LIGHT ENERGY - downloads.slo.nldownloads.slo.nl/Documenten/test-lichtenergie-1-.doc · Web...

LICHTENERGIEZONNECEL GEBASEERD OP

KUNSTMATIGE FOTOSYNTHESE15 mei 2008

- OPDRACHT 2 -

NICOSIA CYPRUS

of 25

INHOUD

1. Algemene richtlijnen2. Regels die dienen opgevolgd te worden in het lab3. Lijst van chemicaliën4. Apparaten en toebehoren5. Veiligheidsvoorzieningen, R- en S-zinnen6. Experiment 1: Het maken van de zonnecel werkend op nanokristallijne

kleurstof (nanocrystalline dye sensitized solar cell =DSSC) 7. Experiment 2: Volumetrische titratie van jood in de DSSC

elektrolytoplossing8. Experiment 3: Chemische eigenschappen van anthocyanine9. Experiment 4: De elektrische outputkarakteristieken van een zonnecel

of 25

1. ALGEMENE RICHTLIJNEN

Je krijgt drie sets van opdrachten en antwoordbladen. Aan het eind van de

opdracht stop je één set opdrachtbladen en antwoordbladen voorzien van de

handtekening van de zaalassistent in de envelop. Op de envelop noteer je volgende

gegevens: Land, Team en plaatsnummer. Lever de envelop in.

Schrijf de namen van de groepsleden in het daarvoor bestemde vak op de eerste

pagina. Vergeet ook niet het nummer van de labplaats die je toegewezen hebt

gekregen.

Je hebt 4 uur voor dit onderdeel. Zorg dat je de opgaven en de antwoordbladen

gelezen hebt voordat je begint. Verder mogen jullie zelf onderling het werk

verdelen. Er zijn 24 bladzijden in deze opdracht, 13 bladzijden in antwoordbundel 1

en 2 bladzijden in antwoordbundel 2

Schrijf de antwoorden en berekeningen in de daarvoor bestemde antwoordboxen.

Er worden GEEN extra chemicaliën verstrekt (behalve gedestilleerd water).

Bijkomend glaswerk kan wel verkregen worden.

Er wordt geen extra uitleg verstrekt.

Volumemetingen m.b.v. een buret dienen te gebeuren met een nauwkeurigheid van

0,05 mL.

Het gebruik van correctievloeistof (typp-ex) en een programmeerbare

rekenmachine is niet toegestaan.

Gebruik alleen een blauw of zwart schrijvende pen.

Je mag gebruik maken van het toilet, nadat je daar toestemming voor hebt gekregen

van de zaalassistent.

Als je klaar bent met de experimenten, moet je alle bladen (Test + Antwoordbladen)

in de daarvoor bestemde envelop doen en sluiten.

Je blijft zitten totdat je de toestemming krijgt om het lokaal te verlaten.

of 25

REGELS WAARAAN MEN ZICH TE HOUDEN HEEFT IN DE LABORATORIA

Draag veiligheidsbril, beschermende handschoenen en een labojas zolang je aanwezig

bent op het laboratorium.

Gebruik de speciale rubberen peer/ballon om een pipet te vullen.

Volg de Risico- en Veiligheidszinnen (R- en S- zinnen).

Snuif geen reagentia op.

Deponeer gebruikte chemicaliën in de plastic fles die gelabeld is met “Waste basket”.

Ruim gebruikte reageerbuisjes en gebroken glaswerk op in de “Glass disposable”.

Het is niet toegestaan om te eten of te drinken in het laboratorium.

Blijf op je eigen plaats en leen geen chemicaliën of instrumenten van andere teams. Als je

ergens hulp bij nodig hebt, aarzel dan niet om de labassistent hierom te vragen.

Strafpunten worden gegeven voor het niet opvolgen van de veiligheidsregels.

Volg altijd de aanwijzingen van de zaalassistent op.

Als je op je papier ziet Zaalassistent!!!! steek dan je hand omhoog en wacht tot de

zaalassistent je experiment heeft gezien voordat je doorgaat.

Als je enig ander hulp nodig hebt van de zaalassistent steek dan eenvoudig je hand

omhoog en wacht.

of 25

3. LIJST VAN CHEMIKALIËN

Reagens Hoeveelheid

Zit in Labeled

Titaniumdioxide-supensie (gemeenschappelijk te gebruiken)

5 mL Fles met dop TiO2

Suspension

Granaatappelsap +10% gedest. water

40 mL Bruine fles Pomegranate juice

Jodide-elektrolyt 15 mL Plastic druppelfles

KI / Iodine elektrolyteWARNING: contains Ethylene glycol

Natriumthiosulfaat 60mL Bruine fles Na2S2O3 0.0780M

Jodium/kaliumjodide-oplossing in ethyleenglycol

45 mL Bruine fles KI3 (CH2OH)2

Cx

Ethanol 300 mL Plastic spuitfles ETHANOL

Isopropanol 100 mL Plastic spuitfles ISOPRORANOL

Gedemineraliseerd water 500mL Plastic spuitfles DEIONIZED WATER

Zetmeeloplossing 10mL Druppelfles Starch indicator

Waterstofchloride-opl./ zoutzuur 20mL Druppelfles HCl 1M

Ammoniakoplossing 20mL Druppelfles NH3 0.5%

Aluminiumchloride 3g Glazen bokaal AlCl3

of 25

Item Quantity

Veiligheidsbril 1

Beschermende handschoenen 1

Digitale multimeters 2

500 Ω potentiometer (gebruikt als variabele weerstand) 1

Hete luchtblazer + staander 1

Glazen cilinder die past op de mond van de hete luchtblazer 1

Halogeenlamp 1

Scotch (3M) plakband 1

Geleidende glasplaatjes 2

Klemmetjes 4

Potlood 1

Glazen staaf 1

Reageerbuisjes + staander 4

Tang 1

Petrischalen 2

Deksel voor petrischalen 2

10 mL glazen pipet 1

50 mL buret met staander 1

Erlenmeyer 1

Glazen maatcilinder van 100 mL 1

Glazen maatcilinder van 10 mL 1

Plastic Pasteurpipet met maatverdeling 2

Glazen beker 1

of 25

Rubber peer/ballon om pipet te vullen 1

4. APPARATUS AND SUPPLIES

Pincet 1

Schaar 1

Kleine spatel 1

Wattenstaafjes 5

Papieren doekjes/tissues (doos) 1

Liniaal (meetlat) 1

Wit blad papier 1

of 25

5. Veiligheidsvoorschriften, R- en S-zinnen

Titaniumdioxide R-geen S:22-25-36/37

Ethanol R:11 S:7-16

Isopropanol R:11 S:7-16

Glycol R:10-20/21/22 S:53-45

Natriumthiosulfaat R-geen S-geen

Jodium / Jood R:20/21 S:23-25

Zetmeel R-geen S-geen

Ethyleenglycol R: 22-26-10-20/21/22 S: 53-45

Aluminiumchloride R34 S7/8-28-45

Risicozinnen (R) R 10 Brandbaar R 11 Zeer brandbaar R 22 Schadelijk bij innameR 26 Zeer toxisch bij inademenR34 Veroorzaakt brandwonden.

Combinatie van R-zinnen (R)R20/21 Schadelijk bij inademen en bij huidcontactR20/ 21/22 Schadelijk bij inademen, bij huidcontact en bij inname

Veiligheidszinnen (S) S 7 Recipiënt (vat, fles,..) goed gesloten houden. S 16 Verwijderd houden van ontvlammingsbronnen – Niet roken. S 22 Stofdeeltjes niet inademen.S 23 Gas, dampen, rook, spray niet inademen (de termen worden gespecifieerd door de producent) S 25 Vermijd contact met de ogenS28 Na contact met de huid onmiddellijk met veel water afwassen. S 45 Bij ongeluk of indien je je onwel voelt, dadelijk een geneesheer verwittigen. Toon indien mogelijk het etiketS53 Blootstelling vermijden – vraag speciale instructies voor het gebruik. S7/8 Het recipiënt (vat, fles,..) goed sluiten en droog bewaren.

Combinatie van veiligheidszinnen (S)

S 36/37 Draag gepaste beschermende kledij, handschoenen en oog/gelaat bescherming.

of 25

EXPERIMENT 1:Het maken van de zonnecel werkend op een nanokristallijne kleurstof

A. InleidingB. Het aanbrengen van het TiO2-laagjeC. TiO2 sinteringD. TiO2 Kleuring met anthocyanine & coating van het glasplaatje met koolstof E. Het in elkaar zetten van de zonnecel

A. InleidingDe zon voorziet onze planeet met een wisselende hoeveelheid energie. Groene planten zetten deze zonne-energie met behulp van fotosynthese om in biomassa met een typische jaarlijkse gemiddelde efficiëntie van minder dan 0,3 %

Het direct gebruik van zonnestraling om elektriciteit te maken is een ideale manier om gebruik te maken van de hernieuwbare energiestroom die de natuur levert. Met een zonnecel kan elektrische energie geproduceerd worden direct bij de (eind)gebruiker, waardoor transportkosten en energieverliezen ten gevolge van dat transport vermeden worden. Zonnecellen werken geluidloos en stoten geen giftige stoffen dan wel broeikasgassen uit en vergen heel weinig onderhoud. Daar komt bij dat de grote hoeveelheid beschikbare zonne-energie en de vele praktische toepassingsmogelijkheden er van, gebruik op grote schaal attractief maakt.

Ondanks de aanzienlijke ontwikkelingen van de laatste tientallen jaren, hebben de hoge kosten van zonnecellen het gebruik van zonne-elektrische energie op grote schaal in de weg gestaan. De standaard silicium zonnecel technologie is op een punt gekomen dat de kostenbesparing alleen nog afhankelijk is van de economische schaal. Kostenberekeningen van dunnelaag zonnecel technologie aan de andere kant tonen aan dat deze op een vergelijkbaar niveau liggen dan standaard siliciumtechnologie. Daarom is het noodzakelijk om nieuwe technieken en materialen te ontwikkelen voor de productie van zonnecellen om de prijs er van te kunnen drukken.

Nanotechnologie heeft ook zijn intrede gedaan op het gebied van zonnecellen, waarin zonne-energie wordt omgezet in elektrische energie. De materiaalontwikkeling op nanometerschaal heeft fotovoltaïsche materialen en systemen mogelijk gemaakt die de kosten aanzienlijk kunnen verlagen. Deze nieuwe materialen zijn bijvoorbeeld organisch synthetische materialen en anorganische nanopartikels en nanopartikelsystemen. Zonnecellen die gebaseerd zijn op deze nieuwe materialen worden organische zonnecellen of moleculaire zonnecellen genoemd. Bij de ontwikkeling van deze nieuwe zonnecellen speelt naast natuurkunde ook scheikunde een belangrijke rol.

of 25

De meest bekende niet conventionele zonnecel is de op kleurstof werkende nanostructuur zonnecel (DSSC) , die in 1991 ontwikkeld is door professor Grätzel (Lausanne, Zwitserland). Op dit moment is deze unieke foto-elektrische zonnecel gebaseerd op een TiO2 nanopartikel foto-elektrode gevoelig gemaakt met een lichtabsorberende organische kleurstof. Een commercieel en interessant alternatief voor bestaande silicium zonnecellen en dunnelaag zonnecellen. Onderzoeksactiviteiten op dit gebied en de belangstelling van industrieën voor deze technologieën nemen momenteel sterk toe.

De werking van de met kleurstof werkende zonnecel (DSSC)De met kleurstof werkende zonnecellen zijn een nieuwe soort zonnecellen die wetenschappers op dit moment verder ontwikkelen. Deze zonnecellen hebben een grote toekomst omdat ze met relatief goedkope grondstoffen gemaakt kunnen worden en lage productiekosten hebben. Ook werken deze cellen effectief in omstandigheden met weinig licht, zoals een bewolkte hemel, waar traditionele cellen iets van hun energie verliezen. Ook verliezen traditionele modellen energie in de vorm van warmte. Met kleurstofwerkende zonnecellen zijn minder gevoelig voor verlies van energie aan warmte.

De DSSC bestaat uit twee glaselektroden in een sandwichsamenstelling. (Zie figuur 1) De glaselektroden zijn geleidend gemaakt met een dunne tindioxidelaag die aan één kant aangebracht is. Elke laag heeft een specifieke functie in de cel. De glaselektroden zijn doorzichtig waardoor het licht de cel kan passeren. De tindioxide coating vormt een doorzichtige geleidende laag. Het titaandioxide bindt de kleurstof. De natuurlijke of synthetische kleurstofmoleculen vangen het licht op en produceren elektronen in een aangeslagen toestand. Dit veroorzaakt een elektrische stroom in de cel. De jodide-elektrolytlaag fungeert als een middel voor elektronenverplaatsing. De geleidende laag (de rechter) is gecoat met een grafietlaag (koolstoflaag) die als katalysator werkt.

In het volgende gedeelte staat de hoofdletter S niet voor zwavel, maar voor de kleurstof.

Figuur 1 of 25

De DSSC produceert elektriciteit door elektronenoverdracht. Zonlicht passeert de geleidende glaselektrode (zie figuur 1). De kleurstof absorbeert het licht (de fotonen) en één van de elektronen in de kleurstof gaat van de grondtoestand naar een aangeslagen toestand. Dit wordt foto-excitatie genoemd. Het aangeslagen elektron springt naar de titaandioxidelaag (TiO2) en diffundeert hierover. Het elektron bereikt dan de geleidende elektrode, gaat door de draad en bereikt de andere elektrode. Het kleurstofmolecuul., die een elektron verloren heeft aan het titaandioxide, is nu geoxideerd, wat betekent dat het één elektron minder heeft dan daarvoor. De kleurstof wil weer terug komen in de begintoestand, dus hij probeert een elektron terug te krijgen. Hij krijgt dit elektron van het jodide-elektrolyt (I- ) en de kleurstof komt terug in de grondtoestand. Dit zorgt ervoor dat het jodide wordt geoxideerd. Wanneer het oorspronkelijk verloren elektron de andere elektrode bereikt, geeft de elektrode het elektron terug aan het elektrolyt (I3

-) (zie figuur 1)

S: kleurstof molecuul

S*: aangeslagen kleurstofmolecuul

S+: geoxideerd kleurstofmolecuul

CE: contra-elektrode

S + licht S*

S* + TiO2 e¯ (TiO2) + S+

e¯ (ΤιΟ2) + C.E. ΤιΟ2 + e¯(CE) + elektrische energie

S+ + 3/2 I¯ S + 1/2 I3¯

1/2 I3¯ + e¯ (C.E) 3/2 I¯ + CE

of 25

elektrolyte

load

B. Het aanbrengen van het TiO2 laagje

1. Pak de twee geleidende glasplaatjes (2,5cm x 2,5cm) en maak ze schoon met alcohol (ethanol) en droog deze met zacht tissue-papier. Doe dit op dezelfde wijze als waarop brillenglazen schoongemaakt worden. Als je de glasplaatjes eenmaal schoongemaakt hebt, mag je de oppervlakken niet meer aanraken met je handen, omdat de vetten op je hand het glasoppervlak zullen bevuilen.

2. Hint: Je mag gedurende dit experiment de glasplaatjes alleen met een tangetje oppakken of de glasplaatjes aan de zijkanten (randen) vastpakken.

3. Gebruik een digitale multimeter en zet deze op Ohm om te controleren welke kant van het glasplaatje geleidend is. De weerstand van de geleidende zijde moet tussen de 10 en 30 ohm liggen.

4. Leg één glasplaat met de geleidende kant boven. deze plaat zal worden gecoat met de TiO2 suspensie. Pak de andere glasplaat en draai deze zodanig dat de geleidende kant onder is. Leg dit glasplaatje vervolgens tegen het glasplaatje dat moet worden gecoat. Als je dit gedaan hebt, ligt één glasplaatje met de geleidende zijde naar boven en het andere glasplaatje met de geleidende zijde naar onder. (Houd goed in de gaten welk glasplaatje met de geleidende zijde boven ligt.) In deze fase heeft het tweede glasplaatje louter een hulpfunctie bij het coatingsproces.

5. Breng twee stukjes plakband (Scotch (3M), 6-7 cm in lengte) aan op de linker- en rechterrand van de glasplaatjes, zodanig dat een strookje van HOOGUIT 1 mm breedte aan weerszijde afgeplakt wordt. (Zie Figuur 2).

Figuur 2: Oriëntatie van de geleidende glasplaatjes, afplakken van de glasplaatjes, aanbrengen van titaandioxide op het oppervlak van het geleidende glasplaatje.

of 25

6. Breng een ander stukje plakband aan op de bovenzijde van het glasplaatje dat moet worden gecoat, zodanig dat een strookje van 4 - 5 mm afgeplakt wordt. De drie stukjes plakband moeten een stukje oversteken over de randen van het glas naar de tafel, om de plaatjes op de tafel vast te kunnen plakken.

De plakband bepaalt de dikte van de aan te brengen TiO2 -laag, tot 40-50µm. De plakband dekt ook stukjes van de glasplaatjes af die later gebruikt kunnen worden voor het maken van een elektrisch contact.

7. Om het glasplaatje te coaten wordt een dunne lijn van drie druppels van de TiO2

suspensie opgebracht, vlakbij de plakbandrand. De suspensie wordt met een glazen (roer)staafje gelijkmatig verdeeld over het glasplaatje dat met de geleidende zijde naar boven ligt. Let op: dip het (roer)staafje niet in de TiO2 -suspensie, maar raak met het puntje van het glazen (roer)staafje alleen het oppervlak van de suspensie aan.

8. Binnen vijf seconden nadat de TiO2 -suspensie aangebracht is, schuif je (dus NIET ROLLEN) het schone glazen (roer)staafje (dat je horizontaal neergelegd hebt en vasthoudt) over de plaat om de suspensie gelijkmatig te verspreiden (zie figuur 3) De meest succesvolle manier om een mooi gelijkmatig laagje te krijgen is om inéén snelle 'schuivende' beweging het glazen (roer)staafje van boven naar onder en weer terug te bewegen. (Dus één keer op en neer).

Figuur 3: Een snelle schuivende beweging met de glazen (roer)staaf is nodig om de titaandioxide-suspensie gelijkmatig op de afgeplakte geleidende glasplaatje aan te brengen.

of 25

9. Als de coating niet gelijkmatig lijkt, dan kan het materiaal van het glasplaatje worden weggeveegd en het glazen (roer)staafje kan worden afgeveegd met een vochtig gemaakt tissue-papiertje. Hierna kan de opbrengprocedure opnieuw uitgevoerd worden.

Na het aanbrengen van de TiO2 - suspensie, moet het plakband voorzichtig verwijderd worden. Leg het glazen plaatje in een petrischaal zonder het oppervlak van het glasplaatje aan te raken en doe het dekseltje er op. Laat de TiO 2 -laag gedurende één minuut drogen. Was het plaatje daarna met gedestilleerd water en ethanol en droog het niet-gecoate plaatje en maak het glazen (roer)staafje schoon

of 25

C. TiO2 SINTERING

1. Hard de TiO2 laag op het geleidende glasplaatje met behulp van een hete-luchtföhn. Het verwarmen van het glasplaatje moet in de zuurkast gebeuren.

2. Breng het geleidende glasplaatje voorzichtig (titaandioxide-zijde naar boven) in de glazen buis en duw het met de glazen staaf voldoende ver (zie figuur 4). Vraag de zaalassistent om je opstelling te controleren. Zet de schakelaar op de föhn op stand 1 (naar boven). De lucht bereikt een temperatuur van 450 oC.

VOORZICHTIG: Raak de glazen buis niet aan tijdens of direct na het verwarmen met de föhn, omdat deze zeer heet is.

3. Hint : Terwijl je wacht tot de harding en sintering afgelopen is, kun je vast met EXPERIMENT 2 beginnen.

4. Nadat de harding en sintering voltooid is, moet je de glazen cilinder en het glasplaatje minstens 15 minuten laten afkoelen, zodat het geheel weer op kamertemperatuur is.

Figuur 4: Het glazen plaatje is in de glazen buis geplaatst om harding en sintering van het titaandioxidelaagje op het geleidende glasplaatje te realiseren.

5. Bewaar het gecoate glasplaatje ( gecoate zijde boven) in een schoon petrischaaltje en plaats de deksel erop. Het is nu gereed om later te gebruiken.

of 25

D. TiO2 KLEURING MET ANTHOCYANINE & COATING VAN HET GLASPLAATJE MET KOOLSTOF

1. Breng het afgekoelde glasplaatje waarop een laagje TiO2 is aangebracht (met de gecoate laag naar onder gericht) over in een petrischaal waarin 30 mL anthocyanine-oplossing (granaatappelsap) zit. De complexvorming van anthocyanine aan het oppervlak van TiO2 verloopt snel. Laat het plaatje in deze kleurstofoplossing gedurende 10 minuten weken. Als er nog maar iets van de witte kleur van TiO2 te zien is, van beide kanten van het glasplaatje bekeken, dan moet het glasplaatje terug in de kleurstofoplossing geplaatst worden gedurende nog eens 5 minuten.

Let op Als het plaatje ligt te weken in de anthocyanine-oplossing kan een van jullie team al vast experiment 3 uitvoeren.

Haal het plaatje pas uit de kleurstofoplossing als je er klaar voor bent om de zonnecel in elkaar te zetten, en dat gebeurt in onderdeel E .

of 25

Titanium dioxide laag

Figuur 5: Het kleurstofmolecuul moet carbonyl ( - C=O ) of hydroxyl ( -OH) groepen hebben die een complex kunnen vormen met TiO2

2. Terwijl de TiO2 -elektrode ligt te weken in het granaatappelsap om gekleurd te worden, kan de andere elektrode (de contra-elektrode) met koolstoflaagje gemaakt worden van het andere geleidende glasplaatje (2,5cm x 2,5cm).Maak je tweede glasplaatje schoon (dus het plaatje dat niet in het granaatappelsap ligt) door het te spoelen met alcohol en het vervolgens af te drogen met zacht tissue-papier.—doe dat precies zo als bij het schoonmaken van een bril. Gebruik een digitale multimeter, gezet op het meten van ohms, om te bepalen welke kant van het glaasje geleidt; de gemeten waarde moet liggen tussen 10 en 30 ohm.

3. Houd het geleidende glasplaatje op tafel vast met een tangetje of aan de randen.

Met een potlood dat je gekregen hebt, breng je stevig een uniform koolstoflaagje (grafiet) aan op de gehele geleidende kant van het glasplaatje, druk daarbij stevig op het plaatje. Let op dat er geen enkel plekje leeg blijft. Deze dunne koolstoflaag dient als katalysator voor het doorgeven van de elektronen in de reactie waarbij trijodide weer in jodide wordt omgezet.

Voor deze elektrode is geen plakband nodig, dus het gehele plaatje wordt bedekt met de koolstof (zie figuur 6).

of 25

Anthocyanine

Figuur 6: Coating van de contra-elektrode met de koolstof-katalysator

4. De koolstoflaag op de contra-elektrode mag absoluut niet aangeraakt worden. Er mag niet over gewreven worden en ze mag niet in aanraking komen met de TiO2

elektrode of elk ander oppervlak. De elektrode moet bij de randen vastgepakt worden en voorzichtig geplaatst worden waar je het wil hebben.

E. DE ZONNECEL IN ELKAAR ZETTEN

1. Haal met een tangetje het glasplaatje (dat donkerpaars gekleurd is) uit het granaatappelsap en spoel het af met gedestilleerd water, en daarna met alcohol (ethanol).

2. Leg het glasplaatje met de gecoate kant naar boven op een papieren tissue. Druk zachtjes met een ander papieren tissue op de TiO2 - laag ( herhaal dit met alcohol (ethanol) om het nog verder droog te maken).

3. Het is erg belangrijk dat het gekleurde glasplaatje goed droog wordt en dat al het water uit de poreuze TiO2 laag verwijderd wordt voordat de jodide elektrolyt-oplossing aangebracht wordt op de coating. Om er echt zeker van te zijn dat de TiO2 laag droog is, kan bovenstaande procedure nog met isopropanol herhaald worden.

4. Deze stap moet je snel uitvoeren, binnen 1 minuut, om te voorkomen dat de gekleurde laag teveel aan de lucht wordt blootgesteld. Leg de drooggemaakte gekleurde elektrode op een vlak oppervlak met de TiO2 -laag aan de bovenkant . Het glasplaatje met de koolstofcoating leg je daar bovenop, zorg dat de geleidende kant en de TiO2 - laag tegenover elkaar zitten.

5. Til de elektrode, gecoat met koolstof, voorzichtig op en leg de plaatjes nog nauwkeuriger op elkaar: de gehele TiO2 - laag moet bedekt zijn door de elektrode, gecoat met koolstof, en het 4-5 mm uiteinde van elke glasplaat moet aan de zijkant uitsteken (zie figuur 7).

Op de twee uitstekende stukjes komen later de aansluitpunten te zitten.

of 25

Figuur 7: ( denk bij deze tekening de krokodillenklemmetjes weg )In elkaar gezette zonnecel. Van de twee glasplaatjes is het niet gecoate deel van het TiO2 - plaatje te zien . Ook een deel van het glasplaatje gecoat met koolstof is te zien. Licht komt de zonnecel binnen door de TiO2 - zijde van de zonnecel.

6. Neem het geheel nu voorzichtig op en laat het in dezelfde positie. Doe op de langste zijden twee klemmetjes om de plaatjes bij elkaar te houden.

7. De Jodide-elektrolytoplossing bestaat uit een mengsel van KI met I2 in ethyleen glycol. Breng voorzichtig twee druppels van deze I3¯ oplossing op één rand van de plaatjes. Terwijl je de plaatjes als een sandwich bij elkaar houdt doe je een klemmetje eraf en weer terug, en vervolgens het andere klemmetje. Dit creëert een kleine ruimte tussen de plaatjes waarin de oplossing gaat door capillaire werking. Ga door met het afwisselend eraf halen en erop doen van de klemmetjes totdat het gehele gekleurde oppervlak in contact staat met de elektrolyt.

8. Verwijder met wattenstaafjes verzadigd met alcohol de overtollige elektrolyt van de buitenoppervlakken, en maakt het daarna schoon met droge tissues. Het is belangrijk dat het elektrolyt volledig verwijderd wordt van de buitenoppervlakken van de zonnecel.

of 25

EXPERIMENT 2: VOLUMETRISCHE TITRATIE VAN JOOD IN DE DSSC ELEKTROLYTOPLOSSING

INLEIDINGHet elektrolyt in de zonnecel (DSSC) is een I2/KI (I3¯) oplossing in een ethyleen-glycol-oplosmiddel. Hieronder staat de ionenvergelijking voor de reactie van natriumthiosulfaat (Na2S2O3) en I3¯.

I3¯ + 2 S2O32- 3I¯ + S4O6

2-

INSTRUCTIES

1. Maak de buret klaar en vul deze met de standaardoplossing van natriumthiosulfaat, Na2S2O3 0,0780 M

2. Lees de beginwaarde af op de buret en noteer die op je antwoordblad.

3. Breng met behulp van een pipet 10 mL van de oplossing van jodium in ethyleenglycol over in een schone erlenmeyer.

4. Titreer, terwijl je de erlenmeyer omzwenkt, tot een gele kleur verschijnt. Voeg 2 mL zetmeelindicator toe en 10 mL gedemineraliseerd (gedestilleerd) water en ga door met de titratie tot de blauw/zwarte kleur verdwijnt en de oplossing kleurloos wordt.

5. Lees de eindwaarde af op de buret en noteer die op je antwoordblad.

6. Herhaal de titratie drie maal.

7. Vul de tabel op je antwoordblad verder in.

8. Bereken, nauwkeurig in 4 decimalen, de concentratie aan I3¯ in mol/L in het elektrolyt.

of 25

EXPERIMENT 3: CHEMISCHE EIGENSCHAPPEN VAN ANTHOCYANINE

Breng met behulp van een glazen 10 mL maatcilinder één mL granaatappeloplossing (deze bevat anthocyanine) en 9 mL gedestilleerd water in een glazen beker van 100 mL (oplossing A). Gebruik een pasteurpipet met maatverdeling om 1 mL van de verdunde oplossing (oplossing A) aan elk van de 4 reageerbuisjes toe te voegen. Label de reageerbuisjes T1 tot en met T4. Voeg daarna één druppel HCl oplossing toe aan de buisjes T2, T3 en T4. Voeg vijf druppels ammoniakoplossing toe aan buisje T3. Breng met een kleine spatel een spateltip aluminiumchloride in buisje T4. Schud de buisjes zeer goed.

Vul de tabel in op je antwoordblad 1.

of 25

EXPERIMENT 4.DE OUPUT KARAKTERISTIEKEN VAN DE ZONNECEL.

A. APPARATUURB. THEORIEC. EXPERIMENTD. ANALYSE

A. APPARATUUR de TiO2 zonnecel een lichtbron ( een halogeenlamp) twee (digitale) multimeters een 500 Ω potentiometer (te gebruiken als variabele weerstand) elektrische draden een statief een statiefklem een lineaal

B. THEORIE

Het elektrisch vermogen van een cel is de hoeveelheid elektrische energie die per seconde aan een elektrisch circuit wordt afgestaan, dus:

vermogen van de cel = afgestane elektrische energie / tijd.

Het afgestane vermogen (P) kan gevonden worden door de spanning (V) over de cel te vermenigvuldigen met de stroomsterkte (I) die door de cel loopt. Dus: P = I.V

Het vermogen wordt gemeten in Watt (W), de spanning in Volt (V) en de stroomsterkte in Ampère (A).

Het rendement van een energieomzetting wordt als volgt gedefinieerd:

rendement = afgestane nuttige energie / totale hoeveelheid opgenomen energie

en wordt uitgedrukt als een verhouding of als een percentage.

of 25

C. EXPERIMENT

De zonnecel wordt beschenen met het licht van een halogeenlamp. De zonnecel is dus een soort batterij die z’n energie van een lamp krijgt.

Aan de hand van metingen maken jullie een meetserie van spanning en stroom. Daaruit moeten de geleverde vermogens en de rendementen berekend worden.

Opstellen van de apparatuur.1. De negatieve elektrode is het met een TiO2 – laagje bedekte glasplaatje. Bevestig de

zwarte krokodillenklem aan de negatieve elektrode. Bevestig de rode krokodillenklem aan de andere (positieve) elektrode.

2. Zorg ervoor dat het licht de zonnecel binnendringt via de TiO2 - zijde. De zonnecel en de lichtbron mogen gedurende het experiment niet worden bewogen.

3. Plaats de lichtbron op een afstand van ongeveer 2 à 3 cm direct boven de zonnecel.

Meting van de klemspanning en de kortsluitstroom .De maximumspanning en -stroom worden gemeten door de multimeter rechtstreeks op de cel aan te sluiten. In Figuur 1 en Figuur 2 is aangegeven hoe de voltmeter en de stroommeter (ampèremeter) zijn aangesloten op de cel.

4. Schakel de halogeenlamp aan om de zonnecel te belichten.

5. De zonnecel heeft ongeveer 5 minuten nodig om te stabiliseren. Voer de metingen pas daarna uit.

6. Meet de maximumspanning (de klemspanning) door de multimeter rechtstreeks op de zonnecel aan te sluiten. Gebruik de mV-schaal van de multimeter.

Noteer de maximumspanning op het antwoordblad 1 onder EXP4.1. of 25

RAAK DE HALOGEENLAMP NIET AAN.

DEZE WORDT ERG WARM!

ampèremeter

A

cel

Figuur 2

voltmeter

V

cel

Figuur 1

7. Gebruik nu de mA-schaal van de multimeter (milliampères). Meet vervolgens de maximumstroom (de kortsluitstroom). Noteer de meetwaarde op het antwoordblad 1 onder EXP4.2.

Uitvoering van de hele serie van spanning- en stroommetingen.De spanning- en stroommetingen worden uitgevoerd door de 500-ohm potentiometer aan te sluiten als variabele belasting.

8. Teken op het losse antwoordblad 2 het schema van de schakeling die je gebruikt om de spanning en de stroom te meten.

9. Geef het antwoordblad met het schema aan de zaalassistent. Van de zaalassistent krijg je nu het officiële schema waarmee je het experiment verder uitvoert.

10.Bouw de schakeling aan de hand van het officiële schema.

11.Test je schakeling door de grootte van de weerstand te veranderen (dus beweeg de knop van de potentiometer (variabele weerstand)). De waarden van de spanning en de stroom moeten nu veranderen. Als deze waarden dezelfde blijven moet je controleren of de aansluitingen wel goed zijn.

12.Doe de spannings- en stroommetingen terwijl je de weerstand stapsgewijs in grootte laat toenemen. Zorg ervoor dat de zonnecel en de lamp tijdens de metingen niet bewogen worden. Over het algemeen is een spanningtoename met telkens 10 mV voldoende voor het grootste deel van de meetserie. Noteer je meetwaarden op het antwoordblad 1 onder EXP4.3.

13.Schakel de lamp uit als je de metingen voltooid hebt.

D. ANALYSE of 25

Als je voor de schakeling hulp nodig hebt, roep dan de zaalassistent. Je krijgt dan wel 4 strafpunten (van 100).

Als de maximumstroom die je gemeten hebt kleiner is dan 1,6 mA roep dan de zaalassistent en vraag hem/haar om een nieuwe cel.

Herhaal je experiment door de vloeibare I3- oplossing aan de nieuwe cel

toe te voegen (Exp1.E.7).

Herhaal de stappen 5, 6 and 7 en noteer de nieuwe waarden voor de maximumspanning en maximumstroom op het antwoordblad onder EXP4.1.1 and EXP 4.2.1

Als de maximumstroom die je gemeten hebt groter is dan 1,6 mA kun je doorgaan met de rest van de metingen van spanning en stroom.

14.Bereken het door de cel afgegeven vermogen bij elke meetwaarde van de spanning. Noteer de berekende vermogens op het antwoordblad 1 onder EXP4.3.

15.Maak een grafiek van de stroom (I) als functie van de spanning (V) op het grafiekenpapier onder EXP4.4. Geef in de grafiek ook punten weer die de metingen van de klemspanning en de kortsluitstroom representeren.

16.Teken een I-V kromme.

17.Maak een grafiek van het vermogen (P) als functie van de spanning (V) op het grafiekenpapier onder EXP4.5. Teken een P-V kromme.

Bepaling van het rendement van de cel voor de omzetting van zonlicht in elektrische energie.De intensiteit van het zonlicht ter hoogte van het aardoppervlak is zo’n 80-100 mW/cm 2. Men krijgt voor de zonnecel ongeveer dezelfde intensiteit als de halogeenlamp op een afstand van ongeveer 2 cm – 3 cm van de cel geplaatst wordt.

Onder deze aanname word in het laatste onderdeel het rendement berekend.

18.Bepaal uit grafiek EXP4.5 het maximum vermogen dat de cel afgeeft. Noteer dit maximum vermogen op het antwoordblad 1 onder EXP4.6.

19.Bepaal de grootte van het oppervlak van het actieve (gekleurde) deel van de zonnecel. Noteer de grootte van dit oppervlak op het antwoordblad 1 onder EXP4.7.

20.Bereken het maximum vermogen per eenheid van oppervlak (in mW/cm2), en noteer deze waarde op het antwoordblad 1 onder EXP4.8.

21.Bereken het rendement van de omzetting van zonlicht in elektrische energie onder de aanname dat het maximum vermogen per oppervlak van het zonlicht op aarde 80 mW/cm2 is. Noteer de waarde van het rendement als een percentage op het antwoordblad 1 onder EXP4.9.

22. Beantwoord tenslotte vraag 4.1. op het antwoordblad 1.

Sommige figuren zijn afkomstig van een boek van het ‘Institute of chemical education’.

of 25

EINDE

LIGHT ENERGY - downloads.slo.nldownloads.slo.nl/Documenten/test-lichtenergie-1-.doc · Web...

Documents

Transcript of LIGHT ENERGY - downloads.slo.nldownloads.slo.nl/Documenten/test-lichtenergie-1-.doc · Web...