NGHIÊN cứu TỔNG hợp vật LIỆU COMPOSITE TITAN DIOXITGRAPHENE OXIT DẠNG KHỬ ỨNG DỤNG CHẾ tạo điện cực ANOT TRONG PIN mặt TRỜI CHẤT màu NHẠY QUANG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------o0o---------------

LÊ VĂN CƯỜNG
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSITE
TITAN DIOXIT/GRAPHENE OXIT DẠNG KHỬ
ỨNG DỤNG CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC ANOT TRONG PIN MẶT
TRỜI CHẤT MÀU NHẠY QUANG
(Synthesis of titanium dioxide /reduced graphene oxide
composite
materials for fabrication of anodes in dye-sensitized solar cells)
Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC
Mã số: 8520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2020


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Trọng Liêm Châu……………………….
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, và chữ ký)
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Hữu Hiếu ………………………...
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: ……………………………….. ………..…………………
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: …………………………………..…………………………
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM,
ngày…… tháng……. năm 2020

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ ................................................... – Chủ tịch
2. PGS.TS. Nguyễn Trần Hà ............................................................ – Ủy viên phản biện 1
3. PGS.TS. Nguyễn Thái Hoàng ...................................................... – Ủy viên phản biện 2
4. PGS.TS. Nguyễn Thị Phương Phong ........................................... – Ủy viên
5. TS. Đặng Bảo Trung. .................................................................... – Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Lê Văn Cường
MSHV: 1870528

Ngày, tháng, năm sinh: 22/10/1994

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học

Nơi sinh:

Khánh Hịa

Mã số: 8520301

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Tên tiếng Việt: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite titan dioxit/graphene oxit dạng
khử ứng dụng chế tạo điện cực anot trong pin mặt trời chất màu nhạy quang
Tên tiếng Anh: Synthesis of titanium dioxide/reduced graphene oxide composite
materials for fabrication of anodes in dye-sensitiezed solar cells
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
2.1. Tổng quan
Pin năng lượng mặt trời, pin mặt trời chất màu nhạy quang, vật liệu titan dioxit, graphene
oxit dạng khử, vật liệu composite titan dioxit/graphene oxit dạng khử
2.2. Thực nghiệm
- Tổng hợp vật liệu graphene oxit, graphene oxit dạng khử, các vật liệu composite titan
dioxit/graphene oxit dạng khử, các hệ keo titan dioxit/graphene oxit dạng khử
- Chế tạo điện cực anot và ráp pin mặt trời chất màu nhạy quang
- Khảo sát đặc tính của điện cực và thử nghiệm hiệu quả làm việc của pin
- Khảo sát hình thái – cấu trúc – đặc tính của vật liệu graphene oxit, graphene oxit dạng
khử, và composite titan dioxit/graphene oxit dạng khử thích hợp
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 08/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 09/2020
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. PHẠM TRỌNG LIÊM CHÂU; PGS.TS. NGUYỄN HỮU HIẾU

TP. HCM, ngày …..tháng….. năm 2020
TRƯỞNG PHÒNG PTN TĐ ĐHQG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TP.HCM-CNHH & DK

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
(Họ tên và chữ ký)

ii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến đấng sinh thành và người
thân đã quan tâm, động viên, và giúp đỡ mọi điều kiện tốt nhất cho tác giả trong suốt
quá trình học tập và thực hiện luận văn này.
Tác giả xin bày gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến những người đưa đò tận tâm:
Thầy TS. Phạm Trọng Liêm Châu, Thầy PGS.TS. Nguyễn Hữu Hiếu, Thầy PGS.TS.
Nguyễn Thái Hoàng, và Thầy ThS. Nguyễn Cảnh Minh Thắng, những người Thầy đã
tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình làm luận văn và định hướng cho tác giả
để có kết quả tốt nhất.
Tác giả xin cảm ơn các bạn: Lê Trần Trung Nghĩa, Nguyễn Đức Thịnh, Lê Tiến Phát,
Nguyễn Thị Trà My, Hồ Hữu Đạt, Lê Khắc Hưng, và anh Trần Minh Hiền đã luôn dành
thời gian quý báu của mình để giúp tác giả trong quá trinh thực hiện đề tài cũng như đưa
ra những lời khuyên kinh nghiệm hợp lý trong quá trình viết luận văn.

Bên cạnh đó, tác giả xin gửi lời tri ân đến quý Thầy Cô Trường Đại Học Bách Khoa
– Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh, đặc biệt là quý Thầy Cơ Khoa Kỹ Thuật Hóa
Học đã tận tâm chỉ dạy và truyền đạt kiến kiến thức trong suốt thời gian học tập vừa
qua. Tác giả chân thành cảm ơn tập thể nghiên cứu viên, các anh chị học viên cao học
và các bạn sinh viên của Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí
Minh – Cơng Nghệ Hóa Học và Dầu Khí (CEPP Lab), Trường Đại Học Bách Khoa –
Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh và Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Đại Học Quốc
Gia TP. Hồ Chí Minh – Hóa Lý Ứng Dụng (APC Lab), Trường Đại Học Khoa Học Tự
Nhiên – Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo kinh nghiệm
tốt nhất cho tác giả thực hiện luận văn này.
TP. Hồ Chí Minh, tháng năm 2020
Tác giả
Lê Văn Cường

iii


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong luận văn này, vật liệu composite titan dioxit/graphene oxit dạng khử
(TiO2/rGO) được tổng hợp từ tiền chất titanium isopropoxide (Ti[OCH(CH3)2]4 – TiP)
và graphene oxit (graphene oxide – GO) bằng phương pháp đồng kết tủa. Trong đó, GO
được tổng hợp từ graphite bằng phương pháp Hummers cải tiến. Sau đó, TiP được phân
tán cùng với GO và được khử bằng các chất khử: natri bohidrua, hydrazine hydrate,
axit ascorbic, glucose, và natri citrate; với các tỉ lệ khối lượng chất khử trên khối lượng
GO bao gồm: 1:1, 5:1, 10:1, 15:1, và 20:1. Các vật liệu composite TiO2/rGO được tổng
hợp với tỉ lệ phần trăm khối lượng của GO trên khối lượng tiền chất ban đầu (GO và
TiP) lần lượt là 0,01; 0,05; 0,25; 1,25; và 6,25%.
Tiếp theo, các điện cực anot trong pin mặt trời chất màu nhạy quang chế tạo từ các
vật liệu composite TiO2/rGO bằng phương pháp in lụa. Bên cạnh đó, điện cực anot đối
chứng được chế tạo từ TiO2. Đồng thời, các điện cực anot đã chế tạo và điện cực catot

từ keo platin thương mại được sử dụng để lắp ráp pin DSSC.
Ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp vật liệu composite đến hiệu quả làm việc của
pin DSSC được khảo sát bằng các phương pháp: đường đặc trưng mật độ dòng – thế (JV) và phổ tổng trở điện hóa để chọn vật liệu composite TiO2/rGO phù hợp chế tạo điện
cực anot.
Ngồi ra, hình thái – cấu trúc – đặc tính của vật liệu composite TiO2/rGO phù hợp và
các vật liệu tiền chất được khảo sát bằng các phương pháp quang phổ tử ngoại khả kiến,
phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier, phổ Raman, phổ quang điện tử tia X, giản đồ nhiễu
xạ tia X, phổ tán sắc năng lượng tia X, đo diện tích bề mặt riêng theo phương pháp
Brunauer-Emmett-Teller, phân tích nhiệt trọng lượng, kính hiển vi điện tử quét và kính
hiển vi điện tử truyền qua.

iv


ABSTRACT
In this thesis, titanium dioxide/reducing graphene oxide (TiO2/rGO) composite
materials were successfully synthesized from titanium isopropoxide precursors
(Ti[OCH(CH3)2]4 - TiP) and graphene oxide (graphene oxide - GO). In particular, GO
was synthesized from graphite (Gi) by improved Hummers method. TiP was then
dispersed with GO and reduced with reducing agents: sodium bohidride, hydrazine
hydrate, ascorbic acid, glucose, and sodium citrate; with reducing agent weight to GO
volume ratios including: 1:1, 5:1, 10:1, 15:1, and 20:1 to create the composite materials.
TiO2/rGO and rGO with mass ratios of GO were 0.01, 0.05, 0.25, 1.25, and 6.25%.
Next, the anode electrodes of the dye-sensitized solar cell (DSSC) were made from
TiO2/rGO materials using the screen-printing method. Besides, the control anode
electrode is made from TiO2. Manufactured anode electrodes and cathode electrodes
from commercial Plantinum paste were used to assemble DSSCs.
The influence of material synthesis conditions on the electrochemical characteristics
and performance of the DSSC was investigated by the current density line - potential (JV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to verify the appropriate
material.

In addition, the morphology - structure - characteristics of suitable TiO2/rGO
materials

and

precursor

materials

were

investigated

by

ultraviolet–visible

spectrophotometry (UV-Vis), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman
spectroscopy, spectrum X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), X-ray diffraction
(XRD), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), measuring specific surface areas
according to Brunauer-Emmett-Teller (BET), thermogravimetric analysis (TGA), field
emission scanning electron microscopes (FE-SEM), and transmission electron
microscopes electron microscopy (TEM).

v


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan luận văn này là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá nhân
tác giả và được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS. Phạm Trọng Liêm Châu và

Thầy PGS.TS. Nguyễn Hữu Hiếu tại Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Đại Học Quốc
Gia – TP.HCM Cơng nghệ Hóa Học và Dầu Khí (CEPP Lab), Trường Đại Học Bách
Khoa cùng với sự hỗ trợ, tư vấn từ Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Hóa Lý Ứng Dụng
(APC Lab), Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí
Minh.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu, và kết luận trong luận văn này là hồn tồn trung
thực, chưa từng được cơng bố trong bất cứ một cơng trình nào khác trước đây.
Tác giả xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Tác giả
Lê Văn Cường

vi


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ...............................................................................................iv
ABSTRACT ................................................................................................................... v
LỜI CAM ĐOAN..........................................................................................................vi
MỤC LỤC ................................................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... xii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... xii
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................xvi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ......................................................................................... 1
1.1. Tổng quan nguồn khai thác năng lượng trên thế giới ....................................... 1
1.2. Pin mặt trời............................................................................................................ 3

1.2.1. Hiệu ứng quang điện ......................................................................................... 3

1.2.2. Các thế hệ pin mặt trời ...................................................................................... 6
1.2.2.1. Pin mặt trời thế hệ thứ nhất ........................................................................... 6
1.2.2.2. Pin mặt trời thế hệ thứ hai ............................................................................. 7
1.2.2.3. Pin mặt trời thế hệ thứ ba .............................................................................. 8
1.2.2.4. Pin mặt trời thế hệ thứ tư ............................................................................. 10
1.3. Pin mặt trời chất màu nhạy quang ................................................................... 11

1.3.1. Khái niệm ......................................................................................................... 11
1.3.2. Cấu tạo pin DSSC ............................................................................................ 12
1.3.3. Nguyên lý làm việc của pin DSSC .................................................................. 13
1.3.4. Ưu nhược điểm của pin DSSC ........................................................................ 14
1.4. Vật liệu titan dioxit ............................................................................................. 16
1.5. Vật liệu graphene ................................................................................................ 17

1.5.1. Cấu tạo và tính chất graphene ........................................................................ 17
1.5.2. Ứng dụng vật liệu graphene ............................................................................ 17
1.5.3. Phương pháp tổng hợp vật liệu graphene ...................................................... 18
1.5.3.1. Phương pháp lắng đọng hơi hóa học ........................................................... 19
1.5.3.2. Phương pháp epitaxial trên đế silic cacbua ................................................ 20
1.5.3.3. Phương pháp tách bóc cơ học ...................................................................... 21
1.5.3.4. Phương pháp bóc tách trong pha lỏng ........................................................ 21
1.5.3.5. Phương pháp oxy hóa – khử ........................................................................ 22
vii


1.6. Vật liệu composite TiO2/rGO............................................................................. 24

1.6.1. Cấu tạo vật liệu composite TiO2/rGO ............................................................. 24
1.6.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu composite TiO2/rGO .................................... 24
1.6.2.1. Phương pháp phối trộn huyền phù............................................................... 24

1.6.2.2. Phương pháp đồng kết tủa ........................................................................... 25
1.7. Tính cấp thiết, tính mới, mục tiêu, nội dung, và phương pháp nghiên cứu .. 26

1.7.1. Tính cấp thiết ................................................................................................... 26
1.7.2. Tính mới ........................................................................................................... 26
1.7.3. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................... 26
1.7.4. Nội dung nghiên cứu ....................................................................................... 26
1.7.5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 27
1.7.5.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu .................................................................... 27
1.7.5.2. Phương pháp chế tạo điện cực từ vật liệu composite đã tổng hợp .............. 27
1.7.5.3. Phương pháp ráp pin DSSC ......................................................................... 28
1.7.5.4. Phương pháp khảo sát hiệu quả làm việc của pin DSSC ............................. 29
1.7.5.5. Phương pháp khảo sát hình thái – cấu trúc – đặc tính vật liệu ................... 33
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM.................................................................................. 46
2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị, và địa điểm thực hiện .......................................... 46

2.1.1. Hóa chất ........................................................................................................... 47
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị........................................................................................... 49
2.1.3. Địa điểm thực hiện .......................................................................................... 50
2.2. Thí nghiệm ........................................................................................................... 49

2.2.1. Tổng hợp graphene oxit .................................................................................. 49
2.2.2. Tổng hợp graphene oxit dạng khử ................................................................. 50
2.2.3. Tổng hợp TiO2/rGO bằng phương pháp đồng kết tủa ................................... 50
2.2.3.1. Khảo sát chất khử......................................................................................... 52
2.2.3.2. Khảo sát tỉ lệ chất khử ................................................................................. 52
2.2.3.3. Khảo sát phần trăm khối lượng GO ............................................................. 53

2.2.4. Chế tạo điện cực và ráp pin DSSC.................................................................. 53
2.2.4.1. Tổng hợp hệ keo in lụa TiO2/rGO ................................................................ 53

2.2.4.2. Chế tạo điện cực anot TiO2/rGO ................................................................. 56
2.2.4.3. Chế tạo điện cực anot đối chứng ................................................................. 56

2.2.5. Chế tạo điện cực catot Pt thương mại và lắp ráp pin DSSC ......................... 57
2.2.5.1. Chế tạo điện cực catot Pt thương mại.......................................................... 57
viii


2.2.5.2. Ráp pin DSSC ............................................................................................... 58

2.2.6. Khảo sát hiệu quả làm việc của pin DSSC ..................................................... 59
2.2.7. Khảo sát hình thái – cấu trúc – đặc tính của vật liệu .................................... 61
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN................................................................. 61
3.1. Ảnh hưởng của điều kiện tổng hợp vật liệu đến hiệu quả làm việc của pin
DSSC ........................................................................................................................... 62

3.1.1. Ảnh hưởng của chất khử ................................................................................ 61
3.1.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ chất khử ......................................................................... 69
3.1.3. Ảnh hưởng của phần trăm khối lượng GO .................................................... 75
3.2. Hình thái – cấu trúc – đặc tính của các vật liệu ............................................... 82

3.2.1. Quang phổ UV-VIS ......................................................................................... 82
3.2.2. Phổ FTIR ......................................................................................................... 84
3.2.3. Phổ Raman ...................................................................................................... 86
3.2.4. Phổ XPS ........................................................................................................... 88
3.2.5. Giản đồ XRD .................................................................................................... 89
3.2.6. Kết quả đo EDX ............................................................................................... 90
3.2.7. Kết quả đo BET................................................................................................ 91
3.2.8. Giản đồ TGA .................................................................................................... 92
3.2.9. Ảnh FE-SEM và TEM .................................................................................... 94

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ........................................................................................... 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
CÔNG TRÌNH CƠNG BỐ

ix


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

s-Si

Single-crystalline silicon solar cell

Pin mặt trời silic đơn tinh thể

p-Si

Poly-crystalline silicon solar cell

Pin mặt trời silic đa tinh thể

a-Si

Amorphous silicon solar cell

Pin mặt trời silic vơ định hình

CdTe

Cadmium telluride solar cells

Pin cadimi telluride

CIS

Cooper-indium-selenide solar cell

Pin đồng-indium-selen

Cooper-indium-gallium-diselenide

Pin đồng-indium-gallium-

solar cell

diselenit

CZTS

Copper-zinc-tin-sulfide solar cell

Pin đồng-kẽm-thiếc sulfide

OPV

Organic photovoltaics

Pin hữu cơ

PEC

Photoelectronchemical

Pin mặt trời quang điện hóa

DSSC

Dye-sensitized solar cell

FTO

Fluorine-doped tin oxide

ITO

Indium-doped tin oxide

TCO

Transparent conducting oxide

CIGS

PEDOT:PS

Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)
poly(styrenesulfonate)

Pin mặt trời chất màu nhạy
quang
Thủy tinh oxit dẫn điện độn flo
Thủy tinh oxit dẫn điện độn
indium
Thủy tinh oxit dẫn điện
Poly(3,4ethylenedioxythiophene)
poly(styrenesulfonate)

HOMO

Highest occupied molecular orbital

Vân đạo chứa điện tử cao nhất

LUMO

Lowest uoccupied molecular orbital

Vân đạo trống thấp nhất

CVD

Chemical vapor deposition

Lắng đọng hơi hóa học

Gr

Graphene

Graphene

Gi

Graphite

Graphite

GiO

Graphite oxide

Graphite oxit

GO

Graphene oxide

Graphene oxit

rGO

Reduced graphene oxide

Graphene oxit dạng khử

TiP

Titanium isopropoxide

Titan isopropoxit

J-V

Current density – voltage

Mật độ dòng – thế

EIS

Electrochemical impedance
spectroscopy
x

Phổ tổng trở điện hóa


HSE

High stability electrolyte

Chất điện ly độ ổn định cao

GBL

γ-Butyrolactone

γ-Butyrolactone

ACN

Acetonitrile

Acetonitrile

UV-VIS

Ultraviolet–visible spectroscopy

Quang phổ tử ngoại khả kiến

Fourier-transform infrared

Phổ hồng ngoại chuyển hóa

spectroscopy

Fourier

XPS

X-ray photoelectron spectroscopy

Phổ quang điện tử tia X

XRD

X-ray diffraction

Nhiễu xạ tia X

FTIR

EDX

Energy-dispersive X-ray
spectroscopy

Phổ tán sắc năng lượng tia X

BET

Brunauer-Emmett-Teller

Brunauer-Emmett-Teller

TGA

Thermogravimetric analysis

Phân tích nhiệt trọng lượng

DTA

Differential thermal analysis

Phân tích nhiệt vi sai

Field emission scanning electron

Kính hiển vi điện tử quét độ

microscopes

phan giải cao

Transmission electron microscopy

Kính hiển vi điện tử truyền qua

FE-SEM
TEM

xi


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Nguồn khai thác điện năng tồn cầu...............................................................1
Hình 1.2. Bản đồ phân bố tiềm năng sản lượng điện mặt trời toàn cầu theo dữ liệu The
World Bank Group .........................................................................................................3
Hình 1.3. a) Hiệu ứng quang điện ngồi b) hiệu ứng quang điện trong .........................4
Hình 1.4. Pin mặt trời .....................................................................................................5
Hình 1.5. Cơ chế hoạt động pin mặt trời dựa trên hiện tượng quang điện .....................5
Hình 1.6. Pin mặt trời thế hệ thứ nhất. a) Pin mặt trời silic đơn tinh thể, b) pin mặt trời
silic đa tinh thể – poly-Si ...............................................................................................6

Hình 1.7. Ngun lí hoạt động pin mặt trời thế hệ thứ nhất ...........................................7
Hình 1.8. Pin mặt trời thế hệ thứ hai ..............................................................................8
Hình 1.9. Pin mặt trời DSSC thuộc thế hệ thứ ba ..........................................................9
Hình 1.10. Cấu tạo pin mặt trời thế hệ thứ ba ................................................................9
Hình 1.11. Cấu tạo pin thế hệ thứ tư ............................................................................10
Hình 1.12. Cấu tạo pin DSSC .......................................................................................12
Hình 1.13. Cấu trúc của dye ruthenium N3, N719, và chất màu nhạy quang đen .......13
Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin DSSC .................................................14
Hình 1.15. Cấu trúc của tinh thể anatase, rutile và brookite ........................................16
Hình 1.16. Cấu trúc hai chiều liên kết theo kiểu lục giác của Gr .................................17
Hình 1.17. Cơ chế tạo màng Gr bằng phương pháp CVD ...........................................19
Hình 1.18. Cơ chế tạo màng Gr bằng phương pháp nhiệt phân đế SiC .......................20
Hình 1.19. Phương pháp tách lớp Gi bằng băng dính ..................................................21
Hình 1.20. Q trình tách bóc Gr trong pha lỏng .........................................................22
Hình 1.21. Quy trình tổng hợp rGO theo phương pháp khử hóa học...........................22
Hình 1.22. Cấu tạo của vật liệu composite TiO2/rGO ..................................................24
Hình 1.23. Quá trình tổng hợp vật liệu composite TiO2/rGO theo phương pháp phối
trộn huyền phù ..............................................................................................................25
Hình 1.24. Quá trình tổng hợp vật liệu composite và TiO2/rGO theo phương pháp đồng
kết tủa ...........................................................................................................................25
Hình 1.25. Phương pháp in lụa .....................................................................................28
Hình 1.26. Quy trình ráp pin DSSC .............................................................................29
Hình 1.27. Đường đặc trưng mật độ dịng – thế và các thông số hoạt động của pin ...30
xii


Hình 1.28. Mơ hình mạch tương đương [Rs+(CCE/RCE)+G+(Cd/Rd) với pha sáng và mơ
hình mạch tương đương [Rs+(CP/RCE) + (Cµ/RCT)] với pha tối cùng dạng đường
Nyquist tương ứng ........................................................................................................32
Hình 1.29. Dạng biểu đồ Bode của pin DSSC .............................................................31

Hình 1.30. Độ hấp thu UV-Vis của TiO2 với pha anatase và rutile .............................34
Hình 1.31. Nguyên lý hoạt động của quang phổ kế UV-VIS .......................................36
Hình 1.32. Sơ đồ cấu tạo máy quang phổ hồng ngoại ..................................................37
Hình 1.33. Nguyên lý quang phổ Raman .....................................................................38
Hình 1.34. Sơ đồ của máy quang phổ quang điện tử tia X ...........................................39
Hình 1.35. Hiện tượng tia X nhiễu xạ trên bề mặt tinh thể của chất rắn ......................40
Hình 1.36. Đồ thị xác định các thơng số của phương trình BET .................................40
Hình 1.37. Sơ đồ của thiết bị phân tích nhiệt khối lượng .............................................41
Hình 1.38: Cấu tạo của thiết bị chụp ảnh SEM ............................................................42
Hình 1.39. Cấu tạo kính hiển vi điện tử truyền qua .....................................................45
Hình 2.1. Quy trình tổng hợp GO bằng phương pháp Hummers cải tiến ....................49
Hình 2.2. Quy trình tổng hợp rGO từ GO ....................................................................50
Hình 2.3. Quy trình tổng hợp TiO2/rGO bằng phương pháp đồng kết tủa ...................51
Hình 2.4. Quy trình chế tạo hệ keo in lụa TiO2/rGO....................................................54
Hình 2.5. Quy trình chế tạo điện cực anot TiO2/rGO ...................................................54
Hình 2.6. Quy trình chế tạo điện cực anot TiO2 đối chứng ..........................................55
Hình 2.7. Quy trình chế tạo điện cực catot Pt thương mại ...........................................56
Hình 2.8. Quy trình ráp pin DSSC ...............................................................................59
Hình 2.9. Máy đo J-V Keithley 2400 dưới hệ mô phỏng 94042A Class ABA Solar
Simulator ......................................................................................................................58
Hình 2.10. Máy đo EIS dưới hệ mơ phỏng ánh sáng mặt trời..................................... 58
Hình 3.1. Đường trưng J-V của các pin DSSC được chế tạo từ các vật liệu TiO2/rGO
với chất khử khác nhau .................................................................................................61
Hình 3.2. Phổ Nyquist trở của các pin DSSC được chế tạo từ các vật liệu TiO2/rGO với
chất khử khác nhau trong pha sáng ..............................................................................64
Hình 3.3. Biểu đồ Bode của các pin DSSC được chế tạo từ các vật liệu TiO2/rGO với
chất khử khác nhau trong pha sáng ..............................................................................65

xiii

Hình 3.4. Phổ Nyquist của các pin DSSC được chế tạo từ các vật liệu TiO2/rGO với
chất khử khác nhau trong pha tối..................................................................................68
Hình 3.5. Đường đặc trưng J-V của các DSSC được chế tạo từ các vật liệu TiO2/rGO
với các tỉ lệ chất khử axit ascorbic khác nhau ..............................................................69
Hình 3.6. Phổ Nyquist của các pin DSSC được chế tạo từ các vật liệu TiO2/rGO với tỉ
lệ chất khử axit ascorbic khác nhau trong pha sáng .....................................................71
Hình 3.7. Biểu đồ Bode của các pin DSSC được chế tạo từ các vật liệu TiO2/rGO với
chất khử khác nhau trong pha sáng ..............................................................................72
Hình 3.8. Phổ EIS của các pin DSSC được chế tạo từ các vật liệu TiO2/rGO với tỉ lệ
chất khử axit ascorbic khác nhau trong pha tối ............................................................74
Hình 3.9. Đường đặc trưng J-V của các DSSC được chế tạo từ các vật liệu TiO2/rGO
với phần trăm khối lượng GO khác nhau .....................................................................76
Hình 3.10. Phổ tổng trở điện hóa của pin DSSC được chế tạo từ các phần trăm khối
lượng GO khác nhau trong pha sáng ............................................................................78
Hình 3.11. Biểu đồ Bode của các pin DSSC được chế tạo từ các phần trăm khối lượng
GO khác nhau trong pha sáng ......................................................................................78
Hình 3.12. Phổ tổng trở điện hóa của pin DSSC được chế tạo từ các phần trăm khối
lượng GO khác nhau trong pha tối ...............................................................................80
Hình 3.13. a ) Phổ UV-VIS của các vật liệu Gi, GO, rGO; b) Phổ UV-VIS TiO2 (P25),
và các composite TiO2/rGO ..........................................................................................83
Hình 3.14. Phổ FTIR của các vật liệu Gi, GO, rGO, TiO2 (P25), TG 0, và TiO2/rGO
(TG 13) .........................................................................................................................85
Hình 3.15. a) Phổ Raman của các vật liệu Gi, GO, và rGO; b) Phổ Raman các vật liệu
TiO2, TG 0, và composite TiO2/rGO (TG 13) ..............................................................86
Hình 3.16. a ) Phổ XPS của vật liệu GO, TiO2, và TiO2/rGO (TG 13), b) phổ XPS của
nguyên tử Titan, c ) phổ XPS của nguyên tử C, d ) phổ XPS của nguyên tử O...........87
Hình 3.17. Giản đồ XRD của các vật liệu Gi, GO, rGO, TG 0 và TiO2/rGO (TG 13) 90
Hình 3.18. Phổ EDX của vật liệu TiO2/rGO (TG 13) ..................................................92
Hình 3.19. Giản đồ TGA của hệ keo TiO2 và TiO2/rGO .............................................94

Hình 3.20. Ảnh chụp SEM cắt ngang điện cực anot TiO2/rGO ...................................94
Hình 3.21. a) Ảnh TEM của vật liệu TiO2, b) ảnh TEM của rGO, và c, d, e, f) Ảnh TEM
của vật liệu TiO2/rGO trong môi trường nước .............................................................95
xiv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Các hóa chất được sử dụng trong luận văn ..................................................46
Bảng 2.2. Các thiết bị sử dụng trong luận văn .............................................................48
Bảng 2.3. Khảo sát ảnh hưởng của chất khử ................................................................52
Bảng 2.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ chất khử .........................................................52
Bảng 2.5. Khảo sát ảnh hưởng của phần trăm khối lượng GO ....................................53
Bảng 3.1. Các thông số đặc trưng của các pin DSSC được chế tạo từ các vật liệu
TiO2/rGO với chất khử khác nhau ................................................................................62
Bảng 3.2. Các thông số điện trở của các pin DSSC được chế tạo từ các vật liệu TiO2/rGO
với chất khử khác nhau ở pha sáng ..............................................................................65
Bảng 3.3. Các thông số điện trở của các pin DSSC được chế tạo từ các vật liệu TiO2/rGO
với chất khử khác nhau ở pha tối ..................................................................................69
Bảng 3.4. Các thông số đặc trưng của các pin DSSC được chế tạo từ các vật liệu
TiO2/rGO với các tỉ lệ chất khử axit ascorbic khác nhau .............................................69
Bảng 3.5. Các thông số điện trở của các pin DSSC được chế tạo từ các vật liệu TiO2/rGO
với tỉ lệ chất khử axit ascorbic khác nhau trong pha sáng ............................................74
Bảng 3.6. Các thông số điện trở của các pin DSSC được chế tạo từ các vật liệu TiO2/rGO
với tỉ lệ chất khử axit ascorbic khác nhau trong pha tối ...............................................75
Bảng 3.7. Các thông số đặc trưng của các pin DSSC được chế tạo từ các vật liệu
TiO2/rGO với phần trăm khối lượng GO khác nhau ....................................................77
Bảng 3.8. Các thông số điện trở của các pin DSSC được chế tạo từ các tỉ lệ tiền chất
TiP:GO khác nhau trong pha sáng ................................................................................80
Bảng 3.9. Các thông số điện trở của các pin DSSC được chế tạo từ các phần trăm khối
lượng GO khác nhau trong pha tối ...............................................................................79

Bảng 3.10. Hiệu suất pin TG 0 và TG 3 so sánh với pin của các nghiên cứu khác .....80
Bảng 3.11. Bước sóng hấp thu và năng lượng vùng cấm của các vật liệu ...................84
Bảng 3.12. Các tỉ lệ ID/IG của Gi, GO, rGO, và TiO2/rGO ..........................................88
Bảng 3.13. Thành phần phần trăm khối lượng và phần trăm nguyên tố của các nguyên
tố có trong vật liệu TG 13.............................................................................................92
Bảng 3.14. Kết quả đo diện tích bề mặt riêng theo phương pháp BET của các vật liệu
rGO, TiO2, và TiO2/rGO...............................................................................................93
xv


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, nhiên liệu hóa thạch như than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ, v.v. là nguồn
năng lượng chính cho nền kinh tế tồn cầu. Tuy nhiên, nguồn năng lượng này có hạn,
đang dần cạn kiệt và gây ra những vấn đề về ơ nhiễm mơi trường. Vì vậy, việc gia tăng
khai thác và sử dụng những nguồn năng lượng có thể tái tạo để thay thế năng lượng hóa
thạch như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt, sinh khối là rất cấp thiết. Trong
đó, năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng xanh, có sẵn, dễ dàng
khai thác sử dụng và được coi là nguồn năng lượng vơ tận. Chính vì tiềm năng rất lớn
của năng lượng mặt trời, việc sử dụng và khai thác năng lượng mặt trời đang ngày càng
tăng và trở nên tinh vi, phức tạp hơn. Hiện nay, pin năng lượng mặt trời là một thiết bị
quan trọng và phổ biến để sản xuất điện năng từ năng lượng mặt trời. Pin năng lượng
mặt trời đang được cải tiến và nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả làm việc, kết hợp với
các phương pháp chế tạo đơn giản và có chi phí thấp để gia tăng quy mơ sản lượng, giúp
thay thế nguồn năng lượng hóa thạch. Các loại pin mặt trời truyền thống tuy có hiệu suất
chuyển đổi quang năng cao nhưng chi phí lớn, khó khăn trong chế tạo và gây ra những
vấn đề ảnh hưởng đến mơi trường. Chính sự ra đời của pin thế hệ thứ ba được mong đợi
có thể khắc phục được những nhược điểm đó. Do đó, pin mặt trời chất màu nhạy quang
(Dye sensitized solar sell – DSSC) với những ưu điểm như chi phí chế tạo thấp, quy
trình chế tạo đơn giản và dễ gia công, lắp đặt, v.v. cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn.
Tuy nhiên, DSSC có hiệu suất thấp và độ bền chưa bằng các loại pin truyền thống. Do

đó, việc nghiên cứu DSSC đang tập trung vào các vấn đề hiệu suất và độ bền. Với mục
tiêu đó thì vật liệu graphene với diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện, linh động điện tử cao
cùng cấu trúc siêu mỏng, đồng nhất, là một “ứng cử viên” lí tưởng cho các điện cực để
nâng cao hiệu quả làm việc của pin DSSC. Với tiềm năng lớn của việc ứng dụng vật liệu
graphene vào pin mặt trời DSSC nên đề tài “Tổng hợp vật liệu composite titan
dioxit/graphene oxit dạng khử bằng phương pháp đồng kết tủa ứng dụng chế tạo
điện cực anot trong pin mặt trời chất màu nhạy quang” đã được lựa chọn, nghiên
cứu, và thực hiện nhằm cải thiện hiệu quả làm việc củapinDSSC.

xvi


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan nguồn khai thác năng lượng trên thế giới
Thế giới đã trải qua ba cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật lớn và mỗi lần đều gắn với
đột phá về khai thác năng lượng từ việc khống chế lửa, khai thác năng lượng từ sơng
ngịi đến các cỗ máy vận hành bằng hơi nước. Có thể nói việc tìm ra phương thức mới
khai thác các nguồn năng lượng đã góp phần đẩy nhanh sự phát triển văn minh nhân
loại. Hiện nay, nguồn năng lượng chính cung cấp cho toàn cầu chủ yếu được khai thác
từ nhiên liệu hóa thạch, thủy điện, và hạt nhân như thể hiện ở hình 1.1 [1].

Nguồn khai thác điện năng tồn cầu
2%

Than

4%
5%

Khí đốt

11%
39%

Hydro
Hạt nhân

16%

Mặt trời, gió, địa nhiệt, và
thủy triều
Dầu mỏ
23%

Nguồn khác
Nguồn:

IEA

Electricity

Information
Hình2017
1.1. Nguồn khai thác điện năng tồn cầu [1]
Trong các nguồn năng lượng được khai thác, nguồn nhiên liệu hóa thạch gây ơ nhiễm
mơi trường và đang dần cạn kiệt. Đối với thủy điện, việc phải phá rừng, đắp đập, làm
ngập hồ chứa khi xây dựng đập thủy điện gây phá vỡ hệ sinh thái; nhiều quốc gia cùng
khai thác thủy điện gây suy kiệt tài nguyên nước ở các khu vực hạ lưu, kéo theo đó là
sự xâm nhập mặn của nước biển, điển hình tại Việt Nam là khu vực hạ lưu sông Mê
Kông thuộc đồng bằng sông Cửu Long [2]. Năng lượng hạt nhân luôn tiềm ẩn nguy cơ

lớn về an tồn bức xạ và địi hỏi chi phí đầu tư ban đầu lớn, cùng chiến lược xây dựng
và khai thác tầm cỡ quốc gia, khó áp dụng ở quy mô vừa và nhỏ [1].
1


Những vấn đề cấp thiết trên đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu phát triển những
công nghệ khai thác năng lượng khơng gây ơ nhiễm và có thể tái tạo được từ các nguồn
như mặt trời, gió, địa nhiệt, và thủy triều. Mỗi nguồn năng lượng mới này đều có yêu
cầu đặc thù khác nhau trong khai thác, phụ thuộc địa hình, cơng nghệ, và hạ tầng riêng
từng khu vực. Trong đó, năng lượng gió yêu cầu địa hình bằng phẳng, khơng gian rộng,
lượng gió quanh năm lớn cũng như ổn định. Năng lượng địa nhiệt phụ thuộc khu vực có
hoạt động địa tầng mạnh. Năng lượng sóng, thủy triều chỉ có thể khai thác ở biển và ven
bờ. Riêng đối với năng lượng mặt trời, là nguồn năng lượng đã được con người khai
thác từ thời cổ đại để phục vụ các hoạt động sinh hoạt và sản xuất hằng ngày như sấy
nông sản, phơi khô đồ dùng sinh hoạt, thắp sáng, v.v. Năng lượng mặt trời ln có sẵn,
khơng phụ thuộc điều kiện địa hình, khí hậu, dễ dàng khai thác, sử dụng, và là nguồn
năng lượng được coi là vô tận [1].
Cùng với sự phát triển của văn minh loài người, việc sử dụng và khai thác năng lượng
mặt trời cũng tinh vi và phức tạp hơn, từ năng lượng mặt trời con người đã có thể chuyển
đổi thành điện năng phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt. Có hai phương pháp chính để
khai thác năng lượng từ mặt trời để tạo ra điện năng phục vụ công nghiệp và đời sống:
một là phương pháp khai thác nhiệt năng từ bức xạ mặt trời phát ra (solar thermal), hai
là phương pháp khai thác quang năng để chuyển hóa thành điện năng hay cịn gọi là
quang điện (photovoltaics - PV). Một số lợi thế quan trọng nhất của hệ thống quang điện
năng lượng mặt trời so với hệ thống nhiệt điện mặt trời như:
Đối với quy mô công nghiệp: các nhà máy điện mặt trời, thiết kế quy trình đơn
giản hơn nhiều so với nhiệt. Một nhà máy quang điện được hình thành từ nhiều tấm pin
mặt trời được kết nối, nên dễ dàng điều chỉnh quy mô và năng suất. Mặt khác, phát điện
bằng cách sử dụng công nghệ nhiệt mặt trời cần việc truyền năng lượng nhiệt từ chất
dẫn nhiệt (hơi nước nóng) sang chạy tuabin máy phát điện. Điều đó đã dẫn đến sự phức

tạp, cồng kềnh trong thiết kế và chế tạo thiết bị. Ngoài ra, đối với nhiệt mặt trời, sự phụ
thuộc vào điều kiện khí hậu và độ ẩm khơng khí gây ra hạn chế về khu vực khai thác so
với quang điện [2,3].
Ở quy mô nhỏ hơn, các hệ thống quang điện linh hoạt hơn các hệ thống nhiệt, vì có
thể cấp nguồn cho nhiều thiết bị với khả năng tạo dòng điện một chiều, (nhiệt mặt trời
bị giới hạn với yêu cầu không gian và chất truyền nhiệt). Hệ thống quang điện cũng
có tuổi thọ hoạt động cao hơn và việc bảo dưỡng đơn giản hơn [4].
2


Hiện nay, nhu cầu ngày càng lớn về năng lượng trên thế giới đã thúc đẩy sự gia tăng
khai thác năng lượng, nhất là năng lượng có thể tái tạo, nổi bật là năng lượng mặt trời.
Việt Nam là quốc gia nằm ở khu vực nhiệt đới cận xích đạo nên có số giờ nắng trung
bình trên ngày khá cao, dựa trên bản đồ phân bố tiềm năng sản lượng điện mặt trời tồn
cầu thể hiện ở hình 1.2.

Hình 1.2. Bản đồ phân bố tiềm năng sản lượng điện mặt trời tồn cầu theo dữ liệu The
World Bank Group [5]
Hình 1.2 cho thấy cường độ tổng lượng bức xạ trung bình trên ngày của Việt Nam
thuộc nhóm cao trên thế giới: 5 kWh/m2 [6, 7]. Ở miền Nam, số giờ nắng trung bình đạt
6,5 giờ/ngày, miền Bắc là 4,1 giờ/ngày, một số địa phương có số giờ nắng trung bình
ngày cao như Cần Thơ: 6,9 giờ/ngày, Đà Lạt: 6,1 giờ/ngày. Với các thuận lợi đó, Việt
Nam có tiềm năng lớn trong sản xuất điện năng từ nguồn năng lượng mặt trời [6, 8]. Để
có thể khai thác được nguồn năng lượng mặt trời, cần thiết bị có khả năng chuyển hóa
quang năng thành điện năng. Hiện nay, thiết bị phổ biến để sản xuất điện năng từ quang
năng là pin năng lượng mặt trời.
1.2. Pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời) là thiết bị chuyển hóa năng lượng từ ánh sáng
mặt trời thành năng lượng điện. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiệu ứng
quang điện [3].

1.2.1. Hiệu ứng quang điện
Năng lượng ánh sáng mặt trời được chuyển hóa thành năng lượng điện qua một quá
trình trực tiếp gọi là hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên
vào năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Năm 1905, Albert
3


Einstein đã lý giải thành công hiệu ứng quang điện cũng như các định luật quang điện
bằng mơ hình lượng tử ánh sáng, dựa trên Thuyết lượng tử được công bố vào
năm 1900 của Max Planck. Cơng trình về hiệu ứng quang điện đã giúp Albert Einstein
giành giải Nobel vật lý năm 1921. Hiệu ứng quang điện bao gồm hai loại hiệu ứng chính
là hiệu ứng quang điện ngồi và hiệu ứng quang điện trong như minh họa ở hình 1.3 [9].

Ngun tử
a)

b)

Hình 1.3. a) Hiệu ứng quang điện ngồi b) hiệu ứng quang điện trong [10]
Đối với pin mặt trời, hiệu ứng chính để chuyển hóa năng lượng là hiệu ứng quang
điện trong (internal photoelectric effect) hay hiệu ứng quang dẫn (photovoltaic effect):
khi chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp (λ < 800 nm), các điện tử trong lớp vỏ ngun
tử được kích thích từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, thoát khỏi liên kết với nguyên tử [11].
Dựa trên hiện tượng quang điện trong, các tế bào quang điện được phát triển và trở thành
cơ sở cho việc chế tạo pin mặt trời.
Pin mặt trời là thiết bị tạo ra năng lượng điện từ quang năng được lắp ghép từ nhiều
tế bào quang điện (60 – 79 tế bào quang điện) như thể hiện ở hình 1.4.

4

Tế bào quang điện

Pin mặt trời
Hệ thống pin mặt trời
Hình 1.4. Pin mặt trời [13]
Cơ chế hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện trong của pin mặt trời với hai lớp
bán dẫn loại n và loại p được thể hiện ở hình 1.5.

Lớp
ngăn cách
Photon

Dịng điện

Dịng điện tử
Bán dẫn loại n
Bán dẫn loại p
Lỗ trống

Hình 1.5. Cơ chế hoạt động pin mặt trời dựa trên hiện tượng quang điện [10]
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời cơ bản được chia làm ba giai đoạn: Đầu tiên,
năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thu vào các tế bào quang điện giúp cung
cấp năng lượng để hình thành các cặp điện tử – lỗ trống và trở thành các hạt tải trong
5


trong chất bán dẫn. Do sự khác biệt về mật độ điện tử – lỗ trống giữa hai lớp bán dẫn n
– p và sự phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn với mật độ điện tử, lỗ

trống khác nhau tạo nên một hiệu điện thế của pin mặt trời giúp dòng điện tử dịch chuyển
tạo ra dịng điện. Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên mạch
điện khép kín cho dịng điện đi qua cung cấp điện năng cho thiết bị tiêu thụ (bóng đèn)
[13]. Dựa trên việc nghiên cứu và phát triển các tế bào quang điện, hiện nay, có thể phân
ra bốn thế hệ pin mặt trời.

1.2.2. Các thế hệ pin mặt trời
1.2.2.1. Pin mặt trời thế hệ thứ nhất
Thế hệ pin thứ nhất là các pin dựa trên nền vật liệu silic bao gồm silic đơn tinh thể
(crystalline silicon – c-Si), silic đa tinh thể (polycrystalline silicon -Si) được pha tạp các
nguyên tử khác loại (B, N, v.v.) tạo ra các lớp bán dẫn loại n và bán dẫn loại p. Ghép
hai loại bán dẫn n và p lại với nhau sẽ tạo thành tiếp xúc n – p. Đây là cấu trúc cơ sở
trong cấu tạo tế bào quang điện pin mặt trời thế hệ thứ nhất. Sự khác biệt trong hình
thái, cấu trúc silic chế tạo pin dẫn tới sự khác biệt khi hình thành pin như thể hiện ở hình
1.6 [14].

b)

a)

Hình 1.6. Pin mặt trời thế hệ thứ nhất. a) Pin mặt trời silic đơn tinh thể, b) pin mặt trời
silic đa tinh thể – poly-Si [13]
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời thế hệ thứ nhất được thể hiện ở hình 1.7. Vật
liệu bán dẫn với lớp tiếp xúc n – p khi được ánh sáng mặt trời chiếu vào, photon của ánh
sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử liên kết với nguyên tử silic bị bật ra khỏi
nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện lỗ trống vì thiếu điện tử, tạo ra cặp điện tử
– lỗ trống. Nếu cặp điện tử – lỗ trống này sinh ra ở gần chỗ tiếp giáp n – p thì hiệu thế
6

tiếp xúc sẽ đẩy điện tử về bên bán dẫn n và đẩy lỗ trống về bên bán dẫn p. Điện tử đã
dịch chuyển từ vùng hoá trị (dùng để liên kết) lên vùng dẫn ở mức cao hơn, để có thể
chuyển động tự do. Càng có nhiều năng lượng ánh sáng được truyền qua chiếu đến pin,
càng có nhiều cơ hội để điện tử dịch chuyển lên vùng dẫn [15].
Sơ đồ nguyên lí làm việc pin thế hệ thứ nhất được thể hiện ở hình 1.7.

Hình 1.7. Ngun lí hoạt động pin mặt trời thế hệ thứ nhất [15]
Khi dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua một phụ tải ví dụ
như bóng đèn) thì điện tử từ vùng dẫn của bán dẫn loại n sẽ qua mạch ngoài chuyển đến
bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống. Đó là dịng điện pin mặt trời silic sinh ra khi được
chiếu sáng.
Ưu điểm của pin mặt trời thế hệ thứ nhất là hiệu suất chuyển hóa quang năng đạt được
là rất cao đối với pin silic đơn tinh thể (26,7% trong điều kiện thí nghiệm). Tuy nhiên,
loại pin này có nhược điểm là sử dụng vật liệu silic nên chỉ có khả năng hấp thu và
chuyển hóa trong vùng ánh sáng hồng ngoại (λ > 800 nm). Đồng thời, để pin đạt hiệu
suất chuyển hóa cao, cần nền silic tinh thể rất khó chế tạo đồng đều với chi phí lớn, kích
thước nhỏ, và khó lắp đặt [3, 16], làm cho pin khó có thể cạnh tranh về chi phí so với
các loại năng lượng truyền thống. Điều này dẫn đến sự xuất hiện thế hệ pin thứ hai [17].
1.2.2.2. Pin mặt trời thế hệ thứ hai
Chi phí cao và khó khăn trong việc chế tạo silic đơn tinh thể dùng trong pin mặt trời
thế hệ thứ nhất chính là lý do xuất hiện thế hệ pin mặt trời thứ hai. Đây cũng là loại pin
7


thông dụng trên thị trường với thị phần khoảng 20% số lượng pin mặt trời trên thế giới.
So với pin mặt trời thế hệ thứ nhất, pin mặt trời thế hệ thứ hai có điểm khác biệt chính
là được chế tạo theo công nghệ phim mỏng (thin-film) với bề dày khoảng 1 – 4 µm, pin
tạo thành có thể uốn dẻo như thể hiện ở hình 1.8 [15].

Hình 1.8. Pin mặt trời thế hệ thứ hai [15]

So với thế hệ pin thứ nhất phụ thuộc vào silic, pin màng mỏng sử dụng các vật liệu
bán dẫn có năng lượng vùng trống khoảng 1 – 1,5 eV, có khả năng hấp thu các photon
trong vùng ánh sáng khả kiến (400 – 800 nm), giúp nâng cao hiệu suất chuyển hóa của
pin. Pin mặt trời thế hệ thứ hai có giá thành sản xuất thấp hơn, mỏng, gọn nhẹ, và dễ lắp
đặt hơn so với pin mặt trời thế hệ thứ nhất. Tuổi thọ hoạt động và hiệu suất chuyển đổi
quang năng thành điện năng của pin mặt trời thế hệ thứ hai trong khoảng 10 – 20%, thấp
hơn so với pin mặt trời thế hệ thứ nhất, trong khi đó quá trình sản xuất sử dụng nhiều
hóa chất độc hại đối với con người và môi trường [17]. Đây là nhược điểm lớn, nhất là
khi pin mặt trời được sử dụng để khai thác năng lượng mà không gây ô nhiễm mơi
trường. Vì thế, thế hệ pin thứ ba đã được nghiên cứu và phát triển.
1.2.2.3. Pin mặt trời thế hệ thứ ba
Thế hệ pin thứ ba gồm nhiều loại pin khác nhau như pin mặt trời tinh thể nano
(nanocrystal solar cell), pin mặt trời quang điện hóa (photoelectronchemical – PEC), pin
mặt trời hữu cơ (organic solar cell), pin mặt trời polyme (polymer solar cell), và pin mặt
trời chất màu nhạy quang (dye sensitized solar cell – DSSC). Đây là thế hệ pin mới,
mang nhiều tiềm năng để phát triển và triển khai trong thực tế như thể hiện ở hình 1.9
[18].
8