceras från färgämne som är i direkt kontakt med TiO2. Ettt kontinuerligt nätverket behövs för elektrontransporten som sker genom diffusion. TiO2-skiktet blir lika tjockt som tejpen vid doctor blading,?? µm. Med partiklarna som är?? nm stora är lagret??? nanopartiklar hög
16 3.5 Sätta ihop cellen Använd handskar för detta steg Gör en motelektrod av det andra ledande glaset. Svärta den ledande sidan med en mjuk grafitpenna eller sota över ett stearinljus. Klipp en bit Kleenex lika bred men något kortare än substraten. Använd ett lager av pappret. Lägg TiO2-substratet med filmen uppåt. Täck TiO2-ytan med Kleenex-biten. Droppa två droppar elektrolyt, pappret ska bli helt blött. Lägg på motelektroden så att grafit-ytan helt täcker TiO2- ytan. De genomskinliga kanterna ska sticka ut åt var sitt håll. Sätt två klämmor för att hålla ihop cellen. Torka bort överflödig elektrolyt med papper. Kanterna som sticker ut på var sida är cellens kontakter, TiO2-substratet är (-)-kontakt och den grafitklädda motelektroden (+)-kontakt. Vid mätningar - tänk på vilken sida av glaset som är ledande
17 Redox-elektrolyt En elektolyt, fast eller flytande, sluter kretsen och transporterar laddning. I - reducerar det oxiderade färgämnet och blir omvandlat till den oxiderade formen [I3] - Arbetselektrod: 2 färg + + 3I - 2 färg + [I3] - Vid motelektroden händer den omvända processen, den oxiderade [I3] - återgår till I - Motelektrod: [I3] - + 2 e - 3I -
18 3.6 Driva en miniräknare Använd en multimeter för att bestämma spänningen. Om multimetern är tillräckligt känslig mät även strömmen. Den svarta sladden går till arbetselektroden med TiO2, (-), den röda till motelektroden (+). Placera solcellen med TiO2- sidan mot ljuskällan. Iaktta vad som händer när cellen exponeras/täcks och vid olika ljusintensitet. Koppla ihop solcellen och miniräknaren med sladdar och krokodilklämmor. Om en cell inte räcker för att driva miniräknaren kan två-tre celler seriekopplas. Elektriska kretsar Sammankoppling av elektriska komponenter ger en elektrisk krets. För att elektroner ska kunna vandra måste kretsen vara sluten. Av historiska skäl går ström från plus till minus trots att de negativa elektronerna vandrar från minus till plus.
19 3.7 Diskussion - vad händer i cellen? Solljus Arbetselektrod Färgämne TiO2 Elektrolyt Motelektrod Energi 1. 2. 1. 3. 4. 6. Maximal spänning 4. 5. Red Ox e - e - 1. Solljuset som faller in absorberas av ett färgämne. Energin i det absorberade ljuset exciterar elektronerna i färgämnet till en energetiskt högre nivå. 2. Elektronerna som fått ökad energi injiceras i TiO2 som är en halvledare, färgämnet lämnas oxiderat. 3. Elektronerna transporteras genom TiO2 mot det ledande glaset och genom kretsen där ett arbete kan utföras, tex driva en miniräknare. 4. Elektronerna fortsätter mot pluspolen, motelektroden, där de reducerar redox-paret i elektrolyten. 5. Elektrolyten reducerar det oxiderade färgämnet. 6. Maximala spänningen är energiskillnaden mellan redoxpotentialen i elektrolyten och ledningsbandet i TiO2. e -
20 3.8 Efter mätningarna Cellen plockas isär när mätningarna är klara. Motelektroden sköljs av med destillerat vatten och torkas försiktigt med papper. TiO2-filmen torkas av med papper blött med etanol. Du kan behöva gnida lite men akta så att inte det ledande skiktet under repas. Förvara glassubstraten med TiO2 med papper mellan för att inte repa filmen. Frågor att besvara
21 Effekt och verkningsgrad Effekt är energi per tidsenhet, enheten är W (watt) = Joule/s. En 60W glödlampa använder 60 J/s. Energi anges i Watt*tid, Wh. Om 60W lampan lyser en timme använder den 60Wh eller 0,06 kwh. Verkningsgrad anger i procent hur effektiv den faktiska energiprocessen är jämfört med den teoretiska maxeffekten. Elektrontransport Elektrontransporten i en elektrisk krets gör att vi får ut en ström men förekommer också i såväl växter som djur. I fotosyntesen används fotoner i solljuset för att frigöra elektroner till senare steg (jämför med Grätzelceller). I levande celler sker elektrontransport över mitokondriemembranen och används till kemisk energi i bildandet av ATP.
22 4. Fördjupning 4.1 IV-kurva Skolcellerna har vanligtsvis för svag ström för att kunna mätas med en multimeter. Om det i skolans labb finns utrustning för att bättre mäta strömmen kan en så kallad IV-kurva ritas upp. Sådana kurvor har stor betydelse vid karaktärisering av egenskaperna hos en solcell såsom verkningsgrad och FF För att kunna göra en IV-kurva behövs också ett varierbart motstånd eller ett antal motstånd med olika resistans att koppla in. Bestäm aktiva ytans area med linjal. Mät ström och spänning med multimeter. Koppla ihop enligt schemat. Maximala strömmen, (kortslutnings-strömmen) mäts vid inget motstånd, maximala spänningen (öppen-krets spänningen) vid oändligt motstånd. Plotta in värdena på millimeterpapper. Gör?? Mätningar med varierande resistans. Plotta in I och U för att få en graf. Beräkna: Bestäm var effekten P= i*v är störst. Jämför med maxeffekten P= imax*vmax vilket ger en rektangulär kurva Beräkna verkningsgrad för er kurva och den rektangulära Verkningsgrad = Effekt / ljusintensitet Antag ljusintensitet 1000 W/m2
23 4.2 Kort om bandteori Ett sätt att se elektroner i en atom är att beroende på var de finns I atomen har de vid 0K en specifik energi och kan ritas in på en energinivå. Med många molekyler bildar dessa energinivåer band. Ju högre energi ett band har desto lägre är sannolikheten att hitta elektroner där eftersom elektronerna strävar mot att ha så låg energi som möjligt. Två band har speciellt stor betydelse, valensbandet och ledningsbandet. Valensbandet är bandet med högst energi som är fullt besatt av elektroner vid 0K medan ledningsbandet är då helt tomt. När elektroner kommer in i ledningsbandet kan de hoppa runt på olika platser varfr det Ju större avståndet är mellan valensbandet och ledningsbandet desto sämre är materialet på att leda ström. 4.3 Varianter av experimentet För att färga in filmen kan även svarta vinbär, hallon, hibiskuste eller blåbär användas. Eller varför inte rödbetor, björnbär eller något annat med stark färg. Jordgubbar däremot fungerar inte eftersom de saknar en =O eller -OHgrupp som kan binda till TiO2. Istället för Degussa P25 kan TiO2 fås från tandkräm, Tippex, målarfärg mm.
24 5. Gästbok Hur gick ert experiment, nvände ni annat färgämne än spenat eller drev ni andra saker än miniräknaren med er solcell? Skolcelslådan är tänkt att lånas ut till gymnasieskolor över hela Sverige, lämna en hälsning till nästa användare Namn Datum Skola Vad gick bra? Vad gick mindre bra? Tips till nästa användare? Namn Datum Skola Vad gick bra? Vad gick mindre bra? Tips till nästa användare? Namn Datum Skola Vad gick bra? Vad gick mindre bra? Tips till nästa användare?
25 Namn Datum Skola Vad gick bra? Vad gick mindre bra? Tips till nästa användare? Namn Datum Skola Vad gick bra? Vad gick mindre bra? Tips till nästa användare? Namn Datum Skola Vad gick bra? Vad gick mindre bra? Tips till nästa användare? Namn Datum Skola Vad gick bra? Vad gick mindre bra? Tips till nästa användare?
6. Mer information www.moleculardevices.se www.fki.uu.se www.teknat.uu.se Greg P. Smestad and Michael Graetzel, "Demonstrating Electron Transfer and Nanotechnology: A Natural Dye-Sensitized Nanocrystalline Energy Converter," J. Chem. Ed., 75 752-756,1998 www.solideas.com/papers/jce98.pdf Energimyndighetens sida för lärare och elever www.energikunskap.se A Delicious New Solar Cell Technology www.youtube.com/watch?v=bvwzjehmmd8 How Solar Panel Make Power from the Sun http://www.youtube.com/watch?v=vyupwvhwso4 Kontakt Prof. Anders Hagfeldt Fysikalisk kemi Ångströmlaboratoriet Uppsala universitet Gerrit Boschloo, forskare Fysikalisk kemi, Ångströmlaboratoriet Uppsala universitet 26
27
Samverkan Skocellslådan är framtagen av Solcellsgruppen vid Institutionen för fysikalisk och analytisk kemi, Uppsala universitet.