Semana Nacional de la Ciencia y la Tecnología
12da Edición
9 al 20 de junio de 2014
Instituto de Física del Litoral
(IFIS Litoral, CONICET-UNL)
Vamos a Construir
Celdas Solares Caseras en Base a
Colorantes Naturales
“Celdas de Graetzel”
¿Qué
son
laslas
celdas
solares?
¿ Qué
son
celdas
solares?
Las células o celdas solares son dispositivos que
convierten energía solar en electricidad.
Las que se conocen comúnmente se parecen a esta
Fabricadas con
silicio, un
elemento químico
con propiedades
de
semiconductor.
¿Y
¿Ylas
lasceldas
celdassolares
solarescon
concolorantes
colorantesnaturales?
naturales?
Un físico suizo llamado Michael Graetzel las diseñó y las
construyó en la década de los 90.
Pensó en una celda de bajo costo y alta eficiencia, fabricada con
materiales “amigos” del medio ambiente.
¿Cómo funciona una celda de colorantes
naturales?
¿Cómo funciona una celda de colorantes
naturales?
Antes de responder, pensemos en la fotosíntesis…
Las plantas toman “energía solar” gracias a la clorofila que
poseen sus hojas (colorante verde) y la convierten en “energía
química” …
que es el alimento necesario para la vida de la planta
Nuestra celda solar funciona a partir de la energía que toma
del sol, formando un circuito eléctrico …
Produce
Energía eléctrica
e-
CÁTODO
(+)
e-
eElectrones
e-
Solución
electrolítica
ÁNODO
(-)
Absorbe
energía solar
o luz
La celda solar de Graetzel está formada por varias capas de
diferentes materiales, como si fuese un “sandwich”…
Vidrio recubierto en la cara interior con dióxido de estaño, SnO2 (a)
+ Lámina de grafito depositada sobre el vidrio (b)
Electrodo
positivo (+)
Yoduro de potasio
Electrodo
negativo (-)
Vidrio recubierto en la cara interior con dióxido de estaño, SnO2 (a)
+ Capa de dióxido de titanio, TiO2, material semiconductor de color
blanco, teñida con un colorante natural de origen vegetal (d)
Materiales
necesarios
construirla
Materiales
necesariospara
para
construirla
• Solución de dióxido de titanio, TiO2
• Solución electrolítica: yoduro de potasio 0,5 M + yodo en etilenglicol libre de agua
0.05 M
• Acetona, etanol y agua
• Moras o remolachas o repollo morado, para extraerles su colorante natural
• Placas de vidrio con capa conductora transparente de dióxido de estaño, SnO2, en
una de sus caras
• Fuente de luz (retroproyector, o reflector)
• Voltímetro de aguja
• Parafilm
• Plato hondo
• Sujetadores “manito”
• Cinta adhesiva transparente
• Papel absorbente
• Lápiz de grafito suave, 4B
• Trincheta, tijeras, pinzas
• Varilla de vidrio o de plástico
Preparemos
una
celda
dede
Graetzel
Preparemos
una
celda
Graetzel
1. Preparación de las placas conductoras, ánodo y cátodo:
a)
Lavar la superficie de las placas de vidrio con acetona.
Nota: Sujetar las placas de vidrio por los bordes o con pinzas
para evitar tocar la cara conductora de las placas.
b)
Usar un voltímetro para
determinar qué lado del
vidrio contiene la
superficie conductora o
dióxido de estaño (SnO2).
Colocando las dos puntas
en la placa de vidrio, se
oirá un “pip” en el lado
conductor.
2. Preparación del ánodo de TiO2
a)
Aplicar cuatro trozos de cinta adhesiva transparente a la cara
conductora de la placa de vidrio, para enmascarar un ancho de
aproximadamente 1-2 mm en tres de los cuatro bordes, y un
ancho de 4-5 mm en el cuarto lado.
b)
Colocar una o dos gotas de solución recién agitada de TiO2 en la
parte superior del vidrio y distribuirla colocando la varilla de
vidrio horizontalmente.
2. Preparación del ánodo de TiO2 (continúa)
c)
Dejar secar la película al aire durante aproximadamente 10
minutos, y luego retirar la cinta. Realizar el recocido en horno a
450C por 30 minutos.
Nota: Se puede usar un mechero Bunsen y calentar la placa a
unos diez centímetros de la llama azul por unos 3 a 5´. La pasta
blanca cambiará de un color blanco a uno marrón después de
un minuto y después regresará a su color nuevamente.
Si el TiO2 se deja secar a temperatura ambiente por un tiempo
suficiente, no es necesario calentar, en absoluto.
2.
Preparación del ánodo de TiO2 (continúa)
d)
Machacar la fruta o verdura fresca en un plato hondo, con una
pequeña cantidad de agua, hasta extraer su colorante natural.
e)
Sumergir el vidrio en el colorante, con la película de TiO2 hacia
abajo, durante 10 min, hasta teñir la película blanca.
2.
Preparación del ánodo de TiO2 (continúa)
f)
Retirar el vidrio empleando las pinzas, y enjuagarlo con agua.
Para eliminar el agua dentro de la película porosa de TiO2,
enjuagarlo con etanol, y secarlo suavemente con papel.
3. Preparación del cátodo de grafito
Tomar una placa de vidrio con la cara conductora hacia arriba.
Pintar su superficie con un lápiz blando, hasta formar una
película de carbono sobre el vidrio conductor.
4. Armado de la celda
a)
Cortar un trozo de Parafilm suficientemente grande como para
cubrir toda la superficie del electrodo recubierto de TiO2.
Colocar ligeramente el Parafilm sobre el electrodo, trazar un
rectángulo alrededor del TiO2 con un lápiz.
b)
Colocar el Parafilm sobre la mesa y recortar con cuidado el
rectángulo, de manera de dejar una “ventana” o “pileta” dentro
del Parafilm.
4.
Armado de la celda (continúa)
c)
Quitar el papel trasero del Parafilm y colocarlo sobre el electrodo,
dejando al descubierto toda la superficie de TiO2. Frotar
suavemente el Parafilm sobre el vidrio, para adherir el film al
electrodo de TiO2.
d)
Colocar 2-3 gotas de la solución electrolítica de yoduro en la
“pileta” del electrodo revestido de TiO2.
4.
Armado de la celda (continúa)
e)
Colocar un electrodo sobre el otro, desplazados entre sí, y
sujetarlos para formar el “sandwich”.
Cátodo de grafito
Ánodo de TiO2
Sujetadores
tipo manito
Experimentando
Experimentandocon
conla
lacelda
celdade
deGraetzel
Graetzel
Conectar el extremo con forma de “cocodrilo” del cable rojo al electrodo
positivo (cátodo) de grafito, y el otro extremo del cable a la salida del
instrumento donde indica “V” o medida de potencial.
Conectar el extremo con forma
de “cocodrilo” del cable
negro al electrodo negativo
(ánodo) de TiO2 , y el otro
extremo del cable a la salida
del voltímetro que se
denomina Común.
Finalmente, iluminar la celda
con una lámpara potente.
¿Qué se observa en el instrumento?
¿Cómo
funcionan
estas
celdas
solares?
¿ Cómo
funcionan
estas
celdas
solares?
El funcionamiento de estas celdas se puede resumir en las
siguientes tres etapas:
1) Interacción entre el sol y la sustancia colorante
2) Interacción entre la sustancia colorante, el
semiconductor y el electrodo de vidrio-estaño
3) Retorno de los electrones a la celda, para completar
el circuito eléctrico
¿Cómo
funcionan
estas
celdas
solares?
¿ Cómo
funcionan
estas
celdas
solares?
1) Interacción entre el sol y la sustancia colorante
El colorante adsorbido sobre la capa del material semiconductor
(TiO2) interactúa con la luz visible proveniente del sol. Tal
como lo hace el pigmento verde de una hoja.
En otras palabras, parte de la energía que el sol emite en forma
de radiación (compuesta de fotones de distintas frecuencias)
es captada por el colorante.
¿De qué manera es captada esa energía?
Algunos electrones que pertenecen a los átomos de la sustancia
colorante reciben esta energía, de forma tal que les permite
moverse de sus lugares, desplazarse y “viajar”…
Huecos
Sustancia
colorante
De esa manera estos electrones abandonan los átomos dejando
“huecos” en el lugar que ocupaban.
¿Hacia dónde van esos electrones?
2) Interacción entre la sustancia colorante, el
semiconductor y el electrodo de vidrio-estaño
Estos “electrones viajeros” que provienen del colorante, pasan a
ocupar espacios vacíos que poseen los átomos de la capa de
TiO2 (esto es así por tratarse de un semiconductor).
Colorante
Electrodo negativo
o ánodo
Esta capa se transforma en un “puente” que los electrones del
colorante atraviesan para llegar hasta el dióxido de estaño
depositado sobre el vidrio que hace de electrodo negativo.
2) Interacción entre la sustancia colorante, el
semiconductor y el electrodo de vidrio-estaño
CÁTODO
(+)
Solución
electrolítica
eElectrones
Luz
ÁNODO
(-)
3) Retorno de los electrones a la celda, para completar
el circuito eléctrico
Voltímetro de
aguja, mide la
señal eléctrica
Yoduro de potasio
Ánodo (-)
Cátodo (+)
Image Courtesy of NIMS NOW (c) 2008
Los “electrones viajeros” que salen del electrodo negativo se dirigen hacia el
electrodo positivo de grafito, a través de los cables que conectan la celda
al instrumento.
Desde el cátodo, los electrones vuelven a la celda. La solución de yoduro de
potasio los transporta hasta el colorante, para completar el circuito
eléctrico y llevar al colorante a su estado "normal“ que tenía inicialmente.
3) Retorno de los electrones a la celda, para completar el
circuito eléctrico
Señal eléctrica
e-
CÁTODO
(+)
e-
eElectrones
e-
Solución electrolítica
de yoduro de potasio
Permite la circulación
de electrones entre
los electrodos
ÁNODO
(-)
Luz
La aguja del instrumento indica que entre los electrodos de la
celda construida aparece una tensión o voltaje de
aproximadamente 500 milivoltios ó 0,5 voltios.
¿Alcanza la energía generada con esta
celda para encender una
?
Una forma más compleja de ver el circuito de la celda
sería…
Bibliografía
Bibliografía
Revistas científicas y páginas web de donde se tomó la información para esta
presentación:
•
Smestad, G. P.; Gratzel, M. Journal of Chemical Education 1998, vol. 75, pp.752756.
•
"Photovoltaics" Solar Energy Technologies Program. US Department of Energy
http://www1.eere.energy.gov/solar/photovoltaics.html
•
http://lpi.epfl.ch/graetzel
•
http://solucionessolares.blogspot.com.ar/2012/06/celda-solar-casera-gratzelproyecto-de.html
•
http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=tPT6Vl84Dt4
Agradecimientos
Agradecimientos
El IFIS Litoral agradece la visita de las alumnos del Colegio Nuestra Señora de
Adoratrices, Escuela Particular Incorporada No 2035 Santa Rosa de Lima y
Escuela de Educación Secundaria Orientada No 262 "República Argentina“, de la
ciudad de Santa Fe, durante la Semana de la Ciencia y la Tecnología 2014.
Claudio Bonin
Luisa Cencha
Emanuel Elizalde
Luisina Forzani
Ana María Gennaro
Adalberto Iglesias
Oscar Marín
Débora Martino
Silvia Montoro
Raúl Urteaga
IFIS Litoral
www.ifis.santafe-conicet.gov.ar
Descargar

Celdas Solares - Instituto de Física del Litoral