Grätzelceller
Filip Lenrick och Robert Johansson
Student N06, Teknisk Nanovetenskap, Lunds tekniska högskola
E-post: [email protected], [email protected]
Inledning
Föreställ dig en kvadrat i Saharas öken på femtio gånger femtio mil som är täckt av solceller.
Den el som skulle produceras i denna fyrkant under en solig dag motsvarar hela
mänsklighetens nuvarande användning av energi under ett dygn.1 Gröna växter har förmågan
att använda denna energi. Med hjälp av solenergin kan de bygga energirika kolhydrater som
t.ex. socker. Processen kallas fotosyntes, och har utvecklats genom evolutionen under
miljontals år. Under fotosyntesen används ett färgämne, klorofyll, för att fånga in energin i
solljuset.
Nu bygger forskare konstgjorda solceller som härmar fotosyntesen, för att på så sätt fånga upp
solenergi och omvandla den till elektricitet. Även där är det ett färgämne som fångar upp
solenergin genom att dess elektroner lyfts till en högre energinivå. I solcellen leds sedan
elektronerna vidare ut i en ledning, för att till exempel ladda ett batteri.
Den här typen av solceller kallas för Grätzelceller, efter den schweiziske forskaren Michael
Grätzel.2 Det var han som år 1991 upptäckte hur man på ett effektivt sätt skulle kunna
efterlikna fotosyntesen. Eftersom solcellerna förutom färgämnen också innehåller vätska så
kallas de även för våta solceller.
Konventionella Solceller
De flesta solceller som används idag bygger på halvledarmaterial, där den aktiva delen av
solcellen är en diod.
Bild 1. Uppbyggnaden av en solcell 3
Solcellens uppbyggnad3 består av en tunn skiva av ett halvledarmaterial, vilket oftast är kisel.
Denna skiva är uppdelad i två delar. Den ena delen är p-dopad och har extra positivt laddade
s.k. hål, den andra n-dopad med extra elektroner. Dopning innebär att man byter ut en Si mot
t.ex. en P, som har en extra elektron och en extra proton. I gränssnittet mellan dessa båda
delar bildas ett elektriskt fält, riktat från n till p. När solljus träffar cellen så frigörs elektroner
och hål i halvledaren, och dessa separeras av det elektriska fältet. Detta resulterar i en
spänning eller en ström.
Förutom halvledarmaterialet finns även ett skikt av antireflexmaterial placerat ytterst på
cellen. Detta material ökar mängden ljus som kommer in i själva cellen.
Kontakterna på solcellens båda sidor ansluts till ett batteri eller någon annan enhet som lagrar
eller förbrukar energin.
Grätzelceller
Precis som den konventionella solcellen arbetar Grätzelcellen4 med att separera elektroner
och hål och därigenom generar en ström eller spänning. Bild 2 visar utseendet på en typisk
Grätzelcell. Cellen består av två elektroder, en glasplatta med ett ledande skikt på insidan.
Den ena elektroden är belagd med titandioxid och den andra med grafit. Mellan de två
elektroderna ligger ett färgämne i en elektrolyt. Principen med Grätzelceller är mycket lik den
naturliga fotosyntesen.5 I Grätzelcellen ingår ett färgämne som är kemiskt bundet till ett
poröst material i ett mycket tunt skikt. Skiktet får inte vara mer än en molekyl tjockt eftersom
varje enskild färgmolekyl måste ha kontakt med titandioxiden. Grätzelcellen förvandlar
energin i ljuset till elektricitet genom att en färgmolekyl absorberar en foton och en liten del
av ljusets energi överförs till en enda elektron i färgmolekylen. När denna energi överförs,
exciteras elektronen till en högre energinivå där den förflyttas till titandioxiden.4 Själva
förflyttningen får inte gå för långsamt för då kan elektronen falla tillbaka till sitt
grundtillstånd i färgmolekylen igen och energin försvinner ut ur cellen i form av ljus. Om
elektronen har tillräckligt med energi transporteras den genom titandioxiden till det ledande
glasskiktet och ut i apparaten. När elektronen är på väg tillbaka från apparaten in i cellen tar
elektrolyten upp elektronen och bildar en jon. För att detta ska ske på ett bra sätt behövs en
katalysator, i vårt fall grafit. Den laddade jonen bär elektronen genom cellen och
titandioxidnätverket tills den möter en färgmolekyl som saknar en elektron. Elektronen
överförs då från jonen till färgmolekylen. Detta sluter kretsen, och samma procedur kan
upprepas om och om igen.
Bild 2. Schematisk bild över Grätzelcellen4
Verkningsgraden hos en solcell definieras som hur stor andel av ljusenergin som konverteras
till elektrisk energi. För att kunna jämföra olika mätningar så definieras våglängdsinnehållet i
ljuset. Det efterliknar våglängdsinnehållet i solljuset vid jordens yta. De mest förfinade
Grätzelcellerna har en verkningsgrad på 10 %, effektiviteten kommer att förbättras, målet är
att uppnå en effektivitet kring 14 % 5. Man kommer dock aldrig få upp effektiviteten till en
lika hög nivå som konventionella solceller, där verkningsgraden kan variera beroende på hur
den är byggd. Solceller i kisel har en maximal verkningsgrad på 29 %, oberoende av design.
Billiga konventionella kiselsolceller som förekommer i miniräknare har en verkningsgrad på
4-5 %. Med inblandning av germanium går den siffran upp till 8 %. För en solcell med ett
bandgap i regionen 1,12 - 1,42 eV (dvs. Si till GaAs) är den maximala verkningsgraden just
33%. Med solceller som är filtrerar ljuset i olika våglängdsintervall och ser till att varje del av
cellen får den våglängd där maximal energi kan utvinnas. Dessa celler kan ge en
verkningsgrad på upp till 60 %.6 Eftersom konventionella solceller är mycket mer
energikrävande att tillverka än Grätzelcellerna så tror många att de ändå kommer att bli
billigare att använda Grätzelceller.
Att bygga en Grätzelcell
För att få en djupare förståelse för Grätzelcellen bestämde vi oss för att bygga en egen.
Processen är relativt enkel, men svårigheten ligger i att göra ett ledande skikt på glasplattorna
och att göra titandioxidskiktet, som involverar svåra kemikalier och processning. Vi beställde
därför ett ”make your own solar cell”-kit från Man Solar, Nederländerna, för att kringgå
problemet.
Bild 3. Bildserie över byggandet av Grätzelcellen.
Vi började med att lägga ett tunt lager grafit på den ena glasplattan för att skapa en katalysator
till elektrolyten. Det enklaste sättet var att stryka jämna lager med blyertspenna. Se bild 3-1.
Detta gjordes med försiktighet för att inte repa det ledande skiktet på glasytan. En Grätzelcell
kräver ett färgämne för att fungera. Man kan använda många olika färgämnen t.ex. från svarta
vinbär, körsbär, jordgubbar och kaffe4. Man kan även använda syntetiska färgämnen som
t.ex. rhodamine. I stort sett fungerar alla färgämnen som tar upp ljus. Vi valde att använda
hibiskus, eftersom det är enkelt att arbeta med och fungera bra. Vi kokade upp vatten och lät
hibiskusbladen dra i det heta vattnet tills att det vars stark färgat. Sedan lät vi glasplattan med
ett tunt lager titandioxid ligga i färglösningen och suga upp färgämnet, se bild 3-2. Efter att
det torkat in så placerade vi de båda elektroderna mot varandra på sådant sätt att vi fick två
kontaktytor att fästa ledningar i. Se bild 2 och bild 3-4. Vi lät elektrolyt sugas upp mellan
elektroderna i cellen genom kapillärkraft. Se bild 3-5. Cellen var nu redo att användas. Vi
kopplade en voltmeter till cellen och lät en 60 w glödlampa lysa på den, se bild 3-6. Vi fick då
ett utslag på 0,4 V. Det betyder att vi behöver minst 3 celler i serie för att uppnå vårt mål, som
var att driva en miniräknare som kräver 1,2 V.
1
(http://www.miljoportalen.se, 2007)
(www.technologyreview.com, 2006)
3
(www.svenskenergi.se , 2006 ; www.vattenfall.se, 2006 ; www.stem.se , 2006)
4
(http://www3.ur.se/vetenskap/templates/Page____16463.aspx)
5
(Grätzel, M (2001) Sol-Gel Processed TiO, Films for Photovoltaic Applications. Journal o
Sol-Gel Science and Technology 22, 7-13)
6
(http://www.nrel.gov/pv/highperformancepv/, Semiconductor Device Physics" av S. M. Sze)
2
