Việc chế tạo pin mặt trời theo nguyờn lý photovoltaic điện húa mặc dầu rất hấp dẫn về sựđơn giản, song trờn thực tếđó dẫm chõn tại chỗ vỡ chưa vượt qua được những khú khăn kỹ thuật thuộc về bản chất như:
• Hầu hết vật liệu bỏn dẫn khi tiếp xỳc với dung dịch ớt nhiều đều rất nhạy với hiệu ứng ăn mũn quang điện húa nờn khụng thể làm việc dài ngày.
• Chỉ cú một ớt vật liệu bỏn dẫn gốc oxit như SnO2; ZnO hoặc TiO2 cú độ bền ăn mũn cao nhưng lại cú Eg khỏ cao chỉ hấp thụ bức xạ tử ngoại, tức là một phần rất nhỏ của phổ mặt trời (< 5%) nờn hiệu suất chuyển húa năng lượng trở nờn ớt ý nghĩa.
Hỡnh II.43:
a) Pin mặt trời kiểu graetzel
1 & 7: lớp thủy tinh; 2 & 6: điện cực dẫn; 5: lớp n-TiO2; 4: chất màu nhạy quang; 3: cặp redox I-/I2
b) Cơ chế nhạy quang
Bắt đầu từ những năm 1980, nhúm nghiờn cứu của giỏo sư graetzel tại trường đại học Lausanne (Thuỵ Sĩ) xuất phỏt từ mụ hỡnh quang hợp của tế bào thực vật đó đưa ra một thiết kế pin mặt trời điện húa độc đỏo dựa trờn nguyờn lý: tỏch rời 2 chức năng riờng biệt trong thiết kế gồm hệ chức năng hấp thụ tối đa phổ mặt trời bằng một chất mầu thớch hợp và hệđiện
cực "gom" electron bằng bỏn dẫn loại n bền ăn mũn như TiO2 chẳng hạn. Cả hai chức năng này gộp lại sẽđúng vai trũ điện cực õm của nguồn điện. Phần cũn lại là điện cực dương dẫn điện và một hệ redox thớch hợp. Hỡnh II.43 trỡnh bày cấu tạo của một tế bào quang điện húa kiểu graetzel: lớp (1) và (7) là lớp thủy tinh cửa sổđể nhận ỏnh sỏng; lớp (2) và (6) là điện cực dẫn điện trong suốt làm bằng vật liệu SnO2 đúng vai trũ điện cực dương, (5) là lớp vật liệu bỏn dẫn n-TiO2 dạng vi tinh thể cú kớch thước nano được trỏng lờn điện cực dẫn (6) cú tiếp xỳc ohmic tốt. Hai lớp (5) & (6) chớnh là 2 đầu điện cực của pin mặt trời. Một lớp đơn phõn tử chất
mầu (4) từ phức chất Dicarboxy-bipyridin ruthenium phủ lờn cỏc vi hạt
bỏn dẫn n-TiO2 làm nhiệm vụ chất nhạy quang để hấp thụ năng lượng ỏnh sỏng hν. ý tưởng dựng chất mầu để tăng độ nhậy quang cho những vật
liệu cú khe năng lượng rộng khụng phải là mới, song thành cụng của
graetzel ở chỗđó tổng hợp được phức mầu thớch hợp hấp thụ phần lớn phổ bức xạ mặt trời (hỡnh II.45) và ở trạng thỏi kớch hoạt của chất mầu S+/S →
S+/S* (hỡnh II.44) biến dũng photon tới thành electron bơm cho vựng dẫn
của n-TiO2 mà khụng cần dựa vào hiệu quả thấp của quỏ trỡnh nhẩy
electron từ vựng húa trị lờn vựng dẫn của TiO2 khi được bức xạ. Dũng
electron chạy qua mạch ngoài, tiờu thụ trờn tải và sang cực đối để thực hiện phản ứng khử trờn cặp redox R/O (cặp redox I-/I2). Đồ thị Iph –ΔΦ*
cho thấy cỏc thụng số làm việc của pin hoàn toàn tương đương với pin
photovoltaic chất rắn.Việc thương mại húa pin mặt trời kiểu graetzel là khả thi trong tương lai gần. Với cấu tạo giống như "cửa sổ thụng minh"
(Smart windows) sẽ làm cho ứng dụng rất phong phỳ.
Hỡnh II.45. Đỏp ứng quang học của chất mầu Ruthenium ISE = 183 mA/cm2 VOC = 0,72 ff = 0,73 η = 10% (AM 1,5; 900 W/m2)
Hỡnh II.46. Đồ thị Iph –ΔΦ* của pin graetzel. ΔΦ [V]