tác động của các phụ gia axit nicotinic và 4-tert-butylpyrindine đến hoạt động của pin mặt trời tinh thể nano ti02

ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN








TRẦN MINH HẢI


T
T
Á
Á
C
C


ð
ð
Ộ
Ộ
N
N
G
G

C
C
Ủ
Ủ
A
A


C
C
Á
Á
C
C


P
P
H
H
Ụ
Ụ


G
G
I
I

A
A


A
A
X
X
I
I
T
T


N
N
I
I
C
C
O
O
T
T
I
I
N
N
I
I

C
C


V
V
À
À


4
4
-
-
T
T
E
E
R
R
T
T
-
-
B
B
U
U
T
T

Y
Y
L
L
P
P
Y
Y
R
R
I
I
D
D
I
I
N
N
E
E


ð
ð
Ế
Ế
N
N

H
H
O
O
Ạ
Ạ
T
T


ð
ð
Ộ
Ộ
N
N
G
G


C
C
Ủ
Ủ
A
A


P
P

I
I
N
N


M
M
Ặ
Ặ
T
T


T
T
R
R
Ờ
Ờ
I
I


T
T
I
I
N
N

H
H


T
T
H
H
Ể
Ể


N
N
A
A
N
N
O
O


T
T
i
i
O
O
2
2

–
–


C
C
H
H
Ấ
Ấ
T
T


N
N
H
H
Ạ
Ạ
Y
Y


Q
Q
U
U

A
A
N
N
G
G












LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC








THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010

ðẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN








TRẦN MINH HẢI

T
T
Á
Á
C
C


ð
ð
Ộ
Ộ
N
N
G
G

C
C
Ủ
Ủ
A
A


C
C
Á
Á
C
C


P
P
H
H
Ụ
Ụ


G
G
I
I
A
A

A
A
X
X
I
I
T
T


N
N
I
I
C
C
O
O
T
T
I
I
N
N
I
I
C
C

V
V
À
À


4
4
-
-
T
T
E
E
R
R
T
T
-
-
B
B
U
U
T
T
Y
Y

L
L
P
P
Y
Y
R
R
I
I
D
D
I
I
N
N
E
E


ð
ð
Ế
Ế
N
N


H
H

O
O
Ạ
Ạ
T
T


ð
ð
Ộ
Ộ
N
N
G
G


C
C
Ủ
Ủ
A
A


P
P
I
I

N
N


M
M
Ặ
Ặ
T
T


T
T
R
R
Ờ
Ờ
I
I


T
T
I
I
N
N
H
H

T
T
H
H
Ể
Ể


N
N
A
A
N
N
O
O


T
T
i
i
O
O
2
2

–
–


C
C
H
H
Ấ
Ấ
T
T


N
N
H
H
Ạ
Ạ
Y
Y


Q
Q
U
U
A
A

N
N
G
G





Chun ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
Mã số: 604431



LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÁ HỌC


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THOA
2. NCS. NGUYỄN THÁI HỒNG
3. PGS.TS. TORBEN LUND



THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010


LỜI CẢM ƠN

Trần Minh Hải i

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc ñến PGS.TS. Nguyễn Thị Phương Thoa,
NCS. Nguyễn Thái Hoàng, và PGS.TS. Torben Lund tại Trường ðại học Roskilde,
ðan Mạch ñã tận tình hướng dẫn, tạo ñiều kiện thuận lợi cũng như ñã truyền ñạt
nhiều kinh nghiệm quý báu giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin cảm ơn bạn Nguyễn Tuyết Phương, kỹ thuật viên Jacob Krake, bạn bè
cao học K15 và các bạn trong phòng thí nghiệm ðiện hóa ứng dụng ñã ñộng viên,
giúp ñỡ tôi trong suốt quá trình thực nghiệm.
Ngoài ra, tôi cũng xin chân thành cảm ơn ban ñiều hành chương trình hợp tác
giữa Khoa Hóa, Trường ðại học Khoa học Tự nhiên TP. HCM và ðại học
Roskilde, ðan Mạch, cũng như tổ chức DANIDA ñã tạo ñiều kiện ñể tôi thực hiện
luận văn.
Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất ñến gia ñình tôi, những người
luôn bên cạnh hỗ trợ, chia sẻ với tôi trong bất kỳ hoàn cảnh nào.













TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trần Minh Hải ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Kể từ khi ra ñời năm 1991 bởi sự phát triển của nhóm nghiên cứu của GS.
M. Grätzel, pin mặt trời - chất nhạy quang (Dye – sensitized solar cell, DSC) nhanh
chóng nhận ñược nhiều sự quan tâm của giới khoa học công nghệ do hiệu suất
chuyển ñổi quang năng có thể ñạt ñến trên 11% và giá thành chế tạo thấp. Khác với
các loại pin mặt trời truyền thống, hoạt ñộng của DSC dựa trên cơ chế của quá trình
quang ñiện hóa học tái sinh nhanh. ðể ñược thương mại hoá, ứng dụng rộng rãi vào
thực tế ñời sống – sản xuất, loại pin này cần ñược nghiên cứu hoàn thiện nhằm hiểu
rõ hơn về các quá trình quang ñiện hoá học xảy ra trong pin. Trên cơ sở ñó, tìm
kiếm các giải pháp hiệu quả nâng cao tính năng hoạt ñộng, tăng ñộ bền và giảm giá
thành của pin,
Hiện nay, phương pháp phổ biến và hiệu quả ñể nâng cao tính năng hoạt ñộng
của DSC là thêm phụ gia 4-tert-butylpyridine (TBP) vào hệ ñiện ly. TBP làm tăng
giá trị hiệu thế mạch hở (V
OC
), thừa số lấp ñầy (ff), và hiệu suất chuyển ñổi quang
năng của pin (η). Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu tác ñộng của một phụ
gia dẫn xuất pyridine khác là axit nicotinic (ANT) ñến tính năng hoạt ñộng của
DSC. Phụ gia này ñược thử nghiệm trên các DSC do tác giả tự chế tạo tại Phòng thí
nghiệm Hoá lý Ứng dụng, có hiệu suất chuyển ñổi quang năng ban ñầu trung bình
là 6,2%. Việc xử lý DSC với dung dịch ANT 0,01 M trong 3-methoxypropionitrile
(MPN) bằng một kỹ thuật mới, kỹ thuật “tiêm – rút”, làm tăng cả giá trị V
OC
và mật
ñộ dòng ngắn mạch (J
SC
). Giá trị V

OC
tăng khoảng 45 mV; J
SC
tăng khoảng 1,2
mA/cm
2
; và η tăng trung bình từ 6,1% lên 6,7%. Trong khi ñó, tính năng hoạt ñộng
của DSC dường như không thay ñổi khi sử dụng ANT như là một chất phụ gia có
nồng ñộ thấp (0,01 M) trong hệ ñiện ly.
Những phụ gia dẫn xuất pyridine bên cạnh việc nâng cao tính năng của pin còn
có tác ñộng không mong muốn là gây phản ứng giảm cấp chất nhạy quang [16],
[27],[28]. ðể ñánh giá ñộ bền của chất nhạy quang N719 (cis-


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trần Minh Hải iii
bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(II)bis-
tetrabutylammonium) trong tương tác với phụ gia ANT và phụ gia TBP, chúng tôi
khảo sát ñộng học sự giảm cấp của N719 do ligand thiocyanate (SCN
-
) trên phân tử
N719 bị thế bởi ANT và dung môi MPN ở 100
o
C. Các nghiên cứu ñược tiến hành
trong cả dung dịch ñồng thể và dung dịch keo (hệ dung dịch bao gồm các hạt nano
TiO
2
ñã hấp phụ chất nhạy quang N719 phân tán trong dung dịch ANT). Sự giảm
cấp của N719 tuân theo ñộng học phản ứng giả bậc một. Thời gian bán hủy (

τ
1/2
)
của N719 trong dung dịch ñồng thể và dung dịch keo ở 100
o
C lần lượt bằng 386 giờ
và 86 giờ, chậm hơn khoảng 3 lần so với các kết quả nghiên cứu ñã công bố cho
trường hợp giảm cấp của N719 trong dung dịch chứa phụ gia TBP [16].
Nhiều công trình nghiên cứu công bố việc giảm dòng tối hay tăng V
OC
là do
tương tác tạo phức giữa TBP với các tiểu phân oxi hoá trong hệ ñiện ly
[3],[19],[20]. Tuy nhiên, các thông số tương tác cũng như ảnh hưởng của các tương
tác này ñến sự giảm cấp chất nhạy quang hầu như chưa ñược ñề cập. Bằng các thí
nghiệm nghiên cứu ñộng học, chúng tôi kết luận sự giảm cấp của N719 trên TiO
2

trong dung dịch keo có chứa TBP (0,5 M) ở 100
o
C giảm ñáng kể khi tăng nồng ñộ
ion I
3
-
. ðiều này cho thấy khả năng ion I
3
-
hiện diện trong dung dịch ñã tương tác
với TBP, làm giảm nồng ñộ TBP tự do, góp phần làm tăng ñộ bền nhiệt của chất
nhạy quang N719.
Bằng phương pháp chuẩn ñộ nhiệt lượng ñẳng nhiệt (ITC,

Isothermal titration
calorimetry
), chúng tôi ñã xác ñịnh ñược các thông số phản ứng và nhiệt ñộng học
của tương tác giữa phụ gia TBP với các tiểu phân oxi hoá I
3
-
, I
2
trong dung dịch
ñiện ly. Các thông số này là cơ sở cho kết luận tương tác chủ yếu trong hệ ñiện ly
xảy ra theo cách TBP tương tác trực tiếp với ion I
3
-
. Như vậy, phụ gia TBP ngoài
việc ñóng vai trò là chất ñồng hấp phụ với chất nhạy quang che chắn bề mặt TiO
2

còn có tác dụng tương tác tạo phức chất, làm giảm nồng ñộ ion I
3
-
tự do và vì thế
hạn chế phản ứng tạo dòng tối xảy ra trên ñiện cực anod của DSC.



MỤC LỤC

Trần Minh Hải iv
MỤC LỤC
Trang

LỜI CẢM ƠN i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT viii
DANH MỤC HÌNH xi
DANH MỤC BẢNG xvi

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI
VÀ PIN MẶT TRỜI – CHẤT NHẠY QUANG
1.1. Tình hình phát triển của pin mặt trời 1
1.2. Nguyên tắc hoạt ñộng và các thông số cơ bản của pin mặt trời 5
1.3. Pin mặt trời tinh thể nano TiO
2
oxit – chất nhạy quang 9
1.3.1. Nguyên tắc hoạt ñộng 9
1.3.2. Các thành phần cấu tạo 11
1.3.2.1. ðiện cực anod 11
1.3.2.2. Chất nhạy quang 12
1.3.2.3. Hệ ñiện ly 14
1.3.2.4. ðiện cực catod 15
1.3.3. Nhiệt ñộng học và ñộng học các quá trình chuyển ñiện tích trong DSC 16
1.3.4. Vai trò của cặp oxi hóa khử I
3
-
/I
-
trong hệ ñiện ly của DSC 21
1.3.4.1. Cơ chế quá trình tái sinh chất nhạy quang 21

MỤC LỤC

Trần Minh Hải v
1.3.4.2. Năng lượng trong hệ ñiện ly chứa cặp oxi hóa khử I
3
-
/I
-
22
1.3.4.3. Hạn chế của hệ ñiện ly chứa cặp oxi hóa khử I
3
-
/I
-
25
1.3.5. Cải thiện tính năng hoạt ñộng của DSC 26
1.3.5.1. Tối ưu lớp màng TiO
2
26
1.3.5.2. Giảm dòng tối 27
1.3.5.3. Cải tiến liên quan ñến chất nhạy quang 28
1.4. Bức xạ mặt trời ở bề mặt trái ñất 29

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1. Phương pháp phân tích bằng máy sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp
ñầu dò khối phổ (HPLC-UV/Vis-MS) 31
2.1.1. ðầu dò UV/Vis 31
2.1.2. ðầu dò khối phổ 32

2.2. Phương pháp chuẩn ñộ nhiệt lượng ñẳng nhiệt (ITC) 34
2.2.1. Thiết bị ITC 34
2.2.2. Phân tích số liệu ITC 35
2.3. Phương pháp ño ñường ñặc trưng dòng - thế 39

CHƯƠNG 3
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
3.1. Mục tiêu thực nghiệm 40
3.2. Nội dung thực nghiệm 42
3.3. Hóa chất 42


MỤC LỤC

Trần Minh Hải vi
3.4. Thiết bị 43
3.4.1. Thiết bị tạo lớp màng nano TiO
2
trên anod 43
3.4.2. Thiết bị ño ñường ñặc trưng dòng – thế của DSC 43
3.4.3. Thiết bị dùng trong các thí nghiệm khảo sát sự giảm cấp
của chất nhạy quang N719 44
3.4.4. Thiết bị ño quang phổ UV/Vis 45
3.4.5. Thiết bị dùng trong các thí nghiệm ITC 46
3.5. Phương pháp thực nghiệm 47
3.5.1. Chế tạo DSC 47
3.5.2. Xử lý DSC với phụ gia ANT và TBP 49
3.5.3. Hệ ñiện ly 49
3.5.4. Xác ñịnh ñộ hấp phụ của ANT trên bề mặt hạt nano TiO
2

50
3.5.5. Khảo sát sự giảm cấp của N719 50
3.5.5.1. Khảo sát sự giảm cấp của N719 trong dung dịch ñồng thể 50
3.5.5.2. Khảo sát sự giảm cấp của N719 trong dung dịch keo 51
3.5.6. Xác ñịnh hằng số tạo thành của ion I
3
-
52
3.5.7. Khảo sát tương tác giữa TBP với ion I
3
-
và I
2
53

CHƯƠNG 4
KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN

4.1. DSC chế tạo tại phòng thí nghiệm 57
4.2. Tác ñộng của ANT ñến hoạt ñộng của DSC 58
4.2.1. DSC xử lý với ANT và TBP bằng kỹ thuật “tiêm – rút” 58
4.2.2. DSC khi sử dụng ANT là chất phụ gia trong hệ ñiện ly 61


MỤC LỤC

Trần Minh Hải vii
4.2.3. ðộ hấp phụ của ANT trên bề mặt hạt nano TiO
2
62

4.2.4. Sự giảm cấp của N719 trong dung dịch ANT ở 100
o
C 64
4.2.4.1. Xác ñịnh sản phẩm giảm cấp trong dung dịch ñồng thể 64
4.2.4.2. ðộng học sự giảm cấp trong dung dịch ñồng thể 66
4.2.4.3. ðộng học sự giảm cấp trong dung dịch keo 68
4.3. Tương tác của TBP với chất nhạy quang và hệ ñiện ly trong DSC 72
4.3.1. Hằng số tạo thành của ion I
3
-
trong dung môi ACN 72
4.3.2. Ảnh hưởng của ion I
3
-
ñến sự giảm cấp N719 trong dung dịch keo
có chứa TBP 75
4.3.3. Tương tác của phụ gia TBP với ion I
3
-
và I
2
trong hệ ñiện ly 80
4.3.3.1. Tương tác giữa TBP và ion I
3
-
80

4.3.3.2. Tương tác giữa TBP và I
2
84

CHƯƠNG 5
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận và kiến nghị 86

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN CỦA TÁC GIẢ 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO 90
PHỤ LỤC A 94
PHỤ LỤC B 96
PHỤ LỤC C 101




DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Trần Minh Hải viii
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

A ðộ hấp thu
a-Si Silicon vô ñịnh hình
ACN Acetonitrile
AM Air mass, ñại lượng ñặc trưng cho ñộ suy giảm tia mặt trời khi ñi
qua khí quyển
ANT Axit nicotinic
C
I
- Nồng ñộ ion I
-

CIS ðồng Indium Diselenide (CuInSe
2
)
CIGS Cu(In,Ga)(S,Se)
2

[Complex 1] Nồng ñộ của Complex 1
D Phân tử chất nhạy quang ở trạng thái cơ bản
D
*
Phân tử chất nhạy quang ở trạng thái kích thích
D
+
Dạng oxi hóa của chất nhạy quang
DMF Dimethylformamide
DNA Deoxyribonucleic acid
DSC Pin mặt trời - chất nhạy quang (Dye – sensitized solar cell)
E
a
Năng lượng hoạt hoá của phản ứng
E
0
’ Thế oxi hoá khử tiêu chuẩn
E
redox
Thế oxi hoá khử
e
-
SnO2

ðiện tử trên bề mặt thủy tinh dẫn
e
-
TiO2
ðiện tử trong vùng dẫn của TiO
2

ESI Kỹ thuật ion hóa kiểu phun tĩnh ñiện
F Hằng số Faraday
ff Thừa số lấp ñầy (fill factor)
GuNCS Guanidinium thiocyanate
H
2
dcbpy 2,2’-bipyridine-4,4’-dicarboxylic axit
HOMO Mức năng lượng cao nhất chiếm bởi ñiện tử
HPLC- Sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp ñầu dò UV/Vis và khối phổ


DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Trần Minh Hải ix
UV/Vis-MS
IPCE Hiệu suất chuyển photon tới thành dòng quang ñiện
I
Ph
Dòng quang ñiện
IQE(λ) Hiệu suất lượng tử bên trong của pin
I
S
Cường ñộ bức xạ tới

I
SC
Dòng ngắn mạch
ITC Chuẩn ñộ nhiệt lượng ñẳng nhiệt (Isothermal Titration Calorimetry)
I–V Dòng – thế
J
SC
Mật ñộ dòng ngắn mạch
k Hằng số tốc ñộ phản ứng
K Hằng số cân bằng của tương tác, phản ứng
k
B
Hằng số Boltzmann
L 2,2’-bipyridine-4,4’-dicarboxylic axit
L Ligand trong thí nghiệm chuẩn ñộ nhiệt lượng ñẳng nhiệt
LUMO Mức năng lượng thấp nhất chưa bị chiếm bởi ñiện tử
M Phân tử trung tâm trong thí nghiệm chuẩn ñộ nhiệt lượng ñẳng nhiệt
MPN 3-methoxypropionitrile
MS Khối phổ
N719 cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-
ruthenium(II) bis-tetrabutylammonium
NHE ðiện cực hydro tiêu chuẩn
N
I3
- Số mol ion I
3
-
liên kết với TBP
n
LB

Hệ số tỷ lượng của tương tác trong thí nghiệm chuẩn ñộ nhiệt lượng
ñẳng nhiệt

q
k
Nhiệt của riêng tương tác ở lần tiêm ligant thứ k
Q
k
Tổng lượng nhiệt của tương tác cho ñến lần tiêm ligand thứ k
Q
hiệu chỉnh
Nhiệt lượng của tương tác sau khi trừ ñi nhiệt pha loãng
Q
pha loãng, L
Nhiệt pha loãng của dung dịch ligand
Q
pha loãng, M
Nhiệt pha loãng của dung dịch phân tử trung tâm


DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Trần Minh Hải x
R-50–ANT Hệ ñiện ly Iodolyte R-50 của hãng Solaronix SA chứa axit nicotinic
nồng ñộ 0,01 M.
RT Thời gian lưu của chất phân tích
R(λ) Hệ số phản xạ của bề mặt pin
S Diện tích bề mặt hoạt ñộng của pin
S
0

Tổng diện tích của tất cả các mũi chất phản ứng trên sắc ký ñồ
SCE ðiện cực calomel bão hòa
SCN
-
Ligand thiocyanate
S
N719
Diện tích mũi của N719 trên sắc ký ñồ
t Thời gian phản ứng
T Nhiệt ñộ tuyệt ñối
τ
1/2
Thời gian bán hủy
TBP 4-tert-butylpyridine
TiO
2
/N719 Hạt nano TiO
2
ñã hấp phụ chất nhạy quang N719 trên bề mặt
TiO
2
–ANT Hạt nano TiO
2
ñã hấp phụ axit nicotinic
v Vận tốc phản ứng
V Mức ñộ ghép cặp ñiện tử giữa chất nhạy quang và chất bán dẫn
V
f
Mức Fermi của ñiện tử trong màng TiO
2

Vial Lọ thuỷ tinh nhỏ
V
OC
Hiệu thế mạch hở
V
red
Thế của cặp oxy hóa khử chính trong hệ ñiện ly
η Hiệu suất chuyển ñổi quang năng của pin
ρ(E) Mật ñộ các trạng thái năng lượng trên vùng dẫn
β
Hằng số cân bằng của tương tác, sử dụng trong các biểu thức phân
tích số liệu
chuẩn ñộ nhiệt lượng ñẳng nhiệt
λ
max
Bước sóng hấp thu cực ñại
φ
(λ) Thông lượng photon tới pin tại bước sóng λ
∆t
inj
Khoảng thời gian giữa hai lần tiêm ligand trong thí nghiệm chuẩn
ñộ nhiệt lượng ñẳng nhiệt


DANH MỤC HÌNH

Trần Minh Hải xi
DANH MỤC HÌNH
Trang

Hình 1.1: Sản lượng ñiện từ pin mặt trời trên thế giới từ năm 1990
ñến năm 2007 [18] 2
Hình 1.2: Biểu ñồ năng lượng theo P
Crystal
của: a) Vật liệu bán dẫn có
bandgap trực tiếp; b) Vật liệu bán dẫn có bandgap gián tiếp [33] 3
Hình 1.3: Khả năng sản lượng ñiện từ pin mặt trời trên thế giới năm 2006,
2007 và dự kiến ñến năm 2012 [18] 3
Hình 1.4: Sản lượng ñiện từ các loại pin mặt trời màng mỏng và sự ñóng góp
của các khu vực sản xuất chính trên thế giới dự kiến ñến năm 2012 [18] 5
Hình 1.5: Sơ ñồ của một pin mặt trời cơ bản [26] 6
Hình 1.6: Mạch cân bằng của một pin mặt trời lý tưởng (ñường nét liền) và
các thành phần thêm vào ñối với pin không lý tưởng (ñường nét ñứt) [23] 6
Hình 1.7: Các ñường ñặc trưng dòng – thế (ñường màu ñen) và
công suất – thế (ñường màu xám) của một pin mặt trời lý tưởng [26] 7
Hình 1.8: ðường ñặc trưng dòng - thế của pin mặt trời dưới ảnh hưởng của
các thành phần: a) ñiện trở mắc nối tiếp; b) ñiện trở mắc song song; d)
tỷ lệ dòng ñiện qua ñiốt thứ 2 trên dòng ñiện qua ñiốt thứ 1 (xem hình 1.6) [23] 8
Hình 1.9: Sơ ñồ cấu tạo của DSC [10] 9
Hình 1.10: Sơ ñồ hoạt ñộng của DSC [9] 10
Hình 1.11: Hiệu suất chuyển photon tới thành dòng quang ñiện (IPCE)
theo bước sóng kích thích của chất nhạy quang N719 và của lớp màng TiO
2
[9] 12
Hình 1.12: Các trạng thái chất nhạy quang trải qua trong quá trình hoạt ñộng
của DSC; k
1
,k
2

: hằng số tốc ñộ của các phản ứng giảm cấp chất nhạy quang [11].13
Hình 1.13: ðộng học các quá trình chuyển ñiện tích và vị trí tương ñối của
các mức năng lượng trong DSC theo thang thế ñiện cực SCE [25] 17
Hình 1.14: Chuyển vận của ñiện tử trong màng TiO
2
[30] 18


DANH MỤC HÌNH

Trần Minh Hải xii
Hình 1.15: ðồ thị biểu diễn E
redox
theo RT/2F ln([I
3
-
]/[I
-
]
3
) của dung dịch chất
ñiện ly gồm 1-propyl 3-methylimidazolium iod (1,0 M) và I
2

( nồng ñộ thay ñổi) trong dung môi ACN [4] 22
Hình 1.16: Các phản ứng oxi hoá khử xảy trong hệ ñiện ly chứa I
2
, ion I
-

và thế ñiện hoá tương ñối của chúng [4] 23
Hình 1.17: Sơ ñồ thế oxi hoá khử của chất nhạy quang N719 (D) và của
các cặp oxi hoá khử trong hệ ñiện ly chứa cặp oxi hoá khử I
3
-
/I
-
[4] 24
Hình 1.18: ðường ñặc trưng dòng – thế của DSC, so sánh giữa các ñiện cực
TiO
2
có xử lý TiCl
4
và lớp tán xạ (ñường ñỏ); không xử lý TiCl
4
(ñường nét ñứt
màu xanh da trời); không có lớp tán xạ (ñường xanh lá cây) [17] 26
Hình 1.19: ðường ñặc trưng dòng – thế của DSC sử dụng hệ ñiện ly có
và không có TBP khi chiếu sáng và ñể trong tối [1] 28
Hình 1.20: a) cấu trúc các chất nhạy quang K19, K24; b) phổ hấp thu các chất nhạy
quang K19, K24 [1] 29
Hình 1.21: Cách xác ñịnh Airmass (AM) [34] 29
Hình 1.22: Phổ mặt trời ở AM 1,5 [34] 30
Hình 2.1: Sơ ñồ hệ thống HPLC 31
Hình 2.2: Cơ chế hình thành ion tại giao diện ESI 33
Hình 2.3: a) Sơ ñồ thiết bị ITC; b) hệ thống mạch hồi tiếp ngược có thể ño sự
khác biệt ∆T rất nhỏ giữa cell thí nghiệm và cell so sánh 34
Hình 2.4: Số liệu ITC trong thí nghiệm chuẩn ñộ DNA 35
Hình 2.5: Sơ ñồ mạch ño ñường ñặc trưng I – V của pin mặt trời [29] 39
Hình 3.1: Công thức cấu tạo của: a) ANT; b) TBP 40

Hình 3.2: Thiết bị in lụa dùng chế tạo anod của DSC 43
Hình 3.3: Hệ mô phỏng ánh sáng mặt trời và thiết bị ño ñường I – V của DSC 43
Hình 3.4: Hệ thống thiết bị HPLC-UV/Vis-MS 45


DANH MỤC HÌNH

Trần Minh Hải xiii
Hình 3.5: Thiết bị quang phổ UV/ VIS/ NIR 45
Hình 3.6: a) Hệ thiết bị TAM48 của hãng TA Instruments (USA);
b) Ampun dùng ñể chuẩn ñộ có gắn cánh khuấy 46
Hình 3.7: a) Sơ ñồ ráp DSC dạng sandwich; b) Các thíết bị ép dính
chân không nhiệt ñộ cao 49
Hình 3.8: Số liệu ITC thu ñược từ thí nghiệm tương tác của TBP với I
3
-

trong dung môi ACN: a) M
ỗi mũi tương ứng với một lần tiêm 10µL dung dịch
TBP 1,5 M vào 1 mL dung dịch I
3
-
0,050 M; b) Mỗi mũi tương ứng vớimột lần
tiêm 10µL dung dịch TBP 0,058M vào dung dịch I
3
-
0,0050 M 54
Hình 3.9: Số liệu ITC của tương tác giữa TBP với I
2
: a) Mỗi mũi tương ứng

với một lần tiêm
10 µL dung dịch TBP 1,50 M vào 1 mL dung dịch
I
2

0,050 M, khoảng thời gian giữa hai lần tiêm là 20 phút. b) Mỗi mũi tương ứng
với một lần tiêm
10 µL dung dịch TBP 0,85 M vào 1 mL dung dịch
I
2

0,051 M, khoảng thời gian giữa hai lần tiêm là 180 phút. 55
Hình 4.1
: ðường ñặc trưng dòng – thế của 5 DSC thống kê trong bảng 4.1
và ảnh chụp của một số DSC chế tạo tại phòng thí nghiệm 57
Hình 4.2: Hiệu suất của các DSC trước (cột màu xanh) và sau khi xử lý với
dung dịch ANT 0,01 M trong MPN (cột màu ñỏ) 58
Hình 4.3: ðường ñặc trưng dòng – thế của DSC trước và sau khi xử lý
với dung dịch ANT 0,01 M trong MPN bằng kỹ thuật tiêm – rút 59
Hình 4.4: ðường ñặc trưng dòng – thế của DSC trước và sau khi xử lý
với TBP bằng kỹ thuật tiêm – rút 60
Hình 4.5: Phổ hấp thu UV/Vis của ANT ở các nồng ñộ khác nhau
(như ghi chú trên hình) trong dung dịch NaOH 0,1 M 62
Hình 4.6: ðường chuẩn ño ñộ hấp thu tại bước sóng 263nm theo
nồng ñộ ANT trong dung dịch NaOH 0,1 M 63


DANH MỤC HÌNH

Trần Minh Hải xiv

Hình 4.7: Sắc ký ñồ của dung dịch N719 0,42 mM, ANT 0,01 M
trong MPN sau khi 31 giờ phản ứng ở nhiệt ñộ 100
o
C và khối phổ ñồ
của các sản phẩm phản ứng 64
Hình 4.8: Công thức phân tử của N719 ở dạng proton hoá hoàn toàn
và các chất chính ñược ñịnh danh dựa trên HPLC-MS 65
Hình 4.9: Cách xác ñịnh diện tích của các mũi trên sắc ký ñồ của dung dịch
ñồng thể N719, ANT trong MPN sau 31 giờ ở nhiệt ñộ 100
o
C 67
Hình 4.10: ðồ thị phương trình ñộng học (phương trình 57) phản ứng giảm
cấp ở 100
o
C của N719 trong dung dịch ñồng thể có ANT 0,01 M 68
Hình 4.11: Sắc ký ñồ của mẫu sản phẩm phản ứng giảm cấp dị thể của N719
trong dung dịch keo TiO
2
/N719 có chứa ANT sau 24 giờ ở
nhiệt ñộ 100
o
C và khối phổ ñồ của các sản phẩm phản ứng chính 69
Hình 4.12: ðồ thị phương trình ñộng học (phương trình 57) phản ứng giảm cấp
ở 100
o
C của N719 trong dung dịch keo TiO
2
/N719 có chứa ANT 0,01 M 71
Hình 4.13: Phổ hấp thu UV/Vis của dung dịch 1,05x10
-5

M I
2
và LiI ở các
nồng ñộ khác nhau 72
Hình 4.14: Biến thiên số gia ñộ hấp thu của dung dịch A (= A – A
0
) theo
nghịch ñảo tổng nồng ñộ ion I
-
(1/C
I
-) 73
Hình 4.15: ðồ thị y/(1-y) theo giá trị (z-y) (phương trình (49), trang 52);
Số liệu ñược liệt kê tại bảng 4.7 74
Hình 4.16: Sắc ký ñồ của mẫu sản phẩm phản ứng trích ly từ TiO
2
/N719 trong
dung dịch chứa TBP 0,5 M, LiI 0,5 M và I
2
0,15 M sau 24 giờ ở nhiệt ñộ
100
o
C (a) và khối phổ ñồ (MS) của các sản phẩm phản ứng chính (b, c, d) 76
Hình 4.17: ðồ thị ln(S
N719
/S
0
) theo thời gian gia nhiệt ở 100
o
C dung dịch keo

gồm TiO
2
/N719, TBP 0,5 M, LiI 0,5 M và I
2
0,1 M 77



DANH MỤC HÌNH

Trần Minh Hải xv
Hình 4.18: Biến thiên của hằng số tốc ñộ (a) và thời gian bán huỷ (b)
của N719 ở 100
o
C theo nồng ñộ I
2
thêm vào dung dịch keo chứa TiO
2
/N719,
TBP trong ACN 79
Hình 4.19: ðồ thị biến thiên: a) Tỷ số nhiệt lượng trên thể tích dung dịch
TBP tiêm vào theo tỷ số thể tích dung dịch TBP trên tổng thể tích dung dịch
trong
cell thí nghiệm; b) Tích phân nhiệt lượng toả ra theo thể tích TBP
tiêm vào
cell thí nghiệm. 80
Hình 4.20: ðồ thị tỷ số [TBP]/[Complex1] theo nồng ñộ TBP tiêm vào
cell thí nghiệm và cách xác ñịnh hệ số tỷ lượng n 82
Hình 4.21: ðồ thị biểu diễn tỷ số nhiệt lượng trên thể tích dung dịch TBP tiêm
vào theo tỷ số thể tích dung dịch TBP trên tổng thể tích dung dịch của tương

tác giữa TBP và I
2
; ðường nét liền là số liệu khớp theo mô hình lý thuyết 84
Hình B.1: ðồ thị ln(S
N719
/S
0
) theo thời gian phản ứng giảm cấp N719 trong
dung dịch keo chứa TBP 0,5 M, LiI 0,5 M và I
2
: a) 0,05 M; b) 0,15 M 99
Hình B.2: ðồ thị ln(S
N719
/S
0
) theo thời gian phản ứng giảm cấp N719 trong
dung dịch keo chứa TBP 0,5 M, LiI 0,5 M và I
2
: a) 0,20 M; b) 0,25 M 100
Hình C.1: Cách xác ñịnh nhiệt lượng toả ra trong mỗi lần tiêm dung dịch
TBP vào cell thí nghiệm (nhiệt lượng toả ra bằng diện tích của mũi tín hiệu) 101

DANH MỤC BẢNG

Trần Minh Hải xvi
DANH MỤC BẢNG

Trang
Bảng 1.1: Thế của các cặp oxi hoá khử (Volt, so với ñiện cực NHE)
trong hệ ñiện ly chứa I
3
-
/I
-
[4] 23
Bảng 3.1: Chế ñộ rửa giải trong các thí nghiệm phân tích sản phẩm
phản ứng bằng thiết bị HPLC-UV/Vis-MS 44
Bảng 3.2: Các thông số tối ưu cho thí nghiệm ITC khảo sát
tương tác giữa
TBP với ion I
3
-
và I
2
. 56
Bảng 4.1: Các thông số hoạt ñộng của DSC chế tạo tại PTN theo phương pháp
nêu tại mục 3.5.1, trang 47 57
Bảng 4.2: Thông số hoạt ñộng của DSC trước và sau khi xử lý với
dung dịch ANT 0,01 M trong MPN 58
Bảng 4.3: Thông số hoạt ñộng của DSC sử dụng hệ ñiện ly Iodolyte R-50 và
Iodolyte R-50 có phụ gia ANT (R-50–ANT) 61

Bảng 4.4: Số liệu quang phổ dùng ñể dựng ñường chuẩn hình 4.6: ñộ hấp thu
tại bước sóng 263 nm theo nồng ñộ ANT trong dung dịch NaOH 0,1 M 63
Bảng 4.5: Các thông số xác ñịnh ñộ hấp phụ của ANT trên bề mặt
hạt TiO
2
ở 30
o
C theo phương pháp nêu ở mục 3.5.4, trang 50 63
Bảng 4.6: Các thông số quang phổ và công thức ñề nghị của các sản phẩm phản
ứng xảy ra trong dung dịch ñồng thể chứa N719, ANT trong MPN ở 100
o
C 66
Bảng 4.7: Các số liệu nồng ñộ và quang phổ tính toán theo phương pháp nêu
trong mục 3.5.6, trang 52 (C
I2
= a = 1,05x10
-5
M) 72
Bảng 4.8: Công thức phân tử và các thông số quang phổ của các sản phẩm giảm
cấp N719 trong dung dịch keo chứa dung dịch chứa
TBP, LiI 0,5 M và I
2
0,15 M 77
Bảng 4.9: Hằng số tốc ñộ và thời gian bán hủy của N719 trong dung dịch keo
gồm TiO
2
/N719, TBP 0,5 M, LiI 0,5 M và nồng ñộ I
2
khác nhau 78
Bảng 4.10:

Hệ số tỷ lượng, hằng số cân bằng biểu kiến và các thông số
nhiệt ñộng học của tương tác giữa ion I
3
-
và TBP trong ACN 81


DANH MỤC BẢNG

Trần Minh Hải xvii
Bảng 4.11: Hệ số tỷ lượng và giá trị ∆H của tương tác giữa ion I
3
-
và TBP trong
ACN tính bằng phương pháp
lấy tính phân nhiệt lượng toả ra trong suốt
quá trình chuẩn ñộ nhiệt lượng 82
Bảng 4.12: Hệ
số tỷ lượng, hằng số cân bằng biểu kiến và các thông số
nhiệt ñộng học của tương tác giữa ion I
2
và TBP trong ACN 84
Bảng A1: Số liệu tính toán diện tích của các mũi sản phẩm phản ứng trên
sắc ký ñồ của loạt thí nghiệm phản ứng giảm cấp N719 trong dung dịch
ñồng thể có chứa ANT ở 100
o
C 94
Bảng A2: Số liệu tính toán diện tích của các mũi sản phẩm phản ứng trên
sắc ký ñồ của loạt thí nghiệm phản ứng giảm cấp N719 trong dung dịch
keo có chứa ANT ở 100

o
C 95
Bảng B1: Diện tích của các mũi sản phẩm phản ứng trên sắc ký ñồ của
loạt thí nghiệm phản ứng giảm cấp của N719 trong dung dịch
keo có TBP 0,5 M, LiI 0,5 M và I
2
0,05 M ở 100
o
C 96
Bảng B2: Diện tích của các mũi sản phẩm phản ứng trên sắc ký ñồ của
loạt thí nghiệm phản ứng giảm cấp của N719 trong dung dịch
keo có TBP 0,5 M, LiI 0,5 M và I
2
0,10 M ở 100
o
C 96
Bảng B3: Diện tích của các mũi sản phẩm phản ứng trên sắc ký ñồ của
loạt thí nghiệm phản ứng giảm cấp của N719 trong dung dịch
keo có TBP 0,5 M, LiI 0,5 M và I
2
0,15 M ở 100
o
C 97
Bảng B4: Diện tích của các mũi sản phẩm phản ứng trên sắc ký ñồ của
loạt thí nghiệm phản ứng giảm cấp của N719 trong dung dịch
keo có TBP 0,5 M, LiI 0,5 M và I
2
0,20 M ở 100
o
C 97

Bảng B5: Diện tích của các mũi sản phẩm phản ứng trên sắc ký ñồ của
loạt thí nghiệm phản ứng giảm cấp của N719 trong dung dịch
keo có TBP 0,5 M, LiI 0,5 M và I
2
0,25 M ở 100
o
C 98
Bảng C1: Nhiệt lượng và nồng ñộ của TBP, ion I
3
-
, phức chất tạo
thành sau mỗi lần tiêm TBP vào cell thí nghiệm 102









CHƯƠNG 1

T
T
Ổ
Ổ
N
N
G

G


Q
Q
U
U
A
A
N
N


V
V
Ề
Ề


P
P
I
I
N
N


M
M
Ặ

Ặ
T
T


T
T
R
R
Ờ
Ờ
I
I




V
V
À
À


P
P
I
I
N
N

M
M
Ặ
Ặ
T
T


T
T
R
R
Ờ
Ờ
I
I


–
–


C
C
H
H
Ấ
Ấ
T

T


N
N
H
H
Ạ
Ạ
Y
Y


Q
Q
U
U
A
A
N
N
G
G

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI VÀ PIN MẶT TRỜI – CHẤT NHẠY QUANG
Trần Minh Hải 1

1.1. Tình hình phát triển của pin mặt trời
Pin mặt trời không chỉ làm mê hoặc các nhà nghiên cứu mà còn cả xã hội nói
chung vì các ưu ñiểm như:
- Cung cấp ñiện năng trực tiếp từ bức xạ mặt trời,
- Không cần các bộ phận chuyển ñộng cơ khí, không tiếng ồn, không ô nhiễm,
- ðộ bề hoạt ñộng cao, ñiều kiện vận hành không ñòi hỏi nhiệt ñộ cao,
- Nguồn năng lượng lấy từ mặt trời miễn phí, có ở khắp nơi và vô tận,
- Pin mặt trời là nguồn cấp năng lượng linh ñộng, công suất của pin có thể từ
vài µW cho ñến hàng MW, ñối với hệ pin liên hợp lớn.
Trong suốt một thời gian dài kể từ khi pin mặt trời silicon ñầu tiên ñược phát
triển bởi Chapin và các ñồng nghiệp vào năm 1954, ứng dụng chính của pin là sử

dụng ñể cung cấp năng lượng cho các thiết bị không gian [8]. Các ứng dụng mặt ñất
của pin phát triển rất chậm trong giai ñoạn ñầu do giá thành chế tạo pin quá lớn. Từ
sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973–1974, nhận ñược sự quan tâm ñầu tư của
chính phủ các nước pin mặt trời ñã có những bước phát triển lớn cả về mặt kinh tế
và kỹ thuật. Chi phí chế tạo ñược giảm xuống hàng trăm lần. Kể từ năm 2003, tổng
sản lượng ñiện từ pin mặt trời luôn ñạt tăng trưởng trung bình trên 50%, riêng phân
khúc pin mặt trời màng mỏng tăng trưởng bình quân trên 80% và ñạt 400 MW
tương tương 10% sản lượng ñiện từ pin trong năm 2007. Năm 2007, tổng sản lượng
ñiện từ pin mặt trời ước tính khoảng 4022 MW (hình 1.1) và có giá trị thương mại
lên ñến 14 tỷ euro. Tốc ñộ tăng trưởng trung bình khoảng 50% kể từ năm 2003 ñến
nay ñã làm cho ngành công nghiệp pin mặt trời trở thành một trong những ngành
tăng trưởng cao nhất hiện tại. Các nhà phân tích dự ñoán giá trị thị trường sẽ tăng
lên 40 tỷ euro trong năm 2010 và giá thành sản phẩm sẽ ngày càng giảm xuống.
Kỹ thuật chế tạo pin mặt trời hưởng lợi lớn từ công nghệ silicon tiêu chuẩn cao
ñược phát triển ban ñầu nhằm phục vụ cho việc chế tạo các transitor và sử dụng
trong các mạch tích hợp. Trong những năm ñầu, chỉ có những ñơn tinh thể silicon
có ñộ hoàn hảo cao chế tạo bằng kỹ thuật Czochralski mới ñược sử dụng cho pin
mặt trời. Ngày nay, vật liệu này vẫn giữ một vai trò quan trọng. Chi phí cho vật liệu


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI VÀ PIN MẶT TRỜI – CHẤT NHẠY QUANG
Trần Minh Hải 2

silicon chiếm tỷ lệ lớn trong chi phí chế tạo pin mặt trời vì vậy những nỗ lực lớn ñã
và ñang ñược thực hiện nhằm giảm chi phí vật liệu xuống.

Việc nghiên cứu tìm kiếm những vật liệu mới bắt ñầu từ khi pin mặt trời ra
ñời. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các vật liệu màng mỏng, loại vật liệu này
ñặc trưng bởi cấu trúc vùng trực tiếp nên có khả năng hấp thu ánh sáng mạnh, xem
hình 1.2.

Tốc ñộ tăng trưởng cao và sự gia tăng thị phần trong tổng sản lượng ñiện từ
pin mặt trời cho thấy pin màng mỏng ngày càng ñược thị trường tiếp nhận. Biểu ñồ
hình 1.3 cho thấy thị phần khoảng 25-30% cho pin màng mỏng vào năm 2010 là
hoàn toàn có thể ñạt ñược.

Hình 1.1:
Sản lượng ñiện từ
pin mặt trời trên
thế giới từ năm
1990 ñến năm
2007 (nguồn dữ
liệu: PV Status
Report 2008,
European
Commission, DG
JRC [18]).


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI VÀ PIN MẶT TRỜI – CHẤT NHẠY QUANG
Trần Minh Hải 3



Hình 1.2: Biểu ñồ năng lượng theo P
Crystal
(crystal momentum) của: a) Vật liệu bán
dẫn có bandgap trực tiếp; b) Vật liệu bán dẫn có bandgap gián tiếp [33].

Hình 1.3: Khả năng sản lượng ñiện từ pin mặt trời trên thế giới năm 2006, 2007 và
dự kiến ñến năm 2012 (nguồn dữ liệu: PV Status Report 2008, European
Commission, DG JRC [18]).
Vật liệu ñầu tiên trong nhóm màng mỏng là silicon vô ñịnh hình (a-Si). Vật
liệu này có hạn chế là cho hiệu suất pin tương ñối thấp so với silicon tinh thể và dễ
bị thoái biến dưới tác dụng của ánh sáng. Sau nhiều nghiên cứu nhằm hiểu rõ và
a)
b)


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI VÀ PIN MẶT TRỜI – CHẤT NHẠY QUANG
Trần Minh Hải 4

khắc phục phần nào hiện tượng thoái biến, pin mặt trời a-Si ñã ñược ñưa ra thị
trường với hiệu suất pin ñơn ñạt khoảng 13%, hiệu suất của hệ module ñạt từ 6%
ñến 8%. Ngày nay, pin a-Si ñã có chỗ ñứng nhất ñịnh trên thị trường và chủ yếu sử
dụng cho các ứng dụng trong nhà. Bên cạnh a-Si còn có nhiều vật liệu khác cũng
ñáp ứng yêu cầu hấp thu ánh sáng cao. Chúng thuộc các hợp chất bán dẫn như
GaAs và InP, là những hợp chất nhóm III–V theo như vị trí trong bảng hệ thống
tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Các hợp chất bán dẫn quan trọng khác gồm các

nguyên tố thuộc các nhóm II–VI và I–III–VI
2
như ðồng Indium Diselenide (CIS),
Cadmium Telluride (CdTe), Cadmium Sulfide và ðồng Sulfide,… Hiệu suất thấp và
không ñạt ñược ñộ bền mong muốn là những vấn ñề gây cản trở sự thâm nhập thị
trường của pin làm từ các vật liệu này. Những kỹ thuật mới hiện nay dựa trên các
hợp chất bán dẫn ba cấu tử như CuInSe
2
,CuGaSe
2
, CuInS
2
và các hợp kim ña cấu tử
của chúng như Cu(In,Ga)(S,Se)
2
(viết tắt: CIGS), việc thêm các nguyên tố Ga và S
làm tăng hiệu suất của pin. Hiệu suất tốt nhất trong phòng thí nghiệm hiện nay của
loại pin CIS/CIGS khoảng 18,9%, dạng module của loại pin này cũng ñã có mặt
trên thị trường với số lượng nhỏ. Pin màng mỏng CdTe hiện ñã ñược thương mại
hóa với hiệu suất pin ñơn khoảng 16%, hiệu suất dạng module có diện tích lớn ñạt
khoảng trên 10% [8].
Kể từ khi ra ñời năm 1991 bởi sự phát triển của nhóm nghiên cứu của M.
Grätzel, pin mặt trời tinh thể nano TiO
2
- chất nhạy quang nhanh chóng nhận ñược
nhiều sự quan tâm của giới khoa học công nghệ do hiệu suất có thể ñạt ñến trên
11% và giá thành chế tạo thấp [9], [23] . Khác với các loại pin truyền thống, hoạt
ñộng của pin dựa trên cơ chế của quá trình quang ñiện hóa học tái sinh nhanh. Tuy
nhiên hiện nay, loại pin này chủ yếu vẫn ñang ñược nghiên cứu hoàn thiện. Biểu ñồ
hình 1.4 cho thấy sự phân bố của các loại pin màng mỏng và sự ñóng góp của các

khu vực sản xuất chính trên thế gới dự kiến ñến năm 2012.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI VÀ PIN MẶT TRỜI – CHẤT NHẠY QUANG
Trần Minh Hải 5



1.2. Nguyên tắc hoạt ñộng và các thông số cơ bản của pin mặt trời
Pin mặt trời là các thiết bị chuyển trực tiếp bức xạ mặt trời thành ñiện năng.
Ánh sáng mặt trời bao gồm các photon có năng lượng phụ thuộc vào tần số hoặc
màu sắc của ánh sáng. Năng lượng của ánh sáng thấy ñược có khả năng kích thích
các ñiện tử liên kết trong những vật liệu thích hợp lên mức năng lượng cao hơn. Ở
trạng thái kích thích có năng lượng cao các ñiện tử tự do hơn và di chuyển dễ dàng
hơn. Thông thường, những ñiện tử ở trạng thái kích thích này nhanh chóng giải
phóng năng lượng và trở về trạng thái cơ bản ban ñầu. Trong trường hợp của pin
mặt trời, do có các cấu thành bất ñối xứng như sự tiếp xúc của các vật liệu có ñặc
tính ñiện khác nhau nên có khả năng ñịnh hướng, chuyển các ñiện tử ở trạng thái
kích thích ra mạch ngoài trước khi chúng kịp trở về trạng thái cơ bản. Năng lượng
cộng thêm của các ñiện tử bị kích thích tạo ra một sự chênh lệch ñiện thế, hay còn
gọi là lực chuyển ñộng ñiện tử. Lực này ñóng vai trò ñịnh hướng các ñiện tử tạo
dòng ñiện ñi qua tải tiêu thụ ñiện của mạch ngoài. Hình 1.5 mô tả nguyên tắc hoạt
ñộng của một pin mặt trời cơ bản.


Hình 1.4: Sản
lượng ñiện từ
các loại pin mặt
trời màng mỏng
và sự ñóng góp

của các khu vực
sản xuất chính
trên thế giới dự
kiến ñến năm
2012 (nguồn dữ
liệu: PV Status
Report 2008,
European
Commission,
DG JRC [18]).