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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành: Hóa Lỹ thuyết và Hóa lý
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
NĂM - 2010


MỤC LỤC ( Luận văn dài 106 trang 1 file duy nhất)




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
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

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1 Các thành phần cơ bản trong mạch điện xoay chiều. 31
Bảng 3. 1 Thành phần các dung dịch, keo TiO2 . 38
Bảng 3. 2 Nồng độ dung dịch chuẩn và cường độ của đỉnh hấp thu tương ứng của
dung dịch N749, CN749: Nồng độ N749, hđỉnh: chiều cao đỉnh. 44
Bảng 3. 3 Nồng độ thực (CN749), chiều cao đỉnh (hđỉnh) và nồng độ xác định theo phương trình đường chuẩn (C’N749) của dung dịch N749.44
Bảng 3. 4 Ký hiệu pin 50
Bảng 4. 1 Độ dày (àm) của màng TiO2 tạo trên FTO . 54
Bảng 4. 2 Lượng N749 hấp phụ trên bề mặt TiO2 ứng với thời gian nung mẫu 15 phút ở 500oC
Bảng 4. 3 Lượng N749 hấp phụ trên bề mặt TiO2 ứng với thời gian nung mẫu 45 phút ở 500oC
Bảng 4. 4 Lượng N749 hấp phụ trên bề mặt TiO2 ứng với thời gian nung mẫu 75 phút ở 500oC
Bảng 4. 5 Tác động của thời gian nung mẫu, nồng độ ADC lên lượng N749 hấp phụ trên TiO2
Bảng 4. 6 Lượng N749 trung bình hấp phụ trên TiO2 x105), mmol/cm2
Bảng 4. 7 Lượng N749 hấp phụ trên TiO2 khi thay đổi dung môi pha mẫu . 61
Bảng 4. 8 Lượng N749 (mmol/cm2) hấp phụ trên anode tạo theo phương pháp in lụa và doctor-blade
Bảng 4. 9 Tóm tắt các thông số hoạt động của DSC-N719 sử dụng các hệ điện ly R50, TG50 và TP
Bảng 4. 10 Kí hiệu DSC và thông số chế tạo . 72
Bảng 4. 11 Thông số hoạt động của DSC ráp ở 130oC và ở nhiệt độ phòng 73
Bảng 4. 12 Thông số hoạt động của DSC sử dụng chất liệu dán thủy tinh lỏng (PLTL), Silicon dán kính (PLSi), Mastic (PLMa)
Bảng 4. 13 Hiệu suất và thông số hoạt động của DSC ráp trên cơ sở điều kiện thích hợp (PX45) so với các DSC ráp ở các điều kiện khác.
Bảng 4. 14 Thành phần Yo và Ka của DSC có xử lý TiCl4 và không xử lý TiCl4 84

Phụ lục
Bảng 1 Thành phần của mạch điện tương đương trên phần mềm Fit & Simulation 97
Bảng 2 Trở kháng của quá trình khuếch tán I3 - trong dung dịch điện ly Rsol (Ohm)
của các DSC – N719 theo thời gian phơi sáng (1000 W/m2, 42oC) đối với các dung
dịch điện ly R50, TG50 và TP. 97
Bảng 3 Biến đổi độ dẫn nạp Yo (Ohm-1.s1/2) của các DSC – N719 theo thời gian
phơi sáng (1000 W/m2, 42oC) đối với các dung dịch điện ly R50, TG50 và TP. . 97
Bảng 4 Ka (s-1) của các DSC – N719 theo thời gian phơi sáng (1000 W/m2, 42oC)
đối với các dung dịch điện ly R50, TG50 và TP. . 97
Bảng 5 Biến đổi hiệu suất chuyển đổi năng lượng η (%) của các DSC – N719 theo
thời gian phơi sáng (1000 W/m2, 42oC) đối với các dung dịch điện ly R50, TG50 và
TP. 98
Bảng 6 Biến đổi mật độ dòng ngắn mạch JSC (mA/cm2) của các DSC – N719 theo
thời gian phơi sáng (1000 W/m2, 42oC) đối với các dung dịch điện ly R50, TG50 và
TP. 98
Bảng 7 Biến đổi thế mạch hở VOC (V) của các DSC – N719 theo thời gian phơi sáng
(1000 W/m2, 42oC) đối với các dung dịch điện ly R50, TG50 và TP. . 99
Bảng 8 Biến đổi hệ số điền đầy ff của các DSC – N719 theo thời gian phơi sáng
(1000 W/m2, 42oC) đối với các dung dịch điện ly R50, TG50 và TP. . 99

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Cấu trúc tinh thể silic tinh khiết (a), bán dẫn loại p (b), bán dẫn loại n (c).
Hình 1. 2 Mô hình tinh thể silic có chứa tạp chất doping. 6
Hình 1. 3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời chất bán dẫn tiếp xúc pn
Hình 1. 4 Mạch điện tương đương của pin mặt trời bán dẫn tiếp xúc p-n. (a) pin lí
tưởng, (b) pin thật. . 8
Hình 1. 5 Ảnh hưởng của điện trở RSH và RSC lên đường cong dòng thế I-V 8
Hình 1. 6 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của DSC . 9
Hình 1. 7c Cấu trúc phân tử của một số chất nhạy quang ruthenium 14
Hình 1. 8 Cấu trúc phân tử của một số chất nhạy quang của các kim loại khác (Fe,Pt, Os)
Hình 1. 9 Cấu trúc mạng tinh thể của anatase (a), rutile (b), brookite (c). 16
Hình 1. 10 Sơ đồ các quá trình chuyển đổi trạng thái năng lượng trong DSC . 18
Hình 1. 11 Mối quan hệ giữa các mức năng lượng trong DSC . 19
Hình 1. 12 Đường cong I-V của một DSC (có biểu diễn Imax, Vmax) . 20
Hình 1. 13 Ảnh hưởng của các yếu tố đến độ bền của DSC . 22
Hình 2. 1 Đường đi của ánh sáng qua bầu khí quyển đến bề mặt trái đất. . 24
Hình 2. 2 Sơ đồ hệ thống mô phỏng ánh sáng mặt trời đo các thông số hoạt động của DSC
Hình 2. 3 Tín hiệu dòng phản hồi so với tín hiệu thế xoay chiều kích thích cho hệ tuyến tính.
Hình 2. 4 Hình Lissajous . 28
Hình 2. 5 Đồ thị Nyquist và vector tổng trở. 29
Hình 2. 6 Đồ thị Bode 29
Hình 2. 7 Hệ không tuyến tính có thể xem là giả tuyến tính trong vùng hẹp. . 30
Hình 2. 8 Một dạng mạch điện tương đương mô phỏng DSC . 32
Hình 2. 9 Đồ thị Nyquist của trở kháng Nernst (N) và thành phần Gerisher (G) 33
Hình 2. 10 Đồ thị biểu diễn trở kháng của CPE trong phép đo tổng trở trên phổ Nyquist.
Hình 3. 1 Thiết bị mô phỏng mặt trời (Solar Simulator - Solarena) đo thông số pin
Hình 3. 2 Thiết bị đo phổ tổng trở Autolab – PGSTAT 302N 40
Hình 3. 3 Thiết bị đo phổ hấp thu UV-VIS Jasco V670 (Nhật Bản) . 41
Hình 3. 5 Khung in cố định trên bàn in thông qua hệ thống ổ bi 42
Hình 3. 4 Quy trình tạo âm bản in lụa 42
Hình 3. 6 Phổ hấp thu UV-VIS của N749. . 43
Hình 3. 7 Phương trình đường chuẩn dung dịch N749 . 44
Hình 3. 8 Sơ đồ công đoạn chế tạo DSC 47
Hình 3. 9 Cấu tạo chi tiết của DSC 48
Hình 3. 10 Hệ thống nén chân không . 49
Hình 3. 11 Sơ đồ quy trình chế tạo DSC 49
Hình 3. 12 Sơ đồ hệ đo phổ tổng trở DSC. . 52
Hình 4. 1 Sự phụ thuộc của lượng N749 hấp phụ trên màng TiO2 nung ở 500oC vào
nồng độ phụ gia ADC trong dung dịch N749 tại các thời gian nung 15 phút, 45 phút
và 75 phút. . 58
Hình 4. 2 Sự phụ thuộc của lượng N749 hấp phụ trên màng TiO2 nung 500oC vào
nồng độ N749 trong dung dịch N749 tại các thời gian nung 15 phút (có 20 mM
ADC), 45 phút và 75 phút (không có ADC). 60
Hình 4. 3 Biểu đồ biểu diễn lượng N749 hấp phụ trên TiO2 khi thay đổi hệ dung
môi pha N749 và thời gian nung mẫu. . 61
Hình 4. 4 Biểu đồ biểu diễn lượng N749 trên anode được chế tạo bằng phương pháp
in lụa (X15, X45) và doctor blade (XD45) . 63
Hình 4. 5 Biến đổi hiệu suất chuyển đổi năng lượng η của DSC – N719 theo thời
gian phơi sáng (1000 W/m2, 42oC) với các hệ điện ly R50, TG50 và TP. . 64
Hình 4. 6 Biến đổi hiệu suất chuyển đổi mật độ dòng ngắn mạch của DSC – N719
theo thời gian phơi sáng (1000 W/m2, 42oC) với các hệ điện ly R50, TG50 và TP. 65
Hình 4. 7 Quá trình biến đổi thế mạch hở VOC theo thời gian chiếu sáng của DSC. 65
Hình 4. 8 Biểu đồ biểu diễn sự biến đổi của hệ số điền đầy ff theo thời gian phơinhiệt
Hình 4. 9 Sơ đồ mạch tương đương của DSC 68
Hình 4. 10 Phổ tổng trở của một DSC thể hiện các cung 1, 3và 4 ở các vùng tần số khác nhau
Hình 4. 11 Biến thiên của Yo theo thời gian phơi sáng . 70
Hình 4. 12 Biến thiên của trở kháng quá trình khuếch tán I3 - trong dung dịch điện ly
theo thời gian phơi sáng . 70
Hình 4. 13 Biến thiên Ka theo thời gian phơi sáng . 71
Hình 4. 14 Biểu đồ biểu diễn mật độ dòng (a), thế mạch hở (b), hệ số điền đầy (c)
và hiệu suất (d) của DSC ráp ở 130oC và ở nhiệt độ phòng 75
Hình 4. 15 Đường cong I-V của DSC ráp ở nhiệt độ phòng PL5 và ở 130oC PN3 . 76
Hình 4. 16 Biến đổi hiệu suất (A) và mật độ dòng (B) của DSC ráp ở 130oC (PN) và
DSC ráp ở nhiệt độ phòng (PL) sử dụng chất nhạy quang N749 77
Hình 4. 17 Đường cong dòng thế của DSC PL sau các khoảng thời gian phơi sáng khác nhau
Hình 4. 18 Đường cong dòng thế (I-V) ở thời điểm ban đầu của DSC dùng chất liệu dán thủy tinh lỏng (PLTL) và silicon (PLSi).
Hình 4. 19 Biểu đồ biểu diễn các thông số hoạt động của 5 DSC ở các điều kiện chế
tạo khác nhau: (A) thế mạch hở VOC; (B) mật độ dòng JSC; (C) hệ số điền đầy ff; (D)
hiệu suất η. 81
Hình 4. 20 Đồ thị biểu diễn đường cong dòng thế (I-V) của các DSC trước và sau
khi lựa chọn điều kiện thích hợp 82
Hình 4. 21 Đường cong dòng thế (I-V) của DSC có và không có xử lý TiCl4: (A)
DSC kết tinh TiO2 45 phút ở 500oC, (B) DSC kết tinh TiO2 15phút ở 500oC. 83
Hình 4. 22 Phổ hấp thu của N749 trích ra từ anode sau các khoảng thời gian phơi
nhiệt khác nhau ở 85oC trong chân không. . 85
Hình 4. 23 Phổ hấp thu của N749 trích ra từ anode sau các khoảng thời gian phơi
nhiệt khác nhau ở 130oC giống điều kiện ráp. 86
Hình 4. 24 Phổ hấp thu UV-VIS của chất nhạy quang N719 sau các khoảng thời
gian xử lý nhiệt khác nhau ở 130oC . 87


Phụ lục
Hình 1 Phổ tổng trở của DSC PX15 . 100
Hình 2 Phổ tổng trở của DSC PX45 . 100
Hình 3 Phổ tổng trở của DSC PXK15 100
Hình 4 Phổ tổng trở của DSC PXK45 101
Hình 5 Phổ tổng trở của DSC PL15 . 101
Hình 6 Phổ tổng trở của DSC R50 sau 0 giờ phơi sáng (1000 W/m2) . 101
Hình 7 Phổ tổng trở của DSC R50 sau 24 giờ phơi sáng (1000 W/m2) . 102
Hình 8 Phổ tổng trở của DSC R50 sau 48 giờ phơi sáng (1000 W/m2) . 102
Hình 9 Phổ tổng trở của DSC TG50 sau 0 giờ phơi sáng (1000 W/m2) 102
Hình 10 Phổ tổng trở của DSC TG50 sau 24 giờ phơi sáng (1000 W/m2) 103
Hình 11 Phổ tổng trở của DSC R50 sau 48 giờ phơi sáng (1000 W/m2) . 103