Солнечные ячейки

СОЛНЕЧНЫЕ ЯЧЕЙКИ

Цель проекта: получить рабочую ячейку, вырабатывающую электрический ток химико-физическим процессом.

Необходимые компоненты ячейки:

1. Диоксид титана TiO2 
2. Стекло с токопроводящим покрытием
3. Вещество, содержащее антоцианы или хлорид трис(бипиридил)рутения
4.  Углерод С
5. Вещество содержащие трииодид ион

Общий алгоритм создания ячейки

1. Первостепенно нужно приготовить смесь диоксида титана с растворителем, не вступающим с ним в химическую реакцию
2. Нужно нанести слой диоксида титана на первую стеклянную пластину слоем около               0,06-0,045мм
3. После нанесения слоя диоксида титана он очень уязвимый к разрушению и неустойчив. Для придания стойкости слоя используют нагревание при большой температуре от 450-840 ˚ С.
4. Следующим шагом нужно пропитать подготовленный слой диоксида титана веществом с высоким содержанием антоцианов. Для получения более КПДэффективных ячеек ̶можно использовать комплексы рутения в которых степень окисления метала составляет (II). Наиболее подходящим на сегодняшний день считается хлорид трис(бипиридил)рутения (C30H24N6Cl2Ru ∙ 6H2O).
5. Приготовление второй пластины включает в себя нанесение на неё слоя углерода. В данной конструкции ячейки этот элемент является анодом.
6. Соединение пластин между собой очень важный процесс, так как при нём можно повредить не только довольно хрупкий слой диоксида титана, но что более важно слой углерода, который по своей структуре ещё более подвержен разрушению. Более того, чтобы ни одна пластина не пострадала при присоединении друг с другом, нужно распределить давление между пластинами равномерно, иначе есть шанс, что слои отойдут от пластин от физического взаимодействия и даже возможно повреждение самой пластины.
7. Седьмым пунктом необходимо залить в ячейку электролит. Электролитом между катодом и анодом обязательно должно быть вещество в составе которого присутствует трииодид ион. Таких электролитов достаточно, можно использовать обычный медицинский йод. (Позже объясню почему)

Алгоритм создания моих ячеек с пояснениями

1. Что касается приготовления смеси диоксида титана, в качестве растворителя я взял азотную кислоту, так как в дальнейшем нагревании азотная кислота в смеси разложится на диоксид азота, кислород и воду, которая и сама выпарится.

В моём случае я имею 4 вида диоксида титана, если более конкретно это оксид титана (IV) 99.8% и менее чистый оксид титана (IV). Оставшееся два — это заменители диоксида титана, разница в качестве. Пронумеровав эти реактивы, я использую такие названия как реактив 1/2/3/4 в порядке убывания по процентному соотношению основного вещества в продукте.

1. Существуют несколько способов как можно нанести такую смесь на пластину. Для своего проекта я выбрал — подгонять толщину слоя матрично, по определённому шаблону. За шаблон я взял простой скотч. Наклеив его по краям пластины и разровняв диоксид титана вровень со скотчем. Таким образом можно довольно точно выдержать толщину слоя.
2. Стабилизировать слой диоксида можно любым источником тепла от горелки до высокотемпературных печей. Разумеется, правильный вариант — это равномерный нагрев пластины по всей её площади.
3. Говоря о 4-м пункте подробнее, вариаций как, чем и сколько существует много. Расскажу только о своих экспериментальных методах.

1. Первостепенный вопрос, который нужно задать при прохождении этого этапа – это каким способом лучше нанести раствор. Проблема возникает с тем, что если просто аккуратно добавить пару капель пластину, то в большинстве случаев слой просто отваливался из-за размокания слоя. Подумав над этим, я решил распылять раствор в несколько этапов, чтобы диоксид титана успевал высохнуть и сохранял устойчивость.
2. С нанесением понятно, а что наносить? К огромному сожалению производство хлорид трис(бипиридил)рутения не поставлено на поток, и производится только некоторыми китайскими компаниями, к которым из-за объёмов необходимых мне доступ ограничен. (минимальный заказ 15гр, 1гр~1500р) Аналогом является природные красители антоцианы. (Антоцианы органические, природные соединения-красители, содержащиеся в растениях с ярким окрасом.) Первый и самый менее эффективный способ — это использование концентрата из сока этих растений. Второй же — это использование специальных медицинских препаратов с содержанием антоцианов (черника форте, антоциан форте). Последний самый эффективный — применять красители с этими антоцианами. (Такие красители широко используются в кондитерском деле, так как натуральны и их легко получить.
3. И последний вопрос в этом пункте — сколько нужно, до какой степени пропитывать диоксид титана? На этот вопрос не могу дать ответа на базе подготовки, нужно проверять экспериментальным путём.

1. Нанесение углерода на вторую пластину в моём случае можно провести двумя способами — первый это использование копоти от горения парафиновой свечки под пластиной. Нужно более-менее равномерно покрыть её сажей. Второй — похож на нанесение диоксида титана на первую пластину. Пользоваться в этом случае я буду уже полученным углеродом в виде чёрного порошка в смеси с пассивным растворителем для углерода. Подгонять толщину также буду скотчем.
2. Как я излагал в общем алгоритме, соединение пластин важный процесс, а именно метод как будет осуществляться постоянный равномерный контакт между слоями и пластинами. В контакте нисколько давление играет роль, а стабильность соединения, так как такую ячейку можно сделать гибкой. Простое использование токопроводящего пластика вместо стекла дало бы ячейке пластичность и гибкость. Это свойство и есть один из плюсов использования ячеек на основе диоксида титана по сравнению с кремниевыми, потому как кремниевые страдают чрезмерной хрупкостью. Подходя ближе к конструкции, которую собираюсь использовать — это самопроизведённые зажимы из дерева мягких пород, чтобы предотвратить разлом пластин и распределить давление по всей площади ячейки. Наиболее правильным способом для изготовления зажимов является 3Dпечать, так как её точность превосходит изделия ручного производства.

Конструкция проста и выглядит вот так в сборе[pic 1]

1. Сам процесс заполнения пространства между пластинами электролитом не сложный.[pic 2]

 Это выглядит как-то так.

Проблема в том, какой электролит использовать. В него обязательно должны входить трииодид ионы, то есть I3. Проще всего использовать соль иодид калия добавить к нему кристаллы йода и растворить в растворителе. К данным веществам отлично подходит этилен гликоль как растворитель, так как не реагирует ни с одним из них. Уравнение реакции получается KI+I2=KI3. И у нас получается электролит – KI3 · C2H4(OH)2 

Процесс создания завершён.