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

 

Наночерепица
Наночерепица

Начинается XV Олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в будущее!"
Совсем скоро начнется юбилейная XV Всероссийская Интернет-олимпиада по нанотехнологиям «Нанотехнологии – прорыв в будущее!». Предлагаем ознакомиться с актуальной информацией и расписанием Олимпиады.

В России стартовал самый масштабный научно-популярный фестиваль
РГ: В МГУ дан старт самому масштабному научно-популярному событию в мире - Всероссийскому фестивалю NAUKA 0+. В программе - свыше 10 000 мероприятий: лекции нобелевских лауреатов, вебинары и мастер-классы, виртуальные лабораторные, научные шоу, интерактивные выставки, телемосты с CERN, Международной космической станцией и российской антарктической станцией "Восток", дискуссии о будущем человечества, показы научных фильмов, соревнования роботов, научные бои Science Slam, квизы и квесты, а также первый Виртуальный гипермузей науки.

Нобелевскую премию по химии присудили за метод редактирования генома
РИА Новости: Нобелевскую премию по химии за 2020 год получили Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна, разработавшие технологию редактирования генома.

Нобелевская премия за графен, или 10 лет спустя
Алексей Арсенин
О том, как графен повлиял на развитие науки и промышленности и можно ли его назвать материалом будущего — заместитель директора Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, кандидат физико-математических наук Алексей Арсенин

Летние лектории для школьников
ФНМ
Сотрудники Факультета наук о материалах и химического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова участвуют в лекториях двух летних школ, организованных Фондом Инфраструктурных и Образовательных Программ (группа РОСНАНО) - Нанограде и летней школе МФТИ.

Академия - университетам
Е.А.Гудилин, Ю.Г.Горбунова, С.Н.Калмыков
Российская Академия Наук и Московский университет во время пандемии реализовали пилотную часть проекта "Академия – университетам: химия и науки о материалах в эпоху пандемии". За летний период планируется провести работу по подключению к проекту новых ВУЗов, институтов РАН, профессоров РАН, а также по взаимодействию с новыми уникальными лекторами для развития структурированного сетевого образовательного проекта "Академия - университетам".

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

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!



 
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.