c. So sánh động học các quá trình trao đổi điện tích trong pin DSSC
4.1. THÀNH PHẦN PASTE TiO2 SỬ DỤNG CHO PIN MẶT TRỜI DSSC TRÊN
ĐẾ POLYMER PHỦ MÀNG OXIDE DẪN ĐIỆN – ITO-PET
Các quy trình chế tạo được áp dụng trong luận văn này được thiết kế dựa trên tiêu chí thiết bị chế tạo và yêu cầu điều kiện tiến hành không yêu cầu quá nhiều thiết bị
hỗ trợ, môi trường thí nghiệm không quá khắc nghiệt và có thể tiến hành khá dễ dàng trong điều kiện phòng thí nghiệm hiện có của Khoa Công Nghệ Vật Liệu, Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh.
Mục tiêu của công trình nghiên cứu này là chế tạo thành công pin mặt trời trên nền polymer phủ lớp màng oxide dẫn điện, nên bước cơ bản đầu tiên là điều chế thành công dung dịch huyền phù TiO2 (paste TiO2) có độ bám dính tốt, có khả năng liên kết các hạt TiO2 tốt với nhau và với màng ITO-PET, để tạo điện cực làm việc cho hiệu suất chuyển hóa cao năng lượng ánh sáng thành điện năng ở điều kiện khảo sát tiêu chuẩn, thông thường trong khảo sát hiệu quả chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành điện năng (hiệu suất) cũng như các thông số hoạt động của pin mặt trời, cường độ bức xạ ánh sáng
được chọn là 1 sun, (1 sun = 100mW/cm2).
Trong nghiên cứu pin mặt trời DSSC, có sự tương quan khi khảo sát hiệu suất chuyển hóa năng lượng của pin DSSC sử dụng hệ điện ly dạng dung dịch lỏng và hệ điện ly dạng gel có cùng nồng độ cặp chất oxi hóa khử [38,39,40], khi đó điện ly dạng gel được xem nhưđiện ly dạng lỏng có độ nhớt cao.
Trong phạm vi nghiên cứu này, chúng tôi dùng hệđiện ly dạng lỏng để khảo sát sơ bộ thành phần và quy trình điều chế hỗn hợp huyền phù TiO2 sử dụng trong chế tạo màng điện cực xốp dùng cho pin DSSC, sau đó dùng các điện cực làm việc chế tạo theo quy trình này để khảo sát hệ điện ly có cùng nồng độ cặp chất oxi hóa khử với hệ điện ly lỏng, sử dụng polymer làm chất tạo gel.
Quy trình điều chế paste TiO2 được mô tả chi tiết ở mục 4.3.2, trong khảo sát này, màng TiO2 được phủ trên ITO-PET bằng phương pháp dao bác sĩ (được mô tả ở
mục 2.4.2.1). Điện cực làm việc được sử dụng màng ITO-PET, R=100Ω, được xử lý nhiệt ở 130oC trong thời gian 2h như những quy trình được công bố trong một số tạp chí khoa học sau đó được ngâm trong dung dịch chất màu nhạy quang, đã được mô tảở
mục 3.4.2. Dung dịch điện ly, quy trình lắp ráp pin đều được thực hiện như đã mô tả
trong chương 4. Quá trình đo đạt được thực hiện theo điều kiện chiếu sáng tiêu chuẩn 1 sun, sử dụng hệ đèn mô phỏng ánh sáng mặt trời được hiệu chuẩn cường độ chiếu sáng bằng diode quang tiêu chuẩn và kết hợp với thiết bị đo đa năng Keithley 2400. Kết quả
khảo sát tính trung bình cho 3 pin, được thể hiện trong bảng sau: Bảng 4.1: Thành phần paste TiO2 và các thông số của pin f-DSSC
Công thức paste TiO2 (tỉ lệ KL) ISC (mA/cm2)
VOC
(V) FF (%) η (%)
TiO2: Propanol = 12:88 1,89 0,47 20,0 0,18
TiO2: Tert Butanol = 12:88 0,177 0,74 37,7 0,05
TiO2: TiCl4 = 12:88 1,57 0,50 51,7 0,54
TiO2:Propanol:TTIP = 10:1:89 1,348 0,77 56,0 0,59 TiO2:Propanol:TTIP = 10:2:88 2,205 0,75 61,8 1,02
Hiệu suất chuyển hóa năng lượng η của pin mặt trời được tính từ các thông số
Jsc, Voc, FF và công suất P của chùm tia sáng tới theo biểu thức (2.6) đã được mô tả
trong chương 2. Theo bảng 4.1, tuy Jsc và Voc của các pin mặt trời sử dụng điện cực làm việc chế tạo từ các paste khác nhau biến đổi nhiều, nhưng hiệu suất chuyển hóa năng lượng quang năng thành điện η đạt cao nhất khi sử dụng paste TiO2:Propanol:TTIP hàm lượng 10:2:88.
Để nâng cao hiệu suất pin, đồng thời tăng tính kết dính của màng TiO2 với nền ITO-PET, màng chống tái kết hợp điện tử trên màng ITO và chất điện ly được chế tạo. Màng chống tái kết hợp là một lớp màng mỏng dưới 1µm sử dụng dung dịch TTIP phân tán trong propanol với các hàm lượng 0%, 3%, 10%, 20% khối lượng, được phủ bằng phương pháp phủ quay trên màng ITO-PET trước khi tạo lớp màng TiO2 chính. Chi tiết về phương pháp phủ quay được mô tả chi tiết ở mục 2.4.2.1.
Bảng 4.2: Thông số pin dùng các màng chống tái kết hợp có thành phần khác nhau Phủ màng đa lớp JSC (mA/cm2) VOC (V) FF (%) η (%) Màng chống
tái kết hợp e- Màng TiO2 hấp phụ màu
0 TiO2:Propanol:TTIP 2,21 0,75 61,8 1,02
TTIP 3% TiO2:Propanol:TTIP 3,56 0,75 60,8 1,62
TTIP 10% TiO2:Propanol:TTIP 1,45 0,75 55,2 0,60
TTIP 20% TiO2:Propanol:TTIP 0,47 0,72 65,8 0,22
Các thông số trong bảng 4.2 cho thấy khi sử dụng màng tái kết hợp, mật độ dòng
điện của pin tăng do dòng electron từ chất màu tiêm vào màng TiO2 được dẫn ra màng ITO hiệu quả hơn, ít bị tổn thất do hiện tái kết hợp electron với dung dịch điện ly. Tuy nhiên, nếu trong dung dịch phủ màng có hàm lượng TTIP cao thì lớp màng này trở
thành tác nhân có hại, ngăn cản việc truyền dẫn electron từ lớp TiO2 vào màng ITO- PET, làm mật độ dòng quang điện đo được giảm, và hiệu suất sản xuất điện năng giảm. Hiệu suất pin đạt tốt nhất dùng điện cực có phủ lớp màng TTIP 3% làm màng chống tái kết hợp cho hiệu suất chuyển hóa năng lượng cao nhất.
Trong các nghiên cứu tiếp theo, màng TiO2 sẽ được chế tạo theo dạng màng đa lớp. Màng TTIP 3% dày khoảng 1µm được phủ quay lên đế ITO-PET, tiếp theo là lớp màng TiO2 dày 8-10µm dùng paste TiO2:Propanol:TTIP tỉ lệ 10:2:88. Cấu trúc đa lớp của màng TiO2 sẽđược chứng minh qua hình ảnh quan sát qua kính hiển vi điện tử quét
được trình bày ở mục 4.2.1.
4.2. ĐÁNH GIÁ HÌNH THÁI VÀ TÍNH CHẤT MÀNG MỎNG TiO2 TRÊN NỀN POLYMER PHỦ LỚP OXIDE DẪN ĐIỆN