Q1.  Write illustrated notes on TWO of the following:

(a)    Write the general equation for the cell voltage of a typical battery that illustrate the influence of the standard electrode potential of each reaction and the IR drop. Explain the polarization curve that results from this equation. Include the appropriateness of using reference electrodes to study the half-cell reactions and indicate how  the  potential  they  measure,  relates  to  the  overall  cell voltage. What are the typical reference electrodes that can be used to measure the potential of the half-cell reactions and how do they relate to the standard hydrogen reference electrode?

(b)    In  a  typical   hydrogen/air  fuel  cell,  describe  the  cell  and   its components as well as the operational parameters. State clearly any  advantages  and  disadvantages  and  the  importance  of hydrogen.

(c)    what is the meaning of the Nernst-Planck equation? Describe the significance  of  each  term   in  the  equation   in  relation  to  the transport  of  ions  through   an  ion  exchange  membrane.  Use diagrams to illustrate.

Your  answer  should  include  sketches,  reactions  and  mathematical expressions, where appropriate. [2 × 12.5 Marks]

Q2.  Answer ALL parts of this question.

(a)    Describe the key features of a redox flow battery. Include in your description   examples   of   fully    balanced   equations   for   the reactions taking place at the electrodes. [5 Marks]

(b)    What  are  the  major  requirements  of  the  electrodes  and  ion exchange membrane in a redox flow cell? [5 Marks]

Q4.  Answer ALL parts of this question.

(a)    A beam of light at a wavelength of 600 nm, with a spectral width of 5 nm and spectral irradiance of 1200 W m-2  μm-1 , illuminates an area of 10 cm2 .

(i)     What voltage could this beam generate if converted to electricity? [3 Marks]

(ii)     What current could this beam produce? [6 Marks]

(b)    Figure   1   (on   the  following   page)  shows  the  graph  of  the maximum  current  density  that  can  be  generated  by  a  single- junction solar cell as a function of the semiconductor bandgap, under illumination with the standard solar spectrum. Using this graph,  determine  the   maximum   conversion   efficiency   of  a crystalline silicon solar cell. [6 Marks]

(c)    Using the graph in Fig. 1, determine the maximum efficiency of a double-junction  solar  cell  manufactured  from   semiconductors with bandgaps of 1 eV and 2 eV. [6 Marks]

(d)    Describe  briefly  how  the  following  changes  would  affect  the parameters of the current-voltage characteristic of a solar cell:

(i)     Reduction in quantum efficiency

(ii)     Increase in series resistance [4 Marks]

Bandgap of crystalline silicon = 1.12 eV

Wherever appropriate, use a fill factor equal to 0.85.

Figure 1

Q5.  Answer ALL parts of this question.

(a)    Describe the principal steps in the manufacture of a crystalline silicon solar cell. [17 marks]

(b)    A  15% efficient solar cell is manufactured from a 350  μm thick silicon wafer. Assuming 200 μm kerfloss in wafering, what is the silicon usage (in grams per Wp) in the cell manufacture? [ 5 marks]

(c)    Compare and contrast a typical crystalline silicon solar cell with a typical cadmium telluride solar cell with respect to:

(i)     Efficiency

(ii)    Amount of material used in manufacture [ 3 marks]

Silicon density = 2.33 g/cm3