Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dùng một số sắc tố quang hợp

PHẦN 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 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. 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 tiếp cận. Pin mặt trời silic thông thường đang được sử dụng có giá cao, quá trình sản xuất pin gây ô nhiễm. Đối với pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng thì chất nhạy sáng phổ biến hiện tại là chất nhạy sáng Ruthenium. Tuy có hiệu suất cao nhưng quá trình tổng hợp chất nhạy sáng ruthenium phức tạp, giá chất nhạy sáng cao do ruthenium là kim loại hiếm và bản thân chất nhạy sáng này cũng gây hại với môi trường. Vậy pin mặt trời với giá thành rẻ, xuất phát từ các nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên, không gây hại cho môi trường với quá trình chuẩn bị đơn giản là một giải pháp cho pin mặt trời trong tương lai. PHẦN 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 truyền năng lượng (ERD DSSC – Hardin et al, 2009). Đề tài tập trung vào nghiên cứu chất nhạy sáng trong pin là sắc tố quang hợp với pheophorbide a và chlorophyllide trong vai trò chất nhạy sáng gắn trên màng bán dẫn TiO2; protein sắc tố quang hợp phycobiliprotein trong vai trò chất nhạy sáng truyền năng lượng. Cấu trúc này gần giống với cấu trúc của hệ hấp thụ năng lượng ánh sáng trong cây với phycobiliprotein hấp thụ năng lượng ánh sáng và truyền năng lượng 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 sáng bằng cách ứng dụng phycobiliprotein với vai trò như trong tự nhiên, các chất nhạy sáng sử dụng trong pin là các thành phần có sẵn trong tự nhiên, không độc hại, 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 thân thiện với môi trường để chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng điện

SỞ 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 TỐ QUANG HỢP Lĩnh vực: Năng lượng vận tải NGƯỜI HƯỚNG DẪN - Thạc sĩ Đặng Minh Tuấn - Đơn vị công tác: Trường THPT Hà Nội -Amsterdam TÁC GIẢ: Đậu Hoàng Quân – 12H1 – THPT Hà Nội – Amsterdam Trần Duy Anh Nguyên – 12H1 – THPT Hà Nội – Amsterdam Hà Nội,23 tháng 11 năm 2014 MỤC LỤC Phần I: Lý chọn đề tài Phần II: Tổng quan đề tài nghiên cứu Phần III: Nghiên cứu kết Phần IV: Kết luận Tài liệu tham khảo PHẦN I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Vấn đề mơi trường Nguồn lượng hóa thạch cạn kiệt đồng thời gây tác động xấu đến môi trường xã hội Năng lượng thủy điện điện hạt nhân tiềm ẩn rủi ro với hệ sinh thái an toàn người Năng lượng nói chung lượng mặt trời nói riêng giải pháp cho nhu cầu lượng ngày cao người Năng lượng mặt trời có nhiều, khai thác nơi trái đất, gần khơng có tác động tiêu cực với môi trường sinh vật sống Vấn đề mặt kinh tế ảnh hưởng pin mặt trời Vấn đề với điện mặt trời hiệu suất chưa cao, giá thành đắt sử dụng nguyên liệu tổng hợp nên khơng nhiều quốc gia tiếp cận Pin mặt trời silic thông thường sử dụng có giá cao, q trình sản xuất pin gây ô nhiễm Đối với pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng chất nhạy sáng phổ biến chất nhạy sáng Ruthenium Tuy có hiệu suất cao trình tổng hợp chất nhạy sáng ruthenium phức tạp, giá chất nhạy sáng cao ruthenium kim loại thân chất nhạy sáng gây hại với môi trường Vậy pin mặt trời với giá thành rẻ, xuất phát từ nguyên liệu có sẵn tự nhiên, khơng gây hại cho mơi trường với trình chuẩn bị đơn giản giải pháp cho pin mặt trời tương lai PHẦN II: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Đề tài nghiên cứu Đề tài nghiên cứu dựa vào cấu trúc pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng (DSSC – Graetzel, 1991) cấu trúc pin mặt sử dụng chất nhạy sáng truyền lượng (ERD DSSC – Hardin et al, 2009) Đề tài tập trung vào nghiên cứu chất nhạy sáng pin sắc tố quang hợp với pheophorbide a chlorophyllide vai trò chất nhạy sáng gắn màng bán dẫn TiO 2; protein sắc tố quang hợp phycobiliprotein vai trò chất nhạy sáng truyền lượng Cấu trúc gần giống với cấu trúc hệ hấp thụ lượng ánh sáng với phycobiliprotein hấp thụ lượng ánh sáng truyền lượng theo chế cộng hưởng Forster (FRET) cho chlorophyll Mục đích nghiên cứu Tìm hướng lĩnh vực pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng cách ứng dụng phycobiliprotein với vai trò tự nhiên, chất nhạy sáng sử dụng pin thành phần có sẵn tự nhiên, khơng độc hại, với q trình chuẩn bị tổng hợp đơn giản hiệu suất cao Đóng góp vào q trình tìm phương thức tối ưu mặt hiệu suất thân thiện với mơi trường để chuyển hóa lượng mặt trời thành lượng điện PHẦN III: NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ Lý thuyết 1.1 Nguyên lý hoạt động: Pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng ( Dye Sensitized Solar Cell hay DSSC ) loại pin mặt trời giá rẻ thuộc loại pin mặt trời film mỏng Loại pin gọi pin Graetzel Brian O'Regan Michael Graetzel sáng chế vào năm 1988 Pin cấu tạo từ hai lớp kính dẫn điện anode có chứa chất nhạy sáng, dung mơi phận điện hóa Hiện hiệu suất cao 11%, điều mở lĩnh vực triển vọng để thay nguồn lượng cũ Hình3.1.Biểu đồ lượng nguyên lý hoạt động pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng (.Kohjiro Hara & Hironori Arakawa) Pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng (DSSC) mơ q trình hấp thụ lượng thực vật quang hợp tự nhiên Cấu tạo DSSC gồm điện cực, điện cực có gắn lớp bán dẫnTiO (titan dioxit) bề mặt TiO2 có gắn chất nhạy sáng với chức hấp thụ ánh sáng, điên cực lại phủ lớp Platin chất xúc tác cho trình I3- + 2e-→ 3I Hai điện cực gồm kính phủ lớp oxit dẫn điện (Transparent Conducting Oxide/TCO), FTO (SnO2:F) thường sử dụng Chất điện ly thơng thường gồm dung mơi (ví dụ Acetonitrile, Methanol, ) có chứa cặp chất khử (I 3-/I-) có nhiệm vụ trả lại electron cho chất nhạy sáng Nguyên lý hoạt động DSSC tóm tắt sau: chất nhạy sáng hấp thụ photon đẩy electron chất nhạy sáng lên mức lượng cao (trạng thái kích thích – excited state) Electron chất nhạy sáng trạng thái kích thích đẩy electron vào lớp bán dẫn TiO chênh lệch mức lượng trạng thái kích thích electron vùng dẫn TiO Electron khuếch tán lớp bán dẫn TiO2 tới điện cực.Electron qua dây dẫn tới điện cực đối.Tại điện cực đối electron khử I 3- thành I- với Pt xúc tác I3- + 2e→ 3I- Chất nhạy sáng nhận electron từ I-, I- bị oxi hóa thành I3-, kết thúc chu trình Sắc tố quang hợp (Pheophorbide a, chlorophyllide & Phycocyanin) sử dụng pin theo mô hình pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền lượng đưa Brian E Hardin cộng báo cáo năm 2009 Hình 3.2 Cấu trúc pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền lượng (B.E Hardin et al, 2013) (1) Chất nhạy sáng TiO2 (2) Chất nhạy sáng truyền lượng Cấu trúc pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền lượng (energy relay dye – ERD DSSC) phần lớn giống với cấu trúc pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng (DSSC), điểm khác biệt nằm chất nhạy sáng truyền lượng thêm vào chất điện ly Nguyên lý hoạt động pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền lượng giống với nguyên lý hoạt động nói đến chương 1, thay có chất nhạy sáng gắn vào lớp TiO để hấp thụ lượng ánh sáng, pin mặt trời loại có thêm q trình truyền lượng từ chất nhạy sáng truyền lượng (energy relay dye) sang chất nhạy sáng gắn TiO2 theo chế FRET ( Foerster Resonant Energy Transfer) đặc điểm chất nhạy sáng có khả tiếp nhận lượng từ ánh sang mặt trời truyền lượng theo chế cộng hưởng Vậy photon hấp thụ theo hai đường: (1) hấp thụ chất nhạy sáng gắn TiO2 (2) hấp thụ chất nhạy sáng truyền lượng Ưu điểm pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền lượng so với pin mặt trời không sử dụng chất nhạy sáng truyền lượng: (1) pin mặt trời hấp thụ nhiều lượng mặt trời hấp thụ ánh sáng nhiều bước sóng khác nhau, (2) hai chất nhạy sáng pin có mức hấp thụ cao thường chất có khả hấp thụ nhiều bước sóng khả hấp thụ bước sóng định lại khơng cao (3) sử dụng thêm chất nhạy sáng truyền lượng làm tăng cường độ dòng điện đầu pin mà không làm ảnh hưởng nhiều đến thông số khác pin mặt trời hệ số điền đầy hay hiệu điện dịng mạch hở, từ làm tăng hiệu suất pin mặt trời Hiện nay, chất nhạy sáng loại pin chất hữu tổng hợp, chất nhạy sáng thường dùng TT1 chất nhạy sáng truyền lượng thử nghiệm với nhiều hợp chất hữu ví dụ PTCDI, BL315, BL 302 hay DCM  Vậy lý thuyết pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp dựa lý thuyết khả hấp thụ truyền electron chất nhạy sáng gắn TiO2 khả truyền lượng chất nhạy sáng truyền lượng theo chế FRET 1.2 Cơ sở lý thuyết: 1.2.1 Truyền lượng cộng hưởng (FRET) Truyền lượng cộng hưởng (FRET) chế truyền lượng không phát xạ phụ thuộc vào khoảng cách phân tử chất tham gia trình truyền lượng Chất tham gia trình truyền lượng cộng hưởng bao gồm chất cho chất nhận Chất cho chất nhận phải có khả hấp thụ lượng ánh sáng, ngồi chất cho cịn phải có khả huỳnh quang Chất nhận khơng thiết phải có khả huỳnh quang phần lớn trường hợp chất cho chất nhận có khả huỳnh quang Trong trình truyền lượng cộng hưởng, chất cho trạng thái kích thích truyền lượng sang chất nhận qua tương tác lưỡng cực – lưỡng cực Nguyên lý chế truyền lượng cộng hưởng Ban đầu, chất cho hấp thụ lượng kích thích số bước sóng định sau truyền lượng kích thích tới phân tử chất nhận nằm gần Tóm tắt q trình truyền lượng cộng hưởng với D chất cho (donor) A chất nhận (acceptor) : D + hν → D* D* + A → D + A* Quá trình truyền lượng tự diễn biến qua dập tắt chất cho giảm thời gian sống trạng thái kích thích kết hợp với tăng cường độ huỳnh quang chất nhận Hình 2.4 giản đồ Jablonski miêu tả trình truyền lượng cộng hưởng gồm có chuyển dịch đồng thời trạng thái kích thích chất nhận trạng thái chuyển dịch từ trạng thái chất nhận lên trạng thái kích thích Với có mặt chất nhận phù hợp, phân tử chất cho chuyển lượng kích thích trực tiếp sang chất nhận mà khơng phát photon Hình 3.3 Giản đồ Jablonski trình truyền lượng theo FRET Hình 3.4 Phổ hấp thụ (màu đỏ) huỳnh quang (màu xanh) cặp chất cho – chất nhận Phần tô màu nâu vùng phổ trùng lặp phổ huỳnh quang chất cho phổ hấp thụ chất nhận Có số điều kiện cần thỏa mãn để xảy trình truyền lượng cộng hưởng Các điều kiện bao gồm (1) phổ huỳnh quang phân tử chất cho phải trùng với phổ hấp thụ hay phổ kích thích phân tử chất nhận (mức độ trùng lặp phổ huỳnh quang chất cho phổ hấp thụ chất nhận biểu thị tích phân phổ trùng lặp – J); (2) hai phân tử chất huỳnh quang tham gia trình truyền lượng phải nằm gần (thường – 10 nm); (3) lưỡng cực chuyển đổi chất cho chất nhận phải gần song song với nhau; (4) thời gian sống huỳnh quang phân tử chất cho phải đủ dài để trình truyền lượng xảy Hiệu suất lượng tử trình chuyển giao lượng chuyển tiếp Hiệu suất trình chuyển lượng Khoảng cách Forster Tích phân phổ trùng lặp chất cho chất nhận Bảng 3.1 Các công thức FRET Với ký hiệu lần lượt: trình phát huỳnh quang, :tốc độ truyền lượng, : số tốc độ trình trở trạng thái ban đầu, : khoảng cách hai phân tử, chất cho khơng có chất nhận, suất môi trường, chất nhận, : tốc độ qua : hiệu suất huỳnh quang lượng tử : yếu tố định hướng lưỡng cực, n: chiết : số Avogadro, : tích phân phổ trùng lặp chất cho : phổ phát xạ chuẩn hóa chất cho , : hệ số hấp thụ phân tử chất nhận Khoảng cách Forster (hay bán kính Forster - ) khoảng cách mà nửa lượng kích thích chất cho truyền sang chất nhận, hay mà hiệu suất truyền lượng theo chế cộng hưởng 50% Tóm lại, hiệu suất trình truyền lượng cộng hưởng FRET phụ thuộc vào mức độ phổ trùng lặp cặp chất cho – chất nhận, hiệu suất lượng tử chất cho, yếu tố định hướng lưỡng cực chất cho – chất nhận khoảng cách hai phân tử chất cho – chất nhận Bất qua trình hay tương tác ảnh hưởng đến khoảng cách cặp chất cho – chất nhận ảnh hưởng đến hiệu suất FRET 1.2.2 Sắc tố quang hợp: Sắc tố quang hợp có cây, tảo vi khuẩn lam, có nhiệm vụ thu nhận lượng ánh sáng cần thiết cho trình quang hợp Vì sắc tố quang hợp hấp thụ số bước sóng định nên lục lạp hay vi khuẩn quang hợp thường có số loại sắc tố kết hợp với để hấp thụ nhiều lượng ánh sáng Có ba loại sắc tố quang hợp chlorophyll, carotenoid phycobiliprotein Mỗi loại sắc tố có cấu tạo đặc trưng với khả hấp thụ ánh sáng bước sóng khác để phục vụ cho trình hấp thu lượng ánh sáng với hiệu cao Chlorophyll sắc tố màu xanh, có khả hấp thụ tốt khoảng bước sóng 400 – 450 nm (với đỉnh 430 nm) 625 – 675 (với đỉnh 662 nm) Phân tử chlorophyll có chứa vịng porphyrin, cấu trúc dạng vòng bền cho phép electron di chuyển tự phân tử Vì electron di chuyển tự phân tử nên vòng porphyrin có khả nhận cho electron dễ dàng, giúp phân tử bên cạnh nhận electron Trong tự nhiên có nhiều loại chlorophyll quan trọng chlorophyll a (hình 2.4) Đây chlorophyll nằm cuối chuỗi chuyền lượng protein quang hợp nằm đầu chuỗi truyền electron với chất nhận cuối phân tử tạo đường – sản phẩm trình quang hợp Hình 3.7.Phycobilisome gắn màng thylakoid cấu trúc tự nhiên Phycobiliprotein gồm ba loại Phycoerythrin (PE), Phycocyanin (PC), Allophycocyanin (APC) Do khác biệt số lượng tỉ lệ phycobilin mà loại phycobiliprotein có khả hấp thụ ánh sáng bước sóng khác trải khoảng 450 nm – 650 nm Mỗi loại phycobiliprotein chia thành nhiều loại nhỏ hơn, ví dụ phycoerythrin có B-Phycoerythrin, R-Phycoerythrin, hay với Phycocyanin có C-Phycocyanin, R-Phycocyanin Các loại Phycobiliprotein có khác biệt đỉnh hấp thụ hay hiệu suất lượng tử…, khác biệt nhỏ Sự phân chia nàylàm cho trình hấp thụ ánh sáng tự nhiên diễn với hiệu suất cao sắc tố protein đảm nhiệm hấp thụ ánh sáng cho vùng bước sóng định Phycobiliprotein khơng có ích thể sống mà dùng hóa chất phục vụ nghiên cứu khả phát huỳnh quang số bước sóng định Nhờ tính chất mà phycobiliprotein dùng chất đánh dấu Một số thông số số loại phycobiliprotein đưa bảng 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 bước sóng cao (M1 cm-1) R-Phycoerythrin 240 498.546.566 nm / 576 nm 0.84 1.53×106 B-Phycoerythrin 240 546.566 nm 576 nm 0.98 (545 nm) 2.4×106 / (563 nm) 2.33×106 C-Phycocyanin 232 620 nm / 642 nm 0.81 1.54×106 Allophycocyanin 105 651 nm / 662 nm 0.68 7.3×105 Bảng 3.2 Một số thông số phycobiliprotein 1.2.2.1 Pheophorbide a Pheophorbide a (phe a) sản phẩm phân giải chlorophyll a (chl a).Quá trình phân giải từ chl a thành phe a chía làm hai bước.Bước phytyl chl a bị tách tác dụng enzyme chlorophyllase – enzyme có sẵn – tạo thành phytol (Hình 3.10) pheophytin (Hình 3.9) Bước thứ hai Mg nhân chl a bị tách mơi trường axit Sản phẩm sau kết tinh phe a dạng tinh thể.Thứ tự hai bước phân giải đảo ngược cho Hình 3.8.Pheophorbide a Hình 3.10 Phytol Hình 3.9 Pheophytin Hình 3.11 Chlorophyllide a Pheophorbide a (phe a) có hai đỉnh hấp thụ bước sóng 410 nm (hệ số hấp thụ phân tử 93,257 M-1cm-1) 668 nm (44,630 M-1cm-1) ethanol (Eichwurzel, 2000) so với Chlorophyll a (chl a) có hai đỉnh hấp thụ bước sóng 416.25 nm (111,094 M-1cm-1) 659.5 nm (32,691 M-1cm-1) methanol (Strain, 1963) Từ thấy phe a có khả hấp thụ ánh sáng bước sóng 600 nm – 700 nm tốt chl a Ngoài ra, phe a cịn có gốc carboxyl vị trí phytyl chl a, giúp pheo a gắn lên bề mặt TiO2 1.2.2.2 Chlorophyllide Chlorophyllide (Hình 3.11) sản phẩm phân giải khác chlorophyll cách cắt đuôi phytol enzyme chlorophyllase thực Trong tự nhiên, enzyme chlorophyllase thường có màng thylakoid 1.2.2.3 Phycocyanin (PC) Phycocyanin protein sắc tố nằm tổ hợp hấp thụ ánh sáng phycobiliprotein, với allophycocyanin phycoerythrin Các thông số khả hấp thụ huỳnh quang phycocyanin thể bảng 2.1 Hình 3.12 Cấu tạo phycobilisome gồm phycoerythrin, phycocyanin allophycocyanin 1.2.3 Pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp Pin mặt trời dung sắc tố quang hợp gồm pheophorbide a (hoặc chlorophyllide) gắn TiO2 phycocyanin chất nhạy sáng truyền lượng Pheophorbide a (hoặc chlorophyllide) phycocyanin đáp ứng đủ điều kiện để tạo thành cặp chất cho – chất nhận q trình truyền lượng cộng hưởng Ngồi ra, phycocyanin cịn có số ưu điểm khác so với chất hữu sử dụng ERD DSSC phycocyanin có hệ số hấp thụ phân tử (ở đỉnh hấp thụ) cao khoảng 100 lần so với chất nhạy sáng truyền lượng hữu BL315 đề cập Điều có nghĩa với nồng độ phycocyanin hấp thụ mạnh BL315 khoảng 100 lần bước sóng hấp thụ cao Phycocyanin có hiệu suất lượng tử huỳnh quang cao (0.81 C-Phycocyanin 0.68 Allophycocyanin – bảng 2.1) giúp nâng cao hiệu suất truyền lượng theo FRET (Phycocyanin tự nhiên truyền lượng cho chlorophyll theo chế tương tự) Và cuối phycocyanin có sẵn tự nhiên thu lại với quy trình tách chiết khơng phức tạp trình tổng hợp chất nhạy sáng hữu cơ, không gây tác động xấu với môi trường Lý thuyết áp dụng chế FRET pin mặt trời đưa Eric T Hoke, Brian E Hardin, Michael D McGehee Lý thuyết chế truyền lượng cộng hưởng FRET đưa phần 2.2.1 áp dụng cho chất cho chất nhận Trong hệ pin mặt trời, có nhiều chất nhận lượng tổng tốc độ trình truyền lượng tổng độ truyền lượng chất nhận, với chất nhận hoạt động độc lập với (1) (1) (2) Bảng 3.3 Công thức FRET pin DSSC (Hardin et al.) Trong : tốc độ truyền lượng theo chế FRET, sống trạng thái kích thích chất cho, : thời gian : vecto vị trí chất cho, : vecto vị trí chất nhận Trong hệ pin mặt trời, giả sử chất nhận lượng phân bố với mật độ dày đặc bề mặt hạt TiO2 , biểu thị CA – mật độ bề mặt – chất cho lượng phân bố môi trường xung quanh Nếu khoảng cách trung bình phân tử chất cho phân tử chất nhận nhỏ khoảng cách Foerster (CAR0>> 1) từ phương trình rút tốc độ truyền lượng phụ thuộc vào bề mặt hạt TiO2 (2) Thực nghiệm 2.1 Phycocyanin Phycocyanin chiết xuất từ sinh khối Spirulina Plantesis khơ sau kiểm tra độ tinh sạch, nồng độ, hấp thụ phổ huỳnh quang 2.1.1 Chiết xuất Phycocyanin từ Spirulina Plantesis Sinh khối khô Spirulina Plantesis ngâm 24h nước cất nhiệt độ 4°C, tỉ lệ 1/25 (w:v) Lấy hỗn hợp ly tâm tốc độ 12,000 rpm 15 phút, nhiệt độ 4°C để loại bỏ phần xác tế bào Thu lấy dung dịch sau ly tâm, cho (NH4)2SO4 vào dung dịch tới nồng độ bão hịa 50% (thí nghiệm 1),nồng độ 25% sau 50% (thí nghiệm 2), để 2h để kết tủa phycobiliprotein Hỗn hợp sau ly tâm tốc tốc độ 12,000 rpm 30 phút, nhiệt độ 25°C Loại bỏ phần dung dịch sau ly tâm, thu phần kết tủa Hòa tan kết tủa vào dung môi nước cất – đệm phosphate 0.005 M để bảo quản protein 2.1.2 Đo phổ hấp thụ Phycocyanin Mục đích (1) xác định độ tinh Phycocyanin, (2) xác định nồng độ Phycocyanin hỗn hợp sau chiết xuất, (3) xác định phổ hấp thụ hỗn hợp bước sóng 300 nm – 900 nm Phổ hấp thụ đo với máy Shimadzu UV 1800 Đo phổ hấp thụ dải 300 nm – 900 nm, bước sóng đơn sắc 280 nm, 615 nm, 620 nm, 650 nm, 652 nm Độ tinh Phycocyanin tính theo cơng thức Nồng độ C – Phycocyanin phương pháp Siegelman – Kycia 2.1.3 Đo phổ huỳnh quang hỗn hợp Phycocyanin Mục đích: xác định phổ huỳnh quang hỗn hợp, so sánh với báo cáo liên quan, tính toán khả truyền lượng theo chế FRET Mẫu kích thích bước sóng 532 nm 2.2 Chlorophyllide Chiết xuất Chlorophyll: Ngắt khoảng 6-7 chanh chuẩn bị già, rửa dung dịch nước cất, cắt nhỏ loại bỏ gân Sau cho vào cối đá nhỏ, nghiền nát cát đến nát Hòa hỗn hợp nghiền aceton 50mLvà quay siêu âm vòng 30 phút Tiếp theo lấy hỗn hợp siêu âm quay ly tâm 12000 rpm 15 phút độ C Sau 15 phút loại bỏ phần xác tế bào thu dung dịch Sau hịa thêm lượng dung dịch đệm Phostphate pH 8.5 thể tích dung dịch thu Bảo quản dung dịch bong tối nhiệt độ độ C Điều chế Chlorophyllide: Ngắt khoảng 3,4 chanh điều kiện trên, rửa nước cất, cắt diện tích ( 0,5x0,5 mm) loại bỏ gân lá, cho vào dung dịch thu Để hỗn hợp tối nhiệt độ bình thường khoảng ngày bỏ chanh cho vào nhiệt độ độ C 2.3 Pheophorbide a Pheophorbide a lấy từ Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa hoc Công nghệ Việt Nam dạng tinh thể Thí nghiệm đo phổ hấp thụ nhằm xác định phổ hấp thụ pheophorbide a, tính tốn hiệu suất truyền lượng theo FRET Phổ hấp thụ đo với máy Shimadzu UV 1800, đo phổ hấp thụ dải 300 nm – 900 nm Tất phổ hấp thụ phổ huỳnh quang đo Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam 2.4 Pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp Mục đích: thử nghiệm khả hoạt động pheophorbide a, chlorophyllide phycocyanin pin mặt trời, đo đạc so sánh thơng số liên quan đến hiệu suất pin Thí nghiệm: Thí nghiệm pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng gồm năm thí nghiệm Thí nghiệm 1: pheophorbide a làm chất nhạy sáng TiO2, pin sử dụng dung dịch điện ly KI – 0.1 M/I2 – 0.05 M dung mơi nước Thí nghiệm 2: pheophorbide a làm chất nhạy sáng TiO2, pin sử dụng dung dịch điện ly KI – 0.1 M/I2 – 0.05 M dung môi nước với hệ đệm Na phosphate 0.0025 M phycocyanin chiết xuất lần đầu Thí nghiệm 3: sử dụng pheophorbide a làm chất nhạy sáng TiO 2, pin sử dụng dung dịch điện ly KI – 0.1 M/I2 – 0.05 M dung mơi acetonitrile Thí nghiệm 4: chlorophyllide làm chất nhạy sáng TiO 2, chất điện ly dung dịch KI – 0.1 M/I – 0.05 M dung mơi nước Thí nghiệm 5: chlorophyllide làm chất nhạy sáng TiO2, chất điện ly gồm dung dịch KI – 0.1 M/I2 – 0.05 M dung môi nước với hệ đệm Na phosphate 0.0025 M phycocyanin chiết xuất lần hai 2.4.1 Công đoạn chế tạo pin Chuẩn bị điện cực TiO2 có chất nhạy sáng: Chuẩn bị hai mẫu TCO, phủ lớp TiO2 nanoxide/ TP (Solaronix) lên bề mặt TCO ( diện tích 1.1cm) Để khơ khoảng 30 phút sau đưa vào lị, nâng dần nhiệt độ đến đạt 450°C.Để mẫu 2h nhiệt độ 450°C, sau đưa dần nhiệt độ phịng TCO/TiO2 ngâm dung dịch pheophorbide a – 10-4 M acetone 24h với thí nghiệm 1,2,3; TCO/TiO2 ngâm dung dịch chứa chlorophyllide thí nghiệm (tránh ánh sáng ngâm) Rửa TCO/TiO2 sau ngâm acetone Chuẩn bị điện cực Pt: Chuẩn bị hai mẫu TCO khoan lỗ, dùng pipet Satorius lấy 19µL dung dịch H2 PtCl6 nhỏ dung dịch vào mẫu TCO, sau để khơ nung giống hai mẫu có TiO2 , sau đưa nhiệt độ phịng Ghép điện cực: chuẩn bị sealant cắt hổng diện tích 1cm2 , sau đặt khít sealant vào vùng có TiO 2, đặt điện cực Pt lên hình sau: Hình 3.13(Solaronix) Tiếp theo nung nhiệt độ 150 độ phút để sealant chảy để nguội nhiệt độ phòng Chuẩn bị dung dịch điện ly: Dung dịch điện ly gồm KI I2 (0.1/0.05M) dung môi nước cất Đối với pin có chất nhạy sáng truyền lượng C – Phycocyanin, dung dịch điện ly cịn có hệ đệm phosphate 0.0025 M Hoàn thiện pin: Dùng ống tiêm cao su hút dung dịch điện ly bơm vào lỗ khoan điện cực Pt, tiếp sau dán mảnh sealant khoét để bít lỗ khoan Pin chiếu sáng đèn halogen thí nghiệm Hiệu điện thể cường độ dòng điện ghi lại máy Potentiostat galvanostat.Pin chiếu sáng với Solar Simulator 1.5 AM thí nghiệm 3,4 Hiệu điện cường độ dòng điện ghi lại với máy Hewlett Packard 4155A Semiconductor parameter analyzer Tồn thí nghiệm đo đạc thực Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Kết giải thích 3.1.1 Phổ hấp thụ Phycocyanin chiết xuất hai lần thí nghiệm Độ tinh hỗn hợp sau chiết xuất tính theo cơng thức đưa hai mẫu phycocyanin ~ 0.371và ~ 0.624 Hình 3.14 Phổ hấp thụ hỗn hợp chứa Phycocyanin (chiết xuất lần đầu) nước cất với hệ đệm Na phosphate 0.005 M Hình 3.15 Phổ hấp thụ hỗn hợp chứa Phycocyanin (chiết xuất lần đầu) nước cất với hệ đệm Na phosphate 0.005 M Từ kết phổ hấp thụ hai lần thí nghiệm thấy mức độ hấp thụ bước sóng 500 nm phycocyanin lần chiết xuất đầu cao mức độ hấp thụ bước sóng 500 nm phycocyanin chiết xuất lần hai kết cho độ tinh lần hai cao Vậy mẫu phycocyanin chiết xuất lần hai lần Điều lý giải thí nghiệm hai sử dụng hai lần kết tủa protein với (NH4)2SO4 nồng độ bão hòa 25% 50% Kết tủa protein với nồng độ bão hịa 25% để loại bỏ protein khơng cần thiết kết tủa protein với nồng độ bão hòa 50% để kết tủa phycocyanin, sau thu lại phương pháp ly tâm Hình dạng phổ hấp thụ mẫu phycocyanin hai lần chiết xuất có đỉnh bước sóng 620 nm đỉnh,thấp phía bước sóng đỏ, bước sóng 650 nm Đỉnh hấp thụ bước sóng 620 nm đặc trưng c-phycocyanin đỉnh hấp thụ bước sóng 650 đặc trưng allophycocyanin Đỉnh hấp thụ allophycocyanin thấp đỉnh hấp thụ c-phycocyanin hệ số hấp thụ phân tử allophycocyanin thấp cphycocyanin, 7.3×105 cm-1M-1 so với 1.54×106 cm-1M-1 (bảng 2.1) sai khác nồng độ hai chất dung dịch 3.1.2 Phổ huỳnh quang Hình 3.16 Phổ huỳnh quang C- Phycocyanin Phổ huỳnh quang mẫu chiết xuất phycocyanin có đỉnh cao bước sóng 662 nm đỉnh thấp hơn, phía bước sóng ngắn hơn, 642 nm Hai đỉnh bước sóng phát xạ mẫu chiết trùng với hai đỉnh phát xạ allophycocyanin (662 nm) c-phycocyanin (642 nm) Phổ hấp thụ của allophycocyanin thấp c-phycocyanin phổ huỳnh quang lại mạnh hơn, có khả phần lượng c-phycocyanin hấp thụ ... cho pin mặt trời tương lai PHẦN II: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Đề tài nghiên cứu Đề tài nghiên cứu dựa vào cấu trúc pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng (DSSC – Graetzel, 1991) cấu trúc pin mặt. .. Nam 2.4 Pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp Mục đích: thử nghiệm khả hoạt động pheophorbide a, chlorophyllide phycocyanin pin mặt trời, đo đạc so sánh thơng số liên quan đến hiệu suất pin Thí... phycobilisome gồm phycoerythrin, phycocyanin allophycocyanin 1.2.3 Pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp Pin mặt trời dung sắc tố quang hợp gồm pheophorbide a (hoặc chlorophyllide) gắn TiO2 phycocyanin