Wie bauen & Use A Farbstoffsolarzelle (DSSC) + eine Diskussion über Energy & Efficiency

6 Schritt:Schritt 1: Sammeln Sie Ihre Materialien Schritt 2: Bereiten Sie die DSSC Elektroden Schritt 3: Stellen Sie sich Ihr Solarzelle Schritt 4: Testen Sie Ihr Solarzelle Schritt 5: Ändern Calculator Schritt 6: Diskussion über Energie: Effizienz

Wie bauen & Use A Farbstoffsolarzelle (DSSC) + eine Diskussion über Energy & Efficiency
Die Nutzung erneuerbarer Energien ist von entscheidender Bedeutung für die Unterstützung der Energiebedarf der modernen Gesellschaft. Die IEA errechnet, dass globale Energieverbrauch um 10% von 1990 bis 2008, und die Zahl wird voraussichtlich in den kommenden Jahrzehnten steigen. Zur gleichen Zeit, unsere derzeit vorherrschende Energiequellen ernsthafte Gefahren für die Umwelt und die menschliche Gesundheit. Die Verbrennung fossiler Energieträger-Erdgas, Kohle und Öl-Releases schädlichen Treibhausgase in die Atmosphäre, trägt zur Versauerung der Ozeane, und schafft Verschmutzung sowohl mit wirtschaftlichen und sozialen Kosten.

Solarenergie ist eine besonders vielversprechende Lösung für den weltweiten Energiebedarf. Die Erde absorbiert jährlich fast 4 Millionen Exajoule der Sonnenenergie, und es würde erfordern, weniger als eine Stunde von diesem Gesamtenergie für die Menschheit ein Jahr lang zu betreiben.
Es gibt viele Techniken zur Abscheidung und die Sonnenenergie zu konvertieren. Farbstoff-Solarzellen: Mein Forschungsteam hat mit DSSCs experimentiert. Sie unterscheiden sich von traditionellen Photovoltaik (PV) Zellen, die derzeit dominieren die Solarzellen-Markt, und DSSCs haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. Die Nachteile werden unten in diesem Handbuch besprochen werden. (Sehen Sie sich die bahnbrech Smestad und Grätzel Papier "Demonstrieren Electron Transfer & Nanotechnologie: ein natürlicher Farbstoff-sensibilisierten nanokristallinen Energie Converter", um mehr über die Technologie lernen).

Ich werde erklären, wie farbstoffsensibilisierten Solarzellen zusammengesetzt werden, und wie sie eine elektronische Gadget treiben kann --- in diesem Fall eine calculator.Step 1: Sammeln Sie Ihre Materialien



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Hier sind die notwendigen Materialien für dieses Projekt:
- Fluorid dotierte Zinndioxid leitenden Glas (≥2 Platten)
Eine Quelle von organischen Farbstoff (ex: Himbeeren)
- Titandioxid-Paste
- Essigsäure
- Wasser
- Glasrührstab
- Klebeband
- Bleistift
- Flüssigelektrolytlösung
- Binder Clips
- Drähte
- Eine solarbetriebene Taschenrechner (Sie werden das Entfernen der Lager PV-Solarzelle, und ersetzen Sie es mit Ihren montiert DSSC)
- Lötgeräte
- Ein Multimeter oder Vernier Lab Suche (mit Voltzahl & Stromsonde (n))
- Wolfram-Halogenlampe
- Prüfung ApparatusStep 2: Bereiten Sie die DSSC Elektroden

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Für jede Solarzelle Sie montieren, müssen Sie eine Anode und eine Kathode. Die Anode wird der Farbstoff und Titandioxid Moleküle enthalten. Photonen werden die Farbstoffmoleküle 'Elektronen anzuregen, und die Elektronen werden aus der Farbstoffmolekül an das Titandioxid auf die Glas Anode durch Diffusion zu springen. Die Elektronen werden anschließend durch eine Schaltung, die die zwei Elektroden verbindet reisen und zurück zu der Zelle durch die Glas Kathode. Um den Stromkreis zu schließen, eine interstitielle Elektrolytlösung erleichtert den Fluss der Elektronen zurück zu der Anode organischen Farbstoffmolekülen.

So, um Ihre Anode montieren, müssen Sie:
1) Bereiten Sie eine Titandioxid-Lösung

Langsam 20 ml einer Essigsäurelösung (0,1675 ml pro CH3COOH 99,8225 ml Wasser) auf der Titandioxidpulver 12g. Langsames Zugeben der Säure, zusätzlich zu heftiges Mischen der Lösung, eine einheitliche Paste zu gewährleisten. Es wird empfohlen, dass Sie einen Mörser und Stößel für diesen Schritt verwenden. (Figuren 4 und 5)

2) Anneal Titandioxid auf Ihre erste Glasplatte

Decken jede der FTO Glasplatte vier Kanten mit einem 2 mm dicken Stück Klebeband (auf der leitenden Seite, wie von einem Multimeter bestimmt). Dies wird eine ultradünne "Schüssel", die mit dem Titandioxid-Lösung gefüllt wird, zu erstellen. Bewerben drei Tropfen des TiO2 Lösung Ihrer Elektrode, und gleichmäßig verteilt und sanft mit einem Glas Rührstab. (Figuren 3 und 6)

Glühen die Glasplatte mit einem Ofen (oder einer anderen Wärmequelle) bei 450C für 30 Minuten. (Figur 7)

3) Weichen Sie das geglüht Elektrode in Ihrem Farbstofflösung

Erstellen Sie eine Lösung, die Farbstoffmoleküle enthält. Dies geschieht am einfachsten mit dem Saft von gefrorenen Himbeeren (die leicht in der Tiefkühlabteilung eines Supermarktes erworben werden kann) durchgeführt. Die organische Farbstofflösung kann durch Filtrationsverfahren (Beachten Sie jedoch, verwendet mein Forschungsteam sehr einfaches Verfahren. Wir pulverisiert gefrorenen Himbeeren in einem Saft mit einem Mörser und Stößel, gereinigt werden. Danach drückte wir diese Lösung durch eine Gaze, und dieser Prozess entfernt die größten Stücke von Zellstoff.) Unabhängig davon, genießen die geglüht Elektrode in Ihrem Farbstofflösung für zehn Minuten. (Sie sollten dann am Ende dieser Periode, dass die Farbe der Glasplatte wurde als Farbstoffmoleküle kovalent an die TiO2 gebunden geändert bemerken. Das ist der Prozess, wie Sensibilisierung bekannt. Sie sollten auch beachten, dass auch andere Farbstofflösungen erfordern möglicherweise Einweichen unterschiedlich sein Zeitspannen) vorsichtig abspülen die Glasplatte mit Wasser, einmal und Ethanol zweimal, so dass verbleibende Zellstoff und Zucker werden entfernt. (Figuren 8, 9 und 10)

Was Ihre Kathode:
1) Bedecken der einen Seite der Glasoberfläche mit einer Kohlenstoffschicht (mit dem Bleistift).

Dieser Prozess ist ziemlich selbsterklärend. So stellen Sie sicher, dass Sie sich bewerben eine vollständige Beschichtung von Graphit auf den Teller. Dies kann Zeit in Abhängigkeit von Ihren Bleistift zu nehmen. (Figur 11)

2) Optional: Warmbehandeln der Kathode in einem Ofen bei 450C für ein paar Minuten.

3) die Kathode spülen Sie vorsichtig mit ethanol.Step 3: Stellen Sie sich Ihr Solarzelle

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Eindrucksvoll! Mit einer Anode und einer Kathode, Sie fast Bau der DSSC fertig sind.

Um dieses DSSC montieren, legen Sie das kohlenstoffbeschichtete Seite der Kathode auf der Oberseite des mit Farbstoff beschichteten Seite der Anode. Lassen Sie Ihr Glasplatten, um vollständig überlappen, versetzt die Elektroden, so dass sie vollständig antreten horizontal, sondern erstrecken sich über jeder des anderen vertikalen Enden. Der Offset ermöglicht Alligator Drähte in jeder der Elektroden Clip, so dass Sie, um eine Schaltung zu montieren. Sichern Sie sich Ihren Offset Glasplatten mit Binder Clips auf den beiden horizontalen Seiten, die vollständig auskleiden. (Figur 13)

Um die Elektrolytlösung zwischen den beiden Elektroden eingefügt gelten die Elektrolytflüssigkeit entlang einer Versatzkante zwischen den beiden Glasplatten. Dann öffnen und schließen die Binder Clips in einer abwechselnden Weise (ein Bindemittel Clip in einer Zeit, nicht beide). Dadurch wird die Elektrolytlösung in die Zelle gesaugt werden und gleichmäßig auf die Graphitbeschichtung und TiO2 / Anthocyan-Komplex verteilt werden. (Abbildung 12) Schritt 4: Testen Sie Ihr Solarzelle

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Verbinden Sie Ihren montiert DSSC zu einem Multimeter über Krokodilklemmen und Leitungen. Nach Abschluss der bestückten Leiter, platzieren Sie Ihre Zelle unter einem Innenlichtquelle --- oder entlang einer Fensterbank. (Achtung: Platzieren Sie Ihre Solarzelle direkt unter der Sonne, ohne den richtigen Schutz verursacht schwere Verschlechterung Haben Erstprüfung unter Lichtquellen, die UV-Strahlung emittieren.). Notieren Sie die maximale Spannung und Strom von Ihrem Solarzelle erzeugt. Multiplizieren diese beiden Figuren, die Ausgangsleistung zu erhalten.

Kraft ist einfach das Spannungspotential multipliziert mit dem Strom. So zum Beispiel, wenn meine DSSC hergestellt 0.400 Volt und 250 Mikroampere (0.000250A), würde die Ausgangsleistung von 0,1 Milliwatt (0,0001 Watt) liegen.

Besuchen AllAboutCircuit Leitfaden, um mehr über Schaltungen, Spannung, Strom und Leistung zu lernen. Schritt 5: Ändern Calculator

Die Nützlichkeit eines montierten Solarzelle wird durch Einschalten elektronischen Geräten zu finden, mit der Energie, die entweder in Echtzeit erzeugt wurde oder zuvor gespeichert. Ich werde zeigen, wie ich versorgt einen Taschenrechner mit den Zellen, die ich produziert. Allerdings mit einigen Anpassungen, die Sie eine Fülle von elektronischen Geräten versorgen konnten. Lade (wiederaufladbaren) Batterien können sehr nützlich sein. Wenn Sie entlang meiner Anleitung folgen möchten, versuchen Sie die Stromversorgung einen Taschenrechner für den Moment.

Es ist vorzuziehen, einen Rechner, der bereits Solar ist, denn es wird die bestehende Schaltung, mit denen sie leicht mit Strom versorgt werden müssen DSSC finden. Entfernen Sie das Außengehäuse mit den notwendigen Werkzeugen, so dass Sie Zugriff auf die internen Schaltkreise haben können. Löten Sie die Kabel ab, die für den Taschenrechner in Solarzelle mit der Leiterplatte und löten in zwei neue Leitungen gebaut zu verbinden, die auf Ihre DSSC verbinden wird.

(Falls erforderlich, sehen diese nützliche Anleitung für Informationen über Löten)

Vor dem Anschluss der beiden neuen Drähte an die DSSC, schließen Sie den Rechner auf eine variable Stromversorgung. Bestimmen Sie die minimale Spannung und Strom erforderlich, um den Rechner einschalten, und sicherzustellen, dass diese Anforderungen können durch die Solarzellen zufrieden sein. Wenn nicht, sollten Sie produzieren mehr Solarzellen. Anschluss mehrerer DSSCs in Serie würde die Spannung zu steigern, während sie parallel verbinden die aktuelle steigern. Wenn diese Methoden noch nicht ausreichen, können Sie Batterien oder Kondensatoren mit DSSC (n) zu laden, und schalten Sie Ihren Rechner mit der gespeicherten Energie.

Auf der Strecke, die ich geschaffen, um einen Rechner hier Leistung: http://youtu.be/g1KwfynkDIU Schritt 6: Diskussion über Energie: Effizienz

Als neue Technologie, führen farbstoffsensibilisierten Solarzellen schlecht im Vergleich zu entweder traditionelle Solarzellen oder fossilen Energiequellen. Obwohl die Sonne ist eine ergiebige Quelle von Energie, begrenzen viele Faktoren Effizienz der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie DSSCs '. (Informieren Sie sich über den Artikel "Advancing über aktuelle Generation farbstoffsensibilisierten Solarzellen", um weitere Informationen zu Einschränkungen DSSC und potenzielle Möglichkeiten für Verbesserungen).

Während fossile Brennstoffe haben viele Nachteile, sind ihre Vorteile Energiedichte und niedrigen Kosten (ohne Berücksichtigung externer Effekte). Um die Vor- und Nachteile alternativer Energien am besten zeigen, ist es am besten, dieses Problem durch die Linse der Stromversorgung des Rechners von oben in dieser Anleitung zu untersuchen.

Um diese Rechner mit unserem DSSCs Macht, in Reihe geschaltet sind wir drei Zellen (jeweils ca. 3 cm ^ 2 in der Fläche) auf den Rechner. Unsere Schaltung erzeugt 1.04V und 630 Mikroampere, dh 0,6552 Milliwatt Leistung. Die Zellen auf einem Fensterbrett gelegt, erhalten eine moderate Menge an Sonnenlicht am frühen Nachmittag von einem New England Wintertag. Gemäß dem oben genannten Grätzel Papier, könnte man erwarten, dass 600 bis 800 W / m ^ 2 (0,54-0,72 W / 9 cm ^ 2) von Sonnenlicht werden die Solarzellen erreicht.
Um die Menge des durch original Solarzelle des Rechners erzeugten Energie zu finden, I verbunden auch die PV-Zelle zu einem Multimeter, während es auf der gleichen Fensterbank ruhte. Jedoch wurden die Zell- und DSSC an unterschiedlichen Tagen mit unterschiedlichen Mengen vorhanden Sonnenlicht gemessen, so ist dies nicht eine perfekte Vergleich. Dennoch ist es sinnvoll, nur geringe Unterschiede zwischen den beiden Winternachmittag in New England, die weniger als eine Woche auseinander waren zu erwarten. Die PV-Zelle produziert 9,2 Milliwatt Leistung (2,8 mA und 3,27 Volt). Dies ist 14X die Leistung der 3 DSSCs und 21X die Leistung der DSS-Zellen pro Flächeneinheit. (15.20661157 W / m ^ 2 für die PV-vs 0,728 W / m ^ 2 für die DSSC).

Um die Menge einer herkömmlichen Energiequelle benötigt, um diese Rechner Energie finden, ich weiß, dass ein Kilogramm Kohle (in der Regel die Energiedichte für fossile Brennstoffe) wird etwa 7,4 Megajoule erzeugen Strom. Daher müsste man 2,92 * 10 ^ (- 7) Kilogramm (dh 0,292 mg) von Kohle, um den Rechner für jede Stunde verwendet treiben.

Diese Zahlen zeigen die inhärenten Schwierigkeiten mit der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom. Ich machte mich auf den DSSCs, die hergestellt wurden, berechnet eine Effizienzmessung, neben der Photovoltaik (PV) Solarzelle, die ursprünglich versorgt den Rechner. Beide Zellen wurden in einem Karton Vorrichtung, wo eine einzelne Lichtquelle (120V 45W-Halogenglühlampe) schien auf die Solarzellen in einem gleichen Abstand von oben getestet. Es gab keine anderen Lichtquellen, die das Gerät eingegeben wird, und das Innere wurde schwarz lackiert, um Lichtreflexion von der Pappe zu minimieren.

Einer der DSSCs produziert 5,5 Mikrowatt Leistung, oder 0,01897 Watt / m ^ 2, wenn in der Box getestet. Diese Leistung pro Flächeneinheit deutlich geringer als die ursprüngliche Rechner Zelle 1,49 Watt / m ^ 2 (2.99V * 301 Mikroampere / 6,05 cm ^ 2). In Anbetracht, dass die DSSCs hatte 1,27% der Effizienz der Solarzelle eine günstige, den Massenmarkt-Rechner, die Fähigkeiten der Grund auf Anthocyaninbasis DSSC-Technologie ließ viel zu wünschen übrig. Die ursprüngliche Grätzel Papier erwähnt, dass eine Wirkungsgraden zwischen 0,5% und 1% für DSSCs in ihre experimentellen Verfahren konstruiert erwarten. Dies schafft Verwirrung darüber, warum der PV besser als der DSSC 78X pro Flächeneinheit. Auf Basis der aktuellen Technologien, wäre es unmöglich für einen preiswerten Taschenrechners PV-Zelle Strom mit einem Wirkungsgrad zwischen 39% und 78% zu schaffen. Diese Diskrepanz könnte das Ergebnis einer Halogenlampe emittiert Lichtstrahlen, anders als diejenigen von der Sonne. Die DSSCs in der Tat führen mehr vergleichsweise tat, als entlang der Fensterbank geprüft. Es ist auch möglich, dass unser Forschungsteam nicht Zellen der gleichen Qualität und Effizienz, wie diejenigen, die das Original Grätzel Papier schrieb erstellen.

Es gibt einige andere wichtige Überlegungen zu diesen Vergleichen der Energiequellen. Zunächst farbstoffsensibilisierten Solarzellen haben Fragen der Stabilität, die am ehesten verhindern, dass sie aus der laufenden zwanzig-jährige (die typische Lebensdauer einer PV-Zelle) würde. Mein Team hat erhebliche Leistungseinbußen in unseren Zell nur Wochen nach der Montage aufgefallen; haben wir jedoch nicht viele der möglichen Vorkehrungen verlauf Lebensdauer der Zelle entnommen. (Lesen Sie mehr über ein Anstrengungen Forschungsteam mit Verbesserung der Außen Stabilität ihrer DSSCs) Dennoch hebt diese Einschränkung ein Problem mit der laufenden Produktion erneuerbarer Energie. Es gibt einige Technologien, die die Möglichkeit, vernünftig mit Kohle und anderen kohlenstoffbasierten Energiequellen konkurrieren, aber viele Technologien haben ernsthafte finanzielle und technologische Hürden, die Mainstream-Annahme zu verhindern. Basierend auf Experimenten mein Forschungsteam, halten derzeit photovoltaischen Solarzellen viel mehr Potenzial als Farbstoff diejenigen an die Stromversorgung zu den weltweit künftigen Energiebedarf.