Semana Nacional de la Ciencia y la Tecnología

12 da Edición 9 al 20 de junio de 2014

Instituto de Física del Litoral (IFIS Litoral, CONICET-UNL)

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

Las células o celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en electricidad.

Las que se conocen comúnmente se parecen a esta Fabricadas con silicio, un elemento químico con propiedades de semiconductor.

Un físico suizo llamado Michael Graetzel las diseñó y las construyó en la década de los 90.

Pensó en una celda de bajo costo y alta eficiencia, fabricada con materiales “amigos” del medio ambiente.

¿Cómo funciona una celda de colorantes naturales?

naturales?

Antes de responder, pensemos en la fotosíntesis… Las plantas toman “energía solar” gracias a la

clorofila

que poseen sus hojas (colorante verde) y la convierten en “energía

química”

… que es el alimento necesario para la vida de la planta

Nuestra celda solar funciona a partir de la energía que toma del sol, formando un circuito eléctrico …

Produce Energía eléctrica CÁTODO (+) e Solución electrolítica e e e Electrones ÁNODO (-) Absorbe energía solar o luz

La celda solar de Graetzel está formada por varias capas de diferentes materiales, como si fuese un “sandwich”… Vidrio recubierto en la cara interior con dióxido de estaño, SnO

2

+ Lámina de grafito depositada sobre el vidrio (b)

(a) Electrodo positivo (+) Yoduro de potasio Electrodo negativo (-)

Vidrio recubierto en la cara interior con dióxido de estaño ,

SnO 2

(a) +

Capa de dióxido de titanio,

TiO 2

, material semiconductor de color blanco, teñida con un colorante natural de origen vegetal (d)

• Solución de dióxido de titanio, TiO

2

• Solución electrolítica: yoduro de potasio 0,5 M + yodo en etilenglicol libre de agua 0.05 M • Acetona, etanol y agua • Moras o remolachas o repollo morado, para extraerles su colorante natural • Placas de vidrio con capa conductora transparente de dióxido de estaño, SnO

2

, en una de sus caras • Fuente de luz (retroproyector, o reflector) • Voltímetro de aguja • Parafilm • Plato hondo • Sujetadores “manito” • Cinta adhesiva transparente • Papel absorbente • Lápiz de grafito suave, 4B • Trincheta, tijeras, pinzas • Varilla de vidrio o de plástico

1. Preparación de las placas conductoras, ánodo y cátodo: a) Lavar la superficie de las placas de vidrio con acetona. Nota: Sujetar las placas de vidrio por los bordes o con pinzas

para evitar tocar la cara conductora de las placas.

b) Usar un voltímetro para determinar qué lado del vidrio contiene la superficie conductora o dióxido de estaño (SnO

2

). Colocando las dos puntas en la placa de vidrio, se oirá un “pip” en el lado conductor.

2. Preparación del ánodo de TiO

2

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

2

en la parte superior del vidrio y distribuirla colocando la varilla de vidrio horizontalmente.

2. Preparación del ánodo de TiO

2

(continúa) c) Dejar secar la película al aire durante aproximadamente 10 minutos, y luego retirar la cinta. Realizar el recocido en horno a 450  C por 30 minutos . Nota: Se puede usar un mechero Bunsen y calentar la placa a unos diez centímetros de la llama azul por unos 3 a 5´. La pasta blanca cambiará de un color blanco a uno marrón después de un minuto y después regresará a su color nuevamente.

Si el TiO 2 se deja secar a temperatura ambiente por un tiempo suficiente, no es necesario calentar, en absoluto.

2.

d) e)

Preparación del ánodo de TiO

2

(continúa) Machacar la fruta o verdura fresca en un plato hondo, con una pequeña cantidad de agua, hasta extraer su colorante natural. Sumergir el vidrio en el colorante, con la película de TiO

2

abajo, durante 10 min, hasta teñir la película blanca.

hacia

2.

Preparación del ánodo de TiO

2

(continúa) f) Retirar el vidrio empleando las pinzas, y enjuagarlo con agua. Para eliminar el agua dentro de la película porosa de TiO

2

, enjuagarlo con etanol, y secarlo suavemente con papel.

3. Preparación del cátodo de grafito

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

4. Armado de la celda

a) b) Cortar un trozo de Parafilm suficientemente grande como para cubrir toda la superficie del electrodo recubierto de TiO

2

. Colocar ligeramente el Parafilm sobre el electrodo, trazar un rectángulo alrededor del TiO

2

con un lápiz. Colocar el Parafilm sobre la mesa y recortar con cuidado el rectángulo, de manera de dejar una “ventana” o “pileta” dentro del Parafilm.

4.

c) Armado de la celda (continúa) Quitar el papel trasero del Parafilm y colocarlo sobre el electrodo, dejando al descubierto toda la superficie de TiO

2

. Frotar suavemente el Parafilm sobre el vidrio, para adherir el film al electrodo de TiO

2

. d) Colocar 2-3 gotas de la solución electrolítica de yoduro en la “pileta” del electrodo revestido de TiO

2

.

4.

e) Armado de la celda (continúa) Colocar un electrodo sobre el otro, desplazados entre sí, y sujetarlos para formar el “sandwich”.

Ánodo de TiO

2

Cátodo de grafito Sujetadores tipo manito

Conectar el extremo con forma de “cocodrilo” del

cable rojo

al

electrodo positivo (cátodo) de grafito,

y el otro extremo del cable a la salida del instrumento donde indica “V” o medida de potencial. Conectar el extremo con forma de “cocodrilo” del cable negro al electrodo negativo

(ánodo) de TiO

2

, y el otro extremo del cable a la salida del voltímetro que se denomina Común. Finalmente, iluminar la celda con una lámpara potente.

¿Qué se observa en el instrumento?

El funcionamiento de estas celdas se puede resumir en las siguientes tres etapas:

1) Interacción entre el sol y la sustancia colorante 2) Interacción entre la sustancia colorante, el semiconductor y el electrodo de vidrio-estaño 3) Retorno de los electrones a la celda, para completar el circuito eléctrico

1) Interacción entre el sol y la sustancia colorante

El colorante adsorbido sobre la capa del material semiconductor (TiO

2

) interactúa con la luz visible proveniente del sol. Tal como lo hace el pigmento verde de una hoja. En otras palabras, parte de la energía que el sol emite en forma de radiación (compuesta de fotones de distintas frecuencias) es captada por el colorante.

¿De qué manera es captada esa energía?

Algunos electrones que pertenecen a los átomos de la sustancia colorante reciben esta energía, de forma tal que les permite moverse de sus lugares, desplazarse y “viajar”…

Sustancia colorante Huecos

De esa manera estos electrones abandonan los átomos dejando “huecos” en el lugar que ocupaban.

¿Hacia dónde van esos electrones?

2) Interacción entre la sustancia colorante, el semiconductor y el electrodo de vidrio-estaño

Estos “electrones viajeros” que provienen del colorante, pasan a ocupar espacios vacíos que poseen los átomos de la capa de

TiO 2

(esto es así por tratarse de un semiconductor).

Colorante Electrodo negativo o ánodo

Esta capa se transforma en un “puente” que los electrones del colorante atraviesan para llegar hasta el dióxido de estaño depositado sobre el vidrio que hace de electrodo negativo.

2) Interacción entre la sustancia colorante, el semiconductor y el electrodo de vidrio-estaño

CÁTODO (+) Solución electrolítica e Electrones ÁNODO (-) Luz

3) Retorno de los electrones a la celda, para completar el circuito eléctrico

Voltímetro de aguja, mide la señal eléctrica Yoduro de potasio

Ánodo (-) Cátodo (+) Image Courtesy of NIMS NOW (c) 2008 Los “electrones viajeros” que salen del electrodo negativo se dirigen hacia el

electrodo positivo de grafito

, a través de los cables que conectan la celda al instrumento.

Desde el cátodo, los electrones vuelven a la celda. La solución de yoduro de potasio los transporta hasta el colorante, para completar el circuito eléctrico y llevar al colorante a su estado "normal“ que tenía inicialmente.

3) Retorno de los electrones a la celda, para completar el circuito eléctrico

Señal eléctrica e CÁTODO (+) e Solución electrolítica de yoduro de potasio Permite la circulación de electrones entre los electrodos e Luz ÁNODO (-) e Electrones

La aguja del instrumento indica que entre los electrodos de la celda construida aparece una tensión o voltaje de aproximadamente 500 milivoltios ó 0,5 voltios.

¿Alcanza la energía generada con esta celda para encender una ?

Una forma más compleja de ver el circuito de la celda sería…

Revistas científicas y páginas web de donde se tomó la información para esta presentación: • Smestad, G. P.; Gratzel, M. Journal of Chemical Education 1998, vol. 75, pp.752 756.

• "Photovoltaics" Solar Energy Technologies Program. US Department of Energy http://www1.eere.energy.gov/solar/photovoltaics.html

• http://lpi.epfl.ch/graetzel • http://solucionessolares.blogspot.com.ar/2012/06/celda-solar-casera-gratzel proyecto-de.html

• http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=tPT6Vl84Dt4

El IFIS Litoral agradece la visita de las alumnos del Colegio Nuestra Señora de Adoratrices, Escuela Particular Incorporada N o 2035 Santa Rosa de Lima y Escuela de Educación Secundaria Orientada N o 262 "República Argentina“, de la ciudad de Santa Fe, durante la Semana de la Ciencia y la Tecnología 2014.

Claudio Bonin Luisa Cencha Emanuel Elizalde Luisina Forzani Ana María Gennaro Adalberto Iglesias Oscar Marín Débora Martino Silvia Montoro Raúl Urteaga

IFIS Litoral www.ifis.santafe-conicet.gov.ar