Realización de una célula fotoquímica de bajo coste
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Realización de una célula fotoquímica de bajo coste
Realización de una célula fotoquímica de bajo coste Autor: Daniel Morata García Profesor: Jordi Sellarès 31/05/2010 2 INDICE 1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 5 1.1 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... 6 1.2 ANTECEDENTES ................................................................................................. 10 1.2.1 Célula fotovoltaica ..................................................................................... 10 1.2.2 Célula fotoquímica .................................................................................... 15 1.3 OBJETIVOS ....................................................................................................... 17 1.4 ALCANCE ......................................................................................................... 18 1.5 DISEÑO PRELIMINAR ........................................................................................... 19 2. METODOS ............................................................................................................ 21 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 3. RESULTADOS ........................................................................................................ 33 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 4. GENERADOR FOTOVOLTAICO................................................................................. 34 RESULTADOS DEL PRIMER DISEÑO........................................................................... 37 COMPARACIÓN DE DOS CÉLULAS IDÉNTICAS .............................................................. 39 COMPARACIÓN CON EL FOTODIODO........................................................................ 42 INTRODUCCIÓN DEL BIAS .................................................................................... 46 PRUEBA CON OTRO COLORANTE............................................................................. 49 DEGRADACIÓN DE LA CÉLULA ................................................................................ 52 COMENTARIOS FINALES ....................................................................................... 58 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 5. CONSTRUCCIÓN DE LA PRIMERA CÉLULA FOTOQUÍMICA................................................ 22 CONSTRUCCIÓN DEL PRIMER UTILLAJE ..................................................................... 28 CONSTRUCCIÓN DE DOS CÉLULAS IDÉNTICAS ............................................................. 29 CREACIÓN DE LA CAPA DE TIO2 MÁS FINA ................................................................ 29 INTRODUCCIÓN DEL FOTODIODO ............................................................................ 29 CONSTRUCCIÓN DEL SEGUNDO UTILLAJE .................................................................. 30 COMPARACIÓN DE DIFERENTES COLORANTES ............................................................ 32 DEGRADACIÓN DE LA CÉLULA ................................................................................ 32 PLAN DE TRABAJO .............................................................................................. 59 LISTA DE MATERIALES .......................................................................................... 59 PRESUPUESTO ................................................................................................... 60 OBJETIVOS REALIZADOS ....................................................................................... 61 CONCLUSIONES ................................................................................................. 61 MEJORAS FUTURAS ............................................................................................ 63 BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................... 64 3 AGRADECIMIENTOS .................................................................................................... 66 A. ANEXOS ............................................................................................................... 67 TABLAS DE SEGURIDAD DE LOS PRODUCTOS UTILIZADOS ......................................................... 68 DATASHEET LM741 .................................................................................................. 89 DATASHEET FOTODIODO ......................................................................................... 98 4 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 1. INTRODUCCIÓN 5 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 1.1 Justificación La energía solar fotovoltaica, al igual que otras energías renovables, constituye, frente a los combustibles fósiles, una fuente inagotable, contribuye al autoabastecimiento energético nacional y es menos perjudicial para el medio ambiente, evitando los efectos de su uso directo (contaminación atmosférica, residuos, etc.) y los derivados de su generación (excavaciones, minas, canteras, etc.). Los efectos de la energía solar fotovoltaica sobre los principales factores ambientales son los siguientes: Clima: la generación de energía eléctrica directamente a partir de la luz solar no requiere ningún tipo de combustión, por lo que no se produce polución térmica ni emisiones de CO2 que favorezcan el efecto invernadero. Geología: Las celdas fotovoltaicas se fabrican con silicio, elemento obtenido de la arena, muy abundante en la naturaleza y del que no se requieren cantidades significativas. Por lo tanto, en la fabricación de los módulos fotovoltaicos no se producen alteraciones en las características litológicas, topográficas o estructurales del terreno. Suelo: al no producirse ni contaminantes, ni vertidos, ni movimientos de tierra, la incidencia sobre las características físico-químicas del suelo o su erosionabilidad es nula. Aguas superficiales y subterráneas: No se produce alteración de los acuíferos o de las aguas superficiales ni por consumo, ni por contaminación por residuos o vertidos. Flora y fauna: la repercusión sobre la vegetación es nula, y, al eliminarse los tendidos eléctricos, se evitan los posibles efectos perjudiciales para las aves. Paisaje: los paneles solares tienen distintas posibilidades de integración, lo que hace que sean un elemento fácil de integrar y armonizar en diferentes tipos de estructuras, 6 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste minimizando su impacto visual. Además, al tratarse de sistemas autónomos, no se altera el paisaje con postes y líneas eléctricas. Ruidos: el sistema fotovoltaico es absolutamente silencioso, lo que representa una clara ventaja frente a los generadores de motor en viviendas aisladas. Medio social: El suelo necesario para instalar un sistema fotovoltaico de dimensión media, no representa una cantidad significativa como para producir un grave impacto. Además, en gran parte de los casos, se pueden integrar en los tejados de las viviendas. Por otra parte, la energía solar fotovoltaica representa la mejor solución para aquellos lugares a los que se quiere dotar de energía eléctrica preservando las condiciones del entorno; como es el caso por ejemplo de los Espacios Naturales Protegidos Unos de los principales inconvenientes de las células fotovoltaicas convencionales es que necesitan de una gran inversión inicial para poder realizar una instalación y poder generar energía eléctrica. Esto es debido a los materiales con los que están construidas. Otro problema de las células fotovoltaicas es el tiempo en que se recupera la inversión. Este puede oscilar entre 20 y 30 años dependiendo del volumen de la instalación. En los paneles fotovoltaicos se consigue una buena fiabilidad junto a una larga vida útil que puede ser de unos 30 años ya que hay que tener en cuenta que los paneles carecen de partes móviles y que las células están encapsuladas. Aunque las células fotoquímicas no tengan una larga vida útil como las células fotovoltaicas una de las razones por la cual es interesante la realización de la célula fotoquímica es por su bajo coste, ya que los materiales con los que está construida son fáciles de conseguir y muy baratos. En la actualidad hay procesos industriales en los que se requiere de estos materiales como por ejemplo el dióxido es estaño (SnO 2), el dióxido de titanio (TiO2) y el colorante. 7 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste El dióxido de titanio es la principal fuente comercial del titanio. Aproximadamente el 95% del titanio que se consume lo hace en forma de dióxido de titanio, debido a las múltiples aplicaciones industriales que tiene. o Los pigmentos de dióxido de titanio se utilizan principalmente en la producción de pinturas y plásticos, así como en papel, tintas de impresión, cosméticos, productos textiles, farmacéuticos y alimentarios. El dióxido de titanio es el pigmento más habitualmente utilizado en el mundo, que proporciona a los productos finales una brillante blancura, opacidad y protección o En el sector de las artes gráficas (impresión) donde se opera con espesores de recubrimientos de menos de 0,01 milímetros, se utilizan pigmentos de dióxido de titanio muy finos. o También tiene aplicaciones en las fibras sintéticas, eliminando la apariencia grasosa causada por las propiedades translúcidas de la resina. Los pigmentos de anatasa son preferidos en esta aplicación. o Otras áreas de aplicación del dióxido de titanio incluyen la industria cerámica, la manufactura de cemento blanco y el coloreado de hule o linoleo, Los pigmentos de dióxido de titanio también se utilizan como absorbentes de rayos UV en productos para el bronceado, jabones, polvos cosméticos, cremas, pasta de dientes, papel de cigarro y la industria cosmética. o El dióxido también se ha empleado como agente blanqueador y opacador en esmaltes de porcelana, dando un acabado final de gran brillo, dureza y resistencia al ácido un pigmento blanco permanente que se emplea en pinturas, papel y plásticos, asimismo tiene una amplia gama de aplicaciones en la industria química en general. 8 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste El dióxido de estaño o Se usa como revestimiento protector del cobre, del hierro y de diversos metales usados en la fabricación de latas de conserva. o Su uso también es de disminuir la fragilidad del vidrio. o Los compuestos de estaño se usan para fungicidas, tintes, dentífricos (SnF2) y pigmentos. o Se usa para hacer bronce, aleación de estaño y cobre. o Se usa para la soldadura blanda, aleado con plomo. o Se usa en aleación con plomo para fabricar la lámina de los tubos de los órganos musicales. o En etiquetas o Recubrimiento de acero. El colorante se puede encontrar fácilmente en la naturaleza porque se pueden utilizar diferentes tipos, ya sea el zumo que desprende la frambuesa, el de arándanos, clorofila o incluso una infusión de te rojo. La idea con la que se ha realizado este proyecto no ha sido la de mejorar las actuales células fotovoltaicas sino la de introducir la célula fotoquímica y poder ver algunas diferencias entre ellas. 9 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 1.2 Antecedentes 1.2.1 Célula fotovoltaica La célula solar es un dispositivo semiconductor capaz de convertir los fotones procedentes del Sol en electricidad de una forma directa e inmediata. Esta conversión se conoce con el nombre de efecto fotovoltaico. Las células solares tienen muchas aplicaciones. Son particularmente interesantes y han sido históricamente utilizadas para producir electricidad en lugares donde no llega la red de distribución eléctrica, tanto en áreas remotas de la Tierra como del espacio, haciendo posible el funcionamiento de todo tipo de dispositivos eléctricos como satélites de comunicaciones, radioteléfonos o bombas de succión de agua. Ensambladas en paneles o módulos y dispuestas sobre los tejados de las casas, por medio de un inversor, pueden inyectar electricidad generada en la red de distribución para el consumo, favoreciendo la producción global de energía primaria de un país, de manera limpia y sostenible. Historia de las células solares fotovoltaicas El término fotovoltaico viene del griego (luz) y del nombre del físico italiano Volta, de donde proviene también voltio y voltaje. Literalmente significa luz y electricidad. El efecto fotovoltaico fue atribuido por primera vez, en 1839, al físico francés Alexandre-Edmond Becquerel, sin embargo, no fue hasta 1883 cuando Charles Fritts construyó la primera célula fotovoltaica, recubriendo un semiconductor de selenio por una fina capa de oro, formando las primeras uniones p-n. Este pequeño dispositivo sólo tenía una eficiencia del 1%. Russell Ohl patentó la moderna célula solar en 1946. 10 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste Electrones y huecos Como sabemos, la materia está compuesta por átomos, los cuales a su vez están formados por dos partes bien diferenciadas: el núcleo, dotado de carga eléctrica positiva y los electrones, que giran alrededor del núcleo en diferentes bandas de energía, con carga negativa que compensa a la del núcleo. Este conjunto, en condiciones normales, se mantiene estable y es eléctricamente neutro. A los electrones de la última capa se les ha dado el nombre de electrones de valencia y tienen la característica de poder relacionarse con otros similares, formando una red cristalina. En base al comportamiento de los electrones de esta última capa, se puede hacer una división de los materiales eléctricos en: conductores, semiconductores y aislantes. Cuando un fotón choca contra un trozo de silicio pueden pasar tres cosas: o El fotón atraviesa el silicio y sigue su camino. o El fotón es reflejado por la superficie de silicio. o El fotón es absorbido por el silicio. Esto ocurre cuando la energía del fotón es similar a la energía que liga a los electrones de valencia con el núcleo. En este último caso, el fotón cede su energía al electrón y puede romper el enlace que le vincula al núcleo, quedando libre para circular por el semiconductor. El lugar dejado por el electrón se llama hueco y tiene carga positiva (igual a la del electrón pero de distinto signo). Estos huecos también se desplazan, ya que el electrón liberado es susceptible de caer en un hueco próximo. Este fenómeno de que un electrón ocupe la posición dejada por otro, se conoce con el nombre de recombinación. 11 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste Cuando la luz solar bombardea con fotones la superficie de un semiconductor, los pares de electrones-huecos creados se desplazan hacia zonas no iluminadas donde se recombinan y estabilizan al perder actividad. Sin embargo al moverse ambos en la misma dirección, no se produce corriente eléctrica. Para que se produzca una corriente eléctrica es necesario que los electrones-huecos se muevan en direcciones opuestas. Esto se puede conseguir creando un campo eléctrico en el interior del semiconductor. La región n y la región p Existen varias formas de crear un campo eléctrico en el interior de un semiconductor, casi todas ellas se basan en el potencial de contacto y la afinidad que ciertos materiales tienen por los electrones. En las células solares, lo que se suele hacer es unir dos regiones del silicio que han sido tratadas químicamente de forma diferente. Una de las regiones, la denominada n ha sido dopada, impurificada con fósforo u otro material. Este material tiene 5 electrones de valencia, uno más que el silicio, de modo que esta región muestra una afinidad por los electrones menor que el silicio. 12 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste La otra región, denominada p, ha sido dopada con boro u otro material. Este material tiene sólo tres electrones de valencia, por lo que su afinidad para captar electrones es mayor que la del silicio puro. Si unimos estas dos regiones, la unión p-n así formada presenta una diferencia de potencial que hace que los electrones liberados vayan hacia la zona p y los huecos hacia la zona n, produciéndose una corriente eléctrica. 13 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 14 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 1.2.2 Célula fotoquímica Una célula solar sensibilizada por colorante (Dye-sensitized solar cell o DSSC) es una nueva célula solar de bajo coste y pertenece al grupo de células solares de película fina o de tercera generación. Esta célula fue inventada por Michael Gräetzel y Brian O’Reagan en la Escuela Politécnica Federal de Lausanne (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) en 1991 y también se conoce como célula Graetzel. La célula solar Graetzel produce electricidad mediante un principio foto-electroquímico, cambiando la energía luminosa en energía eléctrica. Se trata de una aplicación de la Biónica, cuya función también se denomina celda electroquímica de color. Esta célula pudo ser construida con materiales de bajo coste y con un proceso de fabricación muy simple. La estructura de la célula consiste en dos electrodos planos (electrodo simple y electrodo compuesto) y un tinte que genera electrones al contacto con la luz. El electrodo simple es básicamente un vidrio eléctricamente conductor y el electrodo compuesto está construido de nanocristales de dióxido de titanio (TiO 2) depositado en un vidrio conductor. El principio de funcionamiento de la célula es el siguiente: la luz solar pasa a través de electrodo simple y el tinte impregnado en el electrodo compuesto absorbe la luz. Cuando una molécula de tinte absorbe la luz, un electrón pasa a tener un estado excitado y puede saltar desde el tinte a la banda de conducción del TiO2. En el electrodo compuesto el electrón se difunde desde el TiO2 hacia el vidrio conductor. Desde allí el electrón es llevado hacia el electrodo simple mediante un cable. Después de haber perdido un electrón, la molécula del tinte se encuentra oxidada, es decir, tiene un electrón menos. La molécula del tinte recupera su estado inicial cuando el 15 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste electrón es reinyectado a través del electrodo simple. De esta manera el proceso se transforma en un ciclo que genera corriente eléctrica. 16 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 1.3 Objetivos En el presente proyecto se pretende elaborar una célula fotovoltaica de tercera generación (célula fotoquímica o de Gräetzel) para su posterior estudio. Se estudiarán los materiales con los que está compuesta y se comprobará como éstos son fáciles de obtener ya que en la industria actual hay procesos que necesitan de estos materiales. También se podrá ver como estos materiales son accesibles a un bajo precio. Se pondrán a punto una serie de técnicas para la realización y caracterización de las células. También se dará mucha importancia a los temas relacionados con la seguridad, ya que para la construcción de la célula se necesitan productos químicos y se verá cómo tratarlos. Se realizará la construcción de varias células fotoquímicas intentando construir una capa de dióxido de titanio los más fina y uniforme posible. Se probarán diversos colorantes y se compararán entre ellos para ver como varía el rendimiento de las células. Se realizará el electrolito y se comprobará la duración y el rendimiento de la célula en función de la degradación de éste. Una vez la célula esté construida se evaluarán los resultados de ésta. Se participará en las jornadas internacionales del sol y viendo SUNDWIN 2010 en el campus de Terrassa para la divulgación de este proyecto. En general con este proyecto no se quiere mejorar el rendimiento de las actuales células fotovoltaicas sino introducir la célula fotoquímica y estudiarla desde diferentes perspectivas. Lo que se pretende es desarrollar una metodología para que en el futuro se puedan realizar estudios más innovadores. 17 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 1.4 Alcance En el presente proyecto se realizará la construcción de varias células fotoquímicas de bajo coste y se verá cómo se pueden construir de una manera sencilla. Los principales temas a estudiar serán los electrodos transparentes, el electrolito y el colorante. Para empezar hay que mirar la ficha de seguridad de los materiales adquiridos (adjunta en el anexo I) porque son productos químicos y pueden llegar a ser perjudiciales para las personas que los manipulen. Para la construcción de las células se utilizaron guantes de vinilo, gafas de protección y mascarilla, según la recomendación de las fichas se seguridad. Se realizará la construcción de diversas células con diferentes acabados, como por ejemplo diferentes capas de TiO2, diferentes electrolitos, etc. para poder estudiarlas y compararlas entre ellas y también compararlas con un fotodiodo. Se construirán dos utillajes, uno para poder obtener valores de una forma más sencilla y después caracterizar las células fotoquímicas, y otro para poder leer valores de tensión en función de la intensidad que da la célula. Con estos utillajes construidos se caracterizarán las células y se obtendrán valores para poder estudiarlas y llegar a algunas conclusiones. También se divulgará en el Campus de Terrassa los resultados obtenidos. 18 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 1.5 Diseño preliminar Para empezar en la literatura hace mención de los productos con los que vamos a tratar y para la realización del proceso del TiO 2 aconseja llevar máscara, gafas de seguridad y guantes. Según la literatura para la realización de la célula fotoquímica se necesita que las partículas de dióxido de titanio (TiO2) sean lo más pequeñas posibles para maximizar el área y para que las reacciones ocurran de manera más rápida. Por esto aconseja antes de empezar el proceso machacar el dióxido de titanio. Una vez hecho esto, hay que poner el dióxido de titanio (TiO 2) sobre la parte conductora del vidrio, expandirlo y ponerlo en el mechero bunsen durante unos 15 minutos a unos 450oC. El siguiente paso es colorear el dióxido de titanio con el tinte natural: colorear el lado blanco de la placa de vidrio cubierta de dióxido de titanio (TiO2). Este vidrio ha sido previamente recubierto de una capa conductiva transparente (SnO 2), y depositada una película porosa de TiO2. Zarzamoras machacadas (frescas o congeladas), frambuesas, semillas de granada, o té rojo en un cucharón de agua. Remojar la película por 5 minutos en un líquido para que ésta se coloree hasta alcanzar un color rojo púrpura intenso. Si ambos lados de la película no están uniformemente coloreados, entonces se debe colocar nuevamente en el jugo por 5 minutos más. Lavar la película con etanol y secar suavemente con una tela absorbente. Seguidamente hay que recubrir el contraelectrodo: La célula solar necesita una placa positiva y una placa negativa para su funcionamiento. Al electrodo positivo se le llama contraelectrodo, el cual, se forma con un substrato de vidrio con una capa conductora de SnO2. Para identificar el lado conductor del vidrio puede utilizarse un multímetro. Hay que aplicar una capa delgada de grafito (carbón catalítico) sobre el lado conductor de la placa. 19 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste El último paso es añadir el electrolito y ensamblar la célula solar: La solución de yoduro sirve de electrolito en la célula solar para cerrar el circuito y para regenerar la tintura. Colocar la placa coloreada de tal forma que el lado recubierto por la película este en alto, después poner una o dos gotas de la solución de yoduro sobre la parte coloreada de la película. Entonces hay que colocar el contraelectrodo encima de la película coloreada para que el lado conductor del éste quede sobre la película. Balancear las placas para que los bordes de cada placa queden expuestos. Estas servirán de punto de contacto para los electrodos negativo y positivo de tal forma que podamos extraer la electricidad y probar el funcionamiento de la célula solar. Finalmente hay que utilizar dos pinzas para mantener juntos los dos electrodos en las esquinas de las placas. 20 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 2. METODOS 21 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 2.1. Construcción de la primera célula fotoquímica Para empezar con el proceso se puso una capa de dióxido de titanio en forma de polvo sobre el cristal (sobre la parte conductora) y se intentó sinterizar a unos 500 oC durante unos 20 minutos pero no funcionó ya que la capa de dióxido de titanio no quedó adherida al cristal. Como el paso anterior no funcionó, se hizo una disolución, la cual llevaba 6 gramos de dióxido de titanio y 9 ml de ácido acético. Esta mezcla se realizó en un mortero para que quedara una especie de pasta y quedara bien mezclado. Después, esta pasta se repartió por el cristal y se sinterizó a unos 500oC durante 20 minutos, pero tampoco funcionó porque la capa de dióxido de titanio se agrietó. 22 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste Finalmente también se puso un poco de agua (10ml) a la mezcla anterior para que quedara una especie de pintura y se repartió la pasta por el cristal y como en los pasos anteriores, también se sinterizó durante 20 minutos a unos 500oC. Esto sí que funcionó ya que la pasta quedó adherida al cristal. Una vez acabado esto se realizó el electrólito. Para hacerlo se utilizó yodo, yoduro de potasio y etilenglicol. En la bibliografía recomendaba utilizar 0,5M de yoduro de potasio mezclado con 0,05M de yodo. Para poder calcular la cantidad necesaria se necesitaba saber el peso molecular de los productos que para el yodo es 253,81g/mol y para el yoduro de potasio 166g/mol entonces: 23 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste o Yodo: 0,5M mol g 253,81 10ml l mol ml 1000 l 0,05M o Yoduro de potasio : g mol 166 10ml l mol ml 1000 l 0,13g 0,83g Cuando se obtuvieron estos resultados con una balanza de precisión se hizo la mezcla en el disco de petri para después en el mortero poder realizar una mezcla. Una vez mezclado, se añadió etilenglicol para que quedara líquido. Esto se guardó en un recipiente de plástico. 24 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste El siguiente paso fue poner colorante, en este caso las frambuesas, encima de la capa de TiO2. Se chafaron las frambuesas en el mortero y con el líquido que desprendieron se bañó la capa. Se dejó unos 5 minutos para que la capa de TiO2 lo absorbiera. Después se puso el electrólito realizado anteriormente encima de esta capa para poder finalizar una parte de la célula. 25 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste El último paso fue coger otro cristal idéntico al primero, pero en este caso sólo había que pasarle una capa de grafito por la parte conductora, pero no funcionó porque el grafito no quedó fijado en el cristal. Se decidió poner el cristal sin el grafito para poder probar el funcionamiento de la célula. Finalmente se unieron los dos cristales ligeramente desplazados y fijados por dos pinzas de cocodrilo para poder poner el multímetro por las dos caras y poder realizar las mediciones. Al tener la célula montada se fue al exterior para realizar mediciones y comprobar que funcionaba. Los resultados que se obtuvieron fueron de 0,293V y 57,5µA como se puede observar en las siguientes fotografías: 26 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 27 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 2.2. Construcción del primer utillaje Para poder realizar las mediciones y obtener resultados se construyó un pequeño utillaje el cual contenía dos resistencias variables (una de 10kΩ y otra de 100kΩ) en el que colocando dos multímetros, uno en serie y otro en paralelo, se obtenían los valores de intensidad y voltaje de la célula para después poder dibujar los gráficos Intensidad – Voltaje. El esquema del utillaje es el siguiente: 10k A 100k V 28 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 2.3. Construcción de dos células idénticas Una segunda prueba realizada fue la de construir dos células idénticas para ver la diferencia que existía entre ellas. La construcción de estas dos células fue idéntica a la realización de la primera, explicada anteriormente, y con el utillaje construido se pudieron obtener diferentes valores de tensión y corriente para después poder observar los resultados y realizar el gráfico Intensidad – Voltaje. 2.4. Creación de la capa de TiO2 más fina Otra de las pruebas posteriormente realizadas fue la de crear capas muy finas de TiO 2 ya que en algunos artículos aconsejaba que éste fuera prácticamente transparente para poder captar mejor los fotones. Los resultados obtenidos no mejorarán el primer diseño. 2.5. Introducción del fotodiodo A partir de aquí se intenta hacer una caracterización más completa añadiendo una corriente de bias para poder ver la parte positiva y negativa en los gráficos. También se introduce la novedad de un fotodiodo para poder estudiarlo y compararlo con la célula. 29 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste El fotodiodo es un diodo semiconductor, construido con una unión PN, como muchos otros diodos que se utilizan en diversas aplicaciones, pero en este caso el semiconductor está expuesto a la luz a través de una cobertura cristalina y a veces en forma de lente, y por su diseño y construcción será especialmente sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Todos los semiconductores tienen esta sensibilidad a la luz, aunque en el caso de los fotodiodos, diseñados específicamente para esto, la construcción está orientada a lograr que esta sensibilidad sea máxima. Los diodos tienen un sentido normal de circulación de corriente, que se llama polarización directa. En ese sentido el diodo deja pasar la corriente eléctrica y prácticamente no lo permite en el inverso: es la base del funcionamiento de un diodo. Pero en el fotodiodo la corriente que está en juego (y que varía con los cambios de la luz) es la que circula en sentido inverso al permitido por la juntura del diodo. Es decir, para su funcionamiento el fotodiodo está polarizado de manera inversa. Se producirá un aumento de la circulación de corriente cuando el diodo es excitado por la luz. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente en ausencia de luz recibe el nombre de corriente de oscuridad. 2.6. Construcción del segundo utillaje Seguidamente se construyó otro utillaje para poder leer valores de tensión en función de la intensidad que proporcionara la célula. Se creó porque se realizó una prueba dentro del laboratorio en el que la célula fotoquímica estaba dentro de una insoladora donde recibía los rayos ultravioletas. Se intentó obtener la respuesta de la célula en el tiempo mediante una tarjeta de adquisición de datos. 30 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste El esquema de este segundo utillaje es el siguiente: 100k 2 7 6 3 + - 5 10k + --- 4 Vout 31 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 2.7. Comparación de diferentes colorantes Otra de las pruebas realizadas fue la de obtener datos sin depositar ningún colorante sobre la capa de TiO2 y la de probar con otro colorante como el te rojo. Se pudo observar que sin colorante funcionaba pero proporcionaba menos intensidad. 2.8. Degradación de la célula Finalmente la última prueba realizada fue la de comprobar la degradación de la célula. Para la realización de la prueba se tomaron datos para después dejar la célula expuesta a las inclemencias del tiempo durante un día. Al día siguiente se obtuvieron los valores de ésta y se compararon con las del día anterior. También se puso un poco de electrolito para verificar que la capa de TiO2 y el colorante no había degradado. 32 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 3. RESULTADOS 33 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste En este apartado se mostrarán todos los resultados obtenidos de todas las pruebas realizadas. Para poder llegar a conclusiones se comparará la célula fotoquímica con la célula fotovoltaica y el fotodiodo. 3.1. Generador fotovoltaico Un generador fotovoltaico ideal produce corriente aproximadamente proporcional a la fuerza con la que incide la luz, en paralelo con un diodo. Si se conecta una carga resistiva en paralelo, parte de la corriente producida por la radiación solar circulará por esa resistencia y otra parte por el diodo. Como se muestra en la figura anterior el voltaje aplicado en la carga es igual al voltaje del diodo y la intensidad es: I IF ID 34 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste El diodo es un elemento de conducción no lineal por lo que la curva Intensidad – Voltaje, en general, es la siguiente: ID I s (exp( VD ) 1) VT siendo Is y VT características del generador. Sustituyendo en la primera ecuación obtendríamos la función que describe la curva característica Intensidad – Voltaje: I IF V I S (exp( ) 1) VT 35 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste En un generador fotovoltaico real aparece una componente resistiva interna del generador y de los contactos, representada en serie con el generador y una componente resistiva a causa del cristal semiconductor, representada en paralelo. I II I S (exp[(1 RS V RS V ) ] 1) (1 ) RL VT RL RP En nuestro caso hemos considerado que tanto R p como RL eran muy superiores a R S y por lo tanto hemos asignado un valor 0 a ésta última. 36 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 3.2. Resultados del primer diseño En la primera prueba realizada a la primera célula construida, se obtuvieron los siguientes valores: I(µA) 2,7 3,4 4,2 5,2 6,4 7,4 8,6 9,4 10,5 11,3 12,5 13,3 14,7 15,7 16,5 17,3 V(mV) 267 262 254 245 231 221 209 202 194 188 179 175 163 155 147 144 P (W) 7,209*10-7 8,908*10-7 1066,8*10-6 1,274*10-6 1,4784*10-6 1,6354*10-6 1,7974*10-6 1,8988*10-6 2,037*10-6 2,1244*10-6 2,2375*10-6 2,3275*10-6 2,3961*10-6 2,4335*10-6 2,4255*10-6 2,4912*10-6 18,3 19,7 20,3 21,6 22,4 23,7 24,7 25,7 26,4 27,7 28,7 29,4 30,5 31,4 33,1 34,4 136 126 122 110 102 89 82 73 49,3 39,5 33,2 28,3 21,1 14,8 3 0 2,4888*10-6 2,4822*10-6 2,4766*10-6 2,376*10-6 2,2848*10-6 2,1093*10-6 2,0254*10-6 1,8761*10-6 1,30152*10-6 1,09415*10-6 9,5284*10-7 8,3202*10-7 6,4355*10-7 4,6472*10-7 9,93*10-8 0 37 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste Como se puede observar en el gráfico y en la tabla, se obtuvo una corriente máxima de 34,4µA y un voltaje de 267mV. Mirando la tabla también podemos ver la potencia máxima obtenida, que es de 2,5µW Como se ha visto en el apartado anterior, el gráfico resultante tendría que tener una componente exponencial, que es introducida por el diodo, pero en nuestro caso el gráfico tiene un comportamiento lineal debido a la aparición de una componente resistiva en el interior de la célula. Esto es debido a que la capa de dióxido de titanio no es uniforme y existen pequeños cortocircuitos en la célula, esto es porque el electrodo principal está en contacto con el contraelectrodo. Otra causa por la que este fenómeno ocurre es porque no pudimos fijar la capa de grafito en el contraelectrodo. El grafito es un catalizador de la reacción química entre el electrolito y el electrodo. La importancia relativa del contraelectrodo respecto a los cortocircuitos del electrodo aumentaría gracias al catalizador. Para calcular el rendimiento de la célula se calculará la potencia por metro cuadrado que ésta dará. Los cristales con los que se ha construido la célula son de 2,5cm cada uno, pero hay que restar un poco de superficie ya que los vidrios están un poco desplazados para poder conectar las pinzas y así obtener los resultados. La superficie es de 2,5cm x 1,8cm que es igual a 4,5cm 2. La potencia máxima que obtenemos es de 2,5µW. 2,5 μW 4,5cm 2 5,5555 10 7 W/cm 2 10000cm 2 1m 2 5,5555 10 3W/m2 5,5555mW/m2 38 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 3.3. Comparación de dos células idénticas En este apartado lo que se pretendía era la ver la capacidad que se tenía para poder crear dos células idénticas. Esto era difícil porque crear una capa de dióxido de titanio uniforme y con el mismo espesor es muy complicado si no se dispone de las herramientas y procedimiento adecuados. Como se verá a continuación los resultados difieren un poco. I(µA) V(mV) 0,6 65,1 0,7 60,1 0,9 54,8 1 50 1,1 43,7 1,3 39,1 1,4 35,1 1,5 30 1,7 25,4 1,8 21 2 16,5 2,2 11,1 2,4 4,9 2,6 1,9 Tabla célula 1 P (W) 3,906*10-8 4,207*10-8 4,932*10-8 5*10-8 4,807*10-8 5,083*10-8 4,914*10-8 4,5*10-8 4,318*10-8 3,78*10-8 3,3*10-8 2,442*10-8 1,176*10-8 4,94*10-9 39 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste Como se observa en la tabla la potencia máxima obtenida es de 4,914*10 -8 W, el voltaje máximo es de 65,1mV y la corriente máxima es 2,6µA. Aquí los resultados son más bajos porque la capa de dióxido de titanio realizada intentó que quedara un poco más fina que la anterior. Como en el caso anterior también calcularemos la potencia por metro cuadrado que puede ofrecer la célula para después hacer una valoración general. 4,914 10 8W 4 ,5cm 2 1,092 10 8W/cm 2 10000cm 2 1m 2 1,092 10 5W/m 2 Este valor es bastante bajo porque se realizó la experiencia un día nublado. I(µA) 0,8 0,9 1 1,1 1,3 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,1 V(mV) 77,05 71,7 66,5 62 55,8 48,8 42,8 36,5 31,3 24,2 19,9 14,7 9,9 4,1 2 P (W) 6,164*10-8 6,453*10-8 6,65*10-8 6,82*10-8 7,254*10-8 6,832*10-8 6,848*10-8 6,57*10-8 6,26*10-8 5,324*10-8 4,776*10-8 3,822*10-8 2,772*10-8 1,23*10-8 6,2*10-9 Tabla célula 2 40 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste La potencia máxima obtenida en esta célula es de 6,57*10-8W, la corriente máxima es de 3,1 µA y el voltaje de 77,05mV. Los resultados son bastante parecidos a la célula anterior aunque difieren un poco, por eso calcularemos la potencia por metro cuadrado que podemos obtener con esta célula. 6,57 10 8W 4 ,5cm 2 10000cm 2 1,46 10 W/cm 1m 2 8 2 1,46 10 5W/m 2 Como podemos ver, la potencia de la célula de menor rendimiento es un 75% del de la de mayor rendimiento. Se trata de una diferencia significativa que hay que tener en cuenta cuando se comparan células aparentemente iguales. En el apartado de la creación de la capa de TiO2 más fina los resultados obtenidos fueron erróneos y no se pudo construir ningún gráfico. Se intentó hacer esta capa tan 41 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste fina porque en algunos artículos leídos lo recomendaba pero no se pudo conseguir porque no se disponía del material adecuado. En los artículos recomendaba una capa de 5 a 10nm. 3.4. Comparación con el fotodiodo En la cuarta prueba se introduce un fotodiodo para poder comparar los valores obtenidos anteriormente con los de éste. Se obtienen los siguientes valores: I(µA) 4 10 15 20 25 30 35 40 44 50 55 60 70 76 80 85 90 96 102 105 V(mV) 502 500 499 499 498 497 496 495 495 493 491 490 488 487 485 486 483 482 481 478 P (W) 2,008*10-6 5*10-6 7,485*10-6 9,98*10-6 1,245*10-6 14910*10-6 1,736*10-5 1,98*10-5 2,178*10-5 2,465*10-5 2,7005*10-5 2,94*10-5 3,416*10-5 3,7012*10-5 3,88*10-5 4,131*10-5 4,347*10-5 4,6272*10-5 4,9062*10-5 5,019*10-5 110 120 131 143 151 160 170 182 188 213 227 249 259 313 322 340 352 366 371 380 533 476 472 465 461 457 453 448 443 437 425 417 404 397 350 339 311 280 210 162 11 0 5,236*10-5 5,664*10-5 6,0915*10-5 6,5923*10-5 6,9007*10-5 7,248*10-5 7,616*10-5 8,0626*10-5 8,2156*10-5 9,0525*10-5 9,4659*10-5 1,00596*10-4 1,02823*10-4 1,0955*10-4 1,09158*10-4 1,0574*10-4 9,856*10-5 7,686*10-5 6,0102*10-5 4,18*10-6 0 42 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste La potencia máxima obtenida 1,0955*10-4W, la corriente máxima es de 380µA y el voltaje máximo es de 502mV. La superficie del fotodiodo, según las características adjuntadas en el anexo, es de 7,5mm2, por la tanto se puede decir que el fotodiodo tiene un mejor rendimiento que la célula. Cogiendo la potencia máxima que hemos obtenido que es de 1,0955*10 -4W y la superficie del fotodiodo se calculará la potencia por metro cuadrado que puede proporcionar éste. 1,0955 10 4 W 7 ,5mm 2 1000000mm 2 1,4606 10 W/mm 1m 2 5 2 14,6066W/m 2 43 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste Para comparar el fotodiodo se realizó una nueva célula como la primera que se creó. Los resultados obtenidos fueron los siguientes: I(µA) 1,8 2 3 4 5 6 7 8 9,1 10 11 V(mV) 208 202 168 145 131 117 106 96 87 80 73 12 13 14,1 15 16 17 18 19,1 21 22 24 26,9 67 61 56 53 48 44 37 35 25 21 10 0 44 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste La forma del gráfico no es lineal porque cuando se pone el electrolito en la célula hay que esperar unos minutos a que la célula se estabilize. Los resultados obtenidos son muy parecidos al de la primera célula, por lo tanto, se cogerán aquellos valores para poder compararlos con los obtenidos por el fotodiodo. La potencia por metro cuadrado del fotodiodo es de 14,6066 W y la de la primera célula es de 5,5555mW por metro cuadrado. Suponiendo que el fotodiodo tiene un rendimiento del 10% se calculará el rendimiento de la célula: 14,6066W 10% 5,5555mW X El rendimiento de la célula es de 0,004% 45 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 3.5. Introducción del BIAS Fotodiodo con bias I(µA) 4 10 20 30 40 50 60 70 80 90 105 120 131 143 151 V(mV) 505 500 499 497 495 493 490 488 485 483 478 472 465 462 457 170 182 188 213 227 249 259 313 322 340 352 371 380 423 369 448 443 437 425 417 404 397 350 339 311 280 162 11 79 -168 46 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste Esta prueba se realizó para poder ver la parte positiva y negativa de los gráficos y ver como se comportaba el fotodiodo y la célula. Los valores obtenidos son los mismos que los anteriores pero añadiendo la parte negativa del gráfico. En el gráfico se observa como la corriente se estabiliza en la parte negativa. Célula con bias I(µA) 1,8 2 3 4 5 6 7 8 9,1 10 11 12 13 14,1 15 V(mV) 208 202 168 145 131 117 106 96 87 80 73 67 61 56 53 16 17 18 19,1 21 22 24 26,9 88 91,5 109 148 170 193 48 44 37 35 25 21 10 0 -190 -200 -245 -330 -387 -430 47 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste En el caso de la célula, al no tener la misma función que el fotodiodo, la corriente no se estabiliza en la parte negativa. Otra de las pruebas realizadas fue poner una célula en la insoladora para que recibiera rayos ultravioletas y poder ver como variaba ésta con el tiempo. Los datos se adquirieron mediante una tarjeta de adquisición de datos. Los resultados obtenidos no fueron satisfactorios porque para los instrumentos de que se disponía en el laboratorio la subida de corriente era instantánea. 48 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 3.6. Prueba con otro colorante La realización de esta prueba consistió en crear tres células idénticas pero poniendo diferente colorante sobre la capa de TiO2. Se probó con el colorante que se estaba poniendo hasta ahora, que era el zumo de frambuesa, con una infusión de te rojo y también se quiso probar sólo con la capa de TiO2, sin depositar ningún colorante sobre ella. Colorante de te rojo I(µA) 2,4 2,9 3,2 3,5 3,7 4 4,2 4,4 4,6 V(mV) 190 180 170 160 150 139 129 120 110 P (W) 4,56*10-7 5,22*10-7 5,44*10-7 5,60*10-7 5,55*10-7 5,56*10-7 5,418*10-7 5,28*10-7 5,06*10-7 4,8 5 5,3 5,5 5,8 6 6,2 6,4 6,5 99 90 77 66 50 40 21 10 0 4,752*10-7 4,5*10-7 4,081*10-7 3,63*10-7 2,90*10-7 2,40*10-7 1,302*10-7 6,4*10-8 0 49 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste La corriente máxima que se obtiene es de 6,4µA, el voltaje es de 190mV y la potencia máxima es de 5,56*10-7W. 5,56 10 7W 4,5cm 2 1,2355 10 7W/cm 2 10000cm 2 1m2 1,2355 10 3W/m2 1,23mW / m2 CON FRAMBUESAS I(µA) 2,7 3,2 3,5 3,8 4 4,3 4,5 4,8 5,1 5,4 V(mV) 289 279 270 260 250 240 230 220 208 199 P (W) 7,803*10-7 8,928*10-7 9,45*10-7 9,88*10-7 1*10-6 1,032*10-6 1,035*10-6 1,056*10-6 1,0608*10-6 1,0746*10-6 5,7 6 6,1 6,4 6,8 7,1 7,6 7,9 8,3 9 9,7 187 176 170 158 146 136 122 115 106 95 80 1,0659*10-6 1,056*10-6 1,037*10-6 1,0112*10-6 9,928*10-7 9,656*10-7 9,272*10-7 9,085*10-7 8,798*10-7 8,55*10-7 7,76*10-7 50 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste La corriente máxima obtenida es de 9,7µA, el voltaje es de 289mV y la potencia máxima es de 1,0746*10-8. 1,0746 10 6 W 4 ,5cm 2 2,388 10 7 W/cm 2 10000cm 2 1m 2 2,388 10 3 W/m 2 2,38mW / m 2 SÓLO CON TIO2 I(µA) 0,05 0,08 1 1,5 2,9 3,6 3,9 4,8 5,2 6,6 V(mV) 55,5 50 43 38 29 23 16 10 5,4 0 P (W) 2,775*10-9 4*10-9 4,3*10-9 5,7*10-9 8,41*10-8 8,28*10-8 6,24*10-8 4,8*10-8 2,808*10-8 0 51 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste La corriente máxima obtenida es de 5,2µA, el voltaje es de 55,5mV y la potencia máxima es de 8,41*10-8W 8,41 10 8 W 4,5cm 2 1,8688 10 8 W/cm 2 10000cm 2 1m 2 0,187mW/m 2 La célula fotoquímica también funciona sin colorante pero se ha comprobado que poniendo colorante sobre la capa de TiO2 el rendimiento de la célula aumenta. Podemos sacar algunas conclusiones interesantes sobre el papel del colorante. La introducción del colorante mejora el rendimiento de la célula en un orden de magnitud. Por otro lado, existen diferencias notables entre colorantes debido a su diferente capacidad de captar fotones. En nuestro caso, la diferencia entre la frambuesa y el te rojo es de doble o mitad. 3.7. Degradación de la célula En esta prueba se pretendía ver la duración de la célula con el electrolito durante su exposición al sol. Se comprobó que al no estar totalmente cerrada se degradó y que su rendimiento bajó porque el electrolito se evaporó. 52 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste Primer día: I(µA) 6,1 6,2 6,7 7,1 7,3 7,8 8,3 8,7 9,1 9,3 9,6 V(mV) 66,8 67,8 60 52,2 46,9 36,4 26 17,7 10,1 5,3 0 P 4,0748*10-7 4,2036*10-7 4,02*10-7 3,7062*10-7 3,4237*10-7 2,8392*10-7 2,158*10-7 1,5399*10-7 9,191*10-8 4,929*10-8 0 53 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste Al colocar la célula al sol se obtuvieron unos valores aproximadamente como en las anteriores pruebas. La corriente máxima fue de 9,3µA, el voltaje de 66,8mV y la potencia máxima de 4,2036*10-7W. 4,2036 10 7 W 4,5cm 2 9,3413 10 8 W/cm 2 10000cm 2 1m 2 9,3413 10 4 W/m 2 Hay que comentar que estas medidas se realizaron con luz artificial para evitar que debido a las diferencias en la intensidad de la luz natural no nos permitieran recoger la tendencia debida a la degradación de la célula. Esta célula se dejó cortocircuitada durante un día a la exposición de las inclemencias del tiempo y a las 24 horas se volvieron a tomar valores que fueron los siguientes: Segundo día: I(µA) 0 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 1,9 2,1 2,4 2,5 2,7 2,9 3 3,1 3,2 V(mV) 223 131,3 121,2 113 102,9 93,3 81,4 69,7 55 45 35,7 26 17,1 10 4 P (W) 0 1,5756*10-7 1,5756*10-7 1,695*10-7 1,6464*10-7 1,6794*10-7 1,5466*10-7 1,4637*10-7 1,32*10-7 1,125*10-7 9,639*10-7 7,54*10-7 5,13*10-7 3,1*10-8 1,28*10-8 54 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste La corriente máxima obtenida fue de 3,2µA, el voltaje de 223mV y la potencia máxima de 1,695*10-7W. 1,695 10 7W 4,5cm 2 3,7666 10 8W/cm 2 10000cm 2 1m2 3,7666 10 4W/m2 Cuando se obtuvieron los resultados anteriores se puso un poco de electrolito sobre la capa de TiO2 y se volvieron a tomar valores para comprobar que eran como los del día anterior. 55 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste I(µA) 6 6,3 6,6 6,9 7,2 7,7 8,4 9,1 V(mV) 70,2 68,9 59,9 54,5 48,4 38,1 17,6 10,3 P (W) 4,212*10-7 4,3407*10-7 3,9534*10-7 3,7605*10-7 3,4848*10-7 2,9337*10-7 1,4784*10-7 9,373*10-8 Como se puede observar en la tabla, la corriente máxima es de 9,1µA, el voltaje es de70,2mV y la potencia máxima es 4,3407*10.7W. 4,3407 10 7 W 4,5cm 2 10000cm 2 9,646 10 W/cm 1m 2 8 2 9,646 10 4 W/m 2 56 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste Como hemos podido observar la célula se degrada. Ahora bien, hay que achacar la mayor parte de la degradación a la pérdida del electrolito. De hecho, la parte más problemática en la realización de células fotoquímicas es el sellado de las células para evitar la fuga del electrolito. En nuestro caso al no estar sellada la célula hay que poner electrolito para que vuelva a dar su máximo rendimiento. En el caso del colorante, no se ha apreciado una degradación apreciable en un día. 57 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 4. COMENTARIOS FINALES 58 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 4.1. Plan de trabajo o Estudio de seguridad. o Realización de la primera prueba: Creación de la primera célula fotoquímica. Se realiza la “pintura” de TiO2, el electrolito y se utilizan frambuesas para el colorante. o Se construye el primer utillaje para obtener valores de intensidad y voltaje. o Realización de la segunda prueba: Se crean dos células idénticas para ver la diferencia entre ellas. o Realización de la tercera prueba: Se realizan capas muy finas de TiO2. o Se construye un segundo utillaje para leer voltajes. o Realización de la cuarta prueba: Se intenta realizar una caracterización más completa añadiendo una corriente de bias. También se introduce el fotodiodo para poder compararlo con la célula fotoquímica. o Realización de la quinta prueba: Se intenta ver cómo responde la célula en función del tiempo. o Realización de la sexta prueba: Se prueban diversos colorantes para ver el comportamiento de la célula. o Realización de la séptima prueba: Se intenta ver como degrada la célula cuando está expuesta a las inclemencias del tiempo. 4.2. Lista de materiales o Cristal con capa de Dióxido de Estaño (SnO2) o Dióxido de Titanio (TiO2 P25) o Yodo o Yoduro de Potasio o Etilenglicol o Ácido acético 59 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste o Discos de Petri o Mortero o Pipeta o Mechero Bunsen o Balanza de precisión o Recipientes o Guantes o Mascarilla o Gafas o Frambuesas o Te rojo 4.3. Presupuesto Se realiza un pequeño presupuesto con los materiales obtenidos de la empresa Sigma – Aldrich. MATERIALES ITO coated glass Ethylene glycol Iodine Potassium Iodide Aeroxide TiO2 P25 TOTAL REFERENCIA 703176-10PAK 324558-1L 207772-100g 60400-100g-F - PRECIO 32,20€ 70,60€ 39,00€ 25,00€ 0€ 166,8€ El dióxido de titanio fue suministrado como muestra por la empresa Quimidroga. 60 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 4.4. Objetivos realizados o Se ha desarrollado una metodología para realizar células fotoquímicas a partir de materiales fáciles de conseguir. o Se han diseñado y realizado unos utillajes para facilitar la tarea de caracterizar células fotoquímicas. o También se ha desarrollado una metodología para caracterizar las células fotoquímicas. o Se ha utilizado dicha metodología para evaluar la uniformidad de las células construidas, el rendimiento en función del grosor, y el efecto de diferentes tipos de colorantes. o Se ha realizado un estudio de seguridad. o Se ha divulgado parte de estos resultados en las jornadas de energías renovables del campus de Terrassa (Sunwind) 4.5. Conclusiones o Existe una amplia literatura sobre la realización de células fotoquímicas pero no todos los procedimientos descritos son adecuados. Hemos encontrado dificultades sobre todo en la aplicación de la capa de dióxido de titanio y en la aplicación del catalizador en el contraelectrodo. Precisamente son estos puntos los que necesitan más mejoras y están peor resueltos en el presente proyecto. o El rendimiento de nuestras células fotoquímicas es cuatro órdenes de magnitud inferior al de un fotodiodo comercial. o No obstante, el proceso de realización es mucho más sencillo en comparación con el complicado proceso para fabricar una célula fotovoltaica. 61 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste o Existen notables diferencias entre células realizadas aparentemente de la misma manera, en nuestro caso hasta del 25%. Por este motivo hay que tener cautela a la hora de comparar resultados entre células diferentes. o Hemos obtenido mejores resultados con capas de dióxido de titanio relativamente gruesas, pero no tanto como para que se agrieten durante el proceso de sinterización. o El efecto del colorante es un incremento de un orden de magnitud respecto a la misma célula sin colorante. No todos los colorantes tienen la misma eficiencia. Por ejemplo, la frambuesa es el doble de eficaz que el te rojo. o El tiempo de reacción a la luz es inferior al medio segundo. En cambio, una vez se ha realizado la célula se obtiene el mayor rendimiento pasados unos minutos. o Los modelos habituales referidos a células fotovoltaicas también son aplicables en este caso, siempre que se tenga en cuenta la resistencia interna. o En este sentido, la resistencia interna de las células resulta ser muy inferior a lo deseable, lo cual provoca una desviación notable de la curva ideal de un diodo. Lo más probable es que dicha desviación sea debida a una falta de uniformidad en la capa de dióxido de titanio unida a la ausencia de una capa de catalizador en el contraelectrodo. o Para aplicaciones serias es imprescindible sellar la célula para evitar pérdidas de electrolito. o No se ha apreciado degradación del colorante tras una exposición de un día a la luz solar. 62 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 4.6. Mejoras futuras Este proyecto se puede continuar de muchas maneras. De hecho pretende ser un primer paso en el estudio de las células fotoquímicas. Algunas de estas continuaciones pueden ser las siguientes: o Realización de un prototipo de tamaño medio con electrolito sellado pensando en aplicaciones prácticas. o Aplicación de un catalizador en el contraelectrodo. o Encontrar un método práctico para realizar y sensibilizar capas de dióxido de titanio. o Buscar una alternativa al dióxido de estaño (ITO) más sencilla para realizar electrodos transparentes. o Mejora del colorante, del electrolito, … o Estudio de las células bajo condiciones más controladas (simulador solar) y estudio de la sensibilidad a diferentes longitudes de onda. 63 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 5. BIBLIOGRAFIA 64 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. http://www.solideas.com/ http://www.cefetba.br/fisica/NFL/PBCN/solar/solareng.html http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor http://es.wikipedia.org/wiki/Union_PN http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotovoltaica http://en.wikipedia.org/wiki/Dye-sensitized_solar_cell http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=2210#_Gratzel_Cells_and http://bama.ua.edu/~chem/seminars/student_seminars/fall04/papersf04/wan-sem.pdf 9. http://www.eifer.uni-karlsruhe.de/162.php 10. http://www.elp.uji.es/juan_home/research/solar_cells.htm 11. http://www.solaronix.com/technology/assembly/ 12. http://www.camse.org/scienceonthemove/documents/DSSC_manual.pdf 13. http://spie.org/x27632.xml?ArticleID=x27632 14. http://www.technologyreview.com/read_article.aspx?id=17490&ch=biztech &sc=&pg=1 15. http://www.chefseattle.com/articles/raspberry-solar-cell.html 16. http://www.rci.rutgers.edu/~dbirnie/solarclass/DSSC.pdf 17. http://www.worldscibooks.com/etextbook/p217/p217_chap08.pdf 18. http://www.sardegnaricerche.it/documenti/13_143_20081120125730.pdf 19. http://books.google.com/books?id=eA68g4ec7UUC&dq=solar+energy+projec ts,+Gavin+Harper&printsec=frontcover&source=bn&hl=es&ei=IXHS68qzKrhBtuiwNEN&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=4&ved=0CC8Q 6AEwAw#v=onepage&q&f=false 65 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste AGRADECIMIENTOS o Agradecemos a la empresa Quimidroga que nos haya suminstrado gratuitamente el dióxido de titanio para la realización de este proyecto. o A la línea de investigación DILAB que se haya hecho cargo del coste de los materiales. 66 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste A. ANEXOS 67 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste Tablas de seguridad de los productos utilizados 68 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 69 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 70 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 71 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 72 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 73 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 74 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 75 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 76 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 77 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 78 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 79 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 80 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 81 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 82 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 83 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 84 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 85 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 86 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 87 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 88 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste DATASHEET LM741 89 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 90 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 91 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 92 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 93 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 94 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 95 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 96 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 97 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste DATASHEET FOTODIODO 98 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 99 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 100 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 101 Realización de una célula fotoquímica de bajo coste 102