* Sự tách các điện tích
Sự tách điện tích trong pin mặt trời nhạy quang được dựa trên quá trình truyền điện tử từ phân tử chất màu tới TiO 2 và quá trình truyền lỗ trống từ chất màu được ôxy hoá tới chất điện phân.
Cơ chế truyền điện tử phụ thuộc mạnh vào cấu trúc điện tử của sự hấp thụ phân tử màu và mức năng lượng giữa các trạng thái kích thích của chất màu và vùng dẫn của TiO 2 .
* Sự truyền điện tích
Trong pin mặt trời nhạy quang, sự truyền điện tích xảy ra bởi sự truyền các điện tử trong điện cực TiO 2 cấu trúc nanô và sự truyền lỗ trống trong chất điện phân như là I 3 – .
Chất điện phân trong pin mặt trời nhạy quang thường là một dung môi hữu cơ bao gồm cặp ôxy hoá khử I – /I 3 – . Tại điện cực TiO 2 :
2S + + 3I – → 2S + I 3 – , (10) I 3
– + 2e – (Pt) → 3I – (11)
* Quá trình tái hợp điện tích
Phản ứng tái hợp tại bề mặt điện cực gồm các phản ứng:
I 3 – + 2e – → 3I – (12) và
I 3 – ↔ I 2 + I – (13) I 2 + e – → I 2 –
(14)
2 I 2 – → I 3 – + I – (15)
1.4.3 Các yếu tố trong pin mặt trời nhạy quang a. Màng TiO 2
TiO 2 là bán dẫn có vùng cấm rộng (Eg = 3.2eV). Hiện nay việc tạo ra các hạt TiO 2 với kích thước nhỏ là khá dễ dàng và rẻ. Trong hoạt động của pin mặt
trời nhạy quang, chỉ một vài lớp nguyên tử TiO 2 hấp thụ chất màu tham gia vào quá trình tiêm hạt tải (điện tử). Để tăng hiệu suất của pin, chúng ta cần một cấu trúc TiO 2 có diện tích hấp thụ lớn. Do đó ta cần phải giảm kích thước của các hạt tinh thể TiO 2 xuống kích thước nm.
Tuy nhiên khi kích thước hạt giảm xuống, thì kích thước các lỗ trên màng TiO 2 cũng giảm xuống, do vậy chất điện li có thể lọt vào được vì đây là nơi xảy ra sự hấp thụ chất màu của TiO 2 . Hơn nữa khi kích thước hạt giảm, tức là số hạt sẽ tăng do đó sẽ làm tăng hệ số tán xạ của ánh sáng. Chính vì vậy kích thước của hạt tinh thể TiO 2 phải được tối ưu sao cho có được một diện tích hiệu dụng lớn và đảm bảo kích thước các lỗ trên màng.
Để tạo ra điện tử chạy qua lớp TiO 2 một các hiệu quả, các hạt TiO 2 phải được liên kết với nhau qua quá trình thiêu kết. Khi màng TiO 2 được nung, các hạt tạo ra các biên liên kết, điện trở của tiếp xúc omíc giảm và điện tử có thể nhảy qua các hạt TiO 2 tới điện cực.
b. Chất màu
Sự tăng cường tính nhạy quang bề mặt của một bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn cho hiệu ứng quang xúc tác như TiO 2 thông qua việc hấp thụ các chất nhuộm trên bề mặt TiO 2 có thể làm gia tăng hiệu suất của quá trình kích thích theo từng bước qua đó. Việc này có thể mở rộng thang bước sóng kích thích.
Một vài chất nhuộm thông dụng cho quá trình này là erythrosine B, eosin, rhodamines, cresyl violet, thionine, porphyrins, [Ru(byu) 3 ] 2+ và những dẫn xuất của nó …
Quá trình khử các phân tử chất hữu cơ trên bề mặt diễn ra theo từng bước được mô tả trong Hình 1.13. Điện tử sơ cấp được kích thích trong phân tử chất nhuộm bởi bức xạ mặt trời, nếu mức năng lượng ôxy hóa trạng thái kích thích của phân tử thuốc nhuộm tương ứng với mức năng lượng vùng dẫn chất bán dẫn thì điện tử của phân tử chất nhuộm sẽ di chuyển vào vùng dẫn của chất bán
dẫn. Điện tử này sau đó sẽ tham gia vào quá trình khử phân tử chất hữu cơ hấp thụ trên bề mặt vật liệu.
Hình 1.13. Quá trình kích thích và bước dịch chuyển điện tích trong chất nhạy màu
Chất nhạy (S) được kích thích bởi photon tới hv và một electron sẽ dịch chuyển vào vùng dẫn; sau đó electron này có thể khử các aceptor phân tử hữu cơ (A) trên bề mặt.
Hình 1.14. Sơ đồ mô tả một tế bào quang điện nhạy màu làm từ tinh thể TiO
Việc hấp thụ mạnh trong vùng khả kiến của chất nhuộm làm tăng khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời của màng mỏng TiO 2 (vật liệu TiO 2 chủ yếu hấp thụ vùng bước sóng < 400nm). Bên cạnh đó cấu trúc xốp và liên kết mạnh của màng bán dẫn TiO 2 cấu trúc nano đem lại nhiều thuận lợi cho việc biến đổi bề mặt với các chất nhuộm hữu cơ và phức hợp hữu cơ kim loại. Cụ thể hiệu ứng chuyển đổi quang nằm trong khoảng từ 10 – 15% với màng TiO 2 cấu trúc nano được biến đổi bằng phức hợp Ruthinium. Các phản ứng quang lý xảy ra ở các chất nhạy quang được tiêm vào pin mặt trời dựa trên sự hấp thụ của chúng vào cấu trúc xốp của lớp TiO 2 . Hình 1.14 mô tả sơ đồ hoạt động của một pin mặt trời làm từ tinh thể nano TiO 2 được phủ lớp nhạy quang được xem như một nguồn năng lượng mới hữu ích trong tương lai.
Trong mẫu này, phức hợp Ruthinium được hấp thụ vào TiO 2 làm chất nhuộm và quá trình ôxy hóa khử I – /I 3
– tạo môi trường chất điện phân.
c. Chất điện phân