Fabricación celdas solare sweb
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IES LA MOLA / PDC-1 / 2011- 2012 CELDAS SOLARES
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CELDAS
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2INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN
La fotosíntesis es un proceso que transforma la energía de la luz del sol en energía química
Para que se produzca la fotosíntesis la luz debe ser la adecuada, puesto que su eficacia depende de las diferentes longitudes de onda del espectro visible. La más eficaz es la rojo-anaranjada. La luz azul es muy poco eficaz y prácticamente nula la verde, aunque algunas plantas marinas son capaces de aprovecharla.
La conversión de la energía solar en eléctrica tiene sus antecedentes en los semiconductores, cuando se empezaron a fabricar se observó que si estos eran expuestos a la luz se generaba una pequeña corriente eléctrica. Estos se construían sobre un soporte de Silicio ó Germanio y de dos tipos según un material dopado en la matriz silícica o germánica, los de material tipo n que tenían un electrón en exceso con respecto al estado estable de la estructura electrónica de silicio Grupo VA y los de material tipo p con un electrón menos que la estructura electrónica de la matriz silícica Grupo IIIA.
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Si bien dichos materiales son utilizados para la transformación de la energía solar en eléctrica, presentan la desventaja que el costo de procesamiento es muy alto, lo que los hace poco competitivos.
Con el avance de las técnicas, han aparecido una segunda generación de paneles solares, donde se sustituye el Silicio por otros compuestos, como metales exóticos tales como cobre, indio, galio, diselenio (CIGS), consiguiendo resultados impresionantes.
El tema es que antes se podía aceptar que se utilizase un material tan costoso y escaso como el silicio, o usar metales raros o exóticos, con el fin de promover una energía renovable y limpia que pudiese reemplazar a las contaminantes que son la moneda común. Pero con la expansión de la energía solar, y con su masificación ya no puede aceptarse, se tiene que apuntar a que esta energía se haga limpia y ecológica desde el inicio, desde su fabricación.
En la época de los años 90’s un científico alemán Michael Graetzel invento una pila solar que a diferencia de las tradicionales no era construida con semiconductores basados en Silicio y Germanio y además emulaba el proceso de la fotosíntesis hacia formas eléctricas. Estos paneles solares tienen un 7,6% de eficiencia al transformar la luz solar en electricidad. Lo bueno es que también son altamente estables por miles de horas incluso en condiciones de muy altas temperaturas.
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La celda fue inventada por Michael Graetzel en 1991 (EPFL, Lausana, Suiza) con la ayuda de Shaik Zakeeruddin y otros colegas, pudiendo ser construida con materiales de bajo costo y con un proceso de fabricación extremadamente simple.
La celda solar Graetzel también conocida como célula solar sensibilizada por colorante produce electricidad mediante un principio foto-electro-químico, cambiando la energía luminosa en energía eléctrica. Se trata de una aplicación de la Biónica, cuya función también se denomina celda electroquímica de color.
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El electrodo compuesto está construido de nanocristales de dióxido de titanio (nc-TiO2) depositado en vidrio conductor. El valor típico de la distancia entre los electrones es de 20 - 40 µm.
Ambos electrodos constan de una superficie interna eléctricamente conductora (ej. FTO - Fluorine doped TinOxide;F:SnO2), cuyo espesor típico es de 0,5 µm.
La estructura de la celda consiste de dos electrodos planos (electrodo compuesto y simple) y un tinte sensibilizado que genera electrones al contacto con la luz.
El electrodo simple es básicamente un vidrio eléctricamente conductor.
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2El procedimiento que sigue es el siguiente:
Al llegar la luz al colorante S éste tiende a excitarse de tal manera que presenta la facilidad de perder un electrón y donarlo a alguien que lo acepte.
TiO2|S + hv → TiO2|S* TiO2|S* → TiO2|S+ + e-
Al cerrar el circuito el colorante recupera su electrón
TiO2|S+ + e- → TiO2|S
Junto a la matriz nanoporosa, se deposita un electrolito que puede ser yoduro o bien algún otro que presente facilidad para recibir el electrón que donaría el colorante excitado S
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I I I
I 2I·
)I·(Radical S I S
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REALIZACIÓN
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2Necesitamos para la realización de las celdas solares una serie de productos, que iremos nombrando conforme los vayamos utilizando y una instrumentación básica de laboratorio, entre las cuales destacamos las siguientes:
Utensilios varios: Balanza electrónica
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2Parte 1: Preparación suspensión dióxido de titanio, TiO2
1.- Poner 6g de TiO2 en un mortero.
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22.- Añadir de 1ml en 1ml vinagre blanco lentamente con una pipeta.
3.- Moler alrededor de 25 minutos hasta conseguir una emulsión tipo corrector.
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24.- Añadir 1 gota de detergente (detergente efervescente y espumoso) , remover . El detergente reduce la tensión superficial y facilita que se distribuya la solución más uniformemente por el cristal.
5.- Depositar en un recipiente y dejar equilibrar durante 15 minutos.
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2Parte 2: Crear capa TiO2
1.- Limpiar 2 cristales conductores FTO con etanol, secar suavemente con pañuelos de papel
Un vidrio FTO, es un vidrio con una capa de óxido de estaño dopado con flúor. En nuestro caso hemos utilizado un cristal Pilkington NSG TEC T15, con las siguientes características.
ProductoEspesor
(mm)
Transmitancia Visible
(%)
Resistencia de lámina
(Ω/□)
Haze
(%)Emisividad hemisférica
Tolerancia espesor
(mm)
Tolerancia tamaño
(mm)Rugosidad
Pilkington NSG TEC
T152.3 / 3.0 82 – 84.5 12 - 14 ≤ 0.74 0.15 ± 0.2 ± 0.1 < 0.3 %
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22.- Determinar la cara conductora con un voltimetro-amperimetro
Cara Conductora
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Con ello se controla el grosor de la capa de TiO2, consiguiendo un espesor aproximado de 40 – 45 micras
3.- Poner celo en los laterales del cristal en 3 lados, dejando uno mas grueso
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24.- Poner una o dos gotas de TiO2 y rápidamente repartir la suspensión con una varilla de cristal
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25.- Dejar secar unos minutos y despegar los trozos de celo con cuidado
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2Parte 3: Cocer los cristales
1.- El proceso de cocción debe realizarse en un lugar lo suficientemente aireado, nosotros la realizamos en la campana de extracción del laboratorio.
2.- La cocción se realizará cuando la temperatura ronde los 450º C. Al no disponer de una mufla adecuada, utilizamos una pistola de calor (pistola decapante) que en nuestro caso alcanza los 500º C.
Fabricamos un horno de tubo, haciendo una cámara con papel de aluminio, donde posteriormente depositamos el cristal.
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23.- Durante 30 minutos dejamos el cristal dentro del horno de tubo, pudiendo observar el cambio de color debido al proceso de cocción. Empieza por blanco, cambia a marrón-púrpura y vuelve a blanco
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23.- Una vez enfriado, el cristal cocido queda:
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2Parte 4: Tintar con antocianina la capa de TiO2
1.- Colocar unas cuantas frambuesas en un mortero y moler.
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22.- Colocar en una placa petri, diluir con una cucharada sopera de agua destilada. Agitar con varilla
3.- Sumergir cristal con capa de TiO2 hacia abajo. Mantener en remojo durante 10 minutos. Si queda algo sin cubrir con el tinte, volver a dejar durante otros 5 minutos.
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24.- Sacar del jugo y aclarar primero con agua destilada y después con etanol. Secar con papel sin arrastrar.
5.- Si se tarda en montar la célula solar, deberíamos mantener en una botella oscura con vinagre blanco.
La antocianina o antocianidina pertenece al grupo de los bioflavonoides y es un pigmento rojo azulado que protege a las plantas, sus flores y sus frutas contra luz ultravioleta (UV) y - por su propiedad antioxidante - evita la producción de radicales libres
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2Parte 5: Capa de carbono en el electrodo contador
2.- Coger cristal con pinzas de metal, pasar el lado conductor por encima de la llama hasta que todo el lado es recubierto por el hollín
1.- Encender una vela. Determinar que cara es la conductora.
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23.- Dejar enfriar. Usar bastoncillos de algodón para limpiar los bordes de hollín para que la superficie sea similar a la de cristal con TiO2.
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2Parte 6: Realización de solución electrolítica
1.- A 130 mg de cristales de yodo puro se le añaden 830 mg de yoduro de potasio, KI.
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22.- Reaccionan para formar triyoduro de potasio, KI3, que adquiere un color marrón.
3.- Añadir 10 ml de etilenglicol anhidro y mezclar.
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2Parte 7: Montaje de la célula solar
1.- Si hemos depositado el cristal tintado en vinagre, primero limpiar con agua destilada, segundo con etanol, tercero secar con pañuelo de papel con suavidad .
2.- Encarar los dos cristales, dejando los trozos libres en los extremos opuestos, que servirán de electrodos positivos y negativos. Fijar los dos lados que no son los electrodos con clips de carpetas.
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23.- Colocar en los bordes la solución electrolítica de yoduro, I-1.
4.- Abrir y cerrar alternativamente las pinzas de cada lado, para que la solución se distribuya entre los dos electrodos por capilaridad. Debe cubrir toda la superficie.
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25.- Limpiar el exceso de electrólito con bastoncillos de algodón.
6.- La celda solar está preparada para ser utilizada, faltaría conectar a los electrodos pinzas de cocodrilo, que transmitirán la corriente.Para que dure más tiempo, se debe guardar en un lugar cubierto, especialmente de plástico de policarbonato (placa de petri de plástico).La exposición al sol y al aire merma las propiedades de la celda solar, ya que seca la solución de yodo del interior.
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2Parte 8: Prueba de funcionamiento
Una vez montada la celda solar, falta medir el voltaje que puede proporcionarnos al exponerlo a una luz.
Utilizamos un téster para determinar el voltaje que produce.
Al iluminar con luz blanca Con luz laboratorio
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2Expuesta a la luz solar
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2Midiendo el voltaje con dos celdas en serie
Con sol Con nubes
Midiendo la intensidad
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2Limpiando el instrumental
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2Explicando su funcionamiento ante un grupo de escolares
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BOLAÑOS MARTÍNEZ, ZENITH V. CARDEÑOSA MARTÍNEZ, OLGA
CASTAÑO LUCIO, DAVID GARCÍA BOTELLA, AARÓN
GARCÍA RODRÍGUEZ, CRISTINA GONZÁLEZ RODRÍGUEZ, LUIS MIGUEL
HERNÁNDEZ SÁNCHEZ, ARANCHA LÓPEZ MONTERO, MELANIE
MARTÍNEZ CRESPO, ALBERTO MIRA ESTEBAN, SERGIO
NAVARRO MARTÍNEZ, ANDRÉS A. OLIVARES INAREJOS, ANTONIO J.
PÉREZ BOTELLA, MIRIAM
Prof.: LINARES GARCÍA, ENRIQUE
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