## B. Practicum: het bouwen van een zonnecel

In dit practicum wordt een Grätzel-zonnecel gebouwd, een kleurstof gesensibiliseerde zonnecel (in het Engels: dye sensitized solar cell, DSSC). Dagelijks zien we in de natuur de meest fantastische zonnecellen, bijvoorbeeld groene groenten zoals spinazie, peterselie, de groene bladeren aan de bomen en algen. Met behulp van fotosynthese, zetten ze allemaal zonne-energie om in voor het leven zo belangrijke grond- en voedingsstoffen. Waarom zouden we dan niet spinazie met wat zonlicht gebruiken om elektrische stroom op te wekken? Dit gebeurt met de 'nanokristallijne kleurstof zonnecel', ook wel 'organische' of Grätzel-cel genoemd, naar de ontdekker professor Michael Grätzel. Dit nieuwe type zonnecel zet het zonlicht om in stroom. Dit wordt het fotovoltaïsch proces genoemd. Het hart van deze zonnecel bestaat, net zoals bij het bladgroen van planten, uit kleurstofmoleculen. De beste tot nu toe bekende natuurlijke kleurstoffen zijn anthocyanen. Deze vind je bijvoorbeeld in bramen, frambozen, kersen en hibiscusbloemen. Om een efficiënte omzetting van zonlicht in stroom te krijgen is het echter beter een synthetische kleurstof te gebruiken. Deze synthetische kleurstof wordt gebruikt bij de commerciële ontwikkeling van dit nieuwe type zonnecel zoals je hebt kunnen zien in het filmpje over de Grätzel-cel bij de voorbereiding op het practicum in de vorige les.

Benodigdheden

- Met je groepje ga je twee zonnecellen maken. Daarbij heb je voor de eerste zonnecel nodig:
  - Hibiscusthee uit de Man Solar set
- Voor de andere zonnecel maak je met je groep een keuze uit één van de volgende kleurstoffen:
  - 1 kopje sterke koffie
  - 1 glas (rode)vruchtensap
  - 1 glas rode wijn
- Verder heb je per groepje nodig:
  - 1 educatieve set Man Solar
  - 1 petrischaaltje
  - 1 waterkoker
  - 1 multimeter
  - 4 kabels met krokodillenbekjes
  - Plakband
  - 1 pipet
  - 1 föhn (of een alternatief voor het drogen van de aangebrachte laag op de zonnecel)
  - Aluminiumfolie
  - 1 bunsenbrander
  - 1 driepoot
  - 1 gaasje
  - 1 grijs potlood
  - 1 muziekkaart

Stap 1: Bereiden van hibiscusthee en het kiezen van een kleurstof

Je gaat met je groepje twee zonnecellen maken. Eentje met hibiscusthee en eentje met een andere natuurlijke kleurstof. Uiteindelijk ga je de energieopbrengst van de twee zonnecellen met elkaar vergelijken.

Hibiscusthee

Doe wat theeblaadjes in een petrischaaltje en giet er heet water op. Laat de thee staan.

Maak met je groepje vervolgens een keuze uit één van de volgende drie kleurstoffen die je gaat gebruiken om de tweede Grätzel-zonnecel te maken.

1. Wijn

Schenk een glas rode wijn in.

2. Koffie

Zet een kop sterke koffie.

3. (Rode)vruchtensap

Schenk een glas (rode)vruchtensap in.

Stap 2: Meten van de elektrische weerstand van de glasplaatjes

De glasplaatjes zijn aan één zijde voorzien van een elektrisch geleidende laag. Hiervoor zorgt een heel dun laagje opgedampt tinoxide. Deze zijde moet voor de bouw van de zonnecel worden gebruikt. Neem vier glasplaatjes en controleer of de geleidende kant van het glasplaatje boven ligt. Dit doe je als volgt: zet de multimeter in stand 200 Ω en houd de meetpennen op het glas (zie foto hiernaast). Als de geleidende kant boven zit, dan meet je een waarde. Als je de verkeerde kant boven hebt, krijg je foutmelding omdat de weerstand buiten het meetbereik valt.

Stap 3: Afplakken van de glasplaatjes

Plak drie randen van de elektrisch geleidende kant van de glasplaat af met plakband. Plak 2 mm over de rand aan de lange zijde van de glasplaat en 6 mm over de rand aan de korte zijde van de glasplaat. Doe dit bij alle vier de glasplaatjes.

Stap 4: Maken van de min-elektrodes

Je gaat twee min-elektrodes maken. Druppel met een pipet twee druppels titaan-dioxide (witte vloeistof) op een glasplaat. Strijk de twee druppels uit met het platte stukje plastic. Er moet een dunne gelijkmatige laag ontstaan. Föhn de laag in ongeveer drie minuten droog, 10 cm afstand houden. Haal het plakband er daarna af. Breng op deze manier een laagje titaan-dioxide aan op twee van de vier glasplaatjes.

Stap 5: Sinteren (bakken) van de min-elektrodes

Leg het glasplaatje met de witte laag boven op een twee maal dubbel gevouwen stukje aluminiumfolie (dus vier lagen totaal). Leg deze op het gaasje in het hoekje. Maak een kleine, niet ruisende blauwe vlam met de bunsenbrander. Houd het gaasje net boven de top van de vlam. De witte laag wordt eerst bruin en dan weer wit. Dit duurt ongeveer een minuut. Leg het gaasje met het glasplaatje op een driepoot en laat rustig afkoelen. Als het te snel afkoelt, bestaat de kans dat het glasplaatje scheurt. Sinter op deze manier de de titaan-dioxide laag van de twee glasplaatjes.

Stap 6: Het maken van de plus-elektrodes

Je gaat twee plus-elektrodes maken. Kleur de andere twee glasplaatjes die je nog niet hebt behandeld met de titaan-dioxide zo volledig mogelijk met potlood. Blaas achtergebleven potloodpoeder eraf. Haal het plakband eraf. De plus-elektrodes zijn klaar.

Stap 7: Afmaken min-elektrodes

Zorg dat de glasplaatjes van de min-elektrode goed is afgekoeld. Leg het ene glasplaatje met de witte kant naar boven in de hibiscusthee. Leg het andere glasplaatje met de witte kant naar boven in de gekozen kleurstof (koffie, (rode)vruchtensap of rode wijn), zodat de glasplaatjes helemaal zijn ondergedompeld. Wacht 8 minuten, de witte laag is nu gekleurd. Haal de glasplaatjes er voorzichtig uit, spoel ze af onder de kraan en dep ze voorzichtig droog met een tissue (niet vegen of krassen).

Stap 8: Elektrolyt aanbrengen

Leg het met potlood gekleurde glasplaatje met de potloodkant omhoog op tafel. Breng één druppel elektrolyt (jodium) op het glasplaatje. Leg hier bovenop voorzichtig het gekleurde glasplaatje met de gekleurde laag naar beneden. Aan beide zijden moet een stukje glas uitsteken. Bevestig het klemmetje uit de Man Solar kit gemaakt van een paperclip met de gebogen kant naar boven. Breng op deze manier ook het elektrolyt aan tussen de andere twee glasplaatjes.

Stap 9: De zonnecel komt tot leven

Sluit de multimeter met de krokodillenbekjes op de kabels aan op de zonnecel. De zwarte draad op de min elektrode, de rode draad op de plus elektrode. Meet hoeveel stroom en spanning de zonnecel afgeeft als je hem onder een lamp legt of in de felle zon houdt. Doe dit voor beide zonnecellen.

Stap 10: Geluid creeëren met zonne-energie

Haal de geluidsmodule uit de kaart. Sluit de zonnecel aan op de geluidsmodule en probeer met voldoende zonlicht de geluidsmodule te laten spelen. Als je te weinig spanning hebt met één zonnecel, kun je meerdere zonnecellen proberen te schakelen in serie.

Stap 11: Welke kleurstof werkt het beste in de zonnecel?

Vergelijk de waarde voor stroom en spanning die je hebt gemeten in stap 9 voor de twee zonnecellen die je met je groepje hebt gemaakt. Welke kleurstof geeft het beste resultaat? Welke zonnecel krijgt de geluidsmodule als beste werkend? Heb je een idee waarom de ene kleurstof beter werkt dan de andere?