Brombærsolcellens Fysik Søren Petersen En brombærsolcelle er, ligesom en almindelig solcelle, en teknologi som udnytter sollysets energi til at lave elektricitet. I brombærsolcellen bliver brombærfarvestof brugt som absorptionslag, hvilket gør den billigere end den traditionelle silicium-solcelle. Vi har bygget en brombærsolcelle i teknologifaget hvorefter vi afprøvede den i Sollys. Resultaterne og den fysiske baggrund er dokumenteret i det følgende, udformet som en rapport. Der er fokus og beskrivelser samt diagrammer af den naturvidenskabelige del i teori-afsnittet. H T X. E U C - s y d S ø n d e r b o r g, 2. x T e k n o l o g i S ø r e n P e t e r s e n, L a s s e F r a n k J e n s e n o g K l e e!
Indholdsfortegnelse Formål 3 Teori 3 Solcellen 3 Solindstråling 5 Hypotese 5 Apparatur 5 Fremgangsmåde 5 Data 6 Databehandling 6 Fejlkilder/usikkerheder 7 Diskussion 7 Konklusion 8 Kilder 8 Bilag - øvelsesvejledning 8
Formål Formålet med forsøget var at konstruktionen en brombærsolcellen og herefter undersøge om nyttevirkningen er på 10-11%, som den burde være i stand til. Teori Solcellen 1 En brombærsolcelle er opbygget med lagene på følgende måde (figur 1): Figur 1 er en grafik af brombærsolcellens forskellige stoflag I brombærfarvestoffet er der molekyler, som hver indeholder atomer med tilhørende elektroner omkring sig (figur 2). Figur 2 viser elektronet i atomet, som ethvert molekyle består af (også brombærfarvestof) 1 Brombærsolcellen, introduktion, teori og beskrivelse. Nano-science center, Københavns universitet, 2003.
Når elektronerne rammes af sollyets bølger, sker der en excitering som, når lysstrålerne har en tilstrækkelig høj energi, er så kraftig at elektronerne bliver skudt væk fra atomkernen og bliver til frie elektroner (figur 3). Figur 3 viser hvordan et elektron 'skydes' væk fra sit atom, når en høj-energi stråle rammer den Titandioxid-laget er et iongitter på mellem 10 og 50nm. (nanokrystaller), størrelsen er vigtig, da mindre krystaller kan binde mere brombærfarvestof pga. det større overfladeareal end større krystaller kan. Den kemiske reaktion, hvor brombærfarvestoffets elektroner optages for herefter at blive transporteret videre, sker som alle andre reaktioner på materialers overflade, derfor er det større overflade areal også her en fordel. Det frie elektron kan efter at det er blevet anstået transporteres gennem titandioxidlaget og op til glasanoden (figur 4): Figur 4 viser hvordan titandioxidlaget transporterer frie elektroner Glaspladen er dækket af gennemsigtigt metalfilm, som kan lede strømmen ud til kredsløbet, der er tilkoblet et elektrisk apparat. Efter apparatet har omsat den elektriske energi, kører elektronerne videre i kredsløbet og tilbage til glaskatoden, hvor der er tegnet med blyant (kulstofkatalysator). Via kulstofkatalysatoren overførers elektronerne til elektrolytvæsken (som består af ioner), og videre til brombærfarvestoffet, som genlades med elektroner og er klar til at blive affyret næste gang en lysbølge rammer igen (figur 5). Figur 5 viser elektronets kredsløb og hvordan det 'genbruges' i solcellen
Solindstråling 2 Solindstrålingen, irradiansen, på en dag midt i november, kl. 10, som er der hvor vi foretog vores målinger, er En solcelle, som den vi bygger, er normalt i stand til at udnytte 10-11% af energien fra solstrålerne 3 Hypotese Eftersom vi fulgte instruktionen til punkt og prikke, forventer vi at vores brombærsolcelle vil være i stand til at yde en nyttevirkning på tæt på 11%, dvs. En effekt på 46,2 Apparatur - 5-10 brombær - morter - tragt - filter - petriskål - 2 glasplader med gennemsigtigt metalfilm (den ene med et lag af titandioxid) - multimeter - linsepapir - ethanol - blyant - demineraliseret vand - 2 clips - plastikhansker - iod - ledninger - krokodillenæb - solen Fremgangsmåde Efter at have fulgt øvelsesvejledningen (se bilag), gik vi ud i solvejret kl 10, d. 17.nov.2012 og foretog vores målinger, i forsøgte at holde solcellens flade vinkelret på solen (som en tangent hertil). 2 www.dmi.dk 3 http://www.matnatverdensklasse.dk/uv-mat/nat-alle/solcel-2.pdf
Data målinger mv ma W (V*A) 1 65 70 2 65 79 3 66 69 4 68 67 5 70 64 Databehandling For at kunne sammenligne de solcellens effekt med den teoretisk mulige effekt, må arealet, som vi måler over også være det samme. Vores solcelle var kun effektivt der hvor brombærfarven havde bundet sig (titandioxidlaget). Titandioxidlaget havde et areal på: En mulig effekt på 46,2 er for det effektive areal i solcellen, det samme som:
0,00465 målingernes effekt 0,0046 watt 0,00455 0,0045 0,00445 0,0044 1 2 3 4 5 6 målinger Figur 6 er et diagram over de forskellige målingers effekt. nr.6 (grøn) er den teoretisk maksimale effekt for en solcelle (af typen) i forhold til solindstrålingen d.17.nov.2012, kl 10, iflg. DMI. Som man kan se af diagrammet, ligger målingerne fra solcellen (blå) ikke langt under den teoretisk maksimale effekt for en solcelle (af typen) i forhold til solindstrålingen d.17.nov.2012, kl 10, iflg. DMI (grøn). Den måling, som ligger længst under, er nr.5 på 0,004480 W, mens målingernes gennemsnit er på 0,004525 W. Dvs. At effekten af solcellen er på. Vi har altså en nyttevirkning i forhold til den teoretisk maksimale effekt for en solcelle (af typen) i forhold til solindstrålingen d.17.nov.2012, kl 10, iflg. DMI på: ( ) Fejlkilder/usikkerheder - upræcist måleudstyr - solcelle holdt i forkert vinkel under måling i forhold til vinkelret på solen - dis kan have forstyrret nogle af lysbølgerne Diskussion Nyttevirkningen for vores brombærsolcelle, er kun ca. 0,5% fra hvad man kan forvente af en solcelle (10%), afvigelsen kan dog sagtens tilskrives usikkerheder.
Konklusion Vi lavede en god og velfungerende solcelle, med en nyttevirkning på ca. 9,5%, hvilket er næsten den højeste nyttevirkning en solcelle af typen kan opnå. Kilder Brombærsolcellen, introduktion, teori og beskrivelse. Nano-science center, Københavns universitet, 2003. http://www.denstoredanske.dk/it,_teknik_og_naturvidenskab/elektronik,_teletrafik_o g_kommunikation/elektronik,_radio_og_tv/solcelle http://www.matnatverdensklasse.dk/uv-mat/nat-alle/solcel-2.pdf Bilag - øvelsesvejledning