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

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 và vận tải NGƯỜI HƯỚNG DẪN - Thạc sĩ Đặng Minh Tuấn - Đơn vị công tác: Trường THPT Hà Nội -Amsterdam TÁC GIẢ: 1. Đậu Hoàng Quân – 12H1 – THPT Hà Nội – Amsterdam 2. Trần Duy Anh Nguyên – 12H1 – THPT Hà Nội – Amsterdam Hà Nội,23 tháng 11 năm 2014 MỤC LỤC Phần I: Lý do chọn đề tài Phần II: Tổng quan đề tài nghiên cứu Phần III: Nghiên cứu và kết quả Phần IV: Kết luận Tài liệu tham khảo 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 TiO 2 ; 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. PHẦN III: NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 1. Lý thuyết 1.1. Nguyên lý hoạt động: Pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng ( Dye Sensitized Solar Cell hay DSSC ) là một loại pin mặt trời giá rẻ thuộc loại pin mặt trời film mỏng. Loại pin này còn được gọi là pin Graetzel do Brian O'Regan và Michael Graetzel sáng chế vào năm 1988. Pin được cấu tạo từ hai lớp kính dẫn điện anode có chứa chất nhạy sáng, ở giữa là dung môi và một bộ phận điện hóa. Hiện giờ hiệu suất cao nhất là 11%, điều này đã mở ra một lĩnh vực triển vọng để thay thế các nguồn năng lượng cũ. Hình3.1.Biểu đồ năng lượng và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng (.Kohjiro Hara & Hironori Arakawa) Pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng (DSSC) mô phỏng quá trình hấp thụ năng lượng ở lá cây và thực vật quang hợp trong tự nhiên. Cấu tạo của DSSC gồm 2 điện cực, 1 điện cực có gắn lớp bán dẫnTiO 2 (titan dioxit) trên bề mặt TiO 2 có gắn chất nhạy sáng với chức năng hấp thụ ánh sáng, điên cực còn lại được phủ lớp Platin là chất xúc tác cho quá trình I 3 - + 2e - → 3I Hai điện cực này gồm kính được phủ một lớp oxit dẫn điện (Transparent Conducting Oxide/TCO), FTO (SnO 2 :F) thường được sử dụng. Chất điện ly thông thường gồm dung môi (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 của DSSC có thể tóm tắt như sau: chất nhạy sáng hấp thụ photon và đẩy electron trong chất nhạy sáng lên mức năng lượng cao hơn (trạng thái kích thích – excited state). Electron trong chất nhạy sáng đang ở trạng thái kích thích đẩy electron vào lớp bán dẫn TiO 2 do sự chênh lệch về mức năng lượng giữa trạng thái kích thích của electron và vùng dẫn của TiO 2 . Electron khuếch tán trong lớp bán dẫn TiO 2 tới điện cực.Electron đi qua dây dẫn ngoài tới điện cực đối.Tại điện cực đối electron khử I 3 - thành I - với Pt xúc tác I 3 - + 2e - → 3I - . Chất nhạy sáng nhận electron từ I - , I - bị oxi hóa thành I 3 - , kết thúc một chu trình. Sắc tố quang hợp (Pheophorbide a, chlorophyllide & Phycocyanin) sử dụng trong pin theo mô hình của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng đã được đưa ra bởi Brian. E. Hardin và cộng sự trong một báo cáo năm 2009. Hình 3.2. Cấu trúc pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng (B.E. Hardin et al, 2013) (1) Chất nhạy sáng trên TiO 2 và (2) Chất nhạy sáng truyền năng lượng Cấu trúc của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng (energy relay dye – ERD DSSC) phần lớn giống với cấu trúc của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng (DSSC), điểm khác biệt nằm ở chất nhạy sáng truyền năng lượng được thêm vào chất điện ly. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng cũng giống với nguyên lý hoạt động đã nói đến ở chương 1, nhưng thay vì chỉ có một chất nhạy sáng gắn vào lớp TiO 2 để hấp thụ năng lượng ánh sáng, pin mặt trời loại này có thêm quá trình truyền năng lượng từ chất nhạy sáng truyền năng lượng (energy relay dye) sang chất nhạy sáng gắn trên TiO 2 theo cơ chế FRET ( Foerster Resonant Energy Transfer) vì đặc điểm chất nhạy sáng này có khả năng tiếp nhận năng lượng từ ánh sang mặt trời và truyền năng lượng theo cơ chế cộng hưởng . Vậy photon có thể được hấp thụ theo hai con đường: (1) hấp thụ bởi chất nhạy sáng gắn trên TiO 2 và (2) hấp thụ bởi chất nhạy sáng truyền năng lượng. Ưu điểm của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng so với pin mặt trời không sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng: (1) pin mặt trời hấp thụ được nhiều năng lượng mặt trời hơn do có thể hấp thụ ánh sáng ở nhiều bước sóng khác nhau, (2) hai chất nhạy sáng trong pin có thể có mức hấp thụ cao hơn bởi thường những chất có khả năng hấp thụ nhiều bước sóng thì khả năng hấp thụ tại một bước sóng nhất định lại không cao (3) sử dụng thêm chất nhạy sáng truyền năng lượng làm tăng cường độ dòng điện đầu ra của pin mà không làm ảnh hưởng nhiều đến các thông số khác trong pin mặt trời như hệ số điền đầy hay hiệu điện thế dòng mạch hở, từ đó làm tăng hiệu suất của pin mặt trời. Hiện nay, các chất nhạy sáng của loại pin này mới là các chất hữu cơ được tổng hợp, chất nhạy sáng thường được dùng là TT1 còn chất nhạy sáng truyền năng lượng đang được thử nghiệm với nhiều các hợp chất hữu cơ ví dụ PTCDI, BL315, BL 302 hay DCM . Vậy lý thuyết chính của pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp dựa trên lý thuyết về khả năng hấp thụ và truyền electron của chất nhạy sáng gắn trên TiO 2 và khả năng truyền năng lượng của chất nhạy sáng truyền năng lượng theo cơ chế FRET. 1.2. Cơ sở lý thuyết: 1.2.1. Truyền năng lượng cộng hưởng (FRET) Truyền năng lượng cộng hưởng (FRET) là cơ chế truyền năng lượng không phát xạ và phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử chất tham gia quá trình truyền năng lượng. Chất tham gia quá trình truyền năng lượng cộng hưởng bao gồm một chất cho và một chất nhận. Chất cho và chất nhận đều phải có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng, ngoài ra chất cho còn phải có khả năng huỳnh quang. Chất nhận không nhất thiết phải có khả năng huỳnh quang nhưng phần lớn trong các trường hợp chất cho và chất nhận đều có khả năng huỳnh quang. Trong quá trình truyền năng lượng cộng hưởng, chất cho ở trạng thái kích thích truyền năng lượng sang chất nhận qua tương tác lưỡng cực – lưỡng cực. Nguyên lý cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng Ban đầu, chất cho hấp thụ năng lượng do được kích thích bởi một số bước sóng nhất định và sau đó truyền năng lượng kích thích đó tới phân tử chất nhận nằm gần đó. Tóm tắt quá trình truyền năng lượng cộng hưởng với D là chất cho (donor) và A là chất nhận (acceptor) : D + hν → D* D* + A → D + A* Quá trình truyền năng lượng tự diễn biến qua sự dập tắt của chất cho và giảm thời gian sống ở trạng thái kích thích kết hợp với sự tăng cường độ huỳnh quang của chất nhận. Hình 2.4 là giản đồ Jablonski miêu tả quá trình truyền năng lượng cộng hưởng gồm có sự chuyển dịch đồng thời của trạng thái kích thích ở chất nhận về trạng thái cơ bản và sự chuyển dịch từ trạng thái cơ bản của chất nhận lên trạng thái kích thích. Với sự có mặt của chất nhận phù hợp, phân tử chất cho có thể chuyển năng lượng kích thích của nó trực tiếp sang chất nhận mà không phát ra photon. Hình 3.3. Giản đồ Jablonski của quá trình truyền năng lượng theo FRET Hình 3.4. Phổ hấp thụ (màu đỏ) và huỳnh quang (màu xanh) của một cặp chất cho – chất nhận. Phần được tô màu nâu là vùng phổ trùng lặp giữa phổ huỳnh quang của chất cho và phổ hấp thụ của chất nhận. Có một số điều kiện cần được thỏa mãn để xảy ra quá trình truyền năng lượng cộng hưởng. Các điều kiện đó bao gồm (1) phổ huỳnh quang của phân tử chất cho phải trùng với phổ hấp thụ hay phổ kích thích của phân tử chất nhận (mức độ trùng lặp của phổ huỳnh quang chất cho và phổ hấp thụ chất nhận được biểu thị bằng tích phân phổ trùng lặp – J); (2) hai phân tử chất huỳnh quang tham gia quá trình truyền năng lượng phải nằm gần nhau (thường là 1 – 10 nm); (3) lưỡng cực chuyển đổi của chất cho và chất nhận phải gần song song với nhau; (4) thời gian sống huỳnh quang của phân tử chất cho phải đủ dài để quá trình truyền năng lượng xảy ra. Hiệu suất lượng tử của quá trình chuyển giao năng lượng chuyển tiếp Hiệu suất của quá trình chuyển năng lượng Khoảng cách Forster Tích phân phổ trùng lặp của chất cho và chất nhận Bảng 3.1. Các công thức FRET Với các ký hiệu lần lượt: :tốc độ truyền năng lượng, : tốc độ qua trình phát huỳnh quang, : hằng số tốc độ của các quá trình trở về trạng thái ban đầu, : khoảng cách giữa hai phân tử, : hiệu suất huỳnh quang lượng tử của chất cho khi không có chất nhận, : yếu tố định hướng lưỡng cực, n: chiết suất của môi trường, : số Avogadro, : tích phân phổ trùng lặp giữa chất cho và chất nhận, : phổ phát xạ chuẩn hóa của chất cho , : hệ số hấp thụ phân tử của chất nhận. Khoảng cách Forster (hay bán kính Forster - ) là khoảng cách mà tại đó một nửa năng lượng kích thích của chất cho được truyền sang chất nhận, hay tại đó mà hiệu suất truyền năng lượng theo cơ chế cộng hưởng là 50%. Tóm lại, hiệu suất của quá trình truyền năng lượng cộng hưởng FRET phụ thuộc vào mức độ phổ trùng lặp giữa cặp chất cho – chất nhận, hiệu suất lượng tử của chất cho, yếu tố định hướng lưỡng cực giữa chất cho – chất nhận và khoảng cách giữa hai phân tử chất cho – chất nhận. Bất cứ qua trình hay tương tác nào ảnh hưởng đến khoảng cách giữa cặp chất cho – chất nhận đều ảnh hưởng đến hiệu suất của FRET. 1.2.2. Sắc tố quang hợp: Sắc tố quang hợp có cây, tảo và vi khuẩn lam, có nhiệm vụ thu nhận năng lượng ánh sáng cần thiết cho quá trình quang hợp. Vì sắc tố quang hợp chỉ hấp thụ được một số bước sóng nhất định nên trong lục lạp hay vi khuẩn quang hợp thường có một số loại sắc tố kết hợp với nhau để hấp thụ được nhiều năng lượng ánh sáng hơn. Có ba loại sắc tố quang hợp chính là chlorophyll, carotenoid và phycobiliprotein. Mỗi loại sắc tố có cấu tạo đặc trưng với khả năng hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau để phục vụ cho quá trình hấp thu năng lượng ánh sáng với hiệu quả cao nhất. Chlorophyll là sắc tố màu xanh, có khả năng hấp thụ tốt trong khoảng bước sóng 400 – 450 nm (với đỉnh 430 nm) và 625 – 675 (với đỉnh 662 nm). Phân tử chlorophyll có chứa vòng porphyrin, cấu trúc dạng vòng bền cho phép electron di chuyển tự do trong phân tử. Vì electron có thể di chuyển tự do trong phân tử nên vòng porphyrin có khả năng nhận hoặc cho electron dễ dàng, giúp các phân tử bên cạnh nhận được electron. Trong tự nhiên có nhiều loại chlorophyll nhưng quan trọng nhất là chlorophyll a (hình 2.4). Đây là chlorophyll nằm cuối chuỗi chuyền năng lượng trong protein quang hợp và nằm ở đầu chuỗi truyền electron với chất nhận cuối cùng là phân tử tạo đường – một sản phẩm của quá trình quang hợp. Hình 3.5.Chlorophyll a Hình 3.6. Carotenoid [...]... toàn sắc tố quang hợp hiện tại chưa thể đem lại hiệu suất cao và độ bền cần thiết để sử dụng trong đời sống Sắc tố quang hợp được sử dụng cần phải thay đổi để phù hợp với các loại pin mặt trời hiện tại bởi cấu trúc hoạt động của sắc tố quang hợp như trong tự nhiên cần một cấu trúc phức tạp mà chúng ta chưa thể xây dựng được 4 Hướng phát triển Tuy hiệu suất pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng chưa cao. .. Phycocyanin là một protein sắc tố nằm trong tổ hợp hấp thụ ánh sáng phycobiliprotein, cùng với allophycocyanin và phycoerythrin Các thông số về khả năng hấp thụ và huỳnh quang của phycocyanin đã được thể hiện trong bảng 2.1 Hình 3.12 Cấu tạo của phycobilisome gồm phycoerythrin, phycocyanin và allophycocyanin 1.2.3 Pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp Pin mặt trời dung sắc tố quang hợp gồm pheophorbide a... I-V của pin mặt trời trong thí nghiệm 3 Hình 3.21 Đặc trưng I-V của pin trong thí nghiệm 4 và 5 Kết quả thí nghiệm 4 và 5 cho thấy pin mặt trời sử dụng thêm phycocyanin cho cường độ dòng điện và hiệu điện thế cao hơn Dòng ngắn mạch ISC của pin sử dụng protein là 97.94 uA so với 96.80 uA của pin chỉ sử dụng chlorophyllide Thế hở mạch là 370 mV so với 330 mV của pin không có phycocyanin Hệ số điền đầy Hiệu. .. tăng hiệu suất của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng với trong một số điều kiện thích hợp về môi trường chất điện ly Chất nhạy sáng nhận năng lượng từ phycocyanin cần đáp ứng một số điều kiện về phổ hấp thụ và khả năng hấp thụ Pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng có thể có hiệu suất cao hơn khi chất nhạy sáng gắn trên TiO2 bền hơn và có khả năng truyền electron tốt hơn Phycocyanin có thể thể hiện hiệu. .. 900 nm Tất cả phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang được đo tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam 2.4 Pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp Mục đích: thử nghiệm khả năng hoạt động của pheophorbide a, chlorophyllide và phycocyanin trong pin mặt trời, đo đạc và so sánh các thông số liên quan đến hiệu suất pin Thí nghiệm: Thí nghiệm pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng gồm năm... Hiệu suất của pin Trong đó: VOC là thế hở mạch (V), ISC là dòng ngắn mạch (mA), Pin là công suất ánh sáng chiếu tới (0.1 W/cm2) Sử dụng công thức đưa ra ở trên có thể tính hiệu suất pin trong thí nghiệm 3, 4,5 được biểu diễn trong bảng sau: Pin Hệ số điền đầy Hiệu suất (%) Thí nghiệm 3 0.39 0.006 Thí nghiệm 4 0.48 0.0153 Thí nghiệm 5 0.44 0.0159 Bảng 3.4 Hiệu suất pin trong ba thí nghiệm Từ hiệu suất của. .. trong ba thí nghiệm Từ hiệu suất của ba pin có thể thấy pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng chlorophyllide và phycocyanin cho hiệu suất cao nhất Hiệu suất của pin dùng chlorophyllide cao hơn so với pin dùng pheophorbide a là do chlorophyllide có nhân Mg trong vòng porphyrin làm bền hóa còn pheophorbide kém bền hơn Cường độ dòng điện của pin sử dụng phycocyanin cao hơn do mẫu phycocyanin được tách chiết... phát triển Tuy hiệu suất pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng chưa cao nhưng nghiên cứu cho thấy có thể sử dụng sắc tố như phycobiliprotein để nâng cao hiệu suất pin mặt trời, với một hệ được thiết kế tốt hơn và chất nhạy sáng gắn trên TiO 2 phù hợp hơn (chất nhạy sáng hữu cơ không độc hại) với cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B O’Regan and M Grӓtzel,... đỉnh hấp thụ hay hiệu suất lượng tử…, nhưng sự khác biệt này nhỏ hơn Sự phân chia nàylàm cho quá trình hấp thụ ánh sáng trong tự nhiên diễn ra với hiệu suất cao do mỗi sắc tố protein chỉ đảm nhiệm hấp thụ ánh sáng cho một vùng bước sóng nhất định Phycobiliprotein không chỉ có ích trong cơ thể sống mà còn được dùng như một hóa chất phục vụ nghiên cứu do khả năng phát huỳnh quang tại một số bước sóng nhất... năng lượng tốt hơn với một chất nhận năng lượng có hệ số hấp thụ cao hơn 2 Khó khăn Do điều kiện thí nghiệm còn hạn chế trong quá trình chiết xuất protein phycocyanin và chế tạo pin nên hiệu suất chưa thể đạt mức tối ưu Ngoài ra các chất nhạy sáng gắn trên TiO2 (pheophorbide & chlorophyllide) kém bền và có hiệu suất chưa cao nên phycocyanin chưa thể hiện được tối đa hiệu ứng 3 Hạn chế Pin mặt trời sử . đến hiệu suất của FRET. 1.2.2. Sắc tố quang hợp: Sắc tố quang hợp có cây, tảo và vi khuẩn lam, có nhiệm vụ thu nhận năng lượng ánh sáng cần thiết cho quá trình quang hợp. Vì sắc tố quang hợp. 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 và vận tải NGƯỜI HƯỚNG DẪN - Thạc sĩ. 2.1. Hình 3.12. Cấu tạo của phycobilisome gồm phycoerythrin, phycocyanin và allophycocyanin. 1.2.3. Pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp Pin mặt trời dung sắc tố quang hợp gồm pheophorbide a