Tính chất của nano TIO2 và ứng dụng trong pin mặt trời hiệu suất cao

1 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành kính trọng đến thầy giáo – PGS.TS Nguyễn Hồng Quảng người thầy trực tiếp hướng dẫn tôi, Thầy tận tình giúp đỡ, dạy tạo điều kiện thuận lợi suốt trình thực luận văn để hoàn thành đề tài Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn quý thầy cô trường Đại học Vinh nói chung thầy cô khoa Vật Lý nói riêng giảng dạy tận tình hướng dẫn suốt trình học tập vừa qua, giúp đỡ tích lũy kiến thức vô quý báu giúp đỡ bước đầu nghiên cứu khoa học Chân thành cảm ơn Trường Đại học Sài Gòn tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất, giúp hoàn thành khóa học thời hạn Xin gởi lời cám ơn sâu sắc đến gia đình, bàn bè, đồng nghiệp trường THPT Xuân Mỹ -Cẩm Mỹ - Đồng Nai anh chị em lớp quang học K19 – ĐH Sài gòn động viên, giúp đỡ, chia sẻ tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập vừa qua Xin chân thành cảm ơn tất Tác giả MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu .8 Mở đầu…………………………………………………… Chương Tính chất vật liệu Titan đioxít 12 1.1 Giới thiệu vật liệu Titan đioxít .12 1.2 Tính chất vật liệu nano TiO2 19 1.2.1 Tính chất vật lý vật liệu nano TiO2 19 1.2.2 Tính chất hóa học TiO2 20 1.2.3 Tính chất xúc tác quang hóa TiO2 .21 1.3 Một số phương pháp điều chế TiO2 kích thước nano mét 27 1.3.1 Điều chế màng TiO2 phương pháp lắng đọng hóa học CVD (Chemmical Vapor deposition) 27 1.3.2 Phương pháp bắn phá ion 29 1.3.3 Phương pháp thuỷ phân 29 1.3.4 Phương pháp thủy nhiệt 30 1.3.5 Phương pháp sol-gel 31 1.4 Một số ứng dụng TiO2 31 Chương Ứng dụng hạt nano TiO2 chế tạo pin mặt trời 36 2.1 Giới thiệu pin mặt trời kiểu bán dẫn p-n tiếp xúc .36 2.1.1 Cơ sở vật lý pin mặt trời 36 2.1.2 Cấu tạo pin mặt trời 39 2.1.3 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 40 2.2 Các thông số đặc trưng pin mặt trời 41 2.2.1 Hiệu suất trình biến đổi quang điện (hiệu suất chuyển đổi quang năng) 41 2.2.2 Điểm có công suất cực đại .42 2.2.3 Dòng ngắn mạch hở mạch 42 2.2.4 Hệ số lấp đầy FF (Fill Factor) 43 2.3 Vật liệu chế tạo pin mặt trời 44 2.3.1 Pin mặt trời truyền thống 44 2.3.2 Pin mặt trời dạng màng mỏng (thin fim) 45 2.3.3 Một số loại vật liệu khác 45 2.3.3.1 Pin mặt trời dạng keo nước (lá nhân tạo) 45 2.3.3.2 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell) .46 2.4 Ứng dụng nano TiO2 làm điện cực pin mặt trời 46 2.4.1 Giới thiệu pin MT DSC .46 2.4.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc pin DSC 48 2.4.2.1 Cấu tạo pin MT DSC 48 2.4.2.2 Nguyên lý hoạt động pin DSC 57 2.4.2.2.1 Chu trình hoạt động DSC 57 2.4.2.2.2 Nhiệt động học động học trình chuyển điện tích DSC 59 2.4.3 Tối ưu hóa khả hoạt động DSC 66 2.4.3.1 Xử lý bề mặt TiO2 trước cho hấp phụ chất nhạy quang 66 2.4.3.2 Tăng hàm lượng dye hấp phụ 66 2.4.3.3 Hạn chế dòng tối 67 Kết luận .69 Tài liệu tham khảo .70 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Từ viết Gốc Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt CB DSC FTO HOMO Conduction band Dye-sensitized solar cell Fluorine -doped tin oxide Highest Occupied Vùng dẫn chất bán dẫn Pin Mặt Trời tẩm chất nhạy quang Oxít thiếc có thêm Fluorine Mức lượng cao chiếm ITO LUMO Molecular Orbital Iridium – Tin – Oxide Lowest Unoccupied điện tử Oxít thiếc có thêm Indium Mức lượng thấp chưa bị Pin MT TCO Molecular Orbital Solar cell Transparent Conductive chiếm điện tử Pin mặt trời Lớp Oxit dẫn suốt tắt Oxide DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1a Tinh thể Titan đioxit có cấu trúc Anatase 13 Hình 1.1b Tinh thể Titan đioxit có cấu trúc Rutile 14 Hình 1.1c Tinh thể Titan đioxit có cấu trúc Brookite .14 Hình 1.2 Vật liệu có cấu trúc nano thực thể nhỏ nguyên tử lớn tế bào động vật 16 Hình 1.3 Mối quan hệ tỉ số nguyên tử bề mặt tổng số nguyên tử với số lớp nguyên tử giống cấu trúc nano… 18 Hình 1.4 Sơ đồ minh họa chế quang xúc tác TiO2……………… 23 Hình 1.5 Sơ đồ minh họa giản đồ vùng lượng TiO2…………… .….25 Hình 1.6 Sơ đồ mô tả trình tạo màng phương pháp CVD 28 Hình 1.7 Một số ứng dụng TiO2…………… .32 Hình 2.1 Sơ đồ vùng lượng bán dẫn…………………… … 37 Hình 2.2 Sự chuyển mức lượng hấp thụ photon………… …….38 Hình 2.3 Nguyên tắc cấu tạo pin mặt trời…………………………… 39 Hình 2.4 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hiệu suất η theo Eg…… .42 Hình 2.5 Đường đặc trưng dòng – thông số hoạt động pin…………………………………………… …44 Hình 2.6 Panel lượng mặt trời đa tinh thể panel lượng mặt trời đơn tinh thể……………………… …………………………44 Hình 2.7 Pin MT nhạy cảm chất màu………… 46 Hình 2.8 Sơ đồ biểu diễn trình phát triển pin mặt trời hữu từ 1976- 2015 trung tâm nghiên cứu phòng thí nghiệm lớn thê giới……………… ………48 Hình 2.9 Cấu trúc pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy quang (DCS)… …………………………………………… 49 Hình 2.10 khả hấp thụ ánh sáng dye N3 quang điện cực TiO2 nhuộm dye N3……… …………….54 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên tắc hoạt động pin DSC…………… .….59 Hình 2.12 Giản đồ lượng pin MT DSC………………… .….60 Hình 2.13 Sơ đồ biểu diễn tốc độ trình xảy pin DSC …62 Hình 2.14 Hoạt động điện tử màng oxit bán dẫn………… .… 63 Hình 2.15 Sự vận chuyển electron qua trạng thái bề mặt (A) qua trạng thái lòng hạt (B) có pin chiếu sáng…… .… 65 DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 số nguyên tử lượng bề mặt hạt nano có cấu tạo nguyên tử giống nhau………… ………………………………17 Bảng 1.2 Một số tính chất vật lý tinh thể TiO2 dạng Anatase rutile………………………… ……………………19 Bảng 2.1 Một số phức chất Ruthenium thường sử dụng chất màu nhạy quang pin DSC……….……………………………53 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Điện nhu cầu thiếu đời sống đại, nhu cầu sử dụng điện cho mục đích sản xuất, phục vụ đời sống người ngày tăng nên điện thiếu quốc gia giới, vùng hải đảo, vùng miền núi để có điện đủ điện để sử dụng đốt sáng, nhu cầu thiết yếu khác vấn đề nan giải Việc chuyển hóa điện từ dạng lượng khác nhiệt năng, …ngày gặp nhiều khó khăn vấn đề ô nhiễm môi trường, nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt hàng ngày bề mặt trái đất nhận nguồn lượng khổng lồ từ mặt trời nên việc chuyển hóa lượng mặt trời sang điện hướng nghiên cứu thiết thực Hằng ngày bề mặt trái đất nhận nguồn lượng khổng lồ từ mặt trời riêng Việt Nam quốc gia có vị trí địa lý nhận nguồn lượng mặt trời dồi Pin mặt trời sản xuất sử dụng nhiều Tuy nhiên chi phí để sử dụng pin mặt trời cao hiệu suất pin mặt trời chưa cao Với mong muốn tìm hiểu cấu trúc nguyên lý hoạt động pin lượng mặt trời hệ kiến thức ứng dụng vật liệu nano, biết thêm tính chất thú vị tiềm ứng dụng vật liệu nano nhằm mở rộng kiến thức để áp dụng giảng dạy, chọn đề tài: “Tính Chất Vật Liệu Nano TiO2 Ứng Dụng Trong Pin Mặt Trời Hiệu Suất Cao” cho luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Mục tiêu nghiên cứu 10 Nắm được tính chất đặc thù nano TiO khả ứng dụng nano TiO2 dạng hạt vào chế tạo pin mặt trời DSC (Pin Mặt Trời tẩm chất nhạy quang) nhằm nâng cao hiệu suất pin Mặt trời, nâng cao hiểu biết để công tác giảng dạy môn vật lý trường phổ thông ngày tốt Nội dung nghiên cứu Tìm hiểu cấu trúc tính chất nano TiO dạng hạt, nguyên tắc hoạt động pin Mặt Trời truyền thống tìm hiểu khả ứng dụng nano TiO làm điện cực cho pin mặt trời DSC Đối tượng phạm vi nghiên cứu Vật liệu nano TiO2 cấu tạo pin Mặt Trời truyền thống pin Mặt Trời hữu sở dùng nano TiO2 làm điện cực Phương pháp nghiên cứu • Tham khảo tài liệu, công trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm TiO2,(cấu trúc, tính chất, ứng dụng), rút kết luận có tính quy luật công nghệ chế tạo TiO2 có cấu trúc nano; • So sánh, tổng hợp kết nghiên cứu kết hợp TiO với vật liệu khác nhằm ứng dụng TiO2 pin Mặt Trời Bố cục luận văn Luận văn chia thành hai chương chính: - Chương I Tính chất vật liệu nano Titan đioxit Trong chương tác giả trình bày cấu trúc thường gặp TiO tính chất nano TiO2 tính chất vật lý, tính chất hóa học tính chất quang xúc tác, từ nêu vài ứng dụng TiO trình bày số phương pháp điều chế TiO2 phổ biến - Chương Ứng dụng hạt nano TiO2 chế tạo pin mặt trời Trong chương tác giả trình bày nguyên lý hoạt động vật liệu chế tạo pin mặt trời truyền thống, sở trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động pin mặt trời DSC hiệu suất cao 60 Mức LUMO dye phải đủ âm so với mức CB màng TiO tức ΔE1 phải đủ lớn để tiêm điện tử hiệu vào TiO Ngoài ghép cặp điện tử mạnh LUMO CB điều kiện cần thiết để tiêm điện tử xảy dễ dàng Mức HOMO Dye phải đủ dương so với oxi hóa I -/I3- tức ΔE2 phải đủ lớn để cation chất Dye nhận điện tử từ I - dễ dàng, giúp chất màu nhạy quang tái tạo dễ dàng ΔE1 ΔE2 phải lớn khoảng 200mV để chuyển điện tử có hiệu cao Các mức lượng phụ thuộc vào yếu tố: - Thành phần dung dịch điện ly: kích thước ion, nồng độ pH dung dịch - Nồng độ chất điện ly - Cường độ chiếu sáng Sự tiêm điện tích từ Dye vào vùng dẫn CB TiO ( phương trình 2.9) xảy khoảng thời gian cỡ pico giây, nhanh phục hồi chất màu nhạy quang từ trạng thái kích thích trạng thái bản, hiệu suất trình (2.9) gần đạt 100% Tốc độ tiêm điện tử từ chất màu nhạy quang vào dải dẫn CB phụ thuộc vào cấu hình chất nhạy quang hấp thụ bề mặt bán dẫn, chênh lệch mức lượng LUMO CB, chất chất bán dẫn Hằng số tốc độ tiêm điện tử cho phương trình :  4Π   V ρ ( E ) k inj =  h   (2.15) Với ρ (E ) : mật độ trạng thái lượng vùng dẫn V: mức độ ghép cặp điện tử dye chất bán dẫn 61 Giá trị V phụ thuộc vào mức che phủ hàm sóng trạng thái kích thích dye hàm sóng CB vào khoảng cách chất nhạy quang hấp phụ với bề mặt chất bán dẫn Trong DSC, dye hấp phụ chặt lên bề mặt TiO2 thông qua nhóm carbonxyl –COOH nên giá trị V obital π * trạng thái kích dye CB (gồm orbital 3d trống Ti 4+) lớn Ngoài vùng dẫn CB TiO2 có mật độ trạng thái lượng ρ (E ) tương đối lớn liên tục, tiêm điện tử từ chất màu nhạy quang vào CB xảy cực nhanh Tốc độ chuyển điện tử ngược lại từ TiO đến cation dye (quá trình 2.4) xảy với số tốc độ 10 giây -1, chậm nhiều so với trình tiêm điện tử (2.1) với số tốc độ 10 10-1012 giây-1 trình chuyển điện tử từ I sang cation chất màu nhạy quang (quá trình 2.3) 10 giây -1 Điều làm cho điện tử tách khỏi cation chất nhạy quang hiệu Vậy điều kiện tối ưu cho pin tốc độ tái tạo chất màu nhạy quang dung dịch điện ly (quá trình 2.3) so với tốc độ tái tạo chất màu nhạy quang điện tử vừa tiêm vào vùng dẫn (quá trình 2.4) 62 Hình 2.13 Sơ đồ biểu diễn tốc độ trình xảy pin DSC [2] Quá trình quan trọng pin DSC trình di chuyển điện tử màng TiO2 vào môi trường có tính trật tự cao Chuyển động điện tử không đơn khuếch tán qua trạng thái lượng mở rộng khối tinh thể bán dẫn đồng mà chịu ảnh hưởng mạnh số lượng lớn trạng thái lượng cục hay gọi bẫy lượng Hầu hết điện tử tiêm vào nằm trạng thái bẫy Các bẫy lượng hình thành tạp chất hạt oxit, xâm nhập xen kẽ vào cấu trúc TiO2 proton đo khác biệt điện môi TiO môi trường bao quanh 63 Hình 2.14 Hoạt động điện tử màng oxit bán dẫn [2] Theo hình 2.13 trình dịch chuyển điện tử màng oxit bán dẫn gồm trình : - Quá trình( A): Điện tử dịch chuyển qua trạng thái mở rộng - Quá trình (B): Điện tử rơi vào trạng thái bẫy rời bẫy - Quá trình (C): Điện tử chuyển từ dải dẫn sang chất oxi hóa dung dịch điện ly - Quá trình (D): Điện tử bị bắt giữ trạng thái bề mặt - Quá trình (F) : Điện tử dịch chuyển vào dung dịch điện ly Trong đó: EF0 mức fecmi chưa chiếu sáng, E Fn: mức fecmi nhận ánh sáng Sự dịch chuyển điện tử màng TiO xảy chậm độ dẫn điện TiO2 thấp Hệ số khuếch tán điện tử màng TiO thấp khoảng 10-7-10-5 cm2/s Tuy nhiên độ dẫn điện TiO tăng lên đáng kể điện tử tiêm vào nhiều tăng theo cường độ ánh sáng chiếu vào điện tử tiêm vào 64 nhiều lấp đầy trạng thái bẫy trạng thái bề mặt lớp màng TiO2 làm hệ số khuếch tán điện tử tăng lên theo Sự dịch chuyển điện tử màng xảy song song với kết hợp với dạng oxi hóa dung dịch điện ly Sự kết hợp xảy với điện tử vùng dẫn (quá trình C) hay điện tử bẫy (quá trình F) Dòng tối I0 tỉ lệ với nồng độ I-3 theo phương trình I0=qn0kl[I3-] Trong n0: mật độ điện tử vùng dẫn chất bán dẫn tối kl: số tốc độ tái kết hợp điện tử với I-3 Giả sử chế hoạt động pin DSC giống pin Mặt Trời loại bán dẫn pn tiếp xúc dòng tối cao làm giảm hiệu quang sinh pin theo phương trình : V0 C = RT AI ln − nF n0 k1 I + n0 k [ S + ] [ ] (2.16) đó: k2: số tốc độ tái kết hợp điện tử với cation dye S+ I: dòng photon tới, F: số Faraday , F= 96,485.3399 C mol-1 A: diện tích bề mặt anod S+: nồng đô cation chất màu nhạy quang Trong nghiên cứu nhóm tác giả Green dù tốc độ dịch chuyển điện tử màng nano SnO2 nhanh so với TiO2 hiệu suất pin sử dụng SnO2 lại thấp nhiều, nguyên nhân điện tử màng SnO vận 65 chuyển nhanh đồng thời tái kết hợp diễn nhanh nên khả hoạt động pin giảm, ngược lại màng TiO khả vận chuyển điện tử thấp tái kết hợp xảy chậm nên có lợi cho hoạt động pin Sự diện số lượng lớn trạng thái bẫy bề mặt TiO làm giảm hệ số khuếch tán điện tử sử dụng TiO2 làm catod tốt SnO2 Hình 2.15 Sự vận chuyển electron qua trạng thái bề mặt (A) qua trạng thái lòng hạt (B) có pin chiếu sáng [27] Tóm lại, động học trình chuyển điện tích pin DSC có mối liên hệ chặt chẽ với nhau, ảnh hưởng trái ngược đến hiệu suất pin, pin có hiệu suất cao 11% nhóm tác giả Wang có tốc độ vận chuyển điện tử màng TiO2 cao tốc độ tái kết hơp chậm, có vị trí rìa dải dẫn cao mà trì tiêm điện tử từ chất màu nhạy quang hiệu Do chất lượng màng TiO2 giao diện TiO2/dung dịch điện ly tối ưu xem nguyên nhân tạo yếu tố thuận lợi 2.4.3 Tối ưu hóa khả hoạt động DSC 2.4.3.1 Xử lý bề mặt TiO2 trước cho hấp phụ chất nhạy quang 66 Trước cho hấp phụ dye, bề mặt anốt xử lý theo nhiều cách như: Xử lý bề mặt axit HCl: Sự hấp thụ proton lên TiO xử lý HCl làm mức CB lớp oxit dẫn dịch đáng kể phía dương, làm cho khả tiêm điện tử từ dye vào CB tăng, đo dòng ngắn mạch pin tăng Thế mạch hở pin gần không đổi giảm dòng tái kết hợp bù trừ cho giảm gây dịch chuyển Công đoạn góp phần làm tăng lượng dye hấp phụ, tăng độ hấp thụ ánh sáng dye [32] Xử lý bề mặt điện cực TiCl giúp cải thiện hiệu suất pin làm tăng dòng ngắn mạch quang sinh Nguyên nhân có chuyển dịch lượng vùng dẫnn xuống phía I3- /I- , dẫn đến tiêm điện tử hiệu Điều có nghĩa điện bề mặt TiO2 dương xử lý TiCl4 Hiện tượng giải thích mặt tinh thể TiO xử lý TiCl4 bị khác đi, làm cho proton cation khác liên kết với bề mặt chặt chẽ Sự dịch chuyển xuống vùng dẫn không làm giảm V oc xử lý TiCl4 làm giảm mạnh tái kết hợp.[26] 2.4.3.2 Tăng hàm lượng chất màu nhạy quang hấp phụ Tăng hàm lượng dye hấp phụ cách tăng bề dày lớp màng oxit dẫn Tuy nhiên việc kéo theo tăng trở kháng khuếch tán ion qua lỗ xốp Các loại dye cis (NCS) RuLL , phổ biến dye kí hiệu K19, K24, K60, Z910 có độ hấp thụ lớn photon UV , cho hấp phụ với dye phổ biến N719 hay D520 (có khả hấp thụ ánh sáng khả kiến 750 nm) lên TiO2 tạo pin có khả tận dụng phần lớn bước sóng ánh sáng mặt trời Các dye đặc biệt có lợi dùng kết hợp với lớp màng oxít suốt, hạt tán xạ, hoặc/và với dung dịch điện ly có độ nhớt 67 cao, mà lớp màng oxít cần mỏng để giảm thiểu vấn đề khuếch tán ion qua lỗ xốp màng oxít 2.4.3.3 Hạn chế dòng tối Phương pháp phổ biến làm giảm dòng tối sử dụng hợp chất lưỡng tính (có phần ưa nước carboxylic hay phosphonic làm nhóm neo phần kị nước) để hấp phụ với dye lên TiO2 Các phân tử với dye tạo thành lớp đơn phân tử chặt chẽ bề mặt TiO2, phần kị nước hàng rào che chắn bề mặt TiO2 khỏi ion I3-, hạn chế phản ứng tạo dòng tối, làm tăng mạch hở ổn định bề mặt TiO2 Tóm tắt chương Ở chương 2, vừa trình bày khả ứng dụng vật liệu nano TiO2 chế tạo pin Mặt Trời hiệu suất cao So với pin mặt trời truyền thống, pin Mặ Trời sử dụng nano TiO2 làm điện cực có nhiều ưu điểm : Công nghệ chế tạo đơn giản dẫn đến giá thành rẻ, Kích thước trọng lượng so với pin MT kiểu tiếp xúc p-n giảm đáng kể phí lắp đặt giảm Tuy nhiên so mặt hiệu suất pin DSC pin Mặt Trời tiếp xúc p-n nên nhằm nâng cao hiệu suất độ bền pin cần quan tâm đến vấn đề: Thứ nhất, kiểm soát diện tích bề mặt bên phân tử Diện tích tiếp xúc tinh thể nano pin mặt trời lớn hiệu suất làm việc pin cao, việc tổng hợp chế tạo chất màu nhạy quang cần phải quan tâm, chất màu nhạy quang phải có khả làm tăng trình chuyển điện tử vào oxit, nên chất màu nhạy quang 68 phải có đặc tính : trạng thái kích thích chất màu nhạy quang có khả cách điện chất bán dẫn dung dịch điện ly Thứ hai, kéo dài vùng hấp thụ quang toàn phần chất màu nhạy quang từ vùng khả kiến đến gần vùng hồng ngoại Hiện người ta áp dụng việc pha trộn loại chất màu nhạy quang với hỗn hợp porhyrins phthalocyanines sau nhuộm lên lớp màng mỏng xốp TiO kết thu đáng mừng hiệu quang học thu tương đối tốt chất màu nhạy quang tương tác phá hủy lẫn giá trị dòng điện thu ngày tốt mở nhiều hướng nghiên cứu lĩnh vực tương lai 69 KẾT LUẬN Trong trình thực luận văn này, trình bày tính chất nano TiO2 dạng hạt khả ứng dụng nhiều lĩnh vực đặc biệt ứng dụng làm điện cực cho pin mặt trời DSC qua thấy vật liệu nano TiO2 chứa đựng nhiều tiềm ứng dụng phục vụ đời sống người, nhiên vật liệu nano TiO có vùng hấp thụ quang hẹp khoảng 388nm(đối với cấu trúc anatase ) đến 413 nm (cấu trúc rutil) cần nhiều đề tài nghiên cứu để kéo dài vùng hấp thụ quang vào vùng khả kiến Ở Việt Nam việc chuyển hóa lượng điện từ dạng lượng truyền thống toán nan giải nên việc tìm kiếm dạng lượng thay việc làm quan tâm, pin mặt trời DSC lựa chọn thích hợp ba lý thứ nhất: điều kiện thời tiết vị trí địa lý nước ta nhận nguồn lượng mặt trời có cường độ lớn thời gian kéo dài, thứ hai: trữ lượng Titan đioxit nước ta lớn, thứ ba: lãnh thổ Việt Nam có nhiều hải đảo, vùng núi hiểm trở nên việc cung cấp điện cho vùng thực khó khăn Tuy nhiên để làm chủ công nghệ chế tạo pin gặp nhiều khó khăn nghiên cứu gần cho thấy tính khả thi pin mặt trời hệ 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Nguyễn Thị Kim Giang (2009), “Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét khảo sát khả quang xúc tác chúng”, Luận văn thạc sỹ, Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội [2] Mai Thị Hải Hà (2009), “Khảo sát độ bền hoạt động pin mặt trời tinh thể nano oxit tẩm chất nhạy quang biến đổi pin phơi nhiệt tối 850C”, Luận văn thạc sỹ, Đại học khoa học Tự nhiên –Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh [3] Nguyễn Thị Lan (2004), “Chế tạo màng nano TiO2 dạng anata khảo sát hoạt tính xúc tác quang phân hủy metylen xanh”, Luận văn thạc sỹ khoa học, Đại học Bách khoa Hà Nội [4] Đặng Thanh Lê, Mai Đăng Khoa, Ngô sỹ Lương Khảo sát hoạt tính xúc tác quang bột TiO2 kích thước nano mét trình khử màu thuốc nhuộm Tạp chí hóa học T.46 (2A), Tr.139-143, 2008 [5] Ngô Sỹ Lương (2006), “Khảo sát trình điều chế titan đioxit dạng bột kích thước nano phương pháp thuỷ phân tetra n-butyl octotitanat dung môi hỗn hợp etanol-nước”, Tạp chí Phân tích Hoá, Lý Sinh học, T 11, No 3B Tr 52-56 [6] Ngô Sỹ Lương (2005),“Ảnh hưởng yếu tố trình điều chế đến kích thước hạt cấu trúc tinh thể TiO 2” Tạp chí Khoa học, Khoa học tự nhiên công nghệ, ĐHQG HN, T.XXI, N.2, tr 16-22 [7] Ngô Sỹ Lương, Nguyễn Văn Hưng, Nguyễn Văn Tiến, Lê Thị Thanh Liễu (2009), “Ảnh hưởng polyetylen glycol đến trình điều chế bột TiO kích 71 thước nano mét phương pháp thủy phân titanyl sunfat dung dịch nước”, Tạp chí Phân tích Hóa - Lý - Sinh học - Tập 14, số 1, tr 3-7 [8] Ngô Sỹ Lương (2005),“Ảnh hưởng yếu tố trình điều chế đến kích thước hạt cấu trúc tinh thể TiO 2” Tạp chí Khoa học, Khoa học tự nhiên công nghệ, ĐHQG HN, T.XXI, N.2, tr 16-22 [9] Ngô Sỹ Lương, Đặng Thanh Lê (2008), “Điều chế bột anatase kích thước nano mét cách thuỷ phân titan isopropoxit dung môi cloroformnước”, Tạp chí hóa học, T.46 (2A), Tr.177-18 [10] Nguyễn Đức Nghĩa, Ngô Trịnh Tùng, Vũ Quốc Thắng, Trần Việt Hà, (2007),“Nghiên cứu sử dụng chất màu nhạy sáng tự nhiên để chế tạo pin mặt trời hữu cơ”, Tạp chí Hóa học T.45(6A) Tr 128-132 [11] Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải (2002), “Khử amoni nước nước thải phương pháp quang hóa với xúc tác TiO 2”, Tạp chí Khoa học công nghệ, , Vol 40(3), tr 20-29 [12] Nguyễn Xuân Nguyên, Lê Thị Hoài Nam (2004), “Nghiên cứu xử lý nước rác Nam Sơn màng xúc tác TiO2 lượng mặt trời”, Tạp chí Hóa học ứng dụng [13] Hoàng Nhâm (2005), Hóa vô tập III, NXB GD, Hà Nội [14] Đặng Đình Thống, Lê Danh Liên (2006), Cơ sở lượng tái tạo, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [15] Dương Thị Khánh Toàn (2006),”khảo sát trình điều chế ứng dụng TiO2 kích thước nanomet”, Luận văn thạc sỹ khoa học, Đại học khoa học Tự nhiên –Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh 72 [16] Đỗ Thanh Sinh (2009), “ khảo Pin mặt trời chất màu nhạy quang vàn nghiên cứu điều chế keo in lụa Titan dioxit”, luận văn thạc sỹ, Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh Tài liệu tiếng Anh [17] Akira Fujishima, Kazuhito Hashimoto, Toshiya Watanabe (1996), TiO2 phtocatalysis Fundamentals and Applications, Tokio, Japan, November 20 [18] B A Gregg, The essential interface: Studies in dye-sensitized solar cells, Semiconductor photochemistry and photophysics, 2003, 10, 51-88 [19] Chuan-yi Wang, Joseph Rabani, Detlef W Bahnemann, Jurgen K Dohrmann (2002), “Photonic efficiency and quantum yield of formaldehyde formation from methanol in the presence of various TiO photocatalysts”, Journal of Photochemistry and photobiology A Chemistry, Vol 148, pp.169-176 [20] H Arakawa, K Hara, Current status of dye-sensitized solar cells, Semiconductor photochemistry and photophysics, 2003, 10, 123-171 [21] Huaqing Xie, Qinghong Zhang, Tonggeng Xi, Jinchang Wang, Yan Liu (2002),“Thermal analysis on nanosized TiO2 prepared by hydrolysis”, Thermochimica Acta, (381), tr 45 - 48 [22] Kenji Yamada, Hirokazu Yamane, Shigenori Matsushima, Hiroyuki Nakamura, Kayo Ohira, Mai Kouya, Kiyoshi Kumada Effect of thermal treatment on photocatalytic activity of N-doped TiO2 particles under visible light Thin Solid Films 516 (2008), pp 7482–7487 [23] Mike Schmotzer (Grad Student), Dr Farhang Shadman (Faculty Advisor) (2004), “Photocatalytic Degradation of Organics”, Department of Chemical and Enviroment Engineering, University of Arizona 73 [24] Mihai Anastasescu, Adelina Ianculescu, Ines Niţoi, Virgil Emanuel Marinescu, Silvia Maria Hodorogea (2008), “Sol–gel S-doped TiO2 materials for environmental protection”, Journal of Non-Crystalline Solids, Volume 354, Issues 2-9, Pages 705-711 [25] O Carp, C.L.Huisman, A.Reller.(2004), “Photoinduced reactivity of titanium dioxide”, (32), pp.33-177 [26] P M Sommeling, B C O'Regan, R R Haswell, H J P Smit, N J Bakker, J J T Smits, J M Kroon, J A M van Roosmalen, Influence of a TiCl4 post- treatment on nanocrystalline TiO2 films in dye-sensitized solar cells, J Phys Chem B, 2006, 110 (39), pp 19191–19197 [27] Q Wang, Z Zhang, S M Zakeeruddin, M Grätzel, Enhancement of the performance of dye-sensitized solar cell by formation of shallow transport levels under visible light illumination, J Phys Chem C , 2008, 112 (17), pp 7084– 7092 [28] S M Zakeeruddin, C Klein, P Wang, M Graetzel (2006), 2, 2-bipyridine ligand, sensitizing dye and dye sensitized solar cell [29] V Quaschning, Understanding renewable energy systems, Earthscan, 2005 [30] Xiaobo Chen and Samuel S Mao (2007), Titanium Dioxide Nanomaterials: Synthesis, Properties, Modifications, and Applications, Chem Rev, vol.107, pp 2891 - 2959 [31] Youngfa Zhu, Li Zhang, Chong Gao The synthesis of nanosized TiO2 powder using a sol - gel method with TiCl4 as a precursor Journal of Materials Sciences, Vol 35 (2002), pp 4049 - 4054 74 [32] Z S Wang, T Yamaguchi, H Sugihara, H Arakawa, Significant efficienc improvement of the black dye-sensitized solar cell through protonation of TiO films, Langmuir, 2005, 21(10), 4272-4276 [33] http://www.khoahoc.com.vn truy cập ngày 12/4/2013 [34]http://www.pinmattroi.com truy cập ngày 12/4/2013 [335]http://www vi.wikipedia.org truy cập ngày 12/4/2013 [...]... Các ứng dụng của vật liệu nano TiO2 đã được giới thiệu, đặc biệt là ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao Chi tiết của ứng dụng này sẽ được trình bày ở chương 2 36 CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG HẠT NANO TIO2 TRONG CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI Trong chương trước, chúng ta đã khảo sát các tính chất quan trọng của các tinh thể TiO2 kích thước nanomet và các phương pháp chế tạo vật liệu này Đồng thời, khả năng ứng. .. liệu này Đồng thời, khả năng ứng dụng của chúng trong công nghệ cũng đã được thảo luận Chương này sẽ trình bày chi tiết hơn về khả năng ứng dụng của các hạt nano TiO2 trong chế tạo pin mặt trời – một hướng ứng dụng đang rất được quan tâm nghiên cứu trên thế giới và trong nước 2.1 Giới thiệu pin mặt trời kiểu bán dẫn p-n tiếp xúc Pin mặt trời (Pin MT) hay còn còn là pin quang điện là thiết bị dùng để... tính chất điện và quang nói chung và tính chất vật lý , hóa học nói chung của cấu trúc đó 18 Hình 1.3 Mối quan hệ giữa tỉ số nguyên tử bề mặt và tổng số nguyên tử với số lớp nguyên tử giống nhau trong cùng một cấu trúc nano[ 3] 19 1.2 Tính chất của vật liệu nano TiO2 1.2.1 Tính chất vật lý của của vật liệu nano TiO2 Titan đioxit là chất rắn màu trắng, khi đun nóng có màu vàng, khi làm lạnh thì trở lại... nhau trong cấu trúc mạng lưới dẫn đến sự khác nhau về mật độ điện tử giữa hai dạng thù hình rutile và anatase của TiO 2 và đây là nguyên nhân của một số sự khác biệt về tính chất giữa chúng chẳng hạn tính chất quang học của chúng khác nhau như độ truyền qua T, hệ số hấp thụ α và năng lượng vùng cấm Eg Tính chất và ứng dụng của TiO 2 phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc tinh thể các dạng thù hình và kích... tăng tính ổn định của pha anatas nhưng cũng có ý kiến cho rằng kích thước tinh thể nhỏ sẽ làm tăng khả năng chuyển thể từ anatas sang rutil Tỉ lượng và áp suất của phản ứng cũng ảnh hưởng đến sự chuyển pha này 1.2.2 Tính chất hóa học của TiO2 TiO2 rất trơ về mặt hóa học, không phản ứng với nước, các dung dịch loãng của axit (trừ HF) và kiềm, tác dụng chậm với axit đun nóng và kiềm nóng chảy [13] TiO2. .. các chất bẩn hữu cơ, vô cơ mà còn có khả năng diệt khuẩn Kỹ thuật này rất hiệu quả để loại bỏ các hợp chất hữu cơ nguy hiểm, một số loại vi khuẩn và vài loại virus trong nước thải xử lí lần hai  Linh kiện điện tử Với hằng số điện môi cao, trong suốt, chiết suất cao (chỉ thua kém kim cương) nano TiO2 có nhiều ứng dụng độc đáo trong lĩnh vực quang điện tử, quang tử (photonics) và điện tử học spin (spintronics)... tạo thành công pin năng lượng mặt trời, sau đó Sven Ason Berglund đưa ra giải pháp tăng khả năng nhận ánh sáng của pin [33] 2.1.1 Cơ sở vật lý của pin mặt trời Điện tích ở hai cực pin quang điện được tạo ra do hiệu ứng quang điện dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng mặt trời Xét hệ 2 mức năng lượng điện tử E 1< E2 Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi nhận bức xạ mặt trời, lượng tử... tạo của PQĐH đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp, dễ phổ cập rộng rãi và đang được coi như là lời giải cho bài toán an ninh năng lượng của loài người Hiện nay, PQĐH đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời lên đến 11% Tóm tắt chương 1 Trong chương này, các tính chất cơ bản của vật liệu TiO2 nói chung và TiO2 cấu trúc nano đã được trình bày Một số phương pháp thường dùng để chế tạo TiO2. .. tử và năng lượng bề mặt của hạt nano có cấu tạo nguyên tử giống nhau [3] Thứ hai: khi kích thước của hạt xấp xỉ bán kính Bohr của exciton trong vật liệu khối thì xuất hiện hiệu ứng giam giữ lượng tử (quantum confinement effects) khi đó các trạng thái điện tử cũng như trạng thái dao động trong hạt nano bị lượng tử hóa Các trạng thái bị lượng tử hóa trong cấu trúc nano sẽ quyết định tính chất điện và. .. chảy hoặc chuyển pha cấu trúc của các hạt nano thấp hơn nhiều so với vật liệu khối tương ứng, ví dụ đối với nano TiO2 có nhiệt độ chuyển pha từ cấu trúc anatase sang cấu trúc rutile là 400 0C trong khi ở dạng vật liệu khối là 1200 0C và bên cạnh đó cấu trúc tinh thể của hạt và hiệu ứng lượng tử bị ảnh hưởng bởi số nguyên tử ở trên bề mặt làm cho vật liệu nano có nhiều tính chất khác biệt so với vật liệu ... Các ứng dụng vật liệu nano TiO2 giới thiệu, đặc biệt ứng dụng chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao Chi tiết ứng dụng trình bày chương 36 CHƯƠNG ỨNG DỤNG HẠT NANO TIO2 TRONG CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI Trong. .. phương pháp cải tiến hiệu suất pin DSC sử dụng TiO2 làm điện cực pin 2.4 Ứng dụng nano TiO2 làm điện cực pin Mặt Trời 2.4.1 Giới thiệu pin Mặt Trời DSC Pin Mặt Trời dùng chất màu nhạy quang DSC... lượng mặt trời dồi Pin mặt trời sản xuất sử dụng nhiều Tuy nhiên chi phí để sử dụng pin mặt trời cao hiệu suất pin mặt trời chưa cao Với mong muốn tìm hiểu cấu trúc nguyên lý hoạt động pin lượng mặt