Государственное бюджетное образовательное учреждение города Москвы «Школа № 1329»
«Изменение компонентного состава сенсесебилизированных красителем фотоэлектрических элементов целью улучшения эффективности»
Автор: Матвеева Лидия Владимировна,
ученица 10В ГБОУ Школа №1329
Научный руководитель:
Тихонов Сергей Иванович,
преподаватель детского технопарка «Альтаир»
Москва 2020
Введение.
Уже в 20 веке остро стоял вопрос о необходимости замены традиционного способа получения электроэнергии. Его причинами стали невозобновляемость природных ресурсов, используемых для данного способа получения энергии, и проблемы с экологией, возникающие из-за добычи и переработки этих ресурсов.
К началу 21 века существуют множество различных альтернативных технологий получения энергии, и с каждым годом процент энергии получаемой альтернативным способом только растет. Пример - в третьем квартале 2019 года в Великобритании биотопливные, солнечные, ветряные и гидроэлектростанции суммарно выработали больше электроэнергии, чем электростанции, работающие на угле, нефти и газе.( см прил. 1)
Солнечная электроэнергетика, на данный момент, не является перспективной, и быстро развивающейся отраслью альтернативной энергетики. Причиной тому служит большое количество недостатков у основных фотоэлектрических элементов – кремниевых батарей. При КПД 15-20% процентов солнечные элементы на основе кремния имеют ряд недостатков, таких как: высокая стоимость приобретения и обслуживания устройств, неэкологичность производства основных материалов, короткий срок службы, неэффективность устройств в регионах со слабой освещенностью.
Замена кремниевым панелям уже существует. Это DSSC- сенсебилизированные красителем солнечные элементы. Принцип работы таких элементов основан на поглощение квантов света специальным красителем и его окисление. Данные фотоэлектрические ячейки отличаются простотой использования и создания, низкой стоимостью основных компонентов, экологичностью. Единственной проблемой, мешающей DSSC заменить кремниевые фотоэлектрические элементы в отрасли солнечной электроэнергетики, является низкая эффективность. Однако возможностей для модификации у сенебилизированных красителем фотоэлектрических элементов больше чем у кремниевых, так как каждый компонент ячейки может быть заменен рядом аналогов.
В данной работе, в целях улучшения эффективности DSSC, мы используем феофрбид в качестве красителя, и наночастицы оксида олова в качестве полупроводника. Первым этапом мы синтезируем необходимые вещества. После получения всех веществ ,будут собраны три пробные ячейки, компонентный состав которых будет частично отличаться . В зависимости от результатов тестирования, ячейка с наилучшими показателями мощности и т.п. будет использована для создания полноценной панели из данных ячеек, Последним этапом, мы проведём тестирование панели и анализ полученных данных.
Цель работы: Создание сенсибилизированных красителем солнечных элементов с улучшенными показателями мощности и эффективности.
Задачи:
1. Изучение научной литературы по данной теме
2. Синтез необходимых веществ
3. Создание трех разных образцов солнечной ячейки (DSSC),
4. Исследование характеристики полученных образцов
5. Создание фотоэлектрической панели из ячеек с наилучшими показателями
6. Анализ эксплуатационных характеристик панели.
 |
Там дальше лит обзор
Литературный обзор
Солнечные ячейки Гретцеля
Dye-sensitized solar cell( DSSC)-это фотоэлектрические элементы, на основе мезопористых (с наноразмерными порами) оксидных полупроводников, покрытых специальным красителем. Данные солнечные панели являются альтернативой кремниевым. Они используют принцип, похожий на фотосинтез: поглощение квантов света молекулами специального красителя, и протекание в нем ОВР при облучение солнечным светом.
Конструкция DSSC: узел рабочего электрода, (расположенн на токопроводящей прозрачной подложке), пропитанный органическим красителем (сенсебилизатором) и соединенный с противоэлектродом, пропитанным тонким слоем электролита.
Подложка DSSC представлена двумя листами прозрачного проводящего материала с нанесенным на них легированным фтором или индием оксидом олова.
Для создания рабочего электрода на один из листов подложки наносится тонкий слой оксидных полупроводников, таких как TiO2( наиболее часто используемый), Nb2O5, ZnO, SnO2 (n-тип) и NiO (p-тип).
Противоэлектрод в DSSC в основном получают с использованием углерода или платины. Как рабочий, так и противоэлектрод герметизируются вместе, а затем пространство между ними заполняется электролитом.
Основным компонентом DSSC является краситель
Показатели красителя:
· люминесцентность
· спектры поглощения красителя должны охватывать ультрафиолетово-видимую и ближнюю инфракрасную области .
· гидрофобность, так как это приводит к минимизации прямого контакта между электролитом и анодом; в противном случае может возникнуть вызванное водой искажение красителя TiO2, приводящее к снижению стабильности ячеек.
· Хорошие межфазные свойства и высокая стабильность, обеспечивающие хорошее поглощение TiO2.
· Возбужденное состояние красителя должно быть немного выше зоны проводимости TiO2, а основной уровень ниже окислительно-восстановительного потенциала электролита.
На данный момент ученые в поиске наиболее эффективного, легкодоступного, экологичного и стабильного красителя, т.к используемые сейчас органические красители, при наличии ряда достоинств, недостаточно эффективны для того, чтобы DSSC могли заменить стабильные кремниевые пластины.
Основными этапами работы DSSC являются:
· поглощение света (электроны переходят из основного состояния в возбужденное),
· инжекция электронов(электроны со временем водятся в зону проводимости нанопористого электрода TiO 2;окисление красителя),
· транспортировка носителя(инжектированные электроны транспортируются между наночастицами TiO 2 и диффундируют к заднему контакту. )
· сбор тока.
· *регенерация основного состояния красителя
1)Dye-Sensitized Solar Cells: Fundamentals and Current Status
Khushboo Sharma,1 Vinay Sharma,2 and S. S. Sharmacorresponding author3
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6261913/
http://www.inenergy.education/upload/iblock/0c0/R_Fotovoltaika.pdf
Хлорофилл
Хлорофилл - основной пигмент, действующий как фотосинтезатор в процессе фотосинтеза растения, с максимальным поглощением при 670 нм Есть несколько типов хлорофилла, обнаруженного при фотосинтезе, но чаще всего встречаются у высших растений хлорофиллы a и b/ Оба типа хлорофилла уже использовались в DSSC. Исследования показали, что хлорофилл имеет хороший потенциал для использования в качестве фотосенсибилизатора. Пигмент хлорофилла нетоксичен, экологичен, имеет низкую стоимость и прост в получение в сравнение с синтетическим красителем. Единственным недостатком пигмента хлорофилла является не самая высокая эффективность.
По использованию феофорбида металлокомплексов хлорофилла в DSSC информация мною не найдена, потому я планирую, что их использование повысит эффективность ячеек.
https://cdn.intechopen.com/pdfs/54601.pdf
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/144/1/012039/pdf
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876610215023164
( потом эти ссылки перенесу в список литературы)
Диоксида олова
При тестирование диоксида олова в качестве полупроводника в DSSC были отмечены хорошие показатели, для дальнейших исследований. Плюсами данного вещества является его низкая стоимость, широкая запрещенная зона, высокая стабильность и подвижность электронов. Однако диоксид олова обладает низкой величиной края зоны проводимости, Данный недостаток может быть устранен при структурной и морфологической модификации.
Информация по использованию наночастиц оксида олова не достаточно однозначна для того, чтобы делать какие-либо выводы. Эффективность их в качестве полупроводника зависит от варианта их получения, красителя используемого вместе с ними в DSSC и других факторов.
https://www.researchgate.net/publication/331241168_Electrochemical_studies_of_tin_oxide_based-dye-sensitized_solar_cells_DSSC_a_review
Экспериментальная часть
Экстракция хлорофилла
Посуда: Круглодонна колба, химический(мерный) стакан, воронка
Оборудование: обратный холодильник, колбонагреватель.
Вещества: порошок Spirulina Platensis, пропанол-2/ изопропиловый спирт.
Описание процесса:
1. Собрали установку: (Круглодонна колба помещается в колбонагреватель, закрепляется с обратным холодильником. Холодильник соединяется шлангами с водопроводным краном (любое устройство по подаче воды).
2. Взвесили Spirulina Platensis, перенесли порошок в колбу.( m=10,033g)
3. Добавили изопропиловый спирт. (V=40ml)
4. Экстрагировали смесь до обесцвечивания, остудили смесь.
5. Провели тонкослойную хроматографию для определения и очистки вещества.
6. Отфильтровали полученный экстракт.
7. Упарить полученный экстракт
Получение феофорбида
Посуда: плоскодонная колба
Оборудование: магнитная мешалка с нагревом
Вещества: экстракт хлорофилла, изопропиловый спирт (i-Pr), серная кислота, раствор соды 10%
1) Перерастворить экстракт хлорофилла в i-Pr ( 50 ml)
2) Добавить серную кислоту (3 ml)
3) Производить перемешивание раствора в течение 8 часов
4) Упаривание раствора . (Объем оставшейся после выпаривания смеси = 10 ml)
5) Экстрагировать полученную смесь раствором соды 10% ( установка:
Получение металлокомплекса феофорбида
Вещества: феофорбид, ацетат меди, уксусная кислота
Посуда: Круглодонна колба, химический(мерный) стакан, воронка
Оборудование: обратный холодильник, колбонагреватель.
Там дальше, все менее структурированно. К пятнице закончу с красителем ( со всеми формулами и спектрами). К следующему понедельнику закончу с нааночастицами .Думаю, к предзащите все (по синтезу) будет готово. J J J