ogniwa fotowoltaiczne
ogniwo fotowoltaiczne jest urządzeniem, które wytwarza prąd elektryczny z energii uwalnianej przez spontaniczną reakcję redoks w dwóch półkomórkach.
cele nauki
Przypomnijmy, że redukcja następuje na katodzie, a utlenianie na anodzie w ogniwie fotowoltaicznym
kluczowe wnioski
kluczowe punkty
- utlenianie opisuje utratę elektronów przez cząsteczkę, atom lub jon.
- redukcja opisuje przyrost elektronów przez cząsteczkę, atom lub jon.
- elektrony zawsze przepływają z anody do katody.
- półkomórki są połączone mostkiem solnym, który umożliwia jony w roztworze przemieszczanie się z jednej półkomórki do drugiej, dzięki czemu reakcja może być kontynuowana.
kluczowe terminy
- redoks: odwracalna reakcja chemiczna, w której jedna reakcja jest utlenianiem, a odwrotna jest redukcją.
- półkomórka: jedna z dwóch części ogniwa elektrochemicznego zawierającego elektrodę i elektrolit.
- ogniwo fotowoltaiczne: Ogniwo, takie jak akumulator, w którym nieodwracalna reakcja chemiczna generuje energię elektryczną; ogniwo, które nie może być naładowane.
ogniwo elektrochemiczne to urządzenie, które wytwarza prąd elektryczny z energii uwolnionej w wyniku spontanicznej reakcji redoks. Ten rodzaj komórki obejmuje ogniwo galwaniczne lub voltaiczne, nazwane na cześć Luigiego Galvaniego i Alessandro Volty. Naukowcy ci przeprowadzili kilka eksperymentów dotyczących reakcji chemicznych i prądu elektrycznego pod koniec XVIII wieku.
ogniwa elektrochemiczne mają dwie elektrody przewodzące, zwane anodą i katodą. Anodę definiuje się jako elektrodę, w której zachodzi utlenianie. Katoda jest elektrodą, w której następuje redukcja. Elektrody mogą być wykonane z dowolnych materiałów przewodzących, takich jak metale, Półprzewodniki, grafit, a nawet polimery przewodzące. Pomiędzy tymi elektrodami znajduje się elektrolit, który zawiera jony, które mogą się swobodnie poruszać.
ogniwo fotowoltaiczne wykorzystuje dwie różne metalowe elektrody, każda w roztworze elektrolitu. Anoda ulegnie utlenieniu, a katoda ulegnie redukcji. Metal anody utleni się, przechodząc ze stanu utleniania 0 (w postaci stałej) do dodatniego stanu utleniania, i stanie się Jonem. Na katodzie jon metalu w roztworze przyjmie jeden lub więcej elektronów z katody, a stan utleniania jonu zmniejszy się do 0. Tworzy to stały metal, który osadza się na katodzie. Obie elektrody muszą być połączone elektrycznie ze sobą, umożliwiając przepływ elektronów, które opuszczają metal anody i przepływają przez to połączenie z jonami na powierzchni katody. Ten przepływ elektronów jest prąd elektryczny, który może być używany do pracy, takich jak włączyć silnik lub zasilania światła.
przykładowa reakcja
zasadą działania ogniwa fotowoltaicznego jest jednoczesna reakcja utleniania i redukcji, zwana reakcją redoks. Reakcja redoks składa się z dwóch pół-reakcji. W typowym ogniwie voltaicznym parą redoks jest miedź i cynk, reprezentowane w następujących reakcjach półkomórkowych:
elektroda cynkowa (anoda): ZN(s) → Zn2 + (aq) + 2 e –
elektroda miedziana (katoda): Cu2+(aq) + 2 E – → Cu (s)
komórki zbudowane są w oddzielnych zlewkach. Elektrody metalowe są zanurzone w roztworach elektrolitu. Każda półkomórka jest połączona mostkiem solnym, który umożliwia swobodny transport gatunków jonowych między dwiema komórkami. Po zakończeniu obwodu prąd płynie, a ogniwo „wytwarza” energię elektryczną.
ogniwo galwaniczne lub fotowoltaiczne: ogniwo składa się z dwóch półkomórek połączonych mostkiem solnym lub przepuszczalną błoną. Elektrody są zanurzone w roztworach elektrolitu i połączone za pomocą obciążenia elektrycznego.
Miedź łatwo utlenia cynk; anodą jest cynk, a katodą jest miedź. Aniony w roztworach są siarczanami odpowiednich metali. Gdy urządzenie przewodzące prąd elektryczny łączy elektrody, reakcja elektrochemiczna jest następująca:
Zn + Cu2+ → Zn2+ + cu