Memanfaatkan sumber tenaga boleh diperbaharui adalah penting untuk menyokong tuntutan tenaga masyarakat moden. IEA menganggarkan bahawa penggunaan tenaga global meningkat 10% dari tahun 1990 hingga 2008, dan jumlah itu dijangka meningkat dalam dekad yang akan datang. Pada masa yang sama, sumber tenaga kita pada masa ini menimbulkan ancaman serius terhadap alam sekitar dan kesihatan manusia. Pembakaran bahan bakar fosil - gas asli, arang batu, dan pelepasan minyak gas rumah hijau yang berbahaya ke atmosfera, menyumbang kepada pengasidan laut, dan mencipta pencemaran dengan kos ekonomi dan sosial.
Kuasa solar adalah penyelesaian yang sangat menjanjikan kepada keperluan tenaga dunia. Bumi setiap tahun menyerap hampir 4 juta exajoules tenaga suria, dan ia memerlukan kurang daripada satu jam dari jumlah tenaga ini untuk menggerakkan umat manusia selama setahun.
Terdapat banyak teknologi untuk menangkap dan menukar tenaga matahari. Pasukan penyelidikan saya telah bereksperimen dengan DSSCs: sel solar peka-peka. Mereka berbeza dari sel-sel photovoltaic tradisional (PV) yang kini menguasai pasaran sel solar, dan DSSC mempunyai kelebihan dan kelemahan masing-masing. The tradeoffs akan dibincangkan kemudian dalam panduan ini. (Lihat kertas Smestad dan Grätzel yang memecahkan tanah "Menunjukkan Pemindahan Elektron & Nanoteknologi: Pengubah Tenaga Nano-Kristal Dye-Sensitif Semula Jadi" untuk mengetahui lebih lanjut mengenai teknologi ini.
Saya akan menerangkan bagaimana sel suria peka yang dipancarkan, dan bagaimana mereka dapat kuasa alat elektronik --- dalam kes ini, kalkulator.
Bekalan:
Langkah 1: Kumpulkan Bahan Anda
Berikut adalah bahan-bahan yang diperlukan untuk projek ini:
- Fluorida-doped kaca dioksida konduktif kaca (≥2 plat)
Satu sumber pewarna organik (contoh: raspberi)
- Tampalkan Titanium Dioksida
- Asid asetik
- Air
- Kaca Kacau Rod
- Pita Scotch
- Pensil Grafit
- Penyelesaian elektrolit cecair
- Klip Binder
- Wayar
- Kalkulator berkuasa Suria (Anda akan mengeluarkan stok sel solar PV dan menggantikannya dengan DSSC yang dipasang anda)
- Peralatan Pematerian
- Quest Lab Multimeter atau Vernier (dengan Voltan & Probe Semasa)
- Lampu Halogen Tungsten
- Peralatan ujian
Langkah 2: Sediakan Elektrod DSSC
Untuk setiap sel suria anda berhimpun, anda memerlukan anod dan katod. Anod akan mengandungi molekul pewarna dan molekul titanium dioksida. Foton akan merangsang elektron molekul pewarna, dan elektron akan melompat dari molekul pewarna ke titanium dioksida ke anoda kaca melalui penyebaran. Elektron kemudian akan melalui litar yang menghubungkan dua elektrod dan kembali ke sel melalui katod kaca. Untuk menyelesaikan litar, penyelesaian elektrolit interstisial memudahkan aliran elektron kembali ke molekul pewarna organik anoda.
Oleh itu, untuk memasang anod anda, anda mesti:
1) Sediakan penyelesaian titanium dioksida
Perlahan-lahan tambah 20mL larutan asid asetik (0.1675 mL CH3COOH setiap 99.8225 mL air) hingga 12g serbuk titanium dioksida. Perlahan menambah asid, selain bersungguh-sungguh mencampurkan penyelesaiannya, akan memastikan tampalan seragam. Adalah disyorkan bahawa anda menggunakan mortar dan alu untuk langkah ini. (Angka 4 & 5)
2) Anneal titanium dioxide ke plat kaca pertama anda
Tutup setiap empat pinggan kaca FTO dengan sekeping pita scotch 2mm-tebal (di sisi konduktif, seperti ditentukan oleh multimeter). Ini akan mewujudkan "mangkuk" ultra tipis yang akan diisi dengan penyelesaian titanium dioksida. Sapukan tiga tetes penyelesaian TiO2 ke elektrod anda, dan sebarkan secara merata dan perlahan dengan rod kacau kaca. (Angka 3 & 6)
Anneal plat kaca dengan ketuhar (atau sumber haba lain) pada 450C selama 30 minit. (Rajah 7)
3) Rendam elektrod annealed dalam larutan pewarna anda
Buat penyelesaian yang mengandungi molekul pewarna. Ini dilakukan paling mudah dengan jus dari raspberi beku (yang boleh dibeli dengan mudah di bahagian makanan beku supermarket). Penyelesaian pewarna organik boleh disucikan menerusi kaedah penapisan (Nota, bagaimanapun, pasukan penyelidikan saya menggunakan kaedah yang sangat asas.) Kami menghancurkan raspberi beku ke dalam jus dengan mortar dan alu, kemudian kami memecahkan penyelesaian ini melalui cheesecloth, dan proses ini dikeluarkan kepingan terbesar pulpa.) Tanpa mengira, rendam elektrod annealed dalam penyelesaian pewarna anda selama sepuluh minit. (Anda harus perhatikan pada akhir tempoh ini bahawa warna plat kaca anda telah berubah sebagai molekul pewarna kovalen terikat kepada TiO2 Ini adalah proses yang dikenali sebagai pemekaan.Anda juga perlu sedar bahawa penyelesaian pewarna lain mungkin memerlukan merendam untuk berbeza panjang masa) Laraskan plat gelas dengan air sekali dan etanol dua kali sehingga pulpa dan gula yang tersisa dikeluarkan. (Angka 8, 9, dan 10)
Adapun katod anda:
1) Tutup satu sisi permukaan kaca dengan filem karbon (menggunakan pensil grafit).
Proses ini agak jelas. Pastikan anda menggunakan lapisan grafit yang lengkap untuk plat. Ini mungkin mengambil masa bergantung pada pensil anda. (Rajah 11)
2) Pilihan: Anneal katod dalam oven pada 450C selama beberapa minit.
3) Perlahan-lahan bilas katod dengan etanol.
Langkah 3: Memasang Sel Suria anda
Awesome! Dengan anod dan katod, anda hampir selesai membina DSSC.
Untuk memasang DSSC ini, letakkan bahagian yang bersalut karbon katod anda di atas permukaan bersalut pewarna anod anda. Jangan biarkan plat kaca anda tumpang tindih sepenuhnya, mengimbangi elektrod supaya ia sepenuhnya melintang secara mendatar tetapi melangkaui hujung menegak masing-masing. Offset akan membolehkan wayar buaya untuk klip ke setiap elektrod, dengan itu membolehkan anda memasang litar. Selamatkan plat kaca mengimbangi anda dengan klip pengikat pada dua sisi mendatar yang bersatu sepenuhnya. (Rajah 13)
Untuk memasukkan larutan elektrolit antara kedua-dua elektrod, gunakan cecair elektrolit di sepanjang pinggir sisi di antara kedua-dua plat kaca. Kemudian, buka dan tutup klip pengikat dalam fesyen berselang-seli (satu klip pengikat pada satu masa, bukan kedua-duanya). Ini akan menyebabkan larutan elektrolit disedut ke dalam sel dan diedarkan secara sama rata di antara lapisan grafit dan kompleks TiO2 / anthocyanin. (Rajah 12)
Langkah 4: Uji Sel Suria anda
Sambungkan DSSC anda ke multimeter melalui klip buatan dan wayar. Selepas litar yang dipasang selesai, letakkan sel anda di bawah sumber cahaya dalaman --- atau sepanjang jendela. ( Amaran: Menempatkan sel solar anda terus di bawah matahari tanpa perlindungan yang betul akan menyebabkan kemerosotan teruk. Adakah ujian awal di bawah sumber cahaya yang tidak mengeluarkan sinaran UV ). Catat voltan dan arus maksimum yang dihasilkan oleh sel solar anda. Maju dua angka ini untuk mendapatkan output kuasa.
Kuasa hanyalah potensi voltan yang didarabkan oleh arus. Sebagai contoh, jika DSSC saya menghasilkan 0.400 Volt dan 250 microamps (0.000250A), output kuasa akan menjadi 0.1 milliwatt (0.0001 watt).
Lawati AllAboutCircuit's panduan untuk mengetahui lebih lanjut mengenai litar, voltan, arus, dan kuasa.
Langkah 5: Ubahsuai Kalkulator Anda
Langkah 6: Perbincangan mengenai Tenaga: Kecekapan
Sebagai teknologi yang baru muncul, sel-sel solar pewarna peka melakukan kurang baik jika dibandingkan dengan sel solar tradisional atau sumber tenaga bahan api fosil. Walaupun matahari adalah sumber tenaga yang banyak, banyak faktor mengehadkan kecekapan DSSC untuk menukarkan sinar matahari ke dalam tenaga elektrik. (Lihat artikel "Memajukan luar sel solar peka generasi pewarna generasi ini" untuk mendapatkan maklumat lanjut mengenai batasan DSSC dan kemungkinan untuk penambahbaikan).
Walaupun bahan api fosil mempunyai banyak kelemahan, kelebihannya termasuk ketumpatan tenaga dan kos rendah (tanpa mengingati luar negeri). Untuk menunjukkan kebaikan dan keburukan tenaga alternatif yang terbaik, lebih baik meneliti isu ini melalui kanta kuasa kalkulator dari sebelumnya dalam panduan ini.
Untuk kuasa kalkulator ini dengan DSSC kami, kami menghubungkan tiga sel (setiap kira-kira 3 cm ^ 2 di kawasan permukaan) secara bersiri ke kalkulator. Litar kami menghasilkan 1.04V dan 630 microamps, iaitu 0.6552 milliit kuasa. Sel-sel telah diletakkan di atas tingkap, menerima jumlah cahaya matahari yang sederhana pada awal petang hari musim sejuk New England. Menurut kertas Grätzel yang disebutkan di atas, seseorang boleh mengharapkan 600-800 W / m ^ 2 (0.54-0.72 W / 9 cm ^ 2) dari cahaya matahari untuk mencapai sel suria.
Untuk mencari jumlah tenaga yang dihasilkan oleh sel solar asal kalkulator, saya juga menyambungkan sel PV ke multimeter sementara ia berada pada jendela yang sama. Walau bagaimanapun, sel PV dan DSSC diukur pada hari-hari yang berbeza dengan jumlah cahaya matahari yang tersedia, jadi ini bukan perbandingan sempurna.Walau bagaimanapun, adalah munasabah untuk mengharapkan hanya variasi kecil antara dua petang musim sejuk di New England yang kurang daripada satu minggu. Sel PV menghasilkan 9.2 milliit kuasa (2.8 milliamps dan 3.27 volt). Ini adalah 14X prestasi 3 DSSCs, dan 21X prestasi sel DSS bagi satu unit kawasan. (15.20661157 W / m ^ 2 untuk PV vs 0.728 W / m ^ 2 untuk DSSCs).
Untuk mencari jumlah sumber tenaga konvensional yang diperlukan untuk mengukuhkan kalkulator ini, saya tahu bahawa satu kilogram arang batu (biasanya bahan bakar fosil yang paling padat) akan menghasilkan kira-kira 7.4 megajul elektrik. Oleh itu, seseorang memerlukan 2.92 * 10 ^ (- 7) kilogram (iaitu 0.292 miligram) arang batu untuk kuasa kalkulator ini untuk setiap jam yang digunakan.
Nombor ini menunjukkan kesulitan yang wujud dengan menukarkan tenaga suria ke dalam elektrik. Saya berikan untuk mengira satu ukuran kecekapan untuk DSSC yang dihasilkan, sebagai tambahan kepada sel solar photovoltaic (PV) yang pada asalnya menggunakan kalkulator. Kedua-dua sel telah diuji di dalam kotak kadbod di mana satu sumber cahaya (45W 120V lampu halogen tungsten) bersinar pada sel solar pada jarak yang sama dari atas. Tiada sumber cahaya lain yang memasuki alat ini, dan bahagian dalamnya disembur hitam untuk meminimumkan pantulan cahaya dari kadbod.
Salah satu daripada DSSCs menghasilkan 5.5 microwatts kuasa, atau 0.01897 Watts / m ^ 2 ketika diuji di dalam kotak. Output kuasa per unit ini jauh lebih rendah daripada 1.49 Watts / m ^ 2 (2.99V * 301 microamps / 6.05 cm ^ 2) sel pengkalan asal. Memandangkan bahawa DSSC mempunyai 1.27% kecekapan sel suria yang banyak, pasaran massa kalkulator, keupayaan teknologi DSSC berasaskan anthocyanin asas telah banyak dikehendaki. Kertas Grätzel asal menyebut bahawa seseorang boleh menjangkakan kecekapan antara 0.5% dan 1% untuk DSSC yang dibina dalam prosedur eksperimen mereka. Ini menimbulkan kekeliruan kenapa PV mengatasi DSSC 78X per unit kawasan. Berdasarkan teknologi semasa, tidak mustahil untuk sel PV kalkulator murah untuk menghasilkan tenaga elektrik dengan kecekapan antara 39% dan 78%. Perbezaan ini boleh menjadi hasil daripada lampu halogen lampu tungsten yang memancarkan sinar cahaya yang berbeza daripada sinar matahari. DSSC sebenarnya sebenarnya melakukan lebih banyak berbanding apabila diuji sepanjang jendela. Ia juga mungkin bahawa pasukan penyelidikan kami tidak mencipta sel-sel yang mempunyai kualiti dan kecekapan yang sama seperti mereka yang menulis kertas Grätzel yang asal.
Terdapat beberapa pertimbangan penting lain untuk membandingkan sumber tenaga ini. Pertama sekali, sel-sel suria yang sensitif mempunyai masalah kestabilan yang mungkin akan menghalang mereka beroperasi selama dua puluh tahun (jangka hayat khas sel PV). Pasukan saya telah melihat kemerosotan prestasi yang ketara ke sel kami seminit selepas perhimpunan; Walau bagaimanapun, kami tidak mengambil banyak langkah berjaga-jaga dalam memperluaskan hayat sel. (Baca tentang satu usaha pasukan penyelidikan dengan meningkatkan kestabilan luar DSSC mereka) Walau bagaimanapun, batasan ini menonjolkan satu masalah dengan pengeluaran tenaga boleh diperbaharui semasa. Terdapat beberapa teknologi yang mempunyai peluang untuk bersaing dengan sumber arang batu dan sumber tenaga berasaskan karbon yang lain, tetapi banyak teknologi mempunyai sekatan jalan kewangan dan teknologi yang serius yang menghalang penggunaan arus perdana. Berdasarkan eksperimen pasukan penyelidikan saya, sel solar fotovoltaik kini memegang lebih banyak potensi daripada yang peka pewarna pada menggerakkan keperluan tenaga masa depan dunia.
