Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC 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 chất nhạy quang hiện đang được quan
tâm nghiên cứu mạnh mẽ bên cạnh kiểu pin MT phổ biến nhất là bán dẫn p-n tiếp
xúc.

1.1. Pin mặt trời kiểu bán dẫn p-n tiếp xúc
1.1.1. Nguyên tắc hoạt động
[29]
Khi 2 lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt
dẫn (tức là do gradient hóa thế) nên các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang p,
lỗ trống khuếch tán ngược lại từ bán dẫn p sang n. Sự khuếch tán này làm cho phần
bán dẫn n sát lớp tiếp xúc tích điện dương, còn phần bán dẫn p ngay đối diện tích
điện âm. Trong miền tiếp xúc lúc này hình thành điện trường U
tx
hướng từ bán dẫn
n sang p (U
tx
sẽ ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các hạt dẫn qua lớp tiếp xúc).
Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, bị tách
ra dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc U
tx
và bị gia tốc về các phía đối diện tạo
thành một sức điện động quang điện (Hình 1.1). Sức điện động quang điện phụ
thuộc vào bản chất chất bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh
sáng tới.

trở mắc nối tiếp R
s
là điện trở tiếp xúc giữa các dây nối điện và điện trở của lớp bán
dẫn (pin MT lý tưởng sẽ không có thành phần R
p
và R
s
).

Hình 1.3: Mạch tương đương của pin MT kiểu tiếp xúc p-n khi được chiếu sáng.

Mai Thị Hải Hà 2 Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Mắc tải ngoài, thay đổi điện trở tải thu được đường cong biểu thị sự biến đổi
tương ứng của dòng và thế qua tải. Đường đặc trưng dòng- thế này cho biết khả
năng hoạt động của một pin.
Để pin hoạt động tốt thì R
p
cần phải cao và R
s
cần thấp để dòng qua tải ngoài
I là cực đại và dòng hao phí I
p
là cực tiểu (Hình 1.4).

Hình 1.4: Ảnh hưởng của độ lớn R
s
và R

⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+= 1ln
O
SC
OC
I
I
q
kT
V
(1.1)
Với k: hằng số Boltzmann
T: nhiệt độ lớp tiếp xúc
q: điện tích cơ bản
I
o
: dòng điện ngược bão hòa (có được khi áp thế ngược vào 2 đầu bán dẫn,
với cực âm nối vào bán dẫn n)

1.2.2. Điểm có công suất cực đại
Pin có thể hoạt động trong một dải thế V và dải dòng I rộng. Bằng cách thay
đổi giá trị của tải ngoài từ R = 0 (ứng với dòng ngắn mạch) đến giá trị R rất cao
(ứng với mạch hở), ta thể xác định được điểm (V
max
, I
max

và dòng ngắn mạch I
SC
Mai Thị Hải Hà 4 Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
SCOC
IV
P
ff
.
max
=
(1.4)
Các thông số quang điện hóa gồm dòng ngắn mạch I
SC
, thế mạch hở V
OC
, và
công suất cực đại P
max
được xác định từ đường đặc trưng dòng- thế như Hình 1.6.

Hình 1.6: Đường đặc trưng dòng- thế và các thông số hoạt động của pin.

1.3. Pin MT tinh thể nano oxít tẩm chất nhạy quang (DSC)
1.3.1. Nguyên tắc hoạt động của DSC
[03]
Cấu trúc phổ biến của DSC gồm điện cực anốt là thủy tinh dẫn (TCO) phủ
bởi lớp màng nano oxit TiO

Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
 Điện tử di chuyển qua màng TiO
2
xốp đến nền thủy tinh dẫn TCO, rồi qua tải
ngoài và về điện cực đối. Tại điện cực đối điện tử kết hợp với I
3
-
tạo I
-

I
3
-
+ 2e → 3I
-
(1.6)
 I
-
khử dạng oxi hóa S
+
thành dạng ban đầu S
I
-
+ S
+
→ I
3
-
+ S (1.7)

Các phản ứng tái kết hợp này làm giảm lượng điện tử chuyển ra mạch ngoài,
do đó làm giảm dòng ngắn mạch cũng như hiệu suất chuyển đổi quang năng của
pin.

Cơ chế hoạt động của DSC khác hoàn toàn so với pin MT kiểu p-n tiếp xúc.
Điện tử và lỗ trống trong p-n sinh ra ở cùng 1 pha, bị tách ra bởi điện trường trong
vùng tiếp xúc 2 bán dẫn, và hiệu thế quang sinh của pin được quyết định bởi hiệu
điện thế trong vùng tiếp xúc này. Đối với DSC, điện tử electron và lỗ trống (là S
+
, I
-
3
) được sinh ra ở 2 pha khác nhau, bị tách ra bởi sự khác biệt về hóa thế ở 2 pha. Sự
di chuyển của electron trong màng TiO
2
là do khuếch tán, không phải do điện
trường (không có điện trường trong từng hạt TiO
2
hay giữa các hạt trong màng vì
kích thước một hạt quá nhỏ (15 nm)). Hiệu thế quang sinh trong DSC phụ thuộc
vào hóa thế của electron trong TiO
2
và thế oxi hóa khử của cặp I
-
/I
3
-
.

carbon.
Ion I
3
-
sinh ra trong phản ứng (1.7) sẽ bị khử ngược trở lại thành I
-
tại điện
cực đối. Để có thể khử I
3
-
hiệu quả thì điện cực đối phải có hoạt tính xúc tác điện
hóa cao (xúc tác Pt giúp giảm quá thế của sự khử I
3
-
).

1.3.2.3. Điện cực quang anốt
Điện cực anốt gồm lớp oxít kim loại bán dẫn phủ trên nền thủy tinh dẫn. Lớp
oxít này có cấu trúc xốp, tồn tại dưới dạng các khối đa tinh thể đường kính hạt 10-
30 nm, gọi là tinh thể nano
[27]. Lớp màng nano TiO
2
với diện tích che phủ 1 cm
2
,
bề dày 1 μm có diện tích bề mặt thật sự lên đến 1000 cm
2
. Lớp màng TiO
2
này có

trong DSC. Các oxit kim loại bán dẫn tuy bền trong dung dịch điện ly ngay cả khi bị
chiếu sáng, nhưng do có năng lượng vùng cấm lớn nên không hấp thụ ánh sáng khả
kiến, do vậy người ta tẩm thêm các chất nhạy quang (dye) có thể hấp thụ ánh sáng
khả kiến lên trên các oxít bán dẫn.

1.3.2.4. Chất nhạy quang (dye)
[09],[27]
Các phức chất của kim loại chuyển tiếp như Ru, Os, Fe với các phối tử dị
vòng như pyridyl hay polypyridyl 2 càng, 3 càng, đa càng (Hình 1.9) đã được chứng
tỏ là những chất nhạy quang tốt cho pin DSC. Trong đó, ít nhất một nhóm thế R, R
1
,
R
2
, R
3
, R’, R
1
’
, R
2
’
, R
3
’
, R
’’
có hệ thống liên kết π liên hợp, nối dài thêm hệ liên hợp
π chính của vòng pyiridyl, giúp gia tăng độ hấp thụ ánh sáng. Các phân tử chất nhạy
quang bám vào bề mặt oxít kim loại bằng các nhóm carboxylate, phosphonate, các

 Nhóm carboxyl “neo” vào bề mặt TiO
2
có tương tác điện tử mạnh với vùng dẫn
(CB) của TiO
2
, dẫn đến sự tiêm điện tử hiệu quả từ phức Ru vào TiO
2
.
 Phối tử NCS
-
làm mức năng lượng HOMO cao lên, dẫn đến sự dịch chuyển đỏ
trong phổ hấp thụ của chất nhạy quang; đồng thời là tác nhân nhận điện tử từ I
-
.
Mai Thị Hải Hà 10