đề tài: dye sensitized solar cell

1 I HC QUC GIA TP.H CHÍ MINH I HC KHOA HC T NHIÊN KHOA KHOA HC VT LIU B MÔN VT LIU NANO & MÀNG MNG  Đề tài: DYE SENSITIZED SOLAR CELL ng CÁN B NG DN: Th.S Ngô H SINH VIÊN THC HIN: La Trung Tín c Hà Nguyn Minh Thùy Trang TP H CHÍ MINH  2013 2 I HC QUC GIA TP.H CHÍ MINH I HC KHOA HC T NHIÊN KHOA KHOA HC VT LIU B MÔN VT LIU VÀ LINH KIN MÀNG MNG  Đề tài: DYE SENSITIZED SOLAR CELL ng CÁN B NG DN: Th.S Ngô H SINH VIÊN THC HIN: La Trung Tín c Hà Nguyn Minh Thùy Trang TP H CHÍ MINH  2013 3 MC LC Mc lc 3 Danh mc hình nh 5 Li m u 7 1. Lch s phát trin 8 2. Cu to 12 2.1. Cu to chung 12 2.2.  n cc 13 2.3. n cn ci) 14 2.4. n cn cc làm vic ) 14 2.5. Cht nhy quang (dye) 16 2.5.1.  16 2.5.2. Phân loi 17 2.5.3. Cu to và tính cht ca mt s cht nhy quang 18 2.5.3.1. Cu to 18 2.5.3.1.1 Cht màu cha kim loi 18 2.5.3.1.2 Cht màu h 19 2.5.3.2. Tính cht ca mt s cht nhy quang 20 2.5.3.2.1 Các cht nhy quang ph bin 20 2.5.3.2.2 Tính cht 25 2.5.4. Yêu ci vi cht nhy quang 29 2.6. H n ly 29 2.7. Vt liu gn kn cc 33 3.T ng ca DSC 33 3.1. X lý b mt TiO 2 c khi cho hp ph cht nhy quang 33 3.2. Hn ch dòng ti 34 4 3.3. Ci tin dye 35 4. Các thông s  ng ca pin 36 4.1 Dòng ngn mch I sc 36 4.2 Th mch h V oc 36 4.3 H s n y FF (fill factor) và hiu sut ca pin 37 4.4 Hiu sut chuy i dòng photon ti (incident photon to current conversion efficiency- IPCE) 38 5. Nguyên tc hong ca DSC 38 6.  to 41 7. ng dng 42 Tài liu tham kho 46 5 DANH MC HÌNH NH Hình 1.1 : Tng hp thành tu phát trin pin mt trn nay 11 Hình 2.1: Cu to ca pin mt tri nano oxit tm cht nhy quang 12  truyn qua cn cc thy tinh dc và sau khi ph lp TiO 2 cu trúc nano 13 Hình 2.3: Cu trúc mng tinh th TiO 2 dng anatase, rutile, brookite. 15 Hình 2.4: Minh ha cho s ng ca nhi nung kn s tích t n tích và thu nhn ánh sáng . 16 Hình 2.5: Mt s cht màu nhy quang thông dng 18 Hình 2.6: Cu trúc phân t ca mt s cht nhy quang Ruthenium 20 Hình 2.7: cu trúc phân t ca mt s cht nhy quang ca các kim loi khác (Fe, Os, Pt) 20 Hình 2.8: Liên kt gia cht màu nhy quang và màng mng TiO 2 qua nhóm carboxylic 21 Hình 2.9: Liên kt gia cht màu nhy quang và màng mng TiO 2 qua nhóm carboxylic 22 Hình2.10: Cu trúc phân t ca mt s dye nhy quang mi 24 Hình 2.11: Ph hp thu ca cht màu nhy quang N-719 và Z-907 (theo catologue ca Sigma) 26 Hình 2.12 hp th ánh sáng A cu sut thu ánh sáng 1-T ca 2 dye này khi bám trên   . 27 Hình 2.13: Kh p thu ánh sáng cn cc c nhu 28 Hình 4.1 : a) Dòng ngn mch Jsc b) Th h mch   36 Hình 4.2 :  hong ca pin 37 6 Hình 5.1 các quá trình chuyi trng trong DSC 39 Hình 7.1: Ngôi nhà mt tri 42 Hình 7.2: Ngun vùng sâu, vùng xa 43 Hình 7.3: Ngun mt tri  ng Sa 43 Hình 7.4: B sng mt trng và ba lô mt tri 44 ng mt tri 44 n mt tri 45 7 Li m u Trong th gii hing và nhiên li thành mt v cp bách t vai trò rt quan trng. ng tiêu th ng trên th gii có s u phát trin kinh t. Theo nhng báo cáo mi nht ca t chng tiêu th  g 44% so v 20 n cung cng có sn sinh ra CO 2 , chim 80% ng CO 2 sinh ra trên toàn ct nhiên liu sn sinh ra các cht gây ô nhiOu này tr thành v nguy hi i vng sng và là nguyên nhân chính ca hing nóng lên toàn cu. Mt khác, ngung hóa thn kit dn do nhu cu s dng và s phát trin rt nhanh trên toàn ct phi mt hàng tri tái to li chúng. Theo cáo cáo ca t ng du th gi  ng tái sinh ( gió, mt tri, thn, thy tring sinh hc) là nhng ngun thay th   ng hóa th       ng sch n cung cng trên toàn cu và con s này tip tc i. Vc trên th gihiên cu khai thác ngung mt tri chim mt v trí rt quan trng. Mt tri là ngun cung cng vô tn vng khng l chiu xung mt h 18 kWh mt ngung rt ln. Nm  vùng go, t  bc, Vit Nam có ngu ng mt tri di dào và nh.  min Nam và min Trung, bc x mt tri vào khong t n 5.9 kWh/m 2 /ngày trong sut c  min Bc, bc x mt tri vào khong t n 5.6 kWh/m 2 /ngày. Bc x mt tri  s rt t phát tring mt tri. Vì th, các nghiên cu phát trin các loi pin mt trc quan tâm. 8 1. Lch s phát trin T rt lâu ri, t s dng mt tr phc v cho cuc sng mt tri không phi là v m vic chuyn ánh sáng mt tr s dng thc s là mi. Pin mt tri là mt thit b chuyn hóa các photon vn i pháp Alexandre Edmond Becquerel tìm ra Hiu ng n 39u v ng ca ánh sáng lên n cc kim loi ngâm trong chn ly. Các cuc nghiên cc tip tc và nhiu kt qu c công b n hoàn chu tiên ca Charles Fritts vi hiu suc s dm bio ra mt cuc cách mng tht s trong khoa hc ng t ánh sáng. Thuyt này gic tính dn ca nguyên t bán dn và nó chính là lý thuyt vng chc cho vic phát trin pin  bán dc ch to và phát trit hiu sut chuy giá thành ca mo ra là 1000$. i hc Delaware ca Hoa K  to thành công pin trên bán dn Silic vi con s cc k ng 42.8% . t hiu sut to giá thành quá cao vì vy vic h giá thành pin mt tri là mt  tài nghiên cu hin nay. Da vào s phát trin pin mt tri t n nay, ta có th chia pin mt tri làm 3 th h:  Th h th nht: Các t ng mt tri truyn thc làm t Silic, hin là nhng pin mt tri hiu qu nhc s dng trong dân dng và chim khong 80  85% th ng pin mt tri trên toàn th gii. Các pin mt tri da trên Si thì có hiu su bn i nhng pin không da trên Si. Có 4 loi pin mt trc ch to trên nn Si: Pin mặt trời Silic đơn tinh thể, Pin mặt trời Silic đa tinh thể, Pin mặt trời Silic vô định hình, Pin mặt trời Silic lai. 9  Th h th hai: là th h pin mt tri màng mng bi vì các pin mt tri c làm t các lp vt liu bán dn dày vài micromet. Vic s dng công ngh màng mng này làm vic ch to pin mt tri ít hao tn vt li cc gim so vi pin th h th nht. u sut ca pin mt tri này vn thu so vi th h th nht. Trong th c phát trin trên 3 loi nn vt liu khác nhau gm: Silic vô định hình, Cadmium telluride (CdTe) và vật liệu đồng Indium Galium Selenium(CIGS). Các pin th h th hai ch to trên 3 nc 16,8% th ng pin mt tri 2009.  Th h th ba: trong th h ng nghiên cu rt mnh m và  cn. Pin th h mt tri này gm khá nhiu dpin mặt trời tẩm chất nhạy quang (DSC), pin mặt trời tẩm chấm lượng tử nhạy quang (QDSC), pin mặt trời hữu cơ, pin mặt trời quang điện hóa, pin mặt trời lai vô cơ – hữu cơ. Hin nay thì pin mt tri th h th ba vc phát trin ch yu trong các phòng thí nghim và phn lc i hóa. Pin bán dn DSC Độ truyền qua Mc Truyn qua Quy trình Phc tp n Giá thành Cao Thp Hiệu suất chuyển hóa Cao Trung bình Màu sắc Hn ch ng Bng 1.1 : So sánh gia pin mt tri bán dn và pin mt tri nhy tm cht nhy quang 10 S tng hp các phân t n cc bng các bán dn có vùng cm rng chính là chìa khóa trong vic phát trin ngành công nghip pin mt tri. ng nghip ca ông ln xut thành công pin mt tri nano oxit tm cht nhy quang (DSC) mô phng theo quá trình quang hp t nhiên ca thc v chuyn hóa ánh sáng mt trng bng lp TiO 2 có cu trúc nano. DSC t hiu sut cao nhc ch to ti Th t tri cht nhy quang vc nghiên cu và tip tc phát trin nhic trên th git Bn, Hoa K, Trung Quc,  [...]... metoxypropionitril (3-MPN) so với acetonitril (ACN) q a đến dye 3.3 Cải tiế  Tă g h ượng dye hấp phụ bằ g cách tă g bề dày lớp màng oxit quang dẫn Tuy nhiên việc này có thể kéo theo sự tă g trở kháng khuếch tán của ion qua các lỗ xốp  Các loại dye mới cis , phổ biến là các dye kí hiệu K19, K24, K60, Z910 có độ hấp thụ các photon tử ngoại lớn khi cho hấp phụ cùng với các dye phổ biến N719 hay D520 (có khả ă g hấp... lên màng mỏng Dye N3 hấp thu một vùng rộng ánh sáng có 27 bước sóng từ 400 tới 800 D e đe thì hấp thu ở vù g á h sá g IR cho đến vùng 900nm Sự hấp thu ánh sáng của những dye này nằm trong vùng ánh sáng khả kiến và vùng gầ IR do quá trì h điện tử từ kim loại trung tâm vào ligand, HOMO thì nhậ điện tử từ orbital d của kim loại Ru còn LUMO thì nhậ điện tử từ orbital * của ligand Những dye ruthenium này... phủ một lớp quang dẫn, nhiệm vụ của lớp này là hấp thụ chất nhạy quang lên trên bề mặt Nên các gười ta sử dụng các vật liệu nhóm IIIA  VIA hư Si, GaAs, I P v CdS đều có thể đảm nhận vai trò này trong thế hệ trước Tuy nhiên hầu hết tất cả đều sẽ bị hư hại trong quá trình chiếu sáng khi ngâm trong dung dịch điện ly vì bị ă ò qua g học Việc sử dụng vật liệu oxit bán dẫn có ă g ượ g kích thích điện tử... loại Ru còn LUMO thì nhậ điện tử từ orbital * của ligand Những dye ruthenium này có một nhóm carboxyl có chức ă g tạo liên kết hóa học với bề mặt Sự kết nối chặt chẽ giữa dye và gây ra một vùng tươ g tác điện rộng giữa ligand của dye và vùng dẫn của TiO2, kết quả là dẫ đến quá trì h bơ điện tử từ phức Ru sang TiO2 Hình 2.13: Khả ă g hấp thu ánh sáng của d e N3, d e đe v các qua g điện cực TiO2 được... từ d e v o CB, đo đó dò g gắn mạch của pi tă g Thế mạch hở của pin gầ hư khô g đổi vì sự giảm của dòng tái kết hợp đã bù trừ cho sự giảm thế gây ra bởi sự 33 tă g ượng dye hấp phụ, tă g độ hấp thụ ánh sáng dịch chuyển này Kết quả của dye - Xử lý bề mặt điện cực bằng giúp cải thiện hiệu suất của pin do làm tă g dò g gắn mạch quang sinh do có sự chuyển dịch ă g ượng vùng dẫn xuống về phía thế ⁄ , dẫn... sự tái kết hợp 3.2 Hạn chế dòng tối : Phươ g pháp phổ biến là sử dụng các hợp chất ưỡng tính (có phầ ưa ước carboxylic hay phosphonic làm nhóm neo và phần kị ước) để cùng hấp phụ với dye lên Các phân tử này cùng với dye tạo thành lớp đơ phâ tử chặt chẽ trên bề mặt , tro g đó phần kị ước hư ột hàng rào che chắn bề mặt , hạn chế phản ứng tạo dòng tối, ion khỏi tă g thế mạch hở và ổ định bề mặt Các... trong dung dịch điện ly ngay cả khi bị chiếu sá g, hư g do có ă g ượng vùng cấm cao nên không hấp thụ ánh sáng khả kiến được vì vậy nên ta cần tẩm chất nhạy quang dye mới có thể hấp thụ được ánh sáng lên trên các oxit bán dẫn 2.5 Chất nhạy quang (dye) : 2.5.1 Đị ĩa Chất nhạy quang là chất được hấp phụ lên trên lớp quang dẫn bởi liên kết hóa học, chúng là thành phần quan trọng nhất của DSC có chức ă g hấp... tetrabutylammonium salt D520 cis-bis(isothioc ato)(2,2’-bipyridyl4,4’-dicarbox ato)(2,2’-bipyridyl4,4’-di-nonyl) ruthenium(II) Bảng: Danh pháp các chất nhạy quang 23 Hình2.10: Cấu trúc phân tử của một số dye nhạy quang mới 2.5.3.2.2 Tính chất: Các chất nhạy quang Ruthenium bipyridine: - Nhóm carboxylate trên phân tử chất nhạ qua g đó g vai trò kết dính với màng oxit bằng liên kết 2 càng (bidentate) trong... trình tổng hợp chất màu hữu cơ đơ giả để áp dụng sản xuất quy mô lớn tro g tươ g ai  Ít độc và có khả ăng tái chế 2.6 H đ n ly: Hệ điện ly thô g thường chứa cặp oxi hóa khử sinh phân tử nhạy quang (dye) bị oxi hóa v do đó ho / sử dụng trong DSC để tái th h ột vò g điện khép kín bằ g cách điều chỉnh electron giữa 2 điện cực anod và catod Hệ điện ly cần chứa cặp oxi hóa khử (gọi là mediator) giúp chuyể... làm dung dịch điệ hư aceto itri e, prop e e carbo ate v Độ nhớt của du g ôi cũ g ả h hưở g đến độ dẫn của ion v do đó cũ g ả h hưở g đến khả ă g hoạt động của pi Như vậy, dung dịch với độ nhớt thấp đề cử tốt hơ : aceto itri e (ACN) có độ nhớt thấp hơ 3-methoxypropionitrile (MPN) nên pin sử dụng ACN có khả ă g hoạt động tốt hơ Hơ thế nữa, cation của muối Iốt hư Na+,Li+ và R4N+ ,… đó g vai trò qua . T NHIÊN KHOA KHOA HC VT LIU B MÔN VT LIU NANO & MÀNG MNG  Đề tài: DYE SENSITIZED SOLAR CELL ng CÁN B NG DN: Th.S Ngô H. NHIÊN KHOA KHOA HC VT LIU B MÔN VT LIU VÀ LINH KIN MÀNG MNG  Đề tài: DYE SENSITIZED SOLAR CELL ng CÁN B NG DN: Th.S Ngô H. kh kin c vì vy nên ta cn tm cht nhy quang dye mi có th hp th c ánh sáng lên trên các oxit bán dn. 2.5 .Cht nhy quang (dye) : 2.5.1 .  Chất nhạy quang là cht