Quá trình biến đổi chất màu nhạy quang trong pin DSC

Một trong những chất màu nhạy quang được sử dụng phổ biến cho pin mặt trời DSC là phức chất của ruthenium - [Ru(H2dcbpy)2(NCS)2]2-, 2 (n-C4H9)4N+, (H2dcbpy = 2,2´-bipyridine-4,4´-dicarboxylic acid) có tên thương mại là N719. Cấu trúc phân tử của N719 được mô tả trong hình 3.1a. Cơ chế hoạt động của DSC được biểu diễn bởi các phản ứng (1.1) - (1.6) (Chương 1- trang 11). Trong đó phản ứng của chất màu nhạy quang được viết lại bởi các phản ứng (3.1) - (3.3), với S, S*, S+

lần lượt là các trạng thái cơ bản, kích thích, và oxi hóa của chất màu nhạy quang. TiO2S hv→ TiO2S* (3.1) TiO2S* →kinj TiO2 + e–S+ (3.2) TiO2S+ + I- k →reg TiO2S + I3- (3.3)

Bên cạnh những phản ứng chính, chất màu nhạy quang còn tham gia những phản ứng phụ với dung môi, chất phụ gia của dung dịch điện ly... Một vài sản phẩm của phản ứng phụ đã được tìm thấy trong DSC sử dụng N719 sau khi thử nghiệm độ bền dưới ánh sáng [17] [42]. Đặc biệt dẫn xuất [Ru(H2dcbpy)2(NCS)(4-TBP)]− (Hình 3.1b) được cho là sản phẩm của phản ứng thế giữa N719 và chất phụ gia 4- TBP có trong dung dịch điện ly. Các phản ứng phụ xảy ra trong quá trình hoạt động của pin có thể là một trong những nguyên nhân dẫn đến sụt giảm hiệu suất của pin mặt trời DSC. Phản ứng thế của N719 với chất phụ gia 4-TBP có thể xảy ra ở bất kỳ giai đoạn nào trong chu trình hoạt động của pin, trong đó chất màu nhạy quang có thể tồn tại ở trạng thái cơ bản, kích thích hoặc dạng oxi hóa. Tuy nhiên quá trình kích thích là quá trình nhanh, thời gian chất màu nhạy quang tồn tại ở trạng thái kích thích rất ngắn, sau đó nhả điện tử vào bán dẫn với tốc độ cực nhanh (femto giây) vì thế N719* không đủ thời gian để thực hiện phản ứng phân hủy. Ngoài ra ở trạng thái cơ bản chất màu nhạy quang phản ứng rất chậm với 4-TBP tại nhiệt độ < 40oC [53]. Vì vậy 4-TBP chỉ có thể kịp thực hiện phản ứng với dạng oxi hóa của chất màu nhạy quang theo phương trình (3.4).

TiO2S+ + 4-TBP k→4 TiO2SP (3.4) TiO2S+ →k5 TiO2DP (3.5) TiO2 + e– | S+ →kb TiO2|S (3.6)

Hình 3. 1.Cấu trúc phân tử của chất màu nhạy quang N719 (a) và sản phẩm thế với phụ

gia 4-TBP (b)

Ngoài ra trạng thái oxi hóa của chất màu nhạy quang có thể bị phân hủy bởi phản ứng thế dung môi và tự khử theo phương trình (3.5) hoặc trở về trạng thái cơ bản bằng phản ứng chuyển ngược điện tử (3.6).

Trong nghiên cứu này chúng tôi phân tích động học của phản ứng phân hủy chất màu nhạy quang, chủ yếu là động học phản ứng thế 4-TBP, từ đó xác định độ bền của chất màu nhạy quang sử dụng cho pin mặt trời chất nhạy quang.