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.
|
|
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 |
.
