Năng lượng có nhiều dạng khác nhau. Ánh sáng là một dạng năng lượng. Nhiệt là một dạng năng lượng. Điện cũng là một dạng năng lượng. Thường thì một dạng năng lượng này có thể chuyển hóa thành dạng khác. Thực tế này rất quan trọng vì nó giải thích làm thế nào chúng ta có được điện năng, cái chúng ta sử dụng với nhiều phương thức khác nhau. Điện năng được sử dụng để thắp sáng đường phố và nhà cửa, để chạy máy vi tính và ti vi, và để chạy nhiều máy móc và thiết bị khác dùng ở nhà, ở trường học và ở công sở. Một phương pháp thu lấy điện năng là đốt cháy nhiên liệu như dầu hỏa hoặc than đá. Sự cháy của nhiên liệu như vậy tạo ra nhiệt. Nhiệt làm cho nước sôi lên và chuyển thành hơi nước. Hơi nước làm chạy một cỗ máy gọi là tuabinđể phát ra điện. Thông thường, dòng điện này được tải vào hệ thống lưới điện công cộng, qua các dây dẫn, đến từng nhà, đến trường học và cơ sở làm việc trong một khu vực rộng lớn. Phương pháp sản xuất điện như thế này là phổ biến. Nhưng nó có một số hạn chế. Hành tinh của chúng ta chỉ có thể chu cấp dầu hỏa và than đá với trữ lượng có hạn. Chúng là loại nhiên liệu không thể hồi phục. Một khi đã qua sử dụng thì chúng không còn nữa. Đồng thời, chúng giải phóng các chất khí khi đốt cháy. Những chất khí này có thể làm nhiễm bẩn, hay nhiễm độc, không khí, và một số chất khí này có thể làm biến đổi khí hậu của Trái đất.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN CƠ SỞ KHOA HỌC VẬT LIỆU * - THUYẾT TRÌNH ĐỀ TÀI: PIN MẶT TRỜI TRÊN CỞ SỞ TiO2 GVGD: LÊ VĂN THĂNG Nhóm sinh viên thực hiện: PHẠM VĂN HÙNG V1201476 NGUYỄN NGỌC HUY V1201370 NGUYỄN THỊ HỒNG NGA V1202313 ĐÀO DUY HỔ V1201295 NGUYỄN DUY KHÁNH V1201633 Tp HCM, tháng _04_năm_2014_ I/ Giới thiệu II/ Cơ sở lý thuyết III/ Tính chất vật liệu (hùng) 1/ Các tính chất lý-hóa TiO2 2/ Tính quang xúc tác 11 IV/ Cấu tạo pin mặt trời chất nhạy quang DSC nguyên lý hoạt động 12 1/ Cấu tạo pin mặt trời chất nhạy quang(huy) 12 2/ Nguyên lý hoạt động(nga) 14 3/ Chất nhạy quang DSC(hổ) 15 V/ Phương pháp chế tạo ứng dụng (khánh si đa) 17 1/ Phương pháp chế tạo pin mặt trời chất nhạy quang đơn giản 17 2/ Ứng dụng 20 3/ Đánh giá pin mặt trời sử dụng chất nhạy quang 25 VI/ Tài liệu tham khảo 26 I/ Giới thiệu Năng lượng có nhiều dạng khác Ánh sáng dạng lượng Nhiệt dạng lượng Điện dạng lượng Thường dạng lượng chuyển hóa thành dạng khác Thực tế quan trọng giải thích làm có điện năng, sử dụng với nhiều phương thức khác Điện sử dụng để thắp sáng đường phố nhà cửa, để chạy máy vi tính ti vi, để chạy nhiều máy móc thiết bị khác dùng nhà, trường học công sở Một phương pháp thu lấy điện đốt cháy nhiên liệu dầu hỏa than đá Sự cháy nhiên liệu tạo nhiệt Nhiệt làm cho nước sôi lên chuyển thành nước Hơi nước làm chạy cỗ máy gọi tuabinđể phát điện Thơng thường, dịng điện tải vào hệ thống lưới điện công cộng, qua dây dẫn, đến nhà, đến trường học sở làm việc khu vực rộng lớn Phương pháp sản xuất điện phổ biến Nhưng có số hạn chế Hành tinh chu cấp dầu hỏa than đá với trữ lượng có hạn Chúng loại nhiên liệu hồi phục Một qua sử dụng chúng khơng cịn Đồng thời, chúng giải phóng chất khí đốt cháy Những chất khí làm nhiễm bẩn, hay nhiễm độc, khơng khí, số chất khí làm biến đổi khí hậu Trái đất Năng lượng vấn đề quan trọng cho tồn phát triển quốc gia Trong năm gần nhu cầu tiêu thụ lượng giới tang nhanh với phát triển kinh tế Đa số nguồn cung cấp lượng có sản sinh khí CO2, q trình đốt nhiên liệu sinh chất ô nhiễm môi trường gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sức khỏe người, đồng thời nguồn hóa thạch ngày cạn kiệt.Từ thực trạng vấn đề thiết đặt tìm nguồn lượng thay thân thiện với môi trường Người ta bắt đầu ý tới lượng tái sinh gió, mặt trời, thủy điện, thủy triều, lượng sinh học…Pin mặt trời phát minh lớn tận dụng nguồn lượng tái sinh đem lại ứng dụng thiết thực hữu ích cho người Một tế bào quang điện (cell), Tấm Pin lượng mặt trời (solar cells panel) Pin mặt trời, hay pin quang điện, ký hiệu PV, hệ thống vật liệu đặc biệt có khả chuyển đổi quang ánh sáng mặt trời thành điện Pin mặt trời cấu tạo tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline) đa tinh thể (polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%), cơng suất từ 25Wp đến 175Wp có tuổi thọ trung bình 30 năm Hiện nay, nhà khoa học tạo nhiều loại pin mặt trời khác như: Pin mặt trời Silic, pin mặt trời chất màu nhạy quang, pin mặt trời hữu cơ, pin mặt trời polymer, pin mặt trời tinh thể nano, Bài viết tập trung vào pin mặt trời sở TiO2 - pin mặt trời chất màu nhạy quang II/ Cơ sở lý thuyết Các thiết bị quang điện hoạt động dựa tách điện tích bề mặt phân cách hai vật liệu có chế dẫn khác Đến ngày lĩnh vực chủ yếu tập trung vào thiết bị liên kết pha rắn, thường làm từ silic Ngày ta tách biệt hồn tồn với thiết bị liên kết pha rắn truyền thống cách thay pha tiếp xúc với chất bán dẫn chất điện ly, chất lỏng, dạng gel hay chất rắn để tạo pin điện hóa Điển pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng (DSC) thay cho thiết bị quang điện kiểu liên kết p-n Trong hệ truyền thống, chất bán dẫn đảm bảo hai nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng vận chuyển hạt tải, ngược lại, DSC hai chức tách biệt Ánh sáng bị hấp thụ chất nhạy sáng, chất hấp phụ bề mặt chất bán dẫn có lượng vùng cấm rộng Sự tách điện tích xảy bề mặt phân cách thơng qua truyền electron từ chất màu nhạy sáng vào miền dẫn oxit bán dẫn (chất rắn) Các hạt tải di chuyển miền dẫn chất bán dẫn tới điện cực Cấu tạo pin gồm điện cực anod, điện cực catod hệ điện ly Điện cực anod gồm có lớp màng nano tinh thể TiO2 hấp phụ chất nhạy quang (Dye) phủ mặt đế thủy tinh dẫn điện Điện cực catod gồm lớ p Pt phủ bề mặt đế thủy tinh dẫn,chất điện giải I3-/I- Cụ thể với pin mặt trời tinh thể nano tẩm chất màu nhạy quang DSC III/ Tính chất vật liệu Các tính chất lý-hóa TiO2 Tính chất hóa h ọc: TiO2 trơ vềmặt hóa học, có tính ch ất lưỡng tính, khơng tác dụng với nước,dung dịch axit loãng (tr ừHF) kiềm, chỉtác dụng chậm với axit đun nóng lâuvà tác dụng với kiềm nóng chảy Bị H2SO4đặc nóng, HCl, ki ềm đặc nóng phân hủy Tính chất vật lý: Ở điều kiện thường TiO2 ch ất rắn màu trắng trở nên vàng đun nóng.TiO2cứng, khó nóng chảy bền nhiệt Cơng thức phân tử: TiO2 Khối lượng phân tử (M): 79,88 Nhiệt độ nóng chảy 1870oC TiO2 xuất tự nhi ên không bao gi dạng nguy ên chất, tồn tạichủ yếu hợp kim (với Fe), khoáng ch ất quặng đồng Bảng 3.1: Tính chất quang TiO2 Pha Chiết suất Khối lượng riêng (g.cm3) Cấu trúc tinh thể Anatase 2.49 3.84 Tetragonal Rutile 2.903 4.26 Tetragonal Bảng 3.2: Số liệu tính chất TiO2 Hệ tinh thể Rutile Anatase Brookite Tet Tet Orth Ô đơn vị a(Ao) 4.5845 3.7842 b(Ao) 9.184 5.447 c(Ao) 2.9533 9.5146 5.145 Vol 62.07 257.38 Density 4.2743 3.895 136.25 4.123 Hệ số nở nhiệt (theo thể tích) alpha 28.9 a0 0.2890 TiO2 chất bán dẫn tồn ở3 dạng sau: Rutile, Anatase, Brookite Rutile: trạng thái tinh thể bền TiO2, pha rutile có độ rộng khe lượng 3,02eV Rutile pha có độ xếp chặt cao so với pha lại, khối lượng riêng 4,2g/cm3 Rutile có kiểu mạng Bravais tứ phương với hình bát diện xếp tiếp xúc đỉnh Hình 3.1 Hình 3.1: Cấu trúc tinh thể pha Rutile Anatase: pha có hoạt tính quang hố mạnh dạng tồn TiO2 Anatase có độ rộng khe lượng 3,23 eV khối lượng riêng 3,9 g/cm3.Anatase có kiểu mạng Bravais tứ phương rutile hình bát diệnxếp tiếp xúc cạnh với trục tinh thể bị kéo dài Hình 3.2 Hình 3.2: Cấu trúc pha tinh thể Anatase Brookite: có hoạt tính yếu Brookite có độ rộng khe lượng 3,4eV, khổi lượng riêng 4,1 g/cm3 Hình 3.3 Hình 3.3: Cấu trúc pha tinh thể Brookite Tính quang xúc tác Chất xúc tác quang chất làm tăng tốc độ phản ứng quang hoá Khi chiếu ánh sáng với cường độ thích hợp chất xúc tác quang đẩy nhanh tốc độ phản ứng quang hoá cách tương tác với chất trạng thái ổn định hay trạng thái bịkích thích ho ặc với sản phẩm phản ứng quang hoá tuỳ thuộc vào chế phản ứng Chất xúc tác quang chiếu ánh sáng thích hợp tạo loạt qui trình giống phản ứng oxy hoá-khử phân tử dạng chuyển tiếp có khả oxy hố -khử mạnh Hạt mang điện linh động tạo chế khác nhau: kíchthích nhiệt, kích thích quang trình pha tạp chất Nếu bề rộng khe lượng Eg đủ nhỏ(nhỏ ½ eV) q trình kích thích nhiệt làm electron nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn.Với chế tương tự, electron nhảy từ vùng hố trị lên vùng dẫn cách hấp thụ photon có lượng lớn hay lượng Eg (q trình kích thích quang) Cơ chế thứ để tạo hạt mang ện linh động pha tạp chất thích hợp (hình 1.16) Sự dịch chuyển hạt mang ện linh động dẫn tới q trình oxy hố -khửcủa chất hấp thụtrên bề mặt chất bán dẫn Hình 3.4: Các chế chuyển dịch điện tử Khi photon có lượng lớn lượng Eg, electron (e) nhảy từvùng hoá trị lên vùng dẫn để lại lỗ trống (h+) vùng hoá trị Một phần cặp e – lỗ trống sản sinh từ trình xúc tác quang khuếch tán tới bề mặt chất xúc tác (cặp e –lỗ trống bị bẫy bề mặt) tham gia vào q trình phản ứng hố học với phân tử chất cho (D -donor) hay chất nhận (A-acceptor) (hình 3.5) Electron vùng dẫn khử phân tử thích hợp nhận electron (phản ứng khử 1.5) lỗ trống oxy hoá phân tử cho electron (phản ứng oxy hố 1.6) Hình 3.5 : Q trình quang hóa với kích hoạt phân tử TiO2 A + e- → A•- (3.5) D + h+→ D•+ (3.6) Một tính chất đặc trưng chất bán dẫn oxit kim loại khả oxy hoá mạnh lỗ trống h+ Các lỗtrống có thểphản ứng trực tiếp với H2O (3.7) để tạo gốc hydroxyl có hoạt tính cao (•OH) Cả lỗ trống gốc hydroxyl có khả oxy hố mạnh, chúng oxy hố hầu hết chất bẩn hữu bám lên bề mặt: H2O + h+→ •OH + h+ (3.7) Nói chung, oxy khơng khí đóng vai trị chất nhận electron (3.8) tạo thành ion super -oxide •O2- Super -oxide phân tửcó hoạt tính cao, dùng để oxy hoá chất hữu O2+ e-→ •O2- (3.8) IV/ Cấu tạo pin mặt trời chất nhạy quang DSC nguyên lý hoạt động Cấu tạo pin mặt trời chất nhạy quang Cấu tạo pin DSC gồm có ba thành phần chính: điện cực anod, điện cực catod hệ điện ly Điện cực anod gồm có lớp màng nano tinh thể TiO2 hấp phụ chất nhạy quang (Dye) phủ mặt đế thủy tinh dẫn điện Điện cực catod gồm lớp Pt phủ bề mặt đế thủy tinh dẫn Giữa hai điện cực hệ điện ly chứa cặp oxi hóa khử làm nhiệm vụ tái sinh chất nhạy quang vận chuyển điện tử điện cực anod catod a Điện cực anod Điện cực anod gồm lớp oxit kim loại bán dẫn phủ thủy tinh dẫn Titan dioxit(TiO2) loại oxit bán dẫn (3,2-3,32 eV) có khả ổn định hóa học tốt mơi trường dung dịch điện ly xạ ánh sáng không độc, rẻ tiền, thân thiện môi trường có đặc tính quang dẫn tốt, quy trình chếtạo điện cực màng xốp TiO2 tinh thể nano đơn giản Keo in lụa TiO2 phủlên đế thủy tinh dẫn FTO nung lên 450500oC để hình thành màng xốp TiO2 có độ dày 10 µm, độ ghồ ghề khoảng 1000, với màng có diện tích 1cm2, dày 10 µm có diện tích bề mặt 1000 cm2 Thêm lớp tán xạ TiO2 có kích thước hạt 250-300 nm để tán xạ photon tăng khả hấp thu ánh sáng chất màu nhạy quang Chất màu nhạy quang hấp phụ đơn lớp lên màng xốp TiO2, diện tích bề mặt màng xốp TiO2 lớn lượng hấp phụcàng cao, từ hiệu bắt ánh sáng lớn làm tăng hiệu suất DSC.Đế thủy tinh dẫn điện chế tạo cách phủ lớp oxit dẫn điện suốt(TCO) thủy tinh polymer Để đáp ứng nhu cầu sử dụng cho DSC TCO phải có tính chất như: độ 12 suốt cao (để ánh sáng truyền qua); điện trở thấp; giá trị điện trở bị ảnh hưởng nhiệt độ nung đến nhiệt độ 500oC Có hai loại TCO thường dùng FTO (Fluorinedoped tin oxide) ITO (Indium-doped tin oxide) ITO oxit thiếc có pha tạp Indium ITO khơng bền mơi trường acid, song lại có điện trở thấp ởnhiệt độ thường Tuy nhiên điện trở ITO không ổn định với thay đổi nhiệt độ FTO oxit thiếc có pha tạp florua (Fluorine-doped tin oxide) Thủy tinh dẫn FTO cơng ty Nippon Sheet Glass có điện trở R = 8-10 Ω thường sử dụng nhiều DSC Độ xốp màng TiO2 ảnh hưởng đến di chuyển ion oxi hóa khử đến tiếp xúc với chất màu nhạy quang Tuy nhiên, độ xốp màng bịảnh hưởng chất lưu biến hệ keo in lụa TiO2 polyethylen glycol, ethyl cellulose Đồng thời, độ xốp bị ảnh hưởng kích thước hạt TiO2ban đầu keo in lụa thành phần hỗn hợp TiO2 với kích hạt khác mà thường sử dụng để nâng cao diện tích bề mặt màngBên cạnh TiO2 cịn có nhiều oxit kim loại bán dẫn chuyển tiếp khác ZnO, SnO2 hay Nb2O5 dùng chế tạo DSC Các chất bán dẫn phổbiến khác từ nguyên tố nhóm IIIA → VIA n- p-Si, n-và p-GaAs, n- p-InP, n-CdS chiếu sáng bị ăn mòn dung dịch chất điện ly, khơng sử dụng DSC b Điện cực catod Thông thường điện cực catod miếng thủy tinh dẫn có phủ lớp Pt làm xúc tác vật liệu carbon Tại bề mặt điện cực catod xảy phản ứng khử, I3-+ e →3I-, sau ion Iphản ứng với dạng oxi hóa chất màu nhạy quang (Ru (III)) tái tạo lại I3- Để khử I3-hiệu điện cực đối phải có hoạt tính xúc tác điện hóa cao (xúc tác Pt giảm khử I3-) c Chất màu nhạy quang Chất màu nhạy quang hợp chất có khả hấp thu ánh sáng mặt trời Những hợp chất màu nhạy quang sử dụng cho DSC thường phức chất kim đa phối tử chứa nhóm polypyridin kim loại Fe, Os, Ru, số chất màu nhạy quang tự nhiên porphyrin nghiên cứu chế tạo DSC Chất màu nhạy quang kim hấp phụ bềmặt TiO2 nhờ nhóm carboxyl phân tử chất màu nhạy quang liên kết với bề mặt TiO2, nhóm chức cịn có tác dụng chuyển điện tích từ chất màu nhạy quang sang vùng dẫn TiO2 d Hệ điện ly Hệ điện ly thành phần thiết yếu, đóng vai trị quan trọng DSC, hệđiện ly cần chứa cặp oxi hóa khử (gọi mediator) giúp chuyển điện tích anod catod, đồng thời 13 tham gia vào trình trao đổi điện tử catod Thành phần phổ biến hệ điện ly DSC gồm I2 nồng độ 0,05-0,1 M muối iod LiI, NaI, KI, R4NI, hay imidazolium nồng độ 0,1-0,5 M hịa tan dung mơi hữu gel Các ion đối Li+, Na+, K+, R4N+, ảnh hưởng đến độ dẫn ion dung dịch điện ly làm tăng mạch hở pin.Hệ điện ly tốt cho pin cần đáp ứng yêu cầu sau: chuyển điện tích điện cực TiO2 điện cực đối Pt nhanh, tái tạo nhanh chất màu nhạy quang từ trạng thái oxi hóa, bảo vệ bề mặt TiO2 hạn chế phản ứng dòng tối I3-các điện tử tiêm bề mặt TiO2 e Vật liệu dán pin Vật liệu dán pin cần thiết cho việc giữ chất điện ly nằm hai điện cực ngăn ngừa rò rỉ bay chất điện ly Độ bền quang hóa hóa học vật liệu chịu thành phần dung dịch điện ly quan trọng Các polymer surlyn, hay copolymer polyethylene polyacrylic acid chất kết dính tốt Ngồi người ta cịn phủ thêm keo epoxy mối nối ngồi để tăng độ kín pin Ngun lý hoạt động Hình 2.2 mơ tả nguyên lí hoạt động DSC Ánh sáng mặt trời truyền qua lớp thủy tinh dẫn, photon ánh sáng phân tử chất nhạy quang hấp thu phân tử chất nhạy quang chuyển lên trạng thái kích thích D*, lúc điện tử phân tử chất nhạy quang mức lƣợng HOMO chuyển sang vùng dẫn bán dẫn TiO2 chênh lệch mức lượng ECB < ELUMO(Hình 2.2 a) Điện tử vùng dẫn bán dẫn TiO2 vượt qua lớp bán dẫn đến bề mặt thủy tinh dẫn theo tải ngồi anode (Hình 2.2 c) Phân tử chất nhạy quang bị thiếu điện tử chuyển sang dạng D+, dạng bị khử I-trong dung dịch điện ly để trở trạng thái ban đầu D (Hình 2.2 b), dạng khử Itrở thành I3-khuếch tán cathode (Hình 2.2 d) Tại cathode, I3-bị khử dạng ban đầu điện tử dịch chuyển mạch ngồi Như có ánh sáng mặt trời chiếu vào chất nhạy quang, dòng điện sinh tải Các phân tử chất nhạy quang hấp thụ ánh sáng vùng nhìn thấy, điện tử từ kim loại trung tâm (HOMO) truyền phối tử bên bipyridin (LUMO), điện tử tiếp tục tiêm vào nhóm cacboxyl đến lớp quang dẫn TiO2 anode Quá trình truyền điện tử từ kim loại trung tâm ngồi xảy nhanh, xem điện tử truyền trực tiếp bán dẫn TiO2 Sau giai đoạn này, chất nhạy quang tái tạo lại nhờ trình khử tiếp xúc với I- Quá trình xảy thuận lợi hay không phụ thuộc vào tương tác chất 14 nhạy quang với dung dịch điện ly, chênh lệch lượng khử I với mức lượng HOMO chất nhạy quang Hình 2.2 Sơ đồ trình chuyển đổi trạng thái lượng DSC Trong tiến trình tái kết hợp điện tử, việc D+nhận điện tử từ dung dịch điện ly, có khả D+sẽ nhận điện tử từ vùng dẫn TiO2 (Hình 2.2g) Điều khơng tốt cho hiệu suất chuyển hóa lượng pin Một chiều hướng khác xảy làm ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa lượng pin điện tử vùng dẫn TiO2 kết hợp với I3- Thời gian sống độ bền nhiệt DSC Đối với pin có hiệu suất thấp , thời gian hoạt động lên đến 8300 cường độ chiếu sáng 2,5 nắng 20oC (chất nhạy quang N3), tương ứng với thời gian chiếu sáng thực tế 10 năm Các pin có hiệu suất cao hơn, 35oC, cường độ chiếu sáng nắng thời gian hoạt động 7000 giờ, tương đương với năm Một chuẩn quan trọng để đánh giá khả hoạt động pin thời gian hoạt động pin phải đạt 1000 cường độ ánh sáng nắng 80oC.Trong tiến trình hoạt động, tác dụng tia UV hay ảnh hưởng nhiệt độ, nhóm gắn chất nhạy quang bị chuyển hóa sang dạng khác làm ảnh hưởng đến khả chuyển hóa lượng DSC Bằng cách 15 giả lập mơi trường hoạt động, gia tốc q trình phân hủy nhiệt, M Graetzel đồng nghiệp thấy tăng nhiệt độ lên 135oC bắt đầu có sựphân hủy nhóm NCS N3 nhiệt độ 180oC q trình tách nhóm cacboxyl bắt đầu diễn ra, nhiệt độ đạt 200oC trình giải hấp chất nhạy quang TiO2 xuất Tia UV ảnh hưởng đáng kể đến độbền DSC Ở vùng lượng tia UV, TiO2 hấp thu lượng điện tử được kích thích trực tiếp lên vùng dẫn, lúc TiO2 đóng vai trò chất xúc tác làm cho trình phân hủy hợp phần phân hủy DSC diễn Hình 1.13 mơ tả số thay đổi DSC tăng nhiệt độ, chiếu tia UV, nước oxi có dung dịch điện ly 16 V/ Phương pháp tự chế tạo ứng dụng Phương pháp chế tạo pin mặt trời chất nhạy quang đơn giản Hình 4.1: Quy trình chế tạo pin 1.1 Chuẩn bị vật liệu: miếng kiếng FTO film dẫn điện +Bột TiO2 Degussa P25 17 +Axit nitric acetic (dấm) pha với nước cất có pH - +Thuốc nhuộm có chứa ruthenium nước trái mâm xôi, nước hạt lựu, nước củ cải đường, hoa dâm bụt (nước có màu tía (purple)) +Dung dịch 0.5M potassium iodide (KI) trộn với 0.05M iodine (iốt) ethylene glycol làm chất điện phân (electrolyte) 1.2 Chuẩn bị bột TiO2: a) Lấy 12g TiO2Degussa P25 cho vào cối giã nhuyễn b) Lấy 18 mL dấm vào lọ (hoặc ống nghiệm) c) Lấy mL nước deionized vào lọ khác Cho thêm vào giọt xà phịng rửa chén (khơng màu, trong) Cẩn thận khuấy dung dịch để tránh tạo bọt d) Cho khoảng 30 giọt dấm vào cối chứa TiO2 giã e) Trộn hỗn hợp TiO2cho đến khơng cịn cục f) Lặp lại bước d & e dùng hết 18mL dấm g) Cho hỗn hợp nước + xà phòng chuẩn bị bước vào hỗn hợp TiO2 khuấy tránh tạo bọt h) Để hỗn hợp 15 phút trước sử dụng 1.3Thực hiện: a)Tiến hành tráng TiO2 - Chuẩn bị kiếng dẫn điện khoảng 6.5 cm2 Chùi kiếng cồn ethanol - Xác định mặt kiếng dẫn điện đồng hồ (đo khoảng 10-30 ohm) Mặt khơng dẫn điện điện trở vơ cực - Chuẩn bị mặt phẳng Đặt kiếng lên với mặt dẫn điện ngửa, lại với mặt dẫn điện úp Lấy băng keo mỏng dán bên mép kiếng với chiều rộng 2mm - Dán miếng băng keo có chiều rộng -6mm ngang miếng kiếng có mặt dẫn điện ngửa 18 - Cho hỗn hợp TiO2 vào bình có khả nhỏ giọt, nhỏ hỗn hợp TiO2 lên mặt kiếng dẫn điện, dùng que thủy tinh tròn đặt nằm ngang Kéo lên, kéo xuống (khơng có lăn) cho hỗn hợp trải Làm khoảng 2,3 lần hỗn hợp trải mịn mặt kiếng dẫn điện Trong q trình tráng cho thêm hỗn hợp phải làm thật nhanh hỗn hợp bị khơ nhanh Nếu làm sai bóc bỏ lớp tráng làm lại - Cẩn thận bóc băng keo dán ngang Đặt ngón tay (đeo găng tay cao su) lên mặt kiếng chỗ băng keo vừa bóc để đè miếng kiếng xuống Trong nhờ người khác từ từ lột miếng băng keo dán dọc Dùng miếng kiếng mỏng che mặt kiếng tráng TiO2film lại Bóc hết TiO2 dính bề mặt khơng dẫn điện kiếng thứ que thủy tinh Rửa lại cồn ethanol - Sau chờ lớp TiO2 film khơ cho vào lị oven (lị nướng) (vẫn kiếng mỏng che lên) nung nhiệt độ 4500C vòng 30 phút Lấy để nguội Có thể dùng kính hiển vi để kiểm tra lớp film tráng có bị xước khơng b) Nhuộm - Nhúng kiếng có lớp film TiO2 tráng vào dung dịch thuốc nhuộm 10 phút lớp film TiO2 nhuộm màu tía sẫm Nhìn qua mặt kiếng để kiểm tra xem thuốc nhuộm có thấm khơng Khơng vệt trắng sáng (màu TiO2) cịn sót Nếu có tiếp tục nhuộm Xong cẩn thận dùng nước cất để rửa (tránh tiếp xúc tay vào lớp film) Xong dùng cồn ethanol để rửa Một điều quan trọng khơng để nước cịn sót film Úp mặt film xuống khăn giấy để thấm khô Tấm kiếng phải sử dụng để tránh khơng khí làm ơxy hóa chất nhuộm làm nhạy sáng c) Tạo lớp counter electrode - Lấy miếng kiếng lại kiểm tra xem mặt dẫn điện Dùng bút chì graphite tơ lên lớp mỏng Sau đem rửa với cồn để khơ d) Lắp ráp - Đặt miếng kiếng xo le nhau, dùng kẹp giấy để kẹp chặt miếng kiếng lại Dùng ống nhỏ giọt nhỏ vài giọt dung dịch điện phân (iot) vào mép miếng kiếng Ta thấy dung dịch iot hút dần vào cell tượng mao dẫn Sau dùng keo dán để dán mép kiếng cho dung dịch điện phân khỏi chảy 19 e) Kiểm tra - Đem solar cell nắng để phát điện Tùy theo phẩm chất chất nhuộm mà cell sản sinh 0.3 to 0.7V với dòng từ to mA / cm2 2/ Ứng dụng a Tích hợp vào thiết bị Từ đồng hồ đeo tay nhỏ bé, điện thoại dắt túi quần xe điện mặt trời chạy mặt đất hay robot Hỏa Sự tích hợp Pin Mặt Trời mang lại khác biệt cho thiết bị: Vừa thẩm mỹ, vừa tiện dụng thân thiện với môi trường 20 Pin mặt trời thường tích hợp vào thiết bị Máy tính bỏ túi, Laptop, Đồng hồ đeo tay, Điện thoại di động, Đèn trang trí, đèn sân vườn, Đèn tín hiệu, đèn đường, Các loại xe, Máy bay, Robot tự hành, Vệ tinh nhân tạo b Nguồn điện di động Nguồn điện cấp điện cho thiết bị điện nơi đâu, đặc biệt nơi điện lưới vùng sâu vùng xa, hải đảo, biển, 21 Các ứng dụng Nguồn điện di động kể đến Bộ sạc lượng mặt trời, Cặp lượng mặt trời, Áo lượng mặt trời, Trạm điện mặt trời di động c Nguồn điện cho tòa nhà Đã bạn nghĩ thay tiết kiệm sử dụng điện gia đình tạo nguồn điện thay thế? Nguồn điện cho tòa nhà giải pháp vừa giúp giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng, vừa giúp giảm đầu tư xã hội cho cơng trình nhà máy điện khổng lồ cách kết hợp sức mạnh toàn dân việc tạo điện phục vụ đời sống sản xuất chung 22 Nguồn điện cho tòa nhà chia thành loại Nguồn điện mặt trời cục Nguồn điện mặt trời hòa lưới quốc gia Riêng Nguồn điện mặt trời hịa lưới quốc gia có nhiều ưu điểm mang lại hiệu kinh tế cao nhà nước khuyến khích sử dụng Sử dụng nguồn điện mặt trời gia đình vừa giúp bảo vệ môi trường, vừa thể phong cách sống đại xã hội đại 23 d Nhà máy điện mặt trời Bằng cách kết nối nhiều nguồn điện mặt trời với tạo tổ hợp nguồn điện mặt trời có đủ khả thay nhà máy phát điện 24 Đánh giá pin mặt trời sử dụng chất nhạy quang a/ Ưu điểm: -Vật liệu chế tạo đơn giản, rẻ tiền, dễ chế tạo Đặt biệt vật liệu TiO2 sử dụng phổ biến đời sống, không gây độc hại thân thiện với môi trường -Phương pháp chế tạo đơn giản, khơng địi hỏi kĩ thuật cao trình sản xuất pin mặt trời silic -Dễ dàng cải tiến nhiều khâu kĩ thuật khâu ứng dụng công nghệ nano TiO2 để tang diện tích -Giá thành sản phẩm rẻ nhiều so với loại pin mặt trời truyền thống b/ Nhược điểm: -Hiệu suất chuyển hóa lượng mặt trời thành điện thấp ( khoảng 10%) so với pin mặt trời silic -Tuồi thọ pin DSC thấp khoảng nửa so với pin mặt trời silic Vật liệu thay TiO2 -Khơng bị ăn mịn quang học bị chiếu sáng môi trường điện ly -Không độc hại,rẻ tiền,dễ kiếm -Bề mặt xốp khổng lồ 25 VI/ Tài liệu tham khảo Luận văn thạc sĩ tiến sĩ Lâm Quang Vinh Huỳnh Chí Cường http://www.mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lo p/Mang_mong/SERMINAR/Hop_chat_TiO2_va_ung_dung.pdf Điện mặt trời, pin mặt trời http://samtrix.vn/chi-tiet-san-pham/3/539/pin-mat-troi.html Luận văn thạc sĩ hóa học Phạm Lê Nhân http://www.nsl.hcmus.edu.vn/greenstone/collect/thesiskh/index/assoc/HASH9c85.dir/chu ong1.pdf Các pin mặt trời hoạt động nào?- Richard Hantula- Trần Nghiêm dịch http://360.thuvienvatly.com/bai-viet/dien-quang/1212-ebook-cac-tam-pin-mat-troi-hoatdong-nhu-the-nao How to make your own solar cell? https://www.youtube.co http://education.mrsec.wisc.edu/289.htmm/watch?v=Jw3qCLOXmi0 Quantum Dot Solar Cells Stanford University 26 ... loại pin mặt trời khác như: Pin mặt trời Silic, pin mặt trời chất màu nhạy quang, pin mặt trời hữu cơ, pin mặt trời polymer, pin mặt trời tinh thể nano, Bài viết tập trung vào pin mặt trời sở TiO2. .. (cell), Tấm Pin lượng mặt trời (solar cells panel) Pin mặt trời, hay pin quang điện, ký hiệu PV, hệ thống vật liệu đặc biệt có khả chuyển đổi quang ánh sáng mặt trời thành điện Pin mặt trời cấu... -Hiệu suất chuyển hóa lượng mặt trời thành điện thấp ( khoảng 10%) so với pin mặt trời silic -Tuồi thọ pin DSC thấp khoảng nửa so với pin mặt trời silic Vật liệu thay TiO2 -Khơng bị ăn mịn quang