Các hình thái của TiO2 là một yếu tố quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của pin mặt trời. Việc khai thác các vật liệu TiO2 trong tự nhiên không phải là kinh tế và thuận lợi bởi vì sự có mặt của các tạp chất trong vật liệu cần khai thác, và phải trải qua quá trình “dopant” (sử dụng tác nhân bên ngoài đưa vào cấu trúc tinh thể) để đạt được hình thái như mong muốn. Mặt khác vật liệu TiO2 hình thành trong tự nhiên rất hạn chế. Điều này đặt ra động cơ chế tạo các dạng hình thái của vật liệu TiO2 trong nghiên cứu với các phương pháp khác nhau. Một số hình thái của TiO2 đã được chế tạo thành công như dạng bột, dạng màng mỏng, dạng sợi nano, dạng ống nano.
* Dạng bột
TiO2 ở dạng bột đã được sử dụng trong sản xuất công nghiệp trong nhiều năm. TiO2 được sản xuất từ ilmenite, Rutile hoặc xỉ Ti. Chất màu Ti được chiết suất bằng cách sử dụng axit sulfuric (quá trình sulphate) hoặc Clo (chu trình Clo). Quá trình sulphate sử dụng công nghệ đơn giản hơn so với các chu trình Clo và quá trình này sử dụng quặng rẻ hơn. Tuy nhiên nó thường có chi phí sản xuất cao hơn và quá
29
trình sử dụng axit là đắt tiền. Các chu trình Clo sản xuất TiO2 tinh khiết hơn, phạm vi phân bố kích thước hạt nhỏ hơn, nhưng pha anatase chỉ có thể sản xuất được bởi quá trình sulphate và các quá trình này được coi ít thân thiện với môi trường.
* Dạng màng mỏng TiO2
Một dạng hình thái của TiO2 được ứng dụng trong công nghệ là màng mỏng. Nhưng do tính trơ về mặt hóa học và sinh học nên khả năng trải màng mỏng của TiO2 gặp nhiều khó khăn và đòi hỏi công nghệ cao. Một số phương pháp được sử dụng để tạo màng mỏng TiO2 như “Sputtering”, “Sol – gel”, “lắng đọng xung laser” (Pulsed Laser Deposited),…
* Dạng sợi nano
Dạng bột và dạng màng mỏng của nhiều loại vật liệu đã được biết đến hơn một thế kỷ. Trong những thập kỷ qua, các dạng hình thái khác của TiO2 được dần dần biết tới như là hạt nano, sợi nano, ống nano. Sợi nano TiO2 có đường kính cỡ nanomet và tỷ số giữa chiều dài và đường kính cao. Với đường kính rất nhỏ và độ dài lớn nên sợi nano TiO2 được xếp vào loại vật liệu cấu trúc một chiều, khác với lớp màng mỏng (cấu trúc hai chiều) hoặc các dạng khác (cấu trúc ba chiều). Mảng sợi nano TiO2 có thể đạt được bằng cách phát triển trên chất nền với các phương pháp khác nhau như Sol-gel, quay tạo sợi bằng điện (electro-spining).
* Dạng ống nano
Trong phần trước chúng ta đã xem xét các hình thái khác nhau của TiO2. Gần đây việc phát hiện ra các ống nano TiO2 được xem là một trong các hình thái tốt nhất của TiO2 trong nhiều ứng dụng, cụ thể là tách nước và các ứng dụng trong pin DSSC. Diện tích bề mặt lớn được cung cấp từ thành ống nano (bề mặt bên trong và bên ngoài) trong cấu trúc lỗ hoàn hảo của ống nano sẽ tạo điều kiện cho việc thu nhận ánh sáng và cho phép diện tích bề mặt phản ứng lớn hơn nhiều [22]. Trong phần sau, chúng tôi sẽ khảo sát các phương pháp chế tạo ống nano TiO2.
Chức năng chính của TiO2 trong pin DSSC là hỗ trợ các phân tử chất màu trong sự tách điện tích. Khi chúng ta thay thế dạng bột này bằng dạng ống sẽ giúp
30
tăng hiệu suất tổng thể của pin mặt trời, tăng cường hiệu suất thu ánh sáng, hiệu suất thu và dịch chuyển điện tử.
* Thu ánh sáng
Các ống nano TiO2 cung cấp một dạng hình thái tốt nhất, để hỗ trợ các phân tử chất màu trong quá trình tương tác trực tiếp với các photon, trên bề mặt trong và ngoài của TiO2. Trong khi đó, dạng bột TiO2 có thể ngăn chặn bớt sự tương tác này. Dạng ống giúp cho các photon tới thâm nhập vào sâu bên trong các phân tử chất màu trong khi dạng bột làm giảm quá trình thâm nhập của các photon đó. Từ đó, hiệu suất thu ánh sáng của pin DSSC tăng lên. Hình 1.12 mô tả một cách rõ nét về sự tương tác của các photon với các phân tử chất màu khi TiO2 tồn tại ở dạng bột và dạng ống.
Hình 1.12: Minh họa sự tương tác giữa các photon với các phân tử chất màu khi TiO2 tồn tại ở dạng bột và dạng ống.
* Dịch chuyển điện tử
Cấu trúc hình ống của TiO2 giúp các điện tử trên các phân tử chất màu tán xạ ít hơn. Khi các điện tử được tiêm từ các phân tử chất màu vào trong TiO2, chúng dễ dàng dịch chuyển trong TiO2 để đến điện cực. Đối với bột TiO2, thì sẽ xảy ra sự tán xạ của các điện tử trong các phân tử chất màu và nó kéo dài quá trình di chuyển của điện tử trong TiO2. Từ các nghiên cứu khác cũng cho thấy, cấu trúc dạng ống của
31
TiO2 giúp cho các điện tử rút ngắn được đường đi của mình trong TiO2 và dẫn tới tăng cường hiệu suất của pin DSSC.
Hình 1.13: Minh họa sự dịch chuyển điện tử trong vật liệu TiO2 để tới điện cực khi TiO2 tồn tại ở dạng bột và dạng ống.
