3.2.1. Hệ điện ly và điện cực đối
Hệ điện ly là thành phần thiết yếu, đóng vai trị quan trong pin mặt trời quang điện hóa. Hệ điện ly cần chứa cặp oxi hóa khử (Red-Ox) giúp chuyển điện tích giữa anode và cathode, đ ng thời tham vào quá trình trao đổi điện tử trên cathode. Đối với pin mặt trời dùng điện cực TiO2 thì cặp I-/I3- phù hợp được phân tán trong dung môi lỏng hoặc gel là phù hợp nhất nhờ thế oxi hóa khử phù hợp với năng lượng của TiO2.
Thành phần của chất điện ly g m I2 n ng độ 0,05 – 0,1 M và muối KI n ng độ 0,1 – 0,5 M hịa tan trong dung mơi hữu cơ hoặc gel.
Điện cực đối sử dụng ở đây phải là điện cực oxi hóa khử bao g m một dãy kim loại trơ (ví dụ Pt, Au), điện cực đối được sử dụng trong hệ pin điện hóa này là một lưới Pt.
51
Nguyên tắc hoạt động của pin quang điện hóa với điện cực TiO2
Hình 3.9 Quá trình phát sinh và phân tách hạt tải trên TiO2
Khi được chiếu sáng bằng tia UV (có năng lượng bằng hoặc lớn hơn độ rộng vùng cấm của TiO2) electron từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn, để lại lỗ trống ở lại
trong vùng hóa trị. Các điện tử phát sinh sẽ đến màng ITO, r i qua tải ngoài về điện cực đối. Ở chiều ngược lại, lỗ trống được các phần tử khử trong cặp Red-Ox khử.
Tại điện cực đối điện tử kết hợp với I3- tạo thành I-
I3- + 2e 3I-
(3.1)
I- đến TiO2 khử lỗ trống
3I- + 2h+ I3-
(3.2)
Điện cực đối và điện cực ITO sẽ được nối với tải bên ngồi tạo thành dịng kín
Hình 3.10 Sơ đồ cấu tạo và mơ hình pin mặt trời quang điện hóa sử dụng điện cực
52
3.2.2. Đo đặc trưng I-V
Hình 3.11 Đặc trưng I-V sáng của màng TiO2 với 2 mẫu M1 và M2 có độ dày khác nhau
Hình 3.11 Biểu diễn đặc trưng I-V sáng của màng TiO2. Theo đó ta thấy rằng giá trị thế hở mạch và dòng ngắt mạch tăng theo độ dày của màng TiO2. Mẫu M1 với thời gian phún xạ là 7 phút sẽ độ dày nhỏ hơn mẫu M2 với thời gian 10 phút trong cùng điều kiện
Bảng 3.1 Thế hở mạch và dòng ngắn mạch của 2 mẫu M1 và M2
Mẫu VOC (mV) ISC (µA)
M1 64 3.6
M2 68 4.7
Ta thấy rằng tính chất quang điện hóa của màng TiO2 tăng khi chiều dày màng tăng. Ở độ dày màng Ti thấp, khi ủ nhiệt các nguyên tử Ti bị oxy hóa tạo thành TiO2, các chiều phát triển của TiO2 không bị hạn chế, do đó màng có độ xốp thấp. Khi chiều dày của
53
màng Ti tăng lên, trong quá trình ủ nhiệt các nguyên tử TiO2 tạo thành có thể bị hạn chế hai chiều và phát triển tự do ở chiều cịn lại, do đó độ xốp cao hơn. Độ xốp của TiO2 ảnh hưởng đến diện tích tiếp xúc giữa TiO2 và dung dịch chất điện ly, khi độ xốp cao, dung dịch điện ly dễ dàng khếch tán vào sâu bên trong màng, làm tăng diện tích mặt tiếp xúc, dẫn đến tăng hiệu suất truyền dẫn hạt tải điện.
54
KẾT LUẬN CHUNG
1) Đã chế tạo thành cơng màng TiO2 có cấu trúc nano xốp bằng phương pháp phún xạ tạo màng kim loại tương ứng kết hợp với q trình oxi hóa nhiệt đáp ứng yêu cầu làm điện cực dẫn điện tử trong cấu trúc pin mặt trời. Đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, có thể chế tạo các màng mỏng có độ sạch cao và bám dính tốt trên các loại đế, thích hợp cho việc nghiên cứu chế tạo pin mặt trời màng mỏng.
2) Đã chế tạo thành công màng tổ hợp TiO2/Au, qua việc đo ảnh SEM thấy hạt vàng phân bố không đều trên bề mặt TiO2, kích thước hạt vàng lớn. Tần số cộng hưởng được xác định ở khoảng 525 – 600 nm, đỉnh hấp thụ cịn thấp do kích thước hạt chưa đ ng đều và tương đối lớn. Các kết quả cho thấy khả năng ứng dụng tốt của điện cực TiO2/Au trong pin mặt trời quang điện hóa, tuy nhiên việc sử dụng phương pháp phún xạ màng vàng và ủ nhiệt khiến cho việc kiểm soát độ đ ng đều của hạt và kích thước hạt vàng trở nên khó khăn. Cần nghiên cứu tìm ra phương pháp khác để chế tạo màng tổ hợp TiO2/nano vàng để ứng dụng vào pin mặt trời quang điện hóa trong thực tế.
3) Đã khảo sát tính chất quang điện hóa của các màng TiO2 chế tạo được thơng qua đo đặc trưng I-V, chúng ta nhận thấy rằng các màng TiO2 thể hiện khá tốt các tính chất quang điện hóa. Ở màng có độ xốp cao hơn thì tính chất quang điện hóa thể hiện tốt hơn. Tuy nhiên vật liệu TiO2 chỉ hấp thụ vùng UV, vì vậy để có thể ứng dụng chúng trong chế tạo pin mặt trời, ta phải kết nối chúng với các hạt nano vàng, dựa vào hiện tượng cộng hưởng plasmon để hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến. Trong các linh kiện này, TiO2 khơng chỉ đóng vai trị la điện cực dẫn điện tử mà cịn có khả năng sinh cặp hạt tải khi hấp thụ ánh sáng vùng trong vùng UV. Điều này cho phép làm tăng hiệu quả làm việc của linh kiện.
4) Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tiếp tục nghiên cứu về pin mặt trời quang điện hóa sử dụng điện cực TiO2/Au: nghiên cứu tìm cách chế tạo, kiểm sốt kích thước hạt vàng trong màng tổ hợp TiO2/Au; Thử nghiệm các dung dịch điện ly khác nhau để tìm ra cặp oxi – hóa khử cho hiệu suất cao nhất.
55
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Đặng Trần Chiến, “Chế tạo và khảo sát tính chất của màng oxit titan TiO2, oxit kẽm ZnO cấu trúc nano ứng dụng làm điện cực thu điện tử trong pin mặt trời cấu trúc vô cơ – hữu cơ”, Viện Khoa học vật liệu, 2011, tr 6-14.
[2] Phùng H , Phan Quốc Phơ, “Giáo trình Vật liệu bán dẫn”, 2008, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, tr 44-55.
[3] Trịnh Xuân Sén, “Ăn mòn và bảo vệ kim loại”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, 2006, tr. 28 – 49.
[4] Trần Thanh Thái, “Nghiên cứu vật lý và công nghệ pin mặt trời màng mỏng
cấu trúc đảo Glass/ZnO:In/Cds/CuInS2/Metal chế tạo bằng phương pháp phun phủ
nhiệt phân toàn phân”, 2012.
Tiếng Anh
[5] Stefan A. Maier, “Plasmonics: Fundamentals and Applications”, 2007, Springer, pp 34-45.
[6] Syed Mubeen, Gerardo Hernandez – Sosa, Daniel Moses, Joun Lee, and Martin Moskovits, “Plasmonic photosensitization of a wide band gap semiconductor: