色素増感太陽電池またはフルーツティーからの太陽電池の作り方

色素増感太陽電池の革新により、デバイスの可能性が広がり、高価なシリコン太陽電池が完全に失われる可能性があります。

次の記事では、ごく普通の材料を使用して、この多用途の色素増感太陽電池を簡単に構築する方法について説明します。

この実験は、植物の有機化合物、特に太陽電池の電子供与体として機能する有機色素を利用するという概念に依存しています。

太陽電池の半導体材料であるシリコンの代わりに、半導体でもある酸化チタン（TiO2）を使用しました。 TiO2の特性により、有機染料で「増感」された場合、太陽光をさらによく吸収することができます。

色素増感太陽電池の効率は、従来の太陽電池の効率の3分の1よりも7％高くなっています。これは大きな利点ではありませんが、色素増感太陽電池は、複雑なシリコンセルに比べて製造プロセスが単純なため、安価です。

未来の太陽電池？

色素増感太陽電池が商業的に成功するまでには数年かかるかもしれませんが、特定の問題が解決されれば、正しい道を歩むことができます。

第一に、酸素が最終的に細胞に損傷を与えるため、細胞の長期的な安定性の問題に取り組む必要があります。

ラズベリーやフルーツティーから適切な染料を取り出すことができます。低放射率（low-E）ガラスや酸化チタンなどの他のいくつかのコンポーネントを追加すると、キットを構成するためのすべての材料が揃っています。この実験では、赤い染料にローズシップティーを使用しています。

必要な材料

• 片面に電流伝導層を備えた板ガラス（ピース）。これらはキットで入手でき、オンラインで見つけることができます。あるいは、低放射率ガラスを使用することもできます。この材料は断熱窓の製造に組み込まれているため、ガラス工から入手できます。 5 x 2cmの寸法の2つのピースを入手することをお勧めします。
• TiO2とポリエチレングリコール。後者は様々な軟膏の標準成分ですが、この実験では、酸化チタンを懸濁するために使用されます。
• これらのアイテムは地元の化学者から購入できます。また、ポリエチレングリコールが流動性であることに加えて、分子量が300であることを確認する必要があります。
• インターネットからキットを購入する場合、通常は白いサスペンションが付属しているため、作業が簡単になります。 TiO2の粒子サイズが正確（約20nm）で細かく分離されていることは確かにわかります。これは、自分で行う場合に取得するのが非常に困難です。
• ホワイトナーとして、白い歯磨き粉、Tipp-Ex、白いペンキ、または酸化チタンを含む同様の物質を含めることができます。
• この実験では、電解質として65％エタノール中のヨウ素の溶液を使用しました。これはうまく機能しますが、通常の電解液の3分の1の電流しか生成しません。
• 私たちのテストで使用したフルーツティーはローズヒップですが、ハイビスカスも機能します。
• ガスキャンプストーブとライター。
• クランプ、リング、スクリーンを備えた1つの実験用スタンド。スクリーンの機能は、ベーキング中にガラスを支えることです。
• ピペットですが、持っていない場合は、酸化チタン懸濁液をガラスにドリブルさせることで、小さじ1杯を代わりに使用できます。
• ピンセット、ケトル、ティーポット、ヘアドライヤー、セロテープ。
• アルミホイルのシート。
• ペトリ皿または通常のフラットボウルまたはスーププレート。
• グラファイト鉛筆と酸化チタンを広げるためのガラスまたはプラスチックカード。
• 1つのマルチメータセット。

色素増感太陽電池のしくみ

色素増感太陽電池の構造は、片面に導電層を備えた2枚の平らなガラス板で構成されています。導電性コーティングは通常、金属酸化物から作られています。

多孔質層を作成するために一緒に焼き付けられた約20nmのTiO2結晶の葦のコーティング（約10μm）が、2枚のガラスの間に識別されます。

次に、染料がこの多孔質コーティング上に配置されます。業界では、増感太陽電池用に選択された色素は貴金属ルテニウムを含んでいます。

ただし、天然に利用可能な赤色染料は、目的のテストに利用できます。酸化チタン結晶の非常に小さなサイズとそれらの間のギャップのために、多孔質構造は巨大な有効表面積を含み、染料コーティングは非常に薄いです。

染料はお粗末な導電体であるため、これは正しく動作するために重要です。

光線が色素分子に当たると、電子が二酸化チタンに放出されます。

電子は、酸化チタンとガラス板の間に配置された導電性コーティング（作用電極）に集まります。

対極として機能するために裏側にもう1つの導電層が必要であり、電極間のギャップには電解液が供給されます。

これは、非常に揮発性で毒性のある工業用アセトニトリル電解質ではなく、単純なヨウ素塩溶液が適用される場所です。電解質溶液中の三ヨウ化物分子は、対極に到達するように「強制」されて、ヨウ化物分子を形成します。

これは、触媒が電極に導入され、鉛筆からのグラファイトが入る場合にのみ発生します。工業レベルでは、使用される触媒は非常に高価なプラチナです。

この実験は電子を必要とします。もう一方の電極の過剰な電子は、利用できる電位を生成します。

電極が負荷を使用して外部に接続されている場合、電流が流れる可能性があります。

溶液中のヨウ化物分子は、電子を色素に放棄し、プロセス中に三ヨウ化物分子に変換し、その結果、電気回路が完成します。

太陽電池の基板は、厚さ約2mmの通常の窓ガラスで、透明な導電性の金属酸化物層（酸化亜鉛など）が付いています。残念ながら、このコーティングは自分で作ることはできません。

ステップバイステップの手順

色素増感太陽電池の製造手順を以下に説明と写真で示します。

チタン粉末の粒度は、以下に示すように約15〜25nmです。

1. と混ぜる ポリエチレングリコール 、油性乳化剤であり、粘稠なクリームが得られるまで調合剤を注意深く攪拌する。

2）電解質については、エタノール中のヨウ素を選択できますが、結果は市販のレドックス電解質と比較して平均を下回る可能性があります。

3）マルチメータユニットをつかみ、抵抗範囲を設定して、ガラス片のどちら側が導電性であるかを調べます。

4）次に、導電面を上に向けてセロテープでガラスをテーブルに固定します。

5）ピペットをお持ちの場合は、TiO2クリームまたはペーストを少し引き出し、ガラスの導電性表面に数滴垂らします。

6）次に、プラスチックカードまたは別のガラス片を使用して、滴を完全に打ちます。ガラス片をTio2ペーストの上にそっとスライドさせて、均一なコートを作成してみてください。

7）次に、ガラスの周りのセロテープを引き上げて、テーブルから外します。

8）オーブンまたはガスストーブのような直火でコーティングを焼くことをお勧めします。予想気温は約450℃です。セットしたら、バーナーの炎の数センチ上にサポートスクリーンを配置し、その上にTiO2コーティングを施したガラス片を配置します。

9）酸化チタン層は、有機物を含んでいるため、ベーキング手順の開始時に色が茶色に変わります。ただし、プロセスの終了時にTiO2の色が白に変わることを確認する必要があります。

10）ガラスを適切に冷却することを強くお勧めします。そうしないと、ガラスが粉々になる可能性があります。ヒントは、ガラスをより涼しい場所（通常は端の近く）にスライドさせ、ホットスクリーンから急いで移動させないことです。

11）沸騰したお湯でフルーツティーを準備する時が来ました。私たちの実験では、使用する水を減らし、ティーバッグを増やしました。淹れたてのフルーツティー溶液を大きなボウルに注ぎます。フルーツティーバッグがない場合は、赤ビートジュース、ラズベリージュース、さらには赤インクを使用することもできます。

12）ガラス片が室温付近に達したら、ボウルに注意深くスライドさせ、数分間浸します。

13）浸漬プロセスが進むにつれて、シャープペンシルから得られる多くのグラファイトで2番目のガラス片の導電性側を覆い始めることができます。このコーティングは、電極から電解質に電子を輸送するための触媒として機能します。

14）次に、導電性ガラス片を茶浴から取り出します。酸化チタン層はお茶の色を吸収します（写真の中央を参照）。その後、きれいな水またはエタノールでガラスをすすぎ、 ヘアドライヤーを使用して、水滴をすべて取り除きます 。

15）次に、2つのガラス片を、導電性の表面が向かい合って両端がオフセットするように配置します。 TiO2がこすり落とされる可能性があるため、両方のガラスが滑り落ちないように細心の注意を払う必要があります。

16）この後、ペーパークリップを使用してガラス片をまとめることができます（わずかに変更するか、通常のセロテープを巻き付けます。

17）次に、2つのガラス片の間に電解液を追加します。ガラス片の両側に電解液を数滴垂らすことをお勧めします。毛細管現象により、ガラスの間に電解液が引き込まれます。

18）これで、フルーツジュースベースの色素増感太陽電池をテストする準備が整いました。マルチメータを使用すると、電圧（約0.4 V）と電流（約1 mA）を測定できます。スタジオの照明のため、結果は少し異なります。さらに、複数のクロコダイルクリップを使用して、より多くのセルを直列に拡張できます。

工業化された色素増感太陽電池のように、ガラス片を密封するステップは無視します。これにより、ガラス片を再び利用できるようになります。その場合は、ガラス片を分離し、表面を水で完全に洗い、軽くこすり洗いするだけです。グラファイトコーティングを完全に除去することは不可能であるため、将来の実験で正確な目的のために対極ガラスを再度利用することをお勧めします。

画像提供：youtube.com/watch？v = Jw3qCLOXmi0