Weird Science

Fotoogniwo uczulane barwnikiem

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (3/2017):

Ilustracja

Ples M., Foto­o­gniwo uczu­lane barw­ni­kiem. Czego możemy nau­czyć się od natury?, Che­mia w Szkole, 3 (2017), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 6-12

Czego możemy nau­czyć się od natury?

Zasada zacho­wa­nia ener­gii mówi, że nie może ona pow­stać z niczego, ani znik­nąć bez­pow­rot­nie. Skąd więc pocho­dzi cała ener­gia, z której korzy­stamy w naszym życiu? Chwila zasta­no­wie­nia wystar­czy, by stwier­dzić, że głów­nym źródłem tej ener­gii jest Słońce.

Ener­gia nie­siona przez świa­tło sło­neczne zostaje prze­ksz­tałc­ona przez rośliny na dro­dze foto­syn­tezy w ener­gię wiązań che­micz­nych związ­ków budu­jących ich ciała. Rośliny oraz inne orga­ni­zmy pro­wa­dzące foto­syn­tezę są pod­stawą wszel­kich sys­te­mów prze­miany mate­rii i ener­gii na Ziemi. Rów­nież wyko­rzy­sty­wane przez nas paliwa kopalne wzięły swój początek z roz­kła­da­jących się ciał orga­ni­zmów roślin­nych.

Nie cała ener­gia pro­mie­nio­wa­nia sło­necz­nego tra­fia­jącego do gór­nych warstw atmos­fery ziem­skiej dociera do powierzchni pla­nety. Około 50% tego pro­mie­nio­wa­nia zostaje odbite w kosmos lub poch­ło­nięte w atmos­fe­rze. Suma­ryczna ener­gia, jaka dociera do pozio­mej powierzchni w ciągu jed­nego roku wynosi od 600 kWh/m2 w kra­jach skan­dy­naw­skich do ponad 2500 kWh/m2 w cen­tral­nej Afryce [1].

Ener­gia sło­neczna jest więc pow­szech­nie dostępna. Fakt, że korzy­stamy do tej pory głów­nie z paliw kopal­nych powo­du­jących duże zagro­że­nie dla śro­do­wi­ska jest spo­wo­do­wany trud­no­ściami natury tech­nicz­nej. Ener­ge­tyka sło­neczna jest gałęzią prze­my­słu zaj­mu­jąca się wyko­rzy­sta­niem ener­gii pro­mie­nio­wa­nia sło­necz­nego, która jest zali­czana do odna­wial­nych źródeł ener­gii. Jest to dzie­dzina sto­sun­kowo młoda, ale od początku XXI wieku zano­to­wano znaczne przy­spie­sze­nie w kwe­stii jej roz­woju.

Jeśli cho­dzi o prze­ksz­tałc­a­nie ener­gii świetl­nej pro­mie­nio­wa­nia sło­necz­nego w uży­teczne dla czło­wieka formy ener­gii to naj­pow­szech­niej wyko­rzy­stuje się dzi­siaj dwie metody:

Inne metody, np. kon­wer­sja foto­che­miczna na dzień dzi­siej­szy mają dużo mniej­sze zna­cze­nie.

Kon­wer­sja foto­ter­miczna wyko­rzy­sty­wana jest jest naj­czę­ściej do pod­grze­wa­nia wody. Ist­nieją zarówno nie­wiel­kie przy­do­mowe insta­la­cje tzw. kolek­to­rów sło­necz­nych, jak i duże cie­płow­nie dostar­cza­jące pod­grzaną w ten spo­sób wodę do zróżn­i­co­wa­nych odbior­ców.

Kon­wer­sję foto­wol­ta­iczną pro­wa­dzi się nato­miast przy wyko­rzy­sta­niu ele­men­tów nazy­wa­nych ogni­wami foto­wol­ta­icz­nymi lub foto­o­gni­wami – często są one dosyć obra­zowo nazy­wane ogni­wami sło­necz­nymi.

Foto­o­gniwa są wytwa­rzane z mate­ria­łów półp­rze­wod­ni­ko­wych, dziś naj­czę­ściej z krzemu Si, a daw­niej z selenu Se (Fot.1).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Dostępne komer­cyj­nie foto­o­gniwa; u góry – foto­o­gniwa krze­mowe, poni­żej – foto­o­gniwo sele­nowe

Poje­dyn­cze ogniwo z kry­sta­licz­nego krzemu wytwa­rza nomi­nal­nie napięcie ok. 0,5 wolta. Dzięki połącze­niu sze­re­go­wemu wielu foto­o­gniw można otrzy­mać bate­rie sło­neczne o wyma­ga­nej war­to­ści wytwa­rza­nego napięcia i natęże­nia prądu.

Pro­duk­cja krze­mo­wych ogniw sło­necz­nych jest w dal­szym ciągu dosyć kosz­towna, ponie­waż wymaga sto­so­wa­nia sto­sun­kowo dro­gich mate­ria­łów otrzy­my­wa­nych na dro­dze skom­pli­ko­wa­nych pro­ce­sów prze­my­sło­wych, np. mono­krysz­ta­łów krzemu.

W związku z coraz więk­szym zapo­trze­bo­wa­niem na tanie źródła ener­gii odna­wial­nej pro­wa­dzi się dziś bada­nia nad wie­loma nowymi typami foto­o­gniw. Obie­cu­jące są prace nad tzw. foto­o­gni­wem uczu­la­nym barw­ni­kiem (ang. Dye-Sen­si­ti­zed Solar Cell, DSSC). Ogniwo takie zostało wyna­le­zione w 1988 roku przez Briana O'Regana and Micha­ela Grät­zela na Uni­wer­sy­te­cie Kali­for­nij­skim w Ber­ke­ley. Często nazywa się je skrótowo foto­o­gni­wem barw­ni­ko­wym. Działa one w opar­ciu o pro­ces podobny do roślin­nej foto­syn­tezy [2].

O ile trudno sobie wyo­bra­zić pro­duk­cję foto­o­gniw krze­mo­wych w warun­kach szkol­nego czy nawet uczel­nia­nego labo­ra­to­rium w celach edu­ka­cyj­nych, to chciałbym zapro­po­no­wać Sza­now­nemu Czy­tel­ni­kowi budowę uprosz­czo­nego (ale dzia­ła­jącego) foto­o­gniwa uczu­la­nego barw­ni­kiem.

Budowa

Sche­mat budowy pro­stego foto­o­gniwa barw­ni­ko­wego ilu­struje Rys.1.

Ilustracja
Rys.1 – Sche­mat budowy foto­o­gniwa barw­ni­ko­wego; u góry – prze­krój poprzeczny, poni­żej – widok z góry; nie­bie­ski – szkło pokryte przej­rzy­stą war­stwą prze­wo­dzącą ITO, różowy – war­stwa tlenku tytanu TiO2 i barw­nika, brązowy – elek­tro­lit, czarny – war­stwa węgla (gru­bość ogniwa na rysunku została uka­zana z dużą prze­sadą)

Mate­riały potrzebne do kon­struk­cji ogniwa są sto­sun­kowo łatwe do zdo­by­cia, a budowa na tyle nie­skom­pli­ko­wana, że można poku­sić się o jego budowę w warun­kach nawet śred­nio wypo­sa­żo­nego labo­ra­to­rium.

Elek­tro­dami zbior­czymi, a jed­no­cze­śnie głów­nymi ele­men­tami nośnymi ogniwa są dwie płytki wyko­nane ze szkła. Czy nie można tych elek­trod zastąpić elek­tro­dami meta­licz­nymi? Nie­stety odpo­wiedź jest prze­cząca, przy­najm­niej w sto­sunku do elek­trody gór­nej na Rys.1, ponie­waż musi ona prze­pusz­czać świa­tło widzialne.

Z tego powodu obie elek­trody są wyko­nane z pły­tek szkla­nych pow­le­czo­nych cienką war­stwą mate­riału prze­wo­dzącego elek­trycz­ność. W moim przy­padku jest to tak zwana war­stwa ITO, czyli wyko­nana z mie­sza­nego tlenku indu i cyny (ang. Indium Tin Oxide) wyka­zu­jącego wła­ści­wo­ści półp­rze­wod­ni­kowe [3]. Można też wyko­rzy­stać inne podobne mate­riały. Cienka cera­miczna war­stwa tego mate­riału jest prze­zro­czy­sta i dosyć dobrze prze­wo­dzi prąd elek­tryczny. Trzeba jed­nak pamiętać o tym, że dostępne komer­cyj­nie tzw. szkło prze­wo­dzące posiada war­stwę ITO naj­czę­ściej jedy­nie na jed­nej ze swo­ich powierzchni. Aby móc stwier­dzić, która z powierzchni płytki prze­wo­dzi prąd naj­wy­god­niej jest posłu­żyć się omo­mie­rzem (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Pomiar oporu elek­trycz­nego obu powierzchni płytki szkla­nej jed­no­stron­nie pokry­tej war­stwą prze­wo­dzącą ITO; A – pomiar oporu elek­trycz­nego powierzchni nie pokry­tej war­stwą półp­rze­wod­nika, B – pomiar oporu elek­trycz­nego powierzchni pokry­tej war­stwą półp­rze­wod­nika, C – wynik pomiaru z przy­padku A (R więk­sze od 20MΩ), D – wynik pomiaru z przy­padku D (R≈120Ω)

Jak widać, opór elek­tryczny powierzchni zwy­kłego szkła jest bar­dzo wysoki i na odcinku około 2cm wynosi ponad 20MΩ (Fot.2A i C).

Powierzch­nia pokryta półp­rze­wod­ni­kiem wyka­zuje nato­miast sto­sun­kowo niski opór elek­tryczny i dla elek­trod umiesz­czo­nych w podob­nej odle­gło­ści co w poprzed­nim przy­padku jego war­tość wynosi jedy­nie około 120Ω (Fot.2B i D). Tak więc rze­czy­wi­ście możemy użyć tego rodzaju szkła w cha­rak­te­rze przej­rzy­stych dla świa­tła widzial­nego elek­trod.

W moich doświad­cze­niach wyko­rzy­sta­łem płytki szklane w ksz­tałcie pro­sto­kąta o wymia­rach 5cm na 2cm. Można użyć pły­tek o więk­szej powierzchni, co umożl­iwi uzy­ska­nie ogniwa o więk­szej wydaj­no­ści prądo­wej.

Na powierzchni prze­wo­dzącej jed­nej z pły­tek musimy wytwo­rzyć aktywną część naszego foto­o­gniwa czyli jego foto­a­nodę. Będzie ona zbu­do­wana z poro­wa­tej war­stwy cząstek półp­rze­wod­nika uczu­lo­nej odpo­wied­nim barw­ni­kiem.

Jako półp­rze­wod­nik wyko­rzy­stamy tle­nek tytanu(IV) o wzo­rze TiO2, nazy­wany ina­czej bielą tyta­nową. Ma on postać bia­łego proszku o tem­pe­ra­tu­rze top­nie­nia ok. 1830°C (Fot.3). Tle­nek tytanu(IV) jest naj­pow­szech­niej spo­ty­ka­nym i najtr­wal­szym tlen­kiem tytanu [4]. Związek ten występuje natu­ral­nie w trzech odmia­nach poli­mor­ficz­nych jako mine­rały rutyl, ana­taz i bru­kit. Tle­nek tytanu(IV) znaj­duje zasto­so­wa­nie jako trwały biały pig­ment.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Tle­nek tytanu(IV) wyko­rzy­stany w budo­wie ogniwa

Do naszych celów jest potrzebny jak naj­do­kład­niej roz­drob­niony tle­nek. W razie trud­no­ści w jego pozy­ska­niu można spróbo­wać wyi­zo­lo­wać go np. z niek­tórych past do zębów [5].

Aby móc nało­żyć cienką poro­watą war­stwę tlenku tytanu(IV) na prze­wo­dzącą powierzch­nię płytki szkla­nej musimy wyko­nać z niego rodzaj bia­łej farby. W tym celu do nie­wiel­kiego naczy­nia prze­no­simy około 0,25g tlenku, a następ­nie doda­jemy mie­sza­jąc za każdym razem po kro­pli 10% roz­tworu kwasu octo­wego CH3COOH. Można w tym celu zasto­so­wać czy­sty ocet spo­żyw­czy, tzw. spi­ry­tu­sowy. Z powo­dze­niem można też wyko­rzy­stać roz­cieńczony roz­twór kwasu azo­to­wego(V) HNO3. Kwasu doda­jemy tyle, by pow­stała dosyć rzadka pasta o kon­sy­sten­cji farby. Na końcu do płynu doda­jemy dosłow­nie kro­plę deter­gentu i od tego czasu uni­kamy wstrząsa­nia naczy­niem, tak by nie wytwo­rzyć trud­nej do usu­nięcia piany. Uzy­skana w ten spo­sób farba jest gotowa (Fot.4). Oczy­wi­ście po pew­nym cza­sie tle­nek tytanu(IV) ulega sedy­men­ta­cji, ale wystar­czy wtedy deli­kat­nie zamie­szać ciecz.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Farba tyta­nowa

Skoro farba jest już gotowa to czy możemy przy­stąpić już do jej nakła­da­nia na płytkę szklaną? Tutaj występuje jed­nak pewien pro­blem, ponie­waż war­stwa tlenku powinna być jak naj­bar­dziej jed­no­rodna, a jej gru­bość musi być rzędu mikro­me­trów. Taki rezul­ta­tów nie zapew­ni­łoby nam z pew­no­ścią wyko­rzy­sta­nie malar­skiego pędzla. Sprawa mogłaby wyda­wać się bez­na­dziejna, ale z pomocą przy­cho­dzi nam w tym przy­padku taśma kle­jąca. Gru­bość zwy­kłej biu­ro­wej taśmy kle­jącej wraz z war­stwą kleju jest odpo­wied­nia, aby ją wyko­rzy­stać jako swego rodzaju sza­blon przy nakła­da­niu na szkło war­stwy farby. Naj­pro­ściej jest to zro­bić okle­ja­jąc z trzech stron powierzch­nię ITO płytki szkla­nej taśmą kle­jącą w spo­sób uka­zany na Fot.5. Powierzch­nie okle­jone taśmą powinny mieć kilka mili­me­trów sze­ro­ko­ści, tak aby odkryty obszar miał dosyć dużą powierzch­nię w porów­na­niu do całej płytki.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Spo­sób okle­je­nia taśmą płytki szkla­nej

W ten pro­sty spo­sób uzy­ska­li­śmy nieckę o sze­ro­ko­ści i dłu­go­ści rzędu cen­ty­me­trów oraz o głębo­ko­ści rzędu ułamka mili­me­tra.

Na brzeg niecki (od strony krót­szego brzegu zakle­jo­nego taśmą) należy nanieść kilka kro­pli farby tyta­no­wej (Fot.6).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Farba nanie­siona na brzeg płytki zabez­pie­czo­nej taśmą

Teraz trzeba przy­go­to­wać jak naj­prost­szy, gładki pręcik szklany np. bagietkę. Przy­kła­da­jąc jej boczną powierzch­nię do płytki i prze­su­wa­jąc po powierzchni okle­ja­jącej ją taśmy możemy łatwo roz­sma­ro­wać farbę two­rząc dosyć jed­no­rodną powierzch­nię wyma­ga­nej gru­bo­ści (Fot.7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Cienka war­stwa farby nanie­siona na płytkę

W razie wystąpie­nia pro­ble­mów z nakła­da­niem farby należy poek­s­pe­ry­men­to­wać z jej kon­sy­sten­cją np. poprzez więk­szy doda­tek kwasu tak aby stała się bar­dziej płynna.

Po lek­kim pode­sch­nięciu można deli­kat­nie usu­nąć taśmę (Fot.8). Radzę jed­nak nie cze­kać z tym do całk­o­wi­tego wysch­nięcia, ponie­waż war­stwa tlenku tytanu(IV) staje się wtedy bar­dzo kru­cha i łatwo oder­wać jej frag­menty razem z taśmą kle­jącą.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Płytka po usu­nięciu masku­jącej taśmy kle­jącej

Tak uzy­skana war­stwa tlenku tytanu nie jest jesz­cze dobrze związana z powierzch­nią ITO płytki szkla­nej, a ponadto zawiera doda­tek kwasu i deter­gentu. W jed­nym kroku możemy jed­nak roz­wiązać oba te pro­blemy. Pomoże nam w tym wysoka tem­pe­ra­tura.

Płytkę należy ogrze­wać do tem­pe­ra­tury co najm­niej 350°C w cza­sie około 45 minut np. na płytce kuchenki elek­trycz­nej (Fot.9).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Płytka w trak­cie ogrze­wa­nia do tem­pe­ra­tury 350°C

W lite­ra­tu­rze można się też spot­kać z infor­ma­cją o wygrze­wa­niu pły­tek do tem­pe­ra­tury 450°C – wtedy wystar­czy jedy­nie 30 minut [6]. W każdym przy­padku tem­pe­ra­tura pod­czas ogrze­wa­nia powinna być pod­no­szona, a pod­czas sch­ła­dza­nia obni­żana sto­sun­kowo powoli. Zbyt gwałt­owne zmiany tem­pe­ra­tury mogą dopro­wa­dzić do spęka­nia war­stwy tlenku tytanu(IV).

W cza­sie wygrze­wa­nia płytki można zau­wa­żyć, że war­stwa tlen­kowa przej­ściowo traci swoją białą barwę i staje się deli­kat­nie żółta. Jest to spo­wo­do­wane roz­kła­dem sub­stan­cji orga­nicz­nych (głów­nie deter­gentu) wcho­dzących w skład uży­tej farby. Po chwili jed­nak war­stwa staje się na pow­rót śnieżn­o­biała, ponie­waż zanie­czysz­cze­nia w wyniku utle­nie­nia ulat­niają się w postaci gazów, głów­nie pary wod­nej i dwu­tlenku węgla. Tak więc po wygrze­wa­niu uzy­sku­jemy dosyć dobrze związaną z powierzch­nią płytki i wystar­cza­jąco czy­stą do dal­szych prac war­stwę tlenku tytanu(IV).

Foto­a­noda nie jest jed­nak w dal­szym ciągu gotowa. Bra­kuje naj­ważn­iej­szego jej ele­mentu, tj. barw­nika. Na szczę­ście nie jest on trudny do pozy­ska­nia. W moim przy­padku jako jego źródło wyko­rzy­sta­łem owo­cu­jące w moich ogro­dzie maliny (Fot.10).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – Owoce malin wyko­rzy­sta­nych w pro­duk­cji foto­o­gniwa

W razie braku świe­żych owo­ców można oczy­wi­ście wyko­rzy­stać maliny mro­żone. Zachęcam do eks­pe­ry­men­tów także z innymi owo­cami, np. jeży­nami i jago­dami.

Nie ma w tym przy­padku potrzeby wpro­wa­dze­nia spe­cjal­nej pro­ce­dury eks­trak­cji barw­nika. Owoce wystar­czy roz­gnieść, ewen­tu­al­nie doda­jąc mini­malną ilość wody desty­lo­wa­nej. Przy­go­to­waną w ten spo­sób papkę należy deli­kat­nie nało­żyć na przy­go­to­waną wcze­śniej elek­trodę i pozo­sta­wić na parę godzin (Fot.11).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.11 – Papka z owo­ców malin nało­żona na płytkę

Po upły­wie wyma­ga­nego czasu papkę trzeba zmyć powol­nym stru­mie­niem wody desty­lo­wa­nej, tak aby nie usz­ko­dzić deli­kat­nej war­stwy tlenku tytanu(IV).

Następ­nie, w celu wypłu­ka­nia barw­nika nie­związa­nego do powierzchni płytkę należy ostrożnie prze­myć alko­ho­lem ety­lo­wym C2H5OH i wysu­szyć.

Przy­go­to­wane w ten spo­sób foto­a­nody można prze­cho­wy­wać w naczy­niu wypełn­io­nym wodą desty­lo­waną deli­kat­nie zakwa­szoną kwa­sem octo­wym. Przed wyko­rzy­sta­niem należy w takim wypadku oczy­wi­ście ponow­nie prze­myć płytki alko­ho­lem i wysu­szyć. Ważne jest by gotowe płytki przed wyko­rzy­sta­niem ich w ogni­wach prze­cho­wy­wać bez dostępu świa­tła, ponie­waż mogłoby ono spo­wo­do­wać roz­kład barw­nika.

Teraz kolej na katodę. Musi być ona zbu­do­wana z mate­riału prze­wo­dzącego prąd elek­tryczny, a przy tym wyka­zu­jącego odpo­wied­nie wła­ści­wo­ści kata­li­tyczne. Naj­lep­sza byłaby tu pla­tyna Pt, ale z racji jej wyso­kiej ceny oraz niskiej dostęp­no­ści chciałbym zapro­po­no­wać wyko­rzy­sta­nie jako kata­li­za­tora cien­kiej war­stwy sil­nie roz­drob­nio­nego węgla.

Tutaj napo­ty­kamy pro­blem podobny do tego przy nakła­da­niu cien­kiej war­stwy tlenku tytanu(IV) na płytkę szkła prze­wo­dzącego. W tym przy­padku roz­wiąza­nie będzie jed­nak prost­sze niż poprzed­nio. Jako źródło sil­nie roz­drob­nio­nego węgla wyko­rzy­stamy bowiem sadzę pow­sta­jącą w pło­mie­niu zwy­kłej świecy na sku­tek nie­pełn­ego spa­la­nia para­finy lub ste­a­ryny. Wystar­czy więc prze­ciągnąć kilka razy przez pło­mień płytkę szkła (trzy­maną w szczyp­cach war­stwą ITO do dołu), aby zde­po­no­wać na jej powierzchni odpo­wied­nią ilość sadzy (Fot.12).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.12 – Wytwa­rza­nie katody węglo­wej przez osa­dza­nie z pło­mie­nia świecy

Po osty­gnięciu należy za pomocą bibuły deli­kat­nie usu­nąć czarną war­stwę węgla z tych miejsc katody, które odpo­wia­dają nie­po­kry­tym tlen­kiem tytanu(IV) miej­scom na foto­a­no­dzie. Gotowe elek­trody są przed­sta­wione na Fot.13.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.13 – Gotowe elek­trody foto­o­gniwa; po lewej – foto­a­noda tlen­kowa uczu­lona barw­ni­kiem, po pra­wej - katoda węglowa

Chciałbym zwrócić uwagę, że uprzed­nio biała foto­a­noda przy­brała barwę cha­rak­te­ry­styczną dla związa­nego barw­nika.

Ostat­nim ele­men­tem potrzeb­nym do budowy ogniwa jest elek­tro­lit jod­kowy. Przy­go­to­wuje się go poprzez odwa­że­nie 0,05g jodu I i 0,4g jodku potasu KJ. Obie sub­stan­cje umiesz­czamy w nie­wiel­kim naczy­niu (Fot.14).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.14 – Skład­niki elek­tro­litu: jod i jodek potasu

Cho­ciaż jodek potasu jest bia­łym cia­łem kry­sta­licz­nym to po zmie­sza­niu z odwa­żoną ilo­ścią jodu nie­mal natych­miast nabiera żółt­a­wej barwy na sku­tek kon­taktu z jego parami.

Sub­stan­cje stałe należy następ­nie roz­pu­ścić w 5cm3 gli­kolu ety­le­no­wego C2H6O2. Wymaga to dosyć inten­syw­nego mie­sza­nia. Gotowy elek­tro­lit ma wygląd bru­nat­nej cie­czy (Fot.15).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.15 – Elek­tro­lit

Skład­niki elek­tro­litu nie są sil­nie tok­syczne, ale mogą wyka­zy­wać szko­dliwe dzia­ła­nie. Kry­sta­liczny jod ma dzia­ła­nie drażn­iące i pozo­sta­wia na skórze trudne do usu­nięcia plamy. Należy zacho­wać ostrożn­ość jak zaw­sze przy kon­tak­cie z che­mi­ka­liami.

Mając gotowe foto­a­nodę, katodę oraz elek­tro­lit możemy przy­stąpić do zesta­wie­nia całego ogniwa (według Rys.1), tzn. zło­żyć obie płytki szklane razem stro­nami prze­wo­dzącymi do wew­nątrz. Wzbo­ga­cona barw­ni­kiem war­stwa tlenku tytanu(IV) musi się kon­tak­to­wać z war­stwą węglową. Następ­nie za pomocą pipety pasteu­row­skiej należy wsączyć między płytki nie­wielką ilość elek­tro­litu – jest to dosyć łatwe dzięki zja­wi­skom kapi­lar­nym. Uzy­skany w ten spo­sób war­stwowy układ pły­tek – elek­trod wygod­nie jest spiąć razem (ostrożnie, tak by nie usz­ko­dzić warstw aktyw­nych) spi­na­czami biu­ro­wymi. Do wysta­jących na boki odkry­tych frag­men­tów szkła prze­wo­dzącego pod­łącza się prze­wody, np. za pomocą zaci­sków kro­ko­dyl­ko­wych. Całość można zoba­czyć na Fot.16.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.16 – Gotowe foto­o­gniwo barw­ni­kowe z pod­łączo­nymi zaci­skami pomia­ro­wymi

Ogniwo należy oświe­tlać oczy­wi­ście od strony foto­a­nody.

Trwa­łość ogniwa jest ogra­ni­czona, głów­nie ze względu na wyko­rzy­sta­nie cie­kłego elek­tro­litu. Po prze­pro­wa­dze­niu doświad­czeń można roz­dzie­lić elek­trody, wypłu­kać elek­tro­lit i pod warun­kiem nie­usz­ko­dze­nia warstw aktyw­nych wyko­rzy­stać je ponow­nie.

Trzeba przy­znać, że tym razem dla osiągnięcia efektu musie­li­śmy się dosyć dużo napra­co­wać. Czy jed­nak zbu­do­wane w ten spo­sób foto­o­gniwo rze­czy­wi­ście działa, tj. prze­ksz­tałca ener­gię świetlną w elek­tryczną? Aby się o tym prze­ko­nać musimy wyko­nać odpo­wied­nie pomiary.

Chwila prawdy, czyli pomiary

By spraw­dzić, czy zbu­do­wane foto­o­gniwo pra­cuje należy je pod­łączyć do wol­to­mie­rza, naj­le­piej pra­cu­jącego na zakre­sie mili­wol­tów.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.17 – Pomiar napięcia wytwa­rza­nego przez foto­o­gniwo barw­ni­kowe; A – brak dostępu świa­tła do ogniwa, B – umożl­i­wiony dostęp świa­tła do ogniwa

Jak widać, nawet przy braku dostępu świa­tła do ogniwa na jego elek­tro­dach występuje nie­wiel­kie napięcie rzędu poje­dyn­czych mili­wol­tów (Fot.17A). Pola­ry­za­cja tego napięcia jest odw­rotna do spo­dzie­wa­nej. Można przy­pusz­czać, że napięcie to jest gene­ro­wane na dro­dze elek­tro­che­micz­nej.

Po odsło­nięciu foto­o­gniwa można zau­wa­żyć, że przy dostępie świa­tła zaczyna ono wytwa­rzać napięcie elek­tryczne, które w tym przy­padku wynosi nieco ponad 100mV przy obciąże­niu jedy­nie wol­to­mie­rzem (Fot.17B). Zakry­wa­jąc i odsła­nia­jąc foto­o­gniwo można się prze­ko­nać, że wytwa­rza­nie ener­gii elek­trycz­nej jest rze­czy­wi­ście uza­leżn­ione od dostępu świa­tła.

Pomiar natęże­nia prądu wytwa­rza­nego przez ogniwo mikro­am­pe­ro­mie­rzem ujaw­nia, że przy braku dostępu świa­tła prąd prak­tycz­nie nie pły­nie, a przy­najm­niej jest nie­mie­rzalny nawet za zakre­sie mikro­am­pe­rów (Fot.18A). Po wysta­wie­niu na świa­tło natęże­nie prądu wynio­sło w tym przy­padku nieco ponad 30μA.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.18 – Pomiar natęże­nia prądu wytwa­rza­nego przez foto­o­gniwo barw­ni­kowe; A – brak dostępu świa­tła do ogniwa, B – umożl­i­wiony dostęp świa­tła do ogniwa

Powyższe wyniki zostały uzy­skane po wysta­wie­niu ogniwa na świa­tło sztuczne. Naj­lep­sze wyniki otrzy­mano po wysta­wie­niu na bez­po­śred­nie świa­tło sło­neczne – napięcie docho­dziło wtedy do 400mV przy natęże­niu około 1000μA (1mA).

Z doświad­czeń wynika, że zbu­do­wane w opi­sany spo­sób ogniwo z pew­no­ścią działa. Potwier­dza to, że możl­iwe jest wyko­na­nie w domo­wych warun­kach foto­o­gniwa uczu­la­nego barw­ni­kiem.

Wyja­śnie­nie

Aby wyja­śnić spo­sób, w jaki działa przed­sta­wione ogniwo warto zapo­znać się naj­pierw ze sche­ma­tem uka­zu­jącym w powięk­sze­niu struk­turę ogniwa oraz pola­ry­za­cję jego elek­trod (Rys.2).

Ilustracja
Rys.2 – Struk­tura foto­o­gniwa barw­ni­ko­wego; jasno­nie­bie­ski – szkło, ciem­no­nie­bie­ski – prze­wo­dząca war­stwa ITO, duże szare koła – cząstki tlenku tytanu(IV), czer­wone kropki – cząsteczki barw­nika zaad­sor­bo­wane na powierzchni cząstek tlenku, czarny – war­stwa bez­po­sta­cio­wego węgla, zie­lony – elek­tro­lit

Jak widać, w cza­sie dzi­siej­szych doświad­czeń zbu­do­wa­li­śmy całk­iem skom­pli­ko­wane urządze­nie, którego gru­bość wynio­sła jed­nak tylko uła­mek mili­me­tra.

Cząsteczki barw­nika zostały trwale związane z powierzch­nią cząstek poro­wa­tej war­stwy spie­czo­nego tlenku tytanu(IV) za pomocą wiązań che­micz­nych różn­ego typu.

W pro­duk­cji foto­o­gniw barw­ni­ko­wych można wyko­rzy­stać różn­o­rodne barw­niki natu­ralne, np. pocho­dzące z malin anto­cy­jany. Z moich doświad­czeń wynika, że zado­wa­la­jące rezul­taty można uzy­skać także przy uży­ciu anto­cy­ja­nów pocho­dzących z jeżyn, a według wielu donie­sień dosko­nale nadają się w tym celu owoce man­go­stanu Gar­ci­nia [7]. Jeśli cho­dzi o barw­niki inne niż anto­cy­jany, to z powo­dze­niem udało się zasto­so­wać karo­te­no­idy i chlo­ro­file. Z dru­giej strony, bar­dzo wydajne są ogniwa tego typu oparte na barw­ni­kach syn­te­tycz­nych, np. na związ­kach kom­plek­so­wych rutenu Ru.

Aby zro­zu­mieć pro­cesy pro­wa­dzące do pow­sta­nia ener­gii elek­trycz­nej w oma­wia­nym foto­o­gni­wie spójrzmy na Rys.3.

Ilustracja
Rys.3 – Mecha­nizm dzia­ła­nia foto­o­gniwa barw­ni­ko­wego; nie­bie­ski – war­stwa prze­wo­dząca ITO (szkło pomi­nięto), szary – poro­wata war­stwa tlenku tytanu(IV), czarny – war­stwa bez­po­sta­cio­wego węgla), różowy – cząsteczka barw­nika, czer­wona strzałka – świa­tło (opis ozna­czeń lite­ro­wych w tek­ście)

Na foto­a­no­dzie wyko­rzy­stu­jemy zdol­ność barw­nika do poch­ło­nięcia kwantu pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego o ener­gii hν, gdzie h to stała Plancka, zaś ν jest równe często­tli­wo­ści tego pro­mie­nio­wa­nia (Rys.3a). W rezul­ta­cie cząsteczka barw­nika B pozo­sta­jąca wcze­śniej w sta­nie pod­sta­wo­wym ulega wzbu­dze­niu do stanu o wyższej ener­gii, dzięki czemu uwal­nia ona elek­tron (Rys.3b). Uwol­niony elek­tron może zostać efek­tyw­nie prze­nie­siony do pasma prze­wod­nic­twa tlenku tytanu(IV) jako półp­rze­wod­nika, ponie­waż ener­gia wzbu­dze­nia barw­nika jest wyższa niż kra­wędź tego pasma (Rys.3c). Elek­trony są dalej tran­s­por­to­wane do pod­łoża prze­wo­dzącego ITO pełn­iącego funk­cję ich kolek­tora, a następ­nie za pomocą prze­wod­nika płyną poprzez odbior­nik, co może być wyko­rzy­stane do wyko­na­nia efek­tyw­nej pracy (Rys.3d).

Zau­ważmy jed­nak, że wzbu­dzone cząsteczki barw­nika ule­gają deze­lek­tro­na­cji czyli utle­nie­niu – wła­śnie w ten spo­sób uzy­ska­li­śmy prze­cież prze­pływ elek­tro­nów. Barw­nik nato­miast w postaci utle­nio­nej Box+ jest już nie­przy­datny jako narzędzie foto­kon­wer­sji. Aby go przyw­rócić do formy zre­du­ko­wa­nej są wyko­rzy­sty­wane elek­trony dopły­wa­jące poprzez obciąże­nie do katody. Pro­ces ten nie zacho­dzi jed­nak bez­po­śred­nio, lecz dzięki elek­tro­li­towi, w którym występują zarówno jony jod­kowe I-, jak i trój­jod­kowe I3-. Dostar­czone do katody elek­trony (Rys.3e), dzięki kata­li­tycz­nemu dzia­ła­niu war­stwy węglo­wej służą do reduk­cji trój­jod­ków do jod­ków według rów­na­nia reak­cji (Rys.3f):

I3- + 2e- → 3I-

Jony jod­kowe redu­kują następ­nie utle­nioną formę barw­nika Box+ do zre­du­ko­wa­nej B, same ule­ga­jąc przy tym ponow­nemu utle­nie­niu do trój­jod­ków (Rys.3g):

2Box+ + 3I- → 2B + I3-

Zre­du­ko­wana cząsteczka barw­nika B jest gotowa na przy­jęcie kolej­nego kwantu pro­mie­nio­wa­nia świetl­nego – tym samym cały cykl się zamyka.

Udało się nam więc prze­ksz­tałcić ener­gię wzbu­dze­nia barw­nika świa­tłem sło­necz­nym w uży­teczną ener­gię elek­tryczną. Zau­ważmy, że przed­sta­wiony pro­ces w swo­ich zało­że­niach jest podobny do fos­fo­ry­la­cji foto­syn­te­tycz­nej zacho­dzącej w tzw. fazie jasnej foto­syn­tezy. W przy­padku roślin ener­gia wzbu­dze­nia barw­ni­ków z grupy chlo­ro­fili służy do wytwo­rze­nia gra­dientu stęże­nia jonów wodo­ro­wych H+ w poprzek błony bio­lo­gicz­nej. Gra­dient ten nazy­wany jest siłą pro­to­no­mo­to­ryczną i jest wyko­rzy­sty­wany przez enzym syn­tazę ATP do pro­duk­cji ade­no­zyno-5′-tri­fos­fo­ranu będącego głów­nym źródłem ener­gii dla pro­ce­sów życio­wych [8].

O ile foto­o­gniwa barw­ni­kowe jak na razie ustępują tra­dy­cyj­nym ogni­wom krze­mo­wym pod względem wydaj­no­ści i możl­i­wo­ści komer­cyj­nego wyko­rzy­sta­nia, to wydają się mieć one wiele zalet. Z punktu widze­nia eko­lo­gii naj­więk­szą jest to, że można je pro­du­ko­wać bez wyko­rzy­sta­nia trudno dostęp­nych i szko­dli­wych surow­ców – zanie­czysz­cze­nie śro­do­wi­ska jest więc mniej­sze. Po opra­co­wa­niu kon­struk­cji możl­i­wych do wdro­że­nia w wiel­ko­ska­lo­wej pro­duk­cji ich cena powinna być sto­sun­kowo niska. Dodat­kowo, przy zasto­so­wa­niu cien­kiej war­stwy innych kata­li­za­to­rów niż węgiel ogniwa te mogą być prze­zro­czy­ste, a w zależn­o­ści od wyko­rzy­sta­nego barw­nika można im nada­wać różne barwy. Można więc wyo­bra­zić sobie ich wyko­rzy­sta­nie w pro­duk­cji… barw­nych szyb wytwa­rza­jących elek­trycz­ność.

Myślę, że zbu­do­wa­nie wła­snego foto­o­gniwa daje wiele satys­fak­cji, nawet jeśli jego spraw­ność jest nie­wielka. Mecha­nizm dzia­ła­nia foto­o­gniwa barw­ni­ko­wego jest wspa­nia­łym przy­kła­dem naśla­dow­nic­twa pro­ce­sów zacho­dzących w natu­rze, a nie ma lep­szej drogi żeby zapo­znać się z tymi zagad­nie­niami niż poprzez wła­sne doświad­cze­nia.

Lite­ra­tura:

Wszyst­kie foto­gra­fie wyko­nane przez autora

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa