Actividad de Física: Conceptos Básicos de Celdas Solares Guía del Estudiante Objetivos: Los estudiantes serán capaces de Entender que la luz está compuesta de objetos discretos llamados fotones Calcular la potencia y la eficiencia de conversión de energía de una celda solar Entender por qué los Celdas Solares Sensibilizadas por Tinte, CSST (( Dye- Sensitized Solar Cell, DSSCs por su siglas en inglés) requieren ciertos colores de luz para generar la máxima potencia Estándares de Contenido de Puerto Rico: Naturaleza de la Ciencia, Tecnología y Sociedad (NC.F.4.3) Manipula los instrumentos de medir voltaje, potencia, corriente y otro equipo de laboratorio con cuidado para evitar daño físico o eléctrico del equipo. La estructura y niveles de organización de la materia (EM.F.2.1) Identifica el fenómeno eléctrico como un manifestación de las cargas en las partículas subatómicas: los protones y neutrones. (EM.F.2.2) Explica los conceptos de carga electríca, corriente eléctrica, potencial eléctrico, campo eléctrico y campo magnético. Trasfondo: En la búsqueda de fuentes de energía renovables para mantener el crecimiento económico y demográfico global, la energía solar ha recibido recientemente un énfasis sin precedentes. El total de energía de la luz solar que llega a la tierra en 1 hora (4.3 x 10 20 J) es superior al consumo mundial de energía anual en 2011. Sin embargo, la energía solar no se puede utilizar directamente por una casa o por un automóvil, sino solo cuando se convierte y se almacena como un producto listo para su forma de uso, como la electricidad y los combustibles. Un dispositivo que convierte la luz en electricidad se llama una celda solar o celda fotovoltaica. En esta actividad, usted investigará dos tipos populares de estos dispositivos - una celda de silicio comercial y una celda solar casera sensibilizada por tinte ( Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC por sus siglas en inglés) - y discutirá sus ventajas y desventajas para la conversión de energía solar. La luz y la electricidad acarrean la energía de maneras muy diferentes. La luz se compone de entidades básicas conocidas como fotones y la energía de un fotón corresponde a E = hn, donde h es la constante de Planck y n, es la frecuencia de la luz. La luz azul tiene frecuencias más altas y por lo tanto sus fotones son de mayor energía, mientras que los fotones rojos tienen menos energía. La luz solar es blanca, queriendo
esto decir que se compone de una mezcla de fotones que comprenden el espectro visible completo, además de radiación en la región ultravioleta e infraroja. Por otro lado, las fuentes de energía eléctrica tales como las baterías producen energía (E) por unidad de tiempo (potencia, P), mediante algún mecanismo de separación de carga. Esta energía está determinada por la corriente (I), el voltaje (V) y el tiempo transcurrido, t. Como P = IV y E = P t entonces E= IV t. Una diferencia fundamental entre la energía solar y eléctrica es que por un lado los fotones, así como la luz, son eléctricamente neutrales, mientras que una corriente se compone de un flujo de partículas cargadas (electrones e iones). Por lo tanto, una celda solar utiliza la energía de fotones neutrales para separar cargas positivas y negativas y así generar un voltaje de salida. Las celdas de silicio son los dispositivos más estudiados y ampliamente aplicados para la generación de energía solar, energización de dispositivos tales como las calculadoras hasta los edificios de oficinas. En una imagen simplista, el silicio es un semiconductor que se puede hacer más conductivo para cargas positivas (Si tipo-p) o cargas negativas (Si tipo-n). Cuando estos dos tipos de silicio se intercalan en conjunto, forman una unión p-n que al absorber fotones se genera carga positiva en el lado del tipo p y carga negativa en el lado de tipo n. Las celdas solares de silicio pueden alcanzar una eficiencia de conversión del 22% en el caso de silicio de cristal sencillo de gran pureza. Las celdas solares sensibilizadas por tinte son una tecnología emergente con materiales y equipo que se pueden obtener con facilidad. La celda se compone de un un tinte (es decir, un material de color intenso) que absorbe la luz solar, nanopartículas de TiO 2 que sirven de medio para la separación de cargas positivas y negativas, e iones de yoduro para completar el circuito eléctrico. Específicamente, las moléculas de tinte están adsorbidas sobre nanopartículas de TiO 2, que están haciendo contacto íntimo sobre una superficie grande. Como resultado, se tarda menos de un picosegundo (10-12 s) absorber la energía de un fotón por una molécula de tinte, removerle un electrón y transferirlo a TiO 2. En el proceso se genera el catión del tinte. Posteriormente, el tinte cargado positivamente se combina con el ion yoduro y se restaura su estado neutral. Este proceso puede ser descrito por las siguientes ecuaciones: En el electrodo de TiO 2 (ánodo): TiO 2 + Tinte + (la luz) TiO 2 (e - )+ tinte + ; En el electrolito: 2(Tinte) + + 2I - 2(Tinte) + I 2, I 2 + I - I 3 - ; En el cátodo (revestido de grafito): I 3 - + 2e - 3I -.
En este módulo usted utilizará tanto una celda de silicio y un CSST para convertir luz solar o la de un proyector en electricidad. Se va a medir el voltaje y la corriente y calcular la potencia de salida. Demostrará que la potencia de salida es aproximadamente proporcional a la intensidad de la luz incidente, y diferentes colores del espectro dan fotocorrientes muy diferentes. Por último, usted calculará la eficiencia de conversión de las celdas de silicio y el CSST caseras y hará una comparación. Materiales: Una pequeña celda solar comercial Un CSST de fabricación casera obtenido del módulo principal Un multímetro con cables y pinzas de cocodrilo Un proyector de transparencias Paño negro / cartón / hoja para bloquear la luz Transparencias grises Filtros de color Un motor eléctrico de corriente directa Procedimiento: Nunca mire a la salida de luz del proyector! 1. Obtenga una celda de silicio y un CSST y mida sus áreas expuestas. 2. Coloque la celda de silicio y la CSST en el lente de un proyector de transparencias, mirando hacia abajo a la fuente de luz. Dos clips de carpeta se adjuntan a la celda de silicio en la misma forma que el CSST, por lo que ambos están en paralelo con el lente del proyector a una altura similar. 3. Encienda el proyector y deje que se caliente durante unos minutos. 4. Conecte los dos cables de la celda de silicio a un multímetro, la sonda roja al polo positivo y la sonda negra al polo negativo. Cambie el multímetro para voltaje d.c. (V) y luego a corriente continua (ma) y registre las lecturas. 5. Coloque filtros de color como los azules, verdes y rojos entre las céldas solares y el lente, y luego registre el voltaje y la corriente de salida. 6. Disminuya la luz usando primero un trozo de la transparencia gris, y luego dos de ellos juntos. Anote el voltaje y la corriente que registre la celda. 7. Bloquee la luz con un trapo negro y registre el voltaje y la corriente en la oscuridad. 8. Repita los pasos 3 a 6 para el CSST. 9. Tome varios CSSTs con el mejor rendimiento y conéctelos en serie. Cuántos de ellos son necesarios para hacer funcionar un motor eléctrico? 10. Apague el proyector y guarde las celdas solares.
Hoja de trabajo del estudiante: Seguridad Nunca mire a la salida de luz del proyector! Datos Complete la siguiente tabla con las áreas medidas, voltajes y corrientes. También anote el filtro de color utilizado. Condiciones Fuente sin filtro Filtro 1 Color: Filtro 2 Color: Filtro gris sencillo Filtro gris doble Celda Solar de Silicio Área: cm 2 Voltaje (mv) Corriente (ma) Celda solar sensibilizada por tinte Area: cm 2 Voltaje (mv) Corriente (ma) Oscuridad Ejercicios 1. Cuál es la potencia total de la luz solar que incide sobre la tierra? 2. Cómo puede identificar el polo positivo (+) y el polo negativo (-) de una célda de silicio y un CSST?
3. Qué hacen los filtros de color a la corriente y voltaje de salida? Y por qué? 4. Calcule la potencia de salida (en mw) de la celda de silicio y la CSST con ningún, uno y dos filtros grises. Calcule la densidad de potencia (en mw/cm 2 ), dividiendo la potencia de salida por área. 5. Obtenga de su maestra(o) cuál es la potencia de salida de luz del proyector. Calcule la eficiencia de conversión de energía (en porcentaje) de las celdas.