Células de Graëtzel

Fabricación de células de Graëtzel.

Tiempo de lectura: 10 min.

Tiempo de realización: 1,5 horas.

Dificultad del taller: Difícil.

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Índice

  • Objetivo

  • Reacción químico-física

  • Condiciones del taller

  • Protocolo

Objetivo

En este curso se realizarán celdas solares basadas en tintes vegetales (de frambuesas). En él se aprende como consiguen transformar el CO2 las plantas mediante sus pigmentos, y como se puede aprovechar este recurso en beneficio del hombre para transformarlo en energía eléctrica, todo esto mediante la construcción de un prototipo real de esta tecnología.Está dirigido a niños, para que puedan aprender de forma divertida la importancia de la energía limpia y de tecnologías emergentes como esta.

Las plantas son capaces de aprovechar la energía solar captando sus fotones y excitando electrones que utilizarán para reducir* moléculas. Este es un proceso ampliamente utilizado en los organismos vivos para almacenar la energía de la luz en energía química. Esta energía podrá ser utilizada más tarde para multitud de tareas, entre ellas, fabricar nuevos compuestos que utilizará la planta para crecer.

Basándose en esto, Michael Grätzel diseño una forma de extraer este pigmento de las células y unirlo a un material conductor de forma que los electrones, después de ser excitados por la energía fotónica, pasasen a un circuito artificial, en vez de ser almacenados en moléculas. Para ello mezcló el tinte de las plantas (clorofila, antocianina, etc) con un semiconductor poroso, el dióxido de titanio y lo unión a un cristal conductor.

*La reducción es el proceso mediante el cual una molécula gana electrones.

Reacción químico-fisica

El esquema de la celda es el siguiente:

La luz solar entra a través de la placa transparente (TCO glass) interactuando con el pigmento y excitando a algunos que son inyectados directamente en la banda de conducción del dióxido de titanio, de donde por difusión estos se desplazaran hacia el cátodo (a la izquierda del esquema).  Finalmente los electrones se dirigen hacia el electrodo positivo (catalizador) en donde son transportados por la solución electrolítica de vuelta al colorante para así recuperar su estado inicial.

NOTA: Aunque en este esquema el conductor final es TCO, en nuestro protocolo nosotros utilizamos ITO (Indium Tin Oxide). Estos materiales lo que hacen es recubrir una superficie volviéndola conductora. De esta forma podemos tener PET o cristal que sea transparente y deje pasar la luz al interior del panel solar, pero conductor, para poder mover los electrones por el circuito.

Condiciones del taller

Como en este taller se usan algunos productos químicos (como alcohol etílico), sugerimos que los niños vayan acompañados por sus padres. Si esto fuese así, haría falta el doble de espacio (aunque no el doble de materiales).

De todas formas, esto en cuanto a conocimientos no supondría una barrera, pues el curso se puede dar con conocimientos muy básicos, o de una forma más avanzada a fin de que nadie se aburra.

Protocolo

Fabricación de la pasta de TiO2

Existen dos alternativas, fabricarla tú mismo o comprar un kit que incluya la pasta ya hecha. La fabricación de la pasta es un proceso difícil y depende mucho de la calidad de nuestros materiales, las proporciones y la exactitud que tengamos en los tiempos que tengamos que llevar a cabo.Asi pues recomendamos que si es la primera vez que lo llevais a cabo compréis un kit. Nosotros recomendamos el kit de ManSolar (https://www.mansolar.nl/products/article-1000-kit-1.html). Lo hemos probado y todo funciona a la perfección.

Si aun así quieres elaborar tu propia pasta te dejamos aquí el protocolo:

Materiales

  • 5 gramos de TiO2 en forma de nanopolvo.
  • 15 mL de Etanol.
  • Un mortero pequeño.
  • Micropipetas o cuentagotas.
  • Balanza

Protocolo

  • Suspendemos 3.5g de TiO2 en nano polvo en 15 ml de etanol (1:4,3). Machacamos bien con el mortero e intentamos reducir al mínimo el número de granos que quedan. Continuamos hasta tener una mezcla uniforme.
  • Dependiendo de nuestros recursos podemos seguir de dos formas
    1. Cubrimos el recipiente con un film para evitar que el etanol se evapore. Almacenamos a temperatura ambiente durante 24 horas.
    2. Si poseemos un sonicador, sonicamos la muestra a más de 20kHz durante 30 minutos como mínimo.

NOTA: Esto lo realizamos porque el TiO2 suele unirse en agregados. Para una buena adhesión al ITO y entre las particulas, necesitamos que estas estén sueltas, de ahí la importancia de este paso.

Una vez tenemos la pasta es muy importante lograr un buen sinterizado de las partículas de TiO2.  Sinterizar es el proceso mediante el cual las partículas de TiO2 se unen unas con otras, adhiriéndose mejor a nuestro soporte y favoreciendo la circulación de electrones entre ellas.

PELIGRO! El sinterizado es la parte más complicada de todo el proceso. Pueden salir mil cosas mal aquí, desde un mal tamaño de partícula del TiO2 hasta unas proporciones incorrectas de los químicos a usar, y esto implicará que todo el proyecto salga mal.

Esto lo podremos lograr de dos formas:

Químicamente: Mediante el empleo de tetraisopropoxido (IV) de titanio en disolución. Un proveedor de este material es Alfa Aesar(https://www.alfa.com/es/catalog/A13703/). Lo que hace este producto es establecer puentes entre varias moléculas de TiO2 gracias a la conformación de la molécula de tetraisopropoxido.

Térmicamente: El dióxido de titanio sinteriza sin la necesidad de ningún otro material al cabo de 20 minutos a una temperatura de 450ºC como mínimo.

Si usamos el método químico podremos realizar los paneles tanto en plástico como en cristal, si usamos el método térmico solo en cristal, ya que el plástico se derrite a las temperaturas que usaremos.

Los protocolos para ambas son los siguientes:

Sinterizado químico

Materiales:

  • Isopropóxido de titanio.
  • (Opcional) Sonicador.

Protocolo

Añadimos  0,5 mL de isopropoxido de titanio y homogeneizamos. Posteriormente extendemos el dióxido de titanio por el ITO, esperamos a que se seque la pasta y continuamos con el siguiente paso.

Sinterizado térmico

Materiales:

  • Mechero de bunsen y rejilla

ATENCIÓN -> Para realizar este paso previamente tendremos que extender el TiO2 por el cristal, por lo que realizaremos el siguiente paso antes que este.

Después usaremos un mechero Bunsen (temperatura aproximada de 800ºC) con una rejilla para calentar las placas durante 10 minutos. El color tiene que cambiar de blanco a pardo a medida que las sustancias orgánicas se degradan y posteriormente volver a blanco cuando estas acaben de desaparecer.

NOTA: El borde del cristal de esta imagen tiene el color pardo característico de la sinterización por temperatura y significa que se empiezan a degradar los compuestos orgánicos.

Extender la pasta en las placas

Materiales

  • Film trasparente y conductor (PET-ITO) o cristal transparente y conductor (ITO-Glass).
  • Cinta adhesiva.

Primero, localizaremos el lado conductor de nuestro material ITO y delimitaremos un espacio central en el mismo pegando tres tiras de cinta adhesiva en los bordes, de manera que quede un espacio de unos 10mm de ancho. A estas cintas las denominaremos espaciadoras a partir de ahora.

NOTA: Para comprobar que parte es la conductora hemos utilizado un polímetro, para comprobar la resistencia de ambas caras.

Ahora, repartiremos la pasta de TiO2 de la manera más homogénea posible con la ayuda de cualquier instrumento plano, como podría ser una cuchilla, una espátula, o el borde de una tarjeta de crédito. La idea es que quede repartido en una capa fina (del grosor de la cinta adhesiva), homogénea y que sin grumos.

NOTA: En este caso nosotros utilizamos un portaobjetos para repartir el TiO2 y un cuentagotas para ponerlo sobre la placa de cristal.

Preparación del tinte y teñido de las placas

Materiales:

  • Agua destilada.
  • Frambuesas

A continuación, prepararemos nuestro tinte. Existen varias alternativas, la más típica es usar la antocianina contenida en las frambuesas. La extracción del tinte de las frambuesas es muy sencilla y consiste solamente en machacar las frambuesas para obtener su “zumo”.

NOTA: Nosotros en este caso, al usar el kit de ManSolar, el tinte lo obtenemos de las muestras de hibisco que vienen en vez de la mermelada de frambuesa. El proceso de extracción del tinte es el mismo que si te estuvieras haciendo un té.

Ahora sumergiremos el electrodo de TiO2 en la solución de tinte de frambuesas durante unos 10 minutos, o 5 minutos en la del hibisco. Si elegimos otro tinte,  los tiempos variarán y deberán ser adaptados. Por otra parte, si el tintado lleva demasiado tiempo, podemos calentar la solución de tinte de manera moderada (unos 60ºC).

Preparación del segundo electrodo

Para preparar nuestro segundo electrodo, tomaremos un segundo material con ITO (PET o cristal) y aplicaremos grafito sobre su superficie conductora. Para ello será suficiente con coger un lapiz, cuanto más blando mejor (nosotros hemos usado uno HB), y frotar por encima.

Montaje final y prueba

Materiales:

  • Solución electrolítica (lugol con una concentración mayor al 5% de yodo).
  • Pinzas
  • Un motor, o algo que se alimente con electricidad.
  • Un polímetro para medir el voltaje y la corriente generada.

Protocolo

Una vez pasado el tiempo suficiente (5 minutos), sacaremos el electrodo de TiO2 de la solución de tinte y lo lavaremos con etanol fresco o agua. Pondremos una gota de lugol sobre uno de los electrodos.

Combinamos estos materiales con el contraelectrodo de grafito, de manera que las superficies conductoras se encuentren, y entre ellas, esté el electrolito conductor, dejando en cada extremo uno de los bordes sin cubrir de cada electrodo. Estos serán los dos polos del panel solar.

Para finalizar la preparación de la celda sólo nos queda fijarlas con unos clips  y listo.

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