Chế tạo màng mỏng tio2 ứng dụng cho solar cell

Màng mỏng TiO2 được lắng đọng trên đế thủy tinh phủ màng ITO (Indium Tin Oxide) từ hạt nano TiO2 bằng phương pháp điện phân dòng một chiều trong môi trường Isopropanol, và được sử dụng làm điện cực để chế tạo pin DSSC. Phân tích màng mỏng bằng các phương pháp khác nhau để khảo sác tính chất vật lý của màng: xác định pha, cấu trúc bề mặt bằng phương pháp đo nhiễu xạ tia X (XRD); bề mặt màng được đo bằng kính hiển vi quang học (OM); hình thái bề mặt, độ xốp màng được xác định bằng ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM). Màng mỏng thu được sau đó đem đi chế tạo thành DSSC và đo điện áp hở mạch (VOC), dòng ngắn mạch (ISC) của pin chế tạo được.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN _   _

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH VẬT LÝ KỸ THUẬT

SINH VIÊN THỰC HIỆN

HUỲNH PHAN THÀNH ĐÔ MSSV: B1505937

LỚP: VẬT LÝ KỸ THUẬT K41

Cần Thơ, tháng 11/2019

PHẦN KÝ DUYỆT

(ký tên) (ký tên)

PGS.TS Nguyễn Trí Tuấn Huỳnh Phan Thành Đô

DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN

………

………

………

………

………

Cần Thơ, ngày tháng 11 năm 2019

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(ký tên)

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS Nguyễn Trí Tuấn - người đã định hướng, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Thầy đã chỉ dạy cho tôi những kiến thức và kĩ năng trong việc nghiên cứu khoa học

Tôi chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô thuộc bộ môn Vật lý – Khoa Khoa Học Tự Nhiên – Trường Đại học Cần Thơ đã truyền đạt kiến thức và tận tình hướng dẫn trong

thời gian học tập tại trường Những kiến thức mà các thầy cô truyền đạt là nền tảng vững

chắc cho tôi trong quá trình học tập cũng như sau khi ra trường

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các anh chị cao học, các bạn đang thực hiện luận văn tại phòng thí nghiệm vật liệu, và bạn bè đã tận tình động viên, giúp đỡ trong quá trình học tập cũng như nghiên cứu

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và người thân đã luôn quan tâm, động viên

và là chỗ dựa về tinh thần và vật chất cho tôi trong suốt quá trình học tập tại trường Xin chân thành cảm ơn!

Cần Thơ, ngày tháng 11 năm 2019

TÓM TẮT

Màng mỏng TiO2 được lắng đọng trên đế thủy tinh phủ màng ITO (Indium Tin Oxide)

từ hạt nano TiO2 bằng phương pháp điện phân dòng một chiều trong môi trường Isopropanol, và được sử dụng làm điện cực để chế tạo pin DSSC Phân tích màng mỏng bằng các phương pháp khác nhau để khảo sác tính chất vật lý của màng: xác định pha, cấu trúc bề mặt bằng phương pháp đo nhiễu xạ tia X (XRD); bề mặt màng được đo bằng kính hiển vi quang học (OM); hình thái bề mặt, độ xốp màng được xác định bằng ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) Màng mỏng thu được sau đó đem đi chế tạo thành DSSC và đo điện áp hở mạch (VOC), dòng ngắn mạch (ISC) của pin chế tạo được

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH BẢNG v

DANH SÁCH HÌNH vi

CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU ix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1

1.1 Giới thiệu tổng quan về TiO2 1

1.1.1 Các pha tinh thể của TiO2 1

1.1.2 Tính chất của TiO2 3

1.1.3 Một số ứng dụng của TiO2 6

1.2 Tổng quan về DSSC 8

1.2.1 Giới thiệu tổng quát về các thế hệ pin năng lượng mặt trời 8

1.2.2 DSSC 9

1.3 Công nghệ màng mỏng 16

1.3.1 Tổng quát về màng mỏng 16

1.3.2 Kỹ thuật chế tạo màng mỏng 17

1.3.3 Phương pháp điện phân 18

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 20

2.1 Thiết bị, dụng cụ và hóa chất 20

2.1.1 Thiết bị, dụng cụ: 20

2.1.2 Hóa chất 20

2.2 Thực nghiệm 20

2.2.1 Chế tạo màng mỏng ITO/TiO2 bằng phương pháp điện phân 20

2.2.2 Tạo pin năng lượng mặt trời màu nhạy quang (DSSC) 22

2.3 Phương pháp phân tích 24

2.3.1 Ảnh hiển vi quang học (OM) 24

2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 26

2.3.3 Ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) 27

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30

3.1 Ảnh hiển vi quang học 30

3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X 31

3.3 Ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) 32

3.4 VOC và ISC của pin năng lượng mặt trời sử dụng chất màu nhạy quang 34

KẾT LUẬN 36

KIẾN NGHỊ 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1 Thông số vật lý của 3 pha Anatase, Rutile và Brookite 3Bảng 1.2 Một số kỹ thuật tạo màng phổ biến 18

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1.1 Khoáng chứa TiO2 và bột TiO2 1

Hình 1.2 Các dạng thù hình của TiO2 (từ trái sang): Rutile, Anatase, Brookite 2

Hình 1.3 Cơ chế quang xúc tác của TiO2 5

Hình 1.4 Làm sạch không khí bằng TiO2 6

Hình 1.5 TiO2 có ứng dụng diệt khuẩn 6

Hình 1.6 Kính tự làm sạch TiO2 7

Hình 1.7 Chất tạo màu TiO2 7

Hình 1.8 TiO2 trong mỹ phẩm chống nắng 8

Hình 1.9 Cấu tạo của các pin năng lượng mặt trời nổi bật trong thế hệ của chúng 9

Hình 1.10 Hiệu suất chuyển đổi của các loại pin năng lượng mặt trời qua các năm (DSSC vòng tròn màu cam) 10

Hình 1.11 Cấu trúc pin DSSC của Grätzel và O'Regan 11

Hình 1.12 Cấu trúc của một DSSC điển hình 11

Hình 1.13 Cơ chế hoạt động của DSSC 12

Hình 1.14 Một số thông số cơ bản của DSSC 13

Hình 1.15 Hệ số lấp đầy FF của DSSC 15

Hình 1.16 Máy tính Casio sử dụng pin năng lượng mặt trời 16

Hình 1.17 Màng mỏng đơn lớp Ti trên đế Si (bên trái) và đa lớp (bên phải) 17

Hình 1.18 Sơ đồ hệ thông điện phân 19

Hình 2.1 Quy trình tạo màng mỏng TiO2 trên đế ITO bằng phương pháp điện phân 21

Hình 2.2 Sơ đồ lắp đặt thí nghiệm điện phân tạo màng mỏng TiO2 22

Hình 2.3 Bố trí thí nghiệm điện phân tạo màng mỏng TiO2 22

Hình 2.4 Quy trình tổng hợp DSSC 23

Hình 2.5 Kính hiển vi quang học CX21LED 24

Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi quang học truyền qua 25

Hình 2.7 Máy nhiễu xạ tia X D8 Advance 26

Hình 2.8 Nhiễu xạ của tia X trên tinh thể 27

Hình 2.9 Máy đo FESEM JSM-7600F 28

Hình 2.10 Độ sâu tương tác của các chùm electron với mẫu làm xuất hiện các loại tia, điện tử khác nhau 28

Hình 3.1 Bề mặt màng mỏng TiO2 khi điện phân 4 phút ở các mức điện thế 8V (a), 10V (b), 15V (c) 30

Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng mỏng TiO2 điện phân 4 phút ở mức điện thế 8V, 10V, 15V 31

Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng mỏng TiO2 điện phân 15V ở 3 phút và 4 phút 32

Hình 3.4 Ảnh FESEM của màng mỏng TiO2 điện phân ở 15V - 4 phút 33

Hình 3.6 Điện cực đối (a) và màng mỏng TiO2 đã ngâm chất màu (b) 34

Hình 3.7 Pin DSSC sau khi ghép hai cực 34

Hình 3.8 Đo điện thế pin dưới trời nắng 35

CÁC TỪ VIẾT TẮT

CCD Charge Coupled Device Linh kiện tích điện kép CVB Chemical vapor deposition Lắng đọng hơi hóa học

DSSC Dye Sensitized Solar Cells Pin năng lượng mặt trời sử

dụng chất màu nhạy quang

FESEM Field emission scanning

electron microscopy

Kính hiển vi điện tử quét

phát xạ trường

MỞ ĐẦU

Hiện nay, khi công nghệ - khoa học ngày càng phát triển thì sức ép về việc cung cấp một nguồn năng lượng lớn ngày càng cao, cùng với đó, tình trạng cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí đốt, than đá,…) không còn là cảnh báo của một tương lai

xa mà đang được chứng minh bằng những con số cụ thể: số năm niên liệu hóa thạch còn lại tính theo mức khai thác hiện nay đới với than đá 114 năm; khí đốt 53 năm; dầu lửa

51 năm (theo BP) Đây là hậu quả tất yếu của việc khai thác quá mức các nguồn năng lượng hóa thạch mà quên đầu tư vào các nguồn năng lượng tái tạo Việt Nam cũng không ngoại lệ, theo báo cáo của Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN), sản lượng khai thác dầu trong nước năm 2018 đạt 12 triệu tấn, vượt 675 nghìn tấn, tương đương vượt 6% so với

kế hoạch Chính phủ giao đầu năm, các mỏ dầu khí chủ lực như mỏ Bạch Hổ, Tê Giác Trắng, Sư Tử Đen, Sư Tử Vàng, Rạng Đông, đã chuyển sang giai đoạn suy giảm sản lượng và tiềm ẩn nhiều rủi ro

Vì vậy, việc thay thế nguồn năng lượng hóa thạch bằng năng lượng tái tạo như gió, thủy điện, mặt trời,… là vấn đề đang được đặt lên hàng đầu Nếu so sánh với năng lượng thủy điện cần địa hình đặc biệt, có thể phá vỡ cân bằng hệ sinh thái hay năng lượng gió yêu cầu sự ổn định thì ở Việt Nam năng lượng mặt trời tỏ ra có nhiều ưu điểm nổi bật hơn Chẳng hạn, Việt Nam có khoảng 2.000 - 2.500 giờ nắng với mức chiếu nắng trung bình khoảng 627,6 kJ/cm2 mỗi năm, đây là nguồn năng lượng dồi dào thuận lợi cho việc khai thác Ngoài ra, việc lắp đặt các tấm pin năng lượng mặt trời cũng tương đối dễ dàng, có thể tận dụng các vị trí che mát để tạo năng lượng như mái che, trang trại, các thiết bị cũng không đòi hỏi xây dựng nền móng công trình chắc chắn, có thể lắp đặt trên đồi, bãi cát, vùng nửa ngập, vùng phù sa

Hiện nay, có khá nhiều phương pháp khai thác năng lượng từ ánh sáng mặt trời như: nhiệt mặt trời, điện mặt trời tập trung, hóa học năng lượng mặt trời và pin năng lượng mặt trời Trong đó pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện) đang được các nhà khoa học quan tâm vì tiềm năng lớn, gọn nhẹ, dễ lắp đặt

Pin năng lượng mặt trời đầu tiên dựa trên cơ sở lớp chuyển tiếp p - n đã được thực hiện từ 1946 bởi Russell Ohl bằng cách dùng các đơn tinh thể Silic có độ sạch cao Với việc mong muốn nâng cao khả năng khai thác năng lượng mặt trời và giảm giá thành

pin, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu và cho ra đời nhiều loại pin với cấu tạo

và hoạt động khác nhau

Năm 1972, pin năng lượng mặt trời sử dụng chất màu nhạy quang (DSSC) đầu tiên

sử dụng chất diệp lục với điện cực ZnO được công bố bởi tác giả H Tributsch và M Calvin Tuy nhiên, loại pin này do sử dụng điện cực ZnO phẳng nên hiệu suất rất thấp (dưới 1%), vì vậy chưa được chú ý nhiều Năm 1991, nhóm tác giả Brian O' Regan và Michael Grätzel sử dụng điện cực là các hạt nano xốp TiO2 để chế tạo DSSC và đạt được hiệu suất cao (~7,1% - 7,9%) Nối tiếp công trình này, nhiều tạp chí và báo cáo khoa học đã công bố làm tăng hiệu suất cho DSSC Hiện nay, hiệu suất cao nhất của DSSC vào khoảng 11,1% Việc chế tạo DSSC có nhiều ưu điểm so với pin năng lượng mặt trời sử dụng silic như: yêu cầu các thiết bị và công nghệ đơn giản, giá thành rẻ, Những đặc điểm này rất phù hợp với điều kiện nghiên cứu ở phòng thí nghiệm bộ môn Vật Lý – Khoa Khoa học tự nhiên, Đại học Cần Thơ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Giới thiệu tổng quan về TiO 2

1.1.1 Các pha tinh thể của TiO 2

Titanium Dioxide (hay còn gọi Titanium (IV) oxide, Titania) có công thức hóa học TiO2, là chất rắn màu trắng, một trong những oxide kim loại phổ biến trong các khoáng vật tự nhiên Trong tự nhiên, TiO2 tồn tại nhiều trong các khoáng: anatase (98.98%), brookite (98.59%), rutile (97.46%), ilmenite (52.61%) [1]

Hình 1.1 Khoáng chứa TiO2 và bột TiO2

Bột TiO2

TiO2 tồn tại chủ yếu ở 3 dạng thù hình chính: anatase, rutile, brookite Ở mỗi pha, TiO2 có cấu trúc và tính chất khác nhau:

− Rutile: cấu trúc tinh thể là tứ diện gồm 6 nguyên tử trong một ô cơ sở, mỗi ion

Ti4+ được bao quanh bởi tám mặt tạo bởi 6 ion O2- (bát diện phối trí), trong đó có 2 liên kết Ti-O lớn hơn 2 liên kết còn lại Đây là trạng thái bền nhất của TiO2, có độ xếp chặt cao nhất trong 3 dạng thù hình

− Anatase: cấu trúc tinh thể là tứ diện gồm 12 nguyên tử trong một ô cơ sở, mỗi ion Ti4+ được bao quanh bởi tám mặt tạo bởi 6 ion O2- (bát diện phối trí), trong đó có 2 liên kết Ti-O lớn hơn 2 liên kết còn lại Tuy nhiên, so với pha rutile thì độ dài của 2 liên kết này ngắn hơn ở pha anatase, điều này dẫn đến sự khác nhau về năng lượng kích thích của 2 pha [2]

− Brookite: cấu trúc tinh thể là trực thoi, so với rutile và anatase thì bát diện phối trí của brookite có độ biến dạng lớn và 6 liên kết Ti-O đều có độ dài khác nhau

Hình 1.2 Các dạng thù hình của TiO2 (từ trái sang): Rutile, Anatase, Brookite TiO2 có thể chuyển pha từ anatase sang rutile bằng cách gia nhiệt Nhiệt độ trung bình của quá trình chuyển pha này là ~6000C, tuy nhiên nhiệt độ này có thể dao động từ

4000C – 12000C tùy thuộc vào phương pháp xác định nhiệt chuyển pha, vật liệu ban đầu hay quy trình chế tạo [3] Brookite cũng chuyển sang rutile ở nhiệt độ 500-600oC

Do brookite tinh khiết, không lẫn anatase hay rutile khó chế tạo nên cho đến hiện tại chưa có nhiều nghiên cứu về brookite

Bảng 1.1 Thông số vật lý của 3 pha Anatase, Rutile và Brookite

[4] RUTILE [5] BROOKITE[6]

a=0.3785 c=0.9514 (28oC)

a=0.4594 c=0.2958 (30oC)

a=0.9174 b=0.5449 c=0.5138 (25oC) Khối lượng riêng g.cm-3 3.894 (298oC) 4.250 (298oC) 4.133 (250oC)

− Nhiệt độ bay hơi: 2500 - 300oC [7].

− Khối lượng phân tử: 79.865 g/mol

1.1.2.2 Tính chất hóa học

TiO2 không độc và có độ ổn định hóa học cao, hầu như không phản ứng ở nhiệt độ phòng

− Không tan trong nước

− Không tan trong HCl, NaOH

− Tan và phản ứng với H2SO4 đặc, nóng và HF

− Không tan trong dung môi hữu cơ

1.1.2.3 Tính chất nhiệt

− Độ dẫn nhiệt: 11.7 WmK-1[9] (ở 250oC)

− Nhiệt độ Debye: Anatase: 881 K [9]; Rutile: 987 K

− Nhiệt dung riêng phân tử: Anatase: 54.53 Jmol-1K-1[9]; Rutile: 54.99 Jmol-1K-1

1.1.2.4 Tính chất điện

TiO2 là chất bán dẫn Ở nhiệt độ phòng, TiO2 cách điện Ở nhiệt độ cao, TiO2 sẽ trở thành chất bán dẫn loại n và có tính chất điện phụ thuộc vào số lượng nút khuyết O2.[10] Nguyên dân là do vùng hoá trị (VB) của rutile và anatase bao gồm các trạng thái 2p của

O2, trong khi vùng dẫn (CB) được hình thành từ các trạng thái 3d của Ti Do là một chất bán dẫn vùng cấm rộng nên ở nhiệt độ thấp, tinh thể TiO2 có điện trở suất cao ( 

1015Ωm) Trong tinh thể TiO2 tồn tại một lượng lớn khuyết O2 và điền kẽ Ti được cho

là tạo ra các mức donor electron nông Các mức donor nông này ảnh hưởng đến tính chất dẫn điện của tinh thể TiO2 Vì vậy, TiO2 thường có độ dẫn điện loại n và độ dẫn điện tăng lên với mức độ khuyết O2 trong mạng tinh thể

Trong đó, OH• có tính khử và O2- có tính oxi hóa mạnh Ngoài ra, khi được kích thích, electron và lỗ trống có xu hướng tái tổ hợp và sinh ra phonon (quang hoặc nhiệt - phương trình (2)), điều này làm giảm khả năng quang xúc tác của vật liệu, do đó mục tiêu của các nhà nghiên cứu là làm tăng thời gian sống của exciton và từ đó tăng tính quang xúc tác[11]

Khi thực hiện chế tạo màng TiO2, chúng ta quan tâm đến độ gồ ghề và bậc tinh thể của màng Độ gồ ghề quyết định diện tích bề mặt hiệu dụng Độ gồ ghề càng nhiều, diện tích bề mặt hiệu dụng càng lớn, các phản ứng oxy hóa – khử xảy ra tại bề mặt càng nhiều, tính xúc tác quang càng lớn Đa tinh thể có các tinh thể sắp xếp xa, tức bậc tinh thể cao, mật độ exciton (sự kết hợp của điện tử - lỗ trống) càng nhiều, tính năng quang xúc tác càng cao Tuy nhiên, đối với pin DSSC, tính chất này của TiO2 sẽ làm giảm tuổi thọ của pin bởi vì những phản ứng trên sẽ phân huỷ chất màu hữu cơ (dye) có trong pin khi pin hoạt động trong điều kiện thực tế với sự có mặt của tia tử ngoại

TiO2 ở pha anatase có hoạt tính quang xúc tác cao hơn hẳn 2 pha còn lại, do anatase

có khả năng khử O2 thành O2-, từ đó nhận đồng thời oxy và hơi nước từ không khí để phân hủy chất hữu cơ, còn rutile và brookite không có khả năng này[12]

Hình 1.3 Cơ chế quang xúc tác của TiO2

1.1.3 Một số ứng dụng của TiO 2

TiO2 có những tính chất tốt như không độc hại, thân thiện với môi trường cùng với

đó là khả năng quang xúc tác đã làm cho TiO2 trở thành chất có ứng dụng khá rộng rãi

Chất xử lý môi trường và diệt khuẩn

Hình 1.4 Làm sạch không khí bằng TiO2Chất quang xúc tác TiO2 có khả năng oxi hóa màng vi khuẩn, làm chúng mất nước

và từ đó làm chết vi khuẩn

Mẫu đối chứng

Lượng vi khuẩn sống sót sau

Mẫu sơn TiO2/Apatite

Mẫu sơn TiO2/Apatite

Lượng vi khuẩn sống sót sau 3h

Mẫu đối chứng

Hình 1.5 TiO2 có ứng dụng diệt khuẩn

Chất tự làm sạch

Vật liệu TiO2 có khả năng tự làm sạch nhờ vào tính quang xúc tác và siêu thấm ướt Khi có ánh sáng mặt trời, các chất hữu cơ bám trên bề mặt vật liệu sẽ được phân hủy nhờ vào tính quang xúc tác, cùng lúc đó nước đọng trên bề mặt vật liệu được trải ra thành màng nước mỏng và kéo theo các chất hữu cơ đã phân hủy ra khỏi bề mặt vật liệu

TiO2 còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như: Vật liệu gốm, mỹ phẩm, làm sensor để nhận biết các khí trong môi trường ô nhiễm nặng,

1.2 Tổng quan về DSSC

1.2.1 Giới thiệu tổng quát về các thế hệ pin năng lượng mặt trời

Kỹ thuật pin năng lượng mặt trời đầu tiên được phát minh bởi nhà vật lý người Pháp Alexender Edmond Becquerel vào năm 1839, từ đó pin năng lượng mặt trời dần được phát triển và ra đời nhiều loại pin năng lượng mặt trời khác nhau Hiện nay, người ta chia pin năng lượng mặt trời thành 3 nhóm chính và các nhóm này còn được gọi là thế

hệ pin năng lượng mặt trời

Thế hệ thứ nhất của pin năng lượng mặt trời là thế hệ pin năng lượng mặt trời truyền thống được làm từ chất vô cơ, sử dụng chủ yếu là đơn tinh thể Silic Các công nghệ của thế hệ đầu này chú trọng vào năng lượng đầu ra và hiệu suất chuyển đổi năng lượng Pin năng lượng mặt trời làm bằng Silicon hiện tiến gần đến ngưỡng hiệu suất theo lý thuyết

là 33% Các loại vật liệu tạo pin ở thế hệ này gồm có: Đơn tinh thể Silic, Đa tinh thể Silic, Silic vô định hình

Thế hệ thứ 2 của pin năng lượng mặt trời sử dụng công nghệ màng mỏng (do sử dụng các lớp chất bán dẫn có độ dày vài µm) Hai người đã đặt nền móng cho thế hệ này là M.Wolf và J.J.Lofersky[15] với việc chế tạo màng silicon vô định hình Sau đó nhiều nghiên cứu mới đã tìm ra những vật liệu nổi bật như Cadmium Telluride (CdTe), Copper Indium Gallium Selenide (CIGS) giúp làm giảm khối lượng và giá thành của pin Mặc

Hình 1.8 TiO2 trong mỹ phẩm chống nắng

dù giá hiệu suất chuyển đổi pin khá thấp với 10.6% sử dụng chất màu nhạy quang N719[16]

Thế hệ thứ 3 của pin năng lượng mặt trời hướng đến việc nâng cao hiệu suất của thế

hệ thứ 2 đồng thời giữ giá thành thấp bằng cách tăng khả năng hấp thụ dải ánh sáng rộng, công nghệ mới này rất hứa hẹn tuy vẫn còn đang phát triển và chưa có tính hiệu quả thương mại cao Thế hệ này sử dụng đa dạng các loại vật liệu như tinh thể nano, polyme, chất màu nhạy quang Mục tiêu của thế hệ này là tăng hiệu suất của pin năng lượng mặt trời lên 40%

(a) Silic thế hệ I; (b) CdTe thế hệ II; (c) Perovsikte thế hệ III

quang (màng mỏng bán dẫn+ chất màu nhạy quang), hệ điện li và lớp xúc tác Ưu điểm của DSSC là có giá thành chế tạo thấp và chế tạo đơn giản so với pin silic

Năm 1972, pin năng lượng mặt trời sử dụng chất màu nhạy quang đầu tiên sử dụng chất diệp lục với điện cực ZnO Tuy nhiên, do loại pin này sử dụng điện cực ZnO phẳng nên hiệu suất rất thấp (dưới 1%), vì vậy đã không được chú ý nhiều Đến năm 1991, Pin DSSC được chế tạo bởi Grätzel và O'Regan có hiệu suất chuyển đổi vượt trội 7.1% (hình 1.12) [16], từ đó tạo tiền đề cho các nghiên cứu về loại pin này phát triển Năm 2014 DSSC được chế tạo đã có hiệu suất 13%

Hình 1.10 Hiệu suất chuyển đổi của các loại pin năng lượng mặt trời qua các năm

(DSSC vòng tròn màu cam)

Hình 1.11 Cấu trúc pin DSSC của Grätzel và O'Regan

1.2.2.1 Cấu trúc pin DSSC

Hình 1.12 Cấu trúc của một DSSC điển hình DSSC có cấu trúc từng lớp riêng biệt:

− Đế: DSSC có đế bằng thủy tinh với tính chất trong suốt, độ truyền ánh sáng cao

− Lớp oxide dẫn điện trong suốt: Lớp oxide phải trong suốt để ánh sáng có thể dễ dàng đi qua, cũng như không ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng Oxide ở đây thường được sử dụng là ITO hoặc FTO Lớp oxide dẫn điện đóng vai trò như cực thu dòng điện

− Điện cực đối: Điện cực đối thường được sử dụng là kim loại Pt hoặc Cacbon, dùng để xúc tác phản ứng khử I3- thành I- trong chất điện li

− Điện cực làm việc: Thường là một lớp màng mỏng chất bán dẫn như TiO2, ZnO,

Nb2O5,… với kích thước nano để làm tăng diện tích bề mặt bề mặt, tăng độ xốp Điện cực làm việc sau đó phủ chất nhạy màu để trở thành điện cực nhạy quang

− Lớp chất màu nhạy quang được phủ lên trên TiO2: Nhờ vào TiO2 xốp, các phân

tử chất màu dễ dàng len vào, giúp tăng hiệu suất hấp thụ ánh sáng TiO2 lúc này còn được xem là chất mang, giúp khuếch tán các phân tử chất màu đến lớp oxide dẫn điện

− Hệ điện li: thường là cặp I3-/I-, có vai trò nhận electron từ điện cực đối và trả cho chất màu

1.2.2.2 Hoạt động pin

Hình 1.13 Cơ chế hoạt động của DSSC

Cơ chế hoạt động của pin được thể hiện như sau:

2TiO2-S+ + 3I- 2TiO2-S + I3- (5)

Khi cĩ ánh sáng với năng lượng photon thích hợp chiếu vào, electron của chất màu nhạy quang (S) trong lớp TiO2 sẽ hấp thụ và bị kích thích từ mức HOMO lên mức LUMO (S*) (Phương trình 1) Do Chất nhạy màu được chọn cĩ mức LUMO cao hơn đáy vùng dẫn của TiO2 nên khi tiếp xúc TiO2, electron trong S* nhảy qua vùng dẫn của TiO2 và để lại lỗ trống ở S (S+) (Phương trình 2) Electron ở TiO2 sau đĩ di chuyển sang đế ITO (phương trình 3) rồi chạy qua tải, cuối cùng sang điện cực đối Tại đây electron từ điện cực đối Pt kết hợp với I3- trong hệ điện li để tạo thành I- (Phương trình 4), I- sao đĩ kết hợp lại với S+ để trả lại electron (Phương trình 5), kết thúc một chu trình

DSSC sử dụng màng mỏng TiO2 bởi vì TiO2 cĩ độ rộng vùng cấm thích hợp với vùng kích thích của chất má nhạy quang, độ ổn định hĩa học cao và cĩ diện tích bề mặt lớn khi ở kích thước nano [17][18]

1.2.2.3 Các thơng số quang điện của DSSC

Hình 1.14 Một số thơng số cơ bản của DSSC Điện áp hở mạch VOC; Dịng ngắn mạch ISC ; Cơng suất đầu ra P

Điện áp hở mạch VOC là hiệu điện thế đo được khi mạch ngồi của pin năng lượng mặt trời hở (R= ∞), khi đĩ dòng điện mạch ngồi I=0

Đối với DSSC, điện áp hở mạch VOC theo lý thuyết bằng hiệu mức Fermi của chất bán dẫn với thế ôxi hoá khử của chất điện li (V, hình 1.14) Tuy nhiện, thực nghiệm cho thấy, VOC thấp hơn giá trị lý thuyết do sự tái tổ hợp của cặp e--h+, ở các điều kiện

hở mạch, sự tái tổ hợp cặp điện tích xảy ra trong lớp điện cực nhạy quang (gồm chất nhạy quang phủ lên TiO2) Vì vậy, nếu sự tái tổ hợp có thể được giảm đến mức tối thiểu thì điện áp hở mạch Voc sẽ tiến tới giá trị lý thuyết

Dòng ngắn mạch hay mật độ dòng ngắn mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin

năng lượng mặt trời khi làm ngắn mạch ngoài (R=0) Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin V=0

Dòng ngắn mạch ISC phụ thuộc vào số photon được hấp thụ, mà số photon được hấp thụ phụ thuộc vào hai yếu tố:

− Cường độ chùm sáng chiếu tới lớp anode nhạy quang của pin: cường độ chùm sáng càng lớn thì số photon chiếu tới lớp anode nhạy quang càng lớn

− Phổ hấp thụ của lớp anode nhạy quang: Phổ hấp thụ của lớp điện cực nhạy quang càng mạnh và càng rộng thì số photon hấp thụ càng nhiều

Ngoài ra, Dòng ngắn mạch ISC còn phụ thuộc vào tính linh động của hạt tải trong lớp anode nhạy quang, sự tái hợp của hạt tải, Như vậy, ở điều kiện bình thường, đối với một pin năng lượng mặt trời có diện tích nhất định, Dòng ngắn mạch ISC tỷ lệ thuận với cường độ chùm sáng chiếu tới bề mặt pin

Hệ số lấp đầy (FF)

Gọi PM là công suất cực đại của pin Khi đó, người ta định nghĩa hệ số lấp đầy của pin theo biểu thức sau:

𝐹𝐹 = 𝑑𝑖ệ𝑛 𝑡í𝑐ℎ 𝑙ụ𝑐𝑑𝑖ệ𝑛 𝑡í𝑐ℎ 𝑙𝑎𝑚 =

𝑃𝑀

𝐼𝑆𝐶 ∗ 𝑉𝑂𝐶 =

𝐼𝑀𝑃∗ 𝑉𝑀𝑃

𝐼𝑆𝐶∗ 𝑉𝑂𝐶 < 1 (2.1)

Hệ số lấp đầy có giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến 1, thường nhỏ hơn 1 Giá trị của

FF nhỏ hơn 1 có nguyên nhân do điện trở nội của pin, sự tái hợp cặp e--h+ và một số nguyên nhân khác