Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Vật lý chất rắn: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ZnO, TiO2 dùng cho pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu

Luận văn trình bày các nghiên cứu cho thấy, hiệu suất của pin DSSC sử dụng điện cực TiO2 xốp cao hơn hiệu suất của pin DSSC có điện cực được làm từ ZnO, SnO2,... Hơn nữa, nhiều nghiên cứu [20, 54] cho thấy, pin DSSC sử dụng điện cực TiO2 có cấu trúc ống, dây, thanh (cột) nano đã chứng minh được ưu thế vượt trội về hiệu suất so với điện cực TiO2 có cấu trúc hạt nano.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Vật lý chất rắn: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ZnO, TiO2 dùng cho pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu“Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ZnO, TiO2 dùng cho pin mặt trời sử dụng chất nhạymàu”: Luận văn Thạc sỹ Vật lý chất rắn: 60 44 07 / Nguyễn Văn Tuyên; Người hướngdẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Thục Hiền MỞ ĐẦU Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng tăng, trong khi nguồnnăng lượng hoá thạch (như dầu mỏ, than đá, khí đốt,...) ngày càng cạn kiệt. Đồng thời, việc sửdụng quá mức năng lượng hoá thạch là một trong những nguyên nhân chủ yếu gây nên ônhiễm môi trường và làm biến đổi khí hậu. Do vậy, vấn đề thay thế nguồn năng lượng hoáthạch bằng các nguồn năng lượng sạch có khả năng tái tạo (như: năng lượng gió, thuỷ điện,mặt trời,...) là hướng đi quan trọng đặt ra đối với các quốc gia trên thế giới. Trong đó, nănglượng mặt trời tỏ ra có nhiều ưu điểm so với các nguồn năng lượng tái tạo khác. Đó là nguồnnăng lượng vô tận, siêu sạch và miễn phí. Đối với những khu vực có cường độ và thời gianchiếu sáng trong năm cao như nước ta thì việc khai thác năng lượng mặt trời có rất nhiều thuậnlợi. Mỗi năm, Việt Nam có khoảng 2.000-2.500 giờ nắng với mức chiếu nắng trung bìnhkhoảng 627,6 kJ/cm2, tương đương với tiềm năng khoảng 43,9 triệu tấn dầu qui đổi/1 năm.Đây là một nguồn năng lượng dồi dào mà không phải nơi nào cũng có được. Tuy nhiên, ởnước ta, việc khai thác năng lượng mặt trời để sản xuất điện còn hạn chế. Vì vậy, việc nghiêncứu khai thác nguồn năng lượng mặt trời ở nước ta có tiềm năng rất lớn, đặc biệt trong điềukiện giá nhiên liệu liên tục tăng như hiện nay. So với các phương pháp sản xuất điện từ năng lượng mặt trời, thì pin mặt trời có nhiềuưu điểm, đó là: kích thước gọn nhẹ, dễ lắp đặt. Pin mặt trời đầu tiên dựa trên cơ sở lớp chuyểntiếp p-n đã được thực hiện từ 1946 bởi Russell Ohl. Do công nghệ chế tạo khá phức tạp, giáthành cao nên pin mặt trời dựa trên lớp chuyển tiếp p-n vẫn chưa được sử dụng một cách rộngrãi. Năm 1972, pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu (DSSC) đầu tiên sử dụng chất diệp lụcvới điện cực ZnO. Tuy nhiên, loại pin này sử dụng điện cực ZnO phẳng nên hiệu suất rất thấp(dưới 1%), do vậy không được chú ý nhiều. Đến năm 1991, Brian ORegan và Michael Grätzelsử dụng điện cực TiO2 xốp có cấu trúc hạt nano cho pin DSSC và đã đạt được hiệu suất vượttrội (~7,1%-7,9%). Từ kết quả của ORegan và Grätzel đã có nhiều công trình nghiên cứu vềpin DSSC. Hiện nay, hiệu suất cao nhất của pin DSSC có giá trị vào khoảng 11,1%. Việc chếtạo pin DSSC có nhiều ưu điểm so với pin mặt trời sử dụng silic, như: yêu cầu các thiết bị và 1công nghệ đơn giản, giá thành rẻ hơn,... Những đặc điểm này rất phù hợp với điều kiện nghiêncứu ở nước ta. Pin DSSC thường sử dụng bán dẫn ôxít kim loại vùng cấm rộng có cấu trúc nano, như:TiO2, ZnO, SnO2, ... làm điện cực. Trong đó, TiO2 có nhiều ưu điểm, như: độ bền hoá học cao,không độc, rẻ tiền và có tính chất quang tốt nên thu hút được sự chú ý của nhiều nghiên cứu. Các nghiên cứu cho thấy, hiệu suất của pin DSSC sử dụng điện cực TiO2 xốp cao hơnhiệu suất của pin DSSC có điện cực được làm từ ZnO, SnO2,... Hơn nữa, nhiều nghiên cứu [20,54] cho thấy, pin DSSC sử dụng điện cực TiO2 có cấu trúc ống, dây, thanh (cột) nano đã chứngminh được ưu thế vượt trội về hiệu suất so với điện cực TiO2 có cấu trúc hạt nano. Vì những lý do trên, trong luận văn này, chúng tôi tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệuTiO2 có cấu trúc dạng cột nano để sử dụng làm điện cực cho pin mặt trời. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1.Tổng quan về pin DSSC1.1.1. Giới thiệu tổng quát về pin mặt trời Pin mặt trời là thiết bị biến đổi quang điện được sử dụng để sản xuất điện trực tiếp từnăng lượng mặt trời. Hiện nay, nhiều nghiên cứu quan tâm đến pin thế hệ thứ ba, trong đó có pin DSSC,nguyên lý hoạt động mô phỏng theo sự quang hợp của thực vật; pin polime hữu cơ... So vớipin mặt trời thế hệ thứ nhất và thứ hai, pin mặt trời thế hệ thứ 3 có những ưu điểm: - Công nghệ đơn giản, có khả năng tạo tấm lớn. - Tính mềm dẻo, trong suốt. - Dễ biến tính, có độ linh động cao. - Nhẹ và giá thành thấp. Trong luận văn này, chúng tôi tập trung nghiên cứu chế tạo màng TiO2 có cấu trúc cộtnano trên đế ITO để sử dụng làm điện cực cho pin DSSC.1.1.2. Cấu tạo của pin DSSC Cấu tạo của một pin DSSC điển hình được minh hoạ trên hình 1.1 2 Hình 1.1. Cấu trúc pin mặt trời DSSC dùng điện cực TiO2. Các thành phần cấu tạo của DSSC bao gồm: - Điện cực làm việc được chế tạo từ tấm thuỷ tinh có phủ lớp ôxit dẫn điện trong suốt(TCO), như FTO, ITO,... trên lớp TCO có phủ các hạt nano TiO2. Trên các hạt nano TiO2 cóphủ một đơn lớp chất màu nhạy sáng. Chất nhạy màu thường được sử dụng là phức rutheniumnhư: N3, N719, N749 và Z907. Một số trường hợp chấm lượng tử (ví dụ: CdS, CdSe, ...) cònđược dùng thay cho chất nhạy màu. - Một chất điện li (ví dụ: dung dịch Iốt) được cho vào giữa hai điện cực. Chất điện li cóvai trò nhận electron từ điện cực đối và trả cho chất màu. - Điện cực đối (counter electrode) được cấu tạo từ đế TCO có phủ một lớp màng Pt đểxúc tác phản ứng khử với chất điện li, một số trường hợp graphit còn được sử dụng để thay thếPt.1.1.3. Nguyên lý hoạt động của pin DSSC Nguyên lý hoạt động của pin DSSC được mô tả trên hình 1.2 Hình 1.2. Minh hoạ nguyên lý hoạt động của pin DSSC. Các phương trình (1), (2), (3), (4) và (5) diễn tả nguyên lý hoạt động của pin DSSC h  Dye  Dye* (1) Dye* + TiO2  e-(TiO2 )  Dye (2) ...