Semana Nacional de la Ciencia y la Tecnología 12 da Edición 9 al 20 de junio de 2014 Instituto de Física del Litoral (IFIS Litoral, CONICET-UNL)

Vamos a Construir Celdas Solares Caseras en Base a Colorantes Naturales “Celdas de Graetzel”

¿Qué son las celdas solares? ¿ Qué son las celdas solares? Las células o celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en electricidad. Las que se conocen comúnmente se parecen a esta Fabricadas con silicio, un elemento químico con propiedades de semiconductor.

Pensó en una celda de bajo costo y alta eficiencia, fabricada con materiales “amigos” del medio ambiente. ¿Y las celdas solares con colorantes naturales? Un físico suizo llamado Michael Graetzel las diseñó y las construyó en la década de los 90.

Antes de responder, pensemos en la fotosíntesis… ¿Cómo funciona una celda de colorantes naturales? Las plantas toman “energía solar” gracias a la clorofila que poseen sus hojas (colorante verde) y la convierten en “energía química” … que es el alimento necesario para la vida de la planta

ÁNODO (-) CÁTODO (+) Solución electrolítica e - Electrones e-e- e-e- e-e- Nuestra celda solar funciona a partir de la energía que toma del sol, formando un circuito eléctrico … Absorbe energía solar o luz Produce Energía eléctrica

Vidrio recubierto en la cara interior con dióxido de estaño, SnO 2 (a) + Lámina de grafito depositada sobre el vidrio (b) Electrodo negativo (-) Electrodo positivo (+) Vidrio recubierto en la cara interior con dióxido de estaño, SnO 2 (a) + Capa de dióxido de titanio, TiO 2, material semiconductor de color blanco, teñida con un colorante natural de origen vegetal (d) Yoduro de potasio La celda solar de Graetzel está formada por varias capas de diferentes materiales, como si fuese un “sandwich”…

Voltímetro de aguja Parafilm Plato hondo Sujetadores “manito” Cinta adhesiva transparente Papel absorbente Lápiz de grafito suave, 4B Trincheta, tijeras, pinzas Varilla de vidrio o de plástico Solución de dióxido de titanio, TiO 2 Solución electrolítica: yoduro de potasio 0,5 M + yodo en etilenglicol libre de agua 0.05 M Acetona, etanol y agua Moras o remolachas o repollo morado, para extraerles su colorante natural Placas de vidrio con capa conductora transparente de dióxido de estaño, SnO 2, en una de sus caras Fuente de luz (retroproyector, o reflector) Materiales necesarios para construirla

1.Preparación de las placas conductoras, ánodo y cátodo: a)Lavar la superficie de las placas de vidrio con acetona. Nota: Sujetar las placas de vidrio por los bordes o con pinzas para evitar tocar la cara conductora de las placas. Preparemos una celda de Graetzel b)Usar un voltímetro para determinar qué lado del vidrio contiene la superficie conductora o dióxido de estaño (SnO 2 ). Colocando las dos puntas en la placa de vidrio, se oirá un “pip” en el lado conductor.

2.Preparación del ánodo de TiO 2 a)Aplicar cuatro trozos de cinta adhesiva transparente a la cara conductora de la placa de vidrio, para enmascarar un ancho de aproximadamente 1-2 mm en tres de los cuatro bordes, y un ancho de 4-5 mm en el cuarto lado. b)Colocar una o dos gotas de solución recién agitada de TiO 2 en la parte superior del vidrio y distribuirla colocando la varilla de vidrio horizontalmente.

2.Preparación del ánodo de TiO 2 (continúa) c)Dejar secar la película al aire durante aproximadamente 10 minutos, y luego retirar la cinta. Realizar el recocido en horno a 450  C por 30 minutos. Nota: Se puede usar un mechero Bunsen y calentar la placa a unos diez centímetros de la llama azul por unos 3 a 5´. La pasta blanca cambiará de un color blanco a uno marrón después de un minuto y después regresará a su color nuevamente. Si el TiO 2 se deja secar a temperatura ambiente por un tiempo suficiente, no es necesario calentar, en absoluto.

2.Preparación del ánodo de TiO 2 (continúa) d)Machacar la fruta o verdura fresca en un plato hondo, con una pequeña cantidad de agua, hasta extraer su colorante natural. e)Sumergir el vidrio en el colorante, con la película de TiO 2 hacia abajo, durante 10 min, hasta teñir la película blanca.

2.Preparación del ánodo de TiO 2 (continúa) f)Retirar el vidrio empleando las pinzas, y enjuagarlo con agua. Para eliminar el agua dentro de la película porosa de TiO 2, enjuagarlo con etanol, y secarlo suavemente con papel.

3.Preparación del cátodo de grafito Tomar una placa de vidrio con la cara conductora hacia arriba. Pintar su superficie con un lápiz blando, hasta formar una película de carbono sobre el vidrio conductor.

4.Armado de la celda a)Cortar un trozo de Parafilm suficientemente grande como para cubrir toda la superficie del electrodo recubierto de TiO 2. Colocar ligeramente el Parafilm sobre el electrodo, trazar un rectángulo alrededor del TiO 2 con un lápiz. b)Colocar el Parafilm sobre la mesa y recortar con cuidado el rectángulo, de manera de dejar una “ventana” o “pileta” dentro del Parafilm.

4.Armado de la celda (continúa) c)Quitar el papel trasero del Parafilm y colocarlo sobre el electrodo, dejando al descubierto toda la superficie de TiO 2. Frotar suavemente el Parafilm sobre el vidrio, para adherir el film al electrodo de TiO 2. d)Colocar 2-3 gotas de la solución electrolítica de yoduro en la “pileta” del electrodo revestido de TiO 2.

4.Armado de la celda (continúa) e)Colocar un electrodo sobre el otro, desplazados entre sí, y sujetarlos para formar el “sandwich”. Ánodo de TiO 2 Cátodo de grafito Sujetadores tipo manito

Experimentando con la celda de Graetzel Conectar el extremo con forma de “cocodrilo” del cable rojo al electrodo positivo (cátodo) de grafito, y el otro extremo del cable a la salida del instrumento donde indica “V” o medida de potencial. Conectar el extremo con forma de “cocodrilo” del cable negro al electrodo negativo (ánodo) de TiO 2, y el otro extremo del cable a la salida del voltímetro que se denomina Común. ¿Qué se observa en el instrumento? Finalmente, iluminar la celda con una lámpara potente.

¿Cómo funcionan estas celdas solares? ¿ Cómo funcionan estas celdas solares? 2)Interacción entre la sustancia colorante, el semiconductor y el electrodo de vidrio-estaño 3)Retorno de los electrones a la celda, para completar el circuito eléctrico 1)Interacción entre el sol y la sustancia colorante El funcionamiento de estas celdas se puede resumir en las siguientes tres etapas:

1)Interacción entre el sol y la sustancia colorante El colorante adsorbido sobre la capa del material semiconductor (TiO 2 ) interactúa con la luz visible proveniente del sol. Tal como lo hace el pigmento verde de una hoja. En otras palabras, parte de la energía que el sol emite en forma de radiación (compuesta de fotones de distintas frecuencias) es captada por el colorante. ¿Cómo funcionan estas celdas solares? ¿ Cómo funcionan estas celdas solares? ¿De qué manera es captada esa energía?

Algunos electrones que pertenecen a los átomos de la sustancia colorante reciben esta energía, de forma tal que les permite moverse de sus lugares, desplazarse y “viajar”… ¿Hacia dónde van esos electrones? De esa manera estos electrones abandonan los átomos dejando “huecos” en el lugar que ocupaban. Sustancia colorante Huecos

Electrodo negativo o ánodo Esta capa se transforma en un “puente” que los electrones del colorante atraviesan para llegar hasta el dióxido de estaño depositado sobre el vidrio que hace de electrodo negativo. 2)Interacción entre la sustancia colorante, el semiconductor y el electrodo de vidrio-estaño Estos “electrones viajeros” que provienen del colorante, pasan a ocupar espacios vacíos que poseen los átomos de la capa de TiO 2 (esto es así por tratarse de un semiconductor). Colorante

ÁNODO (-) CÁTODO (+) Solución electrolítica Luz e - Electrones 2)Interacción entre la sustancia colorante, el semiconductor y el electrodo de vidrio-estaño

Image Courtesy of NIMS NOW (c) 2008 Los “electrones viajeros” que salen del electrodo negativo se dirigen hacia el electrodo positivo de grafito, a través de los cables que conectan la celda al instrumento. Desde el cátodo, los electrones vuelven a la celda. La solución de yoduro de potasio los transporta hasta el colorante, para completar el circuito eléctrico y llevar al colorante a su estado "normal“ que tenía inicialmente. 3)Retorno de los electrones a la celda, para completar el circuito eléctrico Ánodo (-)Cátodo (+) Voltímetro de aguja, mide la señal eléctrica Yoduro de potasio

ÁNODO (-) CÁTODO (+) Solución electrolítica de yoduro de potasio Permite la circulación de electrones entre los electrodos Luz e - Electrones e-e- e-e- Señal eléctrica e-e- 3)Retorno de los electrones a la celda, para completar el circuito eléctrico

¿Alcanza la energía generada con esta celda para encender una ? La aguja del instrumento indica que entre los electrodos de la celda construida aparece una tensión o voltaje de aproximadamente 500 milivoltios ó 0,5 voltios. Una forma más compleja de ver el circuito de la celda sería…

Revistas científicas y páginas web de donde se tomó la información para esta presentación: Smestad, G. P.; Gratzel, M. Journal of Chemical Education 1998, vol. 75, pp "Photovoltaics" Solar Energy Technologies Program. US Department of Energy proyecto-de.html Bibliografía

El IFIS Litoral agradece la visita de las alumnos del Colegio Nuestra Señora de Adoratrices, Escuela Particular Incorporada N o 2035 Santa Rosa de Lima y Escuela de Educación Secundaria Orientada N o 262 "República Argentina“, de la ciudad de Santa Fe, durante la Semana de la Ciencia y la Tecnología Agradecimientos Claudio Bonin Luisa Cencha Emanuel Elizalde Luisina Forzani Ana María Gennaro Adalberto Iglesias Oscar Marín Débora Martino Silvia Montoro Raúl Urteaga IFIS Litoral