Av Chris Deziel | Uppdaterad 30 augusti 2022
Fotokredit:luchschen/iStock/GettyImages
Solpaneler är i huvudsak uppsättningar av fotovoltaiska celler som omvandlar solljus till elektricitet. Medan kommersiella paneler använder dopat kisel, är det både lärorikt och imponerande att bygga dina egna celler från vardagsmaterial. Med en kopparskiva som blinkar, lite saltvatten och en genomskinlig flaska kan du generera en mätbar ström från solljus – tillräckligt, när de kombineras i serie, för att ladda ett batteri eller tända en liten glödlampa.
När Heinrich Hertz först observerade den fotoelektriska effekten arbetade han med metallplattor - ofta oxiderad koppar - eftersom kiselskivor ännu inte fanns tillgängliga. Oxiderad koppar, speciellt koppar(II)oxid (Cu₂O), beter sig som en halvledare. När de nedsänks i en elektrolyt och utsätts för ljus exciteras elektroner och flödar från kopparn till den omgivande lösningen. En ren kopparplatta fungerar som anod, medan den oxiderade plattan fungerar som katod och skapar en spänningsskillnad som driver ström genom en extern krets.
Börja med ungefär en halv kvadratfot kopparbeslag, som finns i de flesta järnaffärer. Skär plåten i två lika stora bitar med plåtsax. Tvätta båda delarna med tvål och vatten för att ta bort eventuellt fett eller rester.
Placera ett ark på brännaren på en elektrisk spis och se till att det täcker ytan. Ställ in värmen på högsta inställningen och observera färgförändringen – först ljusare, sedan mörkare när ett tunt lager av kopparoxid (CuO) bildas. Låt kopparn få ett svart utseende och fortsätt värma i ytterligare 30 minuter. Stäng av värmen och låt plattan svalna på brännaren.
När plattan svalnar krymper kopparn och kopparoxiden i olika hastigheter, vilket gör att den svarta beläggningen flagnar. När plattan är helt kall borstar du försiktigt bort eventuella lösa flingor. Under det flagade lagret finns kvar ett rött band av kopparoxid - detta är det halvledande lagret som är nödvändigt för cellens funktion. Ta inte bort detta röda lager.
Använd en genomskinlig plastflaska på en liter som behållare. Skär flaskan nära mitten, ta bort toppen och öppna botten så att den blir en grund bricka. Böj den uppvärmda kopparplåten till en halvcirkel och placera den inuti flaskan så att den vilar mot ena sidan, med den oxiderade sidan vänd utåt. Upprepa med den ouppvärmda kopparplåten, placera den på motsatt sida. Se till att plattorna inte rör vid varandra.
I ett separat glas, lös upp två matskedar bordssalt i cirka två koppar varmt vatten. Häll saltlösningen i flaskan, fyll den ungefär ¾ full. Topparna på kopparplattorna ska ligga kvar ovanför vätskan, så att du kan fästa krokodilklämmor.
Ta cellen utomhus och placera den på en plan yta, rikta den oxiderade plattan mot direkt solljus. Anslut en multimeter till plattorna med krokodilklämmor. Ställ in mätaren på att läsa mikroampere (µA). I full sol bör mätaren registrera mellan 33µA och 50µA. Växla mätaren till spänningsläge; du bör observera cirka 0,25 V. Beräkna maximal effektutbyte:
P =V × I =0,25V × 0,00005A =0,0000125W, eller 12,5µW.
Solpaneler är uppsättningar av celler kopplade i serie, som adderar deras spänningar samtidigt som strömmen hålls konstant. För att bygga en enkel serieuppsättning, anslut den rena kopparplattan (anoden) från en flaskcell till den oxiderade plattan (katoden) på nästa cell med en tråd och krokodilklämmor. Mät spänningen över de återstående två fria plattorna; spänningen bör fördubblas till cirka 0,5 V. Varje extra cell i serie lägger till ytterligare 0,25 V. Genom att koppla ihop tillräckligt många celler kan du uppnå den spänning eller effekt som behövs för att ladda ett batteri eller driva en liten lysdiod.
• Hantera varma kopparplattor varsamt för att undvika brännskador.
• Använd isolerade krokodilklämmor för att förhindra kortslutning.
• När du skalar upp, överväg att använda en större behållare eller en mer robust elektrolyt för att förbättra effektiviteten.
