SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI
TRƯỜNG THPT HÀ NỘI – AMSTERDAM
Quận Cầu Giấy
**************
ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT
DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ
LẦN THỨ TƯ
NĂM HỌC 2014 - 2015
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI DÙNG MỘT SỐ SẮC
TỐ QUANG HỢP
Lĩnh vực: Năng lượng và vận tải
NGƯỜI HƯỚNG DẪN
- Thạc sĩ Đặng Minh Tuấn
- Đơn vị công tác: Trường
THPT Hà Nội -Amsterdam
TÁC GIẢ:
1. Đậu Hoàng Quân – 12H1 – THPT Hà Nội – Amsterdam
2. Trần Duy Anh Nguyên – 12H1 – THPT Hà Nội – Amsterdam
Hà Nội,23 tháng 11 năm 2014
MỤC LỤC
Phần I: Lý do chọn đề tài
Phần II: Tổng quan đề tài nghiên cứu
Phần III: Nghiên cứu và kết quả
Phần IV: Kết luận
Tài liệu tham khảo
PHẦN I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
1. Vấn đề về môi trường
Nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt đồng thời gây tác động xấu
đến môi trường và xã hội. Năng lượng thủy điện và điện hạt nhân tiềm ẩn những
rủi ro với hệ sinh thái và sự an toàn của con người. Năng lượng sạch nói chung
và năng lượng mặt trời nói riêng là giải pháp cho nhu cầu về năng lượng ngày

Tìm ra hướng mới trong lĩnh vực pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng
bằng cách ứng dụng phycobiliprotein với vai trò như trong tự nhiên, các chất
nhạy sáng sử dụng trong pin là các thành phần có sẵn trong tự nhiên, không độc
hại, với quá trình chuẩn bị và tổng hợp đơn giản cùng hiệu suất cao nhất có thể.
Đóng góp vào quá trình tìm ra phương thức tối ưu về mặt hiệu suất và sự thân
thiện với môi trường để chuyển hóa năng lượng mặt trời thành năng lượng
điện.
PHẦN III: NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ
1. Lý thuyết
1.1. Nguyên lý hoạt động:
Pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng ( Dye Sensitized Solar Cell hay
DSSC ) là một loại pin mặt trời giá rẻ thuộc loại pin mặt trời film mỏng. Loại
pin này còn được gọi là pin Graetzel do Brian O'Regan và Michael Graetzel
sáng chế vào năm 1988. Pin được cấu tạo từ hai lớp kính dẫn điện anode có
chứa chất nhạy sáng, ở giữa là dung môi và một bộ phận điện hóa. Hiện giờ
hiệu suất cao nhất là 11%, điều này đã mở ra một lĩnh vực triển vọng để thay
thế các nguồn năng lượng cũ.
Hình3.1.Biểu đồ năng
lượng và nguyên lý hoạt
động của pin mặt trời sử
dụng chất nhạy sáng
(.Kohjiro Hara &
Hironori Arakawa)
Pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng (DSSC) mô phỏng quá trình hấp thụ
năng lượng ở lá cây và thực vật quang hợp trong tự nhiên. Cấu tạo của DSSC
gồm 2 điện cực, 1 điện cực có gắn lớp bán dẫnTiO
2
(titan dioxit) trên bề mặt
TiO
2

tới điện cực đối.Tại điện cực đối electron khử I
3
-
thành I
-
với Pt xúc tác I
3
-
+ 2e
-
→ 3I
-
. Chất nhạy sáng nhận electron từ I
-
, I
-
bị oxi hóa thành I
3
-
, kết thúc một
chu trình.
Sắc tố quang hợp (Pheophorbide a, chlorophyllide & Phycocyanin) sử
dụng trong pin theo mô hình của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền
năng lượng đã được đưa ra bởi Brian. E. Hardin và cộng sự trong một báo cáo
năm 2009.
Hình 3.2. Cấu trúc pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng (B.E. Hardin et
al, 2013) (1) Chất nhạy sáng trên TiO
2
và (2) Chất nhạy sáng truyền năng lượng
Cấu trúc của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng truyền năng lượng

Vậy lý thuyết chính của pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp dựa trên
lý thuyết về khả năng hấp thụ và truyền electron của chất nhạy sáng gắn trên
TiO
2
và khả năng truyền năng lượng của chất nhạy sáng truyền năng lượng theo
cơ chế FRET.
1.2. Cơ sở lý thuyết:
1.2.1. Truyền năng lượng cộng hưởng (FRET)
Truyền năng lượng cộng hưởng (FRET) là cơ chế truyền năng lượng
không phát xạ và phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phân tử chất tham gia
quá trình truyền năng lượng. Chất tham gia quá trình truyền năng lượng cộng
hưởng bao gồm một chất cho và một chất nhận. Chất cho và chất nhận đều phải
có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng, ngoài ra chất cho còn phải có khả
năng huỳnh quang. Chất nhận không nhất thiết phải có khả năng huỳnh quang
nhưng phần lớn trong các trường hợp chất cho và chất nhận đều có khả năng
huỳnh quang. Trong quá trình truyền năng lượng cộng hưởng, chất cho ở trạng
thái kích thích truyền năng lượng sang chất nhận qua tương tác lưỡng cực –
lưỡng cực.
Nguyên lý cơ chế truyền năng lượng cộng hưởng
Ban đầu, chất cho hấp thụ năng lượng do được kích thích bởi một số
bước sóng nhất định và sau đó truyền năng lượng kích thích đó tới phân tử chất
nhận nằm gần đó. Tóm tắt quá trình truyền năng lượng cộng hưởng với D là
chất cho (donor) và A là chất nhận (acceptor) :
D + hν → D*
D* + A → D + A*
Quá trình truyền năng lượng tự diễn biến qua sự dập tắt của chất cho và
giảm thời gian sống ở trạng thái kích thích kết hợp với sự tăng cường độ huỳnh
quang của chất nhận. Hình 2.4 là giản đồ Jablonski miêu tả quá trình truyền
năng lượng cộng hưởng gồm có sự chuyển dịch đồng thời của trạng thái kích
thích ở chất nhận về trạng thái cơ bản và sự chuyển dịch từ trạng thái cơ bản của

suất của môi trường, : số Avogadro, : tích phân phổ trùng lặp giữa chất cho
và chất nhận, : phổ phát xạ chuẩn hóa của chất cho , : hệ số hấp thụ phân tử
của chất nhận. Khoảng cách Forster (hay bán kính Forster - ) là khoảng cách
mà tại đó một nửa năng lượng kích thích của chất cho được truyền sang chất
nhận, hay tại đó mà hiệu suất truyền năng lượng theo cơ chế cộng hưởng là
50%.
Tóm lại, hiệu suất của quá trình truyền năng lượng cộng hưởng FRET
phụ thuộc vào mức độ phổ trùng lặp giữa cặp chất cho – chất nhận, hiệu suất
lượng tử của chất cho, yếu tố định hướng lưỡng cực giữa chất cho – chất nhận
và khoảng cách giữa hai phân tử chất cho – chất nhận. Bất cứ qua trình hay
tương tác nào ảnh hưởng đến khoảng cách giữa cặp chất cho – chất nhận đều
ảnh hưởng đến hiệu suất của FRET.
1.2.2. Sắc tố quang hợp:
Sắc tố quang hợp có cây, tảo và vi khuẩn lam, có nhiệm vụ thu nhận năng
lượng ánh sáng cần thiết cho quá trình quang hợp. Vì sắc tố quang hợp chỉ hấp
thụ được một số bước sóng nhất định nên trong lục lạp hay vi khuẩn quang hợp
thường có một số loại sắc tố kết hợp với nhau để hấp thụ được nhiều năng
lượng ánh sáng hơn. Có ba loại sắc tố quang hợp chính là chlorophyll,
carotenoid và phycobiliprotein. Mỗi loại sắc tố có cấu tạo đặc trưng với khả
năng hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau để phục vụ cho quá trình hấp
thu năng lượng ánh sáng với hiệu quả cao nhất.
Chlorophyll là sắc tố màu xanh, có khả năng hấp thụ tốt trong khoảng
bước sóng 400 – 450 nm (với đỉnh 430 nm) và 625 – 675 (với đỉnh 662 nm).
Phân tử chlorophyll có chứa vòng porphyrin, cấu trúc dạng vòng bền cho phép
electron di chuyển tự do trong phân tử. Vì electron có thể di chuyển tự do trong
phân tử nên vòng porphyrin có khả năng nhận hoặc cho electron dễ dàng, giúp
các phân tử bên cạnh nhận được electron. Trong tự nhiên có nhiều loại
chlorophyll nhưng quan trọng nhất là chlorophyll a (hình 2.4). Đây là
chlorophyll nằm cuối chuỗi chuyền năng lượng trong protein quang hợp và nằm
ở đầu chuỗi truyền electron với chất nhận cuối cùng là phân tử tạo đường – một

C-Phycocyanin, R-Phycocyanin. Các loại Phycobiliprotein này có sự khác biệt
về đỉnh hấp thụ hay hiệu suất lượng tử…, nhưng sự khác biệt này nhỏ hơn. Sự
phân chia nàylàm cho quá trình hấp thụ ánh sáng trong tự nhiên diễn ra với hiệu
suất cao do mỗi sắc tố protein chỉ đảm nhiệm hấp thụ ánh sáng cho một vùng
bước sóng nhất định.
Phycobiliprotein không chỉ có ích trong cơ thể sống mà còn được dùng
như một hóa chất phục vụ nghiên cứu do khả năng phát huỳnh quang tại một số
bước sóng nhất định. Nhờ tính chất này mà phycobiliprotein được dùng như
chất đánh dấu. Một số thông số về một số loại phycobiliprotein được đưa ra
trong bảng dưới đây.
Bảng 3.2. Một số thông số về phycobiliprotein
1.2.2.1. Pheophorbide a
Pheophorbide a (phe a) là sản phẩm phân giải của chlorophyll a (chl
a).Quá trình phân giải từ chl a thành phe a có thể chía làm hai bước.Bước là
đuôi phytyl của chl a bị tách ra dưới tác dụng của enzyme chlorophyllase –
enzyme có sẵn trong lá cây – tạo thành phytol (Hình 3.10) và pheophytin (Hình
Phycobiliprotein Khối lượng
phân tử
(kDa)
Đỉnh bước sóng
hấp thụ(nm) /đỉnh
bước sóng phát xạ
(nm)
Hiệu suất
lượng tử
(Hiệu suất
phát quang)
Hệ số hấp thụ
phân tử tại bước
sóng cao nhất (M

) và 668 nm (44,630 M
-1
cm
-1
) trong ethanol
(Eichwurzel, 2000) so với Chlorophyll a (chl a) có hai đỉnh hấp thụ ở bước
sóng 416.25 nm (111,094 M
-1
cm
-1
) và 659.5 nm (32,691 M
-1
cm
-1
) trong
methanol (Strain, 1963) . Từ đó có thể thấy phe a có khả năng hấp thụ ánh sáng
ở bước sóng 600 nm – 700 nm tốt hơn chl a. Ngoài ra, phe a còn có gốc
carboxyl ở vị trí đuôi phytyl của chl a, giúp pheo a có thể gắn được lên bề mặt
TiO
2
.
1.2.2.2. Chlorophyllide
Chlorophyllide (Hình 3.11) là một sản phẩm phân giải khác của
chlorophyll bằng cách cắt đuôi phytol do enzyme chlorophyllase thực hiện.
Trong tự nhiên, enzyme chlorophyllase thường có trong màng thylakoid.
1.2.2.3. Phycocyanin (PC)
Phycocyanin là một protein sắc tố nằm trong tổ hợp hấp thụ ánh sáng
phycobiliprotein, cùng với allophycocyanin và phycoerythrin. Các thông số về
khả năng hấp thụ và huỳnh quang của phycocyanin đã được thể hiện trong bảng
2.1.

Bảng 3.3. Công thức FRET trong pin DSSC (Hardin et al.)
Trong đó : tốc độ truyền năng lượng theo cơ chế FRET, : thời gian
sống của trạng thái kích thích của chất cho, : vecto vị trí của chất cho, :
vecto vị trí của chất nhận
Trong hệ pin mặt trời, giả sử chất nhận năng lượng phân bố đều với mật
độ dày đặc trên bề mặt của hạt TiO
2
, biểu thị bằng C
A
– mật độ bề mặt – và chất
cho năng lượng phân bố đều ở môi trường xung quanh. Nếu khoảng cách trung
bình giữa mỗi phân tử chất cho và phân tử chất nhận nhỏ hơn khoảng cách
Foerster (C
A
R
0
>> 1) thì từ phương trình trên có thể rút ra tốc độ truyền năng
lượng phụ thuộc vào bề mặt của hạt TiO
2
(2).
2. Thực nghiệm
2.1. Phycocyanin
Phycocyanin được chiết xuất từ sinh khối Spirulina Plantesis khô sau đó
được kiểm tra độ tinh sạch, nồng độ, hấp thụ và phổ huỳnh quang.
2.1.1. Chiết xuất Phycocyanin từ Spirulina Plantesis
Sinh khối khô Spirulina Plantesis được ngâm 24h trong nước cất ở nhiệt
độ 4°C, tỉ lệ 1/25 (w:v). Lấy hỗn hợp ly tâm ở tốc độ 12,000 rpm trong 15 phút,
nhiệt độ 4°C để loại bỏ phần xác tế bào. Thu lấy dung dịch sau khi ly tâm, cho
(NH
4

trong bong tối nhiệt độ 4 độ C. Điều chế Chlorophyllide: Ngắt khoảng 3,4 lá
chanh cùng điều kiện như trên, rửa sạch bằng nước cất, cắt diện tích ( 0,5x0,5
mm) loại bỏ gân lá, rồi cho vào dung dịch thu được ở trên. Để hỗn hợp này
trong tối nhiệt độ bình thường khoảng 1 ngày rồi bỏ lá chanh và cho vào trong
nhiệt độ 4 độ C.
2.3. Pheophorbide a
Pheophorbide a được lấy từ Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa hoc và
Công nghệ Việt Nam dưới dạng tinh thể. Thí nghiệm đo phổ hấp thụ nhằm xác
định phổ hấp thụ của pheophorbide a, tính toán hiệu suất truyền năng lượng
theo FRET. Phổ hấp thụ được đo với máy Shimadzu UV 1800, đo phổ hấp thụ
trên dải 300 nm – 900 nm. Tất cả phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang được đo tại
Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.4. Pin mặt trời sử dụng sắc tố quang hợp
Mục đích: thử nghiệm khả năng hoạt động của pheophorbide a,
chlorophyllide và phycocyanin trong pin mặt trời, đo đạc và so sánh các thông
số liên quan đến hiệu suất pin.
Thí nghiệm: Thí nghiệm pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng gồm năm
thí nghiệm. Thí nghiệm 1: pheophorbide a làm chất nhạy sáng trên TiO2, pin sử
dụng dung dịch điện ly KI – 0.1 M/I2 – 0.05 M trong dung môi nước. Thí
nghiệm 2: pheophorbide a làm chất nhạy sáng trên TiO2, pin sử dụng dung dịch
điện ly KI – 0.1 M/I2 – 0.05 M trong dung môi nước với hệ đệm Na phosphate
0.0025 M và phycocyanin được chiết xuất lần đầu. Thí nghiệm 3: sử dụng
pheophorbide a làm chất nhạy sáng trên TiO
2
, pin sử dụng dung dịch điện ly KI
– 0.1 M/I
2
– 0.05 M trong dung môi acetonitrile. Thí nghiệm 4: chlorophyllide
làm chất nhạy sáng trên TiO
2

6
rồi nhỏ
dung dịch vào chính giữa mẫu TCO, sau đó để khô và nung giống như hai mẫu
có TiO
2
, sau đó đưa về nhiệt độ phòng. Ghép điện cực: chuẩn bị tấm sealant đã
cắt hổng ở giữa diện tích 1cm
2
, sau đó đặt khít tấm sealant vào vùng có TiO
2
,
rồi đặt điện cực Pt lên như hình sau:
Hình 3.13(Solaronix)
Tiếp theo nung ở nhiệt độ 150 độ trong 4 phút để tấm sealant chảy ra rồi
để nguội ở nhiệt độ phòng. Chuẩn bị dung dịch điện ly: Dung dịch điện ly gồm
KI và I
2
(0.1/0.05M) trong dung môi nước cất. Đối với pin có chất nhạy sáng
truyền năng lượng C – Phycocyanin, trong dung dịch điện ly còn có hệ đệm
phosphate 0.0025 M. Hoàn thiện pin: Dùng ống tiêm cao su hút dung dịch điện
ly rồi bơm vào lỗ đã khoan ở điện cực Pt, tiếp sau đó là dán mảnh sealant đã
khoét để bít lỗ khoan.
Pin được chiếu sáng bằng đèn halogen đối với thí nghiệm 1 và 2. Hiệu
điện thể và cường độ dòng điện được ghi lại bởi máy Potentiostat
galvanostat.Pin được chiếu sáng với Solar Simulator 1.5 AM trong thí nghiệm
3,4 và 5. Hiệu điện thế và cường độ dòng điện được ghi lại với máy Hewlett
Packard 4155A Semiconductor parameter analyzer. Toàn bộ thí nghiệm và đo
đạc được thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam.
3. Kết quả và giải thích

c-phycocyanin là do hệ số hấp thụ phân tử của allophycocyanin thấp hơn của c-
phycocyanin, 7.3×10
5
cm
-1
M
-1
so với 1.54×10
6
cm
-1
M
-1
(bảng 2.1) và do sự sai
khác về nồng độ giữa hai chất trong dung dịch.
3.1.2. Phổ huỳnh quang
Hình 3.16. Phổ huỳnh quang
của C- Phycocyanin
Phổ huỳnh quang của mẫu chiết xuất phycocyanin có đỉnh cao nhất tại
bước sóng 662 nm và một đỉnh thấp hơn, về phía bước sóng ngắn hơn, 642 nm.
Hai đỉnh bước sóng phát xạ của mẫu chiết trùng với hai đỉnh phát xạ của
allophycocyanin (662 nm) và c-phycocyanin (642 nm). Phổ hấp thụ của của
allophycocyanin thấp hơn của c-phycocyanin nhưng phổ huỳnh quang lại mạnh
hơn, như vậy có khả năng một phần năng lượng của c-phycocyanin hấp thụ
được được chuyển qua allophycocyanin và phát huỳnh quang tại huỳnh quang
của phycocyanin mặc dù hiệu suất lượng tử phát quang của allophycocyanin
thấp hơn.
Giả thuyết về việc c-phycocyanin truyền năng lượng sang
allophycocyanin cần kiểm chứng thêm bằng các phép đo khác nhưng điều này
mở ra ý tưởng sử dụng nhiều chất nhạy sáng truyền năng lượng khác nhau trong

-6
1.0x10
-5I (A)
U (V)
Relay DSSC
DSSC
Hình 3.19. Đường U – I của hai pin
mặt trời DSSC và Relay DSSC
Hiệu điện thế của pin sử dụng chất màu nhạy sáng truyền năng lượng cao
hơn so với pin không sử dụng chất nhạy sáng truyên năng lượng, tuy nhiên
cường độ dòng điện lại thấp hơn. Việc pin sử dụng chất nhạy sáng truyền năng
lượng là phycocyanin có cường độ dòng điện thấp hơn có thể lý giải bằng hai lý
do. Đầu tiên, khả năng hấp thụ tại bước sóng trong khoảng 650 – 700 nm của
pheophorbide a chưa đủ cao để quá trình truyền năng lượng diễn ra với hiệu
suất cao. Lý do còn lại là do mẫu tách chiết phycocyanin chưa sạch. Mẫu
phycocyanin trong chất điện ly còn chứa nhiều tạp chất có khả năng hấp thụ
mạnh trong khoảng 300 – 450 nm, vùng mà pheophorbide hấp thụ tốt nhất, điều
này khiến năng lượng ánh sáng được chuyển hóa bởi pheophorbide ở dải sóng
này ít đi kéo theo sự giảm về cường độ dòng điện.
Cường độ dòng điện nhỏ của pheophorbide a (cấp độ uA) được giải thích
do pheophorbide a có phản ứng với oxi ngay trên bề mặt TiO
2
(không bền) và
khả năng chuyển electron đến màng TiO
2
kém do hệ liên hợp không kéo dài tới
liên kết giữa pheophorbide a và TiO

Thí nghiệm 5 0.44 0.0159
Bảng 3.4. Hiệu suất pin trong ba thí nghiệm
Từ hiệu suất của ba pin có thể thấy pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng
chlorophyllide và phycocyanin cho hiệu suất cao nhất. Hiệu suất của pin dùng
chlorophyllide cao hơn so với pin dùng pheophorbide a là do chlorophyllide có
nhân Mg trong vòng porphyrin làm bền hóa còn pheophorbide kém bền hơn.
Cường độ dòng điện của pin sử dụng phycocyanin cao hơn do mẫu
phycocyanin được tách chiết lần hai sạch hơn, khả năng hấp thụ của
chlorophyllide ở bước sóng 400 – 450 nm tốt hơn, pin nhận được thêm năng
lượng do phycocyanin hấp thụ.
Ghi chú: Đến thời điểm hoàn thành báo cáo này, do điều kiện nghiên cứu
chưa đầy đủ nên nhóm sẽ bổ sung các kết quả thí nghiệm và nghiên cứu lý
thuyết trong khi trình bày.
PHẦN IV: KẾT LUẬN
1. Kết quả
Từ các kết quả thí nghiệm với các loại pin sử dụng sắc tố quang hợp
pheophorbide, chlorophyllide và phycocyanin có thể thấy phycocyanin có thể
làm tăng hiệu suất của pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng với trong một số
điều kiện thích hợp về môi trường chất điện ly. Chất nhạy sáng nhận năng lượng
từ phycocyanin cần đáp ứng một số điều kiện về phổ hấp thụ và khả năng hấp
thụ.
Pin mặt trời sử dụng chất nhạy sáng có thể có hiệu suất cao hơn khi chất
nhạy sáng gắn trên TiO
2
bền hơn và có khả năng truyền electron tốt hơn.
Phycocyanin có thể thể hiện hiệu ứng truyền năng lượng tốt hơn với một chất
nhận năng lượng có hệ số hấp thụ cao hơn.
2. Khó khăn
Do điều kiện thí nghiệm còn hạn chế trong quá trình chiết xuất protein
phycocyanin và chế tạo pin nên hiệu suất chưa thể đạt mức tối ưu. Ngoài ra các