ENERGIA SVETLA SOLÁRNY ČLÁNOK ZALOŢENÝ NA UMELEJ FOTOSYNTÉZE

Transcript

1 ENERGIA SVETLA SOLÁRNY ČLÁNOK ZALOŢENÝ NA UMELEJ FOTOSYNTÉZE 15. mája ÚLOHA 2 - NICOSIA CYPRUS

2 OBSAH 1. Všeobecné nariadenia 2. Pravidlá, ktoré treba v laboratóriu dodrţiavať 3. Zoznam chemikálií 4. Aparatúry a príslušenstvo 5. Bezpečnostné opatrenia, R - pravidlá, S - pravidlá 6. Experiment 1: Vytvorenie nanokrystalového farbivového solárneho článku (NDSS nanocrystalline dye sensitized solar cell) 7. Experiment 2: Volumetrické stanovenie obsahu jódu v elektrolyte 8. Experiment 3: Chemické vlastnosti antokyánu 9. Experiment 4: Výstupné elektrické charakteristiky solárneho článku 2

3 1. VŠEOBECNÉ NARIADENIA Do rámiku na prvej strane odpoveďových hárkov napíšte svoje mená a osobné údaje. Na vypracovanie testu mate č hodiny. Naplánujte si rozumne čas. V zadaní je 24 strán, 13 v odpoveďovom hárku 1 a 2 v odpoveďovom hárku 2. Odpovede a výpočty zapíšte do označených boxov. Nedostane ţiadne ďalšie chemikálie (okrem destilovanej vody). Ďalšie laboratórne sklo vám bude poskytnuté. Nedostanete ţiadne ďalšie vysvetlenia. Merania objemu pomocou byrety musia byť s presnosťou ±0.05 ml. Pouţívanie korekčnej tekutiny a programovateľných kalkulačiek je zakázané Pouţívajte iba čierne alebo modré pero. Na toaletu môţte ísť len s povolením. Po vypracovaní (ukončení) testu dajte všetky hárky (zadanie - test aj odpoveďový hárok) do poskytnutej obálky a zalepte ju. Zostaňte sedieť pokým nedostanete pokyn na opustenie laboratória. 3

4 2. PRAVIDLÁ, KTORÉ TREBA V LABORATÓRIU DODRŢIAVAŤ Počas celého pobytu v laboratóriu majte nasadené ochranné okuliare, laboratórne rukavice a laboratórny plášť. Na pipetovanie pouţívajte poskytnutý pipetovací balónik. Dodrţiavajte bezpečnostné opatrenia. Nečuchajte reagencie. Odstráňte pouţité chemikálie do plastikovej fľaše označenej Waste basket. Vyhoďte pouţité skúmavky a rozbité sklo do Glass disposable. V laboratóriu nie je povolené jesť a piť. Neodchádzajte z vášho miesta a nepoţičiavajte si ţiadne chemikálie alebo nástroje od iných súťaţiacich. Ak potrebujete akúkoľvek pomoc neváhajte osloviť dozor. V prípade porušenia bezpečnostných predpisov alebo za akékoľvek poškodenie laboratórneho skla alebo poškodenie laboratórnych pomôcok a prístrojov bude nasledovať penalizácia (strhnutie bodov). Vţdy dodrţiavajte nariadenia laboratórneho dozoru. 4

5 3. ZOZNAM CHEMIKÁLIÍ Zlúčenina (činidlo) Mnoţstvo Nachádza sa Označená Suspenzia oxidu titaničitého 5 ml Zatvorená fľaša TiO 2 Suspension Šťava z granátového jablka +10% destilovanej vody 40 ml Sklenená fľaša Pomegranate juice Jodidový elektrolyt 15 ml Plastová kvapkovacia fľaša KI / Iodine electrolyte POZOR: obsahuje Etylénglykol Tiosíran sodný 60 ml Sklenená fľaša Na 2 S 2 O M Jód-jodidový roztok (I 2 /KI) v etylénglykole 45 ml Sklenená fľaša KI 3 (CH 2 OH) 2 C x Etanol 300 ml Plastová striekačka Izopropanol 100 ml Plastová striekačka Deionizovaná voda 500 ml Plastová striekačka ETHANOL ISOPRORANOL DEIONIZED WATER Roztok škrobu 10 ml Kvapkovacia fľaša Starch indicator Kyselina chlorovodíková 20 ml Kvapkovacia fľaša HCl 1M Roztok amoniaku 20 ml Kvapkovacia fľaša NH 3 0.5% Chlorid hlinitý 3 g Sklenená fľaštička AlCl 3 5

6 4. Pomôcky Poloţka Mnoţstvo Bezpečnostné okuliare 1 Ochranné rukavice 1 Digitálne multimetre Ω reostat 1 Horúcovzdušná pištoľ so stojanom 1 Sklenený cylinder pripojený k horúcovzdušnej pištoli 1 Halogénová lampa 1 Lepiaca páska Scotch (3M) 1 Sklíčka s jednou vodivou stranou 2 Kancelárske štipce 4 Ceruzka 1 Sklenená tyčinka 1 Skúmavky so stojanom 4 Kliešte 1 Petriho miska 2 Jedna časť Petriho misky - vrchnák 2 10 ml sklenená pipeta 1 50 ml byreta so stojanom 1 Erlenmeyerova banka m sklenený odmerný valec 1 10 ml sklenený odmerný valec 1 Dielikovaná plastová Pasteurova pipeta 2 Kadička 1 Balónik na pipetu 1 6

7 Pinzeta 1 Noţnice 1 Malá špachtľa 1 Vatové tyčinky 5 Servítky 1 Pravítko 1 Biely hárok papiera 1 7

8 5. Bezpečnostné opatrenia, S - pravidlá, R - pravidlá Oxid titaničitý Etanol Izopropanol Glykol S: /37 R:11 S:7-16 R:11 S:7-16 R:10-20/21/22 S:53-45 Tiosíran sodný Jód R20/21 S:23-25 Škrob Etylénglykol R: /21/22 S: Chlorid hlinitý R34 S7/ R - pravidlá (R = risk) R 10 Horľavá R 11 Veľmi horľavý R 22 Škodlivý po poţití R 26 Veľmi toxický po vdýchnutí R34 Spôsobuje popáleniny Kombinácia R pravidiel (R) R20/21 Škodlivý po vdýchnutí a pri kontakte s koţou R20/ 21/22 Škodlivý po vdýchnutí a pri kontakte s koţou a po poţití S - pravidlá (S = safety) S 7 Nádobu udrţujte pevne uzatvorenú. S 16 Udrţiavajte mimo ohňa Fajčenie zakázané. S 22 Nevdychujte prach. S 23 Nevdychujte plyny/výpary/pary/sprej (vhodné slovo je špecifikované výrobcom). S 25 Vyhnite sa kontaktu s očami S28 Po kontakte s koţou okamţite opláchnite veľkým mnoţstvom vody S 45 V prípade nehody alebo v prípade nevoľnosti okamţite vyhľadajte lekársku pomoc S53 Nevystavujte sa kontaktu. Pouţitie vyţaduje osobitnú inštrukciu. S7/8 Udrţiavajte nádobu pevne uzavretú a v suchu. Kombinácia S - pravidiel (S) S 36/37 Oblečte si ochranný odev, rukavice a okuliare. 8

9 EXPERIMENT 1: ZOSTAVENIE FARBIVOVÉHO SOLÁRNEHO ČLÁNKU A. ÚVOD B. VYTVORENIE TENKEJ VRSTVY TiO 2 C. SPEKANIE VRSTVY TiO 2 D. FARBENIE VRSTVY TiO 2 A VYTVORENIE GRAFITOVEJ VRSTVY E. ZOSTAVENIE SOLÁRNEHO ČLÁNKU A. ÚVOD Slnko poskytuje našej planéte ohromné mnoţstvo energie. Zelené rastliny vo fotosyntéze menia slnečnú energiu na biomasu s typickou ročnou účinnosťou menej ako 0.3%. Priame vyuţívanie slnečného ţiarenia na výrobu elektriny sa blíţi k ideálnemu spôsobu vyuţívania prírodného obnoviteľného toku energie. Fotovoltaické články, energia sa môţe vytvárať tesne pri spotrebiteľovi elektriny, tak napomáhajú vyhnúť sa výdavkom a stratám pri prenose energie. Samotné solárne panely pracujú bez hluku, toxických emisií a skleníkových plynov a vyţadujú veľmi malú údrţbu. Navyše, obrovský teoretický potenciál slnečnej elektrickej energie ju robí atraktívnou pre široké spektrum vyuţitia. Napriek významnému vývoju počas posledných desaťročí, vysoká cena vysoká cena solárnych článkov zostáva limitujúcim faktorom pre vyuţitie solárnej energie vo väčšom meradle. Štandardná silikónová technológia solárnych článkov dozrela do štádia, kedy sú zniţovania výdavkov predvídané úsporami pri sériovej výrobe. Na druhej strane, cenové kalkulácie stavajú tenkofilmové fotovoltaické technológie viac menej na rovnakú úroveň so štandardnými silikónovými technológiami. Preto existuje prevládajúca potreba na vývoj nových materiálov a koncepcií pre fotovoltaickú premenu, aby sa zníţila cena slnečných kolektorov. Všeobecný trend nanotechnológií sa v súčasnosti objavil aj v oblasti fotovoltaickej premeny energie. Vývoj materiálov navrhnutých v nanometrickej škále vytvoril nové fotovoltaické materiály a systémy, ktoré by potenciálne mohli v budúcnosti viesť k realizácii nízkonákladových solárnych článkov. Tieto materiály napríklad zahŕňajú rozličné typy syntetických organických materiálov a anorganických nanočastíc a nanočasticových systémov. Solárne články zaloţené na týchto materiáloch sa nazývajú organické solárne články alebo molekulárne solárne články. Chémia sa stala novým kľúčovou vedou, ktorá sa spolu s fyzikou zaoberá vývojom nových fotovoltaických článkov. 9

10 Najznámejším a najštudovanejším nekonvenčným fotovoltaickým systémom je farbivový solárny článok (DSSC) vyvinutý profesorom Grätzelom (Lausanne, Švajčiarsko) v V súčasnosti sú tieto fotoelektrochemické solárne články zaloţené na TiO2 nanočasticiach a fotoelektródou obsahujúcu citlivú vrstvu svetlo pohlcujúceho organického farbiva na pokraji komerčného vyuţitia poskytujúc alternatívu pre existujúce solárne články zaloţené na silikóne ako aj pre tenkofilmové solárne články. V rovnakom čase rýchlo rastú výskumné aktivity ako aj priemyselný záujem Princíp činnosti farbivového solárneho článku (DSSC) Farbivový solárny článok je nový výsledok vedeckého výskumu. Ich výhoda je v nízkej cene východiskových materiálov i výroby. Farbivové články pracujú účinne i pri nízkej intenzite svetla ako je napr. zatiahnutá obloha, kedy beţné články zlyhávajú. Beţné články strácajú účinnosť i pri zvýšenej teplote, zatiaľ čo farbivové články sú na zvýšenie teploty menej citlivé. Farbivový solárny článok pozostáva z dvoch elektród v sendvičovom usporiadaní (vo vrstvách) obr. 1. Elektródy sú vytvorené na sklenených doštičkách s vodivou vrstvou oxidu cíničitého na jednej strane. Sklenené elektródy sú priehľadné a umoţňujú prechod svetla cez článok. Tenká vrstva oxidu cíničitého predstavuje priehľadnú a vodivú vrstvu. Vrstva oxidu titaničitého slúţi ako podklad (substrát) pre farbivo. Molekuly prírodného alebo umelého farbiva (v obrázku označené S) zachytávajú svetlo a produkujú excitované elektróny, ktoré umoţňujú elektrický prúd v článku. Vrstva jódidového elektrolytu slúţi ako prostredie pre pohyb elektrónov. Pravá vodivá elektróda CE je pokrytá grafitovou vrstvou, ktorá má funkciu katalyzátora. Obr. 1 Farbivový solárny článok generuje elektrickú energiu prostredníctvom transportu elektrónov. Slnečné svetlo prechádza vodivou sklenenou elektródou a dosiahne farbivo S (obr. 1). Farbivo absorbuje fotóny svetla a jeho elektróny prechádzajú zo základného stavu do stavu excitovaného. To sa označuje ako fotoexcitácia. Excitovaný elektrón 10

11 prejde do vrstvy TiO 2, difúzne vrstvou preniká aţ dosiahne ľavú vodivú elektródu, prejde cez spojovací vodič a dosiahne protiľahlú elektródu CE. Molekula farbiva je odovzdaním elektrónu do TiO 2 oxidovaná, čo znamená, ţe má o jeden elektrón menej ako na začiatku. Farbivo chce obnoviť pôvodný počet elektrónov a chýbajúci elektrón získa z iódidového elektrolytu (I), čím sa obnoví základný stav molekuly farbiva. Tým však dochádza k oxidácii elektrolytu. Keď pôvodný elektrón dosiahne elektródu CE, prejde do elektrolytu (I 3 - ) a obnoví pôvodný stav elektrolytu obr. 1. S + fotón S * S * + TiO 2 e (TiO 2 ) + S + e (ΤιΟ 2 ) + C.E. ΤιΟ 2 + e (CE) + elektrická energia S + + 3/2 I S + 1/2 I 3 1/2 I 3 + e (C.E) 3/2 I + CE S: molekula farbiva S *: excitovaná molekula farbiva S +: oxidovaná molekula farbiva CE: protiľahlá elektróda 11

12 B. NANÁŠANIE TiO 2 VRSTVY (FILMU) 1. Zoberte dve vodivé sklenené platničky (2,5 cm x 2,5 cm), opláchnite ich etanolom a potom osušte jemnou servítkou (ako keď sa čistia okuliare). Po očistení sa uţ plochých strán sklenených doštičiek nedotýkajte, aby ste ich prstami nezamastili) 2. Pomôcka: Počas experimentu manipulujte s doštičkami pomocou klieštikov a chytajte ich iba za bočné strany. 3. Zoberte digitálny multimeter, nastavte na ňom ohmy a zistite, ktorá strana doštičky je vodivá. Mali by ste namerať odpor medzi 10 a 30 na vodivej strane. 4. Poloţte jednu sklenenú vodivou vrstvou smerom nahor. Na túto doštičku bude nanesená vrstva TiO 2 suspenzie. Druhú doštičku otočte vodivým povrchom nadol a poloţte ju tesne vedľa prvej. V tomto usporiadaní je jedna doštička vodivou vrstvou nahor, druhá vodivou vrstvou nadol. (Dávajte pozor, ktorá doštička je vodivou stranou nahor!!). V tomto usporiadaní slúţi druhá doštička iba ako pomocná pri nanášaní vrstvy. 5. Pouţite dva pásiky lepiacej pásky Scotch (3M) s dĺţkou 6 aţ 7 cm. Prilepte ich k dvojici platničiek tak, aby sa na boku zakryl okraj najviac 1 mm široký pozdĺţ dlhých strán dvojice. Medzi nimi vznikne pás voľného povrchu na nanášanie vrstvy obr.2 Obr. 2: Uloţenie doštičiek, maskovanie doštičiek páskou a nanášanie vrstvy TiO 2 na vodivý povrch doštičky 12

13 6. Ďalší pásik lepiacej pásky prilepte naprieč ku koncu s vodivým povrchom tak, aby ste zakryli 4 aţ 5 mm okraja doštičky. Všetky tri pásiky presahujú cez okraj doštičiek. Týmito okrajmi zostavu prilepte k stolu aby sa nehýbala pri nanášaní vrstvy. Pásiky slúţia na vytvorenie kanálika s hĺbkou 40 aţ 50 m pre vytvorenie vrstvy TiO 2 po naliatí TiO 2 suspenzie. Pásik tieţ zakryje časť vodivého povrchu na neskoršie vytvorenie elektrického kontaktu. 7. Na vytvorenie vrstvy naneste s pouţitím sklenej tyčinky k okraju priečnej maskovacej pásky tenkú linku (alebo najviac tri kvapky) suspenzie TiO 2. Pozor! Sklenenú tyčinku neponárajte do suspenzie, iba sa tyčinkou dotknite povrchu suspenzie. 8. Počas piatich sekúnd rozotrite nanesenú suspenziu TiO 2 šmýkavým pohybom vodorovne poloţenej čistej sklenenej tyčinky pozdĺţ dlhších strán (tyčinka sa neotáča) obr. 3. Najlepší spôsob vytvorenia homogénneho filmu je v šmýkaní tyčinky nadol, potom nahor. Vrstva sa nanáša iba na vodivý povrch doštičky. Obr. 3: Rýchle šmýkanie sklenej tyčinky pri pokrývaní nezamaskovanej časti vodivého povrchu doštičky suspenziou TiO Ak vrstva nevyzerá homogénna, treba materiál zotrieť z platničky aj zo sklenenej tyčinky navlhčenou papierovou servítkou a proces nanášania zopakovať. Po nanesení suspenzie TiO 2 opatrne odlepte lepiace pásky. Vloţte doštičku do Petriho misky bez toho, aby ste sa dotkli jej povrchu, a zakryte ju. Nechajte film počas 1 minúty zaschnúť. Druhú platničku pouţitú ako pomocnú a tyčinku omyte destilovanou vodou a etanolom a osušte. 13

14 C. SPEKANIE (SINTROVANIE) VRSTVY TiO 2 1. Ţíhanie TiO 2 filmu na vodivej sklenej doštičke sa robí prúdom horúceho vzduchu z zohrievača. Zohrievanie sa uskutočňuje v ochrannom kryte. 2. Preneste opatrne doštičku s vrstvou smerom nahor do vodorovnej sklenenej trubice a zasuňte ju dostatočne hlboko sklenenou tyčinkou obr. 4. POŢIADAJTE DOZOR, aby skontroloval vaše nastavenie a potom zapnite prepínač zohrievača do polohy 1 (smerom nahor). Teplota vzduchu dosahuje 450 C a TiO 2 film sa sintruje ţíhaním počas 30 minút. POZOR!!! nedotýkajte sa sklenej trúbky počas zohrievania a po jeho skončení, keďţe má veľmi vysokú teplotu. 3. Pomôcka: Zatiaľ čo čakáte na dokončenie sintrovania, robte EXPERIMENT 2 4. Po ukončení ţíhania nechajte pomaly sklenenú trubicu vychladnúť na izbovú teplotu to trvá najmenej 15 minút. Obr 4: Film TiO 2 je umiestnený do sklenenej trubice pre ţíhanie vrstvy na vodivom povrchu horúcim vzduchom. 5. Uloţte doštičku s vytvorenou vrstvou do čistej Petriho misky (vrstvou nahor) pre neskoršie pouţitie a zakryte ju. 14

15 D. TiO 2 FARBENIE ANTOKYANOM & NANESENIE UHLÍKOVEJ VRSTVY 1. Zoberte vychladnutú doštičku s TiO 2 a umiestnite ju vrstvou nadol do Petriho misky, ktorá obsahuje 30 ml roztoku antokyánu (šťava z granátového jablka). Naviazanie antokyánu na povrch s TiO 2 je veľmi rýchly proces. Máčajte doštičku s TiO 2 vrstvou asi 10 minút vo farbive. Pokiaľ zostane časť TiO 2 z jednej alebo druhej strany skla biela, dajte vrstvu ešte na 5 minút do roztoku. Pomôcka: Počas máčania doštičky v antokyánu môţe ďalší člen vášho tímu robiť EXPERIMENT 3. Nevyberajte sklenenú doštičku z roztoku farbiva kým nie ste pripravení zostaviť solárny článok v ďalšej časti. Povrch z oxidu titaničitého Antokyán Obr. 5: Molekula farbiva musí obsahovať karbonylovú ( - C=O ) alebo hydroxylovú ( -OH) skupinu schopnú naviazania sa na TiO Zatiaľ čo sa TiO 2 elektróda máča v šťave z granátového jablka, môţete vytvoriť CE elektródu s uhlíkovou vrstvou z druhej sklenenej doštičky (2,5 cm x 2,5 cm). Očistite druhú doštičku opláchnutím etanolom a potom vysušením jemnou servítkou (pohybom ako keď sa čistia okuliare). S pouţitím digitálneho multimetra nastaveného na meranie odporu určte vodivý povrch doštičky (malo by sa namerať 10 aţ 30 ). 15

16 3. Pridrţte vodivú sklenenú doštičku na stole pinzetou za jej okraj. Pomocou dodanej ceruzky naneste na celú vodivú stranu doštičky hustým čiarkovaním rovnomernú grafitovú vrstvu. Nevynechajte ţiadne miesto. Táto uhlíková vrstva slúţi ako katalyzátor pre prenos elektrónov, ktorý má za následok regeneráciu I 3 - na I -. Tu sa nepouţíva ţiadna lepiaca páska a celá plocha sa pokryje katalyzátorom (obr. 6) Obr. 6: Pokrývanie elektródy grafitovou vrstvou. 4. Vytvorenej uhlíkovej vrstvy sa nedotýkajte. Povrch sa nesmie trieť (šmýkať) ani po povrchu TiO 2 pri zostavovaní článku. CE elektródu treba brať iba za bočné strany a opatrne pokladať na určené miesto. E. ZOSTAVOVANIE SOLÁRNEHO ČLÁNKU 1. Vyberte klieštikmi sklenenú platničku (ktorá je zafarbená tmavo červene) zo šťavy z granátového jablka a opláchnite ju deionizovanou destilovanou vodu a potom etanolom. 2. Poloţte doštičku na servítku stranou s filmom nahor. Jemne pritlačte TiO 2 druhou suchou servítkou (zopakujte sušenie s pouţitím etanolu) 3. Je dôleţité osušiť zafarbenú sklenenú doštičku a vysušiť vodu z pórovitej vrstvy TiO 2 predtým, ako sa na vrstvu dá jódový roztok. Vysušenie vrstvy TiO 2 sa zabezpečí opakovaním predchádzajúceho postupu sušenia s izopropanolom. 4. Aby sa zabránilo nadmernému pôsobeniu vzduchu na vysušenú vrstvu, tento krok by nemal trvať dlhšie ako 1 minútu. Poloţte osušenú a zafarbenú elektródu na rovnú 16

17 plochu vrstvou TiO 2 nahor. Druhú doštičku opatrne priloţte uhlíkovou vrstvou na vrstvu TiO CE elektródu jemne nadvihnite a presuňte voči spodnej o 4 aţ 5 mm, tak aby kaţdá elektróda prečnievala voči druhej o túto dĺţku pozri obr. 7. Tieto prečnievajúce okraje budú slúţiť ako kontakty pre pripojenie do obvodu. Obr. 7: Zostavený farbivový solárny článok. Dve sklenené platničky sú vzájomne posunuté tak, časť doštičky nepokrytá TiO 2 presahuje na jeden strane. Na druhej strane presahuje rovnaká časť doštičky pokrytej katalyzátorom. Svetlo vstupuje do zostavy zo strany doštičky s TiO Opatrne zodvihnite zostavu a zopnite ju dvomi sponkami ako je naznačené na obrázku. 7. Roztok jódidového elektrolytu sa skladá z KI zmiešaného s I 2 v etylénglykole. Opatrne dajte dve kvapky roztoku na jednu hranu doštičiek do miesta ich kontaktu. Kvapalina sa vtiahne do vnútra pôsobením kapilárnych síl. Aby sa uľahčilo prenikanie kvapaliny medzi elektródy, uvoľnite opatrne svorku na strane kvapiek a opäť zopnite, potom to isté na druhej strane. Striedajte uvoľňovanie na striedavo na obidvoch stranách aţ kým nie je zafarbená oblasť celá v kontakte s elektrolytom. 8. Utrite prebytočný elektrolyt s pouţitím vatových tyčiniek zvlhčených etanolom a potom suchou servítkou. Je dôleţité, aby nezostali zvyšky elektrolytu na dvoch prečnievajúcich plochách doštičiek. 17

18 EXPERIMENT 2: VOLUMETRICKÉ STANOVENIE JÓDU V ROZTOKU DSSC ELEKTROLYTU ÚVOD Elektrolyt farbivového solárneho článku tvorí roztok I 2 /KI (I 3 ) v etylénglykole. Chemickú reakciu medzi tiosíranovými aniónmi S 2 O 3 2- a trijodidovým aniónmi I 3 - moţno vyjadriť chemickou rovnicou: I S 2 O 3 2-3I - + S 4 O 6 2- Postup: 1. Upravte a skontrolujte si byretu a potom ju naplňte štandardným roztokom tiosíranu sodného Na 2 S 2 O 3 s koncentráciou 0,0780 M (0,0780 mol dm -3 ) 2. Poznamenajte si počiatočný objem odčítaný na byrete. 3. Odpipetujte 10,00 ml roztoku jódu v etylénglykole do čistej Erlenmeyerovej banky 4. Roztok titrujte roztokom tiosíranu za stáleho miešania titračnej banky krúţivým pohybom. Keď titrovaný roztok bude slaboţltý, pridajte do neho 2 ml škrobového indikátora a 10 ml deionizovanej (destilovanej) vody a pokračujte v titrácii dovtedy, kým sa jednou kvapkou titrovaný modročierny roztok odfarbí. 5. Poznamenajte si konečný objem odčítaný na byrete. Túto titráciu povaţujte za orientačnú. 6. Potom urobte tri titrácie na ostro. 7. Vyplňte tabuľku v odpoveďovom hárku. 8. Vypočítajte koncentráciu I 3 v elektrolyte a výsledok zaokrúhlite na 4 desatinné miesta. 18

19 EXPERIMENT 3: CHEMICKÉ VLASTNOSTI ANTOKYÁNU Pomocou 10 ml odmerného valca odmerajte do 100 ml kadičky 1 cm 3 granátojablčkového antokyánového roztoku a 9 cm 3 destilovanej vody (roztok A). Pomocou dielikovanej plastovej Pasteurovej pipety preneste 1 ml roztoku A do kaţdej zo štyroch skúmaviek. Skúmavky označte T 1 aţ T 4. Do skúmaviek T 2, T 3 and T 4 pridajte 1 kvapku roztoku HCl. Do skúmavky T 3 pridajte päť kvapiek roztoku amoniaku. Na špičku špachtle naberte tuhý chlorid hlinitý a pridajte ho do skúmavky T 4. Potom skúmavky dôkladne pretrepte. Doplňte tabuľku v odpoveďovom hárku 1. 19

20 EXPERIMENT 4. ELEKTRICKÉ VÝSTUPNÉ CHARAKTERISTIKY SOLÁRNEHO ČLÁNKU. A. Pomôcky TiO 2 solárny článok zdroj svetla (halogénová lampa) 2 digitálne multimetre nastaviteľný reostat s odporom 500 Ω spojovacie vodiče stojan svorka pravítko B. TEÓRIA Výkon článku predstavuje rýchlosť, s akou dodáva energiu do obvodu, tzn. Výkon článku = energia dodaná článkom / čas Výkon P dodávaný článkom do obvodu moţno určiť aj ako súčin napätia U na článku a prúdu I dodávaného článkom, t.j. P = U I Výkon sa meria vo wattoch (W), napätie vo voltoch (V) a prúd v ampéroch (A). Účinnosť premeny energie sa definuje ako účinnosť = výstupná uţitočná energia / celková dodaná energia a vyjadruje sa desatinným číslom alebo v percentách. C. EXPERIMENT Vyrobený fotočlánok sa osvetlí halogénovou lampou. Tento článok je druh batérie, ktorá získava svoju energiu zo svetla lampy. Treba zmerať rad hodnôt napätia a prúdu na fotočlánku. Z týchto hodnôt treba vyrátať výkon generovaný článkom a nakoniec treba určiť účinnosť článku. Zostavenie zariadenia. 1. Záporná je elektróda s TiO 2. Pripojte k nej čiernu krokosvorku. Červenú krokosvorku pripojte k druhej elektróde - kladnej (s grafitovou vrstvou). 2. Presvedčte sa, ţe fotočlánok je poloţený tak, aby svetlo vstupovalo cez doštičku s TiO 2 a ţe sa fotočlánok ani zdroj svetla nemôţu počas merania vzájomne pohybovať. 20

21 3. Umiestnite zdroj svetla pribliţne 2 aţ 3 cm pred fotočlánok. Meranie napätia naprázdno a prúdu nakrátko Maximálne napätie a maximálny prúd sa meria priamym pripojením multimetra k elektródam článku spojovacími vodičmi. Na obr. 1 a obr. 2 je ukázané pripojenie voltmetra a ampérmetra k fotočlánku. článok článok V voltmeter Obr. 1 A ampérmeter Obr Zapnite lampu a nastavte tak, aby osvetľovala článok. NEDOTÝKAJTE SA HALOGÉNOVEJ LAMPY. JE VEĽMI HORÚCA! 5. Nechajte článok ustáliť vo svetle lampy počas 5 minút pred tým ako začnete merať. 6. Zmerajte maximálnu hodnotu napätia (napätie naprázdno) pripojením multimetra k solárnemu článku. Na multimetri nastavte rozsah na mv. Zaznamenajte hodnotu do odpoveďového hárku 1 EXP Nastavte multimeter na rozsah ma (miliampérmetre). Zmerajte maximálnu hodnotu prúdu (prúd nakrátko). Zaznamenajte nameranú hodnotu do odpoveďového hárku 1 EXP

22 Ak je maximálny nameraný prúd väčší ako 1,6 ma, pokračujte v meraní napätia a prúdu v celom rozsahu Ak ste namerali maximálny prúd menší ako 1,6 ma, zavolajte dozor a poţiadajte o nový fotočlánok. Potom začnite experiment odznova kvapnutím roztoku I 3 do nového článku (Exp 1. E.7). Zopakujte kroky 5, 6 a 7 a zaznamenajte nové hodnoty napätia a prúdu do odpoveďového hárku - do EXP4.1.1 a EXP Meranie napätia a prúdu v celom rozsahu Na meranie napätia a prúdu v celom rozsahu sa pouţije premenný rezistor ako nastaviteľná záťaţ. 8. Nakreslite schému obvodu potrebného na meranie hodnôt napätia a prúdu na osobitný odpoveďový hárok Tento odpoveďový hárok ukáţte dozoru. Dozor vám poskytne schému, podľa ktorej budete pokračovať v meraní. 10. Pouţite schválenú schému a zapojte obvod. 11. Vyskúšajte svoj obvod zmenou odporu rezistora (pohybom beţca na potenciometri). Sledujte, či sa hodnoty napätia a prúdu menia. Ak sa nemenia, prekontrolujte zapojenie. Ak potrebujete pomoc so zapojením obvodu, zavolajte dozor. Stratíte ale 4 body (zo 100). 12. Zaznamenajte bod po bode napätie a prúd pri zvyšovaní odporu záťaţe. Nehýbte článkom ani lampou počas merania. Uvedomte si, ţe prírastky 10 mv medzi meraniami sú dostatočne veľké. Zapíšte dvojice hodnôt napätia a prúdu do odpoveďového hárku 1 EXP Keď skončíte meranie, vypnite zdroj svetla. 22

23 D. VYHODNOTENIE 14. Určte výstupný výkon článku pre kaţdú dvojicu napätia a prúdu. Hodnoty výkonu zaznamenajte do odpoveďového hárku 1 EXP Zostrojte graf závislosti prúdu I od napätia U na milimetrovom papieri v EXP 4.4. Do grafu označte aj hodnotu napätia naprázdno a prúdu nakrátko. 16. Zakreslite do grafu krivku závislosti I U. 17. Zostrojte graf závislosti výkonu P od napätia U na milimetrový papier v EXP 4.5. Zakreslite do grafu krivku závislosti P U. Určenie účinnosti premeny energie svetla na elektrickú v solárnom článku Intenzita slnečného ţiarenia dopadajúceho na povrch Zeme je pribliţne mw/cm 2. Pribliţne rovnakú intenzitu má ţiarenie dopadajúce na článok z lampy vzdialenej 2 3 cm. V tomto kroku výpočtu máte určiť účinnosť premeny energie ţiarenia na elektrickú. 18. Z grafu EXP 4.5 určte maximum výstupného výkonu článku. Maximálnu hodnotu zaznamenajte do odpoveďového hárku 1 EXP Pomocou pravítka zmerajte rozmery aktívnej (zafarbenej) časti vášho solárneho článku. Hodnotu obsahu plochy zapíšte do odpoveďového hárku 1 EXP Vypočítajte maximálny výkon pripadajúci na jednotku obsahu aktívnej plochy (mw/cm 2 ) a výsledok zapíšte do odpoveďového hárku 1 EXP Určte účinnosť premeny energie ak uvaţujete hodnotou intenzity dopadajúceho ţiarenia 80 mw/cm -2. Výsledok zapíšte v percentách do odpoveďového hárku 1 EXP Odpovedzte na otázku 4.1 v odpoveďovom hárku. KONIEC MERANIA 23