Hapettimen sitoessa elektronin muodostuu pelkistin (hapetin pelkistyy) ja pelkistimen luovuttaessa elektronin muodostuu hapetin (pelkistin hapettuu).

Samankaltaiset tiedostot
DEE Aurinkosähkön perusteet

SMG-4450 Aurinkosähkö

Väriaineaurinkokenno (Dye-sensitized solar cell, DSSC) 4. Kennon komponenteista huokoinen puolijohde

Kuva 6.6 esittää moniliitosaurinkokennojen toimintaperiaatteen. Päällimmäisen

DEE Aurinkosähkön perusteet

SMG-4450 Aurinkosähkö

Normaalipotentiaalit

Käsitteitä. Hapetusluku = kuvitteellinen varaus, jonka atomi saa elektronin siirtyessä

Elektrolyysi Anodilla tapahtuu aina hapettuminen ja katodilla pelkistyminen!

Hapetus-pelkistymisreaktioiden tasapainottaminen

SÄHKÖENERGIATEKNIIIKKA. Harjoitus - luento 6. Tehtävä 1.

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

2.1 Sähköä kemiallisesta energiasta

SMG-4450 Aurinkosähkö

DEE Aurinkosähkön perusteet

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Vesi. Pintajännityksen Veden suuremman tiheyden nesteenä kuin kiinteänä aineena Korkean kiehumispisteen

Puolijohteet. luku 7(-7.3)

SMG-4300: Yhteenveto kolmannesta luennosta. PN-liitokseen perustuva aurinkokenno on kuin diodi, jossa auringonsäteily synnyttää estosuuntaisen virran.

SMG-4300: Yhteenveto ensimmäisestä luennosta

Sähkökemia. Sähkökemiallinen jännitesarja, galvaaninen kenno, normaalipotentiaali

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

DEE Sähkötekniikan perusteet

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

SMG-4450 Aurinkosähkö

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

Perunapellosta virtaa! Jenna Salmijärvi ja Maija Torttila

SÄHKÖ KÄSITTEENÄ. Yleisnimitys suurelle joukolle ilmiöitä ja käsitteitä:

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2014 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Hapettuminen ja pelkistyminen: RedOx -reaktiot. CHEM-A1250 Luento

luku2 Kappale 2 Hapettumis pelkistymisreaktioiden ennustaminen ja tasapainottaminen

Käytännön esimerkkejä on lukuisia.

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

1. Malmista metalliksi

CHEM-A1200 Kemiallinen rakenne ja sitoutuminen

Luku 5: Diffuusio kiinteissä aineissa

Lyhyt yhteenvetokertaus nodaalimallista SÄTEILYTURVAKESKUS STRÅLSÄKERHETSCENTRALEN RADIATION AND NUCLEAR SAFETY AUTHORITY

Valosähköinen ilmiö. Kirkas valkoinen valo. Himmeä valkoinen valo. Kirkas uv-valo. Himmeä uv-valo


PUOLIJOHTEISTA. Yleistä

Hapettuminen ja pelkistyminen: RedOx -reaktiot. CHEM-A1250 Luento

Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

MUTKU-PÄIVÄT Hämeenlinna

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio

DEE Sähkömagneettisten järjestelmien lämmönsiirto Ehdotukset harjoituksen 2 ratkaisuiksi

Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Reaktiosarjat

Kanelihappokiteiden fotodimerisaatio ja röntgen-ramanmittaukset. Tuomas Talka

DEE Aurinkosähkön perusteet

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Vinkkejä opettajille ja odotetut tulokset SIVU 1

Kuva 1: Yksinkertainen siniaalto. Amplitudi kertoo heilahduksen laajuuden ja aallonpituus

TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1 TEKNIIKKA FYSIIKAN LABORATORIO V

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

Kemiallinen mallinnus II: tulokset ja tulkinta. Astrokemia -kurssin luento

Suljetun lyijyakun toiminnan peruskäsitteitä

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Kemiallinen reaktio

Lukion kemian OPS 2016

Kemiallinen mallinnus I: mallintamisen perusteita. Astrokemia -kurssin luento

Helsingin yliopisto/tampereen yliopisto Henkilötunnus - Biokemian/bioteknologian valintakoe Etunimet Tehtävä 5 Pisteet / 20

12. Eristeet Vapaa atomi. Muodostuva sähköinen dipolimomentti on p =! " 0 E loc (12.4)

CHEM-A1400 Tulevaisuuden materiaalit (5 op) LABORATORIOTYÖN RAPORTTI

SMG-4450 Aurinkosähkö

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

Lasku- ja huolimattomuusvirheet ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2 1/2 p = 2 p.

Kemiallisia reaktioita ympärillämme Fysiikan ja kemian pedagogiikan perusteet

KEMIA. Kemia on tiede joka tutkii aineen koostumuksia, ominaisuuksia ja muuttumista.

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2011 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Keski-Suomen fysiikkakilpailu

Prosessimittaukset. Miksi prosessikierroista tehdään mittauksia

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

FyKe 7 9 Kemia ja OPS 2016

Määritelmä, metallisidos, metallihila:

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

Lääketiede Valintakoeanalyysi 2015 Fysiikka. FM Pirjo Haikonen

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

Neutriino-oskillaatiot

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

Teoreettisen fysiikan esittely

ULKOELEKTRONIRAKENNE JA METALLILUONNE

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

Kaikenlaisia sidoksia yhdisteissä: ioni-, kovalenttiset ja metallisidokset Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

PUOLIJOHTEEN SÄHKÖNJOHTAVUUS

AMMATTIKORKEAKOULUJEN TEKNIIKAN VALINTAKOE

Jännite, virran voimakkuus ja teho

(b) Tunnista a-kohdassa saadusta riippuvuudesta virtausmekaniikassa yleisesti käytössä olevat dimensiottomat parametrit.

Fysiikan, kemian ja matematiikan kilpailu lukiolaisille

Transkriptio:

Kennon komponenteista elektrolyytti ja vastaelektrodi Elektrolyytti muodostuu liuottimesta sekä hapetin-pelkistin-parista (redox pair). Jälkimmäinen on ionipari, joka pystyy luovuttamaan (pelkistin) ja sitomaan (hapetin) varausta (elektroneja) sekä siirtämään sitä paikasta toiseen liuottimessa. Hapettimen sitoessa elektronin muodostuu pelkistin (hapetin pelkistyy) ja pelkistimen luovuttaessa elektronin muodostuu hapetin (pelkistin hapettuu). Selvitetään elektrolyytin toimintaa kennossa jodidi-trijodidi-parin (I /I 3 ) avulla. Aktiivisella elektrodilla I -ionit hapettuvat eli luovuttavat elektroneja e väriainekationeille: 3I 2e + I 3.

Kennon komponenteista elektrolyytti ja vastaelektrodi Platinoidulla vastaelektrodilla I 3 platinapinnoitteen välityksellä: I 3 + 2e 3I. pelkistyy eli sitoo elektroneja Jotta edelliset reaktiot pysyvät käynnissä, tulee ionien siirtyä elektrodien välillä. Saadaan sähkövirta aktiiviselta elektrodilta vastaelektrodille. Jotta koko kennolle saadaan energiatilamalli, huomataan, että vastaelektrodilla kvasi-fermi-energiaa vastaava suure on vastaelektrodilla tapahtuvan reaktion redox-energia E redox. Nyt koko kennon energiatilamallia voidaan havainnollistaa seuraavalla kuvalla.

Kennon komponenteista elektrolyytti ja vastaelektrodi E Puolijohde Väriaine Vastaelektrodi e E(S ) E F e E redox E(S) Kennon jännite vastaa kvasi-fermi-energian ja redox-energian eroa: e 0 V = E F E redox.

Kennon komponenteista elektrolyytti ja vastaelektrodi Tärkeitä ominaisuuksia Ensimmäinen edellytys kennoon kelpaavalta elektrolyytiltä on redox-energian suotuisa sijainti väriainekationin perustilaan nähden. Tämä mahdollistaa väriainekationien pelkistymisen elektrolyytin vaikutuksesta. Tyypillisesti elektrolyytin hapetin-pelkistin-parina käytetään jodiditrijodidi-paria (I /I 3 ). Sen redox-energia on reilusti ruteniumväriaineen perustilan yläpuolella (n. 0.7eV ). Muita tärkeitä hapetin-pelkistin-parin ominaisuuksia ovat ainakin seuraavat:

Kennon komponenteista elektrolyytti ja vastaelektrodi - heikko valon absorptio näkyvällä alueella, - hapetin-pelkistin-parin hyvä liukoisuus liuottimeen, - ionien suuri diffuusiokerroin liuottimessa, - hapetin- sekä pelkistin-muodon hyvä kemiallinen stabiilisuus. Liuottimelta vaadittavia ominaisuuksia puolestaan ovat seuraavat: - liuottimen tulee pysyä nestemäisenä vähintään lämpötilavälillä 40 C 80 C, - liuotin ei saa liuottaa väriainetta,

Kennon komponenteista elektrolyytti ja vastaelektrodi - sopiva viskositeetti, - halpa hinta ja myrkyttömyys. Tyypilliset liuottimet ovat orgaanisia. Esimerkkinä liuottimista on asetonitriili, jota käyttämällä on saatu suurin hyötysuhde. Kuitenkin - se haihtuu jo 82 C:ssa, - se on myrkyllinen. Vaihtoehtoisilla liuottimilla on päästy eroon näistä ongelmista, mutta hyötysuhde on laskenut.

Kennon komponenteista elektrolyytti ja vastaelektrodi Valmistus I /I 3 -redox elektrolyytti valmistetaan lisäämällä liuottimeen jodia I 2, kaliumjodidia KI, litiumjodidia LiI, sekä kahta muuta jodipitoista yhdistettä. Vastaelektrodin platinapinnoite voidaan tehdä monella eri menetelmällä, ja pinnoitteen stabiilisuus riippuu suuresti tästä menetelmästä.

Kotelointi Kuvassa periaatekuva kennon koteloinnista. Eristyskotelolta vaadittavia ominaisuuksia ovat seuraavat:

Kotelointi - se ei saa läpäistä elektrolyyttiä, happea ja vettä, - se ei saa olla kemiallisesti aktiivinen elektrolyytin ja muiden kennon komponenttien kanssa, - sen tulee tarttua hyvin vastaelektrodiin ja johtavaan alustaan. Useita materiaalivaihtoehtoja on kokeiltu, esim. epoksia sekä sopivalla polymeerikalvolla päällystettyä alumiinifoliota.

Tutkimustavasta Kennon toiminnassa hyödynnetään puolijohteen ja elektrolyytin rajapinnalla tapahtuvia kemiallisia reaktioita, jotka tapahtuvat mikroskooppisessa mittakaavassa. Toisaalta kennon avulla tuotetaan sähköenergiaa, joka ilmaistaan jännitteen ja virran avulla (makroskooppisia suureita). Tutkimusalue pitää siis sisällään ongelman mikroskooppisessa ja makroskooppisessa mittakaavassa käytettävien mallien välisestä yhteydestä. Koska tätä yhteyttä ei täysin tunneta, varsinaista mallintamisen ideaa ei päästä kunnolla hyödyntämään kennon kehittämiseksi: - mikroskooppisten yksityiskohtien vaikutusta kennon toimin-

Tutkimustavasta taan ei voida kunnolla ennustaa. Yleensä kennon komponentteja yritetäänkin parantaa yrityksen ja erehdyksen menetelmällä: 1. tehdään jokin muutos mikroskooppisessa mittakaavassa, 2. rakennetaan kenno, 3. mitataan valmiista kennosta oleelliset ominaisuudet, vrt. oheinen taulukko. Toisaalta mallien avulla pystytään jossain määrin ymmärtämään ja ennustamaan kennon rakenteen vaikutuksia kennon toimintaan. Tällaisten mallien tulee pystyä kuvaamaan varauksen liikettä kennon sisällä.

Tutkimustavasta

Kennon mesoskooppinen mallintaminen Kuten fysiikassa yleisestikin, myös kennon tapauksessa käytännön mittaukset voidaan tehdä vain mittauskohteen reunalta. Tämä tarkoittaa, että mittauskohteen sisäosien vaikutuksien selvittämiseksi mitattaviin suureisiin tarvitsemme mallin, joka liittää suureiden arvot mittauskohteen reunalla niiden arvoiksi mittauskohteen sisällä. (Matemaattisesti tämä tarkoittaa ns. reunaarvotehtävää.) Ensimmäinen kysymys on mitä suureita tarvitaan?. Kennon jännite ja virta voidaan antaa potentiaalin φ ja virranti-

Kennon mesoskooppinen mallintaminen heyden J avulla seuraavasti: V = φ(johtava alusta) φ(vastaelektrodi), I = J nda. elektrodin reunapinta Toisaalta kennoon (taajuudella f) saapuva säteilyteho voidaan antaa fotonivuon J hν avulla: P light = hf J hν nda, jossa hf on fotonin energia. kennon reunapinta

Kennon mesoskooppinen mallintaminen Suureet φ, J ja J hν saavat arvoja jokaisessa pisteessä kennon sisällä, eli ne mallintavat tapahtumia kennon sisällä. Tässä tapauksessa ongelmana on määrittää nämä suureet tunnetulla säteilyteholla ja tunnetulla kuormaresistanssilla. Perusidea on se, että haetaan tarpeeksi ehtoja jotka suureiden tulee toteuttaa. Nämä ehdot saadaan fysiikan laeista. ehdot kootaan yhtälöksi, jonka ratkaisuna saadaan suureiden arvot jokaisessa pisteessä kennon sisällä. Jotta voimme hyödyntää tunnettuja fysiikan lakeja, tarvitsemme tietoa kemiallisesta koostumuksesta kennossa.

Kennon mesoskooppinen mallintaminen Aiemmin kuvatun toimintaperiaatteen mukaan tiedämme (?), että kennon sisällä on ainakin johtavuusvyön elektroneja, loukkuuntuneita elektroneja, I -ioneja ja I 3 -ioneja. Koska tavoitteena on mesoskooppinen malli, kuvaamme kemiallista koostumusta ainetiheyksillä, esimerkkinä johtavuusvyön elektronien tiheys n c ja fotonien tiheys n hν. Kennon toimintatilanteessa muut ainetiheydet ovat likimain vakioita, joten meille riittää hakea ehdot n c :n ja n hν :n ratkaisemiseksi. Esimerkki tarvittavista fysiikan laeista on jatkuvuuslaki: missä tahansa tilavuudessa kemiallisista reaktioista syntyvä aine täs-

Kennon mesoskooppinen mallintaminen mää tilavuudesta pois siirtyvän aineen ja tilavuuden ainemäärän muutoksen kanssa. Esimerkiksi johtavuusvyön elektroneille tämä voidaan ilmaista formaalisti J c nda + t n c dv = r c dv kaikilla tilavuuksilla V, V V V missä J c on johtavuusvyön elektronivuo ja r c on johtavuusvyön elektronien syntymisnopeus. Toinen esimerkkilaki liittyy siihen, mistä ainevuo aiheutuu. Sanotaan kyseistä lakia ainevuon syntymislaiksi. Lain mukaan aine liikkuu pienenevän potentiaalin suuntaan ja häviää jos potentiaali ei muutu. Formaalisti tämä tarkoittaa meidän tapauksessamme,

Kennon mesoskooppinen mallintaminen että J c = L c gradφ, jossa L c on vakio. Kennon tapauksessa potentiaali φ jaetaan vielä kemialliseen ja sähköiseen osaan: φ = φ ch + φ el. Osoittautuu, että kennon aktiivisella elektrodilla sähköinen osa φ el on lähes merkityksetön. Pääosin kemiallinen osa φ ch synnyttää siis elektronivuon, ja siten sähkövirran. Jos vielä oletetaan, että fotonivuo vaimenee exponentiaalisesti aktiivisen elektrodin alueella, päädytään lopulta malliin, jossa

Kennon mesoskooppinen mallintaminen johtavuusvyön elektronitiheys n c (x) toteuttaa diffuusio-reaktio - yhtälön: jossa x (D n c x )(x) + k r(n c (x) n eq c (x)) 2 = αj hf e αx, J hf on fotonivuon x-komponentti, n eq c on johtavuusvyön elektronitiheys pimeässä, D on johtavuusvyön elektronien diffuusiovakio, k r on elektronien elektronien rekombinaation nopeusvakio, α on aktiivisen elektrodin absorptiovakio.

Kennon mesoskooppinen mallintaminen Tästä voidaan ratkaista n c (jos annetaan vielä sopivat reunaehdot). Kahdessa seuraavassa kuvassa on esitettynä aktiivisen elektrodin alueella (välillä 0 x d) johtavuusvyön elektronitiheys n c, potentiaali φ, virrantiheyden x-komponentti J x, ensin maksimitehopisteessä ja sitten avoimen piirin tilanteessa.

Kennon mesoskooppinen mallintaminen 3 x 1022 n c (1/m 3 ) 2.8 2.6 0 x (µm) 10 φ (V) 0.682 0.68 J x (ma/cm 2 ) 0 15 10 5 0 0 x (µm) x (µm) 10 10

Kennon mesoskooppinen mallintaminen x 10 23 n c (1/m 3 ) 2.09 2.08 2.07 0 10 x (µm) φ (V) 0.7329 0.733 0.7329 0 x (µm) 10 J x (ma/cm 2 ) 1 0 2 4 0 x (µm) 10

Kennon mesoskooppinen mallintaminen Mallin avulla voidaan myös esim. selvittää k r :n ja aktiivisen elektrodin paksuuden (d) vaikutusta kennon VI-käyrään, vrt. seuraavat kuvat.

Kennon mesoskooppinen mallintaminen

Kennon mesoskooppinen mallintaminen

Parannusyrityksiä ja -mahdollisuuksia Seuraavassa on koottuna väriainekennon keskeisiä parannusyrityksiä ja -mahdollisuuksia. 1. Huokoinen puolijohde 2. Väriaine - Nanoputkien käyttö nanopartikkelien sijasta. - Nanopartikkelien päällystäminen ohuella metallioksidikerroksella. Tarkoituksena rekombinaation hidastaminen. - ns. sivuryhmien lisääminen rutenium-pohjaisiin väriainemolekyyleihin, jolloin ruteniumin etäisyys TIO 2 :n pinnasta kasvaa. Tarkoitus vähentää elektronien rekombinaatiota väriaineen kanssa.

Parannusyrityksiä ja -mahdollisuuksia - Rutenium-pohjaisen väriaineen korvaaminen orgaanisella väriaineella. Halvempi vaihtoehto. Vuonna 2007 saavutettu noin 7% hyötysuhde. 3. Elektrolyytti - Elektrolyytin muokkaaminen lisäaineiden avulla (esim. tbp). Tarkoituksena esim. rekombinaation hidastaminen ja I3 :n valoabsorption vähentäminen. Havaittu toimivan ja käytetään yleisesti. - Perinteisten orgaanisten liuottimien korvaaminen nestemäisillä suoloilla. Vuonna 2008 saavutettu yli 8%:n hyötysuhde. - Elektrolyytin korvaaminen vähemmän nestemäisellä ioneja johtavalla materiaalilla (kiinteät elektrolyytit ja

Parannusyrityksiä ja -mahdollisuuksia polymeerigeelit). Polymeerigeelillä saavutettu ainakin 7%:n hyötysuhde.

Yhteenveto Väriainekennon hinta-tehokkuus-suhde on erittäin kilpailukykyinen, jopa verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin. Huokoisen nanorakenteisen elektrodin käyttö mahdollistaa tarpeeksi suuren väriainemäärän kiinnittämisen kennon aktiiviselle elektrodille, ja siten hyvin toimivan väriainekennon valmistamisen. Kennon toiminta perustuu väriaineen virittymiseen auringon valon vaikutuksesta. Toimintaan liittyy paljon erityyppisiä prosesseja, joiden yhtenäinen käsittely edellyttää poikkitieteellistä lähestymistapaa.

Yhteenveto Kennon tutkimuksessa kokeellinen puoli on vahvassa roolissa mikroskooppisen ja makroskooppisen maailman välisen yhteyden ollessa epämääräinen. Materiaalivalinnat eivät ole vakiintuneet, vaan eri komponenttien materiaaleille on useita vaihtoehtoja.