nano-science center københavns universitet BROMBÆRSOLCELLEN Introduktion, teori og beskrivelse

Transkript

1 nano-science center københavns universitet BROMBÆRSOLCELLEN Introduktion, teori og beskrivelse

2 I dette hæfte kan du læse baggrunden for udviklingen af brombærsolcellen og hvordan solcellen fungerer. I løbet af teksten vil du støde på fremhævede ord. Dem kan du slå op i ordlisten på de bagerste sider af hæftet. INDHOLDSFORTEGNELSE Brombærsolcellen - en introduktion 2 Sådan virker solcellen 3 1 Glasplader 4 2 Titandioxid 5 3 Farvestoffet 6 4 Elektrolytten 7 Ordliste 9 VELKOMMEN!

3 BROMBÆRSOLCELLEN - INTRODUKTION Vi bliver flere og flere mennesker på jorden som rejser mere, spiser mere og bygger mere og dermed bruger vi flere og flere ressourcer. Vores forbrug af energi, især fra fossile brændstoffer som olie og kul, er derfor steget med blandt andet afskovning, forurening og temperaturstigninger til følge. Det er en udvikling mennesker over hele jorden arbejder på at ændre, for eksempel ved at udnytte alternative energikilder, der ikke skader naturen i samme omfang som når vi skal have energi fra fossile brændstoffer. Vi kan bl.a. lave jordens varme, havets bølger og solens stråler om til energi. Udviklingen af solceller ved hjælp af nanoteknologi er et eksempel på, hvordan vi bruger ny viden til at producere bæredygtig energi. Mens vores energiforbrug er blevet større, er den længdeskala vi arbejder på blevet mindre. Nanoscience og nanoteknologi beskæftiger sig med strukturer, systemer og processer på nanoskala fra 0,1 nanometer til 100 nanometer dvs. at man arbejder med fænomener på atom- og molekyleniveau. Det giver os mulighed for at arbejde med biologiske, fysiske og kemiske strukturer på nanoskala og bruge den viden til fx at udvinde energi fra solens lys. Brug af nanoteknologi og nanoscience var netop nøglen til udviklingen af Grätzelsolcellen. Et sted i Østrig i slutningen af 1980 erne arbejdede en kemiker ved navn Michael Grätzel i sit laboratorium og han funderede over, hvordan man kunne fremstille solceller nemmere og billigere end siliciumbaserede solceller, der allerede eksisterede. Han brugte krystaller i nanostørrelse af materialet titandioxid. På overfladen af titandioxid bliver farvestoffet fra brombær bundet. Den nye solcelle byggede på principperne bag planters fotosyntese, bortset fra, at solcellen bruger solens energi til at danne elektrisk energi og ikke til at danne sukker (og ilt), som er tilfældet i fotosyntesen. Solcellen var nem at fremtstille i et laboratorium og fik navnet Grätzelsolcellen efter sin opfinder. Gräztelsolcellen kaldes også brombærsolcellen i daglig tale. På de følgende sider beskrives hvordan brombærsolcellen virker, og hvilken rolle de forskellige komponenter den er bygget op af spiller.

4 Solcellens formål er at danne elektrisk energi. For at gøre dette, skal solcellen producere frie elektroner og være i stand til at transportere dem ud af solcellen og ud i et ydre kredsløb. Frie elektroner er elektroner, der ikke er bundet til et bestemt atom eller molekyle, men er sluppet ud af deres energiniveauer. De grønne tal herunder refererer til, hvor i solcellen den pågældende proces foregår. Gennemsigtig glas anode Hvidt titandioxidlag Brombærfarvestof Elektrolytvæske Kulstofkatalysator Gennemsigtig glas katode Figur 1: Elementerne i brombærsolcellen. Glasplader holder sammen på lagene i solcellen og er forbundet til et ydre elektrisk kredsløb. Titandioxidlaget på den ene plade binder brombærfarvestof til sig. På den anden plade er et lag af kulstof, det samme som stiften på en blyant. Resten af rummet mellem de to plader er fyldt med en såkaldt elektrolytvæske, som i dette tilfælde er en iod-opløsning. Elektrolytvæsken kan transportere elektroner. 1. De frie elektroner (grøn prik) produceres i farvestofmolekylerne ved hjælp af sollys. 2. Elektronerne transporteres dernæst fra farvestofmolekylet, gennem titandioxidlaget Og hen til den øverste glasplade. 4. Her transporteres elektroner ud til et kredsløb, hvor elektronerne kan få en pære til at lyse. 5. Elektronerne transporteres fra pæren tilbage til solcellen og ind i glasplade nr Herfra fortsætter elektronen ud til elektrolytvæsken - hjulpet på vej af kulstoflaget. 7. Elektrolytten vil give en elektron til farvestofmolekylet. SÅDAN VIRKER SOLCELLEN Sollys Farvestofmolekylet starter på den måde hele kredsløbet med at give en af sine elektroner væk og ender hele kredsløbet ved at modtage en elektron.

5 1 GLASPLADER Pladerne i solcellen er som en burgerbolle, der holder alle lagene sammen. De er fremstillet i klart glas, for at mest muligt sollys kan nå farvestoffet inde bag glasset. Jo mere lys der trænger gennem pladerne og ind til brombærfarvestoffet, jo større effekt giver brombærsolcellen. Gennemsigtig glas anode (-) Kulstofkatalysator Gennemsigtig glas katode (+) Figur 3: Glaspladerne og kulstoflaget i solcellen. Glaspladerne har også en anden og meget vigtig funktion: De transporterer elektroner! Den øverste glasplade transporterer de frie elektroner, som er fanget i titandioxidlaget, videre ud til det elektriske kredsløb. Nu er glas normalt ikke ledende - dvs. glas kan ikke transportere elektroner. Men glasset i brombærsolcellen er dækket med en gennemsigtig metalfilm på den ene side. Metalfilmen leder elektroner utrolig godt. Det betyder, at elektronerne kan transporteres ud af titandioxidlaget og via metalfilmen ud i det elektriske kredsløb. Elektronerne afsætter deres energi i en lampe og fortsætter til den anden plade i solcellen, som også er dækket af en metalfilm. Elektronerne ledes fra denne metalfilm ind i elektrolytvæsken ved hjælp af et tyndt kulstoflag, ligesom en blyantstreg. En elektrolytvæske er en væske, der består af molekyler, som er elektrisk ladede også kaldet ioner. 3 1 Sollys Figur 4: Her er der specielt lagt fokus på den proces, hvor elektrolytten får tilført en elektron. Dette sker med hjælp fra kulstoflaget. Numrene refererer til punkterne på foregående side. Kulstoflaget hjælper elektrolytvæsken med at tage imod elektroner. Et sådan stof, der hjælper reaktioner med at ske uden selv at blive brugt, kaldes en katalysator. Kulstoflaget fungerer altså som en katalysator. 5

6 Titandioxid, eller TiO 2, er det hvide pigmentstof, der bruges i både tandpasta, solcreme og hvid maling; og altså også i solceller. Titandioxid-laget er et hvidt lag i solcellen, der sidder på den ene glasplade. På titandioxidlaget er farvestofmolekyler fæstnet. Hvidt titandioxidlag Figur 5: Titandioxidlaget i solcellen. Titandioxid er opbygget som krystaller. I en krystal er ionerne ordnet i et gitter på samme måde som køkkensalt NaCl. I brombærsolcellen består titandioxidlaget af enkeltkrystaller på mellem 10 og 50 nm i diameter. De krystaller kalder vi pga. størrelsen nanokrystaller. Når krystallerne er så små, kan de binde meget mere af farvestoffet på overfladen. Det er derfor meget vigtig, at solcellen er lavet af nanokrystaller så den kan fange så meget sollys som muligt. 2 TITANDIOXID Kemiske reaktioner foregår på overfladen af materialer. Derfor betyder størrelsen af overfladen meget for, hvor effektivt/hvor godt et materiale reagerer med andre hvor reaktivt materialet er. Forestil dig at materialer består af runde kugler. Jo mindre kuglerne er, jo større er andelen af materialet, som er på overfladen. Derfor er mange nanopartiker meget mere reaktive end større partikler af det samme materiale. Hvis vi bruger partikler på 10 nanometer i stedet for partikler på 1 mikrometer bliver overfladen 100 gange større. Når titandioxidlaget har en meget stor overflade, betyder det, at der kan sidde mange farvestofmolekyler fast. Dette er vigtigt. Jo flere farvestofmolekyler, der er i solcellen, desto mere elektrisk energi producerer solcellen. Titandioxidlaget fungerer også som transportvej for elektroner mellem farvestofmolekylerne og det tilsluttede kredsløb. I farvestofmolekylerne dannes nemlig frie elektroner, når sollyset rammer. For at solcellen kan lave elektrisk energi, skal de frie elektroner transporteres ud i et kredsløb. Men for at gøre dette, skal elektronerne have et materiale mellem farvestoffet og kredsløbet at blive transporteret i. Dette materiale er titandioxid. Farvestoffet overfører altså sine frie elektroner til titandioxidlaget. Herfra transporteres elektronerne ud til kredsløbet, hvor de danner en strøm. Det er vigtigt, at der er fuldstændig kontakt mellem farvestoffet og titandioxidlaget så elektronerne kan overføres. Figur 6: Titandioxidlagets overflade med farvestofmolekyler på. Til højre ses elektronernes vej igennem titaniumdioxlidlaget fra farvestoffet og ud i el-kredsløbet.

7 3 FARVESTOFFET Brombærfarvestof Figur 7: Farvestoflaget i solcellen. Solcellen skal kunne opfange sollys, før den kan danne elektrisk energi. For at opfange lyset indeholder solcellen et farvestof - i dette tilfælde farvestoffet fra brombær. Vi bruger brombær, fordi der er en høj koncentration af farvestoffet. Farvestofmolekylet i solcellen fungerer som en slags modtagerantenne for sollyset. Farvestoffet modtager altså sollyset som en almindelig antenne vil modtage radiosignaler. Farvestofmolekylet i brombærsaft er, ligesom alle andre molekyler, opbygget af atomer. Atomer består af en positivt ladet atomkerne med negativt ladede elektroner i bestemte energiniveauer svævende rundt omkring atomkernen. Et kulstofatom har fx 6 elektroner og et hydrogenatom kun én elektron. Figur 8: Forskellen på et atom og et molekyle. Farvestofmolekylets atomer modtager solstrålers energi ved, at de absorberer energien fra de solstråler, som rammer dem. Energien fra lyset rammer faktisk atomets elektroner, som vil opnå meget højere energi end normalt: Vi siger, at elektronen er blevet anslået eller exciteret.

8 Sollys Exciteret elektron Figur 9: Her ses en elektron i et atom, der er ramt af sollys (Elektronerne er vist som blå kugler, den røde kugle i midten er atomkernen). Elektroner bliver exciteret af sollyset (billedet til venstre) og får en højere energi, og flyttes dermed op i en af de ydereliggende elektronskaller (billedet i midten). På et tidspunkt vil elektronen falde tilbage til sin oprindelige plads under afgivelse af energi. Med denne høje energi vil elektronen springe ud i nogle af atomets yderliggende energiniveauer. Det er det figuren ovenfor viser. Hvis elektronen får tilført en høj nok energi fra sollyset, vil elektronen helt forlade atomet. 3 FARVESTOFFET - FORTSAT Dette sker i brombærrets farvestofmolekyle: Sollys Fri elektron Figur 10: Excitationen inde i brombærsolcellen En elektron får tilført en så høj energi fra sollyset, at den helt forlader sit atom og bliver til en fri elektron. Dette er nyttigt i solcellen, da den frie elektron kan udnyttes til at skabe elektrisk energi. Elektrolyt Figur 11: Elektrolytlagets placering i solcellen En elektrolyt er en væske, der består af ioner dvs. molekyler, der er elektrisk ladede (de kan være positivt eller negativt ladet). Ionerne i væsken kan afgive elektroner, og dette udnytter vi i solcellen. 4 ELEKTRO- LYTTEN Når en fri elektron fra et farvestofmolekyle bevæger sig fra farvestofmolekylet og over i titandioxidlaget, mangler farvestofmolekylet en elektron og kan ikke producere flere frie elektroner, før den har fået fyldt en elektron på igen.

9 4 ELEKTROLYTTEN - FORTSAT + Farvestoffet mangler en elektron Figur 12: Illustration af hvordan farvestofmolekylet mangler en elektron, efter det har afgivet den frie elektron. Farvestofmolekylet kan ikke afgive flere elektroner, før det er blevet genladt. Elektrolyt og farvestofmolekyle fungerer lidt som en revolver: Efter en revolver har affyret et skud, er den nødt til at blive genladt med en ny patron, før at den kan skyde igen. På samme måde skal farvestofmolekylet genlades med en elektron, før det kan skyde frie elektroner ud igen, når sollyset rammer det. Sollyset svarer til krudtet/energien, der sender elektronen/kuglen afsted. Det er elektrolytten, der sørger for at genlade farvestofmolekylerne ved at afgive elektroner til det. En elektron fra elektrolytvæsken genlader farvestofmolekylet Figur 13: Illustration viser processen, hvor farvestoffet bliver genladt med en elektron. En elektron overføres fra elektrolytvæsken og over i farvestofmolekylet. Den første elektron er på vej videre i kredsløbet.

10 absorbere optage i sig anode solcellens negative elektrode elektrisk kredsløb netværk af elektriske komponenter sat sammen i ledende forbindelse med hinanden elektrisk ladede partikler (fx elektroner, atomer, molekyler), der bærer en positiv eller negativ ladning elektrolyt væske, som indeholder frie, elektrisk ladede partikler og derfor kan lede en elektrisk strøm elektrode kontaktpunkt i det elektriske kredsløb, som ledningen tilsluttes elektron den negativt ladede partikel, som sammen med protoner udgør de basale grundbyggesten for alle atomer elektronskaller elektronernes baner omkring atomkernen. I de ydereliggende elektronskaller har elektronerne højere energi frie elektroner elektroner, som er fri til at bevæge sig, fordi de ikke længere er bundet til den atomkerne de kom fra gitter regelmæssig struktur, hvor de positive og negative ioner vil ordne sig i et mønster ioner atomer eller molekyler med en positiv eller negativ ladning katode solcellens positive elektrode ORDLISTE

11 ORDLISTE - FORTSAT katalysator atom eller molekyle, som uden at blive forbrugt kan få en kemisk reaktion til at forløbe hurtigere krystal konfiguration af atomer i en ordnet gitterstruktur ledende et materiale er ledende, hvis der kan løbe en elektrisk strøm igennem det molekyle samling af atomer bundet sammen med kemiske bindinger pigmentstof uopløselige partikler, som giver en opløsning sin farve proton sammen med elektronen den anden essentielle byggesten for alle atomer og molekyler reaktion proces, hvori indgående stoffer bliver omdannet til stoffer med andre egenskaber

12 Rikke Bøyesen redaktør Rikke Bøyesen, Gitte Frandsen, Kasper Nørgaard, SCIENCE Skoletjenesten tekst Asmus Ougaard Dohn, Toke Wahl Fritzemeier layout Udviklet i samarbejde med gymnasielærer Mikkel Rønne, gymnasielærer Marianne Johansson, skolelærer Karin Horsted Berg, skolelærer Hans-Peter Borregaard og formand for DFKF Storkøbenhavn Erland Andersen Nano-Science Center Se mere om nanoscience og flere øvelser på nano-science center københavns universitet