Comment faire une cellule solaire ou une cellule solaire sensibilisée aux colorants à partir de thé aux fruits

L’innovation des cellules solaires à colorant a élargi le potentiel de l’appareil au point d’évincer complètement les cellules solaires au silicium coûteuses.

L'article suivant explique comment vous pouvez facilement construire cette cellule solaire polyvalente à colorant en utilisant des matériaux très ordinaires.

Cette expérience repose sur le concept d'utilisation du composé organique dans les plantes, en particulier des colorants organiques pour agir comme donneurs d'électrons dans les cellules solaires.

Au lieu d'un matériau semi-conducteur silicium dans la cellule solaire, nous avons utilisé de l'oxyde de titane (TiO2), qui est également un semi-conducteur. Les propriétés du TiO2 lui permettent d’absorber encore mieux la lumière du soleil s’il est «sensibilisé» avec un colorant organique.

L'efficacité des cellules solaires sensibilisées aux colorants est 7% plus élevée qu'un tiers de l'efficacité des cellules solaires conventionnelles. Bien que ce ne soit pas un grand avantage, les cellules solaires à colorant sont moins chères en raison du processus de fabrication plus simple par rapport aux cellules au silicium qui sont également compliquées.

La cellule solaire du futur?

Bien que le succès commercial des cellules solaires à colorant puisse prendre quelques années, il restera sur la bonne voie à condition que certains problèmes soient résolus.

Premièrement, les problèmes de stabilité à long terme des cellules doivent être abordés car l'oxygène finit par les endommager avec le temps.

Un colorant approprié peut être retiré des framboises ou du thé aux fruits. Ajoutez quelques autres composants comme le verre à faible émissivité (low-E) et l'oxyde de titane, et vous aurez tous les ingrédients pour construire le kit. Dans cette expérience, nous utilisons du thé de rose musquée pour le colorant rouge.

Matériaux nécessaires

• Verre en feuille (pièces) avec une couche conductrice de courant sur une face. Ceux-ci sont disponibles en kits et peuvent être trouvés en ligne. Alternativement, vous pouvez opter pour du verre à faible émissivité et ceux-ci peuvent être obtenus auprès de vitriers, car le matériau est incorporé dans la fabrication de fenêtres à isolation thermique. Nous vous recommandons d'obtenir deux pièces d'une dimension de 5 x 2 cm.
• TiO2 et polyéthylène glycol. Ce dernier est un ingrédient standard dans diverses pommades mais dans cette expérience, il est utilisé pour suspendre l'oxyde de titane.
• Ces articles peuvent être achetés auprès d'un pharmacien local. Vous devez également vous assurer que le polyéthylène glycol a un poids moléculaire de 300 en plus d'être fluide.
• Si vous achetez votre kit sur Internet, il est généralement livré avec une suspension blanche, ce qui facilite les choses. Vous pouvez être sûr que la taille des particules du TiO2 est précise (environ 20 nm) et finement isolée, ce qui est extrêmement difficile à obtenir si vous le faites vous-même.
• Vous pouvez inclure du dentifrice blanc, du Tipp-Ex, de la peinture blanche ou des substances similaires comprenant de l'oxyde de titane comme blanchissant.
• Dans cette expérience, nous avons utilisé une solution d'iode dans de l'éthanol à 65% comme électrolyte. Bien que cela fonctionne très bien, il ne produit qu'un tiers du courant par rapport à l'électrolyte typique.
• Le thé aux fruits utilisé dans notre test est l'églantier, mais l'hibiscus fonctionne aussi.
• Un réchaud de camping à gaz et un briquet.
• Un support de laboratoire avec pince, anneau et écran. La fonction de l'écran est de soutenir le verre pendant la cuisson.
• Une pipette, mais si vous n'en avez pas, une cuillère à café peut être utilisée comme substitut en permettant à la suspension d'oxyde de titane de couler sur le verre.
• Pince à épiler, bouilloire, théière, sèche-cheveux et ruban adhésif.
• Une feuille de papier d'aluminium.
• Une boîte de Pétri ou un bol plat ordinaire ou une assiette creuse.
• Un crayon graphite et un morceau de verre ou de carton plastique pour étaler l'oxyde de titane.
• Un ensemble multimètre.

Comment fonctionnent les cellules solaires à colorant

La construction d'une cellule solaire sensible aux colorants est composée de deux feuilles de verre plates avec une couche électriquement conductrice sur un côté. Le revêtement conducteur est généralement constitué d'un oxyde métallique.

Un revêtement de roseau (environ 10 μm) de cristaux de TiO2 mesurant environ 20 nm qui a été cuit ensemble pour créer une couche poreuse, est identifié entre les deux morceaux de verre.

Ensuite, le colorant est placé sur ce revêtement poreux. Dans l'industrie, le colorant choisi pour les cellules solaires sensibilisées comprend du ruthénium de métal noble.

Cependant, des colorants rouges naturellement disponibles peuvent être utilisés pour des tests ciblés. En raison des tailles incroyablement minuscules des cristaux d'oxyde de titane et des espaces entre eux, la structure poreuse contient une énorme surface efficace et le revêtement de colorant est remarquablement mince.

Ceci est crucial pour un fonctionnement correct car le colorant est un mauvais conducteur électrique.

Au moment où un rayon lumineux atteint une molécule de colorant, il projette un électron dans le dioxyde de titane.

Les électrons se rassemblent dans le revêtement conducteur (électrode de travail) positionné entre l'oxyde de titane et la feuille de verre.

Une couche conductrice supplémentaire est nécessaire sur le côté inverse pour fonctionner comme une contre-électrode, et l'espace entre les électrodes est pourvu d'une solution d'électrolyte.

C'est là que la simple solution de sel d'iode est appliquée plutôt que l'électrolyte acétonitrile industriel qui est très volatil et toxique. Les molécules de tri-iodure dans la solution d'électrolyte sont «forcées» d'atteindre avec la contre-électrode pour former des molécules d'iodure.

Cela ne se produit que si un catalyseur est introduit dans l'électrode et c'est là que le graphite du crayon entre en jeu. Au niveau industriel, le catalyseur utilisé est du platine très coûteux.

Cette expérience nécessite des électrons. L'excès d'électrons sur l'autre électrode produit un potentiel électrique qui peut être exploité.

Un flux de courant peut se produire si les électrodes sont connectées en externe à l'aide d'une charge.

Les molécules d'iodure dans la solution renoncent aux électrons au colorant et se transforment en molécules de tri-iodure pendant le processus qui en retour complète le circuit électrique.

Le substrat de la cellule solaire est un verre à vitre normal d'environ 2 mm d'épaisseur avec une couche d'oxyde métallique transparente et conductrice (comme l'oxyde de zinc). Malheureusement, ce revêtement ne peut pas être fabriqué par vous-même.

Procédures étape par étape

Les procédures étape par étape de fabrication de la cellule solaire à colorant sont illustrées ci-dessous par des explications et une image.

La taille des particules de la poudre de titane est d'environ 15-25 nm, comme indiqué ci-dessous.

1. Mélangez-le avec polyéthylène glycol , qui est un agent émulsifiant huileux, et remuez soigneusement la préparation jusqu'à ce qu'une crème visqueuse soit obtenue.

2) Pour l'électrolyte, vous pouvez opter pour l'iode dans l'éthanol, mais les résultats peuvent être inférieurs à la moyenne par rapport à l'électrolyte redox disponible dans le commerce.

3) Prenez un multimètre et réglez la plage de résistance pour savoir quel côté de la pièce de verre est conducteur.

4) Ensuite, fixez le verre sur la table à l'aide de ruban adhésif tout en plaçant le côté conducteur face vers le haut.

5) Si vous avez une pipette, retirez une partie de la crème ou de la pâte TiO2 et déposez plusieurs gouttes sur la surface conductrice du verre.

6) Ensuite, à l'aide d'une carte en plastique ou d'un autre morceau de verre, frappez soigneusement les gouttes. Essayez d'obtenir une couche uniforme en glissant doucement le morceau de verre sur la pâte Tio2.

7) Ensuite, tirez le scotch autour du verre pour le libérer de la table.

8) Nous vous recommandons de cuire le revêtement dans un four ou sur une flamme nue comme une cuisinière à gaz. La température attendue est d'environ 450 ° C. Une fois qu'il est réglé, disposez l'écran de support à quelques centimètres au-dessus de la flamme du brûleur et placez la pièce de verre recouverte de TiO2.

9) La couche d'oxyde de titane changera de couleur en brun au début de la procédure de cuisson en raison de sa teneur organique. Mais vous devez vous assurer que la couleur du TiO2 passe au blanc à la fin du processus.

10) Nous vous conseillons vivement de prévoir un temps de refroidissement approprié pour le verre, sinon il risque de se briser. Une astuce consiste à faire glisser le verre dans une zone plus froide (généralement près du bord) et à ne pas le déplacer à la hâte de l'écran chaud.

11) Il est temps de préparer le thé aux fruits avec de l'eau bouillante. Dans notre expérience, nous avons utilisé moins d'eau et plus de sachets de thé. Versez la solution de thé aux fruits infusé dans un grand bol. Si vous n’avez pas de sachets de thé aux fruits, vous pouvez utiliser du jus de betterave rouge, du jus de framboise ou même de l’encre rouge.

12) Une fois que le morceau de verre a atteint la température ambiante, vous pouvez le glisser soigneusement dans le bol et le laisser tremper pendant plusieurs minutes.

13) Au fur et à mesure du processus de trempage, vous pouvez commencer à recouvrir la face conductrice d'un deuxième morceau de verre avec beaucoup de graphite qui peut être obtenu à partir d'un crayon à mine. Ce revêtement fonctionnera comme un catalyseur pour transporter des électrons vers l'électrolyte depuis l'électrode.

14) Retirez ensuite le morceau de verre conducteur du bain de thé. La couche d'oxyde de titane aura absorbé la couleur du thé (reportez-vous au centre de l'image). Après cela, rincez le verre avec de l'eau propre ou de l'éthanol et utiliser un sèche-cheveux pour éliminer chaque goutte d'eau .

15) Ensuite, disposez les deux morceaux de verre avec les surfaces conductrices se faisant face et les extrémités décalées. Vous devez faire très attention à ce que les deux verres ne glissent pas, car cela pourrait entraîner un effritement du TiO2.

16) Après cela, les morceaux de verre peuvent être maintenus ensemble à l'aide de trombones (légèrement modifiés ou en utilisant du ruban adhésif normal enroulé autour d'eux.

17) Maintenant, ajoutez l'électrolyte entre les deux morceaux de verre. Il est recommandé de placer quelques gouttes d'électrolyte de chaque côté des morceaux de verre et elles seront aspirées entre les verres en raison de l'action capillaire.

18) Voilà, votre cellule solaire à colorant à base de jus de fruits est maintenant prête à être testée. À l'aide du multimètre, vous pouvez mesurer la tension (environ 0,4 V) et le courant (environ 1 mA). En raison de l'éclairage du studio, les résultats varieront un peu. De plus, vous pouvez utiliser plusieurs pinces crocodiles pour étendre davantage de cellules en série.

Nous ne tiendrons pas compte de l'étape de scellement des morceaux de verre, comme cela est fait avec les cellules solaires industrialisées sensibilisées aux colorants. Cela nous permet d'utiliser à nouveau les morceaux de verre et dans ce cas, tout ce que vous avez à faire est de les séparer et de bien laver leurs surfaces avec de l'eau et de les frotter doucement. Comme il n'est pas possible de retirer complètement le revêtement de graphite, nous vous conseillons donc d'utiliser à nouveau le verre de contre-électrode pour le but exact dans les expériences futures.

Image courtoisie: youtube.com/watch?v=Jw3qCLOXmi0