vàng.
Ở pin truyền thống, chất bán dẫn làm hai nhiệm vụ vừa là chất hấp thụ ánh sáng, vừa là chất vận chuyển hạt tải. Ngược lại trong pin mặt trời quang điện hóa, hai nhiệm vụ này được chia riêng rẽ. Điện tử được tạo thành từ hai cơ chế khác nhau: Một là điện tử sinh ra do lớp oxit Titan hấp thụ ánh sáng vùng cực tím (dải UV có năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng vùng cấm của TiO2); Hai là được tử được sinh ra do cộng hưởng plasmon trên bề mặt hạt nano vàng. Sự tách cặp hạt tải được thực hiện ở mặt phân cách thông qua việc tiêm điện tử phát sinh vào vùng dẫn của oxit bán dẫn và được truyền ra điện cực ITO.
Khi được chiếu sáng, các quá trình sinh, tách và vận chuyển điện tích diễn ra trong pin mặt trời quang điện hóa được mơ tả trên hình 1.15. Đầu tiên ánh sáng trong vùng khả kiến làm cho các electron bề mặt của hạt nano vàng dao động cộng hưởng và bức ra thành điện tử tự do, do sự chênh lệch mức năng lượng giữa kim loại và bán dẫn điện tử sẽ được tiêm vào vùng dẫn của bán dẫn và được chuyển ra mạch ngồi tạo thành dịng điện. Ở cơ chế thứ hai: Khi chất bán dẫn vùng cấm rộng TiO2 được chiếu bởi tia UV, điện tử trong vùng hóa trị sẽ nhảy lên vùng dẫn, lỗ trống ở lại vùng hóa trị, lúc này TiO2 đóng vai trị là bán dẫn hấp thụ.
25
Hình 1.9 Cơ chế phát sinh hạt tải ở pin mặt trời quang điện hóa
Trong khi đó tại biên tiếp xúc của chất nhạy sáng với chất điện ly, lỗ trống được các phần tử khử (Red) và vận chuyển sang điện cực đối thông qua phản ứng
Red + h+ Ox (1.9)
Phần tử oxy hóa (Ox) đến điện cực đối nhận điện tử chuyển thành phần tử khử Red
Ox + e- Red (1.10)
Như vậy một chu trình làm việc của pin mặt trời quang điện hóa kết thúc và năng lượng ánh sáng được chuyển thành điện năng. Đối với chất điện ly dung cặp oxy hóa khử (Redox) là I-
/I3-, q trình trao đổi điện tích như sau: Tại bề mặt điện cực bán dẫn:
2h+ + 3I- I3-
(1.11)
Tại điện cực đối
2e + I3- 3I-
(1.12)
Có thể nhận thấy rằng trong pin mặt trời quang điện hóa, q trình sinh cặp hạt tải điện do chiếu sáng được thực hiện trên vật liệu nhạy sáng. Quá trình tiêm điện tử diễn ra tai mặt biên tiếp xúc giữa chất nhạy sáng với vật liệu oxit bán dẫn. Quá trình bắt lỗ trống diễn ra tại mặt biên tiếp xúc giữa chất nhạy sáng với dung dịch chất điện ly. Các lớp vật
26
liệu oxit bán dẫn làm nhiệm vụ dẫn điện tử ra mạch ngoài. Các phần tử oxy hóa khử (Redox) trong chất điện ly đóng vai trị vận chuyển lỗ trống sáng điện cực đối.
Từ nguyên lý làm việc của pin mặt trời quang điệ hóa cho thấy điện cực làm việc đóng va trị quyết định hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin. Bởi trên điện cực đó xảy ra các q trình quan trọng. Q trình hấp thụ ánh sáng và sinh hạt tải điện; Quá trình tách các hạt tải điện và quá trình dẫn điện tử.
27
CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG MỎNG OXIT TITAN VÀ CÁC KỸ THUẬT PHÂN TÍCH.