Energia pulita dai frutti di bosco:
la cella e il modulo fotovoltaico con coloranti naturali
1. Introduzione
Nel nostro istituto, che da anni si occupa di tematiche inerenti le fonti di energie rinnovabili,
alcuni docenti hanno sviluppato una ricerca, bibliografica e on-line, che in seguito è
diventata ricerca sperimentale, per innovare la didattica disciplinare nell'ambito
dell'insegnamento della chimica fisica e della chimica analitica. Durante l’anno scolastico
2006/2007, un gruppo di docenti e di studenti ha messo a punto una procedura relativa alla
costruzione della cella a coloranti organici naturali (cella di Graetzel). Nello stesso anno si è
creata una collaborazione con l’Università di Cà Foscari di Venezia all’interno del Progetto
Lauree Scientifiche e l’esperienza della cella di Graetzel è stata inserita tra le varie
esperienze proposte agli studenti dei diversi istituti della provincia e delle province limitrofe.
Nasce all’interno di questo progetto il nostro interesse a voler approfondire alcuni aspetti
della cella e quindi continuare la ricerca sperimentale.
1.1 Origine della ricerca
Il prototipo di cella di Graetzel, realizzato nell'anno scolastico 2006/07, prevedeva l'utilizzo
di coloranti naturali estratti unicamente dai frutti di bosco quali i mirtilli e un solo tipo di
biossido di titanio e anche all’interno del Progetto Lauree Scientifiche non sono state
approfondite le varie tematiche.
In seguito all'analisi di dati trovati in letteratura abbiamo progettato una procedura per
individuare le variabili essenziali che influiscono sull’efficienza della cella. A tal fine ci
siamo posti le seguenti domande:
1. Come si modifica la risposta della cella cambiando il tipo di frutto e il tipo di solvente
utilizzato per estrarre i coloranti organici impiegati nell’assemblaggio della cella?
2. Come influisce la dimensione delle nanoparticelle di biossido di titanio sull'efficienza
della cella e sullo strato che si viene a depositare (caratteristiche della sospensione e
condizioni di “sinterizzazione” del biossido di titanio)?
3. È possibile aumentare l'efficienza del dispositivo, eliminando i fenomeni dissipativi che
si ottengono collegando le singole celle in serie e in parallelo, inserendo per esempio sullo
stesso vetrino conduttivo strati attigui di biossido di titanio?
1.2 Stato dell’arte
L’efficienza delle attuali celle solari al silicio varia dal 8% per il silicio amorfo, al 15-16%
per il silicio policristallino, fino al 30% per i prototipi di laboratorio a giunzioni multiple ad
esempio arseniuro di gallio.
La maggior parte della ricerca è volta a rendere le celle solari più economiche e/o più
efficienti, in modo da competere più efficacemente con le altre fonti di energia.
Una nuova linea di ricerca si sta sviluppando di recente sulle celle solari di terza generazione
a base di sostanze organiche:
1. Celle solari ibride a base di polimeri, vengono costruite con strati ultra-sottili di
semiconduttori organici (PPV, fullereni);
2. DSSC (Dye Sensitize Solar Cell), celle costruite con coloranti organici (sintetici e
naturali), sul modello della cella di Graetzel.
Queste sono più economiche rispetto alle celle al silicio, ma nonostante l’efficienza sia
ancora non soddisfacente e i problemi collegati all'esposizione agli agenti atmosferici non
hanno ancora trovato una soluzione soddisfacente, sembra ci siano buone prospettive di
miglioramento delle prestazioni nei prossimi anni per applicazioni su scala commerciale.
1
1.3 Organizzazione dati bibliografici
Principio di funzionamento delle DSSC
Come si può vedere nella figura n° 1 il funzionamento della cella fotovoltaica è il seguente:
Gli elettroni del colorante, legati alla struttura nanocristallina del TiO2, eccitati dalla luce
solare ricevono l’energia sufficiente (il gap di energia del biossido di titanio varia da 3,0 eV
a 3,2 eV) per passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione.
Il TiO2 si comporta da semiconduttore e trasporta gli elettroni fino alla superficie
dell’elettrodo che si carica negativamente.
Gli elettroni abbandonano l’elettrodo e fluiscono in un circuito esterno fino al
controelettrodo. La funzione dell’elettrolita è quella di trasferire l’elettrone del
controelettrodo al colorante attraverso una reazione di ossido riduzione (I2/I- ), il ciclo può
così continuare e la cella solare può fornire energia elettrica con continuità. Un processo
simile avviene in natura con la fotosintesi clorofilliana.
Confronto tra la fotosintesi e la cella
(Vedi figura n° 2)
La reazione relativa al processo di fotosintesi viene così schematizzata:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
Come nella fotosintesi, nella cella di Graetzel si verificano le seguenti trasformazioni
Fotosintesi
Clorofilla
Trasformata in
energia chimica
H2O - 2e- → ½ O2
NADP* + H* + 2e→ NADPH
Sostanze organiche
Funzione
Raccogliere l’energia
luminosa
Energia luminosa
Ossidazione
Elettrone trasferito
tramite
Tipi di materiali
Cella di Graetzel
Antocianine
Trasformata
in
elettricita’
2 I- - 2e- → I2
D* + TiO2 → e(TiO2) + D+
Celle
con
colorante
organico
Le particelle dello strato di biossido di titanio agiscono da accettori di elettroni, lo iodio
agisce da donatore di elettroni e il colorante funziona come una “pompa” fotochimica: nella
fotosintesi, questi tre ruoli sono svolti rispettivamente dal biossido di carbonio, dall’acqua e
dalla clorofilla.
Informazioni sui materiali necessari
Biossido di titanio: è una polvere cristallina incolore, tendente al bianco. Ha formula
chimica TiO2.
Il TiO2 in natura è presente in tre forme cristalline diverse, il rutilo, l'anatasio e la brookite,
colorate a causa di impurezze presenti nel cristallo. Il rutilo è la forma più comune: ciascun
atomo di titanio è circondato ottaedricamente da sei atomi di ossigeno. Le altre strutture
sono degli arrangiamenti ottaedrici distorti. Viene utilizzata il biossido nella conformazione
dell’anatasio, in particelle di dimensioni nanometriche, che dai dati bibliografici risulta la
più idonea per costruire la cella.
Vetro conduttivo: il vetro è reso conduttivo depositando uno strato di SnO2.
Una lastrina di vetro di dimensioni circa 4 per 4 cm, spessore circa 3-4 mm, mostra una
resistenza di 40-50 ohm. Si possono ottenere risultati migliori utilizzando vetro conduttivo
ITO (SnO2 drogato con indio) o con vetro conduttivo FTO (SnO2 drogato con fluoro)
2
Grafite: è un minerale che rappresenta uno degli stati allotropici del carbonio. E’ un
buonissimo conduttore elettrico grazie alla natura dei suoi legami coniugati. Si può
migliorare l’efficienza della cella depositando sul controelettrodo del platino come
catalizzatore della reazione elettrodica in quanto riduce la sovratensione della coppia redox
I2 / I3Elettrolita: soluzione di iodio 0.05 M in KI 0.5M
Colorante (antocianine):
Le antocianine sono dei pigmenti appartenenti ai flavonoidi; sono presenti nei vegetali, fiori,
frutti, e foglie ed il colore è dovuto a vari fattori tra cui il pH.
Il catione flavilio è la struttura di base di tutte le antocianine. (Vedi figura n°3)
1.4 Pianificazione del lavoro
Il piano di lavoro ha come obiettivi specifici:
A. verificare che i pigmenti organici estratti da vari frutti contengano i coloranti della categoria
degli anticiani con le medesime caratteristiche strutturali di quelli contenuti nei mirtilli;
B. utilizzare i coloranti estratti dai diversi frutti per verificare la loro funzionalità nella
preparazione della cella di Graetzel;
C. costruire le celle utilizzando i diversi coloranti estratti e confrontare le diverse efficienze dai
risultati ottenuti;
D. verificare se vi è un’eventuale degradazione nel tempo del dispositivo e un’eventuale perdita
di efficienza;
E. verificare la risposta delle celle modificando la dimensione delle particelle;
F. costruire un modulo di più celle per avere maggiore potenza.
Per raggiungere questi obiettivi abbiamo utilizzato una parte del monte ore curricolare
relativo alla disciplina di analisi chimica per la quinta classe ad indirizzo chimico
industriale, per un periodo di circa tre mesi.
Le apparecchiature e la strumentazione utilizzata nel progetto erano disponibili nei
laboratori del nostro istituto, ed è stato fatto un acquisto integrativo dei materiali e reattivi
specifici per realizzare l’estrazione dei coloranti come indicato nell’articolo di M.
Graetzel.pubblicato nel 1997 J.Phys.Chem.
1.5 Consultazione degli esperti
Il gruppo di studenti si è avvalso della consulenza dei docenti di chimica e di fisica del
nostro istituto e della collaborazione del tecnico del laboratorio della sezione chimici, per
mettere a punto la procedura per realizzare la cella.
In un secondo tempo il gruppo di lavoro (studenti-docenti) si è avvalso della collaborazione
dei ricercatori dell’Università Ca’ Foscari di Venezia (Scienze dei materiali) per la fase di
caratterizzazione dei nanostrati di biossido di titanio (dimensioni delle particelle).
2. Studio dei componenti della cella
2.1 I coloranti
2.1.1 Caratteristiche funzionali dei coloranti
Si è svolta una ricerca bibliografica inerente le indagini svolte da M.Graetzel sulle celle
fotovoltaiche a base di coloranti organici. In particolare ci siamo interessati agli esperimenti
condotti sulla struttura e sulla funzione di quelli estratti dai frutti di bosco (es. mirtilli neri).
La procedura utilizzata dal nostro gruppo di lavoro è stata messa appunto tramite le seguenti
indicazioni tratte dall’articolo di Graetzel del 1997
“Nel mirtillo nero sono presenti due antociani: il cyanin3-glicoside e il cyanin3-rutinoside.
3
•
•
Il pigmento viene estratto usando una miscela di metanolo-acido acetico-acqua (25:4:21) e il
filtrato estratto viene purificato attraverso una colonna per cromatografia di esclusione
(Sephadex LH 20) e l’eluizione viene condotta con il medesimo solvente usato per
l’estrazione; si sono ricavate 30 frazioni, ciascuna utilizzando 10 mL di eluente.
Le frazioni 9-20 hanno mostrato un rapporto di assorbanze A520 / A280 > 1 e vengono
utilizzate per la parte sperimentale di caratterizzazione ( registrazione degli spettri di
assorbimento degli antociani).”
“Registrazione degli spettri tramite spettrofotometria di assorbimento molecolare nel UVvisibile:
10-4M di cyanin in metanolo/acido acetico/acqua (25:4:21) con massimo di Abs a 520nm;
max. di Abs (poco pronunciato) a 390nm; altro max. di Abs in UV 280nm circa.
10-5M di cyanin adsorbito in 0,4 g/L di TiO2 colloidale Abs max. 532nm (red shift dovuto al
carattere acido del TiO2 legato al colorante antocianina).
pH acido Cyanin Flavylium (rosso)
pH basico Cyanin Quinonoidal (porpora).”
Sono stati registrati gli spettri di ABS ( UV-Visibile) delle prime 4 frazioni e valutati con
attenzione, confrontandoli con quelli riportati in bibliografia; viene confermata la buona
separazione degli antociani dalle altre sostanze organiche dato che i due massimi ABS sono
ben separati, cioè gli antociani mostrano un picco di assorbimento a 520-530 nm circa e le
sostanze organiche interferenti assorbono a 280nm circa.
•
•
•
•
•
2.1.2 Fasi operative di ricerca
Estrazione del colorante dai frutti;
Filtrazione dell’ estratto;
Purificazione del filtrato in colonna cromatografica;
Selezione delle frazioni da analizzare;
Registrazione delle spettro di assorbimento dei due antociani caratteristici.
L’estratto con acqua è stato filtrato su filtro a porosità adeguata e successivamente utilizzato
per la registrazione degli spettri (vedi figura n° 8).
Lo spettro del colorante estratto con acqua mostrava le impurità presenti negli antociani,
che vengono eliminate tramite l’estrazione con solvente.
Vedi figura spettro mirtillo con acqua.
Il succo estratto con solvente è stato filtrato e purificato attraverso un passaggio su colonna
cromatografica (cromatografica di esclusione con colonna Sephadex LH 20) utilizzando
come eluente lo stesso solvente utilizzato nella fase di estrazione. Sono state ricavate 30
frazioni, utilizzando per ogni eluizione 10mL di solvente; si è notato che solo le prime 4
frazioni mettevano in evidenza una colorazione caratteristica degli antociani ( rosa-ciano).
Le frazioni eluite mostravano una colorazione sempre meno intensa con il procedere della
eluizione; poiché la prima frazione però mostrava una certa opalescenza, dovuta a sostanze
organiche non trattenute nella prima eluizione, è stata scelta la seconda frazione che
mostrava una colorazione abbastanza intensa (vedi figura n° 8).
2.1.3 Registrazione e valutazione degli spettri di assorbimento
Nello spettro del mirtillo estratto col solvente, si nota il picco dell’antociano a 520-530 nm
dalla “tipica” forma e dal valore della λ di assorbimento caratteristica come riscontrato in
bibliografia e quello del rutin a 370 nm circa da noi caratterizzato.
Vedi spettro di antociano- rutin.
L’identificazione del picco a 370 nm (rutin) si è ottenuto tramite lo spettro di assorbimento
della sostanza pura che mostra il medesimo picco.
4
Vedi spettro rutin standard.
Come si nota dallo spettro, nella frazione n°9 ottenuta durante l’eluizione nella colonna
cromatografica, si rivela la presenza del picco dei polifenoli, presenti in tracce, che non era
identificabile nello spettro iniziale in quanto sovrapposto all’assorbimento delle altre
sostanze interferenti, eliminate con la procedura di separazione e purificazione.
Vedi figura spettro polifenoli.
2.2 Caratteristiche del biossido di titanio nanostrutturato
2.2.1 Fasi operative
• Caratterizzazione del nanostrato di TiO2 al SEM (microscopio a scansione elettronica);
• Scansione al TEM (microscopio a trasmissione elettronica);
2.2.2.Osservazioni e risultati ottenuti
Dopo aver preparato la sospensione di TiO2 (indicazioni sulla preparazione al punto 3.1) e
avere steso lo strato di biossido di titanio sul vetrino, il complesso viene portato in stufa a
450°C per 30 minuti. Riteniamo importante il passaggio di raffreddamento del vetrino, che
deve essere graduale per non provocare crepe o rottura da shock-termico (soprattutto per
vetrini di dimensioni maggiori.
Oltre alla fase di sinterizzazione, sono necessarie alcune accortezze nel metodo di
preparazione della sospensione e in quello di deposito dello strato di TiO2 sul vetrino.
Abbiamo ottenuto, da ripetute sperimentazioni e dopo numerosi insuccessi, una consistenza
“adeguata” per ottenere un deposito uniforme dello strato.
Dall’analisi al microscopio a scansione elettronica (SEM) è risultato che lo strato di biossido
di titanio, applicato sul vetrino conduttivo, presenta uno spessore di circa 16 micron, dopo la
sinterizzazione, partendo da uno spessore iniziale di circa 50 micron.
Da questi risultati e dalle foto ottenute si nota la formazione di una grande superficie
specifica della nanostruttura porosa che aumenta la capacità di assorbire il colorante, e
quindi il numero di elettroni fotosensibili che fluiscono nel circuito.
Vedi foto 1^ SEM e foto 2^ SEM
Dai risultati ottenuti con questo biossido di titanio (25nm) abbiamo pensato di provare a
testare la funzionalità di particelle con diametro inferiore (5nm) per verificare se
eventualmente si ottenevano delle rese migliori. Dalla scansione al microscopio a
trasmissione elettronica (TEM) dei cristalli dei due tipi di biossido di titanio, si notano le
diverse dimensioni dei cristalli, con un pari ingrandimento Vedi foto 1^ 2^ 3^ TEM
La funzione della nanostruttura di biossido di titanio è quella di facilitare il passaggio degli
elettroni dal colorante verso la grafite. La dimensione dei cristalli e la loro purezza,
influenzano quindi la formazione di tale struttura, diventando così protagonisti nella
determinazione dell’efficienza della cella. Osservando i dati riportati nella seconda parte
(Assemblaggio della cella di Graetzel e test di funzionalità) possiamo indicare che risultati
simili si ottengono utilizzando particelle con un diametro che va da 5 a 25nm.
Tale riscontro sperimentale è in linea con i dati ricavati dalle ricerche on-line, per esempio si
è visto che l’azienda Solaronix utilizza particelle di diametro di 13nm.
3. Costruzione della cella di Graetzel e test di funzionalità
3.1 fasi operative
• Preparazione della cela
• Misure di I e V delle celle campione prodotte;
• Organizzazione e analisi dei i risultati ottenuti;
• Costruzione curva caratteristica potenziometrica
5
Preparazione della cella (vedi fig.5÷12)
1. Preparazione della sospensione di biossido di titanio La sospensione di TiO2 viene
preparata in un mortaio macinando il biossido e aggiungendo lentamente una soluzione
acida a pH 3,5 fino ad avere una pasta omogenea, lasciata riposare qualche minuto, viene
inserita in una siringa, per comodità di uso successivo.
2. Deposito della sospensione di Biossido di Titanio sul vetrino conduttivo
Il vetrino viene pulito con l’etanolo ed assicurato al banco di lavoro con lo scotch
(maschera); lo scotch creerà un solco da riempire con la sospensione di biossido di titanio
che viene depositata tramite una siringa.
La sospensione viene spalmata, con una bacchetta di vetro sulla superficie del vetrino. In
questo modo lo strato di TiO2 dovrebbe avere lo stesso spessore dello scotch.
3. Cottura del vetrino
Viene utilizzata una muffola dove il vetrino subisce il trattamento termico a 450 °C per
circa 30 minuti, poi viene lasciato raffreddare gradualmente a temperatura ambiente.
4. Preparazione della tintura antocianina e immersione del vetrino
I mirtilli, lamponi o melograni vengono trattati con una miscela di solventi o con acqua
distillata. La sospensione viene poi filtrata per eliminare i solidi sospesi.
Il colorante viene versato in un recipiente in cui si immerge il vetrino conduttivo, con il
biossido di titanio rivolto verso il basso, per 10minuti.
Dopo aver depositato il colorante sul vetrino, questo viene lavato prima con acqua e poi con
etanolo. La cella poi viene asciugata delicatamente con della carta assorbente.
5. Purificazione in colonna degli antociani estratti
Le antocianine vengono purificate e separate dalle altre sostanze organiche per adsorbimeno
selettivo tramite colonne cromatografiche a setacci molecolari (esclusione).
• si prepara una sospensione con sephadex per riempire 10 cm di colonna.
• si versa 10ml di colorante e si procede alla separazione sotto vuoto.
• si raccolgono le diverse frazioni eluite in un volume di 10 ml ciascuna.
Le diverse frazioni eluite vengono raccolte per la successiva fase di identificazione dei
coloranti, tramite tecniche spettrofotometriche.
Le frazioni eluite con maggior concentrazione di coloranti sono quelle intermedie.
6. Preparazione del controelettrodo
La preparazione del controelettrodo si ottiene depositando con la matita di graffite un
leggero strato di carbonio sull’intera faccia conduttiva del vetrino.
7. Assemblaggio della cella
Vengono sovrapposti il vetrino coperto di TiO2 e il controelettrodo con la grafite con i lati
trattati rivolti verso l’interno, lievemente sfalsati per lasciare esposti i bordi scoperti per i
contatti elettrici.
Vengono depositate alcune gocce di elettrolita sul bordo del dispositivo; il liquido viene
assorbito per capillarità dallo strato di biossido di titanio posto tra i due vetrini.
Misure di I e V
Sono stati raccolti i dati relativi alle misure di Intensità di corrente e differenza di potenziale
di alcune celle costruite, utilizzando coloranti estratti da diversi frutti e con diverso strato di
biossido di titanio che presentano i comportamenti più interessanti.
Vedi tabelle n°1, n°2, n°3, e n°4.
6
3.2 Organizzazione e analisi dei dati
1. Dai valori misurati della ddp si osserva che tali valori risultano indipendenti dalla
dimensione delle nano particelle di TiO2, dal tipo di colorante utilizzato e dalla procedura di
estrazione. Intervallo di valori della ddp misurata: 0,39-0,48 V.
Le misure sono state effettuate su celle illuminate da una lampada con uno spettro e un
flusso luminoso simile a quello del sole (800-1000 W/m2).
Sorgente: lampada Osram Halopar 30 75 watt con specchio dicroico (filtro UV)
Il valore della ddp misurata si può ricondurre, entro certi limiti, al valore indicato dai dati
bibliografici riferiti al solo nanostrato di biossido di titanio nella forma di anatasio; il
potenziale generato da una cella DSSC corrisponde alla differenza energetica tra il livello di
Fermi del semiconduttore illuminato e il potenziale redox dell’elettrolita(coppia redox
I2/I3-)
2. Dai valori misurati della I si osserva:
a. Lamponi: particelle 5nm I= 2,00mA e 2,10mA
Si può ipotizzare una migliore efficienza della cella che utilizza questo colorante, che
andrebbe verificata con un numero più significativo di campioni.
b. Mirtilli: particelle 25nm I= 0,60 - 0,80 - 1,20 mA
particelle 5nm I=0,90 – 1,02 mA
c. Melograni: particelle 25nm I= 1.00 - 1,90 mA
Si osserva una discreta variabilità delle misure ottenute per entrambi i frutti ( si trascurano
valori < 0,50mA) dovuta essenzialmente alla modalità di preparazione dello strato di
biossido di titanio, come abbiamo potuto osservare durante la sperimentazione (consistenza
della pasta, modalità di stesura sul vetrino, modalità di cottura per ottenere la sinterizzazione
del nano strato).
Dalle misure effettuate con i diversi coloranti, si può ritenere che tutti i frutti che
contengono antociani possono essere utilizzati per ottenere celle efficienti, come risulta dalle
sperimentazioni in atto presso le università e gli istituti di ricerca.
Dalle misure tabulate risulta evidente che tutti i coloranti estratti subiscono una rapida
degradazione per esposizione all’aria e alla luce (ossidazione, fotodegradazione).
Tale fatto risulta evidente da misure effettuate sulla medesima cella, ripetute dopo 1 giorno e
nel caso del lampone la misura della I, ripetuta dopo 30giorni presenta un valore di circa la
metà del valore iniziale.
Una prima conclusione è che gli elementi determinanti, per ottenere dei valori di corrente
significativi, sono tutti da ricondurre alla procedura di preparazione del vetrino con il
biossido di titanio nano strutturatoPer ottenere uno strato omogeneo si deve preparare una
pasta di TiO2 di una particolare “consistenza” che deve essere applicata sul vetrino con una
adeguata procedura. Si ottengono risultati più riproducibili preparando la sospensione del
TiO2 tramite bagno a ultrasuoni.
3.3 Costruzione della curva caratteristica I-V
La costruzione della curva caratteristica I-V viene effettuata con i dati raccolti utilizzando
celle con colorante estratto dai lamponi, che davano migliori risultati. Con essa si può
determinare graficamente il punto di miglior funzionamento della cella, e quindi la potenza
di picco del dispositivo. Vedi grafico n°1 e n°2
Le misure raccolte per la costruzione dei grafici, sono riferite a test effettuati su celle
illuminate da una lampada con uno spettro e un flusso luminoso simile a quello del sole
(800-1000 W/m2). Sorgente: lampada Osram Halopar 30 75 watt specchio dicroico (filtro
UV). Vedi schema elettrico.
Le misure effettuate sono riferite a celle assemblate con i seguenti componenti e
caratteristiche:
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1^: colorante estratto da lamponi congelati e biossido di titanio con particelle di dimensioni
di 5nm.
2^: colorante estratto da lamponi freschi e biossido di titanio con particelle di dimensioni di
5 nm.
Analisi dei datii
-Come si può notare osservando i due grafici relativi alla costruzione delle curve
voltamperometriche, si è riscontrata una differenza nell’efficienza tra celle costruite
utilizzando colorante organico estratto da frutti congelati e celle (4x4 cm circa) costruite con
estratti da frutti freschi. Dal calcolo della potenza del dispositivo è stato individuato il
Maximum Power Point relativi alle due differenti curve:
• Curva riferita al colorante estratto da frutti freschi: V:245 mV I:1,25 mA Wp:306.25 µW
• Curva riferita al colorante estratto da frutti congelati: V:256 mV I:0,66 mA Wp:168.96
µW
Confrontando i risultati di potenza ottenuti, possiamo dire che il colorante estratto da frutti
freschi è più efficiente di quello da frutti congelati. Questo fenomeno influenza i risultati di
V prodotti dalle celle, ma soprattutto quelli di I, che nel caso della seconda prova con i frutti
congelati, sono il fattore discriminante per lo scarso valore di potenza massima dei
dispositivi.
In entrambe le prove si nota inizialmente un aumento della fotocorrente nei primi 10 minuti,
per cui abbiamo ipotizzato un effetto di stabilizzazione della cella; successivamente
verificato nelle medesime osservazioni, relative al fenomeno, trovate nel famoso articolo
pubblicato da M.Graetzel nel 1997 J.Phys.Chem.
Per questo motivo abbiamo deciso di iniziare la raccolta dei dati per la costruzione dei
grafici dopo 10 minuti dal posizionamento della cella e dall’accensione della lampada.
3.4 Conclusioni
Le prestazioni di una singola cella sono limitate, sia per i valori della ddp sia per le intensità
di corrente; occorre quindi assemblare più celle per poter avere valori di I e di V maggiori di
quelli ottenuti e poter alimentare un qualche dispositivo.
Gli usi da noi sperimentati sono stati quelli di far funzionare una calcolatrice, mettendo tre
celle in serie, in considerazione del fatto che questi apparecchi necessitano di una ddp di
1,5v e di correnti molto piccole. Questo primo risultato ci ha soddisfatti, ma nello stesso
tempo ci ha proiettati verso l’idea di costruire un pannello con singole celle collegate in serie
e in parallelo, per poter raddoppiare, triplicare, non solo correnti , ma anche ddp; mentre il
collegamento in serie non ha mai posto problemi, infatti si ottiene una ddp totale che è
somma di quelle delle singole celle, il collegamento in parallelo invece è risultato molto
problematico.
4. Costruzione Modulo
4.1 Introduzione
Le difficoltà emerse durante la costruzione del pannellino, ci hanno spinto a continuare la
ricerca e tentare la costruzione di una cella modulo (più strisce di TiO2 sullo stesso vetrino)
per poter avere celle più uniformi tra loro e contatti più efficienti. (vedi foto fig 13 ÷20). Il
vantaggio sostanziale che può dare la cella modulo è di moltiplicare sia i valori di intensità
di corrente che di ddp infatti esso è un dispositivo che permette di collegare le singole strisce
in serie e in parallelo, in base al tipo di collegamento. Sono state fatte varie ipotesi di lavoro,
in relazione al tipo di collegamento che si vuole realizzare.
Ora illustreremo gli esperimenti, che ci hanno portato alla costruzione della cella modulo,
analizzando le varie problematiche che sono emerse durante la progettazione e realizzazione.
8
4.2 Fasi operative
• Costruzione di un modulo con collegamento in serie delle singole strisce
• Costruzione di un modulo con collegamento contemporaneamente in serie e parallelo
delle singole strisce
Collegamento in serie
Sui vetrini che costituiscono il modulo, sono stati praticati due solchi in modo da
interrompere la conducibilità della superficie conduttiva del vetrino, formando così tre parti
separate sulle quali si è steso il TiO2.; collegando poi opportunamente elettrodo e contro
elettrodo (vedi schema fig.22 ) si ottiene un collegamento in serie delle tre strisce.
Le misure effettuate sono state abbastanza soddisfacenti, infatti i valori di ddp (1,2 v),
triplicano rispetto a quelli che mediamente si ottengono con una sola cella (0,4 v ca.), e il
valore di Intensità di corrente si attesta sui valori medi riscontrati con una sola cella, 1,9 mA.
Si è pensato anche di migliorare i contatti tra elettrodo e controlettrodo inserendo delle
piccole strisce di rame o alluminio, tra quelle di biossido di titanio, in modo da permettere il
passaggio degli elettroni più agevolmente e far aumentare così l’intensità di corrente. Dalle
misure volt-amperometriche si notava un lieve miglioramento ma non significativo.
Comunque il nostro obiettivo era di verificare se il collegamento in serie operato era corretto
e questo è stato verificato, infatti alla fine di tutte le prove per la cella modulo così costruita
la d.d.p aumenta in proporzione al numero delle strisce di biossido di titanio.
Collegamento in serie e in parallelo
Rispetto a questo collegamento sono state effettuate delle prove, inserendo una striscia di
rame orizzontale sul bordo dell’elettrodo; i risultati non sono stati riproducibili, pertanto per
poter valutare i risultati è necessario ripetere l’esperienza e trovare condizioni standard; per
cui abbiamo fatto un piano per continuare la ricerca e poter avere dati certi:
1) Elettrodo e controelettrodo con solco verticale con nastro orizzontale di rame
sull’elettrodo e /o sul controelettrodo
2) Elettrodo e controelettrodo con solco verticale e solco orizzontale, in modo da formare
complessivamente 6 rettangoli sul vetrino di TiO2 solo sull’elettrodo e/o sul contro elettrodo.
(vedi figura 24)
Conclusioni
Se il nostro obiettivo sarà raggiunto, il dispositivo potrà essere collegato a sistemi che
funzionano con una apprezzabile intensità di corrente come per esempio la celle a
combustibile (idrogeno, metanolo); in questo modo si potrà produrre l’idrogeno necessario
per alimentare una cella a combustibile. Questo il nostro obiettivo a lunga scadenza.
Le sperimentazioni descritte hanno prodotto, in noi studenti, grande entusiasmo, nonostante
ci abbiano messo alla prova tutte le volte che i risultati non erano in sintonia con le ipotesi
fatte.
Il modulo fotovoltaico costruito con le celle di Greatzel potrà essere utilizzato per produrre
idrogeno tramite elettrolisi e quindi fornire il combustibile rinnovabile per le fuel cell?
9
Indice
1. Introduzione
1.4 Origine della ricerca
1.2 Stato dell’arte
1.3 Organizzazione dati bibliografici
1.4 Pianificazione del lavoro
1.5 Consultazione degli esperti
2. Studio dei componenti della cella
2.4 I coloranti
2.1.1 Caratteristiche funzionali dei coloranti
2.1.2 Fasi operative di ricerca
2.1.3 Registrazione e valutazione degli spettri di assorbimento
2.2 Caratteristiche del biossido di titanio nano strutturato
2.2.1 Fasi operative di ricerca
2.2.2.Osservazioni e risultati ottenuti
3. Costruzione della cella di Graetzel e test di funzionalità
3.4 Fasi operative di ricerca
3.5 Risultati ottenuti
3.6 Costruzione della curva caratteristica I-V
3.7 Conclusioni
4. Costruzione Modulo
4.1 Introduzione
4.2 Fasi operative
Conclusioni
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