Download miễn phí Luận văn 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 độ C
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
THỂNANO 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 sốquang điện hóa đánh giá khảnăng hoạt động của pin.3
1.2.1. Dòng ngắn mạch ISCvà thếmạch hởVOC.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 sốlấp đầy ff (fill factor) .4
1.3. Pin MT tinh thểnano 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 khảnăng hoạt động của DSC .21
1.3.6. Độbền hoạt động của DSC .24
1.4. Ưu điểm của DSC so với pin MT kiểu p-n .24
1.5. Bức xạmặt trời ởbềmặt trái đất.25
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM.27
2.1. Phương pháp phổtổng trở điện hóa (EIS).27
2.1.1. Sơlược lý thuyết cơsởcủa phép đo phổtổng trở.27
2.1.2. Phân tích phổtổng 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 đềtài: .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. Chếtạo pin DSC .47
3.3.2. Bảng kí hiệu các pin .48
3.3.3. Xác định độdày màng .49
3.3.4. Đo đường đặc trưng dòng thế(I-V).49
3.3.5. Đo phổtổng trởcủa pin .50
3.3.6. Phân tích thành phần và hàm lượng các chất hấp phụtrên TiO2bằng máy
sắc ký lỏng hiệu năng cao ghép đầu dò khối phổHPLC-UV/Vis-MS .51
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢVÀ BIỆN LUẬN.55
4.1. Độdày màng TiO2.55
4.2. Độbền hoạt động của các pin không sửdụng phụgia 4-TBP dưới tác động
của nhiệt trong tối.55
4.3. Độbền hoạt động của các pin sửdụng phụgia 4-TBP dưới tác động của nhiệt
trong tối .62
4.4. Ảnh hưởng của phụgia 4-TBP đến khảnăng hoạt động của pin.69
4.5. Phân tích phổtổng trở điện hóa của pin trong quá trình phơi nhiệt ở85oC
trong tối .70
4.5.1. Mô hình hóa các quá trình chuyển vận điện tửvà ion trong pin DSC .70
4.5.2. Phổtổng trởcủa các pin không sửdụng phụgia 4-TBP .73
4.5.3. Phổtổng trởcủa các pin có sửdụng phụgia 4-TBP .77
4.6. Ảnh hưởng của phụgia 4-TBP đến quá trình chuyển vận điện tửvà ion trong
pin .82
4.7. Tác động của cường độsáng đến khảnăng hoạt động của pin .84
4.8. Sựbiến đổi của hàm lượng các chất hấp phụtrên 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 sửdụng dye N719.91
4.8.3. Hàm lượng chất trong pin sửdụng dye D520 .96
4.8.4. Thành phần các chất hấp thụtrên anot của pin sửdụng dye đen .100
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.113
TÀI LIỆU THAM KHẢO .116
PHỤLỤC A .120
PHỤLỤC B .123
http://s1.liketly.com/flash/edoc/jh2i1fkjb33wa7b577g9lou48iyvfkz6-swf-2013-12-26-luan_van_khao_sat_do_ben_hoat_dong_cua_pin_mat_tro.09DOuTf1lG.swf /tai-lieu/de-tai-ung-dung-tren-liketly-51934/Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
ị Hải Hà 5
Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Điện tử di chuyển qua màng TiO2 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 I3- tạo I-
I3- + 2e → 3I- (1.6)
I- khử dạng oxi hóa S+ thành dạng ban đầu S
I- + S+ → I3- + S (1.7)
Các điện tử được tiêm vào TiO2 ngoài con đường chuyển ra mạch ngoài có
thể tham gia vào ba phản ứng tái kết hợp hay còn gọi là phản ứng tạo dòng tối sau:
eTiO2 + S+ → S (1.8)
2eTiO2 + I3- → 3I- (1.9)
2eSnO2 + I3- → 3I- (1.10)
Phản ứng (1.10) xảy ra trên phần bề mặt TCO còn trống, nơi không có oxit
TiO2 che phủ. Phản ứng (1.9) xảy ra với mức độ đáng kể hơn nhiều so với hai phản
ứng còn lại, và là phản ứng tạo dòng tối chủ yếu trong pin.
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 TiO2 là do khuếch tán, không phải do điện
trường (không có điện trường trong từng hạt TiO2 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 TiO2 và thế oxi hóa khử của cặp I-/I3-.
Mai Thị Hải Hà 6
Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Hình 1.7: Cấu trúc của pin MT tinh thể nano oxít TiO2 tẩm chất nhạy quang [09].
Hình 1.8: Chu trình hoạt động của pin mặt trời tinh thể nano oxít tẩm chất nhạy
quang xét theo mặt năng lượng.
Mai Thị Hải Hà 7
Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
1.3.2. Cấu tạo của DSC [09] -
1.3.2.1. Đế điện cực:
Đế điện cực là thủy tinh có phủ lớp oxít dẫn trong suốt (TCO). Đế phải có độ
trong suốt cao (để ánh sáng có thể truyền qua) và điện trở thấp, giá trị điện trở ít phụ
thuộc vào nhiệt độ (nhiệt độ khi chế tạo DSC vào khoảng 500oC).
Lớp oxít dẫn thường là oxít thiếc có thêm Indium (Indium-doped tin oxide
ITO). ITO tuy độ bền nhiệt thấp, song lại có điện trở thấp ở nhiệt độ thường. Lớp
oxít dẫn trong DSC thường là oxít thiếc có thêm Fluorine (FTO). Thủy tinh dẫn
FTO của công ty Nippon Sheet Glass có điện trở R = 8-10 Ω.
1.3.2.2. Điện cực catốt
Thường là thủy tinh FTO có lớp Pt làm xúc tác hay có thể là vật liệu
carbon.
Ion I3- sinh ra trong phản ứng (1.7) sẽ bị khử ngược trở lại thành I- tại điện
cực đối. Để có thể khử I3- 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 I3-).
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 TiO2 với diện tích che phủ 1 cm2,
bề dày 1 μm có diện tích bề mặt thật sự lên đến 1000 cm2. Lớp màng TiO2 này có
thể chứa thêm một lượng nhỏ các hạt TiO2 lớn đường kính 250-300 nm để tán xạ
photon tới hiệu quả. Độ xốp của màng oxít rất quan trọng, các ion oxi hóa/ khử
trong dung dịch cần len qua được các hạt TiO2 để tiếp xúc tốt với chất nhạy quang.
Oxít bán dẫn là oxít của các kim loại chuyển tiếp như TiO2, ZnO, SnO2 hay
Nb2O5. So với các oxít bán dẫn khác thì TiO2 đặc biệt thuận lợi dùng cho DSC vì
không độc, rẻ tiền và có tính quang dẫn điện tốt. Các chất bán dẫn phổ biến khác từ
nguyên tố các 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 Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
khi chiếu sáng sẽ bị ăn mòn trong dung dịch chất điện ly, do đó không được sử dụng
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, R1,
R2, R3, R’, R1’, R2’, R3’, 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 này còn được gọi một cách hình ảnh là nhóm “neo”.
Hình 1.9: Các phối tử thông dụng của chất nhạy quang.
Mai Thị Hải Hà 9
Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Các chất nhạy quang phổ biến nhất hiện nay là phức chất lưỡng tính (ưa
nước và kị nước) Ruthenium bipyridyl RuLL’(NCS)2 (Hình 1.11), với:
L: 4,4’-dicarboxy-2,2’-bipyridine.
L’: 2,2’-bipyridine thế bởi 1 hay 2 dây alkyl dài.
Các chất nhạy quang Ruthenium bipyridyl này được sử dụng nhiều vì:
Trạng thái kích thích của chất nhạy quang có thể tồn tại lâu và trung tâm oxi hóa
Ru(III) có độ bền hóa học cao.
Hấp thụ được trong vùng khả kiến và hồng ngoại gần, ứng với sự chuyển của
điện tử từ HOMO (được xây dựng từ các orbital d của Ru) sang LUMO (là
orbital π* của phối tử). Chất nhạy quang N3 hấp thụ được ánh sáng trong vùng
400 nm đến 700 nm, chất nhạy quang đen hấp thụ được đến bước sóng trong
vùng hồng ngoại gần 900 nm (Hình 1.10).
Hình 1.10: Độ hấp thụ ánh sáng A của dye N3, dye đen và hiệu suất thu ánh sáng 1-
T của 2 dye này khi bám trên TiO2.
Nhóm carboxyl “neo” vào bề mặt TiO2 có tương tác điện tử mạnh với vùng dẫn
(CB) của TiO2, dẫn đến sự tiêm điện tử hiệu quả từ phức Ru vào TiO2.
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
Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Chất nhạy quang được sử dụng dưới dạng muối hơn là dạng axit. Điều này giúp
ngăn chặn sự giảm thế mạch hở trong pin gây ra bởi sự hấp phụ proton lên lớp
màng oxít.
Các phức Ruthenium bipyridyl được sử dụng trong đề tài bao gồm (Hình 1.11):
a. cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(II) bis-
tetrabutylammonium (N719) (MW = 1187.7 g/mol).
b. cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(II)
(N535) (Mw = 741.7 g/mol)
N535 là dạng proton hóa hoàn toàn của N719.
c. cis-bis(cyanido) bis(2,2’-bipyridyl-4,4’ dicarboxylato) ruthenium (II)
RuL2(CN)2 (L = 2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid) (N505) (Mw = 641 g/mol)
d. tris(isothiocyanato)-ruthenium(II)-2,2':6',2"-terpyridine-4,4',4"- tricarboxylic
acid, tris-tertrabutylammonium salt (dye đen) (Mw = 1364.7 g/mol)
e. cis-bis(isothiocyanato)(2,2'...
