Presentazione dell’esperienza e discussione 1) Realizzazione della cella di Grätzel
COLORANTE VERDE
Acqua
E104 (colorante) Giallo di chinolina E131 (colorante) Blu patentato E211 (conservante) Benzoato di sodio E260 (correttore di acidità) acido acetico
L’uso di sostanze coloranti è motivato dalla necessità di poterne facilmente monitorare la concentrazione in funzione del tempo attraverso misure spettrofotometriche. Con i due coloranti sopra citati sono state preparate due soluzioni con fattore di diluizione 1:40. Mediante spettrofotometro monoraggio Jenway 6300 sono stati registrati innanzi tutto gli spettri di assorbimento di entrambi i coloranti (Figure 2 e 3 ).
Figura 2. Spettro di assorbimento del colorante blu Figura 3. Spettro di assorbimento del colorante verde
Dagli spettri sono state individuate le lunghezze d’onda di massimo assorbimento rispettivamente a 410 nm e 610 nm. Il colorante verde risulta essere una miscela di quello blu (avente picco di assorbimento a 610 nm) e di un colorante giallo (avente un picco di assorbimento a 410 nm).
Sono stati preparati diversi campioni di circa 25 mL, posti in becher da 50 mL. In alcuni di essi è stata introdotta una punta di spatola di TiO2. In altri il TiO2 non è stato introdotto per avere un riferimento. Alcuni campioni sono stati esposti alla luce diretta del Sole, altri alla luce naturale indiretta (in prossimità di una finestra), altri ancora sono stati esposti a una sorgente di luce UV (sterilizzatore da laboratorio). Alcuni campioni, infine, sono stati mantenuti al buio. Si è inoltre cercato di valutare l’eventuale effetto del pH e della temperatura sull’efficacia della fotodegradazione. Prima di effettuare le misure spettrofotometriche, ogni campione è stato centrifugato per eliminare il TiO2 sospeso. Le misure sono state effettuale con λ=410 nm per il colorante verde e λ = 610 nm per il colorante blu.
La tabella 2 riporta i risultati delle assorbanze e le relative riduzioni percentuali a diversi tempi di esposizione e con diverse sorgenti luminose per i due coloranti. La tabella 3 riporta i dati relativi a diverse temperature e a diversi valori del pH per il colorante verde. La tabella 4 riporta i dati relativi a diverse temperature e a diversi valori del pH per il colorante blu. La tabella 5 riporta i dati relativi a diversi valori del
pH per il colorante verde esposto alla luce UV. La tabella 6 riporta infine i dati relativi a diversi valori del pH per il colorante blu esposto alla luce UV.
N° COLORANTI dopo 30’ Ass. dopo 60’ Ass. Ass. dopo 120’ buio Ass. (dopo 30’) Eff% (dopo 60’) Eff% Eff% (dopo 120’) NOTE: 1) blu * 0,178 0,058 0,036 0,273 34,80% 78,76% 86,82%
2) blu * 0,258 0,158 0,069 0,394 34,52% 59,90% 82,49%
3) blu U.V. 0,231 0,265 0,186 0,276 16,30% 3,99% 32,61% dati anomali
4) blu ° 0,412 0,216 0,247 0,425 3,06% 38,59% 41,88%
5) verde * 0,138 0,126 0,060 0,174 20,60% 27,60% 65,50%
6) verde * 0,126 0,048 0,004 0,265 52,45% 81,89% 98,50%
7) verde * 0,221 0,164 0,005 0,353 37,40% 53,54% 85,84%
8) verde ° 0,241 0,236 0,153 0,247 2,43% 4,45% 38,06%
Tabella 2. Assorbanze e relative riduzioni percentuali a diversi tempi di esposizione e con diverse sorgenti luminose
LEGENDA
* Questo simbolo sta a significare che la soluzione è stata sottoposta a luce diretta ° Questo simbolo sta a significare che la soluzione è stata sottoposta a luce indiretta Ass. Assorbanza
Eff% È l’efficienza percentuale, ovvero quanto il TiO2 è riuscito a "scolorire" la soluzione
N° pH T [°C] TiO2 LUCE ASSORBANZA Eff%
1) 7 20 SI SI 0,225 44,17% 2) 7 20 NO SI 0,403 0% 3) 7 20 SI NO 0,356 11,66% 4) 7 37 SI SI 0,377 17,69% 5) 7 37 SI NO 0,321 29,91% 6) 7 37 NO SI 0,458 0%
Tabella 3. Assorbanze e relative riduzioni percentuali del colorante verde a diversi valori di temperatura e pH
N° pH T [°C] TiO2 LUCE ASSORBANZA Eff%
1) 7 20 NO SI 0,577 0% 2) 7 20 SI NO 0,440 23,74% 3) 7 20 SI SI 0,204 64,64% 4) 7 37 NO SI 0,510 0% 5) 7 37 SI SI 0,672 -31,76% (*) 6) 7 37 SI NO 0,395 22,55%
Tabella 4. Assorbanze e relative riduzioni percentuali del colorante blu a diversi valori di temperatura e pH
(*) il dato negativo è probabilmente dovuto a un’evaporazione del solvente, dovuto a un elevato tempo di conservazione del campione
N° pH T [°C] TiO2 LUCE ASSORBANZA Eff%
1) 12 20 SI SI DECOLORATO /
2) 12 20 NO SI 0,400 0%
4) 7 20 SI SI (U.V.) O,247 24,70% 5) 7 20 SI NO 0,322 1,83% 6) 7 20 NO SI (U.V.) 0,328 0% 7) 7 20 SI SI 0,243 54,92% 8) 7 20 NO SI 0,539 0% 9) 7 20 SI NO 0,388 28,01%
Tabella 5. Assorbanze e relative riduzioni percentuali del colorante verde a diversi valori di temperatura e pH ed esposto alla luce UV
Tabella 6. Assorbanze e relative riduzioni percentuali del colorante blu a diversi valori di temperatura e pH ed esposto alla luce UV
(*) Il dato negativo è probabilmente dovuto a un’evaporazione del solvente, dovuto a un elevato tempo di conservazione del campione.
Conclusioni
1) Per le celle fotovoltaiche si può definire l’efficienza di conversione solare, pari al rapporto tra la potenza elettrica prodotta e la potenza luminosa incidente sulla cella. L’efficienza delle celle solari convenzionali varia dal 6% per quelle a base di silicio amorfo fino al 30% o più per alcuni prototipi a giunzioni multiple con silicio cristallino. Viene pure definita l’efficienza quantica (quantum efficiency) che rappresenta la probabilità che un fotone dotato di una certa energia provochi il rilascio di un elettrone.
L’efficienza quantica delle celle di Grätzel è elevata. Esiste infatti una probabilità molto alta che un fotone venga assorbito. Il colorante è quindi piuttosto efficiente nel convertire un fotone in elettrone. L’efficienza quantica totale è intorno al 90%. Ciò nonostante solamente quegli elettroni che posseggono abbastanza energia per superare l’energy gap del TiO2 contribuiranno alla generazione di corrente. Questo gap energetico è leggermente maggiore di quello delle celle al silicio. Di conseguenza un minor numero di fotoni sono utilizzabili per la generazione di corrente. La presenza dell’elettrolita limita inoltre la velocità con la quale le molecole del colorante possono riacquistare elettroni, diventando nuovamente attive per la fotoeccitazione. Tutti questi fattori limitano fortemente la corrente generata da una cella di Grätzel [5].
La presenza dell’elettrolita crea inoltre problemi di stabilità termica. A basse temperature infatti l’elettrolita può congelare, impedendo il funzionamento della cella. Al contrario, temperature molto elevate provocano l’espansione del liquido, che può fuoriuscire dal pannello. Per questo motivo si stanno facendo tentativi per cercare di utilizzare elettroliti solidi. Con tutti i suoi limiti, tuttavia, la cella di Grätzel rappresenta concettualmente un importante passo in avanti nel tentativo di simulare processi simili a quelli fotosintetici e quindi si presta molto bene, dal punto di vista didattico, a un approccio multidisciplinare che
coinvolga fisica, chimica, biologia e problematiche energetico-ambientali. Una discussione con gli studenti su questi aspetti non può che essere didatticamente proficua.
2) Dai risultati ottenuti appare evidente che l’esposizione diretta ai raggi solari determina la maggiore efficacia nella fotodegradazione dei coloranti utilizzati. Non appaiono invece significativi gli effetti dovuti a variazioni della temperatura e del pH. La fotodegradazione indotta dall’esposizione a luce indiretta appare decisamente meno marcata. Questo mostra che a parità di lunghezza d’onda la fotodegradazione dipende fortemente dall’intensità della luce utilizzata. Anche l’esposizione alla luce UV appare molto meno efficace. Tuttavia con i dati raccolti risulta impossibile stabilire se questo è dovuto alla diversa lunghezza d’onda utilizzata o alla sicuramente inferiore intensità della sorgente UV rispetto alla luce solare. Sarebbero necessari ulteriori studi che utilizzino sorgenti con uguale intensità e diverse lunghezze d’onda e uguale lunghezza d’onda e diverse intensità.
Ringraziamenti
L’autore desidera ringraziare il Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell’Università di Genova, e in particolare il dott. Riccardo Carlini, per la collaborazione offerta nella realizzazione dell’esperienza didattica descritta nel presente articolo.
Bibliografia
1. Wan, H. (2004). Dye Sensitized Solar Cells, University of Alabama, Department of Chemistry: http://web.archive.org/web/20060911115045/http://bama.ua.edu/~chem/seminars/student_seminar s/fall04/papers-f04/wan-sem.pdf.
2. Gratzel, M. (2001). Photoelectrochemical cells. Nature, 414 (6861), 338-344.
3. Solar energy - Dye-Sensitized Solar Cells. Conversazione di Michael Grätzel (video): https://www.youtube.com/watch?v=LYVwJyQBXcM.
4. Izumi, I., Dunn, W. W., Wilbourn, K.O., Fan, F. R. F. & Bard, A. J. (1980). Heterogeneous photocatalytic oxidation of hydrocarbons on platinized titanium dioxide powders. Journal of Physical Chemistry, 84 (24), 3207-3210,
5. Huber, R. et al., (2000). The role of surface states in the ultrafast photoinduced electron transfer from sensitizing dye molecules to semiconductor colloids. Journal of Physical Chemistry B, 104 (38), 8995- 9003.