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La electricidad a partir de células solares (Instrucción para los profesores) (editar)
Revisión del 15:35 22 ago 2021
, hace 2 añossin resumen de edición
*Experimentar investigando, para comprobar la influencia de los diferentes materiales y condiciones sobre el rendimiento de la célula y así entender las diferentes reacciones parciales que tienen lugar en la célula.
*Experimentar investigando, para comprobar la influencia de los diferentes materiales y condiciones sobre el rendimiento de la célula y así entender las diferentes reacciones parciales que tienen lugar en la célula.
*Un planteamiento multidisciplinar teniendo en cuenta una comparación entre el funcionamiento de la célula Graetzel, la fotosíntesis y la célula solar.
*Un planteamiento multidisciplinar teniendo en cuenta una comparación entre el funcionamiento de la célula Graetzel, la fotosíntesis y la célula solar.
=====La construcción de una célula solar de colorante =====
=====La construcción de una célula solar de colorante =====
La célula Graetzel hace posible la transformación de la energía solar en energía eléctrica y aprovecha el principio de la fotosíntesis de los colorantes vegetales para la absorción de la luz.
La célula Graetzel hace posible la transformación de la energía solar en energía eléctrica y aprovecha el principio de la fotosíntesis de los colorantes vegetales para la absorción de la luz.
#Capa de óxido conductor eléctrico, transparente (p. ej., SnO2) y una capa de grafito (polo positivo)
#Capa de óxido conductor eléctrico, transparente (p. ej., SnO2) y una capa de grafito (polo positivo)
#Segunda placa de vidrio
#Segunda placa de vidrio
=====La potencia de la célula de Graetzel a diferentes intensidades de luz=====
=====La potencia de la célula de Graetzel a diferentes intensidades de luz=====
La célula de colorante inventada por Graetzel se compone, como todas las células solares, de dos electrodos separados entre sí por una capa. El primer electrodo puede liberar electrones al incidir la luz, el segundo electrodo puede absorber electrones. La célula de colorante comparte este principio con todas las demás células solares, p. ej., las células de silicio. En la célula de Graetzel al incidir la luz los electrones pasan directamente a través del circuito eléctrico externo al segundo electrodo. Allí, en la capa de separación de los dos electrodos, se juntan nuevamente con elementos de carga positiva. De esta forma se cierra el circuito completo a través del circuito interior de la célula de colorante.
La célula de colorante inventada por Graetzel se compone, como todas las células solares, de dos electrodos separados entre sí por una capa. El primer electrodo puede liberar electrones al incidir la luz, el segundo electrodo puede absorber electrones. La célula de colorante comparte este principio con todas las demás células solares, p. ej., las células de silicio. En la célula de Graetzel al incidir la luz los electrones pasan directamente a través del circuito eléctrico externo al segundo electrodo. Allí, en la capa de separación de los dos electrodos, se juntan nuevamente con elementos de carga positiva. De esta forma se cierra el circuito completo a través del circuito interior de la célula de colorante.
=====Una mayor tensión debido a varias células de Graetzel=====
=====Una mayor tensión debido a varias células de Graetzel=====
El funcionamiento se puede explicar con ayuda de los siguientes pasos parciales, relacionados entre sí:
El funcionamiento se puede explicar con ayuda de los siguientes pasos parciales, relacionados entre sí:
*Las moléculas de colorante (Fa) absorben la luz de una longitud de onda determinada. La energía absorbida de esta manera sirve para impulsar a que los electrones suban a un nivel energético superior (Fa <sup>*</sup>).
*Las moléculas de colorante (Fa) absorben la luz de una longitud de onda determinada. La energía absorbida de esta manera sirve para impulsar a que los electrones suban a un nivel energético superior (Fa <sup>*</sup>).
:2Fa + energía de la luz → 2 Fa<sup>*</sup>
:2Fa + energía de la luz → 2 Fa<sup>*</sup>
*A partir de este nivel superior de energía se pueden trasladar los electrones del colorante con gran cantidad de energía a la banda conductora del dióxido de titanio. Las moléculas de colorante tienen ahora una carga positiva y el dióxido de titanio una carga negativa.
*A partir de este nivel superior de energía se pueden trasladar los electrones del colorante con gran cantidad de energía a la banda conductora del dióxido de titanio. Las moléculas de colorante tienen ahora una carga positiva y el dióxido de titanio una carga negativa.
:2 Fa<sup>*</sup> → 2 Fa+ + 2 e<sup>–</sup> →→ 2 TiO<sub>2</sub> + 2 e<sup>–</sup> → 2 TiO<sub>2</sub><sup>–</sup>
:2 Fa<sup>*</sup> → 2 Fa+ + 2 e<sup>–</sup> →→ 2 TiO<sub>2</sub> + 2 e<sup>–</sup> → 2 TiO<sub>2</sub><sup>–</sup>
*El flujo de electrones sólo es posible porque la pérdida de electrones de las moléculas de colorante es compensada por las moléculas del yoduro
*El flujo de electrones sólo es posible porque la pérdida de electrones de las moléculas de colorante es compensada por las moléculas del yoduro.
:2I<sub>3</sub><sup>–</sup> → 3I<sub>2</sub> + 2 e<sup>–</sup> →→ 2 Fa<sup>+<sup> + 2 e<sup>–</sup> → 2 Fa
*Los electrones con gran cantidad de energía fluyen en un circuito eléctrico externo del ánodo al cátodo y pueden ceder energía a un eventual consumidor. Los electrones que llegan al cátodo (la capa de TCO y grafito) reducen las moléculas de yodo convirtiéndolas en iones de yoduro, cerrando de esta forma el circuito eléctrico.
:3I<sub>2</sub> + 2 e<sup>–</sup> → 2I<sub>3</sub><sup>–</sup>
Gracias a la estructura de los diferentes sistemas de transferencia de electrones, éstos pueden fluir solamente en una dirección. Un ejemplo de los resultados obtenidos en un experimento:
{|class="wikitable" style="width:80%; margin:1em auto 1em auto"
!Fuente de luz
!Tensión en mV
!Intensidad en mA
!Potencia en mW
|-
| style="height:2em" |luz solar directa
|400
|0,6
|0,24
|-
| style="height:2em" |proyector
|350
|0,4
|0,14
|}
====Variantes de ejecución====
Los alumnos y alumnas pueden trabajar en grupos y primero ir familiarizándose con la estructura y el funcionamiento de una célula Graetzel. En una segunda fase pueden investigar la influencia de los diferentes colorantes sobre el rendimiento de una célula. El objetivo podría ser accionar un aparato de baja potencia (una calculadora o un motor solar) con una cantidad y estructura determinadas de células de Graetzel.
En la clase de proyecto o en el aprendizaje por estaciones puede presentarse la estructura y el funcionamiento de la célula de Graetzel en un grupo y, a continuación, ante toda la clase.
Las reacciones parciales individuales que tienen lugar en la célula se pueden examinar en grupos de expertos y luego en el grupo de aprendizaje para lograr una presentación global.
A partir del grupo de edad de 16 años, resulta interesante abordar el tema de la célula de Graetzel de forma multidisciplinar. En grupos de expertos se puede abordar los temas del funcionamiento de la fotosíntesis (Biología), la célula de Graetzel (Química) y de la célula solar (Física), para después presentarlos ante todo el grupo de aprendizaje y compararlos.
===Informaciones adicionales sobre el experiment===
Para preparar y/o profundizar este experimento encontrará información complementaria en el Portal de Medios de la Siemens Stiftung: https://medienportal.siemens-stiftung.org
===Observaciones sobre la realización del experimento===
====Lugar en el que se realiza el experimento====
No se requiere un lugar especial para realizar los experimentos. Hay que contar con luz solar directa o disponer de una fuente de luz artificial.
====Tiempo necesario====
*Aprox. 45 minutos para la construcción y el test del funcionamiento de la célula (experimentos parciales 1, 2 y 3).
*Aprox. 90 minutos para experimentar investigando con diferentes materiales (variantes).
*Aprox. 15 a 45 minutos para debatir los resultados. otros 120 minutos aproximadamente para abordar los temas de forma multidisciplinar, incluyendo la fotosíntesis.
====Advertencias de seguridad====
Los experimentos sólo pueden ser realizados bajo la vigilancia del profesor o de la profesora. Hay que advertir a los alumnos y alumnas que los materiales suministrados sólo se deben utilizar siguiendo las instrucciones correspondientes.
En estos experimentos tenga en cuenta los siguientes peligros posibles y llame la atención de los alumnos y alumnas a este respecto:
*Normalmente es el profesor o la profesora quien se encarga de hervir el agua para preparar la infusión.
*El yodo sólo es tóxico para el cuerpo humano si se ingiere (aspira o si entra en contacto con la piel) en grandes cantidades. En pequeñas cantidades sigue utilizándose como desinfectante en la medicina. ¡En todo caso, los alérgicos deberían evitar que entre en contacto con la piel!
*El profesor o la profesora debe poner algunas gotas de tintura de yodo sobre la placa de vidrio preparada previamente.
Según la normativa internacional GHS sobre sustancias peligrosas: “Atención”
[[Archivo:indicaciones normativa internacional.jpg]]
====Aparatos y materiales====
'''A adquirir o preparar previamente: '''
*Preparar infusión de hibisco:
*:Lo mejor es que antes de empezar el profesor o la profesora prepare media taza de infusión de hibisco concentrada para que lo puedan traer al aula cuando ya se haya enfriado un poco. No es posible conservar la infusión durante varios días o semanas, dado que el colorante pierde su efecto. Para preparar la infusión concentrada hay que verter 100 ml de agua hirviendo sobre 2 bolsitas de infusión. Al retirar las bolsitas hay que apretarlas bien para que salga el colorante.
*Pañuelos de papel
*Si hace falta, según las variantes de ejecución: fruta o jugos de fruta (p. ej., de mora, frambuesa, cereza o grosella). Los jugos de moras, saúco, grosella y otras sustancias que contienen antocianos pueden ser conservados congelándolos en porciones.
*Hervidor de agua
*Vaso de vidrio o taza
*Proyector de láminas, marcador, rotulador o algo similar.
*Lámpara de escritorio (lámpara halógena, 20W)
'''Incluido en el suministro:'''
Los aparatos y materiales entregados son suficientes para que '''cuatro''' grupos de alumnos realicen el experimento en paralelo.
El cableado y la utilización correctos del multímetro, los LED y el motor es algo que debería aclarar el profesor o la profesora de antemano en función de los conocimientos de los alumnos y alumnas, si hace falta haciendo una demostración.
Para '''un''' grupo de alumnos se requieren los siguientes materiales de la caja: