Λύκειο Αποστόλων Πέτρου και Παύλου 3o ΠΑΓΚΥΠΡΙΟ ΣΥΝΕΔΡΙΟ ΜΑΘΗΤΩΝ – ΚΑΘΗΓΗΤΩΝ ΓΙΑ ΤΙΣ ΘΕΤΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2014 ΧΗΜΙΚΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ Λύκειο Αποστόλων Πέτρου και Παύλου

Εργάστηκαν: Λιονή Άρτεμις Μιχαήλ Κωνσταντίνος Πουντουκίδου Αργυρώ Πυρή Αγγελική Στυλιανού Δανάη Τυρανίδης Μιχάλης Χρίστου Σοφία Συντονιστές Καθηγητές: Πανίκος Μουσκαλλής, Σπαναχίδου Δήμητρα

Το σλόγκαν μας: Think-Act-Produce Green

ΣΤΟΧΟΣ Η εξερεύνηση της επιστήμης μέσα από το μάθημα της χημείας αλλά και από τα άλλα μαθημάτα των θετικών επιστημών η ενασχόληση μας με μία κατασκευή φωτοβολταϊκού,που ίσως δώσει την ευκαιρία σε κάποιον από μας ή σε άλλους συμμαθητές μας να καινοτομήσουν με την ιδέα αυτή. Οι καθηγητές χημείας Brian O'Regan και Michael Grätzel καινοτόμησαν πάνω στη δημιουργία χαμηλού κόστους φωτοβολταϊκά όπου και βραβεύθηκαν για την επίτευξη τους αυτή.

To φωτοσυνθετικό στοιχείο Gratzel αποτελείται από 2 ημιαγώγιμα γυαλιά. Το γυαλί που δεν πέφτει πάνω του ο ήλιος είναι επικαλυμμένο με ένα λεπτό στρώμα οξείδιου του τιτανίου. Πάνω στο στρώμα αυτό προστίθεται χρωστική από βατόμουρα (εμβαπτίζουμε το γυαλί με το στρώμα του οξειδίου προς τα κάτω μέσα σε δοχείο που περιέχει αλεσμένα φρέσκα βατόμουρα).

Στην συνέχεια αφού το αφήσουμε βγάζουμε το γυαλί από τα βατόμουρα και προσθέτουμε πάνω σε αυτό μερικές σταγόνες διαλύματος ιωδίου. Τέλος, η εσωτερική πλευρά του γυαλιού που εκτίθεται στο ήλιο καλύπτεται από γραφίτη.

Το οξείδιο του τιτανίου ανήκει στους ημιαγωγούς Το οξείδιο του τιτανίου ανήκει στους ημιαγωγούς. Όμως το φως του ήλιου δεν μπορεί να διεγείρει αρκετά τα ηλεκτρόνια του, ώστε να μεταφερθούν. Μπορεί όμως εύκολα να διεγείρει τα ηλεκτρόνια από την βαφή του βατόμουρου σύμφωνα με την ημιαντίδραση: Φωτόνιο + χρωστική --------> e- + χρωστική+

Πώς λειτουργεί ένα φωτοβολταϊκό; Γενικά καθώς το ηλιακό φως πέφτει πάνω σε έναν ημιαγωγό μεταφέρει σε αυτόν φωτόνια, τα οποία ενεργοποιούν τα ηλεκτρόνια του και στην συνέχεια αυτά μπορούν να μεταφερθούν διαμέσου ενός κυκλώματος, παράγοντας ρεύμα.

Η θετικά φορτισμένη βαφή αποφορτίζεται παίρνοντας ηλεκτρόνια από το αντίθετο ηλεκτρόδιο (το ηλεκτρόδιο που είναι επικαλυμμένο με στρώμα γραφίτη) σύμφωνα με την ημιαντρίδραση:      

Οι φράουλες και άλλα φρούτα με χρωστικές δεν είναι κατάλληλα, διότι δεν θα μεταφέρουν ηλεκτρόνια στο MnO. Μόνο χρωστικές που περιέχουν ανθοκιανίδες (περιέχονται στα μούρα) είναι κατάλληλες ,ή γενικά χρωστικές που περιέχουν ομάδες =Ο, -ΟΗ

Η ΔΙΚΗ ΜΑΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ

Υλικά που χρησιμοποιήσαμε: Οξείδιο του Μαγγανίου (MnO) Οξικό οξύ Πλάκες από γυαλί Raspberries Αλουμινόχαρτο Γραφίτης (μολύβι) Ιωδιούχο διάλυμα ηλεκτρολύτη Γουδί και γουδοχέρι Καθαριστικό υγρό πιάτων

Επικαλύψαμε τη μια επιφάνεια του γυαλιού με γραφίτη χρησιμοποιώντας ένα απλό μολύβι. Στην συνέχεια επικαλύψαμε την επιφάνεια αυτή με λεπτό στρώμα οξειδίου του μαγγανίου.

Για να παρασκευάσουμε το στρώμα του οξειδίου προσθέσαμε αραιό διάλυμα οξικού οξέος σε σκόνη οξειδίου και το ανακατέψαμε για 5 περίπου λεπτά σε γουδί. Στην συνέχεια προσθέσαμε σταγόνες υγρού απορρυπαντικού ώστε το μείγμα να μπορεί να απλώνεται εύκολα. ΜΕ ΑΥΤΌ ΤΟΝ ΤΡΟΠΟ ΔΗΜΙΟΥΡΓΕΙΤΑΙ ΤΟ ΟΞΕΙΔΙΟ ΓΙΝΕΤΑΙ ΠΟΡΩΔΕΣ ΚΑΙ ΑΥΞΑΝΕΤΑΙ Η ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΟΥ. Αφού το αφήσαμε σε ηρεμία για 15 περίπου λεπτά, το απλώσαμε με την βοήθεια μιας γυάλινης ράβδου ομοιόμορφα στην επιφάνεια του γυαλιού που είχε το γραφίτη

Αφού το αφήσαμε να κρυώσει το τοποθετήσαμε σε πλαστικό πιάτο ,που περιείχε πολτοποιημένα βατόμουρα, με την επιφάνεια που είχε την στρώση του οξειδίου προς τα κάτω, για περίπου 3 με 5 λεπτά.

Μετά με την βοήθεια σταγονόμετρου βάλαμε πάνω στην επιφάνεια μερικές σταγόνες διαλύματος ιωδίου και τοποθετήσαμε πάνω από αυτή ένα άλλο γυαλί το οποίο είχε επίσης στρώση από γραφίτη. Βάλαμε στην συνέχεια το δεύτερο γυαλί και τα συγκρατήσαμε με πιάστρες εγγράφων. Τώρα το φωτοβολταϊκό μας είναι έτοιμο Αφού συνδέσαμε τα γυαλιά σε κύκλωμα, τα τοποθετήσαμε στον ήλιο.

Όπως φαίνεται και στην εικόνα, η διαφορά δυναμικού που είχε αναπτυχθεί μεταξύ των δύο επιφανειών ήταν σημαντική. Όταν σκιάσαμε το φωτοβολταϊκό παρατηρήσαμε ότι η τάση άρχισε να πέφτει. Ανέβαινε πάλι όταν ήταν εκτεθειμένο στον ήλιο.

Επαναλάβαμε την παραπάνω διαδικασία αλλάζοντας κάποιες από τις παραμέτρους του πειράματος. Κάναμε ακριβώς το ίδιο φωτοβολταϊκό : Α. Χωρίς την χρωστική Β. Χωρίς το διάλυμα του ιωδίου Γ. Χωρίς την χρωστική και το διάλυμα του ιωδίου. Σε όλες τις περιπτώσεις παρατηρήσαμε μια μικρή διαφορά δυναμικού (κάτω από 0,1V), η οποία ανέβαινε μεν με την έκθεση των φωτοβολταϊκών στο ήλιο αλλά με αργούς ρυθμούς.

Επαναλάβαμε το αρχικό μας πείραμα όμως αντί για MnO2, χρησιμοποιήσαμε CuO. Είχαμε και πάλι εμφάνιση διαφοράς δυναμικού ωστόσο και πάλι ήταν μικρή (κάτω από 0,1V). Δοκιμάσαμε επίσης το Al2O3 με πολύ καλύτερα αποτελέσματα από ότι το ΜnO2, ίσως γιατί το Αl είναι δραστικότερο μέταλλο του Mn.

Αποφασίσαμε να κάνουμε ένα φωτοσυνθετικό – χημικό φωτοβολταϊκό (αν μπορούμε να το ονομάσουμε έτσι). Συγκεκριμένα: Επιστρώσαμε το μίγμα του Al2O3 στο κάτω γυαλί, το οποίο είχαμε επικαλύψει με ένα αλουμινόχαρτο. Πάνω από το στρώμα, βάλαμε διάλυμα ιωδίου. Στο γυαλί που το βλέπει ο ήλιος, και το οποίο ήταν επικαλυμμένο με τον γραφίτη, επιστρώσαμε, ένα λεπτό στρώμα MnO2, και πάνω σε αυτό την χρωστική από Βατόμουρα.

Τα αποτελέσματα ήταν πολύ πιο ενθαρρυντικά:

Καταληκτικά, νομίζουμε ότι έχουμε αποκτήσει κάποιες γνώσεις για το πώς λειτουργεί ένα τέτοιου είδους φωτοβολταϊκό. Πιστεύουμε ότι χρειάζονται και άλλες έρευνες πάνω στον τομέα αυτό, για την ανακάλυψη νέων υλικών που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν με παρόμοιο τρόπο. Με μια μικρή έρευνα που είχαμε κάνει στο διαδίκτυο, διαπιστώσαμε ότι πολλοί ερευνητές ασχολούνται με την κατασκευή παρόμοιας φύσης φωτοβολταϊκων ιδιαίτερα με την χρήση οργανικών ενώσεων.

ΠΗΓΕΣ ΔΙΑΔΙΚΤΥΟΥ http://www.sciencegeekgirl.com/activities/Blackberry%20solar%20cell.pdf http://algol.fis.uc.pt/forum/cel2.pdf http://www.goodnews.gr/Articles/Elliniki-neofyis-eteria-diekdiki-diakrisi-sto-ECOSUMMIT-gia-fotoboltaika-tzamia_1403.html http://dspace.lib.ntua.gr:8080/bitstream/123456789/8214/1/pelekid_organic.pdf http://dspace.lib.ntua.gr/bitstream/123456789/7032/3/aloupisg_solar.pdf

ΕΥΧΑΡΙΣΤΟΥΜΕ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ!