Nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO2 có cấu trúc nano ứng dụng trong pin mặt trời

  • Số trang: 76 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 39 |
  • Lượt tải: 0
tailieuonline

Đã đăng 27670 tài liệu

Mô tả:

Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------o0o------------- Trịnh Thị Thoa NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TiO2 CÓ CẤU TRÚC NANO ỨNG DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2012 1 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------o0o------------- Trịnh Thị Thoa NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TiO2 CÓ CẤU TRÚC NANO ỨNG DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60 44 07 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Thị Thục Hiền Hà Nội - Năm 2012 2 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Dang mục các bảng và hình vẽ MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................. 4 1.1. Pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng ......................................................... 4 1.1.1. Giới thiệu về pin mặt trời ......................................................................... 4 1.1.2. Pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng (DSSC) .................................. 15 1.1.2.1. Cấu trúc của DSSC ............................................................................... 5 1.1.2.2. Cơ chế hoạt động của DSSC ................................................................. 17 1.1.2.3. Hiệu suất của pin mặt trời ..................................................................... 19 1.2. Vật liệu nano Titanium Dioxide (TiO2) ........................................................... 12 1.2.1. Titanium (Ti) và Titanium Dioxide (TiO2) .............................................. 22 1.2.2. Cấu trúc tinh thể của TiO2........................................................................ 23 1.2.3. Tính chất và ứng dụng của TiO2 .............................................................. 25 1.2.4. Các hình thái của TiO2 ............................................................................. 28 1.3. Một số phương pháp chế tạo vật liệu TiO2 dạng ống ....................................... 31 1.3.1. Phương pháp dùng khuôn trực tiếp (template-directed) .......................... 32 1.3.2. Phương pháp Sol-Gel ............................................................................... 34 1.3.3. Phương pháp quay tạo sợi bằng điện (Electro–spinning) ....................... 35 1.3.4. Phương pháp ăn mòn điện hóa (electrical anodization) ........................... 37 Chương 2: THỰC NGHIỆM......................................................................................... 42 2.1. Chế tạo mẫu ...................................................................................................... 42 2.2. Các kĩ thuật đo và khảo sát tính chất của vật liệu TiO2 .................................... 44 2.2.1. Kỹ thuật hiển vi điện tử quét SEM .......................................................... 44 3 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa 2.2.2. Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X .............................................. 48 2.2.3. Phép đo nhiễu xạ XRD............................................................................. 48 2.2.4. Phương pháp phổ tán xạ Raman .............................................................. 50 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................... 52 3.1. Hình ảnh bề mặt SEM ...................................................................................... 52 3.1.1. Sự phụ thuộc vào tỉ lệ thành phần hóa chất trong dung dịch điện phân ......... 52 3.1.2. Sự phụ thuộc vào tỉ lệ thể tích nước ........................................................ 56 3.1.3. Sự phụ thuộc vào điện thế ........................................................................ Error! Boo 3.1.4. Sự phụ thuộc vào thời gian ...................................................................... 58 3.1.5. Sự phụ thuộc vào chế độ ủ ....................................................................... 62 3.2. Phổ EDS ........................................................................................................... 63 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X ...................................................................................... 65 3.4. Phổ Raman ........................................................................................................ 58 3.5. Cường độ dòng điện phân................................................................................. 71 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 74 4 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên hình vẽ Số hiệu Trang hình vẽ 1.1 Cấu trúc của pin DSS 5 1.2 Cấu trúc của N3 6 1.3 Hai chế độ chiếu sáng cho pin mặt trời: (a) chế độ chiếu sáng phía 7 sau; (b) chế độ chiếu sáng phía trước 1.4 Cơ chế hoạt động của DSSC 7 1.5 Đường đặc trưng Von – Ampe của pin 10 1.6 Hiệu suất tổng thể của pin mặt trời 11 1.7 Ti tồn tại trong tự nhiên và lá Ti sau khi được bào nhẵn bề mặt 12 1.8 Bột TiO2 sau khi được nghiền từ các khoáng chất trong tự nhiên 13 1.9 Cấu trúc tinh thể của TiO2 với 3 dạng thù hình: Anatase, Rutil, 14 Brookite 1.10 Vị trí vùng cấm của các chất bán dẫn khác nhau 14 1.11 Biểu đồ mô tả ứng dụng của TiO2 trên thế giới năm 2007 18 1.12 Minh họa sự tương tác giữa các photon với các phân tử chất màu khi 20 TiO2 tồn tại ở dạng bột và dạng ống 1.13 Minh họa sự dịch chuyển điện tử trong vật liệu TiO2 để tới điện cực 21 khi TiO2 tồn tại ở dạng bột và dạng ống 1.14 Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO2 22 1.15 Quá trình chế tạo vật liệu nano TiO2 dạng ống bằng phương pháp 23 dùng khuôn trực tiếp 1.16 Minh họa mẫu loại p và mẫu loại n 23 1.17 Ảnh Scanning electron microscope (SEM) của ống nano TiO2 được 24 chế tạo bằng phương pháp dùng khuôn trực tiếp 1.18 Ảnh SEM (a) và ảnh TEM (b) của ống nano TiO2 được chế tạo bằng phương pháp Sol – Gel 5 25 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn 1.19 Trịnh Thị Thoa Phương pháp Electro – Spining trong việc chế tạo:(a) sợi nano và (b) 26 ống nano 1.20 Ảnh SEM của ống nano TiO2 được chế tạo bằng phương pháp Electro 26 – Spinning 1.21 Ảnh SEM của mảng ống nano nhôm oxit (a) và cấu trúc 3 chiều của 27 mảng ống nano (b) 1.22 Quá trình ăn mòn điện hóa 2 điện cực 28 1.23 Sơ đồ mô tả sự hình thành ống nano TiO2: (a) bề dày của Ti đóng vai 30 trò như một lớp rào chắn, (b) quá trình ăn mòn lớp oxit trên Ti, (c) sự hình thành cấu trúc wormlike trên đế Ti, (d) hình thành trật tự cấu trúc trên Ti, (e) sự hình thành ống nano với trật tự cấu trúc cao 2.1 Mô hình hệ thực nghiệm 34 2.2 Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét (SEM) 35 2.3 Tương tác của chùm tia điện tử với vật liệu 36 2.4 Kính hiển vi điện tử quét JSM 5410 LV 37 2.5 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Hitachi S-4800 37 2.6 Sơ đồ nhiễu xạ tia X từ một số hữu hạn các mặt tinh thể 39 2.7 Thiết bị nhiễu xạ tia X, D5005 – Bruker, Siemens 40 2.8 Nhiễu xạ tia X góc nhỏ 40 3.1 Ảnh SEM của mẫu A1.1.60.8, A15.1.60.8, A25.1.60.8 phụ thuộc vào 43 sự thay đổi nồng độ NH4F so với C2H6O2: a) 0,1% ( A1.1.60.8), b) 0,15% (A15.1.60.8), c) 0,25% (A25.1.60.8) 3.2 Ảnh SEM của mẫu A25.1.60.8, A25.2.60.8, A25.3.60.8 phụ thuộc vào 45 tỉ lệ VH2O so với C2H6O2: a) % VH2O = 1% (Mẫu A25.1.60.8) b) % VH2O = 2% (Mẫu A25.2.60.8), c) % VH2O = 3% (Mẫu A25.3.60.8) 3.3 Ảnh SEM của mẫu A25.1.40.8, A25.1.50.8, A25.1.60.8 phụ thuộc vào 47 điện thế: a) U = 40V (Mẫu A25.1.40.8), 48 b) U = 50 V (Mẫu A25.1.50.8), c) U = 60 V (Mẫu A25.1.60.8) 6 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn 3.4 Trịnh Thị Thoa Ảnh SEM của mẫu A25.1.60.8, A25.1.60.12, A25.1.60.15 phụ thuộc 51 vào thời gian ăn mòn điện hóa: a) 8h (Mẫu A25.1.60.8), b) 12h (Mẫu A25.1.60.12), c) 15h (Mẫu A25.1.60.15) 3.5 Ảnh chụp chiều dài của ống nano mẫu A25.1.60.12 và mẫu 53 A25.1.60.15 3.6 Ảnh SEM của mẫu A25.1.60.12: (a) Không ủ mẫu, (b) Ủ mẫu ở nhiệt 54 độ 350oC trong thời gian 20 phút. 3.7 Phổ EDS của mẫu A25.1.60.12 trước (a) và sau khi ủ (b) 55 3.8 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu A25.1.60.12 trước khi ủ 56 3.9 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu A25.1.60.12 sau khi ủ 58 3.10 Phổ Raman của mẫu A25.1.60.12 trước khi ủ 60 3.11 Phổ tán xạ Raman của mẫu A25.1.60.12 sau khi ủ 61 3.12 Đồ thị mật độ dòng điện phân theo thời gian của mẫu A25.1.60.8 62 7 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng biểu Số hiệu Trang bảng 1.1 Một số tính chất vật lý của tinh thể TiO2 15 3.1 Chế độ tiến hành thí nghiệm để khảo sát hình thái của cấu trúc 43 ống nano TiO2 phụ thuộc vào tỉ lệ thành phần hóa chất trong dung dịch điện phân 3.2 Chế độ tiến hành thí nghiệm để khảo sát hình thái của cấu trúc 44 ống nano TiO2 phụ thuộc vào tỉ lệ thể tích nước 3.3 Chế độ tiến hành thí nghiệm để khảo sát hình thái của cấu trúc 47 ống nano TiO2 phụ thuộc vào điện thế ăn mòn điện hóa 3.4 Chế độ tiến hành thí nghiệm để khảo sát hình thái của cấu trúc 49 ống nano TiO2 phụ thuộc vào thời gian ăn mòn điện hóa 3.5 Các đỉnh phổ tương ứng với các mode dao động tích cực Raman của pha tinh thể TiO2 anatase 8 59 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU 1. Các chữ viết tắt DSSC : Dye Sensitized Solar Cell EDS : Phổ tán sắc năng lượng tia X FESEM : Hiển vi điện tử quét phát xạ trường FTO : Fluorit Tin Oxide ITO : Indium Tin Oxide NOSC : Nano Organic Solar Cell SEM : Scanning electron microscope TCO : Transparent Conductive Oxide TEM : Transmission Electron Microscope 2. Các ký hiệu I-/I3- : iodide/triiodide VOC : điện thế mạch hở JSC : dòng điện ngắn mạch Vmax : điện thế cực đại Jmax : dòng điện cực đại Pmax : công suất cực đại Pin : công suất chiếu tới FF : Hệ số điền đầy η : hiệu suất của pin mặt trời LHE : hiệu suất thu ánh sáng фinj : hiệu suất tiêm điện tử ηc : hiệu suất thu điện tích θ : góc nhiễu xạ λ : bước sóng dhkl : khoảng cách giữa các mặt phẳng phản xạ liên tiếp 9 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa h, k, l : các chỉ số Miller n : bậc nhiễu xạ 3. Một số thuật ngữ được dịch từ tiếng Anh sử dụng trong luận văn Charge Collection Efficiency : Hiệu suất thu điện tích Dye Sensitized Solar Cell : Pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng Electrical Anodization : Ăn mòn điện hóa Electron Injection Efficiency : Hiệu suất tiêm điện tử Electro – Spining : Quay tạo sợi bằng điện Light Harvesting Efficiency : Hiệu suất thu ánh sáng Nano Organic Solar Cell : Pin mặt trời hữu cơ nano Template – Directed : Dùng khuân trực tiếp 10 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa MỞ ĐẦU Năng lượng là một vấn đề được cả thế giới quan tâm khi nhu cầu sử dụng năng lượng của thế giới ngày càng tăng (khoảng 1020 -1021 Joule mỗi năm), thế giới đang đứng trước nguy cơ thiếu năng lượng trầm trọng. Các nguồn năng lượng hoá thạch như than đá và dầu mỏ đang dần cạn kiệt. Nguồn năng lượng hạt nhân chứa đựng nhiều hiểm họa khó lường (thảm hoạ hạt nhân Chernobyl, Ucraina 4/1986, và mới đây 3/2011 thảm hoạ hạt nhân Fukushima, Nhật bản). Nguồn năng lượng thuỷ điện không ổn định và phụ thuộc vào thiên nhiên với nhiều biến động. Trong tất cả các nguồn năng lượng đang tìm kiếm thì năng lượng ánh sáng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng vô tận. Ước tính mỗi năm năng lượng này chiếm khoảng 3,9 triệu exajoule (3,9×1024J) và không gây ô nhiễm môi trường. Trong nhiều năm qua nguồn năng lượng mặt trời đã được sử dụng, nhưng chỉ chiếm một tỷ phần rất nhỏ (chưa đến 1%) trong tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới. Việc tìm kiếm công nghệ thích hợp để sử dụng hiệu quả năng lượng mặt trời và tách hydro từ nước đã thôi thúc các nhà khoa học và công nghệ trong nhiều thập kỷ qua. Hàng năm, Trái đất nhận được nguồn năng lượng mặt trời vào khoảng 3.1024 J, nhiều hơn khoảng 10000 nhu cầu năng lượng của con người hiện tại. Tuy mặt trời cung cấp cho bề mặt trái đất một lượng năng lượng khổng lồ nhưng chỉ một phần rất nhỏ trong số này được sử dụng hữu ích. Công nghệ khai thác năng lượng mặt trời có thể được chia thành công nghệ thụ động hoặc công nghệ tích cực, tùy thuộc vào cách chúng ta nắm bắt, chuyển đổi và phân phối năng lượng. Công nghệ thụ động tiêu biểu là việc thiết kế và lựa chọn vật liệu cho các công trình kiến trúc, nhà ở để phân phối ánh sáng ban ngày, sưởi ấm và lưu thông không khí. Trong khi công nghệ thụ động tìm cách sử dụng trực tiếp nguồn sáng và nhiệt từ mặt trời thì công nghệ tích cực tìm cách chuyển đổi chúng thành các dạng năng lượng khác thuận tiện hơn cho việc sử dụng. Công nghệ tích cực phổ biến nhất hiện nay là điện mặt trời, sử dụng trực tiếp nhiệt năng hoặc các tế bào quang điện (pin mặt trời) cho việc chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng. Những phát minh gần đây về pin 11 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng (DSSC) đã mở ra một triển vọng mới cho nhân loại về việc sử dụng năng lượng mặt trời một cách hiệu quả. Tuy nhiên pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng có hiệu suất còn thấp, và vấn đề mà các nhà khoa học quan tâm là làm thế nào để cải thiện hiệu suất của pin mặt trời. TiO2 là vật liệu được chú trọng và nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới. TiO2 là một oxit kim loại bán dẫn chuyển tiếp điển hình với tính chất hóa học ổn định, không độc tính, hoạt tính xúc tác quang học mạnh mẽ và hiệu suất chuyển đổi quang điện cao. Những tính chất vật lý và hóa học độc đáo của TiO2 làm cho nó trở thành vật liệu tuyệt vời trong việc khai chuyển đổi ánh sáng một cách hiệu quả và được coi là vật liệu điện cực catôt nổi bật trong pin mặt trời. Trong số các hình thái khác nhau của vật liệu này, các ống nano TiO2 đã được quan tâm rất nhiều trong thập kỷ vừa qua. Các nghiên cứu gần đây đã sử dụng ống nano TiO2 trong các pin mặt trời polymer và các pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng (DSSC). Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, khi sử dụng các ống nano TiO2 hiệu suất của pin mặt trời tăng lên so với khi sử dụng các hạt nano TiO2. Các ống nano TiO2 giúp rút ngắn thời gian vận chuyển của điện tử trong pin mặt trời bằng cách tạo ra con đường trực tiếp đẩy nhanh tốc độ truyền điện tích tới điện cực. Hiện nay trên toàn thế giới đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu và chế tạo vật liệu nano TiO2 dạng ống với các phương pháp khác nhau. Một trong những phương pháp được sử dụng để chế tạo các ống nano TiO2 là phương pháp ăn mòn điện hóa. Đây là một phương pháp khá đơn giản, thuận tiện có thể dễ dàng thực hiện được với điều kiện thực nghiệm ở nước ta. Các ống nano TiO2 được chế tạo từ phương pháp này có trật tự cấu trúc cao, các ống định hướng một cách thẳng hàng, vuông góc với chất nền, bề mặt ống bằng phẳng giúp cho quá trình dịch chuyển của điện tử được dễ dàng và từ đó làm tăng hiệu suất của pin mặt trời. Do đó đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO2 có cấu trúc nano ứng dụng trong pin mặt trời” đã được lựa chọn cho nội dung luận văn.  Đối tượng nghiên cứu của luận văn: Vật liệu nano TiO2 với hình thái dạng ống. 12 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa  Mục tiêu của luận văn: Chế tạo thành công vật liệu nano TiO2 với hình thái dạng ống bằng phương pháp ăn mòn điện hóa. Nghiên cứu sự phụ thuộc của các yếu tố trong quá trình ăn mòn điện hóa tới các thông số về hình thái bề mặt, chiều dài, đường kính và bề dày thành ống.  Phương pháp nghiên cứu: Luận văn được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm.  Bố cục của luận văn: Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương Chương 1. Tổng quan Giới thiệu tổng quan về pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng, vật liệu nano TiO2 và một số các phương pháp để chế tạo vật liệu nano TiO2 với hình thái dạng ống. Trong đó trình bày chi tiết về vật liệu TiO2 và phương pháp ăn mòn điện hóa để chế tạo loại vật liệu này. Chương 2. Thực nghiệm Chương này tập trung trình bày về phương pháp tiến hành thực nghiệm, khảo sát sự phụ thuộc của điều kiện ăn mòn điện hóa tới quá trình hình thành ống nano. Đồng thời cũng trình bày tóm tắt các phương pháp phân tích, khảo sát tính chất đã thực hiện để phân tích pha tinh thể và tính chất của mẫu đã chế tạo. Chương 3. Kết quả và thảo luận Tập trung trình bày các kết quả thu được từ thực nghiệm, thảo luận và đánh giá các kết quả thu được. 13 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng 1.1.1. Giới thiệu về pin mặt trời Pin mặt trời là thiết bị biến đổi quang điện sử dụng phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời thành năng lượng điện. Pin mặt trời được nghiên cứu và phát triển rực rỡ trong thập kỷ 90 là pin mặt trời vô cơ. Tuy nhiên pin mặt trời vô cơ có nhiều vấn đề bất cập như: quy trình chế tạo pin (do phải sản xuất Silic sạch) và quy trình tạo panel pin hoàn chỉnh khá là tốn kém. Đến năm 1986, khi C.tang của Eastman Kodak phát minh ra pin mặt trời hữu cơ trên cơ sở hỗn hợp của Copper Phtalocyanine (CuPc) và Perylene tetracarboxtlic derivation với hiệu suất chuyển hóa trên 1% thì pin mặt trời hữu cơ đã mở ra triển vọng mới trong việc ứng dụng vào trong đời sống. Sau đó là một loạt công trình khoa học và phát minh sáng chế về pin mặt trời hữu cơ nano (NOSC). So với pin mặt trời vô cơ, pin mặt trời hữu cơ nano có những ưu điểm: - Công nghệ đơn giản, có khả năng tạo tấm lớn - Tính mềm dẻo, trong suốt - Dễ biến tính, có độ linh động cao - Nhẹ và giá thành thấp Từ năm 1990, cùng với sự phát triển công nghệ nano, các nhà khoa học đã có thể chế tạo vật liệu hữu cơ, vật liệu lai có cấu trúc nano, màng mỏng nano, mở ra triển vọng chế tạo pin mặt trời hữu cơ có cấu trúc nano với hiệu suất chuyển hóa cao, có thể áp dụng trong mọi ngành kinh tế quốc dân, trong mọi địa hình và hoàn cảnh môi trường. Trong phạm vi luận văn này, chúng tôi tập trung nghiên cứu và chế tạo vật liệu nano Titanium Dioxide (TiO2) có cấu trúc dạng ống ứng dụng cho pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng (Dye Sensitized Solar Cell: DSSC). 14 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa 1.1.2. Pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng (DSSC) 1.1.2.1. Cấu trúc của DSSC Cấu trúc của một DSSC được chỉ ra trong hình 1.1. DSSC gồm có lớp chất màu được hấp phụ lên một lớp nano TiO2 và một lớp chất điện ly nằm gọn trong hai tấm kính được phủ một lớp dẫn điện [10]. Hình 1.1: Cấu trúc của pin DSSC [10] Điện cực anode được phủ một lớp oxit dẫn điện trong suốt (Transparent Conductive Oxide: TCO). Lớp điện cực TCO này có tính chất dẫn điện tốt, trong suốt, cho ánh sáng mặt trời truyền qua. Thông thường hiện nay các cơ sở nghiên cứu và chế tạo pin DSSC thường sử dụng màng dẫn Indium Tin Oxide (ITO) hoặc Fluorit Tin Oxide (FTO). Trên điện cực dẫn được phủ một lớp màng bán dẫn. Lớp màng bán dẫn phải có diện tích bề mặt lớn, độ rộng vùng cấm rộng và trơ về mặt hóa học, ví dụ được tạo bởi các hạt nano gắn kết với nhau như trên hình 1.1. Người ta thường sử dụng vật liệu nano TiO2 làm màng bán dẫn, ngoài ra có thể dùng ZnO, SnO2. Trên bề mặt màng bán dẫn được phủ lên một lớp chất màu nhạy sáng Dye (như Ruthenium,…), do lớp màng bán dẫn có diện tích bề mặt lớn nên lượng chất màu phủ lớn, hấp thụ nhiều ánh sáng truyền tới. Đế TCO ở điện cực đối được phủ một lớp màng mỏng Platin (Pt) lên trên bề mặt để xúc tác phản ứng khử với chất điện li. Pt được biết tới là chất xúc tác hoạt tính mạnh, dẫn điện trên điện cực đối. 15 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa Các phân tử chất màu được hấp phụ trên bề mặt TiO2 thường là phức ruthenium và hấp thụ mạnh trong vùng ánh sáng nhìn thấy (400 – 800 nm). Hiện nay pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng có chứa phức ruthenium rất phổ biến, ví dụ như N3 (C18H18O10N6S2Ru), N717 (C58H86N8O8RuS2). Các chất màu chủ yếu được cấu thành bởi hai nhóm carboxylic của ligand [L=2,2’-bipyridyl-4,4’dicarboxylic acid] và của RuL2(NCS)2. Cấu trúc hóa học của chất màu phổ biết nhất trong DSSC gọi là N3, được chỉ ra trong hình 1.2 [11]. Hình 1.2: Cấu trúc của N3 [11] Giữa hai điện cực là một lớp chất điện ly lỏng được bọc kín. Chúng là những chất tan trong nước tạo thành dung dịch dẫn được điện. Đó là dung dịch của Axit tan, Bazo tan và muối tan. Trong trường hợp đặc biệt, chất điện ly lỏng có thể thấm vào màng xốp TiO2. Chất điện li có cặp oxi hóa – khử hay được sử dụng nhất là (iodide/ triiodide). Đối với pin sử dụng năng lượng ánh sáng chuyển đổi thành năng lượng điện, chế độ chiếu sáng cũng ảnh hưởng tới hiệu suất của pin. Đối với mỗi loại pin có cấu trúc khác nhau thì cần chế độ chiếu sáng khác nhau. Có hai chế độ chiếu sáng cho DSSC: Chế độ chiếu sáng phía trước và chế độ chiếu sáng phía sau, được mô tả trên hình 1.3. Trong cấu trúc DSSC đã trình bày ở trên, do điện cực là đế thủy tinh có phủ lớp dẫn điện, cho ánh sáng truyền qua nên chúng ta có thể chiếu ánh sáng từ phía 16 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa trước để chất nhạy màu có thể hấp thụ được ánh sáng tới (được chỉ ra ở hình 1.3(b)). Nhưng trong một số loại DSSC sử dụng kim loại Ti làm điện cực anode, do Ti không cho ánh sáng truyền qua, vì vậy chiếu ánh sáng chúng ta phải lựa chọn chiếu ánh sáng từ phía sau của pin (hình 1.3(a)) [11]. Hình 1.3: Hai chế độ chiếu sáng cho pin mặt trời: (a) chế độ chiếu sáng phía sau; (b) chế độ chiếu sáng phía trước [11] 1.1.2.2. Cơ chế hoạt động của DSSC Hình 1.4: Cơ chế hoạt động của DSSC [10] Khi được chiếu sáng thì cơ chế hoạt động của DSSC diễn ra như sau: 17 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa A- Khi pin được chiếu sáng, các photon tới sẽ tương tác với các phân tử chất màu trên bề mặt TiO2. Do lớp màng bán dẫn TiO2 có diện tích bề mặt lớn, lượng chất màu phủ lớn nên chúng sẽ hấp thụ được nhiều các photon truyền tới. Sau khi hấp thụ, điện tử trong các phân tử chất màu nhảy lên các mức năng lượng cao hơn. B- Các điện tử trong các phân tử chất màu tồn tại ở trạng thái kích thích có thời gian sống rất ngắn và khi được kích thích chúng sẽ dịch chuyển tới các mức năng lượng thấp hơn trong vùng dẫn của TiO2. Vùng cấm năng lượng của TiO2 với dạng thù hình anatase có độ rộng là 3,2 eV và xác suất tái tổ hợp điện tử-lỗ trống là rất thấp, điều này làm TiO2 rất dễ tiếp nhận các điện tử từ các phân tử chất màu. Quá trình điện tử dịch chuyển từ các mức năng lượng của các phân tử chất màu sang vùng dẫn của TiO2 được gọi là quá trình “tiêm”. Quá trình này xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn cỡ Femto giây (10-15 s), trong khi quá trình tái tổ hợp điện tử-lỗ trống diễn ra trong thời gian vài mili giây. C- Các điện tử trong vùng dẫn TiO2 di chuyển đến điện cực đối bằng cách khuếch tán như là kết quả của gradient nồng độ điện tử, và xuất hiện dòng điện ở mạch ngoài. D- Các phân tử chất màu bị oxi hóa do mất điện tử và sẽ bị phân ly nếu không có điện tử khác được cung cấp. Trong dung dịch chất điện ly tồn tại cặp oxi hóa - khử , các anion iot (I-) dễ dàng nhường lại điện tử cho các phân tử chất màu để trở thành anion tri-iot (I-3). Phản ứng này xảy ra khá nhanh so với thời gian các điện tử được “tiêm” từ các phân tử chất màu sang TiO2, giúp cho sự tái tạo của các phân tử chất màu. E- Sự tái tạo của các phân tử chất màu bởi I3- đã ngăn chặn sự chiếm lại điện tử trong miền dẫn của TiO2. I3- lại được tái tạo bởi sự khử I- ở điện cực đối, mạch được khép kín nhờ sự truyền điện tử qua mạch ngoài. Một cách tổng quát, quy trình hoạt động của DSSC có thể được biểu diễn bởi các phương trình sau [26]: 18 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa 1.1.2.3. Hiệu suất của pin mặt trời * Thế hở mạch VOC Thế hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở (R = ∞). Khi đó dòng mạch ngoài I = 0. Dưới các điều kiện hở mạch, dòng điện sinh ra nhờ sự chiếu sáng của các linh kiện quang điện bị gián đoạn. Qua thực nghiệm đã xác định, thế hở mạch VOC thường có phần thấp hơn so với giá trị mong đợi, bởi vì sự tự tái hợp của các điện tích tự do. Ở các điều kiện hở mạch, tất cả các điện tích dễ tái hợp với nhau. Vì vậy, nếu sự tái kết hợp có thể được giảm đến mức tối thiểu, thế hở mạch VOC có thể gần với giới hạn lý thuyết, giá trị VOC theo lý thuyết chính là giá trị “Maximum Voltage” được chỉ ra ở trên hình 1.4 [11]. * Dòng ngắn mạch JSC Dòng ngắn mạch JSC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch ngoài (chập các cực ra của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng V = 0. Khi xảy ra hiện tượng đoản mạch, mạch ngoài không có điện trở, tức là không có sự thay đổi điện thế và vì vậy không có sự thực hiện công mặc dù dòng vẫn chạy. Dòng ngắn mạch JSC phụ thuộc rấ t lớn vào số photon được hấp thụ khi pin mặt trời được chiếu sáng. Ngoài sự phụ thuộc vào số photon được hấp thụ thì dòng ngắn mạch JSC còn phụ thuộc vào các phần tử mang điện tích của lớp hoạt tính quang [26]. Như vậy ở điều kiện bình thường , dòng ngắ n mạch J SC của pin mặt trời tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. Đường biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ dòng vào thế gọi là đường đặc trưng Von – Ampe (Hình 1.5). Trên đường này tồn tại một số điểm mà dọc theo đường cong đó, ta xác định được các thông số về pin mặt trời. 19 Luận văn thạc sỹ Vật lý Chất rắn Trịnh Thị Thoa Hình 1.5: Đường đặc trưng Von – Ampe của pin. * Hệ số điền đầy Hệ số điền đầy (FF) là hệ số miêu tả chất lượng của pin mặt trời, nó có giá trị từ 0 tới 1 [26]. Quan sát hình 1.5 ta thấy trên đường đặc trưng Von – Ampe của pin tồn tại một điểm mà tại đó tích số giữa điện thế và dòng điện đạt giá trị cực đại (tương ứng với Vmax và Jmax). Tại điểm này công suất của pin đạt giá trị cực đại và nó được tính bằng tích của Vmax và Jmax. Hệ số điền đầy được định nghĩa bằng thương số của Pmax với tích của VOC và JSC. Thông thường hệ số này của pin hữu cơ nhỏ hơn pin vô cơ và đạt giá trị khoảng 0,5 tới 0,6. * Hiệu suất của pin mặt trời Một yếu tố có tính quan trọng trong các thông số về pin mặt trời chính là hiệu suất của pin mặt trời. Hiệu suất của pin mặt trời được xác định bởi công thức: 20
- Xem thêm -