Universidad de Panam Facultad de Ciencias Naturales, Exactas y Tecnologa Escuela de Qumica Licenciatura en Tecnologa Qumica Industrial

Proyecto Experimental de Qumica General II 2162 Celda Solar de Lmina de Cobre

Presentado por: Edgar O. Huerta B. Cdula: 6-714-894

Facilitadores: Dr. Abdiel Aponte Mgr. Ritzela Lezcano

Segundo Semestre 2008.

OBJETIVOS GENERALES

Promover un sentimiento de independencia en los estudiantes del curso y evidenciar las habilidades adquiridas en el transcurso del ao.

Observar la inventiva e iniciativa que debe tener un cientfico para realizar un experimento.

Otorgar experiencia experimental a los estudiantes, pues deben presentar conclusiones y anlisis de los resultados obtenidos.

OBJETIVOS ESPECFICOS

Construir una Celda Solar utilizando lminas de Cobre, y probar su funcionamiento.

Explicar como acta un semiconductor con base en la teora de bandas.

JUSTIFICACIN

El desarrollo de un proyecto experimental traer una enseanza importante, que todos los estudiantes del grupo adquiriremos y pondremos en prctica posteriormente en los distintos cursos venideros.

Para esta experiencia se daba la libertad al estudiante de escoger su propio tema de investigacin a desarrollar, lo cual demanda involucrarse en el mismo a un nivel mucho mayor que con los experimentos realizados en las sesiones de laboratorio; debido a que el marco terico de los proyectos no necesariamente se estaba estudiando en clase, es necesario un estudio amplio sobre el tema escogido; ya que posteriormente se deba explicar ante los dems estudiantes y profesores, los resultados obtenidos y como se efectu el desarrollo del experimento.

Adicionalmente, todos los trabajos se deban realizar fuera de los horarios de laboratorio, debido a que era una actividad que no se contemplaba en el mismo. La utilizacin de los distintos laboratorios por los estudiantes sera coordinada por la Mgr. Ritzela Lezcano, quien es la profesora de laboratorio en el curso.

En bsqueda de ir desarrollando habilidades y destrezas en los estudiantes de Tecnologa Qumica Industrial, este es una excelente oportunidad para observar las cualidades que poseen y las que se deben mejorar, ya que se est a tiempo para realizar las modificaciones necesarias para que los egresados de esta carrera sean lo mas competentes posibles.

INTRODUCCIN

Una

celda solar tiene la capacidad de producir energa elctrica

utilizable a partir de la energa radiante del sol. Para este fin se utilizan materiales semiconductores como materia prima, pues stos poseen la capacidad de liberar electrones absorbiendo una pequea cantidad de energa.

Escog realizar una celda solar con el xido cuproso como material semiconductor, el cual lo obtendr a partir de la oxidacin de una lmina de cobre. Debido a que este experimento no se haba realizado con anterioridad de la Universidad, deba proceder con mucho cuidado porque solo posea 5 lminas de cobre, las cuales fueron proporcionadas por el Doctor Abdiel Aponte, quien adems me asesor en el desarrollo del proyecto.

Inicialmente se presentaron problemas para obtener el Cu2O, necesario para la confeccin de la celda. Adems, posterior a la construccin de la celda obtuve una solucin de composicin desconocida, a la cual realic distintas pruebas para determinar su naturaleza.

Debido a lo mencionado anteriormente este proyecto no solo se centra en la construccin de una celda solar, sino tambin en el anlisis realizado a

una solucin desconocida para determinas sus posibles componentes. Por tanto result un reto el desarrollo del mismo.

MARCO TERICO

Para comprender el funcionamiento de la celda solar, primero se debe entender la naturaleza de los materiales que la constituyen, en este caso un semiconductor (xido cuproso).

La teora de bandas explica la diferencia entre los materiales conductores, semiconductores y aislantes (no conductores). Primero se deben definir estos trminos: un material conductor es aquel en el cual la corriente elctrica fluye con dificultad, los metales son muy buenos conductores; un aslate conduce la electricidad de manera muy limitada, por lo tanto se considera un no conductor; los materiales semiconductores se encuentra en un estado intermedio entre los conductores y los aislantes, con respecto a la conduccin elctrica, su naturaleza conductora depende de los diversos aspectos entre los cuales se destaca la temperatura.

Para entender el comportamiento de estos materiales, se debe considerar que al formarse una estructura slida a partir de partculas formulares, se generan orbitales moleculares de enlace y de antienlace. Los electrones de las capas superiores (de valencia) se encuentran en los orbitales de enlace, a esta zona se le conoce como capa de valencia o banda de valencia, en esta rea los electrones se encuentran atrados por la carga nuclear y no se mueven libremente, para que esto ocurra los electrones deben ser excitados a niveles

energticos superiores, que son representados por los orbitales moleculares de antienlace.

Los electrones que se encuentran en esta rea, conocida como banda de conduccin, poseen la virtud de movilizarse libremente a travs de la superficie del material. Son estos electrones deslocalizados los que permiten el movimiento de carga (conduccin elctrica) en las distintas especies de materiales.

La diferencia entre un conductor, un semiconductor y un aislante, es la energa necesaria para que los electrones sean excitados hasta la banda de conduccin; cuanto mayor sea esta energa, menor la cantidad de electrones que alcancen niveles energticos superiores y menor la capacidad conductora del material. En esta zona de transicin energtica los electrones no se pueden ubicar debido a que no hay orbitales disponibles, por lo cual recibe el nombre de banda prohibida.

En la lmina 1 se encuentran representados los esquemas energticos de un material conductor, un semiconductor y un aislante, as como tambin la unidad de energa con la cual se mide la magnitud de la banda prohibida.

Lmina 1

Un electrn voltio (eV) es equivalente a la energa cintica que adquiere un electrn al ser acelerado por una deferencia de potencial de un voltio en el vaco. Este valor se obtiene experimentalmente, por lo cual no es una cantidad exacta; 1 eV 1,602176462x10-19 J. La energa que se debe aplicar para que los electrones de la banda de valencia, del xido cuproso, alcancen la banda de conduccin es de 2 eV. La lmina 2 refleja los valores energticos (kJ/mol) correspondientes a la transicin de una banda a otra, de los tres materiales en anlisis (conductores, semiconductores y aislantes).

Lmina 2

Para una comprensin ms clara har referencia sobre el carbono, el cual posee dos formas alotrpicas con caractersticas conductoras diferentes: el diamante (no conductor o aislante) y el grafito (conductor).

La diferencia entre ambos se encuentra en como estn distribuidos los tomos; en el diamante cada tomo carbono posee una geometra tetradrica (hibridacin sp3), lo que le confiere una gran dureza (la lmina 3 muestra desde dos perspectivas la estructura del diamante). El grafito por el contrario posee una hibridacin sp2, con lo cual su geometra es trigonal plana; la existencia de orbitares deslocalizados le otorga la caracterstica conductora

al grafito, permitiendo a los electrones que se encuentran en ellos moverse con relativa libertad. La lmina 4 ilustra la estructura del grafito.

Lmina 3

Lmina 4

Para concluir el anlisis, la lmina 5 expresa la relacin energtica entre los orbitales moleculares de enlace y antienlace entre el grafito y el diamante.

La lmina muestra con gran claridad la diferencia entre un material conductor y un no conductor.

Lmina 5

MATERIALES NECESARIOS

El material indispensable para este experimento son las lminas de cobre, las cuales me fueron proporcionadas por el Doctor Abdiel Aponte. Los dems materiales a utilizar son:

1. Sal de mesa (NaCl).2.

Un recipiente de boca ancha (preferiblemente de plstico).

3. Papel de lija. 4. Un multmetro. 5. Cables elctricos tipo caimn o cocodrilos (dos). 6. Una hornilla, mechero o algn otro dispositivo en el cual se pueda calentar la lmina de cobre a temperaturas elevadas. 7. Agua limpia.

PROCEDIMIENTOS A REALIZAR

Para la realizacin de este proyecto utilic recomendaciones que se encuentran publicadas en el internet; conforme avanc en el desarrollo del mismo deb realizar ciertas modificaciones. A continuacin muestro el procedimiento propuesto:

1. Se deben limpiar las lminas con papel de lija para eliminar la corrosin.2.

Una lmina deber ser oxidada utilizando una hornilla o un mechero. Se formar una capa obscura de xido cprico, la cual se debe eliminar para obtener el material semiconductor deseado (Cu2O).

3. Se debe limpiar otra lmina de cobre del mismo modo que la primera. 4. En el recipiente de boca ancha se preparar una solucin de cloruro de sodio, este proceso no se exige que sea cuantitativo, sino que la solucin posea un nivel de saturacin relativamente elevado.5.

Las dos lminas, la de cobre puro (Cu0) y la que se encuentra recubierta por xido cuproso, deben colocarse dentro del recipiente de boca ancha una frente a la otra, de tal forma que no exista contacto entre ellas. Con este proceso la celda solar se encuentra armada.

6. Para medir la eficiencia de la celda, se conecta a un multmetro por medio de cables tipo caimn; el cable negativo a la lmina de xido

cuproso y el positivo a la de cobre, de esta forma se mide la diferencia de potencial que producen los electrones liberados por la radiacin solar.

COMO FUCIONA LA CELDA SOLAR?

Como su nombre lo evidencia, la energa que se produce en la celda es generada por la energa solar que es absorbida por el xido cuproso. Por la accin de esta energa los electrones de la banda de valencia son excitados hasta la banda de conduccin.

Al estar en continuo movimiento, los electrones que se encuentran en la superficie del material semiconductor entran a la disolucin de cloruro de sodio y viajan a travs de la misma hasta la placa de Cu0, luego esta corriente de electrones pasa por el multmetro para medir su voltaje. Por ltimo los electrones regresan a la placa de Cu2O, con lo cual no se produce una prdida de electrones en este proceso.

Para explicar como los electrones son transportados de una placa a otra, es necesario analizar detalladamente cada componente de este proceso. En solucin se encuentran presentes especies cargadas: Cl- y Na+. Los electrones son partculas de carga negativa. Debido a que el Cl- ya posee una gran densidad de carga, para l es muy difcil el aceptar otro electrn; por lo cual los electrones son atrados hacia el catin en disolucin produciendo tomos de sodio.

Una vez determinado el aceptor de los electrones, es momento de encontrar un mecanismo para el transporte de los mismos. Debido a que hay muchas partculas cargadas en disolucin, la especie atmica es muy inestable y el electrn que haba adquirido es liberado a la solucin, posteriormente es

aceptado por otro ion sodio, el cual inicia nuevamente otro ciclo y as sucesivamente hasta que el electrn llegue a la lmina de Cu0. De este modo conclu que los electrones son transportados por los iones Na+.

Una vez conocido los procedimientos a realizar y los mecanismos que hacen funcionar la celda solar, es el momento de trabajar al laboratorio.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

Conocido el procedimiento a realizar, tom una lmina de cobre de aproximadamente 20 centmetros de largo y 15 centmetros de ancho (el tamao depende de el recipiente a utilizar). Para manipularla me lav las manos, evitando as la transmisin de grasa a la lmina; luego lij cuidadosamente la lmina para eliminar los rastros de corrosin.

Debido a que en los laboratorios de la Universidad no se encontraban hornillas del tamao de las lminas, proced a utilizar un mechero.

Para el proceso de oxidacin se recomendaba que la lmina estuviese expuesta a altas temperaturas por un periodo de 35 minutos aproximadamente. Siguiendo estas recomendaciones, tom la lmina de cobre con unas pinzas de metal y la coloqu sobre la llama del mechero procurando que el calentamiento fuese lo ms homogneo posible.

Transcurridos unos 40 minutos ya se haba formado una capa oscura (de xido cprico) aparentemente consistente, proced a retirar la lmina del mechero y a dejar que se enfriase hasta temperatura ambiente. Luego de este periodo me dirig a eliminar el recubrimiento con las manos, bajo un pequeo

chorro de agua. Sin embargo, no me fue posible la extraccin del xido antes mencionado.

Deb analizar el porqu de este resultado inesperado y qu hara para superar este inconveniente.

Para que se produzca la separacin de los xidos, la capa de CuO debe ser lo ms gruesa posible, por lo cual si esto no se logr en el ensayo inicial, para el prximo necesitara que el periodo de calentamiento fuese mayor y que el mismo se efectuase de lo mas uniforme posible.

En la segunda prueba utilic la misma lmina que en la ocasin anterior, la cual lij cuidadosamente. Obtuve diseos interesantes en la lmina producto de la expansin y contraccin de la misma, al calentarse y enfriarse (ver las lminas 6 y 7). En esta oportunidad utilic dos mecheros y calent por un periodo de 60 minutos; sin embargo los resultados fueron muy similares a los anteriores y solamente se desprendi una pequea parte del recubrimiento.

Con esta gran dificultad para obtener el xido cuproso, me dirig a solicitarle asesora sobre el tema al Dr. Aponte, quien me inform que en el laboratorio de Qumica Inorgnica posean una mufla que podra ayudarme en esta situacin.

Lmina 6

Lmina 7

Debido a que no conoca el funcionamiento de la mufla, deb investigar su mecanismo operacional. El modelo que se encontraba en el laboratorio tena la capacidad de calentar hasta una temperatura de 1100 C. Se programa digitalmente para que la temperatura ascienda escalonadamente hasta alcanzar la deseada.

Una vez comprendido el funcionamiento de la mufla, tom la misma pieza de cobre de las pruebas anteriores y la lij. Teniendo en cuenta que la llama del mechero Bunsen calienta hasta alrededor de 1000 C y que haba utilizado dos mecheros, decid que la temperatura mxima a alcanzar sea de 1000 C. A pesar de ser temperaturas similares, el calentamiento con los mecheros es mucho menos eficiente porque existe prdida de calor hacia los alrededores y el proceso de oxidacin es poco homogneo en comparacin con el que se efecta en la mufla.

Proced a introducir la lmina en la mufla y a programarla para que el calentamiento se efectuase como indica la tabla 1.

Tabla 1

Temperatura Alcanzada 500 C 800 C 1000 C

Periodo de Transicin 25 minutos 20 minutos 20 minutos

Tiempo Constante 5 minutos 5 minutos 10 minutos

Despus de este proceso esper que la temperatura dentro de la mufla disminuyese hasta que la extraccin de la lmina se pudiese efectuar sin riesgos a sufrir lesiones.

Luego de abrir la mufla proced a retirar cuidadosamente la lmina de su interior, para mi sorpresa, la consistencia de la lmina era demasiado frgil y ni siquiera poda retirarla de la mufla porque se fragmentaba. Esper unos minutos para que la temperatura de la lmina continuase bajando y logre retirar con mucho cuidado algunos pedazos de la lmina, los dems restos los extraje con una pequea brocha. Este material obtenido lo tritur con el mortero y guard.

Con el resultado obtenido en este ltimo ensayo, aprend una valiosa leccin: si se est probando un experimento es recomendable que se utilice una cantidad mnima de reactivos hasta encontrar una proporcin ptima, con el fin de gastar la menor cantidad de reactantes posibles.

Al adquirir esta experiencia, tom una pequea pieza de cobre (5 centmetros de largo y 3 centmetros de ancho) y la coloqu en la mufla, pero en esta oportunidad solo hasta los 500 C, para evitar resultados no deseados.

Pasado el periodo de calentamiento, proced a retirar la lmina de la mufla y esperar que se enfriase. Afortunadamente, la oxidacin se efectu de manera ptima y la capa de xido cprico se desprendi con facilidad, se apreciaba el xido cuproso rojizo. Al tener la temperatura a la cual se produce un calentamiento eficiente, tom otra lmina de cobre del mismo tamao que

la utilizada en la prueba inicial, y la prepar para colocarla en la mufla (la lav y lij). En esta ocasin program la mufla con los intervalos de temperaturatiempo que se muestran en la tabla 2.

Tabla 2

Temperatura a Alcanzar 400 C 450 C

Periodo de Transicin 25 minutos 15 minutos

Tiempo Constante 5 minutos 5 minutos

500 C

15 minutos

15 minutos

Una vez concluido el calentamiento, retir la lmina de la mufla e inmediatamente la capa cprica comenz a escamarse, pequeos fragmentos del recubrimiento volaron desprendidos de la lmina. Esto se debe a que por la elevacin de la temperatura la lmina se expande y, al sacarla de la mufla, por el cambio brusco de temperatura se contrae; pero de manera distinta a la del xido cprico, con lo cual ocurre una friccin entre los xidos (Cu2O y CuO) y se facilita la separacin del recubrimiento, hasta el punto que espontneamente se desprenda de la superficie de la lmina sin influencia externa.

Cuando la lmina alcanz la temperatura ambiente se apreciaba el material semiconductor tras la capa oscura. Coloqu la lmina bajo una suave corriente de agua y retir con facilidad el xido de cobre II que an quedaba

en la superficie de la misma. Lego de obtenido el semiconductor, proced a preparar la solucin de cloruro de sodio con 1500 mL de agua limpia (aproximadamente) y seis cucharadas de sal.

Tom otra lmina de cobre y la lij. Busqu el multmetro y los cables que serviran para conducir la corriente elctrica entre las lminas y el aparato antes mencionado.

Teniendo todos los componentes necesarios para construir la celda solar, proced a armarla como muestra la lmina 8; las dos lminas (de Cu2O y de Cu0), una frente a la otra sin tocarse, el cable que conecta a la terminal positiva en la lmina de cobre puro y el de la negativa a la de xido cuproso.

Lmina 8

En el momento de realizar la medicin no haba luz solar disponible para la celda (7:15 p.m.), sin embargo se liberan electrones a la disolucin en

menor proporcin que en presencia de la radiacin solar. Esto qued evidenciado cuando la lectura que obtuve esa noche fue de 11,0 voltios, luego dej la celda armada hasta el da siguiente y a las 10:00 a.m. la misma produjo 18 voltios; con lo que se aprecia el aumento en su eficiencia conforme se incrementa la energa que puede absorber.

RESULTADOS ADICIONALES

Culminada la fabricacin de la celda solar y medidos los niveles energticos producidos por la misma, dej las lminas dentro de la solucin salina en el laboratorio por el transcurso del fin de semana y al regresar el lunes me encontr con la sorpresa de que la solucin posea una coloracin verdosa. Proced a colocar esta solucin (de composicin desconocida) en un recipiente para analizarla y determinar sus posibles constituyentes, adems del porqu se efectu este suceso.

Primero tom parte de la solucin desconocida y la filtr, observando que la solucin filtrada es incolora debido a que en el papel filtro quedaron atrapadas las partculas que le brindaban coloracin a la disolucin.

Para separar las fases presentas en la disolucin original, centrifugu un pequeo volumen en dos tubos de ensayo. Los resultados se muestran en las lminas 9 y 10; en donde observ que efectivamente hay una sal en disolucin de color verdoso.

Lmina 9

Lmina 10

En busca de identificar el posible compuesto formado, enumer las sustancias que se pudiesen encontrar en la disolucin: del cloruro de sodio se encuentra Na+ y Cl-, el nico otro componente que conform la celda solar y puede entrar a la disolucin son cationes de cobre, Cu+ Cu2+.

Las posibles sales de cobre que se pueden formar son: CuCl (verde) y CuCl2 (azl). Es conocido que la forma ms estable de un catin es la que posee la valencia o nmero de oxidacin ms alto, en este caso el cloruro de cobre II. Sin embargo la solucin en estudio tena una coloracin verdosa, pero no en su totalidad (era una mezcla de colores verde y azul, en la cual predomin el ltimamente mencionado). Con bese en estas observaciones y datos meramente cuantitativos, puedo concluir que en la disolucin desconocida hay una mezcla de sales de cobre, en la que en el estado de equilibrio, predomina el cloruro cuproso (sin descartar el NaCl ya existente).

Para realizar estudios adicionales coloqu en una cpsula de porcelana un pequeo volumen de la solucin no filtrada y proced a evaporarla para observar con ms claridad las sales presentes. Como resultado obtuve la sal verde de CuCl y el NaCl de color blanco, esto se aprecia en la lmina 11.

Lmina 11

Debido a que los hidrxidos de cobre son puy poco solubles: KpsCuOH = 1x10-7 y KpsCu(OH) = 1,6x10-19; decid agregar en un matraz Erlenmeyer de 2502

mL, 15 mililitros de la solucin no filtrada y 15 de la filtrada en otro matraz de igual volumen. Aad a cada uno un exceso de hidrxido de sodio 3 M (15 gotas) e inmediatamente se form un precipitado en el primer Erlenmeyer (lminas 12 y 13), mientras que en el segundo no observ indicios de algn soluto insoluble (lamina 14). Para culminar definitivamente con mi proyecto experimental; este ltimo procedimiento confirmo la presencia de iones cobre en la disolucin, los cuales ingresaron a la misma por la prolongada exposicin de las lminas a la solucin salina original (NaCl).

Lmina 12

Lmina 13

Lmina 14

CONCLUSIN

Desarrollando este proyecto encontr valiosas enseanzas que me ayudan a concluir sobre esta experiencia. En la etapa de construccin de la celda solar, qued en evidencia la importancia de obtener productos con el mayor estado de pureza posible; pues la capa de xido cprico no se desprenda de la lmina a menos que la misma fuese muy gruesa y consistente. Igualmente, para que todos los trabajos realizados en laboratorios tengan un mayor porcentaje de rendimiento, se deben efectuar con la mayor higiene y cuidado posible; tuve mucha precaucin en no frotar con fuerza la lmina al retirar el xido cprico porque poda daar el frgil recubrimiento de Cu2O.

No se debe dar por concluida una labor hasta verificar que las reacciones o procesos a observar hayan concluido definitivamente; cuando termin la construccin de la celda solar surgi una nueva incgnita sobre la naturaleza de los componentes que se encontraban en la disolucin desconocida. Un buen cientfico nunca finaliza una experiencia con dudas sobre las observaciones y resultados obtenidos; por ello me vi motivado a identificar las especies presentes en la solucin por medio de aproximaciones cualitativas (debido a que esta situacin result inesperada).

En resumes, este proyecto me ha ayudado en el mejoramiento de mis habilidades en el laboratorio; adems, aprend valiosas normas que debo

seguir para obtener resultados confiables y con el menor porcentaje de error posible.

RECOMENDACIONES

Con respecto a la asignacin de un proyecto experimental a los estudiantes de primer ao, debo sealar que es una excelente oportunidad para demostrar los conocimientos adquiridos y seguir desarrollando la mentalidad cientfica en los alumnos.

Exhorto que este tipo de actividades sigan realizndose, ya que he aprendido mucho de la misma. La colaboracin de mis compaeros fue muy importante; este es otro aspecto que fortaleci la realizacin de este proyecto: el compaerismo.

Con respecto a la construccin de una celda solar con lminas de cobre, como pude percatarme, la oxidacin de la lmina se debe efectuar con la mayor homogeneidad y eficiencia (menor prdida de calor) posible. En los laboratorios el instrumento que mejor hace este trabajo es la mufla. Los mecheros consumen una gran cantidad de gas debido al extenso periodo de calentamiento y parte considerable del calor producido no es absorbido por la lmina.

El recubrimiento de CuO se debe remover con el mayor cuidado posible para no daar la delicada capa semiconductor.

Debido a que las lminas se corroen con rapidez, la presencia del Cu2O es corta y por tanto la vida til de la celda. Para prximos trabajos sera de gran avance el crear una forma de prolongar su funcionamiento.

BIBLIOGRAFA

BROWN, Theodore. QUMICA, la ciencia central. 9a ed. Mxico, Prentice-Hall. 2004. Raymond CHANG. QUMICA, 9a ed. Mxico, McGraw-Hill, S.A. 2007.

American Chemical Society. QUMICA: Un Proyecto de la American Chemical Society. Espaa. Editorial Revert. 2005.

http://www.nuevaalejandria.com/archivoscurriculares/ciencias/nota-020.htm.

http://www.cienciafacil.com/celdasol.html

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http://personales.upv.es/jquiles/prffi/semi/ayuda/hlpbandas.htm

http://www.utim.edu.mx/~navarrof/Docencia/QuimicaAnalitica/MatAu xiliar/tablaskps.htm