Виготовлення та дослідження фотоелектрохімічного елемента

Завдання роботи:

1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
2. Виготовити фотоелектрохімічний елемент на основі двоокису титану.
3. Визначити розміри й характеристики отриманого фотоелемента.
4. Зробити висновки за результатами досліджень.

Обладнання:

Мікроскопне скло розміром 76×26 мм з прозорим струмопровідним покриттям, спирт етиловий, вата медична, порошок двоокису титану, вода дистильована, склянки хімічні, скляна паличка, чаша Петрі, шафа сушильна або електроплита, ягоди чорниці або чорничний сік, фарфорова ступа з товкачем, простий олівець з графітовим стержнем, канцелярські прищіпки, розчин йоду спиртовий, цифровий люксметр ТКА-ПКМ або Mastech MS6610, мультиметр цифровий.

Основні терміни та поняття

ЗОВНІШНІЙ І ВНУТРІШНІЙ ФОТОЕФЕКТ – ФОТОЕФЕКТ – СВІТЛОВІ КВАНТИ ФОТОЕЛЕМЕНТИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ – СВІТЛОВІ КВАНТИ ЕЛЕКТРОЛІТИЧНА ДИСОЦІАЦІЯ – СТРУМ В ЕЛЕКТРОЛІТАХ Потужність електричного струму РОБОТА I ПОТУЖНІСТЬ СТРУМУ. ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА – ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ Коефіцієнт корисної дії

Теоретична частина

Рис. 1. Приклади отриманих фотоелементів

Рис. 2. Вимірювання освітленості та показників роботи фотоелемента

Фотоелектрохімічні елементи були винайдені у 1991 році М. Гретцелем, у зв’язку з чим отримали назву «вічок Гретцеля». У них використовують окисні напівпровідники з широкою забороненою зоною.

Фотоелектрохімічний елемент складається з двох електродів та йодовмісного електроліту. До складу одного електроду входить високопористий насичений органічним барвником двоокис титану, нанесений на прозору струмопровідну поверхню. Іншим електродом є просто прозора струмопровідна поверхня.

Наразі відомі зразки фотоелектрохімічних елементів, що мають ККД 10%;  теоретично їхній ККД може сягати 33%.

Принцип дії фотоелектрохімічного елемента такий. Сонячне світло проходить крізь прозорий струмопровідний електрод, насичений барвником, де поглинається. Коли барвник поглинає світло, один з електронів його молекули переходить з основного у збуджений стан. Це явище називається «фотозбудженням». Збуджений електрон переміщується з барвника до зони провідності двоокису титану. Такий перехід відбувається дуже швидко, лише за 10^-15 с. У двоокисі титану електрон дифундує крізь його плівку, досягає скляного електроду та через провідник стікає до другого електроду. Молекула барвника через втрату електрону окислюється.

Ефективність будь-якого фотоелемента оцінюється його ККД, який визначається як відношення електричної потужності фотоелемента до потужності світлового випромінювання, що падає на його площу:

η = (Р_ел/Р_світ)⋅100 %, (1)

де Р_ел – потужність фотоелемента;

Р_світ – потужність світлового випромінювання, що падає на поверхню фотоелемента.

Електричну потужність фотоелемента можна визначити як добуток струму короткого замикання, напруги холостого ходу та коефіцієнту заповнення вольт-амперної характеристики:

Р_ел = I_к.з.⋅U_х.х.⋅x. (2)

Коефіцієнт заповнення вольт-амперної характеристики х для фотоелектрохімічних елементів зазвичай знаходиться в межах 0,5…0,7.

Для визначення потужності світлового потоку необхідно визначити освітленість у місці розміщення фотоелементу у лк, за допомогою люксметра, та розрахувати потужність світлового потоку за формулою:

Р_світ = 1,464∙10^–7⋅E⋅S, (3)

де 1,464∙10^-7 – коефіцієнт переведення лк у Вт/см²;

Е – освітленість, лк;

S – площа фотоелементу, см².

Хід роботи

1. Візьміть одне мікроскопне скло з прозорим струмопровідним покриттям та покладіть його на чистий листок паперу покриттям вгору.
2. Протріть скло етиловим спиртом та дайте висохнути. Після цього його не слід торкатися руками.
3. Зважте 1–2 г двоокису титану та вимішуючи, по краплях, додавайте воду до отримання рідкої пасти.
4. Отриману пасту з двоокису титану повністю перемістіть на підготовлене струмопровідне скло та за допомогою скляної палички якомога рівномірніше розподіліть її поверхнею скла, залишивши з одного боку непокриту смужку шириною 5 мм.
5. Помістіть скло з нанесеним шаром пасти з двоокису титану до чаші Петрі, а разом з чашею – до сушильної шафи. Виставте за допомогою регулятора на передній панелі шафи температуру 350 °С та увімкніть живлення шафи.
6. Коли червоний світлодіод зліва від регулятора згасне, витримайте зразок у шафі протягом 15–20 хв та переведіть регулятор у положення, що відповідає 60–80 °С.
7. Поки температура в сушильній шафі знижуватиметься до 60–80 °С, підготуйте сік чорниці, для чого жменю ягід роздавіть у ступі фарфоровим товкачем. Злийте отриманий сік до склянки та розбавте етиловим спиртом у пропорції 1:1. Необхідно отримати не менше 50 мл розчину темно-червоного кольору.
8. Коли температура в сушильній шафі знизиться до 60–80 °С, залийте отриманий сік до чаші Петрі з електродом так, щоб сік повністю покривав шар двоокису титану.
9. Витримайте зразок у шафі протягом 30 хв, після чого переведіть регулятор шафи у мінімальне положення. Дочекайтеся, поки шафа практично повністю вистигне. Потім дістаньте електрод з чаші Петрі, покладіть його на аркуш паперу шаром двоокису титану вгору та дайте висохнути.
10. Візьміть друге струмопровідне скло та повністю зафарбуйте його струмопровідну поверхню простим олівцем.
11. Після висихання соку з’єднайте отримані електроди покриттями всередину зі зміщенням 5 мм.
12. Скріпіть отримані електроди з одного боку однією канцелярською прищіпкою.
13. Візьміть спиртовий розчин йоду та залийте декілька крапель крізь лінію розмежування електродів так, щоб розчин розподілився по всій поверхні електродів.
14. Скріпіть електроди з обох боків за допомогою декількох канцелярських прищіпок.
15. За допомогою цифрового люксметра виміряйте потужність освітлення в місці, де передбачається випробування фотоелементу.
16. З’єднайте фотоелемент із мультиметром та перевірте його працездатність, накривши рукою або іншим непрозорим предметом.
17. Виміряйте напругу холостого ходу і струм короткого замикання фотоелемента.

Аналіз даних

1. За формулою (3) визначте потужність світлового потоку, що падає на поверхню фотоелемента.
2. За формулою (2) визначте електричну потужність фотоелемента.
3. За формулою (3) визначте ККД фотоелемента.