NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN KỸ THUẬT CHẾ TẠO PIN QUANG ĐIỆN HÓA NANO DIOXIT TITAN – CHẤT NHẠY QUANG N749

ĐẠI HỌC QUỐC GIÁ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PHẠM LÊ NHÂN

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN KỸ THUẬT CHẾ TẠO
PIN QUANG ĐIỆN HÓA NANO DIOXIT TITAN –
CHẤT NHẠY QUANG N749

Chuyên ngành: Hóa Lỹ thuyết và Hóa lý

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

TP HỐ CHÍ MINH - 2010


ii

LỜI CẢM ƠN
“Một chữ là Thầy, nửa chữ cũng là Thầy”, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành
và biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thị Phƣơng Thoa, NCS Nguyễn Thái
Hoàng đã truyền đạt vốn kiến thức vô cùng quan trọng và tạo điều kiện thuận lợi về
tài chính, hóa chất, trang thiết bị kĩ thuật giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè học viên cao học K17, bạn bè trong phòng
thí nghiệm điện hóa ứng dụng đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực
hiện đề tài.
Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình tôi, những ngƣời luôn
luôn động viên chia sẻ và hỗ trợ tôi trong mọi hoàn cảnh.

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


vi
MỤC LỤC

MỤC LỤC
Trang phụ bìa ……………………………………………………………………......i
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN .........................................................................................iii
MỤC LỤC ............................................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT................................................................ ix
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... xii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................... xiv
1.1. Vai trò của năng lƣợng mặt trời .................................................................... 2
1.2. Lịch sử phát triển của pin mặt trời................................................................. 3
1.3. Pin mặt trời chất bán dẫn tiếp xúc p-n ........................................................... 4
1.3.1. Các loại bán dẫn..................................................................................... 4
1.3.2. Sản xuất bán dẫn silic............................................................................. 5
1.3.3. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của pin bán dẫn tiếp xúc p-n ................. 6
1.3.4. Mạch điện tƣơng đƣơng của pin mặt trời tiếp xúc p-n ............................ 7
1.4. Pin mặt trời chất nhạy quang (DSC) .............................................................. 8
1.4.1. Cấu tạo................................................................................................... 8
1.4.2. Nguyên lí hoạt động ............................................................................. 17
1.4.3. Thế mạch hở và các thông số hoạt động của DSC ................................ 19
1.4.4. Thời gian sống và độ bền nhiệt của DSC .............................................. 21
2.1. Phép đo đƣờng đặc trƣng dòng thế ( I-V) .................................................... 24
2.2. Phổ hấp thu UV-VIS ................................................................................... 25
2.3 Phép đo tổng trở........................................................................................... 26
2.3.1. Khái niệm tổng trở (impedance) ........................................................... 26

2.3.2. Lý thuyết phƣơng pháp đo ................................................................... 26
2.3.3. Các cách biểu diễn kết quả đo ............................................................. 28
2.3.4. Hệ điện hóa tuyến tính ......................................................................... 30
2.3.5. Mô phỏng các thành phần trong DSC ................................................... 31

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


vii
MỤC LỤC

3.1. Nhiệm vụ đề tài........................................................................................... 37
3.2. Hóa chất và thiết bị ..................................................................................... 38
3.2.1. Hóa chất ............................................................................................... 38
3.2.2. Thiết bị ................................................................................................ 39
3.3. Chế tạo khung in lụa ................................................................................... 41
3.4. Tạo màng TiO2 trên thủy tinh dẫn điện và khảo sát tính chất của màng ....... 42
3.5. Xây dựng phƣơng trình đƣờng chuẩn phổ hấp thu UV-VIS của N749......... 43
3.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến lƣợng N749 hấp phụ trên điện cực TiO2
.......................................................................................................................... 45
3.7. Chế tạo DSC ............................................................................................... 45
3.7.1. Chế tạo anode ...................................................................................... 45
3.7.2 Chế tạo cathode..................................................................................... 47
3.7.3. Lắp ráp pin DSC .................................................................................. 48
3.8. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ ráp pin lên thông số hoạt động của DSC . 51
3.9. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ lên độ bền của N749 ............................... 51
3.10. Khảo sát tác động của dung dịch điện ly lên hiệu suất và độ bền của DSC
dùng chất nhạy quang N719 .............................................................................. 51

3.11. Đo tổng trở của DSC ................................................................................. 52
4.1. Độ dày màng TiO2 ...................................................................................... 54
4.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến lƣợng N749 hấp phụ trên màng TiO2 ................. 54
4.2.1. Nồng độ ADC và thời gian nung mẫu .................................................. 55
4.2.2. Nồng độ N749...................................................................................... 59
4.2.3. Dung môi pha N749 ............................................................................. 60
4.2.4 Kỹ thuật tạo màng TiO2 ........................................................................ 62
4.3. Ảnh hƣởng của hệ điện ly lên thông số hoạt động của DSC – N719 ............ 63
4.3.1. Ảnh hƣởng của hệ điện ly lên thông số hoạt động của DSC trong quá
trình phơi sáng ............................................................................................... 63
4.3.2 Phân tích tổng trở .................................................................................. 67
4.4. Pin DSC chất nhạy quang N749 .................................................................. 72

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


viii
MỤC LỤC

4.4.1. Điều kiện chế tạo pin ........................................................................... 72
4.4.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ráp pin ........................................................... 73
4.4.3. Vật liệu kết dính ................................................................................... 78
4.4.4. Pin (PX45) chế tạo trong điều kiện tối ƣu và tác động của xử lý với
TiCl4 .............................................................................................................. 79
4.4.5. Đánh giá độ bền nhiệt của chất nhạy quang N749 ................................ 84
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 89
MỘT SỐ ĐỀ XUẤT .......................................................................................... 90
DANH MỤC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ ................................................................ 91

Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 92
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 97

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


ix

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
Tần số góc của tín hiệu áp vào.
1

Tần số đặc trƣng của quá trình chuyển vận điện tử trên điện cực đối.

2

Tần số đặc trƣng cho quá trình khuếch tán điện tử trong lớp màng
TiO2.

3

Tần số đặc trƣng cho sự tái kết hợp của điện tử trong màng với ion I3trong dung dịch điện ly.

4

Tần số đặc trƣng của quá trình khuếch tán ion I3- trong dung dịch điện
ly.

(CPE), Q
Einjection

Phần tử pha không đổi (CPE - Constant phase element)
Năng lƣợng đặc trƣng cho quá trình chuyển điện tử ở trạng thái kích
thích của Dye (D*) sang vùng dẫn của bán dẫn TiO2.

Eregeneration

Năng lƣợng đặc trƣng cho quá trình tái tạo dye bằng phản ứng khử dye
ở trạng thái oxi hóa (D+) bởi điện tử từ ion I-

ADC

Axit deoxycholic

AM

Air mass: tỉ số giữa độ dài của tia sáng mặt trời đi qua lớp khí quyển
và độ dày của lớp khí quyển.

BD, N749

Chất nhạy quang màu đen (black dye – dye đen) triisothiocyanato(2,2’:6’,6”-terpyridyl-4,4’,4”-tricarboxylato) ruthenium(II) tris(tetrabutylammonium))

C

Điện dung

C

Điện dung hóa học

CBD

Vùng dẫn của bán dẫn (Conductor band)

CPt

Điện dung của lớp Helmholtz tại giao diện điện cực Pt/dung dịch điện
ly.

CTCO

Điện dung của lớp Helmholtz tại nền điện cực anode/dung dịch điện li

D

Chất nhạy quang ở trạng thái thƣờng

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


x

D+

Chất nhạy quang ở trạng thái oxi hóa

D520, Z907

cis-disothiocyanato-(2,2’-bipyridyl-4,4’-dicarboxylic acid) - (2,2’bipyridyl-4,4’-dinonyl) ruthenium(II)

DSC

Pin mặt trời chất nhạy quang (dye sensitized solar cell)

DSC-N719

Pin mặt trời chất nhạy quang N719

DSC-N749

Pin mặt trời chất nhạy quang N749

Dye

Chất nhạy quang

ECB

Năng lƣợng vùng dẫn của TiO2

EIA

Tổ chức thông tin năng lƣợng (Energy Information Administration)

EIS

Phổ tổng trở điện hóa (Electrochemical Impedance Spectroscopy)

ELUMO

Năng lƣợng của orbital thấp nhất không chứa điện tử của phân tử

Eredox

Thế của cặp oxi hóa-khử trong dung dịch

EVB

Năng lƣợng vùng hóa trị của TiO2

ff

Hệ số điền đầy của pin quang điện hóa (fill factor)

FTO

Thủy tinh dẫn điện chứa oxit thiếc có thêm Flo (fluorine-dope tin
oxide)

G

Phần tử Gerischer

hđỉnh

Chiều cao của đỉnh hấp thu trong phổ UV-VIS (của chất nhạy quang)

HOMO

Orbital có mức năng lƣợng cao nhất bị chiếm bởi điện tử

I

Cƣờng độ dòng (giữa hai đầu tải ngoài)

ID

Dòng qua diot trong mạch điện tƣơng đƣơng của pin tiếp xúc bán dẫn.

Imax

Dòng điện ứng với công suất cực đại

IPh

Dòng điện rò rỉ ở các mối nối bên ngoài

JSC

Mật độ dòng ngắn mạch

Ka

Hằng số tốc độ của quá trình tái kết hợp giữa điện tử và I3-

L

Độ dày màng TiO2

LUMO

Orbital có mức năng lƣợng thấp nhất không bị chiếm bởi điện tử

N3

cis-di(thiocyanato)bis(4,4-dicarboxilicacid-2,2bipyridine)ruthenium(II)

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


xi

N719

cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2’-bipyridyl-4,4’dicarboxylato)ruthenium(II) bis-tertabutylamonium (chất nhạy quang đỏ)

Pin

Công suất chiếu xạ của ánh sáng

PL

DSC ráp trong điều kiện nhiệt độ phòng

PN

DSC ráp ở nhiệt độ 130oC trong 30 giây

R

Điện trở của nền thủy tinh dẫn

RPt

Điện trở chuyển điện tử trên điện cực đối

Rr

Điện trở của phản ứng tái kết hợp giữa điện tử với I3-

rr

Điện trở của phản ứng tái kết hợp giữa điện tử với I3- xét cho một đơn
vị độ dày của màng TiO2

Rsc

Điện trở tiếp xúc giữa các dây nối và điện trở của bán dẫn silic

RSH

Điện trở dòng rò rỉ

Rsol

Điện trở khuếch tán của ion I3- trong dung dịch điện li

Rt

Điện trở khuếch tán của điện tử trong TiO2

rt

Điện trở khuếch tán của điện tử trong màng TiO2 xét cho một đơn vị
độ dày màng TiO2

RTCO

Điện trở của phản ứng kết hợp giữa điện tử từ nền điện cực không bị
phủ bởi TiO2 với I3-.

TCO

Lớp oxit dẫn trong suốt (transparent conducting oxide)

Vmax

Thế ứng với công suất cực đại của pin

VOC

Thế mạch hở của pin (open circuit voltage)

Yo

Độ dẫn nạp, có giá trị bằng 1/|Z| ở

Z

Trở kháng của hệ

Z0

Biên độ của tổng trở

Zd(sol)

Điện trở khuếch tán Nernst của ion trong dung dịch điện li.

ZG

Điện trở của phần tử Gerischer

ZQ

Điện trở của CPE

η

Hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng của pin

Φ

Góc lệch pha giữa dòng điện áp vào với dòng điện đáp ứng

Luận văn thạc sĩ Hóa học

= 1 rad/s (~ 0,16 Hz)

Phạm Lê Nhân


xii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1 Các thành phần cơ bản trong mạch điện xoay chiều. .............................. 31
Bảng 3. 1 Thành phần các dung dịch, keo TiO2 ..................................................... 38
Bảng 3. 2 Nồng độ dung dịch chuẩn và cƣờng độ của đỉnh hấp thu tƣơng ứng của
dung dịch N749, CN749: Nồng độ N749, hđỉnh: chiều cao đỉnh. ................................ 44
Bảng 3. 3 Nồng độ thực (CN749), chiều cao đỉnh (hđỉnh) và nồng độ xác định theo
phƣơng trình đƣờng chuẩn (C’N749) của dung dịch N749. ..................................... 44
Bảng 3. 4 Ký hiệu pin ............................................................................................ 50
Bảng 4. 1 Độ dày (µm) của màng TiO2 tạo trên FTO ............................................. 54
Bảng 4. 2 Lƣợng N749 hấp phụ trên bề mặt TiO2 ứng với thời gian nung mẫu 15
phút ở 500oC ......................................................................................................... 55
Bảng 4. 3 Lƣợng N749 hấp phụ trên bề mặt TiO2 ứng với thời gian nung mẫu 45
phút ở 500oC ......................................................................................................... 56
Bảng 4. 4 Lƣợng N749 hấp phụ trên bề mặt TiO2 ứng với thời gian nung mẫu 75
phút ở 500oC ......................................................................................................... 57
Bảng 4. 5 Tác động của thời gian nung mẫu, nồng độ ADC lên lƣợng N749 hấp phụ
trên TiO2 ............................................................................................................... 57
Bảng 4. 6 Lƣợng N749 trung bình hấp phụ trên TiO2

x105), mmol/cm2

.............................................................................................................................. 59
Bảng 4. 7 Lƣợng N749 hấp phụ trên TiO2 khi thay đổi dung môi pha mẫu ........... 61
Bảng 4. 8 Lƣợng N749 (mmol/cm2) hấp phụ trên anode tạo theo phƣơng pháp in lụa
và doctor-blade ...................................................................................................... 62
Bảng 4. 9 Tóm tắt các thông số hoạt động của DSC-N719 sử dụng các hệ điện ly
R50, TG50 và TP .................................................................................................. 67
Bảng 4. 10 Kí hiệu DSC và thông số chế tạo ......................................................... 72
Bảng 4. 11 Thông số hoạt động của DSC ráp ở 130oC và ở nhiệt độ phòng .......... 73
Bảng 4. 12 Thông số hoạt động của DSC sử dụng chất liệu dán thủy tinh lỏng
(PLTL), Silicon dán kính (PLSi), Mastic (PLMa) .................................................. 78

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


xiii

Bảng 4. 13 Hiệu suất và thông số hoạt động của DSC ráp trên cơ sở điều kiện thích
hợp (PX45) so với các DSC ráp ở các điều kiện khác. ........................................... 80
Bảng 4. 14 Thành phần Yo và Ka của DSC có xử lý TiCl4 và không xử lý TiCl4 .... 84
Phụ lục
Bảng 1 Thành phần của mạch điện tƣơng đƣơng trên phần mềm Fit & Simulation 97
Bảng 2 Trở kháng của quá trình khuếch tán I3- trong dung dịch điện ly Rsol (Ohm)
của các DSC – N719 theo thời gian phơi sáng (1000 W/m2, 42oC) đối với các dung
dịch điện ly R50, TG50 và TP. .............................................................................. 97
Bảng 3 Biến đổi độ dẫn nạp Yo (Ohm-1.s1/2) của các DSC – N719 theo thời gian
phơi sáng (1000 W/m2, 42oC) đối với các dung dịch điện ly R50, TG50 và TP...... 97

Bảng 4 Ka (s-1) của các DSC – N719 theo thời gian phơi sáng (1000 W/m2, 42oC)
đối với các dung dịch điện ly R50, TG50 và TP. ................................................... 97
Bảng 5 Biến đổi hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng η (%) của các DSC – N719 theo
thời gian phơi sáng (1000 W/m2, 42oC) đối với các dung dịch điện ly R50, TG50 và
TP. ........................................................................................................................ 98
Bảng 6 Biến đổi mật độ dòng ngắn mạch JSC (mA/cm2) của các DSC – N719 theo
thời gian phơi sáng (1000 W/m2, 42oC) đối với các dung dịch điện ly R50, TG50 và
TP. ........................................................................................................................ 98
Bảng 7 Biến đổi thế mạch hở VOC (V) của các DSC – N719 theo thời gian phơi sáng
(1000 W/m2, 42oC) đối với các dung dịch điện ly R50, TG50 và TP...................... 99
Bảng 8 Biến đổi hệ số điền đầy ff của các DSC – N719 theo thời gian phơi sáng
(1000 W/m2, 42oC) đối với các dung dịch điện ly R50, TG50 và TP...................... 99

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


xiv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Cấu trúc tinh thể silic tinh khiết (a), bán dẫn loại p (b), bán dẫn loại n (c).
................................................................................................................................ 4
Hình 1. 2 Mô hình tinh thể silic có chứa tạp chất doping. ........................................ 6
Hình 1. 3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời chất bán dẫn tiếp xúc pn .............................................................................................................................. 7
Hình 1. 4 Mạch điện tƣơng đƣơng của pin mặt trời bán dẫn tiếp xúc p-n. (a) pin lí
tƣởng, (b) pin thật. ................................................................................................... 8
Hình 1. 5 Ảnh hƣởng của điện trở RSH và RSC lên đƣờng cong dòng thế I-V ............ 8
Hình 1. 6 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của DSC ......................................................... 9
Hình 1. 7c Cấu trúc phân tử của một số chất nhạy quang ruthenium ...................... 14

Hình 1. 8 Cấu trúc phân tử của một số chất nhạy quang của các kim loại khác (Fe,
Pt, Os) ................................................................................................................... 15
Hình 1. 9 Cấu trúc mạng tinh thể của anatase (a), rutile (b), brookite (c). .............. 16
Hình 1. 10 Sơ đồ các quá trình chuyển đổi trạng thái năng lƣợng trong DSC ......... 18
Hình 1. 11 Mối quan hệ giữa các mức năng lƣợng trong DSC ............................... 19
Hình 1. 12 Đƣờng cong I-V của một DSC (có biểu diễn Imax, Vmax) ....................... 20
Hình 1. 13 Ảnh hƣởng của các yếu tố đến độ bền của DSC ................................... 22
Hình 2. 1 Đƣờng đi của ánh sáng qua bầu khí quyển đến bề mặt trái đất................ 24
Hình 2. 2 Sơ đồ hệ thống mô phỏng ánh sáng mặt trời đo các thông số hoạt động
của DSC ................................................................................................................ 25
Hình 2. 3 Tín hiệu dòng phản hồi so với tín hiệu thế xoay chiều kích thích cho hệ
tuyến tính. ............................................................................................................. 27
Hình 2. 4 Hình Lissajous ....................................................................................... 28
Hình 2. 5 Đồ thị Nyquist và vector tổng trở. .......................................................... 29
Hình 2. 6 Đồ thị Bode............................................................................................ 29
Hình 2. 7 Hệ không tuyến tính có thể xem là giả tuyến tính trong vùng hẹp. ......... 30
Hình 2. 8 Một dạng mạch điện tƣơng đƣơng mô phỏng DSC................................. 32
Hình 2. 9 Đồ thị Nyquist của trở kháng Nernst (N) và thành phần Gerisher (G) .... 33

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


xv

Hình 2. 10 Đồ thị biểu diễn trở kháng của CPE trong phép đo tổng trở trên phổ
Nyquist. ................................................................................................................. 35
Hình 3. 1 Thiết bị mô phỏng mặt trời (Solar Simulator - Solarena) đo thông số pin
.............................................................................................................................. 40

Hình 3. 2 Thiết bị đo phổ tổng trở Autolab – PGSTAT 302N ................................ 40
Hình 3. 3 Thiết bị đo phổ hấp thu UV-VIS Jasco V670 (Nhật Bản) ....................... 41
Hình 3. 5 Khung in cố định trên bàn in thông qua hệ thống ổ bi ............................ 42
Hình 3. 4 Quy trình tạo âm bản in lụa .................................................................... 42
Hình 3. 6 Phổ hấp thu UV-VIS của N749. ............................................................. 43
Hình 3. 7 Phƣơng trình đƣờng chuẩn dung dịch N749 ........................................... 44
Hình 3. 8 Sơ đồ công đoạn chế tạo DSC ................................................................ 47
Hình 3. 9 Cấu tạo chi tiết của DSC ........................................................................ 48
Hình 3. 10 Hệ thống nén chân không ..................................................................... 49
Hình 3. 11 Sơ đồ quy trình chế tạo DSC ................................................................ 49
Hình 3. 12 Sơ đồ hệ đo phổ tổng trở DSC.............................................................. 52
Hình 4. 1 Sự phụ thuộc của lƣợng N749 hấp phụ trên màng TiO2 nung ở 500oC vào
nồng độ phụ gia ADC trong dung dịch N749 tại các thời gian nung 15 phút, 45 phút
và 75 phút. ............................................................................................................. 58
Hình 4. 2 Sự phụ thuộc của lƣợng N749 hấp phụ trên màng TiO2 nung 500oC vào
nồng độ N749 trong dung dịch N749 tại các thời gian nung 15 phút (có 20 mM
ADC), 45 phút và 75 phút (không có ADC). .......................................................... 60
Hình 4. 3 Biểu đồ biểu diễn lƣợng N749 hấp phụ trên TiO2 khi thay đổi hệ dung
môi pha N749 và thời gian nung mẫu. ................................................................... 61
Hình 4. 4 Biểu đồ biểu diễn lƣợng N749 trên anode đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp
in lụa (X15, X45) và doctor blade (XD45) ............................................................. 63
Hình 4. 5 Biến đổi hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng η của DSC – N719 theo thời
gian phơi sáng (1000 W/m2, 42oC) với các hệ điện ly R50, TG50 và TP................ 64
Hình 4. 6 Biến đổi hiệu suất chuyển đổi mật độ dòng ngắn mạch của DSC – N719
theo thời gian phơi sáng (1000 W/m2, 42oC) với các hệ điện ly R50, TG50 và TP. 65

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân

xvi

Hình 4. 7 Quá trình biến đổi thế mạch hở VOC theo thời gian chiếu sáng của DSC. 65
Hình 4. 8 Biểu đồ biểu diễn sự biến đổi của hệ số điền đầy ff theo thời gian phơi
nhiệt ...................................................................................................................... 66
Hình 4. 9 Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng của DSC ........................................................ 68
Hình 4. 10 Phổ tổng trở của một DSC thể hiện các cung

1,

3và

4

ở các vùng tần

số khác nhau. ......................................................................................................... 69
Hình 4. 11 Biến thiên của Yo theo thời gian phơi sáng ........................................... 70
Hình 4. 12 Biến thiên của trở kháng quá trình khuếch tán I3- trong dung dịch điện ly
theo thời gian phơi sáng......................................................................................... 70
Hình 4. 13 Biến thiên Ka theo thời gian phơi sáng ................................................. 71
Hình 4. 14 Biểu đồ biểu diễn mật độ dòng (a), thế mạch hở (b), hệ số điền đầy (c)
và hiệu suất (d) của DSC ráp ở 130oC và ở nhiệt độ phòng .................................... 75
Hình 4. 15 Đƣờng cong I-V của DSC ráp ở nhiệt độ phòng PL5 và ở 130oC PN3 . 76
Hình 4. 16 Biến đổi hiệu suất (A) và mật độ dòng (B) của DSC ráp ở 130oC (PN) và
DSC ráp ở nhiệt độ phòng (PL) sử dụng chất nhạy quang N749 ............................ 77
Hình 4. 17 Đƣờng cong dòng thế của DSC PL sau các khoảng thời gian phơi sáng
khác nhau .............................................................................................................. 78
Hình 4. 18 Đƣờng cong dòng thế (I-V) ở thời điểm ban đầu của DSC dùng chất liệu

dán thủy tinh lỏng (PLTL) và silicon (PLSi). ......................................................... 79
Hình 4. 19 Biểu đồ biểu diễn các thông số hoạt động của 5 DSC ở các điều kiện chế
tạo khác nhau: (A) thế mạch hở VOC; (B) mật độ dòng JSC; (C) hệ số điền đầy ff; (D)
hiệu suất η. ............................................................................................................ 81
Hình 4. 20 Đồ thị biểu diễn đƣờng cong dòng thế (I-V) của các DSC trƣớc và sau
khi lựa chọn điều kiện thích hợp ............................................................................ 82
Hình 4. 21 Đƣờng cong dòng thế (I-V) của DSC có và không có xử lý TiCl4: (A)
DSC kết tinh TiO2 45 phút ở 500oC, (B) DSC kết tinh TiO2 15phút ở 500oC. ........ 83
Hình 4. 22 Phổ hấp thu của N749 trích ra từ anode sau các khoảng thời gian phơi
nhiệt khác nhau ở 85oC trong chân không. ............................................................. 85

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


xvii

Hình 4. 23 Phổ hấp thu của N749 trích ra từ anode sau các khoảng thời gian phơi
nhiệt khác nhau ở 130oC giống điều kiện ráp. ........................................................ 86
Hình 4. 24 Phổ hấp thu UV-VIS của chất nhạy quang N719 sau các khoảng thời
gian xử lý nhiệt khác nhau ở 130oC ....................................................................... 87
Phụ lục
Hình 1 Phổ tổng trở của DSC PX15..................................................................... 100
Hình 2 Phổ tổng trở của DSC PX45..................................................................... 100
Hình 3 Phổ tổng trở của DSC PXK15 .................................................................. 100
Hình 4 Phổ tổng trở của DSC PXK45 .................................................................. 101
Hình 5 Phổ tổng trở của DSC PL15 ..................................................................... 101
Hình 6 Phổ tổng trở của DSC R50 sau 0 giờ phơi sáng (1000 W/m2)................... 101
Hình 7 Phổ tổng trở của DSC R50 sau 24 giờ phơi sáng (1000 W/m2) ................. 102

Hình 8 Phổ tổng trở của DSC R50 sau 48 giờ phơi sáng (1000 W/m2) ................. 102
Hình 9 Phổ tổng trở của DSC TG50 sau 0 giờ phơi sáng (1000 W/m2) ................ 102
Hình 10 Phổ tổng trở của DSC TG50 sau 24 giờ phơi sáng (1000 W/m2) ............ 103
Hình 11 Phổ tổng trở của DSC R50 sau 48 giờ phơi sáng (1000 W/m2) ............... 103

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


1
CHƢƠNG 1: PIN MẶT TRỜI

CHƢƠNG 1:
PIN MẶT TRỜI

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


2
CHƢƠNG 1: PIN MẶT TRỜI

1.1. Vai trò của năng lƣợng mặt trời
Năng lƣợng là vấn đề vô cùng quan trọng cho sự tồn tại và phát triển của mỗi
quốc gia. Trong những năm gần đây, lƣợng năng lƣợng tiêu thụ trên thế giới có sự
tăng nhanh do nhu cầu phát triển kinh tế. Theo tổ chức EIA (Energy Information
Administration), lƣợng năng lƣợng tiêu thụ năm 2015 sẽ tăng gần 20% và năm 2030
tăng 44% so với năm 2006 (4,98 × 1020 Wh) [9]. Năm 2006, 86% nguồn cung cấp

năng lƣợng có sản sinh ra CO2, chiếm 80% lƣợng CO2 sinh ra trên toàn cầu, và quá
trình đốt nhiên liệu này sinh ra các chất gây ô nhiễm môi trƣờng khác nhƣ NOx,
SOx, ..., đây là vấn đề nguy hại đối với môi trƣờng sống và là nguyên nhân của hiện
tƣợng ấm lên toàn cầu. Mặt khác, nguồn năng lƣợng hóa thạch ngày càng cạn kiệt,
theo báo cáo của tập đoàn BP năm 2009, trữ lƣợng dầu thế giới đủ để khai thác
trong 42 năm, khí thiên nhiên 60 năm, than đá 200 năm [6]. Nguồn năng lƣợng thay
thế thân thiện môi trƣờng là vấn đề cấp thiết đặt ra cho loài ngƣời. Năng lƣợng tái
sinh (gió, mặt trời, thủy điện, thủy triều, năng lƣợng sinh học) là ứng cử viên sáng
giá trong tƣơng lai. Năm 2006, năng lƣợng sạch đã đóng góp 8% vào nguồn cung
cấp năng lƣợng trên toàn cầu, đến năm 2030 lƣợng đóng góp đạt đến 11%, con số
này tiếp tục tăng lên trong tƣơng lai. Với lí do đó, nhiều nƣớc trên thế giới đã đầu tƣ
vào việc nghiên cứu khai thác nguồn năng lƣợng này, lƣợng tài chính tăng gấp 6 lần
từ 20 tỉ USD năm 2004 lên 120 tỉ USD năm 2008, trong đó năng lƣợng gió chiếm
42%, năng lƣợng mặt trời 32% [40]. Nhƣ vậy, năng lƣợng mặt trời sẽ là một trong
những nguồn cung cấp năng lƣợng chủ yếu trong tƣơng lai.
Mặt trời đƣợc xem là nguồn cung cấp năng lƣợng vô tận, với lƣợng năng lƣợng
khổng lồ chiếu xuống bề mặt trái đất hàng năm tƣơng đƣơng 1×1018 kWh [27], nếu
so sánh với tổng năng lƣợng thế giới tiêu thụ năm 2000 tƣơng đƣơng 1014 kWh [26]
ta có thể thấy giá trị thực của nguồn năng lƣợng này. Vấn đề đặt ra là chuyển nguồn
năng lƣợng vô tận này về các dạng năng lƣợng loài ngƣời có thể sử dụng nhƣ điện,
nhiệt ... Pin mặt trời là ứng viên hàng đầu trong việc chuyển đổi trực tiếp năng
lƣợng ánh sáng thành năng lƣợng điện.

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


3
CHƢƠNG 1: PIN MẶT TRỜI

1.2. Lịch sử phát triển của pin mặt trời
Từ lâu loài ngƣời đã biết sử dụng năng lƣợng mặt trời phục vụ cho cuộc sống, vì
vậy dùng năng lƣợng mặt trời không phải là vấn đề mới. Tuy nhiên, chuyển quang
năng thành điện năng thực sự là vấn đề mới mẻ. Từ thế kỉ thứ 7 trƣớc công nguyên
đến những thập niên đầu của thế kỉ 19, loài ngƣời sử dụng năng lƣợng mặt trời nhƣ
một nguồn cung cấp nhiệt đun nóng vật chất nhƣ nƣớc, thức ăn. Đến năm 1839, nhà
vật lí ngƣời pháp Alexandre-Edmond Becquerel đã tìm ra hiệu ứng quang điện. 34
năm sau, năm 1873 nguyên tố quang dẫn đầu tiên đƣợc phát hiện [52, 56], selen, nó
mở ra thời kì mới của pin quang dẫn. Nhiều kết quả nghiên cứu lần lƣợt đƣợc công
bố, trong đó có công trình công bố pin quang điện hoàn chỉnh đầu tiên của Charles
Fritts, hiệu suất của pin đạt đến 1%, sau này nó đƣợc sử dụng nhƣ cảm biến ánh
sáng [56]. Albert Einstein đã tạo ra một cuộc cách mạng thực sự trong khoa học khi
các công trình của ông đƣợc đăng, trong đó có thuyết lƣợng tử ánh sáng. Thuyết này
giải thích khá thành công tính dẫn điện của các nguyên tố bán dẫn, nó thực sự là lý
thuyết vững chắc cho việc phát triển pin quang điện sau này. Năm 1953, pin quang
điện trên cơ sở chất bán dẫn silicon đầu tiên đƣợc chế tạo và phát triển đạt hiệu suất
chuyển đổi quang năng thành điện năng 11%, nhƣng giá thành của mỗi kWh điện
năng tạo ra là 1000 USD [56]. Hiệu suất 42,8% là con số ấn tƣợng của pin bán dẫn
silic mà đại học Delaware của Hoa Kỳ đã chế tạo thành công năm 2007.
Đạt hiệu suất cao, nhƣng pin bán dẫn silic có giá thành khá cao, đây là vấn
đề nan giải để đƣa pin loại này vào thực tiễn cuộc sống. Michael Graetzel đã giải
quyết vấn đề này bằng pin mặt trời trên cơ sở chất bán dẫn TiO2 tẩm chất nhạy
quang (DSC). Năm 1991, pin mặt trời tẩm chất nhạy quang trên cơ sở tinh thể TiO2
đầu tiên đƣợc chế tạo. DSC đạt hiệu suất cao nhất 11% đƣợc chế tạo tại Thụy Sĩ vào
năm 1996. Ngày nay, pin mặt trời chất nhạy quang đang đƣợc tiếp tục nghiên cứu
và ứng dụng ở nhiều nƣớc trên thế giới nhƣ Nhật Bản, Australia, Hoa Kì, Trung
Quốc, EU ...

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


4
CHƢƠNG 1: PIN MẶT TRỜI

1.3. Pin mặt trời chất bán dẫn tiếp xúc p-n
1.3.1. Các loại bán dẫn [25]
Pin mặt trời chất bán dẫn tiếp xúc p-n là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang
điện trong bán dẫn để tạo ra dòng điện một chiều. Pin mặt trời thông dụng nhất hiện
nay sử dụng chất bán dẫn là tinh thể silic.
Silic (Si) là nguyên tố nằm ở ô thứ 14 trong Bảng Hệ thống tuần hoàn. Các
điện tử đƣợc phân bố vào 3 lớp, hai lớp trong đƣợc xếp đầy 10 điện tử, lớp ngoài
cùng của Si có 4 điện tử. Để đạt đƣợc cấu hình bền vững, nguyên tử Si có khuynh
hƣớng kết hợp với các nguyên tử Si khác. Do đó trong kết cấu mạng tinh thể Si,
quanh một nguyên tử Si luôn có bốn nguyên tử Si khác. Tinh thể silic tinh khiết dẫn
điện rất kém vì các điện tử bị giữ rất chặt trong mạng, chỉ khi đƣợc kích thích quang
hay nhiệt các điện tử này bị bứt ra khỏi liên kết, nghĩa là chuyển từ vùng hóa trị lên
vùng dẫn để lại các lỗ trống mang điện tích dƣơng, khi đó tinh thể silic dẫn điện.

Hình 1. 1 Cấu trúc tinh thể silic tinh khiết (a), bán dẫn loại p (b), bán dẫn loại n (c).

Khi thêm nguyên tử có 3 điện tử hoặc 5 điện tử lớp ngoài cùng vào tinh thể
silic tinh khiết, các tinh thể loại này sẽ có sự thay đổi số lƣợng điện tử (Hình 1.1).
Trƣờng hợp các nguyên tử hóa trị 3 đƣợc thêm vào, lỗ trống sẽ xuất hiện trong tinh
thể do sự thiếu hụt điện tử để ghép đôi, bán dẫn loại này gọi là loại p (positive).
Ngƣợc lại nếu thêm nguyên tử hóa trị 5, mạng tinh thể sẽ dƣ điện tử, lúc này tính
dẫn điện của bán dẫn tăng lên là do điện tử tự do này. Bán dẫn loại này gọi là bán
dẫn loại n (negative). Các nguyên tố thêm vào tinh thể silic thƣờng là phospho (P –

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


5
CHƢƠNG 1: PIN MẶT TRỜI

5 điện tử lớp ngoài cùng), và bo (B – 3 điện tử lớp ngoài cùng), các nguyên tử tạp
chất thêm thƣờng với tỉ lệ một phần một triệu.
1.3.2. Sản xuất bán dẫn silic [49]
Silic là thành phần chính trong cát thạch anh (SiO2), quá trình điều chế silic
từ cát thạch anh xảy ra ở nhiệt độ khá cao 1800oC. Cacbon là tác nhân khử đƣa Si+4
về Si theo phƣơng trình:
SiO2 + 2C

2CO + Si

(1.1)

Theo phản ứng (1.1), Si thu đƣợc có độ tinh khiết đạt đến 98%. Ngoài ra có thể
dùng nhôm để làm tác nhân khử, tiến trình này có thể thu đƣợc Si tinh khiết cao:
3SiO2 + 2Al

Al2O3 +

3Si

(1.2)

Quy trình (1.2) có ƣu điểm thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn, tuy nhiên có lƣợng nhôm
đáng kể trong trong silic thu đƣợc. Bán dẫn silic dùng trong thiết bị phần cứng máy
tính, điện tử ... độ tinh khiết của silic thu đƣợc đòi hỏi khá nghiêm ngặt 10-10%, đối
với silic dùng trong việc chế tạo pin tiếp xúc bán dẫn độ tinh khiết không cao nhƣ
vậy, nhƣng quá trình làm tinh khiết silic thu đƣợc là cần thiết. Toàn bộ lƣợng silic
thu đƣợc ở trên trộn lẫn với axit chlohidric hay hidrochloride, phản ứng hóa học
giữa Si và HCl cho ra SiHCl3 và H2.
Si + 3HCl

SiHCl3 + H2

(1.3)

SiHCl3 tồn tại dạng dung dịch ở 30oC, tiến hành chƣng cất phân đoạn để loại bỏ tạp
chất. Ở 1350oC, H2 độ tinh khiết cao đƣợc thổi vào pha khí của SiHCl3 thu đƣợc ở
quá trình chƣng cất trên, quá trình lắng tủa pha khí của silic hình thành các thanh
silic nhỏ.
4SiHCl3 + 2H2

3Si + SiCl4 + 8HCl

(1.4)

Sau giai đoạn này, silic độ tinh khiết cao thu đƣợc dạng thanh có đƣờng kính
khoảng 30 cm, dài 2 m. Các thanh silic đƣợc cắt thành lá có độ dày 200 đến 500
µm. Các lá mỏng silic trên đƣợc rửa sạch và doping bằng phospho hay bo. P hoặc B
dạng khí đƣợc phân tán vào các lớp silic tinh thể bằng khí mang (N2, O2), các quá

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


6
CHƢƠNG 1: PIN MẶT TRỜI

trình khuếch tán này phụ thuộc vào loại khí, tốc độ dòng khí và nhiệt độ khí mang.
Hình 1.2 trình bày tinh thể silic sau khi đƣợc doping.

Hình 1. 2 Mô hình tinh thể silic có chứa tạp chất doping.

1.3.3. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của pin bán dẫn tiếp xúc p-n
Bán dẫn p và n của tinh thể silic đƣợc sử dụng phổ biến trong việc chế tạo
pin mặt trời tiếp xúc bán dẫn p-n, chúng đóng vai trò là các điện cực trong pin. Hai
điện cực loại p và n đƣợc đặt tiếp xúc với nhau, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc
trong bán dẫn loại n sẽ khuếch tán sang bán dẫn loại p và lấp các lỗ trống trong
phần bán dẫn loại p, lỗ trống khuếch tán ngƣợc lại từ bán dẫn p sang n. Khi các điện
tử di chuyển nhƣ vậy đã làm cho bán dẫn n mất điện tử và tích điện dƣơng, ngƣợc
lại bán dẫn p tích điện âm. Ở bề mặt tiếp xúc của hai chất bán dẫn tích điện trái dấu
và xuất hiện một điện trƣờng hƣớng từ bán dẫn n sang p ngăn cản dòng điện tử chạy
từ bán dẫn n sang p, trong khoảng tạo bởi điện trƣờng này hầu nhƣ không có điện tử
hay lỗ trống tự do. Trên ranh giới tiếp xúc xuất hiện cặp điện tử - lỗ trống, các cặp
điện tử lỗ trống này liên kết với nhau bằng lực hút tĩnh điện.
Khi có ánh sáng chiếu vào, các dải ánh sáng thích hợp đƣợc hấp thu và các
điện tử bị kích thích thoát khỏi liên kết để lại lỗ trống mang điện dƣơng. Dƣới tác
dụng của từ trƣờng trên lớp tiếp xúc, các điện tử bị kéo về bán dẫn n và lỗ trống đi
về bán dẫn p. Nếu nối hai lớp bán dẫn này với mạch ngoài, các điện tử sẽ truyền qua
mạch ngoài, chạy từ bán dẫn n sang p hình thành dòng điện trong mạch ngoài.

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


7
CHƢƠNG 1: PIN MẶT TRỜI

Để ánh sáng có thể đi đến lớp phân cách của anode và cathode, lớp bán dẫn n
phải thật mỏng và ánh sáng sẽ truyền qua lớp này. Ngoài ra, ánh sáng khi đi đến bề
mặt pin thƣờng bị phản xạ, do đó bề mặt của pin thƣờng đƣợc phủ lớp chống phản
xạ. Hình 1.3 mô tả cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin bán dẫn tiến xúc p-n.

Hình 1. 3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời chất bán dẫn tiếp xúc p-n

1.3.4. Mạch điện tƣơng đƣơng của pin mặt trời tiếp xúc p-n [39, 49]
Để đánh giá các quá trình biến đổi xảy ra trong pin điện, mạch điện tƣơng
đƣơng sẽ đƣợc sử dụng để mô phỏng các quá trình này. Mạch điện tƣơng đƣơng
gồm có các thành phần nhƣ điện trở, tụ điện, diot ...
Trƣờng hợp đơn giản nhất, pin bán dẫn tiếp xúc p-n đƣợc xét ở dạng lí
tƣởng. Mạch điện tƣơng đƣơng đƣợc biểu diễn nhƣ Hình 1.4(a). Thành phần của
mạch điện gồm một nguồn điện L và một diot D mắc song song. Thực tế, pin mặt
trời tiếp xúc p-n có thêm các yếu tố khác nhƣ điện trở tiếp xúc giữa các dây nối,
điện trở của bán dẫn (kí hiệu RSC) và điện trở rò rỉ mạch ngoài RSH, vì vậy mạch
điện tƣơng đƣơng của pin thực đƣợc thêm điện trở RSH song song và RSC nối tiếp
(Hình 1.4b).
Nếu xem dòng điện sinh ra ở mạch ngoài là I, dòng rò rỉ là ISH, dòng điện hao
tổn cho điện trở tiếp xúc là IS, dòng tổng sinh ra do hiệu ứng quang điện sinh ra là
IL, ta có phƣơng trình:
I = IL - IS - ISH

Luận văn thạc sĩ Hóa học

(1.5)
Phạm Lê Nhân


8
CHƢƠNG 1: PIN MẶT TRỜI

Hình 1. 4 Mạch điện tƣơng đƣơng của pin mặt trời bán dẫn tiếp xúc p-n. (a) pin lí

tƣởng, (b) pin thật.
Để I đạt giá trị lớn nhất, theo phƣơng trình (1.5) ISH phải nhỏ nhất, điều này
có nghĩa là RSH phải cao. Mặt khác dòng mạch ngoài phụ thuộc khá lớn vào điện trở
tiếp xúc giữa các dây nối và bán dẫn RSC, RSC càng nhỏ dòng qua tải ngoài càng lớn.
Hình 1.5 trình bày ảnh hƣởng của điện trở RSH và RSC lên đƣờng cong dòng thế I –
V.

Hình 1. 5 Ảnh hƣởng của điện trở RSH và RSC lên đƣờng cong dòng thế I-V

1.4. Pin mặt trời chất nhạy quang (DSC)
1.4.1. Cấu tạo
Hình 1.6 trình bày các thành phần cấu tạo của DSC

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


9

CHƢƠNG 1: PIN MẶT TRỜI

Hình 1. 6 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của DSC

Một DSC đƣợc tạo nên từ những thành phần chính là các điện cực và dung
dịch điện ly. Điện cực thƣờng đƣợc làm từ thủy tinh dẫn điện (TCO), trong mỗi
DSC có điện cực làm việc (anode) và điện cực đối (cathode). Trên bề mặt dẫn điện
của thủy tinh dẫn làm anode có phủ lớp TiO2 quang dẫn, trên hấp phụ chất nhạy
quang (dye) có tác dụng hấp thu ánh sáng mặt trời chiếu xuyên qua thủy tinh.
Cathode có thể làm từ thủy tinh dẫn hoặc vật liệu khác có khả năng dẫn điện. Đối
với cathode làm từ thủy tinh dẫn, một lớp mỏng Pt đƣợc phủ lên bề mặt dẫn. Một
lớp polymer đặc biệt đặt giữa hai điện cực có tác dụng kết dính chúng vào nhau và
tạo khoảng trống chứa dung dịch điện ly, có độ dày khoảng 25µm [29].
Dung dịch điện ly chứa cặp oxi hóa – khử là thành phần quan trọng trong
DSC. Hệ oxi hóa khử đƣợc sử dụng trong pin là I-/I3- hệ này có tác dụng vận chuyển

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


10
CHƢƠNG 1: PIN MẶT TRỜI

điện tử từ cathode đến chất nhạy quang thông qua quá trình khử ở cathode và oxi
hóa xảy ra tại vùng tiếp xúc với chất nhạy quang.
a. Cấu tạo và tính chất của một số chất nhạy quang
Chất nhạy quang là các phức cơ kim đa phối tử chứa nhóm polypyridin của
các kim loại Fe, Os, Ru. Khi đƣợc hấp phụ lên bề mặt của TiO2, các phân tử chất
nhạy quang liên kết với bề các hạt oxit TiO2 bằng các càng chứa nhóm carboxyl

[42, 54], các nhóm này còn có tác dụng chuyển điện tích từ chất nhạy quang sang
vùng dẫn của TiO2.
Các chất nhạy quang ruthenium bipyridin là loại chất nhạy quang thông dụng
nhất hiện nay vì tính ƣu việt của nó nhƣ thời gian sống của trạng thái kích thích dài,
dạng oxi hóa Ru(III) bền [19, 50]. Một số chất nhạy quang đƣợc biết và sử dụng
nhiều nhƣ N3, N719, N749, Z907 (Hình 1.7). N3 có hai nhóm bipyridyl và hai
nhóm NCS, vùng hấp thu của N3 có thể lên đến 800 nm vì liên kết kém chặt chẽ
của nhóm NCS. Mặc dù vậy Jsc của pin tạo nên từ chất nhạy quang này khá cao
nhƣng ngƣợc lại VOC không cao. N719 có cấu trúc gần giống với N3 chỉ khác nhóm
TBA+ thay thế cho H+ tại hai nhóm cacboxyl trên tổng số bốn nhóm.Việc thay thế
proton trong N3 làm cho thế mạch hở (VOC) của pin N719 cao hơn so với N3. Thế
mạch hở (VOC) của pin tạo nên từ hai loại chất nhạy quang này khác nhau là do sự
khác nhau về nồng độ proton. Mỗi phân tử N3 có thể cho ra tối đa 4 proton, các
proton này đƣợc hấp phụ vào vị trí có tính bazơ trên bề mặt TiO2, kết quả năng
lƣợng vùng dẫn (ECB) của TiO2 dịch chuyển về phía dƣơng.
Một chất nhạy quang khác có bƣớc sóng hấp thu trên 900 nm là N749, dải
sóng hấp thu rộng nhƣng nhƣợc điểm của chất nhạy quang này là mật độ dòng JSC
thu đƣợc khi chế tạo pin không cao. N749 hay còn gọi là chất nhạy quang đen có
bƣớc sóng hấp thu lên đến 920 nm, đây là ƣu điểm của loại chất nhạy quang này.
Tuy nhiên khả năng hấp phụ của N749 lên lớp TiO2 thấp hơn so với N3 và N719,
do đó lớp TiO2 trên anode phải dày hơn để tăng lƣợng N749 hấp phụ. Điều này ảnh

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân


11
CHƢƠNG 1: PIN MẶT TRỜI

hƣởng không tốt đến việc truyền điện tử và thế mạch hở của pin thu đƣợc, có nghĩa
là JSC và VOC sẽ giảm khi độ dày của lớp TiO2 tăng lên. VOC của pin sử dụng chất
nhạy quang N749 thấp hơn của pin sử dụng chất nhạy quang N719 và do đó hiệu
suất thu đƣợc không cao hơn so với N719.
Chất nhạy quang D520 (hay Z907) có sự khác biệt hoàn toàn so với các chất
nhạy quang trên. Các pin sử dụng chất nhạy quang N3 hay N719 bị xuống cấp trong
quá trình hoạt động do các phân tử nƣớc len lỏi vào trong pin, chính các phân tử
nƣớc này tác động làm giải hấp chất nhạy quang ra khỏi bề mặt TiO2. Đối với chất
nhạy quang D520 có hai nhóm ankyl dài kị nƣớc gắn với phối tử bipyridin có tác
dụng không cho các phân tử nƣớc tiếp xúc với chất nhạy quang. Thực nghiệm đã
chứng minh đƣợc độ bền của các pin sử dụng D520, hiệu suất vẫn giữ đƣợc 94% so
với ban đầu sau khi xử lý nhiệt ở 80oC trong 1000 giờ, và sau khi phơi sáng có tia tử
ngoại ở 55oC trong 1000 giờ pin vẫn hoạt động tốt [58].
Bên cạnh chất nhạy quang ruthenium, một số chất nhạy quang của các kim
loại khác cũng đƣợc tổng hợp và nghiên cứu nhƣ Fe, Os, Pt (Hình 1.8). Tuy nhiên,
pin tạo ra từ các phức này cho kết quả không khả quan. Trong điều kiện chiếu ánh
sáng nhân tạo cƣờng độ 1 nắng, đối với chất nhạy quang của Pt, hiệu suất đạt 3%
(JSC =7,00 mA.cm−2, VOC = 0,60 V, ff = 0,77) [28]. Chất nhạy quang của Os có
vùng bƣớc sóng hấp thu rộng (400 nm – 1100 nm), mật độ dòng (JSC = 18,5
mA/cm2) của pin cao hơn so với pin tạo từ phức của Pt, tuy nhiên VOC cho kết quả
khá nhỏ 0,25 V [3]. Tất cả các pin dùng chất nhạy quang của phức Pt, Os, Fe có
hiệu suất, thế mạch hở, dòng ngắn mạch nhỏ hơn rất nhiều so với pin dùng chất
nhạy quang ruthenium, điều này có thể giải thích do mức năng lƣợng chuyển từ
HOMO lên LUMO trong phức ruthenium khá phù hợp với mức năng lƣợng vùng
dẫn (ECB) của TiO2 và thế khử của iodine.

Luận văn thạc sĩ Hóa học

Phạm Lê Nhân