Nghiên cứu cải tiến quy trình chế tạo pin mặt trời nhạy quang trên chất màu N719 nhằm nâng cao hiệu suất của pin

Bài viết trình bày việc chế tạo pin mặt trời trên chất màu nhạy quang bằng phương pháp in lụa. Bằng phương pháp này, TiO2 và platin được phủ lên đế thủy tinh dẫn FTO để chế tạo điện cực anode và cathode.

UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.4, NO.1 (2014) NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI NHẠY QUANG TRÊN CHẤT MÀU N719 NHẰM NÂNG CAO HIỆU SUẤT CỦA PIN IMPROVING THE PROCESS OF MANUFACTURING N719 DYE – SENSITIZED SOLAR CELLS FOR THEIR HIGH PERFORMANCE Hà Thanh Tùng, Nguyễn Thành Luận Trường Đại học Đồng Tháp Email: tunghtvlcrdt@gmail.com TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, chế tạo pin mặt trời chất màu nhạy quang phương pháp in lụa Bằng phương pháp này, TiO2 platin phủ lên đế thủy tinh dẫn FTO để chế tạo điện cực anode cathode Trong đó, chất màu N719 sử dụng làm chất nhạy quang, có đỉnh hấp thụ nằm vùng ánh sáng khả kiến có bước sóng khoảng 488 nm xác định phổ hấp thụ Các kết nghiên cứu tính chất quang thơng qua phổ hấp thụ, hình thái bề mặt phân tích ảnh SEM, cấu trúc thông qua phổ nhiễu xạ tia X (XRD) phổ Raman Hiệu suất thu cao pin 3,02% đo thiết bị Keiley 2400 dưới cường độ chiếu sáng 100mW/cm2 Các thông số đặc trưng pin mạch hở, dòng ngắn mạch hệ số FF thu cao tương ứng 0,68 V, 7,38 mA 0,59 Từ khóa: pin mặt trời; chất nhạy màu; TiO2 ABSTRACT This paper studies the process of manufacturing a dye sensitized solar cell by silk – screen printing method By this method, the FTO glass substrate is coated by TiO and platinum to fabricate anode and cathode electrodes In particular, the N719 dye used as a photo-sensitive material has absorption peak in the visible light region and the wavelength of about 488 nm that is determined by absorption spectroscopy It presents the results of the study on optical properties via absorption spectroscopy, the surface morphology by SEM image analysis, structure through Xray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy The highest efficiency obtained is 3.02% of the cells measured by 2400 Keiley devices under the luminous intensity of 100mW/cm The characteristic parameters such as open circuit, short circuit and FF coefficients are quite high are 0.68 V, 7.38 mA and 0.59 respectively Key words: solar cells; dye; TiO2 Mở đầu Pin mặt trời nhạy quang (tên tiếng Anh: dye sensitized solar cell, viết tắt DSSC) thiết bị chuyển đổi quang thành điện bên cạnh pin mặt trời bán dẫn truyền thống Điểm khác biệt DSSC so với pin bán dẫn tiếp xúc sử dụng chất nhạy quang hấp phụ TiO2 Năm 1991, nhóm nghiên cứu giáo sư Michael Gratzel [2, 3] đứng đầu trường Đại học Bách khoa Liên bang Thụy sỹ-Lausanne (EPFL) phát triển loại pin dựa tinh thể nano TiO2 hấp phụ chất màu nhạy quang đạt hiệu suất chuyển hóa quang điện 7% Các pin mặt trời hữu sử dụng chất màu nhạy quang (DSSC) cho thấy thay đáng tin cậy kinh tế công nghệ thiết bị quang điện kiểu liên kết p-n Trong thiết bị truyền thống, chất bán dẫn đảm bảo hai nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng vận chuyển hạt tải ngược lại Trong pin mặt trời DSSC hai chức thực riêng biệt Ánh sáng hấp thụ chất màu nhạy quang, chất hấp phụ bề mặt chất bán dẫn có lượng vùng cấm rộng Sự tách biệt điện tích xảy bề mặt phân cách thơng qua truyền (tiêm) electron từ chất màu nhạy sáng vào vùng dẫn oxit bán dẫn Các hạt tải di chuyển miền dẫn chất bán dẫn tới điện 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC cực Việc dùng chất nhạy quang có miền phổ hấp thụ rộng liên kết với lớp màng oxit tinh thể nano cho phép nâng cao hiệu suất chuyển hóa pin mặt trời DSSC Một yếu tố làm ảnh hưởng tới hiệu suất pin DSSC màng xốp TiO2, thành phần quang trọng điện cực anode Trong quy trình chế tạo điện cực màng TiO2 xốp sử dụng cho pin DSSC, việc kiểm soát thơng số diện tích bề mặt, kích thước hạt, cấu trúc pha anatase, độ gồ ghề độ dày màng cần thiết cho công nghệ chế tạo pin giá thành thấp Kỹ thuật in lụa kỹ thuật tạo màng mỏng đáng tin cậy sử dụng sản suất công nghiệp với chi phí thấp Trong báo cáo này, TẬP 4, SỐ (2014) tập trung cải tiến quy trình chế tạo pin kỹ thuật tạo màng TiO2 chịu ảnh hưởng TiCl4, kỹ thuật ráp pin DSSC Thực nghiệm 2.1 Vật liệu và thiết bị 2.1.1 Vật liệu: Kính FTO thương mại mua từ hãng dyesol Úc với kích thước 10cmx10cmx2.3mm, keo Titan đioxit thương mại mua từ hãng dyesol úc (TiO2), Polymer surlyn, chất màu nhạy quang N719, keo platin dùng để chế tạo điện cực cathode 2.1.2 Quy trình chế tạo Hình Sơ đờ chế tạo pin mặt trời DSSC * Chế tạo điện cực anode + Xử lý FTO: Kính FTO cắt thành miếng nhỏ có diện tích 2cm x 1.5cm x 2.3 mm Sau đó, kính rửa nước thường, ngâm vào dung dịch xà phòng đánh siêu âm 30 phút Tiếp theo, rửa nước cất lần Kính đem sấy khơ nhiệt độ 900c tủ sấy Sau đó, kính lưu trữ để chế tạo màng TiO2 [1] phút sau tăng lên 5000c 30 phút Tắt máy hạ xuống 700c đem ngâm dung dịch TiCl4 40mM 30 phút Cuối rửa màng lại nước cất, sau nung màng TiO2 5000c 30 phút Màng nung xong ngâm vào dung dịch chất màu N719 thời gian 24 nhiệt độ phịng điều kiện tối Sau rửa ethanol lần để khô tự nhiên Điện cực anode hoàn thành [1] + Tạo màng TiO2: Màng TiO2 chế tạo phương pháp in lụa, khung in có diện tích 0,28cm2 Đặt kính FTO vừa xử lý khuôn in lụa ( mặt dẫn hướng lên) tiến hành quét lần Tiếp theo, tiến hành nung màng nhiệt độ 4500c * Chế tạo điện cực cathode: Màng thủy tinh dẫn điện khoan hai lỗ trịn có đường kính 1mm, khoan từ mặt dẫn xuống Kính rửa nước thường, ngâm vào dung dịch xà phòng đánh siêu âm 30 phút Đem sấy 26 UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION khô nhiệt độ 900c phút Sau tiến hành quét platin lớp Cuối đem sấy khô nhiệt độ 4500c phút [1] * Quá trình ráp pin: Một miếng Surlyn dán anode Cathode, sau tiến hành gia nhiệt, nhiệt độ làm cho miếng Surlyn chảy kết dính hai điện cực lại với * Bơm dung dịch điện ly: Dung dịch điện ly bơm vào pin qua lỗ khoan cathode Cuối bịt nắp lỗ khoan miếng thủy tinh VOL.4, NO.1 (2014) 2.1.3 Các thiết bị dùng để nghiên cứu pin mặt trời: Phổ hấp thụ, hệ đo đường đặc trưng I-V phịng Hóa Lý Ứng Dụng Đại học Khoa Học Tự Nhiên Ảnh FE-SEM chụp viện khoa học vật liệu TP HCM Phổ nhiễu xạ tia X đo trung tâm Manar Thủ Đức Phổ Raman đo phịng thí nghiệm nano Thủ Đức Kết thảo luận 3.1 Tính chất quang màng TiO2 3.1.1 Kết SEM đo màng xốp TiO2 đế FTO màng Platin đế FTO Hình Ảnh FE-SEM màng TiO2 màng Platin đế FTO Để khảo sát bề mặt điện cực anode tiến hành chụp ảnh FE-SEM màng TiO2 Hình trái hình ảnh FE-SEM màng, ta thấy màng TiO2 xốp Điều tốt cho pin độ xốp cao diện tích bề mặt hấp thụ chất màu lớn Các hạt TiO2 có dạng gần hình cầu đường kính trung bình khoảng 20-25nm Hình phải ảnh FE-SEM điện cực cathode, phân tử platin phân bố đồng đều, bề mặt màng nhẵn tốt phù hợp cho pin mặt trời Hình Phổ hấp thụ màng TiO2 TiO2 có vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn khoảng 3,2eV, tương đương với đỉnh hấp thụ bước sóng 388nm Điều có nghĩa màng TiO2 suốt hoàn toàn ánh sáng khả kiến 3.1.3 Kết phổ nhiễu xạ tia X 3.1.2 Phổ hấp thụ màng TiO2 Màng TiO2 Độhấp thụ(a.u) 0.5 0.4 0.3 Hình Phổ nhiễu xạ tia X màng TiO2 0.2 400 500 600 700 Bướ c soù ng(nm) Để khảo sát cấu trúc màng TiO2 chúng 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC tiến hành khảo sát phổ nhiễu xạ tia X Từ phổ nhiễu xạ tia X (Hình 4) nhận thấy xuất đỉnh nhiễu xạ vị trí  = 25,370, 37,760, 48,050 tương ứng với pha Anatase tinh thể TiO2 ứng với mặt mạng (101),(004),(200) Điều chứng tỏ keo thương mại TiO2 mà sử dụng dùng để chế tạo DSSC dạng cấu trúc Anatase 3.2 Chất màu nhạy quang 3.2.1 Phổ hấp thụ chất màu nhạy quang N719 TẬP 4, SỐ (2014) Hình Phổ hấp thụ UV-Vis chất màu N719 Từ phổ hấp thụ chất màu Hình ta thấy đỉnh phổ hấp thụ nằm vùng ánh sáng khả khiến bước sóng đỉnh hấp thụ khoảng 488nm Điều chứng tỏ hấp thụ ánh sáng khả khiến Khi đó, sinh electron chuyển điện tích hấp thụ vào lớp bề mặt tinh thể nano xốp TiO2 Vì vậy, chất màu N719 phù hợp ứng dụng làm chất màu nhạy quang pin mặt trời DSSC 3.3 Kết đo hiệu suất pin mặt trời 488nm 0.07 N719 Hình Đường đặc trưng I-V pin mặt trời Độhấp thụ(a.u) 0.06 Từ đồ thị đường đặc trưng I-V pin, hiệu suất chế tạo ban đầu chúng tơi chưa cải tiến quy trình 1,8% Các thơng số mạch hở, 0.05 0.04 0.03 0.02 dòng ngắn mạch hệ số nhân 0.74V, 0.01 450 500 550 600 650 700 Current indensity (mA/cm ) Bướ c só ng (nm) 1.5 1.0 4.13 mA, 0.58 Kết thấp so với mục tiêu đề nên tiến hành cải tiến quy trình chế tạo Cụ thể ngâm TiO2 vào dung dịch TiCl4 40mM sau nung, sau chế tạo loạt pin đạt hiệu suất cao 3.02% Các thông số mạch hở, dòng ngắn mạch hệ số nhân 0.68 V, 7.38 mA, 0.59 Dựa vào kết đo được, vẽ đường đặc trưng I-V pin mặt trời 0.5 0.0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Voltages(V) Hình Đường đặc trưng I-V pin mặt trời DSSC sau cải tiến quy trình chế tạo Kết luận Bằng phương pháp in lụa, chế tạo thành công điện cực cathode anode Màng TiO2 ngâm vào dung dịch TiCl4 40mM Các 28 kết nghiên cứu tính chất quang thơng qua phổ hấp thụ, hình thái bề mặt phân tích ảnh SEM, cấu trúc thơng qua phổ nhiễu xạ tia X (XRD) phổ Raman đưa thảo luận Hiệu suất thu UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION cao pin 3,02% Như vậy, chế tạo thành công pin mặt trời sử dụng chất VOL.4, NO.1 (2014) màu nhạy quang N719 khảo sát tính chất quang pin DSSC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thái Hồng (2010), “Nghiên cứu điều kiện chế tạo, tính pin mặt trời chất màu nhạy quang (DSC) động học q trình hóa lý xảy pin”, Luận án tiến sỹ hóa học, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, TP Hồ Chí Minh [2] O’Regan B, Gratzel M, Nature (1991), 353, 737 [3] Ito S, Murakami T N, Comte P, Liska P, Gratzel C, Nazeeruddin M K, Gratzel M Thin Solid Films (2008), 516, 4613-4619 29 ... bề mặt tinh thể nano xốp TiO2 Vì vậy, chất màu N719 phù hợp ứng dụng làm chất màu nhạy quang pin mặt trời DSSC 3.3 Kết đo hiệu suất pin mặt trời 488nm 0.07 N719 Hình Đường đặc trưng I-V pin mặt. .. úc (TiO2), Polymer surlyn, chất màu nhạy quang N719, keo platin dùng để chế tạo điện cực cathode 2.1.2 Quy trình chế tạo Hình Sơ đờ chế tạo pin mặt trời DSSC * Chế tạo điện cực anode + Xử lý... SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION cao pin 3,02% Như vậy, chế tạo thành công pin mặt trời sử dụng chất VOL.4, NO.1 (2014) màu nhạy quang N719 khảo sát tính chất quang pin DSSC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]