Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Укрощение солнца

Ключевые слова:  альтернативная энергетика, ИОНХ РАН, Моя лаборатория, периодика, ФИОП РОСНАНО, ячейка Гретцеля

Автор(ы): Япрынцев Алексей Дмитриевич

Опубликовал(а):  Гольдт Илья

27 апреля 2015

Программа «Мастерские инноваций» ФИОП РОСНАНО и МГУ имени М.В.Ломоносова подвели итоги конкурса «Моя лаборатория». Мы с удовольствием публикуем лучшие работы.

Всем известно о бурном развитии альтернативной энергетики в последние время. Так, в ряде европейских государств пиковое производство “зеленой” энергии на ветряных и дорогостоящих солнечных электростанциях может достигать 60%. В такой ситуации особый интерес ученых привлекают фотоэлектрохимические ячейки (в частности ячейки Гретцеля), в которых используются относительно дешевые материалы.


Рис 1. Принцип работы ячейки Гретцеля часто сравнивают с фотосинтезом, поскольку оба процесса включают в себя окислительно-восстановительные реакции, инициируемые светом. Солнечный свет поступает сквозь электропроводящий прозрачный электрод, после чего поглощается красителем, сорбированным на поверхности диоксида титана. Эффективность преобразования энергии в ячейке ещё не достигла уровня кремниевых солнечных батарей и в настоящее время она составляет около 10%. Теоретически возможно достичь уровня в 33%.

Вот и Алексей, работающий аспирантом лаборатории получения и диагностики наноматериалов в Институте общей и неорганической химии, занимается созданием солнечных элементов нового типа.

Рис 2. Когда краситель поглощает свет, один из электронов его молекулы переходит из основного состояния в возбуждённое состояние. Возбуждённый электрон перемещается от красителя в зону проводимости TiO2. В TiO2 электрон диффундирует и достигает стеклянного электрода и далее по проводнику стекает во второй электрод. Восстановление молекулы красителя в первоначальное состояние происходит путём получение электрона от иодид-иона, превращая его в молекулу иода, которая в свою очередь диффундирует к противоположному электроду, получает от него электрон и снова становится иодид-ионом. По такому принципу происходит преобразование солнечной энергии в электрический ток.

Одним из главных компонентов ячейки является диоксид титана. Для получения кристаллического TiO2 Алексей использует гидротермально-микроволновую установку Berghof Speedwave four.

Рис 3. Гидротермально-микроволновая установка работает по принципу обычной микроволновой печи, в которую помещен тефлоновый автоклав, выдерживающий высокое давление. Давление и температура в автоклаве отслеживается с помощью специальных оптических датчиков и системы обратной связи.

В результате гидротермально-микроволновой обработки при 200 °С образуется анатаз. Это подтверждают данные рентгенофазового анализа, полученные на дифрактометре Bruker D8 Advance.

Рис 4. Дифрактометр Bruker D8 Advance.

Теперь необходимо нанести полученный диоксид титана на электропроводящую подложку. Для этого готовится смесь сложного состава, в которой полученный ранее TiO2 диспергируется с помощью генератора ультразвуковых колебаний.

Рис 5. Ультразвуковая левитация кусочка поролона.

Полученную пасту можно наносить разными способами: в ручную или же с использованием установки для нанесения тонких пленок методом spin-coating. Этот метод позволяет из жидкофазных систем получать пленки толщиной в несколько микрон.

Рис 6. Капля раствора люминофора над вращающейся подложкой.

После нанесения диоксида титана на подложку, необходимо удалить органические компоненты смеси путем термической обработки в печи.

Рис 7. Камерная электоропечь (не открывайте раскаленную печь - это существенно сокращает срок ее службы, - прим.ред.)

Проверка качества полученных пленок проводится на растровом электронном микроскопе Carl Zeiss NVision40. Он позволяет рассматривать образец с увеличением до 900 000 раз и различать отдельные наночастицы.


Рис 8. Работа на растровом электронном микроскопе.

Для поглощения квантов света необходимы красители, сложные органические комплексы рутения, которые синтезируют коллеги Алексея, специалисты в области органического синтеза химического факультета МГУ.

Рис 9. Чем больше поглощает краситель в видимом диапазоне, тем темней он выглядит.

Полученный электрод состоит из насыщенного красителем диоксида титана (TiO2), нанесённого на прозрачную электропроводящую подложку. Для получения другого электрода необходимо нанести на поверхность электропроводящей пластины слой сажи (лучше платинированной).

Рис 10. Окрашенный и неокрашенный фотоаноды.

Полученные электроды Алексей передает коллегам-электрохимикам из соседнего института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина, которые определят эффективность солнечной батарейки. Используя имитатор солнца, они измеряют электрохимические показатели (критический ток, напряжение холостого хода) полученного солнечного элемента, из которых считается его КПД.

PS:

Рис 11. Мы там были.

Об авторе


Япрынцев Алексей - магистрант второго года обучения Факультета наук о материалах МГУ, старший лаборант-исследователь Института общей и неорганической химии РАН

.



В статье использованы материалы: Моя лаборатория


Средний балл: 10.0 (голосов 5)

 



Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Механистический материализм (мечта футуристов - нанотехнологов - окаменевший скелет шагающего наноробота, XXI в.н.э.)
Механистический материализм (мечта футуристов - нанотехнологов - окаменевший скелет шагающего наноробота, XXI в.н.э.)

4 февраля объявили лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке»
4 февраля в здании Минобрнауки РФ состоялась торжественное награждение лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке». 11 научно-просветительских проектов были отмечены престижной наградой.

Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии
5 февраля в Московском университете в Шуваловском корпусе МГУ состоится Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии, посвященный Международному году Периодической таблицы химических элементов, начало - 10 часов.

Зимняя научная конференция студентов 4 курса ФНМ МГУ 22-23 января 2019 г.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

Почувствовать живое...
Е.А.Гудилин, А.А.Семенова, Н.А.Браже
Неразрушающее исследование живых клеток и клеточных структур является в настоящее время важным направлением научных изысканий, которые во многих зарубежных и российских научных группах направлены на достижение вполне прагматической цели – разработку новых принципов биомедицинской диагностики и эффективных подходов в нарождающейся персональной медицине.

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.