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La electricidad a partir de células solares (Instrucción para los profesores) (editar)
Revisión del 17:00 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:
:3I<sub>2</sub> + 2 e<sup>–</sup> → 2I<sub>3</sub><sup>–</sup>
: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:
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"
{| class="wikitable" style="width:80%; margin:1em auto 1em auto; background:#ffffff;"
!Fuente de luz
!Fuente de luz
!Tensión en mV
!Tensión en mV
|-
|-
| style="height:2em" |luz solar directa
| style="height:2em" |luz solar directa
|400
| 400
|0,6
|0,6
|0,24
|0,24
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.
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.
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===
===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
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===
===Observaciones sobre la realización del experimento===
====Lugar en el que se realiza el 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.
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====
====Tiempo necesario====
*Aprox. 45 minutos para la construcción y el test del funcionamiento de la célula (experimentos parciales 1, 2 y 3).
*Aprox. 45 minutos para la construcción y el test del funcionamiento de la célula (experimentos parciales 1, 2 y 3).
*El profesor o la profesora debe poner algunas gotas de tintura de yodo sobre la placa de vidrio preparada previamente.
*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”
Según la normativa internacional GHS sobre sustancias peligrosas: “Atención”
[[Archivo:indicaciones normativa internacional.jpg]]
[[Archivo:indicaciones normativa internacional.jpg|vínculo=Special:FilePath/Indicaciones_normativa_internacional.jpg]]
==== Aparatos y materiales====
====Aparatos y materiales====
'''A adquirir o preparar previamente: '''
'''A adquirir o preparar previamente: '''
*Preparar infusión de hibisco:
*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.
*: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
* 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.
*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
*Hervidor de agua
Para '''un''' grupo de alumnos se requieren los siguientes materiales de la caja:
Para '''un''' grupo de alumnos se requieren los siguientes materiales de la caja:
{| class="wikitable" style="width:80%; margin: auto; background:#ffffff;"
|- style="vertical-align:top; text-align:center;"
|'''material'''
|'''cantidad'''
|- style="vertical-align:top;"
|lápiz, blando (6B)
|style="text-align:center;" |1x
|- style="vertical-align:top;"
|Multímetro digital
|style="text-align:center;" |1x
|- style="vertical-align:top;"
|Electrodo de vidrio para la célula de colorante (SnO, transparente)
|style="text-align:center;" |1x
|- style="vertical-align:top;"
|Electrodo de vidrio para la célula de colorante (TiO<sub>2</sub>, blanca)
|style="text-align:center;" |
|- style="vertical-align:top;"
|Bolsita de infusión de hibisco (como colorante para la célula solar)
|style="text-align:center;" |1x para toda la clase
|- style="vertical-align:top;"
|Tintura de yodo (solución de yodo/yoduro de potasio), frasco cuentagotas
|style="text-align:center;" |2x para toda la clase
|- style="vertical-align:top;"
|Pinza (para papeles)
|style="text-align:center;" |2x
|- style="vertical-align:top;"
|Juego de cable de medición banana/cocodrilo, en rojo y negro, respectivamente
|style="text-align:center;" |1x
|- style="vertical-align:top;"
|Tapa enroscable (para vaso de 100 ml)
|style="text-align:center;" |1x
|- style="vertical-align:top;"
|Jeringuilla (inyección cónica), 5 ml (como pipeta)
|style="text-align:center;" |1x
|- style="vertical-align:top;"
|Cable conector de cocodrilo
|style="text-align:center;" |4x
|}
[[Archivo:Fig. 3 Aparatos y materiales incluidos en el suministro para un grupo de alumnos.jpg|thumb|Fig. 3: Aparatos y materiales incluidos en el suministro para un grupo de alumnos.]]
====Poner orden, eliminar residuos, reciclar ====
Todos los aparatos y casi todos los materiales suministrados en la caja se pueden reutilizar. Por ello debería asegurarse de que al concluir cada experimento coloquen todo nuevamente en la caja correspondiente. Así estará seguro de que Ud. y sus compañeros de trabajo encuentren todo rápidamente cuando lo quieran volver a utilizar.
Los aparatos que se hayan ensuciado al realizar los experimentos, como, p. ej., vasos, recipientes, cucharas, tubos de ensayo, deberían ser limpiados antes de colocarlos en las cajas. Lo más fácil es que los alumnos y alumnas se ocupen de hacerlo al finalizar el experimento.
Además, asegúrese de que los aparatos estén listos para ser utilizados en la próxima ocasión. Por ejemplo, hay que poner a cargar las pilas usadas (También es recomendable cuando no se han usado las pilas desde hace tiempo.).
Los materiales no reciclables como, p. ej., las barritas de medición del valor pH o el papel de filtro, deben ser tirados a la basura correcta.
Los residuos resultantes de este experimento se pueden tirar a la basura normal o por el desagüe.
'''Caducidad y regeneración de las células de Graetzel construidas'''
En las instrucciones se parte de que se utiliza la solución de yodo/yoduro de potasio suministrada.
En caso de que se acabe, es conveniente preparar una solución de yodo/yoduro de litio (la composición: yoduro de litio (LiI) 0,5 mol/l y yodo (I<sub>2</sub>) 0,05 mol/l ).
Si las células solares preparadas se guardan en un sitio fresco y oscuro, pueden permanecer operativas durante al menos una semana. Las fuentes de luz intensas, p. ej., los proyectores, hacen que las células se sequen más rápidamente. Las células se pueden activar nuevamente mediante una gota de solución electrolítica.
Para lograr regenerarlas por completo se procede de la siguiente manera:
Primero se enjuaga el electrodo negativo (el que tiene la capa teñida de óxido de titanio) con agua destilada. Después se coloca en un recipiente con agua destilada para desteñirlo y se coloca al sol (p. ej., en el alféizar de la ventana). La radiación ultravioleta a la luz del sol hará que se destiña, dado que se destruyen los componentes orgánicos del colorante. En caso de que la capa de óxido de titanio sea blanca el electrodo se puede sacar del agua, secar con un secador y luego puede ser utilizado nuevamente.
Al limpiar el electrodo positivo sólo hay que lavar el electrólito pero no el grafito. El grafito no envejece y puede seguir funcionando plenamente. Si se repite el experimento, por si acaso debería colocarse una nueva capa de grafito sobre la capa ya existente.
'''Atención:''' Al regenerar los electrodos no pueden ser secados nunca con un paño o, en el peor de los casos, con un cepillo. Porque de esa manera se romperían las capas sensibles. Para acelerar el proceso de secado es posible secar suavemente los electrodos mojados con un papel blando o con algodón.
Los electrodos negativos y positivos deberían conservarse por separado.
==Comentarios adicionales==
<small>© Siemens Stiftung 2016. Contenido licenciado bajo CC BY-SA 4.0 internacional</small>