Đang tải... (xem toàn văn)
LUẬN VĂN THẠC SĨ - KHẢO SÁT ĐỘ BỀN HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI TINH THỂNANO OXIT TẨM CHẤT NHẠY QUANG VÀ CÁC BIẾN ĐỔI TRONG PIN KHI PHƠI NHIỆT TRONG TỐI Ở 85o C
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN DÖE MAI THỊ HẢI HÀ KHẢO SÁT ĐỘ BỀN HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI TINH THỂ NANO OXIT TẨM CHẤT NHẠY QUANG VÀ CÁC BIẾN ĐỔI TRONG PIN KHI PHƠI NHIỆT TRONG TỐI Ở 85 o C LUẬN VĂN THẠC SỸ HÓA HỌC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN DÖE MAI THỊ HẢI HÀ KHẢO SÁT ĐỘ BỀN HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI TINH THỂ NANO OXIT TẨM CHẤT NHẠY QUANG VÀ CÁC BIẾN ĐỔI TRONG PIN KHI PHƠI NHIỆT TRONG TỐI Ở 85 o C Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: 604431 LUẬN VĂN THẠC SỸ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THOA 2. NCS NGUYỄN THÁI HOÀNG 3. PGS.TS. TORBEN LUND THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2009 Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thị Phương Thoa, NCS Nguyễn Thái Hoàng, PGS.TS Torben Lund tại trường Đại học Roskilde, Đan Mạch đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành đề tài này. Tôi xin chân thành cảm ơn anh, chị ở viện Kỹ thuật nhiệt đới và bảo vệ môi trường TpHCM đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện phép đo phổ trong thời gian đầu của quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin cảm ơn bạn bè cao học K15, bạn bè trong phòng thí nghiệm Điện hóa đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực nghiệm. Ngoài ra, tôi cũng xin chân thành cảm ơn ban điều hành chương trình hợp tác giữa Khoa Hóa, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp. HCM và Đại học Roskilde, Đan Mạch, cũng như tổ chức DANIDA đã tạo điều kiện để tôi thực hiện đề tài . Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình tôi, những người luôn bên cạnh hỗ trợ, chia sẻ với tôi trong bất kỳ hoàn cảnh nào. Mai Thị Hải Hà i Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH x DANH MỤC BẢNG xv CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI TINH THỂ NANO OXÍT TẨM CHẤT NHẠY QUANG 1 1.1. Pin mặt trời kiểu bán dẫn p-n tiếp xúc 1 1.1.1. Nguyên tắc hoạt động 1 1.1.2. Mạch tương đương của pin mặt trời kiểu tiếp xúc p-n. Đường đặc trưng dòng - thế 2 1.2. Các thông số quang điện hóa đánh giá khả năng hoạt động của pin 3 1.2.1. Dòng ngắn mạch I SC và thế mạch hở V OC 3 1.2.2. Điểm có công suất cực đại 4 1.2.3. Hiệu suất chuyển đổi quang năng η 4 1.2.4. Thừa số lấp đầy ff (fill factor) 4 1.3. Pin MT tinh thể nano oxít tẩm chất nhạy quang (DSC) 5 1.3.1. Nguyên tắc hoạt động của DSC 5 1.3.2. Cấu tạo của DSC 8 1.3.3. Nhiệt động học các quá trình chuyển điện tích trong pin 14 1.3.4. Động học các quá trình chuyển điện tích trong pin 16 1.3.5. Tối ưu hóa khả năng hoạt động của DSC 21 1.3.6. Độ bền hoạt động của DSC 24 1.4. Ưu điểm của DSC so với pin MT kiểu p-n 24 1.5. Bức xạ mặt trời ở bề mặt trái đất 25 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 27 Mai Thị Hải Hà iii Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý 2.1. Phương pháp phổ tổng trở điện hóa (EIS) 27 2.1.1. Sơ lược lý thuyết cơ sở của phép đo phổ tổng trở 27 2.1.2. Phân tích phổ tổng trở 29 2.2. Phương pháp đo đường đặc trưng dòng - thế 37 2.3. Phương pháp phân tích bằng máy sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp đầu dò khối phổ (HPLC-UV/Vis-MS) 38 2.3.1. Nguyên tắc phân tích 38 2.3.2. Đầu dò UV/Vis 38 2.3.2. Đầu dò khối phổ 41 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 43 3.1. Nhiệm vụ đề tài: 43 3.2. Hóa chất và thiết bị 44 3.2.1. Hóa chất 44 3.2.2. Thiết bị 44 3.3. Thực nghiệm 47 3.3.1. Chế tạo pin DSC 47 3.3.2. Bảng kí hiệu các pin 48 3.3.3. Xác định độ dày màng 49 3.3.4. Đo đường đặc trưng dòng thế (I-V) 49 3.3.5. Đo phổ tổng trở của pin 50 3.3.6. Phân tích thành phần và hàm lượng các chất hấp phụ trên TiO 2 bằng máy sắc ký lỏng hiệu năng cao ghép đầu dò khối phổ HPLC-UV/Vis-MS 51 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 55 4.1. Độ dày màng TiO 2 55 4.2. Độ bền hoạt động của các pin không sử dụng phụ gia 4-TBP dưới tác động của nhiệt trong tối 55 4.3. Độ bền hoạt động của các pin sử dụng phụ gia 4-TBP dưới tác động của nhiệt trong tối 62 4.4. Ảnh hưởng của phụ gia 4-TBP đến khả năng hoạt động của pin 69 Mai Thị Hải Hà iv Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý 4.5. Phân tích phổ tổng trở điện hóa của pin trong quá trình phơi nhiệt ở 85 o C trong tối 70 4.5.1. Mô hình hóa các quá trình chuyển vận điện tử và ion trong pin DSC 70 4.5.2. Phổ tổng trở của các pin không sử dụng phụ gia 4-TBP 73 4.5.3. Phổ tổng trở của các pin có sử dụng phụ gia 4-TBP 77 4.6. Ảnh hưởng của phụ gia 4-TBP đến quá trình chuyển vận điện tử và ion trong pin 82 4.7. Tác động của cường độ sáng đến khả năng hoạt động của pin 84 4.8. Sự biến đổi của hàm lượng các chất hấp phụ trên lớp oxit bán dẫn theo thời gian phơi nhiệt 87 4.8.1. Đường nội chuẩn và ngoại chuẩn định lượng dye N719 và D520 88 4.8.2. Hàm lượng các chất trong các pin sử dụng dye N719 91 4.8.3. Hàm lượng chất trong pin sử dụng dye D520 96 4.8.4. Thành phần các chất hấp thụ trên anot của pin sử dụng dye đen 100 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 PHỤ LỤC A 120 PHỤ LỤC B 123 Mai Thị Hải Hà v Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT φ Góc lệch pha giữa điện thế áp vào dòng điện ứng đáp A Diện tích bề mặt của pin AM Air mass: tỉ số giữa độ dài của tia mặt trời đi qua lớp khí quyển và độ dày của lớp khí quyển C Điện dung dùng mô tả lớp điện kép CB Vùng dẫn của chất bán dẫn CPE (Q) Phần tử pha không đổi CPE (Constant phase element) C Pt Điện dung của lớp Helmholtz tại giao diện điện cực Pt/dung dịch điện ly. C TCO Điện dung của lớp Helmholtz tại nền điện cực/dung dịch điện ly C μ Điện dung hóa học D520 cis-bis(isothiocyanato)(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato) (2,2’- bipyridyl-4,4’-di-nonyl) ruthenium(II) DSC Pin MT tẩm chất nhạy quang (Dye-sensitized solar cell) Dye đen tris(isothiocyanato)-ruthenium(II)-2,2':6',2"-terpyridine-4,4',4"- tricarboxylic acid, tris-tertrabutylammonium E Cường độ bức xạ tới E Fn Mức Fermi của điện tử trong TiO 2 khi chiếu sáng E Fo Mức Fermi của điện tử trong TiO 2 trong tối. E g Năng lượng vùng cấm EIS Phổ tổng trở điện hóa E o Điện thế phân cực một chiều E redox Thế của cặp oxi hóa khử trong dung dịch ESI Kỹ thuật ion hóa kiểu phun tĩnh điện (electrospray ionization) f Tần số dao động của tín hiệu áp vào hệ điện hóa ff Thừa số lấp đầy FTO Oxít thiếc có thêm Fluorine (Fluorine -doped tin oxide) G Phần tử Gerischer Mai Thị Hải Hà vi Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý HOMO Mức năng lượng cao nhất chiếm bởi điện tử I Dòng điện thế giữa hai đầu tải ngoài i 0 Mật độ dòng trao đổi I o Dòng tối trong pin DSC I p Dòng rò của pin I sc Dòng ngắn mạch của pin ITO Oxít thiếc có thêm Indium (Indium-doped tin oxide) k 1 (k) Hằng số tốc độ của sự tái kết hợp giữa điện tử với I 3 - k 2 Hằng số tốc độ của sự tái kết hợp giữa điện tử với cation dye S + k inj Hằng số tốc độ của sự tiêm điện tử L Bề dày lớp oxit. LUMO Mức năng lượng thấp nhất chưa bị chiếm bởi điện tử MS Khối phổ N505 cis-bis(cyanido) bis(2,2’-bipyridyl-4,4’ dicarboxylato) ruthenium (II) N535 cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato) ruthenium(II) N719 cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)- ruthenium(II) bis-tetrabutylammonium n o Mật độ điện tử trong vùng dẫn của chất bán dẫn trong tối Pin MT Pin mặt trời P max Công suất lớn nhất mà pin sinh ra q Điện tích cơ bản R Điện trở của tải ngoài R p Điện trở biểu thị cho dòng rò ở rìa pin R Pt Điện trở chuyển điện tử trên điện cực đối Pt. R r Điện trở của phản ứng kết hợp giữa điện tử với I 3 - R s Điện trở tiếp xúc giữa các dây nối điện và điện trở của lớp bán dẫn R sol Điện trở khuếch tán của I 3 - trong dung dịch điện ly R t Điện trở khuếch tán của điện tử trong TiO 2 Mai Thị Hải Hà vii Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý R TCO Điện trở của phản ứng kết hợp giữa điện tử từ nền điện cực không bị phủ bởi TiO 2 với I 3 - . R X Hệ số đáp ứng của đầu dò (detector response factors) của chất X S Phân tử chất nhạy quang S * Trạng thái kích thích của chất nhạy quang S + Dạng oxi hóa của chất nhạy quang SCE Điện cực Calomel bão hòa. TCO Lớp oxít dẫn trong suốt U tx Điện trường trong miền tiếp xúc hai bán dẫn p-n V Điện thế giữa hai đầu tải ngoài W Trở kháng khuếch tán Warburg của điện tử trong màng TiO 2 V max , I max Thế và dòng điện ứng với công suất cực đại V OC Thế mạch hở của pin Y o 1/|Z| ở ω = 1 rad/s (~ 0,16 Hz) Z Trở kháng của hệ Z C Trở kháng của điện dung Z d(sol) Trở kháng khuếch tán Nernst của ion trong dung dịch điện ly. Z G Trở kháng của phần tử Gerischer Z Q Trở kháng của CPE ΔE Biên độ thế áp vào hệ điện hóa ΔI Biên độ dòng điện ứng đáp ε Hệ số tắt mol (hệ số hấp thụ mol/molar extinction coefficient) η Hiệu suất chuyển đổi quang năng của pin λ max Cực đại hấp thụ ánh sáng của một chất σ Hệ số Warburg τ Pt Hằng số thời gian của sự chuyển điện tích trên điện cực đối ω Tần số góc của tín hiệu áp vào ω 1 Tần số đặc trưng của quá trình chuyển điện tử trên điện cực đối. ω 2 Tần số đặc trưng cho khuếch tán của điện tử trong lớp màng TiO 2 . Mai Thị Hải Hà viii Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý ω 3 Tần số đặc trưng cho sự tái kết hợp của điện tử trong màng với ion I 3 - trong dung dịch điện ly ω 4 Tần số đặc trưng của sự khuếch tán ion I 3 - trong dung dịch điện ly. Mai Thị Hải Hà ix [...]... ngắn mạch ISC, thế mạch hở VOC, và c ng suất c c đại Pmax đư c x c định từ đường đ c trưng dòng- thế như Hình 1.6 Hình 1.6: Đường đ c trưng dòng- thế và c c thông số hoạt động c a pin 1.3 Pin MT tinh thể nano oxít tẩm chất nhạy quang (DSC) 1.3.1 Nguyên t c hoạt động c a DSC [03] C u tr c phổ biến c a DSC gồm điện c c anốt là thủy tinh dẫn (TCO) phủ bởi lớp màng nano oxit TiO2 c tẩm chất nhạy quang. .. thu c vào c c yếu tố sau: Thành phần dung dịch điện ly: kích thư c c a c c ion, pH c a dung dịch Nồng độ c c chất trong dung dịch điện ly C ờng độ chiếu sáng 1.3.4 Động h c c c quá trình chuyển điện tích trong pin [09] Hình 1.14 biểu diễn tương quan t c độ c c quá trình chuyển điện tích c thể xảy ra trong DSC Hình 1.14: T c độ c c quá trình chuyển điện tích trong pin DSC Sự tiêm điện tử từ dye vào... đường cong dòng – thế 3 Hình 1.5: (a) Dòng ngắn mạch Isc và (b) Thế mạch hở VOC c a pin .3 Hình 1.6: Đường đ c trưng dòng- thế và c c thông số hoạt động c a pin .5 Hình 1.7: C u tr c c a pin MT tinh thể nano oxít TiO2 tẩm chất nhạy quang 7 Hình 1.8: Chu trình hoạt động c a pin mặt trời tinh thể nano oxít tẩm chất nhạy quang xét theo mặt năng lượng 7 Hình 1.9: C c phối tử thông dụng c a chất. .. gian phơi nhiệt ở 85oC trong tối: (A) Hiệu suất pin; (B) Isc; (C) Voc; (D) ff 61 Hình 4.5: Biến đổi thông số hoạt động c a c c pin dye N719, dung dịch điện ly c 4-TBP, đo ở c ờng độ sáng 250 W/m2 (đèn halogen) theo thời gian phơi nhiệt ở 85oC trong tối: (A) Hiệu suất pin; (B) Isc; (C) Voc; (D) ff .64 Mai Thị Hải Hà xi Luận Văn Th c Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý Hình 4.6: Biến đổi thông số hoạt động c a. .. 85oC trong tối: (A) Hiệu suất pin; (B) Isc; (C) Voc; (D) ff .57 Hình 4.3: Biến đổi thông số hoạt động c a c c pin dye D520, dung dịch điện ly không c 4-TBP, đo ở c ờng độ sáng 250 W/m2 (đèn halogen) theo thời gian phơi nhiệt ở 85oC trong tối: (A) Hiệu suất pin; (B) Isc; (C) Voc; (D) ff 59 Hình 4.4: Biến đổi thông số hoạt động c a c c pin dye đen, dung dịch điện ly không c 4-TBP, đo ở c ờng độ. .. tốt với chất nhạy quang Oxít bán dẫn là oxít c a c c kim loại chuyển tiếp như TiO2, ZnO, SnO2 hay Nb2O5 So với c c oxít bán dẫn kh c thì TiO2 đ c biệt thuận lợi dùng cho DSC vì không đ c, rẻ tiền và c tính quang dẫn điện tốt C c chất bán dẫn phổ biến kh c từ nguyên tố c c nhóm IIIA → VIA như n- và p-Si, n- và p-GaAs, n- và p-InP, n-CdS Mai Thị Hải Hà 8 Luận Văn Th c Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý khi chiếu... phosphonate, c c nhóm này c n đư c gọi một c ch hình ảnh là nhóm “neo” Hình 1.9: C c phối tử thông dụng c a chất nhạy quang Mai Thị Hải Hà 9 Luận Văn Th c Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý C c chất nhạy quang phổ biến nhất hiện nay là ph c chất lưỡng tính (ưa nư c và kị nư c) Ruthenium bipyridyl RuLL’(NCS)2 (Hình 1.11), với: L: 4,4’-dicarboxy-2,2’-bipyridine L’: 2,2’-bipyridine thế bởi 1 ho c 2 dây alkyl dài C c chất nhạy. .. xvi Luận Văn Th c Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý CHƯƠNG 1: C U TR C VÀ HOẠT ĐỘNG C A PIN MẶT TRỜI TINH THỂ NANO OXÍT TẨM CHẤT NHẠY QUANG Pin mặt trời (pin MT) là thiết bị biến đổi tr c tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng Pin MT kiểu tinh thể nano tẩm chất nhạy quang hiện đang đư c quan tâm nghiên c u mạnh mẽ bên c nh kiểu pin MT phổ biến nhất là bán dẫn p-n tiếp x c 1.1 Pin mặt trời kiểu bán dẫn p-n tiếp... động c a c c pin dye D520, dung dịch điện ly c 4-TBP, đo ở c ờng độ sáng 250 W/m2 (đèn halogen) theo thời gian phơi nhiệt ở 85oC trong tối: (A) Hiệu suất pin; (B) Isc; (C) Voc; (D) ff .66 Hình 4.7: Biến đổi thông số hoạt động c a c c pin dye đen, dung dịch điện ly c 4TBP, đo ở c ờng độ sáng 250 W/m2 (đèn halogen) theo thời gian phơi nhiệt ở 85oC trong tối: (A) Hiệu suất pin; (B) Isc; (C) Voc; (D)... (Utx sẽ ngăn c n sự khuếch tán tiếp t c c a c c hạt dẫn qua lớp tiếp x c) Khi chiếu sáng lớp tiếp x c p-n, c p điện tử - lỗ trống đư c tạo thành, bị tách ra dưới t c dụng c a điện trường tiếp x c Utx và bị gia t c về c c phía đối diện tạo thành một s c điện động quang điện (Hình 1.1) S c điện động quang điện phụ thu c vào bản chất chất bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp x c, bư c sóng và c ờng độ ánh sáng tới . VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI TINH THỂ NANO OXÍT TẨM CHẤT NHẠY QUANG Pin mặt trời (pin MT) là thiết bị biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng. Pin MT kiểu tinh thể nano tẩm. catot (B) theo thời gian phơi nhiệt của pin dye đen có phụ gia 4-TBP. 80 Hình 4.20: Phổ của các pin dye D520 theo thời gian phơi nhiệt. 80 Hình 4.21: Sự tăng điện trở khuếch tán ion theo thời. điện theo thời gian phơi.của pin 11N-0. 74 Hình 4.13: Phổ pin 11N-0 tại t = 725 giờ phơi nhiệt bị nhiễu ở cung tần số cao 75 Hình 4.14: Phổ của pin dye D520 không chứa 4-TBP (ví dụ pin 31D-0)