Lo studio della struttura della materia, dei meccanismi e dei comportamenti delle molecole che la costituiscono, è affascinante. La curiosità di capire come queste si organizzano e scoprirne le proprietà, stimola la creatività dei ricercatori che cercano di sfruttare tali conoscenze sia per meri interessi scientifici che applicativi; contribuendo così, ad ampliare il patrimonio culturale della società ed il suo generale sviluppo. Celle solari e dintorni:
A differenza di quelle più famose che sfruttano le proprietà del silicio, conosciute come fotovoltaiche, le celle solari sono dispositivi fotoelettrochimici aventi lo stesso obiettivo e cioè convertire la luce proveniente dal sole in energia elettrica; esse utilizzano l'azione combinata di un colorante (cromoforo) i cui elettroni, dopo essere stati eccitati dalla luce, vengono trasferiti su nano-cristalli di ossido di titanio (TiO2) e successivamente sull'elettrodo conduttore negativo (anodo). Il colorante deficitario di elettroni li riacquista da un mediatore elettrolitico, costituito da una coppia redox Iodio/Ioduro (molto simile come composizione alla tintura di iodio), che si trova a contatto con l'elettrodo positivo della cella (catodo) e che attrae gli elettroni provenienti dal primo chiudendo il circuito. In somma il sole è la pompa che fa circolare gli elettroni all'interno del dispositivo producendo energia elettrica; tutto ciò ricorda tantissimo quello che succede nel processo naturale della fotosintesi clorofilliana.
Il rendimento energetico massimo (n) di queste celle solari è attualmente circa il 10% che è più basso, rispetto a quelle al silicio (circa il 16%). Tuttavia le celle hanno , una migliore stabilità termica ed un rendimento costante, anche in condizioni di illuminazione critiche. Coloranti: I pigmenti originariamente impiegati erano composti sintetici inorganici (costosi) ed organici (più economici). Un'alternativa brillante agli artificiali viene dagli antociani naturali che colorano i vegetali (fiori, piante, frutti, etc.). In particolare sono stati utilizzati arance rosse di Sicilia, more, melanzane, uva (nero d'Avola, Syrah, Giacchè), etc., prodotti presenti in grande abbondanza sul nostro territorio, privi di tossicità, riciclabili e non inquinanti. Controelettrodo: Materiali alternativi al catodo di platino, costituiti da nanotubi di carbonio, sono attualmente impiegati come catalizzatori ma è possibile utilizzare materiali come la grafite, nero fumo etc.
Preparazione della cella (foto): La realizzazione di un tale dispositivo foto-elettrochimico è più semplice, più economica ed a più basso impatto ambientale rispetto alle attuali celle al silicio.Su di un vetro conduttore trasparente viene depositato un film sottile di nanoparticelle di biossido di Titanio (spessore circa 12 micron), sul quale viene fatta adsorbire la soluzione del colorante. Tale elettrodo (anodo), dopo essere stato asciugato e trattato con piccole quantità della soluzione elettrolitica, viene ricoperto dal controelettrodo (catodo) contenente il catalizzatore. Inoltre la cella galvanica così realizzata può essere trasformata in elettrolitica. Quest'ultima, forza gli elettroni a fluire in senso opposto rispetto alla precedente, riuscendo a convertire energia elettrica in energia chimica (produzione di metalli, gas, etc.).
Proprietà fotoelettrochimiche di alcuni coloranti naturali utilizzati nelle celle solari sotto illuminazione con simulatore solare ad Air Mass (A. M.) 1.5 e 100mW/cm2, parametri considerati (Jsc(mA/cm2), Voc(mV), Jmax(mA/cm2), Vmax(mV), F.F.(%), n(%)):
Melanzana (bucce)
(Solanum Melongena) 3.40, 350, 2.413, 200, 40, 0.48,
Arance rosse (succo)
(Citrus Sinensis) 3.84, 340, 2.92 , 225, 50, 0.66,
Vino rosso
(Vitis Vinifera) 2.35, 300, 1.59 , 150, 33, 0.24,
cis-(dcbH2)2Ru(NCS)2 10.94, 660, 10.00, 450, 62, 4.5
La natura non opera con l'intervento di molte cose quel che si può fare con il mezzo di poche...(Galileo. Dialogo dei massimi sistemi, Giornata seconda).
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