Pin mặt trời chấm lượng tử (QDSC) có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động tương tự như pin mặt trời chất màu nhạy quang (DSC). Điểm khác nhau giữa 2 loại pin này là ở chất nhạy quang. Trong khi DSC dùng các phân tử chất màu như phức chất của kim loại chuyển tiếp như Ru, Os, Fe với các phối tử dị vòng như pyridine hay polypyridine 2 càng, 3 càng, đa càng để hấp thụ ánh sáng thì pin QDSC dùng chấm lượng tử bán dẫn.
2.4.1 Cấu tạo pin mặt trời chầm lượng tử
Cấu tạo của một pin mặt trời chấm lượng tử (QDSC) bao gồm các thành phần: Anode quang, dung dịch chất điện ly, cathode, được mô tả như hình 2.3.
TÔ HOÀNG TRƯƠNG 20
Hình 2.3 Cấu trúc pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang
Anode quang
Thành phần được xem là quan trọng nhất trong một pin mặt trời chấm lượng tử là anode quang, vì nó ảnh hưởng tới các thông số của pin như: thế mạch hở VOC, dòng ngắn mạch ISC, hệ số lấp đầy FF, hiệu suất pin. Cấu tạo của một anode quang bao gồm màng dẫn điện trong suốt (TCO – transparent conducting oxides, thường là thiết pha tạp Fluor (FTO) hoặc pha tạp Indium (ITO)). Trên màng dẫn điện trong suốt này được phủ một lớp vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm rộng như TiO2, ZnO, SnO2,…và được thiêu kết thành mạng lưới có khả năng vận chuyển điện tử, thường là sử dụng Titan dioxit (TiO2) pha anatas, vì TiO2 có năng lượng vùng cấm khá lớn khoảng 3.2 eV có thể hấp thụ một dãy sóng dài từ vùng khả kiến đến tử ngoại rất thích hợp để ứng dụng làm pin. Chấm lượng tử (QDs) được hấp phụ trên màng TiO2 để đóng vai trò là nguồn hấp thụ photon từ ánh sáng mặt trời và sau đó chuyển đổi thành điện tử.
Cathode
Điện cực cathode là một lớp màng mỏng Pt được phủ trên đế thủy tinh dẫn TCO. Pt được bết tới là chất xúc tác hoạt tính mạnh dẫn điện trên điện cực đối.
TÔ HOÀNG TRƯƠNG 21
Dung dịch chất điện ly
Giữa hai điện cực cathode và anode là dung dịch điện ly chứa cặp oxi hóa - khử, cặp chất điện ly I3-
/I- thường được sử dụng bởi vì cặp chất ô xi hóa khử này tương thích với các pin chất màu nhạy quang Ruthnium. Tuy nhiên, chất điện ly Iodide không tương hợp với các tinh thể nano, theo thời gian chúng sẽ phân hủy các tinh thể nano và gây ra giảm hiệu suất pin. Cặp ô xi hóa – khử S2-/Sn2- là phù hợp nhất cho các pin mặt dựa trên tinh thể nano.
Ngoài ra, dung dịch điện ly sử dụng trong pin mặt trời QDSC chứa cặp ôxy hóa – khử đóng vai trò chuyển điện tích giữa anode và cathode và tái tạo lại chấm lượng tử. Một dung dịch điện ly phù hợp cho pin QDSC là hệ ôxy hóa – khử có thế ôxy hóa – khử phù hợp với giản đồ năng lượng của chấm lượng tử và mức Fermi để sao cho nó có thể tái tạo chấm lượng tử hiệu quả nhưng vẫn đảm bảo thế mạch hở của pin ở mức cao. Ngoài ra dung dịch điện ly cần có độ nhớt thấp để thực hiện quá trình khuếch tán điện tích nhanh, có điểm nóng chảy thấp hơn nhiệt độ môi trường nhằm hạn chế sự rò rỉ bay hơi.
Để kết dính hai điện cực và giữ dung dịch điện ly ở giữa chúng, ngăn chặn sự rò rỉ, bay hơi của dung dịch chất điện ly, ta cần dùng một vật liệu kết dính, độ bền quang hóa và hóa học của vật liệu này trong dung dịch chất điện ly là rất quan trọng. Các tấm polymer như Surlyn hay copolymer của polyethylene và polyacrlylic acide là các chất kết dính tốt. Ngoài ra, ta còn phủ thêm lớp keo epoxy ở các mối nối ngoài để tăng độ kín của pin.
TÔ HOÀNG TRƯƠNG 22
2.4.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chấm lượng tử
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời chấm lượng tử
Quá trình 1: khi được chiếu sáng, chấm lượng tử liên kết lên màng TiO2 sẽ hấp thu ánh sáng tới, các electron trong chấm lượng tử bị kích thích, sẽ chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, để lại lỗ trống ở vùng hóa trị, tạo thành exciton.
Sh S* (2.9) Quá trình 2: Do mức năng lượng thấp nhất của vùng dẫn của phân tử chấm lượng tử cao hơn mức năng lượng đáy vùng dẫn của TiO2 nên các electron sẽ chuyển từ chấm lượng tử sang lớp TiO2 (gọi là tiêm hạt tải) và nhanh chóng khuếch tán ra lớp điện cực, do đó dòng điện được sinh ra.
S*Se(đến lớp TiO2) (2.10) Quá trình 3,4: các phân tử chấm lượng tử sau khi “tiêm hạt tải” vào lớp TiO2 sẽ dư thừa lỗ trống ở vùng hóa trị, các lỗ trống này nhanh chóng tái hợp với các electron chyển từ lớp chất điện ly sau quá trình oxy hóa và làm “tái sinh” các phân tử chấm lượng tử, các quá trình này diễn ra liên tục và giúp cho lớp chấm lượng tử luôn ổn định.
3II32e(đến lớp QDs) (2.11) Quá trình 5: Dòng electron của QDSC sau khi qua tải sẽ được thu về cực góp rồi chuyển vào lớp điện ly (cặp oxy hóa-khử I-/I3-) thực hiện quá trình oxy hóa
TÔ HOÀNG TRƯƠNG 23
khử để bù đắp lượng electron mà lớp này đã chuyển vào lớp chấm lượng tử, kết thúc một quá trình tuần hoàn.
3 2 3
I e I (e đến từ cực góp) (2.12) Các điện tử trên vùng dẫn TiO2 ngoài việc chuyển ra mạch ngoài còn có thể tham gia 3 quá trình tái kết hợp (phản ứng dòng tối).
Phản ứng xãy ra do sự tái hợp điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị của TiO2.
*
( 2)
e TiO S S (2.13) Phản ứng của điện tử trên vùng dẫn TiO2 với chất oxy hóa I3- của chất điện ly.
2 3
2 (e TiO )I3I (2.14) Phản ứng xãy ra ở những nơi bề mặt thủy tinh không được che phủ bởi lớp oxit TiO2.
2 3
2 (e SnO )I 3I (2.15) Trong 3 phản ứng này, phản ứng (2.14) xãy ra ở mức độ đáng kể hơn nhiều so với hai phản ứng còn lại do nồng độ I3- lớn.