Riassunto / Abstract

La realizzazione della cella di Grätzelè un esperimento di laboratorio attrezzato da proporre in quinta all’interno del programma di chimica, con particolare riferimento al tema delle energie rinnovabili e quindi in interdisciplinarietà con fisica e biologia.
La cella di Grätzel è una cella fotovoltaica che trasforma l’energia solare in energia elettrica grazie alla presenza di due vetrini conduttivi (disposti a sandwich) che costituiscono gli elettrodi. Un elettrodo contiene un colorante (legato al biossido di titanio) ricco di antocianine come mirtilli o altri frutti di bosco, i cui elettroni, eccitati dalla luce passano dalla banda di valenza alla banda di conduzione e creano un circuito elettrico.

Scheda sintetica delle attività

E’ un esperimento che è composto da più fasi per cui i ragazzi possono essere divisi in due gruppi, ciascuno dei quali può, per velocizzare i tempi, svolgere solo alcune fasi.

1. Si  preparano dei vetrini conduttivi usando una sospensione di biossido di titanio (\(TiO_2\)) successivamente sinterizzato in modo da diventare diventa poroso (struttura nanocristallina).
2. Si prepara una tintura ricca di antocianine a partire dai frutti di bosco (mirtilli, more, lamponi). 
3. Il vetrino con il biossido di titanio viene immerso in tale colorante naturale, così che il colorante si leghi alle particelle di biossido di titanio.
4. Si prepara, un secondo vetrino, che fa da contro elettrodo, coprendolo con uno strato sottile di carbonio (grafite).  
5. Si assembla la cella con i due vetrini a mo’ di sandwich e all’interno del sandwich viene immessa una soluzione elettrolitica (di ioduro di potassio \(KI\) insieme a una soluzione di iodio \(I_2\), disciolti in un solvente organico), che per capillarità si distribuisce all’interno della cella.
6. Si prova la produzione di corrente.

Risorse necessarie

L’esperimento è suddiviso in 6 fasi,ciascuna con materiali specifici. Qui sono riportati tutti i materiali necessari.
Reagenti

• 6 g \(TiO_2\); 
• etanolo;
• 10 ml di una soluzione acida (pH 3-4) di acido acetico o acido nitrico; 
• alcuni frutti di bosco di colore rosso-viola: lamponi o mirtilli o more;
• una soluzione elettrolitica preparata mescolando una soluzione di ioduro di potassio KI (0,5M) insieme  a  una  soluzione di iodio \(I_2\) (0,05M) disciolti in alcool;
• acqua deionizzata.

Materiali

• Uno o più vetrini conduttivi (comperati preparati con \(SnO_2\))
• mortaio con pestello;
• becher;
• spatola;
• capsula di porcellana;
• un contenitore per la conservazione della sospensione;
• vetrino da orologio;
• una bacchetta di vetro;
• filtro di carta;
• asta di sostegno;
• scotch (3M) di spessore 40-50 micron;
• 1 panno morbido o carta;
• una garza non troppo sottile;
• una barretta di grafite (si può prendere da una matita);
• due piccole clips.

Strumentazione

• Un multimetro;
• muffola.

Prerequisiti necessari

• Conoscere il significato di circuito elettrico;
• conoscere le reazioni di ossidoriduzione;
• conoscere il concetto di reazione fotovoltaica;
• utilizzare un multimetro per la misura della resistenza e del voltaggio.

Obiettivi di apprendimento

• Preparare una cella solare;
• comprendere che il sapere è unico e le scienze sono “integrate”;
• riflettere riguardo l’impiego delle celle di Grätzel per la produzione di energia elettrica, approfondendo la questione delle energie rinnovabili;
• conoscere le prospettive della ricerca nell’ambito delle fonti di energia rinnovabili;
• fare un parallelismo fra il funzionamento della cella di Grätzel e la fotosintesi clorofilliana.

Dotazioni di sicurezza

Fare le varie operazioni utilizzando i normali DPI ed in particolare i guanti

Svolgimento

FASE 1: Preparazione della sospensione di Biossido di Titanio (Gruppo 1)

Strumentazione o attrezzatura necessaria 

• 6 g \(TiO_2\); 
• 10 ml di una soluzione acida (pH 3-4) di acido acetico o acido nitrico; 
• un mortaio con pestello;
• una spatola;
• un contenitore per la conservazione della sospensione;
• guanti.

 
Svolgimento (tempo impiegato circa 30 minuti)

• mettere la polvere di \(TiO_2\) nel mortaio;
• aggiungere 1ml alla volta di soluzione acida e pestare con un pestello; 
• aggiungere il ml successivo solo dopo che il primo si è ben amalgamato;
• aggiungere il ml fino alla fine della soluzione acida;
• raccogliere il composto al centro del mortaio con la spatola;
• conservare la sospensione in un contenitore chiuso e lasciare riposare 15 minuti prima dell’uso;
• alla fine di queste operazioni accendere la muffola regolando la temperatura a 450°C.

Accorgimenti:

• fare tutte queste operazioni con i guanti;
• la sospensione deve avere la consistenza di una vernice, né troppo liquida, né troppo solida e non deve presentare né
• bolle né aggregati.

FASE 2: Deposito della sospensione di Biossido di Titanio sul vetrino (Gruppo 1)

Strumentazione o attrezzatura necessaria (elenco)

• uno o più vetrini conduttivi (comperati preparati con \(SnO_2\));
• sospensione precedentemente preparata;
• un multimetro;
• una bacchetta di vetro;
• etanolo;
• 1 panno morbido o carta;
• scotch (3M) di spessore 40-50 micron;
• capsula di porcellana.

Svolgimento

• pulire i vetrini con etanolo, asciugare poi con delicatezza con il panno, (tecnica usata per pulire gli occhiali);
• controllare quale delle due superfici è conduttiva con il multimetro (ad occhio nudo non si capisce);
• disporre i due vetrini con la faccia conduttiva in su;
• assicurare con lo scotch i due vetrini al tavolo coprendo sul top 4-5 mm e lateralmente 1 mm (figura); questa operazione creerà un solco da riempire con lo strato di sospensione;
• disporre una piccola quantità di sospensione per tutta la larghezza e con una bacchetta di vetro spalmarla su tutta la superficie libera dei vetrini con la faccia conduttiva in su, con dei movimenti rapidi avanti e indietro della bacchetta di vetro (lo strato della sospensione dovrebbe essere dello stesso spessore dello scotch, che praticamente fa da maschera);
• dopo un minuto togliere lo scotch, mettere i vetrini preparati in una capsula di porcellana.

Accorgimenti:

• lo strato deve essere sottile;
• non bisogna sollevare la bacchetta durante la distribuzione della sospensione.

FASE 3: Cottura del vetrino (Gruppo 1)

Strumentazione o attrezzatura necessaria (elenco)

• muffola;
• vetrini già preparati;
• capsula di porcellana. 

Svolgimento

• La muffola, accesa prima, a questo punto avrà raggiunto la temperatura di 450°C e sarà pronta per cuocere i vetrini; appoggiare i vetrini in una capsula di porcellana e cuocere in muffola a 450 °C per 30 minuti.
• Accorgimenti:
• far raffreddare i vetrini gradualmente (aprire lo sportello della muffola e lasciare raffreddare).                      

FASE 4: Preparazione della tintura (antocianina) (Gruppo 2)

Strumentazione o attrezzatura necessaria (elenco)

• alcuni frutti di bosco di colore rosso-viola: lamponi o mirtilli o more;
• acqua deionizzata;
• filtro di carta, asta di sostegno, capsula di Petri;
• becher;
• una garza non troppo sottile;
• etanolo;
• vetrino da orologio.

Svolgimento

• Strizzare i frutti di bosco con la garza (vedi figura 3);
• filtrare il liquido aggiungendo un po’ di acqua deionizzata (tintura antocianina);
• raccoglierlo in un vetrino da orologio (NOTA: nell’attesa passare alla fase 5);
• immergere per circa 10 minuti il vetrino trattato con la faccia ricoperta di \(TiO_2\) in giù;
• risciacquare il vetrino con acqua;
• asciugarlo con cura e attenzione;
• risciacquare con etanolo e tamponare, in questo modo si è sicuri che la superficie porosa sia asciutta
• appoggiare il vetrino con la superficie macchiata in su;

Accorgimenti:

• filtrare molto bene il colorante;
• asciugare bene il vetrino.

FASE 5: Preparazione del controelettrodo (Gruppo 2)

Strumentazione o attrezzatura necessaria (elenco)

• Un vetrino conduttivo (per preparare una cella);
• una barretta di grafite (una matita);
• etanolo;
• un panno morbido di carta. 

Svolgimento

• Pulire il vetrino con etanolo, asciugare poi con delicatezza con il panno, usare la tecnica usata per pulire gli occhiali;
• tenere il vetrino per i margini e, usando una barretta di grafite, applicare un leggero strato di carbonio (grafite) sull’intera faccia del vetro conduttivo (vedi figura 4);
• appoggiare il vetrino con lo strato di grafite in su.

Accorgimenti:

• fare in modo che l’intera superficie sia coperta uniformemente.     

FASE 6: Assemblaggio della cella (Gruppo 1 e 2)

Strumentazione o attrezzatura necessaria (elenco)

• i due vetrini preparati: uno coperto di \(TiO_2\) + colorante e l’altro coperto di grafite;due piccole clips;una soluzione elettrolitica preparata mescolando una soluzione di ioduro di potassio (0,5M) insieme  a  una  soluzione di iodio \(I_2\) (0,05M), disciolti in alcool.

Svolgimento

• appaiare i due vetrini (uno coperto di \(TiO_2\), l’altro coperto di grafite), con le superfici trattate e conduttive rivolte verso l’interno, lievemente sfalsati in modo da lasciare esposti i bordi scoperti (come in figura 5): le due estremità libere, di 4-5 mm, serviranno come contatti elettrici;

• bloccare insieme i due vetrini con due piccole clips;
• depositare 2 o 3 gocce di soluzione elettrolitica sul bordo del dispositivo, che per azione capillare bagnerà completamente lo strato di biossido di titanio tra i due vetrini;
• rimuovere l’eccesso di elettrolita usando un bastoncino di cotone bagnato con acetone;
• posizionare la cella, ormai pronta per il funzionamento, alla luce.

Osservazioni

Si vede dalle foto di figura 6 a sinistra che le celle prodotte dai ragazzi, messe in serie, sono in grado, sotto la luce, di far funzionare una calcolatrice.
Se l’esperienza viene fatta in assenza di luce solare si può utilizzare, come fonte di luce, la lavagna luminosa.
Nelle due foto di destra si vede che, grazie alla luce solare, anche una sola cella, prodotta durante il corso di aggiornamento per docenti, produce corrente.

Conclusioni

Gli elettroni del colorante, legati alla struttura nanocristallina del \(TiO_2\), eccitati dalla luce solare ricevono l’energia sufficiente (il gap di energia del biossido di titanio varia da 3,0 eV a 3,2 eV) per passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Il \(TiO_2\) si comporta da semiconduttore e trasporta gli elettroni fino alla superficie dell’elettrodo che si carica negativamente.  Gli elettroni abbandonano l’elettrodo e fluiscono in un circuito esterno fino al controelettrodo.  La funzione dell’elettrolita è quella di trasferire l’elettrone dal controelettrodo al colorante attraverso una reazione di ossido riduzione \((I_2/I^-)\), il ciclo può così continuare e la cella solare fornisce energia elettrica con continuità.    

Le particelle dello strato di biossido di titanio agiscono da accettori di elettroni, lo iodio agisce da donatore di elettroni e il colorante funziona come una “pompa” fotochimica.

E’ possibile, quindi, come si vede nella figura 7, fare un parallelismo con la fotosintesi, in quest’ultima, infatti, questi tre ruoli sono svolti rispettivamente dal biossido di carbonio, dall’acqua e dalla clorofilla.

Note e storia

Note biografiche
Michael Grätzel, originario del cantone Svizzero di lingua tedesca, ha studiato chimica all’Università di Berlino. Professore dal 1977 di chimica fisica al Politecnico Federale di Losanna, insegna termodinamica, cinetica e chimica fisica avanzata. Suoi campi di ricerca sono la fotosintesi artificiale, la bioelettronica, la caratterizzazione delle membrane….

Nel 1991 ha inventato una pila fotovoltaica, basata sul processo che imita la fotosintesi delle piante: essa è nota come cella di Grätzel o Dye Sensitized Solar Cell. 

Sviluppi futuri
La cella con strati nanocristallini e a base di coloranti naturali pur avendo attualmente una durata limitata e pur fornendo correnti ancora piccole (4 mA per una cella di 4 cm2), presenta grandi potenzialità, essendo a basso costo e a basso impatto ambientale.
Progetti pilota sono attualmente in fase di sperimentazione anche in Italia per superare tali limiti e rendere competitive queste celle rispetto a quelle al silicio.

Bibliografia

• Giambelluca Gioacchina, Università di Venezia, PLS Scienze dei materiali, Dispensa, LS Fermi Padova, a.s. 2010-2011;
• Mondin Andrea, Università di Padova, Corso di aggiornamento per docenti “Dal doppio legame al DNA Fingerprinting”, Appunti di lezione, LS Fermi Padova, 16 febbraio 2017.

Autori

Schmidt Nicoletta

Specifiche esperimento Materia Chimica Classi a cui è rivolto 5° anno Tipologia di laboratorio Strumentazione semplice Reperibilità del materiale Negozi specializzati, siti web Materiale specifico Vetreria da laboratorio, muffola, bilancia, mortaio, multimetro, vetrini da orologio, vetrini conduttivi, biossido di titanio, acido nitrico, acido acetico, mirtilli Durata esperimento in classe 3 h Capacità di bricolage/assemblaggio Sì Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche No Necessità PC per acqusizione/analisi dati No Necessità di uno smartphone No Parole chiave Chimica Energia rinnovabile Materiali innovativi Celle fotovoltaiche