Radiaciones, medio ambiente y ser humano

Transcripción

1 PRÁCTICO: CONTRUCCION DE UNA CELDA SOLAR Radiaciones, medio ambiente y ser humano Objetivo: Construir una celda solar sensibilizada con tinta, utilizando óxido de titanio y jugo de frutos rojos- (que poseen el pigmento antiocianina). Introducción: Las celdas fotovoltaicas, también llamadas celdas solares, son dispositivos que generan electricidad a partir de la luz. El tipo de celdas fotovoltaicas más común son las de silicio. Las mismas son construidas mediante un proceso similar al de los chips de las computadoras y por lo tanto, también requieren fábricas grandes y caras. Una posible alternativa a las celdas solares de silicio son las celdas solares con tintas, las cuales son menos eficientes, pero poseen un costo de construcción mucho menor. En la Figura 1 se puede observar un esquema de dichas celdas. Figura 1: Celda solar de TiO 2 sensibilizada con tinta. En dichas celdas, la tinta (dye) absorbe la luz y transfiere los electrones excitados al semiconductor, el cual separa las cargas. En la mayoría de estas celdas se utiliza el semiconductor dióxido de titanio (TiO 2 ). El complejo redox I - - /I 3 completa el circuito, favoreciendo la transferencia de carga y restituyendo los electrones del colorante. En esta experiencia construiremos una celda solar simple sensibilizada con tinta y mediremos el voltaje que la celda produce. La tinta utilizada proviene del jugo de frutas que contienen antocianina como pigmento colorante. Dicho pigmento otorga el color rojo, púrpura o azul a los frutos, hojas y flores. Por lo tanto las frutas a utilizar pueden ser frambuesas, arándanos, moras, cerezas o cualquier fruto que cumpla con esta característica. 1

2 Materiales: Lentes de protección Guantes Vidrios recubiertos con ITO TiO 2 Solución de KI 3 Detergente Jugo de frambuesas o similar Agua destilada para limpieza Etanol para limpieza Mortero y mano de mortero Varilla de vidrio Vidrio reloj Pinza Cotonetes Clips Cinta transparente Vela y encendedor Multímetro Plancha calentadora Fuente de luz intensa 2

3 Procedimiento: 1. Preparación de láminas de vidrio Consigue 2 láminas de vidrio recubiertas con ITO de igual tamaño. Etanol Limpia la superficie de las láminas con alcohol utilizando papel absorbente que no deje pelusas. Una vez limpias, manipúlalas solo por los bordes. MULTÍMETRO Identificar la cara conductora de las láminas de vidrio. Para ello comprobar la resistencia de las caras utilizando un multímetro. Esto se hace tocando con los electrodos del multímetro la superficie de ambas cara del vidrio con cuidado. La cara conductora tendrá una resistencia de ohms. En la cara no conductora no se logrará medir la resistencia. Una vez identificado el lado conductor de cada vidrio, colocar las caras conductoras hacia arriba. A tres bordes de una de las láminas de vidrio colocarle cinta adhesiva, de modo que queden 4-5 mm desde el borde cubiertos con cinta. De esta forma la lámina de vidrio se mantendrá inmovilizada. 2. Preparación de solución de TiO 2 y recubrimiento de la lámina de vidrio. Moler aproximadamente 0,5 g de polvo de TiO 2 nanocristalino en un mortero. Agregar ácido acético diluido gota a gota, hasta que la suspensión adquiera la consistencia de una pasta. Agregar detergente gota a gota (2-3 gotas aprox.) hasta obtener una suspensión coloidal con consistencia suave, como una pintura de látex. 3

4 Agregar 2 o 3 gotas de la suspensión de TiO 2 en la cara conductora de la lámina inmovilizada de vidrio. Rápidamente esparcir uniformemente por toda la superficie la suspensión de TiO 2 ayudándose con una varilla de vidrio. De esta forma se logra tener una capa de TiO 2 uniforme que posee un espesor igual al de la cinta adhesiva. Si la capa de TiO 2 se seca cuando se está esparciendo, agregar algunas pocas gotas de agua a la suspensión de TiO 2. Con cuidado remover la cinta sin romper el recubrimiento de TiO 2. Coloca en una plancha de calentamiento (a 300 o C) la lámina de vidrio con la capa de TiO 2 hacía arriba, para secar y adherir el TiO 2 a la lámina. Dejar calentando aproximadamente 20 minutos. Luego sacar la lámina de la plancha y dejar alcanzar temperatura ambiente. (El color de la lámina de TiO 2 pasará de blanco a amarrillo y luego a blanco otra vez). 3. Preparación de lámina con carbón Limpiar la otra lámina de vidrio con alcohol y secarla con papel absorbente que no deje pelusas. Si es necesario identificar nuevamente el lado conductor de la lámina. Pasar la lámina de vidrio recubierto con ITO, con el lado conductor hacia abajo por la parte media de la llama de una vela, repetidamente. Hasta que se recubra de carbón todo el lado conductor de dicha lámina. La capa de carbón no debe de ser muy gruesa. 4

5 Limpiar el carbón en tres bordes de la lámina de vidrio recubierta con carbón usando un hisopo de algodón. Utilizar como molde la lámina de vidrio con la capa de TiO 2, para que las dos capas queden a igual longitud. Esto permite no crear caminos preferenciales y así prevenir cortocircuitos. 4. Recubrimiento de la capa de TiO 2 con pigmento colorante Preparar un plato (vidrio reloj o placa de petri) con la una solución de antiocianina (sustancia colorante que poseen los frutos rojos tales como la frambuesas, arándanos, moras, cerezas las semillas de granada, entre otras). Preferentemente realizar la solución de antiocianina mortereando los frutos naturales. Una vez seca y adherida la capa de TiO 2 a la lámina de vidrio, sumergir durante 10 minutos la lámina de vidrio, con la capa de TiO 2 hacia abajo, en la solución de antocianinas. El TiO 2 blanco cambiará de color debido a que la tinta se absorbe y se complejea con el Ti(IV). Retira la lámina con la capa de TiO 2 de la solución de antiocianina. Enjuagar la capa de TiO 2 con agua no ionizada y luego con etanol. Secar con papel absorbente que no deje pelusas las partes de la lámina de vidrio que NO posee la lámina de TiO Colocación de electrolito y montaje de la celda solar Agregar 5-8 gotas de la solución de triyoduro a la lámina de TiO 2. Esparcir las gotas sobre toda la lámina. La solución de KI 3 consiste de 0.5 M de KI y 0.05 M de I 2 en etilenglicol anhidro. 5

6 Ensamblar las dos láminas de vidrio, de modo que los recubrimientos queden en contacto pero ligeramente desplazados unos 5 mm (dejar que un borde sin recubrimiento quede por fuera del sándwich). Esto se debe realizar sin deslizar los vidrios. Fijar con clips las láminas de vidrio para sostenerlas juntas. Limpiar la solución restante de las zonas expuestas de las láminas. 6. Medición de corriente de la celda solar Conectar una pinza a las zonas cubiertas expuestas a ambos lados de la celda. Conectar el cable negro de un multímetro a la pinza en contacto conectada a la lámina de vidrio que posee la capa de TiO2. Conectar el cable rojo del multímetro a la pinza en contacto conectada a la lámina de vidrio que posee la capa de carbón. Colocar la celda conectada al multímetro junto con una fuente de luz intensa. La misma puede ser la luz solar, una lamparilla de luz, o la luz de un proyector de diapositivas. Testear la corriente y el voltaje producido cuando se ilumina con luz solar u otra fuente de iluminación. 6