Thạc Sĩ Nghiên cứu cải tiến kỹ thuật chế tạo pin quang điện hóa Nano Dioxit Titan - chất nhạy quang N749

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Pin mặt trời tinh thể nano TiO2 tẩm chất nhạy quang (tên tiếng Anh: dye sensitized solar cell, viết tắt DSC) là một trong những thiết bị chuyển đổi quang năng thành điện bên cạnh pin mặt trời bán dẫn truyền thống. Điểm khác biệt cơ bản của DSC so với pin bán dẫn tiếp xúc là sử dụng chất nhạy quang hấp phụ trên nền TiO2. Có nhiều loại chất nhạy quang được nghiên cứu và sử dụng trong DSC, trong đó chất nhạy quang đen (Black dye, kí hiệu N749) được hy vọng nhiều là sẽ cải thiện hiệu suất chuyển năng lượng của DSC (hiệu suất chuyển cao nhất hiện nay 11%). Trong luận văn này, chúng tôi khảo sát và cải tiến một số kỹ thuật trong quá trình chế tạo DSC sử dụng chất nhạy quang N749. Những cải tiến kỹ thuật chúng tôi thực hiện trong luận văn này tập trung vào: tạo màng TiO2, kĩ thuật ráp DSC. Chúng tôi đã nghiên cứu phát triển kỹ thuật in lụa vào việc tạo màng TiO2 trên thủy tinh dẫn điện để làm điện cực anode của DSC. Những công đoạn chính trong quá trình chế tạo DSC bao gồm:
- Chế tạo anode: tạo màng TiO2, nung, xử lí TiCl4, tẩm chất nhạy quang.
- Chế tạo cathode: phủ Pt lên thủy tinh dẫn điện.
- Ráp pin: kết dính anode và cathode, tiêm dung dịch điện li.
Sau khi tạo màng TiO2, điện cực được ngâm vào dung dịch N749 để hấp phụ chất nhạy quang. Lượng N749 hấp phụ trên màng TiO2 là yếu tố quan trọng quyết định đến mật độ dòng và hiệu suất của DSC, do vậy cần khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ N749 lên anode như thời gian nung mẫu TiO2 ở 500oC, nồng độ chất phụ gia axit deoxycholic (viết tắt: ADC) trong dung dịch chất nhạy quang, nồng độ N749 trong dung dịch ngâm mẫu. Kết quả cho thấy, khi thời gian nung mẫu ở 500oC trong 15 phút, lượng N749 hấp phụ tốt khi có mặt chất phụ gia ADC nồng độ 20 mM trong dung dịch 0,3 mM N749. Lượng N749 hấp phụ lớn nhất đạt giá trị 9,1x10-5 mmol/cm2 khi thời gian nung mẫu TiO2 45 phút ở 500oC và được ngâm trong dung dịch N749 0,3 mM không có ADC.
Quá trình xử lí TiCl4 màng TiO2 rất quan trọng và ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của DSC. Quá trình ngâm anode phủ màng TiO2 trong dung dịch TiCl4 có tác dụng làm giảm tốc độ quá trình tái kết hợp và giảm trở kháng quá trình khuếch tán điện tử trong màng TiO2. Dung dịch điện li có ảnh hưởng khá lớn đến hiệu suất và các thông số hoạt động của DSC. Chúng tôi đã khảo sát ba dung dịch điện li: một là dung dịch pha tại phòng thí nghiệm (kí hiệu TP), hai dung dich thương mại là R50 và TG50. Dung dịch điện li được bơm vào DSC chất nhạy quang N719 để khảo sát hiệu suất ban đầu và ảnh hưởng của thời gian phơi sáng lên các thông số hoạt động của DSC. Kết quả cho thấy dung dịch điện li R50 cho DSC có thông số hoạt động của DSC ở thời điểm ban đầu tốt nhất (VOC ~ 0,84 V, JSC = 8,7 mA/cm2, η = 5,2%) và ổn định hơn các DSC còn lại trong quá trình phơi sáng. Nguyên nhân của việc giảm cấp các thông số trong quá trình phơi sáng được xác định là do quá trình tái kết hợp tăng và quá trình khuếch tán điện tử trong màng TiO2 trở nên khó khăn. Trong quá trình ráp DSC sử dụng chất nhạy quang N749 theo phương pháp truyền thống, cần phải nâng nhiệt độ lên 130oC trong 30 giây để surlyn nóng chảy kết dính hai điện cực lại với nhau, các DSC mà chúng tôi chế tạo trong phòng thí nghiệm có hiệu suất khá kém (< 2%), khả năng nhiệt độ tác động lên DSC trong quá trình ráp DSC rất cao. Chúng tôi cải tiến kĩ thuật ráp, bằng cách sử dụng keo dán và ráp ở nhiệt độ phòng. Kết quả cho thấy, các DSC sử dụng phương pháp dán ở nhiệt độ phòng có mật độ dòng ngắn mạch (JSC) 8,4 mA/cm2, thế mạch hở (VOC) 0,73 V và hiệu suất chuyển hóa năng lượng (η) 3,3% cao hơn đáng kể so với các DSC dán nhiệt ở 130oC (với các trị số tương ứng là 5,8 mA/cm2, 0,7 V, 2%). Kết quả phân tích tổng trở điện hóa (EIS) cho thấy nguyên nhân của việc suy giảm hiệu suất khi sử dụng phương pháp dán nhiệt ở 130oC có thể là nhiệt độ cao đã làm tăng trở kháng của quá trình khuếch tán I3- trong dung dịch điện li và truyền điện tử trên điện cực đối, bên cạnh quá trình khuếch tán điện tử trong màng TiO2 tăng.
DSC sử dụng chất nhạy quang N749 được chế tạo (sau khi lựa chọn được các điều kiện về lượng BD hấp phụ trên TiO2, dung dịch điện li, ráp ở nhiệt độ phòng) cho kết quả VOC ~ 0,73 V, JSC ~ 13,6 mA/cm2; η ~ 5,2%. Như vậy đã nâng được hiệu suất của DSC sử dụng chất nhạy quang N749 từ 2% lên 5,2%. Những khảo sát trên DSC sử dụng chất phụ gia ADC trong quá trình hấp phụ chất nhạy quang có tác dụng làm tăng thế mạch hở của DSC lên 0,75 V, nhưng mật độ dòng lại nhỏ do có quá trình cạnh tranh hấp phụ giữa N749 và ADC. Khảo sát độ bền của N749 được mang trên TiO2 cho thấy N749 rất kém bền ở điều kiện nhiệt độ 85oC, phân hủy ngay trong 24 giờ phơi nhiệt đầu tiên, và sau 3 ngày không còn thấy đỉnh hấp thu của N749 trong phổ UV-VIS. Tăng nhiệt độ lên 130oC, N749 phân hủy gần như tức thời, và đây là nguyên nhân chính làm giảm hiệu suất của DSC ráp ở nhiệt độ cao. Qua đây có thể thấy được DSC ráp ở nhiệt độ phòng không bền ở 85oC và chất nhạy quang N749 không thỏa mãn được chuẩn chung về độ bền nhiệt để ứng dụng vào thực tế.

MỤC LỤC

Trang phụ bìa i
LỜI CẢM ƠN . ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN .iii
MỤC LỤC . vi
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT ix
DANH MỤC CÁC BẢNG xii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xiv
1.1. Vai trò của năng lượng mặt trời 2
1.2. Lịch sử phát triển của pin mặt trời . 3
1.3. Pin mặt trời chất bán dẫn tiếp xúc p-n . 4
1.3.1. Các loại bán dẫn . 4
1.3.2. Sản xuất bán dẫn silic . 5
1.3.3. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của pin bán dẫn tiếp xúc p-n . 6
1.3.4. Mạch điện tương đương của pin mặt trời tiếp xúc p-n 7
1.4. Pin mặt trời chất nhạy quang (DSC) 8
1.4.1. Cấu tạo . 8
1.4.2. Nguyên lí hoạt động . 17
1.4.3. Thế mạch hở và các thông số hoạt động của DSC 19
1.4.4. Thời gian sống và độ bền nhiệt của DSC 21
2.1. Phép đo đường đặc trưng dòng thế ( I-V) 24
2.2. Phổ hấp thu UV-VIS . 25
2.3 Phép đo tổng trở . 26
2.3.1. Khái niệm tổng trở (impedance) . 26
2.3.2. Lý thuyết phương pháp đo . 26
2.3.3. Các cách biểu diễn kết quả đo . 28
2.3.4. Hệ điện hóa tuyến tính . 30
2.3.5. Mô phỏng các thành phần trong DSC . 31
3.1. Nhiệm vụ đề tài . 37
3.2. Hóa chất và thiết bị . 38
3.2.1. Hóa chất . 38
3.2.2. Thiết bị 39
3.3. Chế tạo khung in lụa . 41
3.4. Tạo màng TiO2 trên thủy tinh dẫn điện và khảo sát tính chất của màng . 42
3.5. Xây dựng phương trình đường chuẩn phổ hấp thu UV-VIS của N749 . 43
3.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến lượng N749 hấp phụ trên điện cực TiO2 45
3.7. Chế tạo DSC . 45
3.7.1. Chế tạo anode 45
3.7.2 Chế tạo cathode . 47
3.7.3. Lắp ráp pin DSC 48
3.8. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ráp pin lên thông số hoạt động của DSC . 51
3.9. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ bền của N749 . 51
3.10. Khảo sát tác động của dung dịch điện ly lên hiệu suất và độ bền của DSC dùng chất nhạy quang N719 51
3.11. Đo tổng trở của DSC . 52
4.1. Độ dày màng TiO2 54
4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến lượng N749 hấp phụ trên màng TiO2 . 54
4.2.1. Nồng độ ADC và thời gian nung mẫu 55
4.2.2. Nồng độ N749 59
4.2.3. Dung môi pha N749 . 60
4.2.4 Kỹ thuật tạo màng TiO2 62
4.3. Ảnh hưởng của hệ điện ly lên thông số hoạt động của DSC – N719 63
4.3.1. Ảnh hưởng của hệ điện ly lên thông số hoạt động của DSC trong quá trình phơi sáng . 63
4.3.2 Phân tích tổng trở 67
4.4. Pin DSC chất nhạy quang N749 72
4.4.1. Điều kiện chế tạo pin . 72
4.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ráp pin . 73
4.4.3. Vật liệu kết dính . 78
4.4.4. Pin (PX45) chế tạo trong điều kiện tối ưu và tác động của xử lý với TiCl4 79
4.4.5. Đánh giá độ bền nhiệt của chất nhạy quang N749 84
KẾT LUẬN . 89
MỘT SỐ ĐỀ XUẤT 90
DANH MỤC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ 91
Tài liệu tham khảo . 92
PHỤ LỤC 97