Hình 1.10 mô tả nguyên lí hoạt động của một DSC. Ánh sáng mặt trời truyền qua lớp thủy tinh dẫn, các photon ánh sáng đƣợc các phân tử chất nhạy quang hấp thu và các phân tử chất nhạy quang chuyển lên trạng thái kích thích D*, lúc này điện tử trên phân tử chất nhạy quang ở mức năng lƣợng HOMO sẽ chuyển sang vùng dẫn của bán dẫn TiO2 do sự chênh lệch mức năng lƣợng ECB < ELUMO (Hình 1.10a). Điện tử ở vùng dẫn của bán dẫn TiO2 vƣợt qua lớp bán dẫn đến bề mặt của thủy tinh
Luận văn thạc sĩ Hóa học Phạm Lê Nhân
dẫn và theo tải ngoài về anode (Hình 1.10c). Phân tử chất nhạy quang bị thiếu điện tử chuyển sang dạng D+, dạng này bị khử bởi I- trong dung dịch điện ly để trở về trạng thái ban đầu D (Hình 1.10b), và dạng khử I- trở thành I3- khuếch tán về cathode (Hình 1.10d). Tại cathode, I3- bị khử về dạng ban đầu bằng điện tử đã dịch chuyển ở mạch ngoài. Nhƣ vậy khi có ánh sáng mặt trời chiếu vào chất nhạy quang, dòng điện đƣợc sinh ra ở tải ngoài.
Các phân tử chất nhạy quang hấp thụ ánh sáng vùng nhìn thấy, điện tử từ kim loại trung tâm (HOMO) truyền ra phối tử bên ngoài bipyridin (LUMO), các điện tử này tiếp tục đƣợc tiêm vào nhóm cacboxyl và đến lớp quang dẫn TiO2 trên anode. Quá trình truyền điện tử từ kim loại trung tâm ra ngoài xảy ra cực kì nhanh, có thể xem nhƣ điện tử truyền trực tiếp ra bán dẫn TiO2. Sau giai đoạn này, chất nhạy quang đƣợc tái tạo lại nhờ quá trình khử khi tiếp xúc với I-. Quá trình này xảy ra thuận lợi hay không phụ thuộc vào sự tƣơng tác giữa chất nhạy quang với dung dịch điện ly, và sự chênh lệch thế giữa năng lƣợng thế khử của I- với mức năng lƣợng HOMO của chất nhạy quang.
Hình 1. 10 Sơ đồ các quá trình chuyển đổi trạng thái năng lƣợng trong DSC
(g) I- (f) Bán dẫn EVB ECB Dye HOMO LUMO Photon (a) (b) (c) I3- I3- I- (d) (e)
Luận văn thạc sĩ Hóa học Phạm Lê Nhân
Trong tiến trình tái kết hợp điện tử, ngoài việc D+ nhận điện tử từ dung dịch điện ly, có thể có khả năng D+
sẽ nhận điện tử từ vùng dẫn của TiO2 (Hình 1.10g). Điều này không tốt cho hiệu suất chuyển hóa năng lƣợng của pin. Một chiều hƣớng khác cũng có thể xảy ra làm ảnh hƣởng đến hiệu suất chuyển hóa năng lƣợng của pin là điện tử trên vùng dẫn TiO2 sẽ kết hợp với I3- (Hình 1.10f).