Baggrund for forsøget

En solcelle er bygget til at omsætte energi fra Solen til elektricitet. De fleste solceller man kan købe i dag er relativt dyre i forhold til den relativt dårlige udnyttelse af lyset, de har. Kommende generationer af solceller bygger i stedet på, at de skal være billige og kunne masseproduceres og samtidig have lige så god eller højere procentmæssig udnyttelse af lysets energi. Det er til gengæld helt simpelt at lave sin egen solcelle, hvis man kan acceptere en lav energiudnyttelse.

Solcellen er lavet af kobber(I)oxid (Cu₂O) i stedet for silicium som normalt. Kobber(I)oxid var et af de første materialer, hvori man observerede den fotoelektriske effekt, hvor lys får elektroner til at bevæge sig i et materiale.

Du skal bruge

• To kobberplader.  Pladerne behøver ikke være store – 10×10 cm er rigeligt.
• Ledninger med krokodillenæb i enden.
• Et mikro-amperemeter, fx LCD multimeter. Det skal kunne måle ned til en milliontedel ampere.
• En elektrisk kogeplade – gerne en gammelt brugt en, der dog nok skal kunne levere over 1000 watt, så det kan blive rødglødende, for at forsøget virker.
• En stor gennemsigtig plastflaske – fx en 2 liters sodavandflaske, hvor toppen kan skæres af.
• Saltvand – et par spiseskefulde bordsalt i (varmt) postevand til at fylde flasken cirka halvt op.
• Sandpapir eller stålbørste på elektrisk slibemaskine – ikke for kraftig!
• Boltsaks eller lignende til at klippe i kobberpladerne.

Sådan gør du

Sådan ser vores kogeplade ud:

Første skridt er at skære kobberpladerne til, så de har cirka samme størrelse som kogepladen. Der skal kunne være to bøjet i hver sin side af plastflasken, uden at de rører hinanden.

Vask fingrene og kobberpladerne så de er helt fri for fedt og olie. Det kan være en god ide, at bruge et rensemiddel til at få kobberpladerne helt rene.

Brug sandpapir eller slibemaskine til at slibe kobberpladerne, så der ikke er nogen former for oxidering på dem.

Læg dem nu på kogepladen og giv den gas! Gerne fuld knald.

Når kobberet opvarmes, dannes der flotte oxideringsmønstre med orange, lilla og røde nuancer:

De farverige mønstre bliver ved højere temperaturer fortrængt af et sort lag kobber(II)oxid (CuO). Dette er ikke den oxidering, vi gerne vil ende med, men fortvivl ikke! Det ville knække af i flager senere og afsløre det røde, lilla, orange og lyserøde kobber(I)oxid (Cu₂O).

De sidste farvenuancer forsvinder, når kogepladen begynder at blive rødglødende:

Herover ses den rødglødende kogeplade med kobberpladen, der nu er helt dækket af det sorte kobber(II)oxid:

Lad kobberpladen stå i en halv time, så tykkelsen af det sorte kobber(II)oxid forøges. Dette er et vigtigt skridt, da et tykt lag let vil knække af senere, som det skal, mens et tyndt lag vil blive siddende fast til kobberet.

Efter en halv time slukkes kogepladen. Kobberpladen skal nu ligge på kogepladen og køles langsomt. Den langsomme nedkøling er vigtig, idet den hjælper til at løsne det ydre det sorte kobber(II)oxid.

Kobberet vil trække sig sammen i takt med, at det køler. Det vil det sorte kobber(II)oxid også, men det vil gøre det langsommere, og det vil derfor løsne sig i flager. De små sorte flager kan flyve af med stor nok kraft til at de kan flyve et par meter, så det kan være sjovt nok at kigge på.

Efter at kobberpladen har kølet til stuetemperatur (hvilket tager omkring 20 minutter), vil det meste af det sorte kobber(II)oxid være løsnet. Det sidste kan fjernes ved forsigtigt at skrubbe med hænderne under en løbende hane.

Det er vigtigt, at man ikke skrubber hårdt eller bøjer kobberpladen for at fjerne de sidste sorte rester, det dette kan ødelægge det fine røde lag af kobber(I)oxid (Cu₂O), vi skal bruge til solcellen.

Nu er solcellen stort set klar – det er helt simpelt at samle den herfra:

• Skær en ny kobberplade til, så den er på størrelse med den oxiderede.
• Bøj begge plader forsigtigt, så de kan passe ned i hver sin side af plastflasken uden at røre hinanden. Den side af kobber(I)oxiden, der vendte opad på kogepladen, er som regel den bedste at vende væk fra den anden kobberplade i flasken. Det skal være den glatteste, reneste flade, der vender udad.
• Sæt en ledning på hver af pladerne med krokodillenæb. Ledningen, der sidder på den oxiderede kobberplade, skal forbindes til den negative indgang på amperemeteret og den rene kobberplade til den positive indgang på amperemeteret.
• Hæld forsigtigt saltvand (hvor saltet er helt opløst) ned i flasken. Det er vigtigt, at krokodillenæbene ikke bliver våde. Saltvandet bør ikke dække pladerne helt. Hvis der er et par centimeter fri, kan man flytte på pladerne og især solcellen, uden at ledninger og krokodillenæb bliver våde.

På fotoet herunder ses solcellen i skygge, hvor man kan se, at solcellen producerer 6 mikroampere. Solcellen fungerer som et batteri selv i mørke og vil således næsten altid vise et par mikroampere.

Herunder er solcellen placeret i solen, og nu viser amperemeteret nu 33 mikroampere. Solcellen kan producere over 50 mikroamperer i kraftigt lys.

Derfor virker det

Kobber(I)oxid (Cu₂O) er det, man kalder en halvleder. En halvleder er et materiale med en elektrisk lede-evne, der ligger mellem de ledende materialer, hvor elektronerne kan bevæge sig frit og de isolerende, hvor elektronerne er tæt bundet til deres atomer.

I en halvleder er der det, som man på engelsk kalder et bandgap – et spring – mellem de elektroner, som er bundet tæt til deres atomer, og de elektroner, der ligger længere fra atomerne og kan bevæge sig frit og dermed lede elektricitet.

Elektroner kan ikke befinde sig i dette bandgap. Derfor kan en elektron ikke modtage små mægnder af energi og på den måde bevæge sig længere væk fra atomkernen, så den befinder sig i bandgap’et. Energimængden bliver nødt til at være stor nok til, at elektronen kan springe ud på den anden side af bandgap’et.

På samme måde kan elektroner, som befinder sig uden for bandgap’et ikke afgive små energimængder og bevæge sig indad, men skal afgive nok energi på en gang til springe forbi bandgap’et ind til de tilladte baner.

Når sollys rammer elektronerne i kobber(I)oxid vil en del af dem få tilført nok energi til at udføre dette spring udad og dermed blive frie til at lede elektricitet.

Disse frie elektroner bevæger sig ud i saltvandet, ind i den ikke-oxiderede kobberplade, ind i ledningerne og igennem mikroamperemeteret og tilbage til den oxiderede kobberplade. Der er altså på den måde skabt en elektrisk strøm.

En note om effektiviten

Solcellen producerer 50 mikroampere ved 0,25 volt, hvilket svarer til 0,0000125 watt (12,5 mikrowatt). Dette er en meget lille effektivitet, og det vil da også kræve 800 kvadratmeter kobber(I)oxid og tilsvarende 800 kvadratmeter kobber for at kunne producere nok strøm til et 1000 watts komfur.

Hvor meget vil det kræve at få en lille glødepære til at lyse? Og hvor meget for at få en lysdiode til det?

Denne solcelle er altså ikke løsningen på verdens energiproblemer, men princippet om en solcelle, der består af to dele med en halvleder, hvor elektronerne kan frigøres, er grundlæggende for forståelsen af de fleste solceller.

Hvis man vil lave en solcelle med større effektivitet, skal man give sig i kast med Grätzel-cellen eller brombærcellen, som den ofte er kendt som.

Flere forsøg: Energiproduktion

Lav et citronbatteri
Lav en solcelle i dit eget køkken (denne side)
Lav en solcelle med brombær
Byg din egen vindmølle
Mål på din vindmølles effektivitet
Lav en brændselscelle
Lav et zink-carbon batteri
Lav din egen minigenerator

» Alle forsøg og cases

Kilde

Simon Quellen Field

Dette forsøg stammer oprindeligt fra Climate Minds, som er udviklet af Experimentarium i samarbejde med Dansk Energi og Energyminds.