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Progetto Lauree Scientifiche Scienza dei Materiali - Attività Laboratori Regionali

Fotovoltaico innovativo

Unità coinvolte Cagliari, Torino, Milano,Roma

Breve descrizione degli scopi degli esperimenti

Il settore di attività sul fotovoltaico innovativo (celle a colorante o celle di Graetzel) affronta il

tema dell'impiego dell'energia solare per la produzione di elettricità mediante l'utilizzo di celle

fotovoltaiche a film sottile, in contrapposizione alla tecnologia del silicio cristallino, che, oggi,

rappresenta la tecnologia predominante a livello commerciale. Dette celle utilizzano coloranti

organici o ibridi organometallici, anche di origine naturale, legate a supporti inorganici (ossidi) di

basso costo e facile reperibilità.

In questo laboratorio si costruirà e si testerà un prototipo di cella di Graetzel utilizzando

materiali facilmente reperibili ed a costi limitati.

Fasi

1) descrizione dei principi di funzionamento della cella solare

2) preparazione del colorante organico e dell’elettrolita

3) preparazione dello strato adsorbente (anodo della cella) e del contro elettrodo (catodo)

4) assemblaggio della cella

5) caratterizzazione elettrica: misura della tensione di circuito aperto e dell’intensità di corrente di

cortocircuito in funzione di:

- densità di potenza di illuminazione

- sorgenti di luce utilizzate


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Celle Fotovoltaiche

Introduzione e background

Le celle solari convenzionali convertono la luce in elettricità sfruttando l’effetto

fotovoltaico che ha luogo all’interfaccia (giunzione p-n) tra materiali semiconduttori

e per questo motivo sono strettamente correlate alla tecnologia del silicio (diodi,

transistors, circuiti integrati, ecc.). Differentemente, le cosiddette celle solari a

colorante (dye-sensitized solar cells o DSSC), dette anche celle di Graetzel, dal nome

del professore di Losanna che le ha inventate, funzionano con un principio diverso,

in cui la funzione di assorbimento della luce e quella di separazione e trasporto delle

cariche (elettroni e buche) agli elettrodi vengono assolti da componenti le

quali,quindi, possono essere ottimizzate in maniera separata. L’assorbimento della

luce avviene grazie ad uno strato di fotosensibilizzatore o colorante, una molecola

(organica o organometallica) che viene chimicamente adsorbita sulla superficie di

nanoparticelle (le dimensioni di queste particelle sono di poche decine di

miliardesimi di metro, tipicamente 20 nanometri) di biossido di titanio (TiO2)

interconnesse tra loro a formare un film mesoporoso di alcuni micron di spessore (5-

15 µm; per confronto un normale nastro adesivo trasparente ha uno spessore di

circa 100 micron). Il film di ossido conduttore è depositato, tramite tecniche a basso

costo (serigrafia, deposizione a mano), su un vetro trasparente conduttore, ovvero

su una lastra di vetro ricoperta da un sottile film di ossido conduttore trasparente

(transparent conducting oxide, TCO). Il materiale conduttivo più utilizzato a tale

scopo è l'ossido di stagno drogato con fluoro (FTO). A volte può essere aggiunto un

secondo strato di TiO2 costituito da particelle più grandi (300-400 nm) che hanno lo

scopo di diffondere la luce che colpisce il film (scattering) e quindi aumentare

l’assorbimento della luce da parte del materiale attivo (il fotosensibilizzatore

colorante). Colpito dalla luce, il colorante passa allo stato energetico superiore dal

quale trasferisce, facilmente e velocemente, un elettrone al biossido di titanio il

quale, essendo un buon conduttore, lo trasporta efficacemente fino all’elettrodo (il

vetro conduttore). In seguito al trasferimento dell’elettrone il colorante rimane

carico positivamente, ovvero costituisce una carica positiva (buca), che viene

trasferita ad un composto mediatore che, ossidandosi (cedendo cioè un elettrone),

trasporta la carica positiva fino all’altro capo della cella, il contro-elettrodo o catodo.

Esaminando il principio di funzionamento di questa cella, i processi che vengono

messi in atto ricordano da vicino la fotosintesi clorofilliana, in cui una molecola

analoga a quelle di sintesi delle celle di Graetzel, la clorofilla, assorbe la luce solare

innescando il processo fotochimico che trasforma la luce solare in energia chimica.

Questo paragone fornisce un concreto esempio dell’importanza della relazione tra


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principi chimici e fisici. Nella fotosintesi, la piante “fissano” l’energia della luce solare

in legami chimici presenti in molecole organiche complesse, i carboidrati, che

assunti e bruciati da piante e animali, rilasciano nell’atmosfera biossido di carbonio

completando quel ciclo, reversibile e rinnovabile, che sta alla base della vita sulla

terra:

La fotosintesi che ha luogo grazie alle piante sulla terra e ai batteri negli oceani

produce otto volte il fabbisogno energetico dell’umanità: se riuscissimo a convertire

con un’efficienza del 10% l’energia solare su una superficie appena dell’1% delle

terre emerse, produrremmo il doppio dell’attuale richiesta di energia elettrica, ma

sebbene vengano costruite ogni anno celle al silicio per oltre 1 miliardo di Watt,

nessuna tecnologia ha ancora soppiantato l’uso dei combustibili fossili come fonte di

energia.

La cella di Graetzel

La cella di Graetzel richiama nel suo funzionamento la fotosintesi delle piante:

(1) usa una molecola, il colorante, analogo alla clorofilla per assorbire la luce e

produrre un flusso di elettroni. A differenza della clorofilla, tuttavia, le molecole

utilizzate vengono appositamente ingegnerizzate per assorbire più efficacemente la

luce solare e convertirla in elettroni;

(2) usa strati multipli per migliorare l’efficienza sia dell’assorbimento della luce sia

della raccolta di elettroni.

Come la fotosintesi, anche la cella di Graetzel è una macchina molecolare che supera

i confini della tecnologia microelettronica entrando in quel regno che è noto come

nanotecnologia. Le particelle di dimensioni nanometriche di biossido di titanio (TiO2

come fase anatasio) vengono distribuite su un vetrino conduttore, ovvero su una

lastra di vetro ricoperta da un sottile film di ossido conduttore trasparente TCO. Il

film depositato di biossido di titanio viene quindi asciugato e scaldato ad alta

temperatura (500 °C; questo processo si chiama sinterizzazione) in modo da formare

una struttura mesoporosa, con un’altissima area superficiale. Uno strato di molecole

di colorante viene quindi legato chimicamente (adsorbito) a ciascuna particella di

TiO2 tramite immersione del vetrino in un bagno del colorante per alcune ore:

possono essere utilizzati tutti quei coloranti che posseggono i giusti gruppi chimici

per legarsi al TiO2. Il dispositivo viene infine assemblato chiudendo a sandwich con il

contro elettrodo e introducendo tra i due elettrodi alcune gocce di una soluzione

elettrolitica che pervade l’intera cella chiudendo il circuito.

La presenza dello strato di TiO2 serve ad incrementare enormemente l’efficienza di

raccolta della luce, disperdendo il colorante su un’area vasta in maniera analoga a

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quanto avviene per la clorofilla nei cloroplasti. Poiché lo strato di colorante è

contemporaneamente, molto

dall’assorbimento della luce sono raccolti dal

Gli elettroni perduti dalle mol

dal mediatore, lo ione ioduro

sua volta elettroni dal contro

modo da ripristinare il ciclo.

Le reazioni coinvolte nel processo complessivo sono le seguenti:

1. colorante neutro in stato di riposo

eccitato (coppia elettrone-buca)

2. colorante eccitato + TiO2 →

3. colorante ossidato + 3/2 I

½ I3-

4. ½ I3- + e

- (contro-elettrodo)

Le particelle interconnesse di biossido di titanio agiscono da accettori di elettroni, lo

ione ioduro I- agisce da donatore di elettroni e il colorante funzio

“pompa” fotochimica. Nella fotosintesi

dal biossido di carbonio, dall’acqua e dalla clorofilla.

Figura 1 schematizzazione del funzionamento di una cella solare a colorante

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avviene per la clorofilla nei cloroplasti. Poiché lo strato di colorante è

molto sottile, quasi tutti gli elettroni prodotti

luce sono raccolti dal TiO2 .

Gli elettroni perduti dalle molecole di colorante vengono velocemente rimpiazzati

ioduro presente nella soluzione elettrolitica, il quale riceve a

elettroni dal contro-elettrodo (platino o carbonio su vetro conduttore

Le reazioni coinvolte nel processo complessivo sono le seguenti:

neutro in stato di riposo + luce → colorante nello stato energetico

buca)

→ e-( TiO2) + colorante ossidato (carico positivamente)

3. colorante ossidato + 3/2 I- → colorante neutro in stato di riposo (stato originale)

elettrodo) → 3/2 I-

particelle interconnesse di biossido di titanio agiscono da accettori di elettroni, lo

agisce da donatore di elettroni e il colorante funzio

“pompa” fotochimica. Nella fotosintesi questi tre ruoli sono svolti rispettivamente

dall’acqua e dalla clorofilla.

schematizzazione del funzionamento di una cella solare a colorante

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avviene per la clorofilla nei cloroplasti. Poiché lo strato di colorante è,

sottile, quasi tutti gli elettroni prodotti

ecole di colorante vengono velocemente rimpiazzati

presente nella soluzione elettrolitica, il quale riceve a

su vetro conduttore), in

nello stato energetico

(carico positivamente)

neutro in stato di riposo (stato originale) +

particelle interconnesse di biossido di titanio agiscono da accettori di elettroni, lo

agisce da donatore di elettroni e il colorante funziona come una

questi tre ruoli sono svolti rispettivamente

schematizzazione del funzionamento di una cella solare a colorante


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Lavoro sperimentale

Materiale occorrente:

Componenti per ciascuna cella:

• 2 vetrini conduttori 25 x 25 mm

• 3 – 4 gocce di TiO2 in sospensione acquosa

• colorante

• 2 gocce di soluzione elettrolitica a base della coppia triioduro/ioduro (I3-/I

-)

• soluzione a base di platino (Platisol) o grafite (una matita).

Strumenti necessari per l’assemblaggio della cella:

• nastro adesivo

• 2 clips

Preparazione

Vetrini conduttori:

o Vetrini conduttori (3 da ciascuna lastrina):

o determinare con un multimetro la faccia conduttrice di una lastrina

o incidere lievemente con la lama diamantata il lato isolante, appoggiando la

lastrina su un foglio di carta

o con un colpo lieve e deciso spezzare il vetro lungo l’incisione

TiO2 in sospensione acquosa:

o porre 3 g di TiO2 in un mortaio

o aggiungere 5 ml di acido nitrico (fino a pH 3-4): 1 ml alla volta, macinando

attentamente fino ad ottenere una crema senza grumi, della consistenza di una

vernice densa


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o trasferire la sospensione dal mortaio al crogiuolo e lasciarla riposare per circa 15

minuti (attenzione a non far formare bolle)

Colorante (in alternativa a questa preparazione si può usare una soluzione di

colorante sintetico già pronta):

• scegliere 2 - 3 more o lamponi

• una volta scongelati schiacciarli leggermente su un vetro d’orologio usando

una spatola (se necessario, aggiungere qualche goccia d’acqua)

• in alternativa, avvolgerli nello straccio di cotone e strizzarli facendo gocciolare

il succo sul vetro d’orologio

Soluzione elettrolitica (in alternativa a questa preparazione si può usare una

soluzione elettrolitica già pronta):

• 1 ml di glicole etilenico

• aggiungere 12.7 mg di I2 e agitare

• aggiungere 83 mg di KI

• agitare e conservare al buio

Procedura

1) Preparazione del vetro conduttivo

Questa sezione si concentra sulla preparazione dei substrati di vetro/FTO per coloro

che vogliono preparare i loro elettrodi da zero e dà consigli per la pulizia necessaria

prima di effettuare qualsiasi deposizione di materiale sul vetro conduttivo.


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Figura 2 Verifica della presenza di FTO sulla superficie di conduzione Figura 3 prepulizia dello strato conduttivo

a) Identificare il lato conduttivo

Le lastre di vetro contengono l’ossido trasparente conduttore (TCO) solo su un lato.

Poiché ad occhio nudo è difficile identificare il lato conduttore è necessario utilizzare

un multimetro. La deposizione dei materiali va sempre eseguita sul lato conduttivo,

che poi sarà rivolto verso l’interno della cella e farà parte dell’elettrodo. Un tester

impostato per misurare la resistenza dovrebbe in genere leggere circa 10 ohm,

quando le due punte sono poste a circa 1 millimetro di distanza (Figura 2). Questo

valore può variare a seconda del tipo di TCO. C'è anche un trucco semplice che non

richiede alcun strumento. Ciò è particolarmente utile per identificare quale è il lato

conduttore in qualsiasi momento durante l'assemblaggio. Raschiare (delicatamente

per non rischiare di rovinare lo strato) ogni dei due lati del vetro con una spatola di

plastica o anche con un’unghia. La parte conduttrice è quella che offre maggiore

attrito tra le due poiché il rivestimento TCO ha una superficie più ruvida rispetto al

vetro. Visivamente, il lato rivestito è anche quella che appare più “nebuloso”.

b) Pulizia del vetro conduttivo

E’ necessario pulire bene le lastre di vetro TCO prima di qualsiasi tipo di deposizione.

Assicurarsi di non utilizzare un sistema di lavaggio che potrebbe graffiare il lato

conduttivo, preferite sempre una spugna morbida (come quelle per pulire le posate

o cose simili). La scelta del detergente è anche importante. Saponi per lavare i piatti

non sono adatti per la pulizia del vetro TCO; preferite l'uso di detergenti specifici per

vetreria di laboratorio. Questi detergenti sono ottimizzati per non lasciare residui

dopo il risciacquo. Attenzione, dopo la pulizia risciacquate accuratamente le lastre di

vetro con acqua deionizzata per evitare tracce di minerali. Può anche essere usato

allo scopo alcool etilico. Per una più rapida asciugatura si può utilizzare un comune

asciugacapelli elettrico. Attenzione: d’ora in poi toccare le lastrine solo con le


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pinzette o per i bordi o usando dei guanti di lattice acquistabili nei supermercati o

nei negozi di bricolage.

2) L’ elettrodo di biossido di titanio: l’anodo della cella DSSC.

L'elettrodo di ossido di titanio (o titania) è costituito da uno strato di nanoparticelle

di biossido di titanio depositato sulla lastra di vetro TCO. Tale strato si ottiene

attraverso la deposizione di una pasta (ha la densità di un gel denso) che contiene

una sospensione di particelle di ossido di titanio. In commercio sono disponibili

formulazioni differenti adatte ad ogni tecniche di deposizione. Le particelle di titania

devono essere nell’intervallo di dimensioni di 10 - 40 nm, in modo che lo strato

risultante sia estremamente poroso una volta sinterizzato ad alta temperatura.

Figura 4 lo stato di Titania completato il processo di deposizione

Le nanoparticelle, dopo il riscaldamento, di solito portano ad un livello di

semitrasparenza il supporto vetroso/FTO su cui sono depositate. Ciò può essere

minimizzato con l'uso di particelle di titania più grandi, come descritto prima.

Esistono in commercio paste di titania già pronte per essere depositate e contenenti

nanoparticelle di diverse dimensioni e vari tipi di additivi. E' anche possibile

acquistare elettrodi di titania pre-assemblati. Nel nostro caso ci divertiremo a

preparare anche gli elettrodi, passo per passo.

a) Preparazione del sottofondo per la deposizione

Il metodo più semplice e più ampiamente usato per il deposito della pasta di ossido

di titanio su un substrato TCO è il cosiddetto metodo squeegee. La tecnica è

conosciuta anche come ”doctor blade” nella sua versione meccanizzata. Utilizza una

bacchetta di vetro cilindrica del diametro di circa 0.5 cm (o anche una lama o una

superficie piatta dura) per spalmare una piccola quantità di pasta di titania sul vetro.


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Con questa tecnica lo spessore dello strato di biossido di titanio deposititato è

determinata dallo spessore di un distanziale posizionato su entrambi i lati. Si

consiglia di utilizzare del comune Scotch quale ad esempio lo Scotch Magic della 3M

o Tartan tape (nastro adesivo bianco da carta) che hanno spessori di circa 50 micron.

Questi nastri possono essere facilmente rimossi dal vetro senza lasciare tracce di

colla.

Figura 5 e 6 prima fase della preparazione della deposizione squeegee: attaccare il nastro adesivo

Con il lato conduttivo rivolto verso l'alto, applicare due strisce parallele di nastro

adesivo sui bordi della lastra di vetro, coprendo circa 5-7 mm di vetro (Figura 5). La

zona di vetro scoperto nel centro del vetro è dove il biossido di titanio sarà

depositato. I bordi mascherati dal nastro daranno spazio per agganciare i contatti

elettrici del circuito esterno. Possiamo approfittare del nastro adesivo per tenere la

lastra di vetro in posizione corretta sul banco di lavoro (Figura 6). Questo consentirà

di evitare che la piastra si muova rendendo la deposizione molto più semplice.

b) Ripristinare una buona miscelazione della pasta di titania

La miscela di titania sotto forma di pasta densa può subire nel tempo delle divisioni

delle fasi che la compongono. Per questo motivo è bene assicurarsi di iniziare la

deposizione con una pasta omogenea:

- miscelare bene prima dell'uso - con una bacchetta di vetro o un attrezzo simile.

Evitate assolutamente di agitare il contenitore poiché questo creerebbe la

formazione di bolle d'aria nella miscela portando ad una deposizione non

omogenea della pasta sulla superficie del vetro in cui le bolle scoppiando

lascerebbero delle zone non coperte del vetro.


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Figura 7 rimescolamento della pasta di titania

c) Deposizione via metodo squeegee della pasta di titania

Applicare inizialmente una dose di pasta vicino al bordo superiore del vetro TCO tra i

due pezzi di nastro (attenzione non esagerate con le quantità!) (figura 8). Si può

stendere benissimo la pasta lungo tutta la superficie del vetro utilizzando una

bacchetta di vetro cilindrica o un vetrino da microscopio (preferibilmente molato sui

lati).Ripetete l'operazione fino ad avere un livello il più omogeneo possibile.

Figura 8 le varie fasi del procedimento di deposizione squeegee

Questa tecnica di deposizione può essere utilizzata anche per ottenere uno strato di

biossido di titanio leggermente più spesso. Questo può essere utile per aumentare

la conseguente produzione di elettricità della cella solare. Seguendo lo stesso

metodo, si possono sovrapporre due strati di nastro adesivo così da ottenere un

distanziatore più spesso per la deposizione della pasta.

Ci sono molti altri metodi di deposizione meccanizzati. Il metodo principale è la

serigrafia, che permette di deporre multistrati di biossido di titanio in modo

controllato e riproducibile. E’ il metodo più versatile e anche economico in vista di

un’applicazione industriale. Qui ci limiteremo al metodo manuale che risulta essere

nel contempo di semplice applicazione ed efficace nel produrre strati di spessore

approssimativamente costante.


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d) Sinterizzazione dello strato di titania

Per completare la deposizione dell’elettrodo di titania è necessario riscaldare il tutto

ad elevata temperatura. Con questo riscaldamento facciamo si che la parte dei

leganti della pasta di titania vengano allontanati attraverso una decomposizione

/combustione della frazione organica. Alla fina otterremo uno strato di solo ossido

di titanio sotto forma di nanoparticelle sinterizzate. Questo processo ha il duplice

effetto di assicurare il contatto elettrico tra le particelle e la buona adesione delle

stesse al substrato di vetro TCO. La sinterizzazione può avvenire in un forno o su una

piastra riscaldante programmabile. Innanzitutto è necessario rimuovere il nastro

adesivo utilizzato per la deposizione del film, poi bisogna porre la lastra di vetro

appena rivestita sul dispositivo di riscaldamento.

Figura 9 fase di sinterizzazione dell’elettrodo

Impostare la temperatura a 450 °C. Durante il riscaldamento è possibile osservare

che lo strato di biossido di titanio diventa prima marrone poi rilascia fumi di colore

giallognolo. Ciò indica l’evaporazione e combustione delle sostanze chimiche

utilizzate nella formulazione della pasta. Dopo un tempo compreso tra i 15 e i 20

minuti a 450 °C, lo strato di biossido di titanio appare di nuovo bianco o trasparente,

il che indica che il processo di sinterizzazione è completato. Occorre lasciare che il

dispositivo di riscaldamento si sia raffreddato prima di togliere il vetro col film

depositato. Un improvviso cambiamento di temperatura del supporto di vetro e

dello strato appena sinterizzato di titania possono provocarne la rottura sia dello

strato, sia del vetro.

Lo strato di nanoparticelle di titania assorbe l'umidità dell'aria con estrema facilità.

E’ bene assicurarsi di conservare gli elettrodi sinterizzati in un ambiente chiuso e


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secco subito dopo la cottura. Nel caso in cui la cella venga assemblata subito dopo

l’operazione di sinterizzazione, si può trascurare questa precauzione.

e) Creazione dello spazio per i contatti elettrici e/o per la tenuta dei morsetti del tester

L'elettrodo sinterizzato di titania deve prevedere uno spazio non coperto dal film

per il successivo collegamento elettrico. Per fare questo si può rimuovere, ad una

delle estremità, il film di titania con un attrezzo non metallico. L'area di deposizione

della titania dovrebbe essere limitata al centro del piatto di vetro (figura 10).

Figura 9 rimozione dell’eccesso di titania (sinistra); elettrodo finito (destra)

f) Adsorbimento del colorante sul film di titania

In questa metodica ci concentreremo su coloranti di origine naturale, anche se

meno efficienti dei coloranti sintetici che vengono appositamente ingegnerizzati. Le

piante verdi e i loro frutti sono una fantastica fonte di coloranti naturali che

assorbono la luce visibile. I pigmenti rossi che si trovano nei lamponi o nelle more

possono funzionare particolarmente bene nelle DSSC.

I frutti rossi sono molto utili per la sperimentazione nei corsi di formazione, in cui

l'uso dei coloranti sintetici può essere un problema a causa degli elevati costi. La

sensibilizzazione di biossido di titanio con tinture naturali consiste in un ammollo

nell’estratto di frutti sotto forma di purè o, preferibilmente, di succhi. La completa

deposizione del colorante può richiedere da alcuni minuti a diverse ore. In questa

fase le molecole di colorante dal succo di frutta vengono chimicamente legate

(adsorbite) dalle particelle di biossido di titanio.


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Figura 10 la fase di deposizione del colorante sullo strato sinterizzato di titania

Per ottenere il succo è possibile utilizzare succhi pronti, avendo l’accortezza di

filtrarli su carta da filtro per eliminare i residui di particella del frutto di maggiori

dimensioni, oppure utilizzare frutta fresca. In quest'ultimo caso occorre frantumare

i frutti rossi (more, mirtilli o lamponi) in una capsula di Petri o un contenitore

analogo. Attenzione: i frutti devono essere in quantità sufficiente per ottenere un

volume di succo adeguato a ricoprire completamente l’elettrodo di titania.

Il processo di sensibilizzazione dura da poche ore fino a 1 giorno intero. E’

opportuno attendere almeno 4 ore per consentire una concentrazione

sufficientemente elevata delle molecole di colorante sulla superficie delle nano

particelle di titania.

Al termine del processo di adsorbimento del colorante, rimuovere l'elettrodo

colorato e sciacquarlo con etanolo per eliminare le molecole che non si sono legate

chimicamente e che quindi saranno inerti. Attendere qualche minuto per far

evaporare l'etanolo o usare un asciugacapelli per asciugare delicatamente

l'elettrodo più velocemente. La titania risultante dovrebbe ora apparire rossa in

tutta la sua superficie.

3) Il contro-elettrodo o catodo

Il catodo di una cella DSSC è a base di un vetro conduttore FTO ricoperto da un

sottile strato di platino. In alternativa si può depositare uno strato di carbonio (nel

nostro caso grafite). L'alternativa del carbonio, anche se meno efficace rispetto al

platino, è più facile da preparare e meno costosa da realizzare, il che la rende

interessante per scopi didattici. Lo strato di carbonio o platino così depositato agisce

da catalizzatore per la reazione di rigenerazione dello ione ioduro (reazione 4) e


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deve perciò coprire interamente il vetrino tranne per una striscia di 4-5 mm che

servirà come contatto elettrico.

a) Da una matita

Le matite possono essere una comoda fonte di carbonio molto facile da applicare.

Iniziate con una lastra di vetro TCO/FTO di dimensioni analoghe a quella

dell’elettrodo di titania. Coprire tutta la superficie conduttiva passando su di essa la

matita. Dopo questo procedimento un discreto strato di carbonio rimarrà attaccato

al vetro. L’ elettrodo è pronto per essere assemblato nella cella, senza bisogno di

cottura o altri procedimenti.

b) Da una candela

Un altro modo per ottenere un elettrodo a base di carbone è attraverso la

deposizione di fuliggine da una candela accesa. Iniziate con una lastra di vetro

TCO/FTO di opportune dimensioni. Accendete una candela e tenete in prossimità

della fiamma il pezzo di vetro TCO con lato conduttivo verso il basso a circa 10 cm al

di sopra della fiamma. Il nerofumo è un agglomerato di particelle carboniose che

proviene dalla combustione incompleta delle cere di cui è fatta la candela; questo si

deposita sotto forma di un film nero sul lato del vetro conduttivo TCO.

Figura 11 preparazione del contro elettrodo attraverso al deposizione di uno strato di nerofumo

Il processo è molto veloce e quindi non è necessario ripeterlo. Uno strato grigio

omogeneo tendente al nero è sufficiente.

Attenzione: Lasciate la lastra di vetro a raffreddare su una superficie adatta prima di

procedere all’assemblaggio della cella; questo vi eviterà spiacevoli scottature e

preverrà la rottura del vetro TCO.


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c) Dal platino

In alternativa ricoprire il lato conduttore del vetrino con uno strato di platino,

spennellando la soluzione Platisol.

4) Assemblaggio degli Elettrodi

Abbiamo visto come preparare un anodo di FTO/titania e un catodo a base di

FTO/carbonio. Vediamo ora come assemblare i due elettrodi in una cella solare.

Quando gli elettrodi sono messi insieme, i lati attivi dell'anodo e del catodo saranno

uno di fronte all'altro. In altre parole, il biossido di titanio colorato dovrà affacciare il

contro-elettrodo di carbonio. Il vuoto lasciato tra le due lastre di vetro sarà riempito

con la soluzione liquida elettrolitica durante la fase finale.

a) Rapido e facile: la configurazione di cella aperta

Iniziate a prendere gli elettrodi appena fatti. Appoggiare il primo vetrino su una

superficie piana con il lato con lo strato di titania/colorante rivolto verso l’alto e

adagiare delicatamente sopra di esso il contro-elettrodo con lo strato di carbonio

rivolto verso il basso, lievemente sfalsato in modo da lasciare esposto il bordo

scoperto della prima lastrina: le due estremità libere, di 4-5 mm, serviranno come

contatti elettrici. Affinché la cella funzioni correttamente è importante che non ci

siano tracce d’acqua sullo strato di TiO2/colorante prima di aggiungere la soluzione

elettrolitica.

Figura 12 assemblaggio degli elettrodi

b) Sigillanti

Normalmente si utilizza una resina che, per riscaldamento, sigilla le pareti della cella

per evitare le contaminazione esterne e la fuoriuscita della soluzione elettrolitica


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che viene introdotta nel passaggio finale. Noi useremo semplicemente delle clip

normalmente impiegate per rilegare fogli di carta (Figura 12, riquadro centrale) al

fine di mantenere a contatto l’uno con l’altro gli elettrodi. Tale cella deve essere

immediatamente riempita con la soluzione dell’elettrolita poiché l’esposizione degli

elettrodi all’aria ne provoca un rapido deterioramento.

c) Riempimento della cella con l’elettrolita

Lo spazio che si è creato tra i due elettrodi deve essere ora riempito con la soluzione

elettrolitica per chiudere il circuito elettrico interno della cella e così completare la

cella DSSC. Questo avviene per effetto capillare a celle aperte. Si consiglia di

riempire le celle con l’elettrolita non appena gli elettrodi siano assemblati insieme

come descritto al punto precedente.

Dopo che gli elettrodi sono stati assemblati con le due clips, iniziate a riempire con

l’elettrolita versando con una pipetta qualche goccia (1-2 gocce saranno sufficienti)

di elettrolita all'interfaccia tra le due lastre di vetro. Attenzione: la soluzione

elettrolitica è ossidante e corrosiva e non deve andare a contatto con la pelle. Per

svolgere questa operazione è necessario utilizzare un paio di guanti protettivi o far

svolgere l’operazione ad un ricercatore esperto. Osservate come il liquido venga

trascinato per effetto capillare nella cella. Se necessario, ripetete l'operazione finché

l'intera superficie interna della cella solare appaia bagnata dalla soluzione

elettrolitica. Pulite il liquido in eccesso con carta assorbente.

La cella solare a colorante è a questo punto è completata e OPERATIVA e durerà

fintanto che il solvente evaporerà seccando l’ elettrolita.

Figura 12 la fase finale di assemblaggio, l’introduzione dell’elettrolita


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Dal momento che l'assemblaggio è stato fatto con una cella aperta, senza resina

sigillante, la performance della cella diminuisce rapidamente nel tempo. Questo

assemblaggio però consentirà di avere tutto il tempo sufficiente per misurare e

dimostrare la produzione elettrica del dispositivo fotovoltaico.

5) Test delle performance della cella solare

È ora di fare un tentativo!

Figura 13 Infine : la misura della corrente disponibile !

Collegate attraverso dei morsetti a coccodrillo un multimetro nella modalità

voltaggio (simbolo V sull’apparecchio), polo negativo (cavo nero) verso l'anodo

(elettrodo di titania) e polo positivo (cavo rosso) al contro-elettrodo (FTO/carbone).

Misurate la tensione a circuito aperto Voc con l'illuminazione in pieno

sole……dovrebbe essere di circa 0.6 V. Allo stesso modo, in modalità corrente DC

(simbolo A) misurate la corrente di corto circuito Isc della cella solare. Questo valore

può variare notevolmente a seconda della geometria della cella e delle condizioni di

luce, così come altri parametri interni alla cella, tra cui lo spessore dello strato di

titania e la composizione dell’elettrolita.

Se non avete a disposizione il sole, preferite una lampade ad incandescenza o

alogena rispetto alle lampade fluorescenti.


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Misure delle curve I/V

Se avete a disposizione uno multimetro digitale che consente di misurare

l’andamento corrente (I) contro voltaggio (V) potete fare qualcosa di più accurato e

calcolare alcuni dei parametri caratterizzanti di una cella DSSC, tra cui anche

l’efficienza globale di conversione della luce solare in elettricità, che rappresenta il

parametro più qualificante di un dispositivo fotovoltaico. Ricordiamo che la massima

efficienza raggiunta oggi da una cella DSSC si aggira attorno al 13%, contro il 15-20%

dei pannelli a base di silicio cristallino. Questo è il tipo di caratterizzazione che

utilizzano i ricercatori che studiano i dispositivi fotovoltaici di nuova generazione!

Impostate il vostro strumento in modo da ottenere una scansione di voltaggio tra -

0.1 e 0.8 V e misurate i valori di corrente (espressa in mA) in corrispondenza

dell’intervallo impostato di voltaggio.

Attenzione: dovrete fare due misure

1) In assenza di luce (potete coprire la cella con un panno scuro)

2) In presenza di luce solare

Ora inseriamo in un grafico i dati ottenuti. Quello che otterrete sarà una curva simile

a quella proposta in Figura 14. Dove la curva incontra gli assi x (voltaggio) e y

(corrente) potete leggere rispettivamente il voltaggio di circuito aperto Voc e la

corrente di corto circuito Isc, come già ottenute col multimetro.

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

0,0030

0,0025

0,0020

0,0015

0,0010

0,0005

0,0000

-0,0005

-0,0010

Cella illuminata

Cella al buio

Cu

rre

nt

[A]

Voltage [V]

Figura 14 Curva I/V di una cella DSSC

X Voc

Impp

Vmpp

X

X ISC


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Dalle due curve possiamo misurare alcuni punti caratteristici del sistema che ci

permetteranno di analizzare le prestazioni delle celle a coloranti.

Calcolo dei parametri caratteristici di cella

Oltre ai valori di Voc e Isc applicando una semplice formula possiamo misurare il fill

factor (FF) che stima la potenza massima di picco (data dal prodotto tra la corrente e

il voltaggio al punto di massima potenza, rispettivamente Impp e Vmpp) in rapporto al

prodotto tra la massima corrente e voltaggio (ISC x VOC) ottenibile dalla cella.

FF = Fill Factor (attenzione è sempre un numero < 1)

FF=I mpp× V mpp

I SC× V OC

dove:

Voc = tensione di circuito aperto

Icc = corrente di corto circuito

Impp e Vmpp = corrente e della tensione al punto di massima potenza

Avendo a disposizione il sole o una lampada con un’analoga potenza radiante (circa

300-500 W) possiamo anche calcolare l’efficienza di conversione effettiva (in %)

della cella solare a colorante, attraverso l’equazione:

ηe=V OC× I SC× FF

P in

dove:

Pin = densità di potenza della luce incidente (standardizzata a 1000 W/m2 con una

distribuzione spettrale di intensità pari a quella che presenta il sole sulla superficie

terrestre con un angolo solare zenith di 48.2°; questo spettro standard si chiama

spettro AM1.5). Lo spettro AM1.5 è quello che viene mediamente osservato


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realmente alle medie latitudini terrestri. Per questo motivo viene utilizzato come

standard dalla ricerca e industria fotovoltaica.

fotovoltaico innovativo - piano lauree scientifiche...fasi 1) descrizione dei principi di...

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