Gekleurde energie

Het hele PWS is te downloaden helemaal bovenaan de pagina.

Samenvatting

In ons onderzoek hebben we gekeken naar de DSSC, de Dye Sensitized Solar Cell. In ons verslag zullen wij vaak de afkorting DSSC gebruiken in plaats van de naam voluit te schrijven. Vooraf wisten we al dat de energie opgewekt uit een DSSC een klein deel is van het totaal van energie dat wordt opgewekt vanuit zonlicht. Dat komt doordat de DSSC nog niet efficiënt genoeg is om competitief op de markt voor te komen, waardoor de silicium zonnecel een veel groter deel produceert. Hoewel de DSSC nog geen veel gebruikt product is, heeft het wel enorm veel potentie, vooral in een wereld waarin duurzaamheid en milieuvriendelijkheid vooraanstaande begrippen zijn. Naast het feit dat de DSSC een vooruitgang zou zijn op het gebied van de milieukwestie, is het ook veel beter toepasbaar in situaties waarin silicium zonnecellen niet of nauwelijks werken. Dit komt doordat de DSSC al werkt met een lagere lichtintensiteit. Omdat de DSSC nog niet efficiënt genoeg is voor de markt, hebben wij in dit onderzoek gekeken naar manieren hoe we dit kunnen verbeteren.

Dat hebben we gedaan met een experiment waarin we hebben gevarieerd in de oplossing die in de DSSC zit. Wij hebben daar een hele dag aan besteed en zowel het experiment als de resultaten vielen niet tegen. In ons experiment hebben wel in ieder geval al een manier gevonden om de DSSC een beetje te verbeteren. Dit alles wordt verder toegelicht in het verslag.

Inleiding

Extreme weersomstandigheden, overstromingen, stormen en bosbranden, we krijgen er steeds vaker mee te maken. Het zijn allemaal gevolgen van klimaatverandering. Sinds de industriële revolutie heeft onze economie gedraaid op fossiele brandstoffen, een van de belangrijkste redenen dat ons klimaat zo erg is veranderd. Wat begon als een probleem voor de toekomst is veranderd in een probleem van nu. Dat betekent dat er op dit moment maatregelen moeten worden getroffen om dit op te lossen. Dat mensen zich realiseren dat ze actie moeten ondernemen is op verschillende manier terug te zien: de regeringsleiders van verschillende landen hebben samen een klimaatakkoord gesloten, waarmee ze de uitstoot van CO2 willen verminderen. Maar ook de mensen zelf gaan steeds meer nadenken over de toekomst van de aarde. Dit is noodzakelijk om onze aarde bewoonbaar te houden voor de volgende generaties. Het gebruik van fossiele brandstoffen is vervuilend voor het milieu en draagt bij aan de versterking van het broeikaseffect. Daarnaast zijn de voorraden van deze fossiele brandstoffen niet onbeperkt en het einde is voor een langere tijd al in zicht. Waardoor het gebruik van fossiele brandstoffen niet veel langer te realiseren is. We worden gedwongen om over te stappen op een andere manier om energie op te wekken en onze maatschappij draaiende te houden. Het gebruik van duurzame energie is de oplossing voor dit probleem. Niet alleen is duurzame energie, zoals de zon en de wind, oneindig, maar het opwekken ervan is ook nog eens niet zo milieuvervuilend als bij het gebruik van fossiele brandstoffen.

In september 2015 zijn de zeventien ‘Sustainable Development Goals’ van de Verenigde Naties door de wereldleiders goedgekeurd en op 1 januari 2016 zijn deze doelen officieel doorgevoerd. Aan de hand van deze doelen streeft de Verenigde Naties naar een duurzamere en betere toekomst. Twee van deze doelen sluiten goed aan bij het onderzoek wat wij hebben gedaan. Namelijk doel 7: Betaalbare en schone energie. Met de soort zonnecellen die wij hebben onderzocht, de Dye Sensitized Solar Cells, willen wij bijdragen aan een toekomst met duurzame energie. Net zoals elke andere zonnecel wekt deze zonnecel energie op met behulp van (zon)licht. Deze zonnecellen zijn echter beter toepasbaar in omgevingen met minder licht. Dit zorgt ervoor dat zonnecellen op meerdere plekken kunnen worden gebruikt, waardoor er een grotere hoeveelheid schone energie kan worden opgewekt. Daarnaast sluit doel 13 ook aan op ons onderzoek. Doel 13 is namelijk klimaatactie. Sinds 1990 is de wereldwijde uitstoot van CO2 met bijna 50% toegenomen.

Een van de belangrijkste redenen hiervoor is het toegenomen gebruik van fossiele brandstoffen. Door over te stappen op een duurzame manier om energie op te wekken, verminderen we de uitstoot van CO2, wat de versterking van het broeikaseffect zal tegengaan.

In dit onderzoek hebben wij de Dye Sensitized Solar Cells (afgekort als DSSC’s) onderzocht. Van de DSSC’s bestaan er twee types, namelijk het n-type en het p-type. In ons onderzoek kijken wij naar het p-type. De hoofdvraag van ons onderzoek is: ‘Wat zijn de voor- en nadelen van DSSC ten opzichte van silicium zonnecellen en op welke gebieden kan de DSSC worden verbeterd?’. Onze onderzoeksvraag bestaat uit twee delen. Het eerste deel gaat over de verschillen tussen de silicium zonnecellen en de DSSC. Wij vonden het nodig om ook dit te onderzoeken, omdat het op deze manier duidelijker wordt waarom de DSSC een grote aanwinst voor onze maatschappij is en waarom onderzoek naar deze zonnecellen voor grote veranderingen in het gebruik van zonnecellen en het opwekken van duurzame energie kan zorgen. Het tweede deel van ons onderzoek gaat over hoe de DSSC werkt en hoe ze verbeterd kunnen worden. Om ons onderzoek zo zorgvuldig mogelijk te kunnen uitvoeren, hebben wij de onderzoeksvraag opgedeeld in verschillende deelvragen. De deelvragen in dit onderzoek zijn:

• Wat zijn de voor- en nadelen van de DSSC ten opzichte van de silicium zonnecellen?
• Hoe werkt de DSSC?
• Wat gaat er fout in de DSSC?
• Hoe kan de DSSC verbeterd worden?
• Wat is het effect van variëren van de concentratie valeronitrile in de oplossing van de DSSC?
• Bij welke lichtintensiteit werkt de DSSC het beste?

Onze hypothese is dat het rendement van DSSC verbetert naarmate de concentratie valeronitrile in de oplossing toeneemt. Dit komt omdat het redoxkoppel hier beter in kan oplossen en zich daardoor beter kan verplaatsen. De hypothese geeft antwoord op ons laatste deel van onze hoofdvraag. Onze hypothese hebben wij opgesteld voor ons practicum, deze geeft daardoor antwoord op onze laatste deelvraag, omdat de andere deelvragen niet slaan op het practicum. Bij deze deelvragen kijken wij namelijk naar informatie die al bestaat en bij het practicum gaan we opzoek naar nieuwe informatie.

Voor de laatste twee deelvragen hebben wij twee practicums gedaan. Voor de deelvraag ‘Wat is het effect van variëren van de concentratie valeronitrile in de oplossing van de DSSC?’ hebben wij gevarieerd met de oplossing van de DSSC. Dit deden wij omdat er in de huidige cellen nog veel recombinatie plaatsvindt. Dit is op te lossen met een nieuw redoxkoppel. Deze lost echter niet goed op in het bestaande oplosmiddel en er moet dus gekeken worden naar een nieuw oplosmiddel. Hiervoor hebben wij gekeken naar valeronitrile, omdat het op acetonitrile lijkt qua polariteit (de eigenschap om een positieve en een negatieve pool te hebben), maar er kunnen meer stoffen in op lossen. De informatie over de twee moleculen is te vinden bij afbeelding 1 en 2. Voor dit practicum hebben wij eerst literatuuronderzoek gedaan over dit onderwerp. Wij hebben hierdoor veel achtergrondinformatie gevonden. Tijdens het practicum hebben wij zelf zonnecellen gemaakt en getest met verschillende hoeveelheden valeronitrile. De resultaten uit deze metingen hebben wij gebruikt voor ons onderzoek en om onze onderzoeksvraag te beantwoorden.

Voor het practicum wat we gedaan hebben voor de deelvraag ‘Bij welke lichtintensiteit werkt de DSSC het beste?’ hebben we gekeken naar één DSSC en die getest bij meerdere lichtintensiteiten. Uit ons literatuuronderzoek kon al gehaald worden dat de DSSC beter werkt met een lagere lichtintensiteit, maar dit wilden we zelf ook nog onderzoeken.

Het verslag is opgebouwd door eerst informatie te geven wat de voor- en nadelen zijn van de DSSC ten opzichte van silicium zonnecellen. Dit hebben wij gedaan om aan te geven waarom het belangrijk is om de DSSC te verbeteren. De volgende onderdelen gaan over de werking van de DSSC, waarom de DSSC’s op dit moment nog niet optimaal presteren en hoe wij dit probleem willen oplossen. Daarna volgt ons onderzoek met een benodigdhedenlijst en een uitgebreide methode van het practicum, ook is hier ons practicum te vinden over de lichtintensiteit. Hierna volgen de resultaten uit de twee practicums, deze worden besproken in de discussie. Het laatste onderdeel van dit verslag is de conclusie, waarin we antwoord geven op de deelvragen en uiteindelijk op de hoofdvraag. Op de laatste bladzijdes zijn de bronnen en de bijlagen te vinden.

Wat zijn de voor- en nadelen van de DSSC in vergelijking met silicium zonnecellen?

Productie

Silicium zonnecellen zijn gemaakt van silicium. Dit is na zuurstof het meeste voorkomende element in de aardkorst. Dit komt echter niet zuiver voor in de natuur. Voor het toepassen van silicium in zonnecellen moet het daarom worden gescheiden, voordat het verwerkt kan worden in bijvoorbeeld zonnecellen. Bij dit proces komt constant koolstofmonoxide vrij en moet veel energie worden gebruikt. Hierdoor is het gebruik van silicium niet goed voor het milieu.

8immiDSSC worden daarentegen gemaakt van geleidend glas of plastic, elektronen, kleurstof, een halfgeleider, een kathode en elektrolyt (een oplossing van jodide in acetonitrile). Het verkrijgen van deze stoffen is minder milieuvervuilend. Daarbij zijn er bij de productie van DSSC’s minder
gevorderde productieprocessen nodig dan bij de silicium zonnecellen. Dit zorgt ervoor dat de productie van DSSC’s goedkoper is dan die van silicium zonnecellen.

Rendement

Een nadeel van DSSC is dat het rendement laag ligt, namelijk rond de 10%. Bij silicium zonnecellen is het rendement ongeveer 25% en dat is de reden dat DSSC nog niet goed kan concurreren in de strijd tussen zonnecellen. Dat het rendement nog zo laag ligt, is omdat de DSSC’s nog niet efficiënt werken. De elektronen recombineren namelijk, wat betekent dat ze terug bewegen en ze de redoxkoppels het elektron teruggeven aan de dye of de halfgeleider. Hierdoor dragen deze elektronen niet bij aan de stroom en zorgt dit ervoor dat de DSSC minder efficiënt is dan de silicium zonnecellen.Werking bij verschillende weersomstandigheden

Werking bij verschillende weersomstandigheden

Een ander nadeel is dat de vloeibare elektrolyt gevoelig is voor temperatuursveranderingen. Bij lage temperaturen kan de elektrolyt bevriezen. Hierbij zullen de ionen uit de oplossing vast gaan zitten in een ionrooster. Doordat de vloeistof nu een vaste vorm heeft aangenomen, kan het redoxkoppel de elektronen niet meer verplaatsen naar de tegenwerkende elektrode, waardoor er geen energie wordt opgewekt. Bij hoge temperaturen zet hij juist uit, omdat de ionen dan verder uit elkaar zitten en het volume van de oplossing dus toeneemt. Dit heeft als gevolg dat het lastig is om de panelen goed af te sluiten. Het is erg belangrijk dat de panelen goed dicht zitten, zodat de dye niet kan ontsnappen. Als de dye zich niet meer binnen de zonnecel bevindt, kan er ook geen energie meer worden opgewekt, omdat het redoxkoppel, verantwoordelijk voor het verplaatsen van de elektronen, zich dan ook niet meer binnen de cel bevindt.

De elektrolytoplossing bevat vluchtige organische verbindingen. Deze zijn schadelijk voor de gezondheid en voor het milieu. Dit is nog een belangrijke reden dat het noodzakelijk is dat de zonnecellen goed afgedicht zijn en dat de dye niet kan ontsnappen.

Architectuur

Een DSSC werkt met minder licht, waar een silicium cel pas gaat werken bij een bepaalde lichtintensiteit (tussen 0,5 en 0,6 V). De DSSC werken echter niet optimaal bij een hoge lichtintensiteit, waarbij silicium zonnecellen juist wel optimaal werken. Dit betekent dat je DSSC’s kan plaatsen op plekken waar silicium zonnecellen minder goed zouden werken en andersom. Zo kan je DSSC’s gebruiken in ramen van een gebouw en silicium zonnecellen op het dak van het gebouw plaatsen.

Een van de onderdelen van een DSSC is kleurstof, hierdoor kunnen ze in verschillende kleuren of zelfs doorzichtig geproduceerd worden. Dit zorgt ervoor dat je DSSC’s beter kan integreren in architectuur dan silicium zonnecellen, waarvan alleen zwarte zonnecellen geproduceerd kunnen worden. Je zou bijvoorbeeld in plaats van glas in lood, DSSC in lood kunnen maken. Ook laat de cel licht door, dit zorgt ervoor dat je het als bijvoorbeeld ramen kan gebruiken, hierdoor zou je bijvoorbeeld een kas kunnen maken van DSSC. Een gebouw waar DSSC’s al zijn toegepast is het EPFL’s SwissTech convention center, zoals te zien in afbeelding 3. Een andere reden dat de DSSC goed te integreren is in de architectuur is dat de zonnepanelen in verschillende vormen te maken zijn. Het licht doorlatend laagje dat boven op de halfgeleider ligt, hoeft namelijk niet van glas te zijn, maar kan ook van plastic zijn. Hierdoor zijn de zonnepanelen buigzaam. Dit is niet mogelijk met de silicium zonnepanelen. Dit ligt niet aan het glas of plastic dat wordt gebruikt, maar aan het silicium zelf. Dit is namelijk een vaste stof en het is daardoor ook niet buigzaam. Deze zonnepanelen kunnen dus alleen maar recht zijn en kunnen dus ook niet worden gebruikt om bijvoorbeeld de band van een koptelefoon te maken, terwijl dit wel met de DSSC kan worden gedaan. Voor een kort overzicht van de voordelen en nadelen van DSSC in vergelijking met silicium zonnecellen, bekijk tabel 1.

Hoe werkt de DSSC

Onderdelen

Een DSSC bestaat uit twee elektrodes, een werkelektrode (in afbeelding 4 is dit te zien als geleidend glas) en een tegenelektrode. Deze zijn beide gemaakt van geleidend, doorzichtig materiaal. Denk bijvoorbeeld aan geleidend glas en geleidend plastic. Op de werkelektrode bevindt zich een laagje halfgeleider (NiO), hierop gaat de kleurstof (dye zitten). Deze kleurstof kan worden gemaakt van natuurlijke producten, zoals fruit, bladeren en zwarte rijst, maar kan ook worden gemaakt in een lab. De structuurformule van deze moleculaire dye is te zien in afbeelding 5. Tussen de twee elektrodes bevindt zich een laag met een elektrolytoplossing waarin het redoxkoppel is opgelost. Het redoxkoppel ontstaat door een evenwichtsreactie (te zien bij afbeelding 6), dit is een reactie die beide kanten op verloopt.

Om een beeld te krijgen van hoe de cel eruitziet, bekijk afbeelding 4 hieronder.

Werking

In een DSSC worden er effectief elektronen verplaatst door een aaneenschakeling van redoxreacties gedreven door licht. Zodra er licht valt op de DSSC, komt de dye in een aangeslagen toestand. Hierdoor wordt er een elektron overgedragen van de halfgeleider (NiO) naar de dye. Hierbij ontstaat er een positieve lading op de NiO en een negatieve lading op de dye. Deze negatieve lading wordt overgedragen aan het redoxkoppel. Het redoxkoppel beweegt zich naar de tegenelektrode zodra het elektron is opgenomen. Bij de tegenelektrode wordt het elektron afgegeven en doordat de tegenelektrode geleidt, beweegt de elektron weer terug naar de werkelektrode. De stroomkring is compleet en hetzelfde zal blijven gebeuren zolang er licht op de DSSC schijnt.

Wat gaat er fout in de DSSC?

Helaas werkt dit systeem niet optimaal, omdat er vaak een fout optreedt in de stroomkring. Het redoxkoppel zou eigenlijk het elektron aan de tegenelektrode moeten afstaan, maar het gebeurt vaak dat die het elektron juist weer teruggeeft aan de dye of de halfgeleider. Dit heet elektron-hole recombinatie. Hierdoor is de cel veel minder efficiënt. Elektron-hole recombinatie heeft te maken met de energielevels van het elektron (zie afbeelding 7), dat moet worden doorgegeven aan de tegenelektrode. Een elektron heeft in energielevels een grondtoestand en aangeslagen toestanden. De grondtoestand bestaat uit -10 eV foton energie. Om het elektron naar een hoger energielevel te krijgen, moet het meer energie krijgen. Die energie komt uit licht. De eerste aangeslagen toestand is -6 eV, er is dus 4 eV foton energie uit het licht nodig om het elektron vanaf de grondtoestand naar de eerste aangeslagen toestand te brengen. Het elektron absorbeert dan alle fotonen uit het licht.

Zodra het elektron bij de eerste aangeslagen toestand is, blijft hij daar niet lang. Als het elektron de kans heeft, zal hij namelijk weer terugvallen naar het laagste energielevel (de grondtoestand) en 4 eV foton afgeven. Dit terugvallen naar lagere energielevels kan op meerdere manieren. Stel dat het elektron vanaf de grondtoestand 6 eV foton energie zou opnemen zou het gelijk naar de tweede aangeslagen

toestand gaan, dat is -4 eV. Als die daar is zou het ook weer gelijk 6 eV foton energie kunnen afgeven en is het weer in de grondtoestand. Maar het kan ook eerst terugvallen naar de -6 eV als het 2 eV foton afgeeft. Het steeds terugvallen van het elektron vanaf aangeslagen toestanden terug naar de grondtoestand gebeurt ook in de dye, waardoor er geen overdracht van elektronen kan plaatsvinden. Deze elektronen dragen daarom niet bij een effectieve stroom.

Hoe kan de DSSC verbeterd worden?

Kort gezegd werkt het redoxkoppel dat momenteel gebruikt wordt in de DSSC niet goed genoeg, omdat deze zorgt voor recombinatie. Als oplossing zou er daarom gekeken kunnen worden naar andere redoxkoppels die dit probleem minder of geheel niet hebben. Naar dit soort redoxkoppels is al gekeken, het probleem is echter dat ze slecht oplossen in het oplosmiddel acetonitrile, dat momenteel gebruikt wordt. Dit zorgt er alsnog voor dat de DSSC niet optimaal functioneert. Een andere oplossing zou zijn om het oplosmiddel of de concentraties van de stoffen in het oplosmiddel te veranderen. Welk oplosmiddel en welke concentratie beter werkt gaan wij bekijken in ons onderzoek. Hiervoor stellen wij de vraag: Wat is het effect van variëren van de concentratie valeronitrile in de oplossing van de DSSC?

Onderzoek

Materiaal

• Kleine platen geleidend glas (fluorine-doped tinoxide)
• Halfgeleider (NiO)
• Dye
• Soldeerbout
• Pincet
• Dekglaasjes
• Pipet (100-1000 µL en 50-250 µL)
• Platina
• Polymeer (60 micrometer dik)
• Acetonitrile
• Vacuümpomp
• Nitril handschoenen
• Flesjes voor oplossing
• Glas snijmachine
• Glas kniptang
• Naald (1 mL)
• Pluisvrije tissues
• Zonlichtsimulator
• Acetonitrile
• Valeronitrile
• Jood (I2)
• Lithiumjodide (Lil)

Stappenplan

1. Bereid 4 flesjes voor, één voor elke concentratie en schrijf op elke 0%, 5%, 10% of 15%.
2. Weeg de stoffen jood en lithiumjodide af in de verhouding I2: 0,1M en LiI: 1M. Meet dit zo af dat er een oplossing ontstaat van 1 mL 1M I^–/I ^–. (0,02538g I en 0,13385 g LiI)
3. Bereken de goede concentratie van valeronitrile in het mengsel van acetonitrile en Doe dit voor de concentraties 0%, 5%, 10% en 15%. Voor de berekende hoeveelheden bekijk de tabel 2 hiernaast.
   
4. Pipeteer met een pipet van 100-1000 µL de hoeveelheid acetonitrile per concentratie en doe dit in het flesje van deze concentratie.
5. Pipeteer met een pipet van 50-250 µL de hoeveelheid valeronitrile per concentratie en doe dit in het flesje van deze concentratie.
6. Sluit de vier flesjes af en zet ze aan de kant.
7. Snij kleine plaatjes geleidend glas van ongeveer 1 cm bij 2
8. Breng op een plaatje geleidend glas een klein vierkante halfgeleider aan (Nikkeloxide (NiO)). Dit moet ongeveer op 2/3 van de lengte en de helft van de breedte. Noem dit glasplaat 1.
9. Breng op een ander plaatje geleidend glas platina aan, dit moet ongeveer 1/2 van het plaatje Noem dit glasplaat 2.
10. Maak een klein gaatje in glasplaat 2, doe dit in het oppervlak met het platina tussen het midden van dit oppervlak en de rand.
11. Snij uit het polymeer een cirkel zodat er ruimte is voor de vloeistof tussen de twee glasplaten.
12. Plaats het polymeer op glasplaat 1 zo dat het gat boven de halfgeleider zit en dat de binnenste randen van het polymeer niet over de zijkant van het glas liggen.
13. Breng glasplaat 2 aan, maar let wel op dat die aan de drie hieronder genoemde eisen voldoet:
    1. Het oppervlak met platina moet het gat van het polymeer helemaal
    2. Het niet bedekte deel van de glasplaat mag niet bovenop glasplaat 1 komen te staan (dit omdat de zonnecel anders niet aangesloten kan worden).
    3. Het gat in glasplaat 2 moet zo geplaatst worden dat het boven de ruimte zit tussen de halfgeleider en de binnenste rand van het polymeer.
14. Smelt het polymeer met een soldeerbout zodat de glasplaten aan elkaar blijven. Doe dit goed, anders kan de dye uit de zonnecel lekken.
15. Breng de dye boven het gat met een kleine naald aan en zuig de dye in het gat met een vacuümpomp. Zet het kapje van de pomp op de DSSC en laat hem vacuümzuigen. De lucht in de zonnecel wordt weggezogen en zodra je het kapje weghaalt zal de dye in het gaatje worden gezogen.
16. Maak nu de DSSC schoon met een pluisvrij doekje. Let goed op dat het gat in de glasplaat goed schoon is, zodat de zonnecel niet wordt geblokkeerd.
17. Leg het overgebleven rondje polymeer over het gat en soldeer dit vast. Doe dit eerst om het gat heen en daarna er overheen, zodat de dye niet weggaat en er geen lucht Zorg er ook voor dat de soldeerbout niet te lang op de cel is, ander zal de dye verdampen.
18. Plaats de DSSC in de zonlichtsimulator en zet deze op 50 W cm^-2. Zet hem aan en sla de gegevens die eruit komen op.
19. Herhaal de stappen 7 t/m 17 voor alle concentraties, uiteindelijk ontstaan er zo vier DSSC’s, waaruit vier meetresultaten zullen voortkomen.

De bijlagen 1 t/m 6 zijn afbeeldingen van ons practicum. Bij elke afbeelding staat vermeld welke stap er op die afbeelding wordt uitgevoerd.

Resultaten

Tijdens ons practicum hebben wij zonnecellen met verschillende elektrolytoplossingen getest. De oplossingen die wij hebben getest zijn: 100% acetonitrile, 5% valeronitrile en 95% acetonitrile, 10% valeronitrile en 90% acetonitrile en 15% valeronitrile en 85% acetonitrile.

De zonnecellen werden getest in een zonlicht simulator met een vermogen van 500W, waarna de computer de resultaten berekende. In tabel 3 zijn de resultaten te zien en onder de tabel staan deze resultaten kort toegelicht.

In de resultaten is te zien dat het rendement toeneemt naarmate de concentratie valeronitrile toeneemt. Dit gebeurt tot en met 10% valeronitrile, bij 15% valeronitrile is het rendement namelijk weer 0,001% lager. Het voltage en de stroom worden ook groter bij een hogere concentratie valeronitrile, de spanning neemt echter 0,005V af bij 15% valeronitrile.

10% valeronitrile en 90% acetonitrile

Tijdens ons onderzoek is de DSSC met deze oplossing twee keer getest. Uit deze testen kwamen verschillende resultaten. Om de resultaten en daarmee het onderzoek zo betrouwbaar mogelijk te houden nemen we het gemiddelde van deze resultaten. Het rendement van eerste test met de DSSC van 10% valeronitrile en 90% acetonitrile is 0,097%, de spanning is 0,086V en de stroom is -1,685mA/cm². Bij de tweede test is het rendement 0,091%, de spanning 0,084V en de stroom -1.621mA/cm².

15% valeronitrile en 85% acetonitrile

Tijdens het onderzoek zijn er twee DSSC’s met deze oplossing gemaakt. Bij het testen in de zonlicht simulator kwamen er verschillende resultaten uit. Om het onderzoek betrouwbaar te houden, is ook van deze resultaten het gemiddelde genomen. Het rendement van de eerst geteste DSSC met de oplossing van 15% valeronitrile en 85% acetonitrile is 0,104%, de spanning is 0,085V en de stroom is -1,747mA/cm². Bij de tweede DSSC is het rendement 0,082%, de spanning 0,074V en de stroom -1,813mA/cm².

Bij welke lichtintensiteit werkt de DSSC het beste?

Stappenplan klein onderzoek

In dit kleine practicum testen we bij welke lichtintensiteit de DSSC het beste werkt.

1. Neem een gemaakte DSSC van het bovengenoemde

(In dit geval de DSSC met concentratie 15%, rendement 0,104% bij 500W)

2. Zet deze in de zonlichtsimulator en zet deze op een lichtintensiteit van
3. Sla de resultaten die eruit komen
4. Doe stap 2 en 3 nog twee keer, maar dan met een lichtintensiteit van 50W en 300W.

Resultaten klein onderzoek

Een overzicht van de resultaten van dit onderzoek zijn te zien in tabel 4. Hierin staat het rendement, de spanning en de stroom bij de vier verschillende lichtintensiteiten. Te zien is dat bij 10W het hoogste rendement wordt behaald en dat het rendement steeds afneemt naarmate de lichtintensiteit hoger wordt. De spanning en stroom worden daarentegen wel steeds groter bij een hogere lichtintensiteit.

Discussie

In ons practicum hebben wij onderzocht welke concentratie valeronitrile het meest positieve effect zou hebben op het rendement. Wij hebben hiervoor vier verschillende soorten DSSC’s gemaakt met alle vier een andere concentratie valeronitrile in het mengsel van valeronitrile en acetonitrile. Onze verwachting was dat een hogere concentratie valeronitrile een positiever effect zou hebben op het rendement. Uit onze resultaten kunnen we echter halen dat bij een concentratie van 15% het rendement lager ligt dan bij een concentratie van 10%, namelijk 0,093% en 0,094%. Dit is verassend als er naar de resultaten van de vorige cellen wordt gekeken, omdat daar nog wel een stijgende lijn in ten zien is. We hebben echter twee zonnecellen met 15% gemaakt en hier is te zien dat een zonnecel een rendement heeft van 0,084% en de andere van 0,104%. Dit maakt het aannemelijk dat de zonnecel met een rendement van 0,084% een scheurtje of krasje heeft, omdat de andere zonnecel de trend wel volgt. Als we dus niet naar het gemiddelde kijken van de zonnecellen, maar naar de zonnecel die de trend wel volgt, klopt onze hypothese nog wel. Als we deze fout willen voorkomen hadden we meer cellen moeten maken, dit had ervoor gezorgd dat

ons onderzoek meer valide werd. Als wij meer cellen hadden gemaakt, een paar van elke concentratie, hadden we een gemiddelde kunnen nemen. Hierdoor kunnen fouten worden verholpen. Helaas hadden wij hier niet genoeg tijd voor, dus konden we het maar met een/twee DSSC’s van elke concentratie doen. Een ander probleem dat ontstond door te weinig tijd dat was het goed laten inwerken van de oplossing in de DSSC’s. Een DSSC moet namelijk minimaal een dag liggen, voordat deze getest kan worden. Dit geeft de oplossing de tijd om zich goed in de zonnecel te verspreiden, zodat het ook in kleine oneffenheden kan komen. Als we dit onderzoek dus optimaal wilden uitvoeren, hadden we er meer tijd voor moeten nemen dan alleen één dag. Wel hebben de DSSC’s met dezelfde materialen getest en alle cellen via dezelfde route opgebouwd. Dit zorgt ervoor dat ons onderzoek wel betrouwbaar is. Uiteindelijk zijn we tot de conclusie gekomen dat een hogere concentratie valeronitrile een positief effect heeft op het rendement. We weten dit echter alleen maar tot de concentratie 15% en niet hoger. Daarom zouden wij graag als vervolgonderzoek willen kijken tot welke concentratie valeronitrile de DSSC nog werkt en welke een maximaal resultaat geeft, dus het hoogste rendement. Hiervoor hebben wij de hoofdvraag opgesteld ‘Tot hoever kan je de concentratie valeronitrile veranderen en welke concentratie valeronitrile geeft het maximale positieve effect op het rendement?’

Buiten ons practicum hebben wij bij de andere deelvragen vooral gebruik gemaakt van literatuuronderzoek. Hiervoor hebben wij onderzoeken gelezen van experts die al met dit onderzoek bezig waren geweest. Deze onderzoeken zijn te vinden bij de bronnenlijst. Wij hebben echter voor een van deze deelvragen een klein practicum gedaan tijdens ons grote practicum. We hadden namelijk wel al gelezen dat de DSSC beter werkt met minder licht en we wilden dit zelf ook aantonen. Uit de resultaten kwam dat bij 10W het rendement het hoogst was en hoe verder de lichtintensiteit opbouwde hoe lager het rendement werd. De gevonden resultaten komen overeen met wat de literatuur beweert.

Uit ons onderzoek kunnen wij halen dat de DSSC verbeterd kan worden door een ander oplosmiddel te gebruiken. De verbetering betekent dat de DSSC’s beter gebruikt kunnen worden, omdat het rendement hoger ligt. Hierdoor kan de DSSC hoger op de markt komen en dus meer in gebruik worden genomen. Door de DSSC’s en de silicium zonnecellen samen te gebruiken zorgen we ervoor dat we in plaats van grote hoeveelheden fossiele brandstoffen te gebruiken, onze energie deels uit zonlicht kunnen halen. Dit wordt natuurlijk al voor een deel gedaan, maar nog steeds niet genoeg en de DSSC’s zijn weer een grote stap in de goede richting. De reden hiervoor is dat deze soort zonnecellen gebruikt kunnen worden op plekken waar dat voorheen niet mogelijk was. Denk hierbij bijvoorbeeld aan kassen of ramen in huizen. Er ontstaan veel nieuwe mogelijkheden en buiten dat ze handig zijn, zijn ze ook nog eens mooi waardoor mensen het niet alleen willen doen voor het milieu, maar ook omdat het leuk is.

Conclusie

Het doel van ons onderzoek was antwoord geven op de vraag: ‘Wat zijn de voor- en nadelen van DSSC ten opzichte van silicium zonnecellen en op welke gebieden kan de DSSC worden verbeterd.’ Dit hebben wij onderzocht met vier deelvragen, om te beginnen met ‘Hoe hoort de DSSC te werken?’ Voordat we echt aan ons onderzoek konden beginnen moesten we namelijk weten hoe de DSSC werkt, om later verbeteringen te kunnen toepassen. Deze vraag hebben wij beantwoord met behulp van uitleg van onze expert en bronnen, te vinden in de bronnenlijst. Met behulp van dit literatuuronderzoek zijn wij erachter gekomen dat de DSSC bestaat uit voornamelijk dye, geleidend glas/plastic, een halfgeleider en elektrolyt waar zich het redoxkoppel in bevindt. Zodra er licht schijnt op de DSSC komt er een elektron vrij uit de dye en die wordt opgenomen door het redoxkoppel. Deze zal het elektron naar de andere kant van de DSSC brengen. Daar aangekomen wordt het elektron weer teruggeleid naar de dye en is de stroomkring rond. Wel wisten we al dat er vaak iets fout ging in dit systeem waardoor de DSSC nog niet optimaal werkt, maar we wisten nog niet wat er fout ging. Dit is de reden dat we als tweede deelvraag ‘Wat gaat er fout in de DSSC?’ hebben.

Ook hier hebben we literatuuronderzoek gedaan en zijn we tot het antwoord gekomen dat het redoxkoppel het elektron niet afgeeft aan de tegenelektrode, maar weer terug aan de dye. Dit zorgt ervoor dat de stroomkring niet rond is en er geen energie wordt opgewekt. De resultaten van beide deelvragen hielpen ons bij de deelvraag ‘Hoe kan de DSSC verbeterd worden?’ Om deze vraag te kunnen beantwoorden, zijn wij begonnen met kijken naar welke onderzoeken er al geweest waren en hebben we hierop ingespeeld. Zo wisten we al dat er een nieuw soort molecuul was ontwikkeld dat het elektron beter aan de tegenelektrode afgaf, alleen kon deze niet goed oplossen in het oplosmiddel dat momenteel gebruikt wordt.

Daarom hebben wij gekeken naar een ander oplosmiddel. Het doel van ons practicum was dan ook de oplossing vinden waarbij de zonnecel het beste werkt en dus het hoogste rendement heeft. Tijdens ons practicum hebben wij vier verschillende DSSC’s getest. Het verschil zat hem in de concentratie valeronitrile in het mengsel valeronitrile en acetonitrile. Uit de resultaten bleek dat bij een concentratie van 0% het rendement 0,0575% was, bij 5% het rendement 0,063% was, bij 10% het rendement 0,094% was en bij 15% het rendement 0,0935% was. We kunnen uit de resultaten halen dat 10% het hoogste rendement heeft. Dit klopt echter niet met het verloop van de trendlijn. Die stijgt namelijk en geeft een hoger rendement aan bij 15%. Het rendement van de zonnecel met 15% valeronitrile was 0,104%, wat duidelijk hoger is dan het rendement van de 10% zonnecel. Hieruit concluderen we dat het toevoegen van valeronitrile aan de oplossing een positief effect heeft op de werking van de zonnecel, waardoor het rendement hoger is. Uit ons onderzoek blijkt dus dat het redoxkoppel wat nu wordt gebruikt in de DDSC (I3) beter presteert in een oplossing met valeronitrile. Er vindt minder elektron-hole recombinatie plaats, waardoor de zonnecel meer energie kan opwekken. Er kan worden gezegd: ‘Hoe hoger de concentratie valeronitrile, hoe hoger het rendement.’ Dit weten we zeker tot een concentratie van 15% valeronitrile.

Wij vonden het, buiten het verbeteren van de DSSC, ook belangrijk om te weten wat het verschil maakt tussen de DSSC en silicium zonnecellen, zodat we wisten waarom het belangrijk was om de DSSC goed op de markt te brengen. Na ons literatuuronderzoek konden we de deelvraag ‘Wat zijn de voor- en nadelen van de DSSC’s in vergelijking met silicium zonnecellen?’ beantwoorden. Uit ons onderzoek blijkt dat het twee geheel verschillende zonnecellen zijn, zowat twee tegenovergestelde. We hebben op een paar gebieden gekeken naar de eigenschappen van beide zonnecellen, namelijk hoeveelheid licht, weersomstandigheden, productie, rendement en vormgeving. Hieruit kunnen wij halen dat de DSSC goed werkt op plekken waar de silicium zonnecellen juist niet goed werken en andersom, dit komt doordat DSSC beter werkt met minder licht en silicium zonnecellen alleen werken met veel licht. Buiten dat we dit gelezen hebben in onderzoeken van andere onderzoekers, hebben wij dit zelf ook getest met ons practicum. We kunnen namelijk in elke grafiek zien dat deze steeds minder snelt stijgt naarmate er extra licht bijkomt, wat betekent dat het rendement steeds lager wordt en dat ze dus het beste werken bij minder licht. Ook hebben we gekeken bij de zonnecel van 15% (zonder scheurtjes) wat het effect was bij drie andere lichtintensiteiten. Deze intensiteiten waren 10W, 50W en 300W, bij 10W had de DSSC een rendement van 0,245%, bij 50W en rendement van 0,141%, bij 300W en rendement van 0,107% en bij 500W natuurlijk een rendement van 0,104%. Ook uit deze resultaten kunnen wij concluderen dat de DSSC beter werkt bij een lagere lichtintensiteit, maar dit betekent natuurlijk niet dat hij niet werkt bij een hogere intensiteit. Ook heeft de DSSC als voordeel dat het in veel meer kleuren en vormen gemaakt kan worden, waardoor het beter te integreren is in de architectuur. Twee nadelen van DSSC’s zijn dat ze minder goed tegen heftige weersomstandigheden kunnen, terwijl silicium zonnecellen dat wel kunnen en dat hun rendement nog erg laag ligt, waardoor ze nog niet hoog op de markt staan. Een voordeel van DSSC’s is juist dat de productie goedkoper en milieuvriendelijker is dan dat van de silicium zonnecellen.

Met de antwoorden van de deelvragen kunnen wij antwoord geven op de hoofdvraag ‘Wat zijn de voor- en nadelen van DSSC ten opzichte van silicium zonnecellen en op welke gebieden kan de DSSC worden verbeterd?’ Wij trekken de conclusie dat de twee zonnecellen zeer verschillend zijn met allebei voor- en nadelen op verschillende gebieden, maar dat deze gebieden wel handig in elkaar overlopen, waardoor ze elkaar goed kunnen aanvullen. DSSC’s kunnen bijvoorbeeld in de ramen van een gebouw en silicium zonnecellen op het dak, waardoor er extra energie wordt geproduceerd. Alleen werkt de DSSC nog niet optimaal en kan die verbeterd worden door het molecuul en het oplosmiddel te veranderen. Waaruit blijkt dat bij een hogere concentratie valeronitrile er een hoger rendement ontstaat. De DSSC is dus zeer handig om te gebruiken samen met silicium zonnecellen, maar daarvoor moet er wel verandering zitten in het oplosmiddel wat momenteel in de DSSC gebruikt wordt.

Bronnenlijst

Inleiding

• https://sustainabledevelopment.un.org/?menu=1300 23/01/2020

Wat zijn de voor- en nadelen van de DSSC in vergelijking met silicium zonnecellen?

• https://www.technologyreview.com/s/412512/cheap-durable-nonsilicon-solar- cells/ 26/11/2019

• https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.5002047 26/11/2019
• https://pdfs.semanticscholar.org/2f6b/556614021f47807abeaa646c36b8ae650 pdf 29/11/2019

• https://www.science20.com/news_releases/dye_sensitized_solar_cells_are_c heaper_than_silicon_and_act_more_like_plants 30/11/2019
• https://actu.epfl.ch/news/dye-sensitized-solar-cells-rival-conventional-ce-2/ 27/12/2019
• https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702117300159 27/12/2019
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032116305883 19/01/2020
• Https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/electron-injection 24/01/2020

Hoe werkt de DSSC?

• https://www.youtube.com/watch?v=g1TfQ9rypHI 29/01/2020
• https://www.techopedia.com/definition/30957/dye-sensitized-solar-cell-dssc 29/01/2020

Wat gaat er fout in de DSSC?

• https://www.youtube.com/watch?v=gUmDVe6C-BU