Nhan đề : Nghiên cứu công nghệ chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao sử dụng chất màu nhạy quang RUTHENIUM dựa trên điện cực TITAN DIOXIT(TIO2) Tác giả : Trịnh Thị Thanh Nga Người hướng dẫn: Dương Ngọc Huyền Từ khoá : Pin mặt trời; Chế tạo Năm xuất bản : 2012 Nhà xuất bản : Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tóm tắt : Trình bày tổng quan về pin mặt trời và pin mặt trời gắn chất nhạy quang. Vật liệu cho DSSC. Tổng quan về các phương pháp thực nghiệm. Thực nghiệm, kết quả và thảo luận.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRỊNH THỊ THANH NGA NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI HIỆU SUẤT CAO SỬ DỤNG CHẤT MÀU NHẠY QUANG RUTHENIUM DỰA TRÊN ĐIỆN CỰC TITAN DIOXIT (TiO2) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS DƯƠNG NGỌC HUYỀN Hà Nội – Năm 2012 i TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Nghiên cứu công nghệ chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao sử dụng chất màu nhạy quang Ruthenium dựa điện cực Titan dioxit (TiO2) Tác giả luận văn: Trịnh Thanh Nga Khóa: 2010-2012 Người hướng dẫn: PGS.TS Dương Ngọc Huyền Nội dung tóm tắt: Phát triển nguồn lượng thay thế, có khả tái tạo thu hút quan tâm nhiều quốc gia, đặc biệt nguồn lượng có nguồn gốc hố thạch dần cạn kiệt Mặt khác việc sử dụng nguồn lượng có nguồn gốc hố thạch gây nhiễm môi trường, phát thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính, nguyên nhân gây nên biến đổi khí hậu Năng lượng mặt trời nguồn lượng sạch, vơ tận, có khả tái tạo Việc nghiên cứu, ứng dụng loại pin mặt trời nhiều phịng thí nghiệm giới quan tâm Pin mặt trời từ silic chế tạo phịng thí nghiệm Bell Lab năm 1954 cho hiệu suất % Bên cạnh pin mặt trời dựa silic số loại pin mặt trời màng mỏng vô cơ, nhà khoa học phát minh loại pin mặt trời mới, dựa chất hữu lai vơ cơ-hữu Trong pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy quang (Dye-sensitized solar cell, viết tắt: DSC hay DSSC) đạt hiệu suất cao khoảng 11 % Pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy quang Michael Grätzel cộng phát triển (1991) mở triển vọng hệ pin mặt trời có giá thành hạ (chi phí 1/10 so với cơng nghệ silic), cơng nghệ chế tạo đơn giản, hiệu suất cao, có khả thay pin mặt trời truyền thống dựa silic Cho đến nay, pin mặt trời sử dụng ii chất nhạy quang N3, N719, chất màu đen (black dye) cho hiệu suất đạt tới 9-11 % Ngoài nghiên cứu cấu trúc khác chất màu nhạy quang cho pin mặt trời thu hút mối quan tâm nhiều nhóm nghiên cứu Trong luận văn này, nghiên cứu công nghệ chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao sử dụng chất màu nhạy quang Ruthenium dựa điện cực titan dioxit (TiO2) Mục tiêu cụ thể đề tài là: - Chế tạo màng TiO2 có cấu trúc nano với kích thước hạt độ dày, độ xốp mong muốn sử dụng làm điện cực pin mặt trời - Tổng hợp số chất màu ruthenium có cấu trúc tính chất mới, có hệ số dập tắt cao, sử dụng vào mục đích cải thiện khả hấp thụ chuyển hoá lượng linh kiện pin mặt trời - Dùng điện cực nhận chế tạo linh kiện pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy quang ruthenium Kết cho thấy, màng TiO2 gồm hạt TiO2 hình cầu có kích thước 2035nm liên kết với nhau, hấp thụ mạnh bước sóng 313nm Những phức Ruthenium nhạy quang sử dụng làm chất nhạy quang pin mặt trời chất màu nhạy quang thu thành công đáng kể ban đầu việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi quang-điện HMP-12 với antenna alkyl nhóm carbazole giàu điện tử, pin mặt trời dựa vào chất màu nhạy quang với chất điện li lỏng dễ bay có hiệu suất 4,46 % điều kiện ánh sáng mặt trời (AM 1.5) Pin mặt trời chất màu nhạy quang sử dụng HMP-12 cho thấy VOC tăng lớn so với pin sử dụng HMP-11, VOC pin sử dụng Rut-B1 iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Dương Ngọc Huyền, NCS Nguyễn Trọng Tùng tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi truyền đạt nhiều kinh nghiệm quý báu giúp tơi hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn anh Nguyễn Đức Thiện, anh Mai Hữu Thuấn, anh Nguyễn Văn Dũng, bạn bè cao học khóa 2010B bạn phịng thí nghiệm Cộng hưởng từ động viên, giúp đỡ tơi suốt q trình thực nghiệm Tôi muốn gửi lời cảm ơn tới Ban giám đốc Viện, thầy cô đồng nghiệp Viện Vật lý kỹ thuật tạo điều kiện cho học hoàn thành luận văn thạc sĩ Sau cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đ ình tơi, người ln bên cạnh hỗ trợ, chia sẻ với tơi hồn cảnh Hà Nội, ngày 30 tháng 08 năm 2012 Học viên Trịnh Thị Thanh Nga iv MỤC LỤC BÌA PHỤ i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii LỜI CẢM ƠN iiiv MỤC LỤC v LỜI CAM ĐOAN ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT x DANH MỤC CÁC BẢNG xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .xiii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI VÀ PIN MẶT TRỜI GẮN CHẤT NHẠY QUANG 1.1 Tình hình phát triển pin mặt trời 1.1.1 Các hệ pin mặt trời (PMT) .4 1.1.1.1 Thế hệ thứ 1.1.1.2 Thế hệ thứ hai 1.1.1.3 Thế hệ thứ ba 1.1.1.4 Thế hệ thứ tư 1.1.2 Tiềm hướng phát triển tương lai pin mặt trời 1.2 Pin mặt trời gắn chất nhạy quang (DSSC) .8 1.2.1 Cấu tạo DSSC 1.2.1.1 Chất nhuộm (dye) nhạy quang Ruthenium .10 1.2.1.2 Lớp TiO2 cấu trúc nano, xốp 12 1.2.1.3 Dung dịch điện ly 14 v 1.2.1.4 Chất phụ gia 15 1.2.2 Nguyên lý hoạt động DSSC 15 1.2.3 Biểu diễn DSSC 19 1.2.4 Độ bền DSSC 22 1.2.5 Cải thiện tính hoạt động DSSC .23 1.2.5.1 Tối ưu lớp màng TiO2 .23 1.2.5.2 Giảm dòng tối 24 1.2.5.3 Cải tiến liên quan đến chất nhạy quang 26 1.2.6 Hướng phát triển tương lai 26 1.3 Bức xạ mặt trời bề mặt trái đất 27 CHƯƠNG VẬT LIỆU CHO DSSC 2.1 Vật liệu TiO2 30 2.1.1 Các dạng cấu trúc tính chất vật lý .30 2.1.2 Tính chất xúc tác quang hố TiO2 dạng anatase 32 2.1.2.1 Cơ chế phản ứng xúc tác quang dị thể .32 2.1.2.2 Giản đồ miền lượng Anatase Rutile 36 2.1.2.3 Cơ chế xúc tác quang TiO2 .37 2.1.3 Phương pháp tạo màng 39 2.1.3.1 Phương pháp nhúng phủ (dip-coating) 39 2.1.3.2 Phương pháp quay phủ (spin-coating) .40 2.1.3.3 Phương pháp in lưới (screen printing) .41 2.2 Chất màu nhạy quang .42 2.2.1 Sự ảnh hưởng cấu trúc chất màu nhạy quang đến hiệu suất DSSC .42 2.2.2 Các bước phát triển chất nhạy quang dùng DSSC 43 2.2.3 Các chất màu ruthenium B1, HMP-11, HMP-12 50 2.2.3.1 Ruthenium-B1( viết tắt Ru-B1) 51 2.2.3.2 Chất màu Ruthenium HMP-11 51 vi 2.2.3.3 Chất màu Ruthenium HMP-12 51 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 3.1 Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) .53 3.2 Phương pháp quang phổ UV-Vis 55 3.3 Khảo sát đường đặc trưng I-V .58 3.3.1 Khảo sát đường đặc trưng I-V 58 3.3.2 Xác định thông số đặc trưng pin mặt trời 59 3.3.2.1 Dòng đoản mạch (JSC) .59 3.3.2.2 Dòng tối (Jdark) 60 3.3.2.3 Thế mạch hở (VOC) 60 3.3.2.4 Công suất, hiệu suất SC 61 3.4 Đo dòng tức thời pin lượng mặt trời 62 3.5 Khảo sát tính dẫn điện màng TiO2 62 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Thực nghiệm 64 4.1.1 Hóa chất vật liệu .64 4.1.2 Chế tạo DSSC .68 4.1.2.1 Tạo màng xốp TiO2 đế FTO .69 4.1.2.2 Hấp phụ chất mầu nhạy quang vào màng TiO2 71 4.1.2.3 Tạo điện cực đối .72 4.1.2.4 Ghép hai điện cực 72 4.1.2.5 Bơm dung dịch điện ly 73 4.2 Kết thảo luận 74 4.2.1 Kết SEM đo màng xốp TiO2 đế FTO màng Platin đế FTO 74 4.2.2 Kết đo phổ hấp thụ 77 vii 4.2.3 Kết đo đặc trưng J-V Rut-B1, HMP-11, HMP-12 81 4.2.4 Kết đo dòng tức thời pin mặt trời 84 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 viii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tơi cơng trình nghiên cứu thực cá nhân tôi, thực sở nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu khảo sát tình hình thực tiễn hướng dẫn khoa học PGS TS Dương Ngọc Huyền Các số liệu, mô hình tính tốn kết khóa luận trung thực Trong khóa luận tơi có tham khảo, trích dẫn số sách, báo, tạp chí ghi đầy đủ ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ITO (Indium-Tin Oxide): kính dẫn điện suốt ITO FTO (Fluorinated-Tin Oxide): kính dẫn điện suốt FTO AM 1.5: Cường độ ánh sáng bề mặt trái đất Dcbpy: 4,4’-dicarboxy-2,2’-bipyridine DMF: N,N-dimethylformamide Eg: Năng lượng vùng cấm (eV) LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital): quỹ đạo phân tử bỏ trống thấp HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital): quỹ đạo phân tử lấp đầy cao IPCE (Incident photon to current conversion efficiency): hiệu suất chuyển đổi dòng photon thành điện MLCT (Metal-to-Ligand Charge-Transfer): dịch chuyển điện tích kim loại - ligand OSC (Organic solar cell): pin mặt trời hữu LHE: Light-Harvesting Efficiency FRET: Förster-type Resonance Energy Transfer SEM (Scanning Electron Microscope): kính hiển vi điện tử quét ε-molar extinciton coefficient (M-1cm-1): hệ số dập tắt phân tử x Ảnh SEM màng Platin kính FTO: Hình 4.15: Ảnh SEM màng Platin đế FTO Hình 4.15 ảnh SEM màng Platin đế FTO Ta thấy phân tử Platin phân bố đồng đều, phủ kín tồn bề mặt đế thủy tinh FTO, bề mặt khuyết tật cho thấy chất lượng màng Platin đế FTO tốt 4.2.2 Kết đo phổ hấp thụ Khả hấp thụ ánh sáng màng khảo sát qua phổ hấp thụ UV-Vis đo trường Đại học Sư phạm Hà Nội cho phổ hình 4.16 77 Cường độ (đơn vị tùy ý) Bước sóng [nm] Hình 4.16 Phổ hấp thụ màng TiO2 kính FTO Tìm hiểu phổ hấp thụ màng TiO2 degussa P25, đo phổ hấp thụ UVVis mẫu màng TiO2 có phổ hình 4.16 Trong hình 4.16 mẫu M1 màng làm từ hỗn hợp D1; mẫu M4 màng làm từ hỗn hợp D2 Kết đo cho thấy mẫu có hình dạng giống nhau, thể đặc trưng hấp thụ hạt TiO2, hấp thụ mạnh bước sóng 313nm, tương ứng với lượng 3,9eV, hấp thụ bước sóng 412nm, tương ứng với lượng 3,0eV, phổ hấp thụ TiO2 mạnh vùng gần tử ngoại, vùng ánh sáng nhìn thấy hấp thụ vùng nhỏ Nhìn vào cường độ hấp thụ tương đối, ứng bước sóng hấp thụ mạnh cường độ hấp thụ mẫu M4 lớn so với mẫu M1, điều tính đồng đều, bề mặt mịn, khoảng trống ít, mật độ hạt cao màng tạo hỗn hợp D2 Trong vùng ánh sáng nhìn thấy phổ hấp thụ tăng tuyến tính theo bước sóng, hấp thụ tăng đo hạt TiO2 hấp thụ để chuyển trạng thái lượng, mà đế thủy tinh hấp thụ có hấp thụ nhiệt Màng TiO2 hấp thụ vùng nhỏ phổ ánh sáng mặt trời làm pin mặt trời tạo có hiệu suất thấp Để mở rộng phổ hấp thụ, màng nhộm màu thuốc nhuộm màu HMP-12 Sau nhuộm màu cho màng TiO2 ta có phổ hấp thụ hình 4.17 78 Cường độ (đơn vị tùy ý) Bước sóng [nm] Hình 4.17 Phổ hấp thụ màng TiO2 sau nhuộm màu HMP-12 Màng TiO2 sau nhuộm màu HMP-12 cho ta phổ hấp thụ tốt vùng ánh sáng nhìn thấy, miền hấp thụ trải rộng tới bước sóng 700nm Pha 0.001 g Rut-B1 vào 50 ml dung dịch DMF sau đo phổ hấp thụ Tiến hành hoàn toàn tương tự đo phổ hấp thụ HMP-11, HMP-12 Hình 4.18: Phổ hấp thụ chất màu nhạy sáng Ru-B1, HMP-11, HMP-12 DMF 79 Những quang phổ hấp thụ Ru-B1, HMP-11 HMP-12 đo DMF hiển thị hình 4.18 HMP-12 xuất ba cực đại hấp thụ bước sóng 295 nm, 374 nm 536 nm Cực đại hấp thụ 295 nm quy cho gối lên chuyển tiếp intraligand π - π 4,4’-dicarboxylic acid-2,2’-bipyridy anchoring * ligand ligand lệ thuộc [10] Cực đại hấp thụ khác 374 nm bao gồm hai thành phần: chuyển tiếp π - π* ligand lệ thuộc đặc trưng cho dịch chuyển điện tích kim loại-ligand (MLCT) HMP-12 Hệ số dập tắt exiton (ε) cực đại hấp thụ MLCT mức lượng thấp 536 nm 21.43 x 103 M1 cm-1 So sánh với chất tiền nhiệm, HMP-11, giá trị ε HMP-12 tương tự Cả hai chất HMP-11 HMP-12 di chuyển cực đại hấp thụ màu đỏ hệ số dập tắt MLCT Rut-B1 nhờ có gắn thêm nhóm N-phenyl carbazole thứ hai ligand phụ, tăng hai khả tăng electron mở rộng điện tử π ligand phụ liên hợp Chất màu Rut-B1 có cực đại hấp thụ 291nm, 369nm, 527nm Cực đại 291nm đặc trưng cho chuyển mức π - π* bipyridin Cực đại thứ hai 369nm đặc trưng cho chuyển mức π - π* ligand B1 phần chuyển mức điện tích từ kim loại đến ligand (MLCT) Cực đại 527nm đặc trưng cho MLCT gây lên ligand NCS Bảng 4.7 : Tính chất quang điện hóa chất màu Rut-B1, HMP-11, HMP-12 Dyes HOMO Band gap LUMO UV-Vis (eV) (eV) (eV) (max, nm) N3 -5.52 1.68 -3.84 530 14,500 Rut-B1 -5.41 2.39 -3.02 527 17300 HMP-11 -5.38 2.05 -3.33 539 21,430 HMP-12 -5.40 2.08 -3.32 536 21.436 80 (M-1 cm -1) Tính chất quang điện hóa chất màu thể Bảng 4.7 Chất màu HMP-11 với carbazole phân tử dịch chuyển quỹ đạo phân tử điền đầy cao (HOMO) lên dương so với Ru-B1 0.3 eV so với mức chân khơng HMP-12 có mức HOMO dịch lên 0.1 eV so với HOMO Rut-B1 Sự có mặt carbazole HMP-11 dẫn đến dịch chuyển cực đại dải MLCT phía bước sóng dài nm so với chất màu Rut-B1 Sự tăng độ dài liên hợp π HMP-11và HMP-12 dẫn đến tăng hệ số dập tắt so với Rut-B1 N3 HMP-12 có hệ số dập tắt (ε) cao 4.2.3 Kết đo đặc trưng J-V Rut-B1, HMP-11, HMP-12 Những linh kiện DSSCs dựa vào điện cực TiO2 cấu trúc nano, sử dụng chất nhạy quang HMP-12, mô tả đường cong J-V so sánh với HMP-11 Rut-B1 Hình 4.19 Các thống số quang điện tóm tắt Bảng 4.7 Hình 4.19: Đặc trưng J-V DSSC sử dụng chất màu Rut-B1, HMP-11 HMP-12 điều kiện tiêu chuẩn AM 1.5 (100 mW/cm2) 81 Linh kiện DSSC dựa vào HMP-11 cung cấp cường độ dòng đoản mạch (JSC) 9.06 mA/cm 2, hở mạch (VOC) 0.63 V, hệ số điền đầy (FF) 0.716, đường cong J-V cho hiệu suất chuyển đổi 4,11 % điều kiện chiếu sáng AM 1.5G mô ánh sáng (100 mW/cm2) Dưới điều kiện tương tự, hiệu suất đạt pin mặt trời dùng chất nhạy sáng Rut-B1 3.57 %, JSC, VOC, FF 7.64 mA/cm2, 0.64 V, 0.731 Sự khác chủ yếu hiệu suất quang điện hai loại pin JSC điều xuất đỉnh hệ số dập tắt phân tử HMP-11 cao so sánh với hệ số dập tắt Rut-11 thay đổi hình dáng đường màu đỏ phổ hấp thụ HMP-11 với nhiều donor N-phenyl carbazole gắn ligand phụ làm xuất hiệu ứng rõ ràng hiệu suất linh kiện Những thông số bật Bảng 6.2, chi tiết thông số quang điện linh kiện nhạy sáng cường độ ánh sáng trực tiếp Bảng 4.8: Hiệu suất quang điện chất nhạy quang Rut-B1, HMP-11, HMP-12 DSSCs điều kiện AM 1.5 (100 mW/cm2) Dyes FF η J SC VOC (mA/cm 2) (V) N3 10.17 0.618 0.613 4.23 Rut-B1 7.64 0.64 0.731 3.57 HMP-11 9.06 0.63 0.716 4.11 HMP-12 9.27 0.68 0.708 4.46 (%) Hệ số dập tắt nhờ có mở rộng cung cấp đoạn kết hợp theo cách để cải thiện hiệu suất chuyển đổi lượng DSSCs Chúng so sánh với hiệu suất quang điện HMP-12 với chất màu HMP-11 Mật độ dịng JSC hai linh kiện tương tự HMP-12 xuất VOC cao (0.68 V) so với HMP JSC -11 kết cải thiện hiệu suất từ 4.11 % lên 4,46 % Ligand phụ HMP-12 bao gồm thay methoxy vị trí 3, carbazole linh động biến đổi chất màu HMP-11 Sự biến đổi đưa đến chậm lại q trình tái hợp điện tích electron truyền vào 82 electron chất nhận (I3-) chất điện ly Sự tham gia nhóm thay methoxy carbazol xa đánh giá cách lạc quan cấu trúc chất màu phức ruthenium Trong điều kiện AM 1.5 (100mW/cm2) chất màu HMP-11 đạt hiệu suất 4.11%, phần lớn đóng góp mật độ dòng ngắn mạch JSC cao 9.06 mA/cm2 Kết cho thấy ảnh hưởng hệ số dập tắt đặc trưng hấp thụ lên hiệu suất pin mặt trời Sự có mặt carbazole phân tử phức ruthenium tác nhân cho điện tử có hiệu so với dẫn xuất triphenyl amin Linh kiện HMP-12/DSC có hệ số lấp đầy (FF) thấp (0.708) Những chất màu nhạy sáng ruthenium có gắn nhóm giàu điện tử triphenyl amin có nhóm thế, carbazole tổng hợp Những chất màu có hệ số dập tắt cao, có dải hấp thụ dịch chuyển phía bước sóng dài Pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng HMP-12 cho hiệu suất cao (4.46%) Hiệu suất cao đóng góp chủ yếu có mật độ dịng ngắn mạch (JSC) cao (9.27) Những thay đổi nhằm tối ưu hóa cấu trúc HMP-11 dẫn đến cải thiện hiệu suất pin mặt trời Hình 4.20 đường đặc trưng I-V cho ta thấy đường cong khác nhau, đường ứng với điều kiện chiếu sáng khác nhau, đường cong thấp ứng với điều kiện chiếu sáng yếu (đặt đèn xa), đường cong cao ứng với điều kiện chiếu sáng tốt (đặt đèn gần) 83 Hình 4.20 Đường đặc trưng I-V với điều kiện chiếu sáng giảm dần Khi cường độ sáng giảm, hiệu điện pin quang điện giảm ta giải thích sau: + Pin có điện trở lớn, điện trở pin phụ thuộc vào cường độ sáng Cụ thể cường độ sáng giảm, điện trở pin tăng, đo điện bị chia áp, kết hiệu điện pin quang điện giảm + Bề rộng vùng cấm TiO2 cỡ 3,2eV Khi cường độ sáng tăng, khả e nhảy lên mức lượng sâu nhiều hơn, tạo gia mức lượng cao Khi cường độ sáng giảm, dòng pin quang điện ta đo giảm ta giải thích sau: + Khi cường độ sáng giảm, điện trở pin tăng, dẫn tới dòng đo giảm + Khi cường độ sáng giảm, lượng photon cung cấp đi, làm cho số lượng e dẫn giảm đi, dẫn tới dòng giảm 4.2.4 Kết đo dòng tức thời pin mặt trời Tiến hành đo mẫu pin mặt trời chế tạo điều kiện ánh nắng mặt trời vào lúc trưa, thời điểm 11h50’ ngày 05/6/2012, PTN Cộng hưởng từ, Viện Vật lý kỹ thuật - Đại học Bách Khoa Hà Nội với tất loại pin sử dụng chất màu điện cực TiO2 (kích thước pin mặt trời 0,68cm×0,65cm) 84 Sau đo ta có bảng kết sau: Bảng 4.9: Kết với mẫu sử dụng chất màu nhạy quang STT Mẫu Mơ tả Diện tích Dịng Điện áp (cm2) I(mA/cm2) U(V) Mấu Dye N3 0.25 2.54 0.66 Mấu Dye N3 0.25 2.53 0.65 Mẫu Dye Rut-B1 0.25 1.89 0.62 Mẫu Dye Rut-B1 0.25 1.90 0.61 Mẫu Dye HMP-11 0.25 2.26 0.61 Mẫu Dye HMP-11 0.25 2.25 0.60 Mẫu Dye HMP-12 0.25 2.30 0.68 Mẫu Dye HMP-12 0.25 2.29 0.67 Ví dụ với mẫu 7: Mật độ cơng suất lý thuyết pin mặt trời tính là: PT I SC VOC 2,30.10 3.0,68 62,56W / m 4 S 0, 25.10 Như pin mặt trời nhuộm màu nhạy sáng chế tạo thử nghiệm thành cơng có hiệu suất tính tốn sơ khoảng 4,46 % Từ kết động lực để tiếp tục nghiên cứu chất màu nhạy quang có khả cải thiện hiệu suất pin mặt trời chất màu nhạy quang Và cần tìm phương pháp chế tạo tối ưu nhằm tăng hiệu suất pin mặt trời 85 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Sau thời gian thực đề tài nghiên cứu luận văn, thu kết sau: Chế tạo thành công màng xốp TiO2 đế FTO với kích thước hạt 20-35nm, chất lượng tốt, diện tích bề mặt cực lớn xử lý 450oC khơng khí 45 phút Pin mặt trời nhuộm màu nhạy sáng có cấu trúc FTO/TiO2/LI/I3+/Pt/FTO chế tạo thành công: điện áp từ 0,6 – 0,7V, hiệu suất đạt ~4,5 % Những phức Ruthenium nhạy quang sử dụng làm chất nhạy quang pin mặt trời chất màu nhạy quang thu thành công đáng kể ban đầu việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi quang-điện HMP-12 với antenna alkyl nhóm carbazole giàu điện tử, pin mặt trời dựa vào chất màu nhạy quang với chất điện li lỏng dễ bay có hiệu suất 4,46 % điều kiện ánh sáng mặt trời (AM 1.5) Pin mặt trời chất màu nhạy quang sử dụng HMP-12 cho thấy VOC tăng lớn so với pin sử dụng HMP-11, VOC pin sử dụng Rut-B1 Những cấu trúc phức ruthenium cấu trúc liên hợp mở nhìn lạc quan chất màu nhạy quang có hệ số dập tắt phân tử cao, có ngăn chặn hiệu ứng tái hợp điện tích tốt có mức lượng kích thích phù hợp làm tăng hiệu suất pin mặt trời chất màu nhạy quang Hướng phát triển tiếp theo: Đi sâu nghiên cứu pin mặt trời nhuộm màu nhạy sáng (DSSC), hồn thiện quy trình chế tạo DSSC có hiệu cao 86 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Thái Hoàng (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] Đặng Đình Thống (2005), Pin mặt trời ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyễn Trọng Tùng (2010), “Nghiên cứu tính chất quang điện màng TiO2 TiO2/PANi”, Luận văn thạc sỹ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [4] 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 85 0C” , Luận văn thạc sỹ, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, TP Hồ Chí Minh [5] Nguyễn Hồng Minh, Nguyễn Thị Thu Trang, Văn Trọng Hiếu, Nguyễn Đức Tuyển, Trần Phương Hoa, Nguyễn Đức Nghĩa, “ Thiết kế, chế tạo pin mặt trời điện cực ZnO sử dụng chất màu nhạy sáng HMP có hệ số dập tắt cao”, Hội nghị Khoa học kỷ niệm 35 năm Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Hà Nội 10/2010 [6] Nguyễn Đức Nghĩa, Polyme chức & Vật liệu lai cấu trúc nano, Nhà xuất khoa học tự nhiên công nghệ, 2009, tr 429 – 461 [7] Nguyễn Đức Nghĩa, Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời hữu cơ, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, 2010 [8] Nguyễn Đức Nghĩa, Nguyễn Hồng Minh, Ngô Trịnh Tùng, “Pin mặt trời hữu cơ” , Hội nghị Khoa học kỷ niệm 35 năm Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Hà Nội 10/2010 87 Tiếng Anh [9] Michael Grätzel, Dye-sensitized solar cells, Journal of Photochemistry and Photobiology C, (2003), 145-153 [10] H Tributsch, Dye sensitization solar cells: a critical assessment of the learning curve, Coordination Chemistry Reviews 248 (2004), 1511-1530 [11] P M Sommeling M Späth, H.J.P Smit, N.J Bakker, J.M Kroon, Longterm stability testing of dye-sensitized solar cells, Journa of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 164 (2004), 137-144 [12] Nguyen Doan Sau, Master thesis, Roskilde University, 2004 [13] Peng Wang, Shaik M Zakkeruddin, Pascal Comte, Raphael Charvet, Robin Humphry-Baker, Michael Grätzel, Enhance the performance of dyesensitized solar cells by co-grafting amphiphilic sensitizer and hexadecylmaloic acid on TiO2 nanocrystals, J Phys Chem B 2003, 107, 14336-14341 [14] Arakawa H., Hara K (2003), “Current status of Dye-Sensitized Solar Cells”, Semiconductor photochemistry and photophysics, 10, 123-171 [15] Anders Hagfeldt, Michael Grätzel, Molecular Photovoltaics, Acc Chem Res 2000, 33, 269-277 [16] Michael Grätzel, Perspective for dye-sensitized nanocrystalline solar cells, Prog Photovolt Res Appl 8, 171-185, 2000 [17] Michael Grätzel, Photovoltaic performance and long-term stability of dyesensitized meosocopic solar cells, C R Chimie (2006) 578-583 [18] Cheng-Chieh Chao, Kuan-Lin Chen, Joong Sun Park, Pei-Chen Su (2007), Quantum dot solar cells, MATSCI 316 Term Project [19] Gerald Gourdin (2007), “Solar Cell Technology”, Introduction to Green Chemistry Fall 88 [20] Janne Halme (2002), Dye-Sensitized nanostructured and organic photovoltaic cells: technical review and preliminary tests, Helsinki University of Technology [21] Ito S., Murakami T N., Comte P., Liska P., Grätzel C., Nazeeruddin M K., Grätzel M (2008), “Fabrication of thin film dye sensitized solar cells with solar to electric power conversion efficiency over 10%” , Thin Solid Films, 516, 4613-4619 [22] Randy J Ellingson, “Hight Efficient Multiple Exiton Generation in Colloidal PbSe and PbS Quantumdots”, Nano letters, vol.5, No.5.2005, pp 865–871 [23] Yu, Q Liu, S Zhang, M Cai, N Wang, Y Wang, “An extremely high molar extinct coefficient ruthenium sensitizer in dye-sensitized solar cells: the effect of π conjugation extension”, P J Phys Chem C 2009, 113, 14559-14566 [24] Adriana Zaleska, Doped-TiO2: A Review, Recent Patents on Engineering (2008), 2, 157-164 [25] Baibarac M, Gomez-Romero P, Nanocomposites based on conducting polymers and carbon nanotubes: From fancy materials to functional applications, J Nanosci and Nanotech., (6) (2006) 289-302 [26] David Cahen, Gary Hodes, Over view of the forum on solar and renewable energy, J Phys Chem B 2000, 104, 2053-2059 [27] Georg Wolfbauer, Alan M Bond, John C Eklund, Dougals R MacFarlane, A Channel flow cell system specifically designed to test the efficiency of redox shuttles in dye sensitized solar cell, Solar Energy Materials & Solar Cells 90 (2001) 85-101 89 [28] Fumihiko Aiga, Tsukasa Tada, Molecular and electronic structures of black dye; an efficient sensitizing dye for nanocrystalline TiO2 solar cells, Journal of Molecular Structure 658 (2003) 25-32 [29] Kohjiro Hara and Hironori Arakawa, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba, Japan, Dye-sensitized Solar Cells, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, (2003) (15) 663-692 [30] Jian-Ging Chena, Hung-Yu Wei, Kuo-Chuan Hoa, Using modified poly(3,4-ethylene dioxythiophene): Poly(styrene sulfonate) film as a counter electrode in dye-sensitized solar cells, Solar Energy Materials & Solar Cells 91 (2007) 1472–1477 [31] M R Nabid, M Golbabaee1, A B Moghaddam, R Dinarvand, R Sedghi, Polyaniline/TiO2 Nanocomposite: Enzymatic Synthesis and Electrochemical Properties, Int J Electrochem Sci., (2008) 1117–1126 [32] Xiaobo Chen, and Samuel S Mao, Titanium Dioxide Nanomaterials: Synthesis, Properties, Modifications, and Applications, Chem Rev., (2007), 107 (7), 2891-2959 [33] BP Statistical Review of World Energy (June, 2010) [34] IEA Energy Statistics (2009) [35] World PoPulation Data Sheet (2010) 90 ... cho pin mặt trời thu hút mối quan tâm nhiều nhóm nghiên cứu Trong luận văn này, nghiên cứu công nghệ chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao sử dụng chất màu nhạy quang Ruthenium dựa điện cực titan. .. carbazole giàu điện tử, pin mặt trời dựa vào chất màu nhạy quang với chất điện li lỏng dễ bay có hiệu suất 4,46 % điều kiện ánh sáng mặt trời (AM 1.5) Pin mặt trời chất màu nhạy quang sử dụng HMP-12... KỸ THUẬT TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Nghiên cứu công nghệ chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao sử dụng chất màu nhạy quang Ruthenium dựa điện cực Titan dioxit (TiO2) Tác giả luận văn: Trịnh