Các sinh viên sẽ học cách chế tạo một thiết bị quang hợp nhân tạo bằng công nghệ nano và các sắc tố thực vật để thu năng lượng mặt trời và chuyển nó thành điện năng. Mỗi Hoạt động chuẩn bị cho sinh viên cho Dự án thiết kế, trong đó họ được thử thách để tạo ra pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm hiệu quả nhất, sử dụng thuốc nhuộm thực vật và / hoặc trái cây, có khả năng cung cấp năng lượng cho một thiết bị điện tử.
Phần mở rộng toán học mới đề cập đến nhiều chủ đề toán học, được liên kết theo chủ đề hoặc từ khóa hoặc khái niệm với tài liệu được trình bày trong các hoạt động và dự án thiết kế. Chúng bao gồm mật độ và trọng lượng riêng của vật liệu, đường cong tăng trưởng (một mô hình đơn giản và hai mô hình phức tạp hơn), sóng và dữ liệu phổ điện từ (được đại diện bởi các bài toán kiểu NASA) và cuối cùng là các vấn đề về dòng điện và điện trở.
Khi các bài toán nâng cao hoặc đặc biệt khó được đưa vào, chúng sẽ được đánh dấu hoa thị (*) trong Mục lục.
Xem nhanh mô-đun
Hoạt động 1: Tìm hiểu quá trình quang hợp của đĩa thực vật
Học sinh nghiên cứu xem các bước sóng ánh sáng khác nhau ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ quang hợp ở lá cây. Họ đo lường sự gia tăng của các đĩa lá thực vật được ngâm trong dung dịch bicarbonate như là bằng chứng trực tiếp về các phản ứng phụ thuộc vào ánh sáng kèm theo sự phát triển của khí oxy.
Hoạt động 2: Tách
các sắc tố ở lá bằng sắc ký giấy Học sinh sử dụng sắc ký giấy để tách hỗn hợp sắc tố trong lá cây và tìm hiểu về các phần khác nhau của quang phổ mà chúng hấp thụ. Họ cũng kiểm tra cấu trúc hóa học của các chất màu và đưa ra dự đoán về tốc độ phân tách đối với dung môi đã cho.
Hoạt động 3: Đo hiệu suất của pin mặt trời
Học sinh xác định các đặc tính dòng điện và điện áp của pin mặt trời thương mại dựa trên silicon. Sau đó, họ sử dụng pin mặt trời để khám phá ý tưởng kết hợp điện trở bên trong để đạt được sự truyền điện tốt nhất từ pin mặt trời sang bóng đèn.
Hoạt động 4:
Chế tạo pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm (DSSC) Học sinh sử dụng các hạt nano và sắc tố rau hoặc quả để chế tạo pin mặt trời quang hợp nhân tạo để thu năng lượng ánh sáng và chuyển hóa thành điện năng. Họ cũng đo và so sánh các đặc tính dòng điện đầu ra và điện áp của các pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm được làm bằng hai loại thuốc nhuộm khác nhau.
Hoạt động trước khi thiết kế: Trò chơi thiết kế tế bào năng lượng mặt trời tương tác
Để xem xét các khái niệm làm việc của DSSC và tiền thân của dự án thiết kế, sinh viên sử dụng trò chơi học tập tương tác để đưa ra các quyết định thiết kế thực tế liên quan đến chi phí, loại thuốc nhuộm và quang phổ hấp thụ của chúng, độ dày của lớp phủ, nhằm tạo ra pin mặt trời tốt nhất có thể trong ngân sách tài trợ hạn chế.
Dự án thiết kế: Tối đa hóa sự hấp thụ năng lượng mặt trời trong DSSC
Học sinh được thử thách để xây dựng một bộ DSSC nguyên mẫu giúp tối đa hóa sự hấp thụ năng lượng ánh sáng. Để đáp ứng các tiêu chí cụ thể về hiệu suất, học sinh đưa ra một số lựa chọn liên quan đến việc thiết kế các nguyên mẫu của họ. Học sinh kiểm tra và đánh giá nguyên mẫu của họ và sau đó thiết kế lại nguyên mẫu để làm cho chúng hiệu quả hơn. Cuối cùng, học sinh hợp tác để tập hợp các DSSC tốt nhất của mình lại với nhau để chứng minh khả năng cung cấp năng lượng cho một thiết bị điện tử.
Kết nối với chương trình giảng dạy của bạn
Các mô-đun của Thế giới Vật liệu rất đơn giản để tổ chức và chạy không tốn kém. Chúng được thiết kế để dễ dàng kết hợp vào bất kỳ phòng thí nghiệm khoa học hoặc bài giảng khoa học cấp trung học cơ sở hoặc trung học phổ thông nào. Biểu đồ dưới đây liệt kê các chủ đề được đề cập trong các phần Hoạt động và Dự án Thiết kế của học phần này.
Hóa học
Địa chất và Khoa học Trái đất
|
Vật lý & Khoa học Vật lý
toán học
|
Sinh học và Khoa học Đời sống
Khoa học môi trường
Giáo dục Kỹ thuật
|
Tài nguyên
Dây nano oxit kẽm cho tế bào quang điện liên kết hàng loạt hữu cơ (cửa sổ bật lên)
Một áp phích nghiên cứu của Khoa Khoa học Vật liệu và Kỹ sư, Khoa Hóa học tại Đại học Norhtwestern. Tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ có cùng hiệu suất lý thuyết tối đa như tế bào mặt trời tiếp giáp pn nhưng việc sản xuất chúng đòi hỏi ít năng lượng hơn so với tế bào tiếp giáp pn truyền thống …