Nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt đồng thời gây tác động xấu đến môi trường và xã hội. Năng lượng thủy điện và điện hạt nhân tiềm ẩn những rủi ro với hệ sinh thái và sự an toàn của con người. Năng lượng sạch nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng là giải pháp cho nhu cầu về năng lượng ngày càng cao của con người. Năng lượng mặt trời có nhiều, hầu như có thể khai thác ở mọi nơi trên trái đất, gần như không có tác động tiêu cực với môi trường và sinh vật sống.
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT HÀ NỘI – AMSTERDAM
Quận Cầu Giấy
**************
ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ
LẦN THỨ TƯ NĂM HỌC 2014 - 2015
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI DÙNG MỘT SỐ SẮC
1 Đậu Hoàng Quân – 12H1 – THPT Hà Nội – Amsterdam
2 Trần Duy Anh Nguyên – 12H1 – THPT Hà Nội – Amsterdam
Hà Nội,23 tháng 11 năm 2014
Trang 2MỤC LỤC
Phần I: Lý do chọn đề tài
Phần II: Tổng quan đề tài nghiên cứu
Phần III: Nghiên cứu và kết quả
Phần IV: Kết luận
Tài liệu tham khảo
Trang 3PHẦN I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
1 Vấn đề về môi trường
Nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt đồng thời gây tác động xấuđến môi trường và xã hội Năng lượng thủy điện và điện hạt nhân tiềm ẩn nhữngrủi ro với hệ sinh thái và sự an toàn của con người Năng lượng sạch nói chung
và năng lượng mặt trời nói riêng là giải pháp cho nhu cầu về năng lượng ngàycàng cao của con người Năng lượng mặt trời có nhiều, hầu như có thể khai thác
ở mọi nơi trên trái đất, gần như không có tác động tiêu cực với môi trường vàsinh vật sống
2 Vấn đề về mặt kinh tế và ảnh hưởng của pin mặt trời hiện tại
Vấn đề với điện mặt trời hiện tại là hiệu suất chưa cao, giá thành đắt do
sử dụng các nguyên liệu hiếm và tổng hợp nên không nhiều quốc gia có thể tiếpcận Pin mặt trời silic thông thường đang được sử dụng có giá cao, quá trình sảnxuất pin gây ô nhiễm
Đối với pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng thì chất nhạy sáng phổbiến hiện tại là chất nhạy sáng Ruthenium Tuy có hiệu suất cao nhưng quá trìnhtổng hợp chất nhạy sáng ruthenium phức tạp, giá chất nhạy sáng cao doruthenium là kim loại hiếm và bản thân chất nhạy sáng này cũng gây hại vớimôi trường
Vậy pin mặt trời với giá thành rẻ, xuất phát từ các nguyên liệu có sẵntrong tự nhiên, không gây hại cho môi trường với quá trình chuẩn bị đơn giản làmột giải pháp cho pin mặt trời trong tương lai
Trang 4PHẦN II: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1 Đề tài nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu dựa vào cấu trúc pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng(DSSC – Graetzel, 1991) và cấu trúc pin mặt sử dụng chất nhạy sáng truyềnnăng lượng (ERD DSSC – Hardin et al, 2009) Đề tài tập trung vào nghiên cứuchất nhạy sáng trong pin là sắc tố quang hợp với pheophorbide a vàchlorophyllide trong vai trò chất nhạy sáng gắn trên màng bán dẫn TiO2; proteinsắc tố quang hợp phycobiliprotein trong vai trò chất nhạy sáng truyền nănglượng Cấu trúc này gần giống với cấu trúc của hệ hấp thụ năng lượng ánh sángtrong cây với phycobiliprotein hấp thụ năng lượng ánh sáng và truyền nănglượng theo cơ chế cộng hưởng Forster (FRET) cho chlorophyll
2 Mục đích nghiên cứu
Tìm ra hướng mới trong lĩnh vực pin mặt trời sử dụng chất nhạy sángbằng cách ứng dụng phycobiliprotein với vai trò như trong tự nhiên, các chấtnhạy sáng sử dụng trong pin là các thành phần có sẵn trong tự nhiên, không độchại, với quá trình chuẩn bị và tổng hợp đơn giản cùng hiệu suất cao nhất có thể.Đóng góp vào quá trình tìm ra phương thức tối ưu về mặt hiệu suất và sự thânthiện với môi trường để chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượngđiện
Trang 5PHẦN III: NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ
1 Lý thuyết
1.1 Nguyên lý hoạt động:
Pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng ( Dye Sensitized Solar Cell hayDSSC ) là một loại pin mặt trời giá rẻ thuộc loại pin mặt trời film mỏng Loạipin này còn được gọi là pin Graetzel do Brian O'Regan và Michael Graetzelsáng chế vào năm 1988 Pin được cấu tạo từ hai lớp kính dẫn điện anode cóchứa chất nhạy sáng, ở giữa là dung môi và một bộ phận điện hóa Hiện giờhiệu suất cao nhất là 11%, điều này đã mở ra một lĩnh vực triển vọng để thaythế các nguồn năng lượng cũ
Hình3.1.Biểu đồ năng lượng và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng (.Kohjiro Hara & Hironori Arakawa)
Pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng (DSSC) mô phỏng quá trình hấp thụnăng lượng ở lá cây và thực vật quang hợp trong tự nhiên Cấu tạo của DSSCgồm 2 điện cực, 1 điện cực có gắn lớp bán dẫnTiO2 (titan dioxit) trên bề mặtTiO2 có gắn chất nhạy sáng với chức năng hấp thụ ánh sáng, điên cực còn lạiđược phủ lớp Platin là chất xúc tác cho quá trình I3- + 2e-→ 3I Hai điện cực nàygồm kính được phủ một lớp oxit dẫn điện (Transparent ConductingOxide/TCO), FTO (SnO2:F) thường được sử dụng Chất điện ly thông thườnggồm dung môi (ví dụ Acetonitrile, Methanol, ) có chứa cặp chất khử (I3-/I-) cónhiệm vụ trả lại electron cho chất nhạy sáng
Trang 6Nguyên lý hoạt động của DSSC có thể tóm tắt như sau: chất nhạy sáng hấp thụphoton và đẩy electron trong chất nhạy sáng lên mức năng lượng cao hơn (trạngthái kích thích – excited state) Electron trong chất nhạy sáng đang ở trạng tháikích thích đẩy electron vào lớp bán dẫn TiO2 do sự chênh lệch về mức nănglượng giữa trạng thái kích thích của electron và vùng dẫn của TiO2 Electronkhuếch tán trong lớp bán dẫn TiO2 tới điện cực.Electron đi qua dây dẫn ngoàitới điện cực đối.Tại điện cực đối electron khử I3- thành I- với Pt xúc tác I3- + 2e-
→ 3I- Chất nhạy sáng nhận electron từ I-, I- bị oxi hóa thành I3-, kết thúc mộtchu trình
Sắc tố quang hợp (Pheophorbide a, chlorophyllide & Phycocyanin) sửdụng trong pin theo mô hình của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyềnnăng lượng đã được đưa ra bởi Brian E Hardin và cộng sự trong một báo cáonăm 2009
Hình 3.2 Cấu trúc pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng (B.E Hardin et
al, 2013) (1) Chất nhạy sáng trên TiO 2 và (2) Chất nhạy sáng truyền năng lượng
Cấu trúc của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng(energy relay dye – ERD DSSC) phần lớn giống với cấu trúc của pin mặt trời sửdụng chất nhạy sáng (DSSC), điểm khác biệt nằm ở chất nhạy sáng truyền nănglượng được thêm vào chất điện ly Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời sửdụng chất nhạy sáng truyền năng lượng cũng giống với nguyên lý hoạt động đãnói đến ở chương 1, nhưng thay vì chỉ có một chất nhạy sáng gắn vào lớp TiO2
để hấp thụ năng lượng ánh sáng, pin mặt trời loại này có thêm quá trình truyềnnăng lượng từ chất nhạy sáng truyền năng lượng (energy relay dye) sang chấtnhạy sáng gắn trên TiO2 theo cơ chế FRET ( Foerster Resonant Energy
Trang 7Transfer) vì đặc điểm chất nhạy sáng này có khả năng tiếp nhận năng lượng từánh sang mặt trời và truyền năng lượng theo cơ chế cộng hưởng Vậy photon cóthể được hấp thụ theo hai con đường: (1) hấp thụ bởi chất nhạy sáng gắn trênTiO2 và (2) hấp thụ bởi chất nhạy sáng truyền năng lượng Ưu điểm của pin mặttrời sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng so với pin mặt trời không sửdụng chất nhạy sáng truyền năng lượng: (1) pin mặt trời hấp thụ được nhiềunăng lượng mặt trời hơn do có thể hấp thụ ánh sáng ở nhiều bước sóng khácnhau, (2) hai chất nhạy sáng trong pin có thể có mức hấp thụ cao hơn bởithường những chất có khả năng hấp thụ nhiều bước sóng thì khả năng hấp thụtại một bước sóng nhất định lại không cao (3) sử dụng thêm chất nhạy sángtruyền năng lượng làm tăng cường độ dòng điện đầu ra của pin mà không làmảnh hưởng nhiều đến các thông số khác trong pin mặt trời như hệ số điền đầyhay hiệu điện thế dòng mạch hở, từ đó làm tăng hiệu suất của pin mặt trời.
Hiện nay, các chất nhạy sáng của loại pin này mới là các chất hữu cơđược tổng hợp, chất nhạy sáng thường được dùng là TT1 còn chất nhạy sángtruyền năng lượng đang được thử nghiệm với nhiều các hợp chất hữu cơ ví dụPTCDI, BL315, BL 302 hay DCM
Vậy lý thuyết chính của pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp dựa trên
lý thuyết về khả năng hấp thụ và truyền electron của chất nhạy sáng gắn trênTiO2 và khả năng truyền năng lượng của chất nhạy sáng truyền năng lượng theo
cơ chế FRET
1.2 Cơ sở lý thuyết:
1.2.1 Truyền năng lượng cộng hưởng (FRET)
Truyền năng lượng cộng hưởng (FRET) là cơ chế truyền năng lượngkhông phát xạ và phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử chất tham giaquá trình truyền năng lượng Chất tham gia quá trình truyền năng lượng cộnghưởng bao gồm một chất cho và một chất nhận Chất cho và chất nhận đều phải
có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng, ngoài ra chất cho còn phải có khảnăng huỳnh quang Chất nhận không nhất thiết phải có khả năng huỳnh quangnhưng phần lớn trong các trường hợp chất cho và chất nhận đều có khả nănghuỳnh quang Trong quá trình truyền năng lượng cộng hưởng, chất cho ở trạng
Trang 8thái kích thích truyền năng lượng sang chất nhận qua tương tác lưỡng cực –lưỡng cực.
Nguyên lý cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng
Ban đầu, chất cho hấp thụ năng lượng do được kích thích bởi một sốbước sóng nhất định và sau đó truyền năng lượng kích thích đó tới phân tử chấtnhận nằm gần đó Tóm tắt quá trình truyền năng lượng cộng hưởng với D làchất cho (donor) và A là chất nhận (acceptor) :
D + hν → D*
D* + A → D + A*
Quá trình truyền năng lượng tự diễn biến qua sự dập tắt của chất cho vàgiảm thời gian sống ở trạng thái kích thích kết hợp với sự tăng cường độ huỳnhquang của chất nhận Hình 2.4 là giản đồ Jablonski miêu tả quá trình truyềnnăng lượng cộng hưởng gồm có sự chuyển dịch đồng thời của trạng thái kíchthích ở chất nhận về trạng thái cơ bản và sự chuyển dịch từ trạng thái cơ bản củachất nhận lên trạng thái kích thích Với sự có mặt của chất nhận phù hợp, phân
tử chất cho có thể chuyển năng lượng kích thích của nó trực tiếp sang chất nhận
mà không phát ra photon
Hình 3.3 Giản đồ Jablonski của quá trình
truyền năng lượng theo FRET
Hình 3.4 Phổ hấp thụ (màu đỏ) và huỳnh quang (màu xanh) của một cặp chất cho – chất nhận Phần được tô màu nâu là vùng phổ trùng lặp giữa phổ huỳnh quang của chất cho và phổ hấp thụ của chất nhận.
Trang 9Có một số điều kiện cần được thỏa mãn để xảy ra quá trình truyền nănglượng cộng hưởng Các điều kiện đó bao gồm (1) phổ huỳnh quang của phân tửchất cho phải trùng với phổ hấp thụ hay phổ kích thích của phân tử chất nhận(mức độ trùng lặp của phổ huỳnh quang chất cho và phổ hấp thụ chất nhận được
biểu thị bằng tích phân phổ trùng lặp – J); (2) hai phân tử chất huỳnh quang
tham gia quá trình truyền năng lượng phải nằm gần nhau (thường là 1 – 10 nm);(3) lưỡng cực chuyển đổi của chất cho và chất nhận phải gần song song vớinhau; (4) thời gian sống huỳnh quang của phân tử chất cho phải đủ dài để quátrình truyền năng lượng xảy ra
Hiệu suất lượng tử của quá trình chuyển
giao năng lượng chuyển tiếp
Hiệu suất của quá trình chuyển năng lượng
của chất cho khi không có chất nhận, : yếu tố định hướng lưỡng cực, n: chiết
suất của môi trường, : số Avogadro, : tích phân phổ trùng lặp giữa chất cho
và chất nhận, : phổ phát xạ chuẩn hóa của chất cho , : hệ số hấp thụ phân tửcủa chất nhận Khoảng cách Forster (hay bán kính Forster - ) là khoảng cách
mà tại đó một nửa năng lượng kích thích của chất cho được truyền sang chất
Trang 10nhận, hay tại đó mà hiệu suất truyền năng lượng theo cơ chế cộng hưởng là50%.
Tóm lại, hiệu suất của quá trình truyền năng lượng cộng hưởng FRETphụ thuộc vào mức độ phổ trùng lặp giữa cặp chất cho – chất nhận, hiệu suấtlượng tử của chất cho, yếu tố định hướng lưỡng cực giữa chất cho – chất nhận
và khoảng cách giữa hai phân tử chất cho – chất nhận Bất cứ qua trình haytương tác nào ảnh hưởng đến khoảng cách giữa cặp chất cho – chất nhận đềuảnh hưởng đến hiệu suất của FRET
1.2.2 Sắc tố quang hợp:
Sắc tố quang hợp có cây, tảo và vi khuẩn lam, có nhiệm vụ thu nhận nănglượng ánh sáng cần thiết cho quá trình quang hợp Vì sắc tố quang hợp chỉ hấpthụ được một số bước sóng nhất định nên trong lục lạp hay vi khuẩn quang hợpthường có một số loại sắc tố kết hợp với nhau để hấp thụ được nhiều nănglượng ánh sáng hơn Có ba loại sắc tố quang hợp chính là chlorophyll,carotenoid và phycobiliprotein Mỗi loại sắc tố có cấu tạo đặc trưng với khảnăng hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau để phục vụ cho quá trình hấpthu năng lượng ánh sáng với hiệu quả cao nhất
Chlorophyll là sắc tố màu xanh, có khả năng hấp thụ tốt trong khoảngbước sóng 400 – 450 nm (với đỉnh 430 nm) và 625 – 675 (với đỉnh 662 nm).Phân tử chlorophyll có chứa vòng porphyrin, cấu trúc dạng vòng bền cho phépelectron di chuyển tự do trong phân tử Vì electron có thể di chuyển tự do trongphân tử nên vòng porphyrin có khả năng nhận hoặc cho electron dễ dàng, giúpcác phân tử bên cạnh nhận được electron Trong tự nhiên có nhiều loạichlorophyll nhưng quan trọng nhất là chlorophyll a (hình 2.4) Đây làchlorophyll nằm cuối chuỗi chuyền năng lượng trong protein quang hợp và nằm
ở đầu chuỗi truyền electron với chất nhận cuối cùng là phân tử tạo đường – mộtsản phẩm của quá trình quang hợp
Trang 11Hình 3.5.Chlorophyll a Hình 3.6 Carotenoid
Carotenoid là sắc tố có màu vàng, cam hoặc đỏ, hấp thụ tốt trong khoảngbước sóng 400 – 550 nm Hợp chất gồm hai vòng cacbon sáu cạnh được nối vớinhau bởi một chuỗi nguyên tử cacbon Với cấu tạo như carotenoid không tanđược trong nước vì thế trong tự nhiên carotenoid được gắn trên màng.Carotenoid không thể trực tiếp truyền năng lượng trong chuỗi quang hợp màphải truyền năng lượng hấp thu được cho chlorophyll bởi vậy carotenoid là sắc
Trang 12Hình 3.7.Phycobilisome gắn trên màng thylakoid cấu trúc trong tự nhiên
Phycobiliprotein gồm ba loại chính là Phycoerythrin (PE), Phycocyanin(PC), và Allophycocyanin (APC) Do sự khác biệt trong số lượng và tỉ lệ củacác phycobilin mà từng loại phycobiliprotein có khả năng hấp thụ ánh sáng ởcác bước sóng khác nhau và trải đều trong khoảng 450 nm – 650 nm Mỗi loạiphycobiliprotein được chia thành nhiều loại nhỏ hơn, ví dụ đối vớiphycoerythrin có B-Phycoerythrin, R-Phycoerythrin, hay với Phycocyanin cóC-Phycocyanin, R-Phycocyanin Các loại Phycobiliprotein này có sự khác biệt
về đỉnh hấp thụ hay hiệu suất lượng tử…, nhưng sự khác biệt này nhỏ hơn Sựphân chia nàylàm cho quá trình hấp thụ ánh sáng trong tự nhiên diễn ra với hiệusuất cao do mỗi sắc tố protein chỉ đảm nhiệm hấp thụ ánh sáng cho một vùngbước sóng nhất định
Phycobiliprotein không chỉ có ích trong cơ thể sống mà còn được dùngnhư một hóa chất phục vụ nghiên cứu do khả năng phát huỳnh quang tại một sốbước sóng nhất định Nhờ tính chất này mà phycobiliprotein được dùng nhưchất đánh dấu Một số thông số về một số loại phycobiliprotein được đưa ratrong bảng dưới đây
Phycobiliprotein Khối lượng
phân tử (kDa)
Đỉnh bước sóng hấp thụ(nm) /đỉnh bước sóng phát xạ (nm)
Hiệu suất lượng tử (Hiệu suất phát quang)
Hệ số hấp thụ phân tử tại bước sóng cao nhất (M -
1 cm -1 ) R-Phycoerythrin 240 498.546.566 nm /
Trang 13Pheophorbide a (phe a) có hai đỉnh hấp thụ ở bước sóng 410 nm (hệ sốhấp thụ phân tử 93,257 M-1cm-1) và 668 nm (44,630 M-1cm-1) trong ethanol(Eichwurzel, 2000) so với Chlorophyll a (chl a) có hai đỉnh hấp thụ ở bước
Trang 14sóng 416.25 nm (111,094 M-1cm-1) và 659.5 nm (32,691 M-1cm-1) trongmethanol (Strain, 1963) Từ đó có thể thấy phe a có khả năng hấp thụ ánh sáng
ở bước sóng 600 nm – 700 nm tốt hơn chl a Ngoài ra, phe a còn có gốccarboxyl ở vị trí đuôi phytyl của chl a, giúp pheo a có thể gắn được lên bề mặtTiO2
1.2.2.2 Chlorophyllide
Chlorophyllide (Hình 3.11) là một sản phẩm phân giải khác củachlorophyll bằng cách cắt đuôi phytol do enzyme chlorophyllase thực hiện.Trong tự nhiên, enzyme chlorophyllase thường có trong màng thylakoid
1.2.2.3 Phycocyanin (PC)
Phycocyanin là một protein sắc tố nằm trong tổ hợp hấp thụ ánh sángphycobiliprotein, cùng với allophycocyanin và phycoerythrin Các thông số vềkhả năng hấp thụ và huỳnh quang của phycocyanin đã được thể hiện trong bảng2.1
Hình 3.12 Cấu tạo của phycobilisome gồm phycoerythrin, phycocyanin và allophycocyanin.
1.2.3 Pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp
Pin mặt trời dung sắc tố quang hợp gồm pheophorbide a (hoặcchlorophyllide) gắn trên TiO2 và phycocyanin là chất nhạy sáng truyền nănglượng Pheophorbide a (hoặc chlorophyllide) và phycocyanin đáp ứng đủ điềukiện để tạo thành một cặp chất cho – chất nhận trong quá trình truyền nănglượng cộng hưởng Ngoài ra, phycocyanin còn có một số ưu điểm khác so vớicác chất hữu cơ đã từng được sử dụng trong ERD DSSC đó là phycocyanin có
