Di Chris Deziel | Aggiornato il 30 agosto 2022
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I pannelli solari sono essenzialmente array di celle fotovoltaiche che convertono la luce solare in elettricità. Sebbene i pannelli commerciali utilizzino silicio drogato, è allo stesso tempo educativo e impressionante costruire le proprie celle con materiali di uso quotidiano. Con un foglio di rame, un po' di acqua salata e una bottiglia trasparente, puoi generare una corrente misurabile dalla luce solare, sufficiente, se combinata in serie, per caricare una batteria o accendere una piccola lampadina.
Quando Heinrich Hertz osservò per la prima volta l'effetto fotoelettrico, lavorò con piastre metalliche, spesso rame ossidato, perché i wafer di silicio non erano ancora disponibili. Il rame ossidato, in particolare l'ossido rameoso (Cu₂O), si comporta come un semiconduttore. Quando immersi in un elettrolita ed esposti alla luce, gli elettroni vengono eccitati e fluiscono dal rame nella soluzione circostante. Una piastra di rame pulita funge da anodo, mentre la piastra ossidata funge da catodo, creando una differenza di tensione che guida la corrente attraverso un circuito esterno.
Inizia con circa mezzo metro quadrato di scossalina in rame, che puoi trovare nella maggior parte dei negozi di ferramenta. Utilizzando delle forbici per lamiera, tagliare la sfoglia in due pezzi uguali. Lavare entrambi i pezzi con acqua e sapone per rimuovere eventuali residui di grasso o residui.
Posizionare un foglio sul fornello di un fornello elettrico, assicurandosi che copra la superficie. Imposta il calore al massimo e osserva il cambiamento di colore:prima si schiarisce, poi si scurisce quando si forma un sottile strato di ossido rameico (CuO). Lasciare che il rame raggiunga un aspetto nero e continuare a riscaldare per altri 30 minuti. Spegni il fuoco e lascia raffreddare la piastra sul fuoco.
Quando la piastra si raffredda, il rame e l'ossido rameico si ritirano a velocità diverse, provocando la sfaldatura del rivestimento nero. Una volta che la piastra è completamente fredda, spazzolare via delicatamente eventuali scaglie. Sotto lo strato scagliato rimane una fascia rossa di ossido rameoso:questo è lo strato semiconduttore essenziale per il funzionamento della cella. Non rimuovere questo strato rosso.
Utilizzare come contenitore una bottiglia di plastica trasparente da un litro. Taglia la bottiglia quasi al centro, rimuovi la parte superiore e apri il fondo in modo che diventi un vassoio poco profondo. Piegare la lastra di rame riscaldata a semicerchio e posizionarla all'interno della bottiglia in modo che appoggi su un lato, con il lato ossidato rivolto verso l'esterno. Ripetere l'operazione con la lastra di rame non riscaldata, posizionandola sul lato opposto. Assicurarsi che le piastre non si tocchino.
In un bicchiere separato, sciogliere due cucchiai di sale da cucina in circa due tazze di acqua tiepida. Versare la soluzione salina nella bottiglia, riempiendola per circa ¾. La parte superiore delle piastre di rame dovrebbe rimanere sopra il liquido, consentendoti di attaccare le clip a coccodrillo.
Portare la cella all'aperto e posizionarla su una superficie piana, orientando la piastra ossidata verso la luce solare diretta. Collegare un multimetro alle piastre utilizzando le pinzette a coccodrillo. Impostare lo strumento per leggere i microampere (μA). In pieno sole, lo strumento dovrebbe registrare tra 33μA e 50μA. Passare lo strumento alla modalità tensione; dovresti osservare circa 0,25 V. Calcolo della potenza massima resa:
P =V × I =0,25 V × 0,00005 A =0,0000125 W o 12,5 µW.
I pannelli solari sono array di celle collegate in serie, che sommano le loro tensioni mantenendo costante la corrente. Per costruire un semplice array in serie, collegare la piastra di rame pulita (anodo) di una cella a bottiglia alla piastra ossidata (catodo) della cella successiva con un filo e pinzette a coccodrillo. Misurare la tensione sulle restanti due piastre libere; la tensione dovrebbe raddoppiare fino a circa 0,5 V. Ogni cella aggiuntiva in serie aggiunge altri 0,25 V. Concatenando un numero sufficiente di celle, puoi ottenere la tensione o la potenza necessaria per caricare una batteria o alimentare un piccolo LED.
• Maneggiare le piastre di rame calde con cura per evitare ustioni.
• Utilizzare morsetti a coccodrillo isolati per evitare cortocircuiti.
• Quando si aumenta la capacità, prendere in considerazione l'utilizzo di un contenitore più grande o di un elettrolita più robusto per migliorare l'efficienza.
