DIY-solcelle:Byg et funktionelt kobberbaseret panel til dit videnskabsprojekt

Af Chris Deziel | Opdateret 30. august 2022

Fotokredit:luchschen/iStock/GettyImages

Solpaneler er i det væsentlige arrays af fotovoltaiske celler, der omdanner sollys til elektricitet. Mens kommercielle paneler bruger dopet silicium, er det både lærerigt og imponerende at bygge dine egne celler af hverdagsmaterialer. Med et ark kobber, der blinker, lidt saltvand og en klar flaske, kan du generere en målbar strøm fra sollys – nok, når det kombineres i serie, til at oplade et batteri eller tænde en lille pære.

Videnskaben bag kobbercellen

Da Heinrich Hertz først observerede den fotoelektriske effekt, arbejdede han med metalplader - ofte oxideret kobber - fordi siliciumwafers endnu ikke var tilgængelige. Oxideret kobber, specifikt kobber(II)oxid (Cu₂O), opfører sig som en halvleder. Når de nedsænkes i en elektrolyt og udsættes for lys, exciteres elektroner og strømmer fra kobberet ind i den omgivende opløsning. En ren kobberplade tjener som anode, mens den oxiderede plade fungerer som katode og skaber en spændingsforskel, der driver strøm gennem et eksternt kredsløb.

Forberedelse af kobberpladen

Start med cirka en halv kvadratmeter kobberinddækning, som kan findes i de fleste byggemarkeder. Skær arket i to lige store stykker med blikskær. Vask begge stykker med sæbe og vand for at fjerne fedt eller rester.

Læg et ark på brænderen på en elektrisk komfur, og sørg for, at den dækker overfladen. Indstil varmen til den højeste indstilling, og observer farveændringen - først lysere, derefter mørkere, når der dannes et tyndt lag kobberoxid (CuO). Lad kobberet få et sort udseende og fortsæt opvarmningen i yderligere 30 minutter. Sluk for varmen og lad pladen køle af på blusset.

Når pladen afkøles, krymper kobber og kobberoxid med forskellige hastigheder, hvilket får den sorte belægning til at flage. Når pladen er helt afkølet, børste du forsigtigt eventuelle løse flager væk. Under det flagede lag forbliver et rødt bånd af kobberoxid - dette er det halvledende lag, der er afgørende for cellens drift. Fjern ikke dette røde lag.

Samling af cellen i en flaske

Brug en gennemsigtig plastikflaske på 1 liter som beholder. Skær flasken tæt på midten, fjern toppen, og åbn bunden, så den bliver en lav bakke. Bøj den opvarmede kobberplade til en halvcirkel og placer den inde i flasken, så den hviler mod den ene side, med den oxiderede side udad. Gentag med den uopvarmede kobberplade, og placer den på den modsatte side. Sørg for, at pladerne ikke rører ved hinanden.

I et separat glas, opløs to spiseskefulde bordsalt i cirka to kopper varmt vand. Hæld saltvandsopløsningen i flasken, fyld den cirka ¾ fuld. Toppen af kobberpladerne skal forblive over væsken, så du kan fastgøre krokodilleklemmer.

Test af cellen

Tag cellen udendørs og placer den på en flad overflade, orienter den oxiderede plade mod direkte sollys. Tilslut et multimeter til pladerne ved hjælp af krokodilleklemmer. Indstil måleren til at aflæse mikroampere (µA). I fuld sol skal måleren registrere mellem 33µA og 50µA. Skift måleren til spændingstilstand; du bør observere omkring 0,25 V. Beregning af det maksimale effektudbytte:

P =V × I =0,25V × 0,00005A =0,0000125W eller 12,5µW.

Tilslutning af celler i serie for at øge output

Solpaneler er arrays af celler forbundet i serie, som tilføjer deres spændinger, mens strømmen holdes konstant. For at bygge et simpelt serie-array skal du forbinde den rene kobberplade (anode) fra en flaskecelle til den oxiderede plade (katode) i den næste celle med en ledning og krokodilleklemmer. Mål spændingen over de resterende to frie plader; spændingen bør fordobles til ca. 0,5 V. Hver ekstra celle i serie tilføjer yderligere 0,25 V. Ved at sammenkæde nok celler kan du opnå den spænding eller strøm, der er nødvendig for at oplade et batteri eller forsyne en lille LED.

Sikkerheds- og praktiske tips

• Håndter varme kobberplader forsigtigt for at undgå forbrændinger.
• Brug isolerede krokodilleklemmer for at forhindre kortslutninger.
• Når du skalerer op, bør du overveje at bruge en større beholder eller en mere robust elektrolyt for at forbedre effektiviteten.