Ứng dụng công nghệ nano oxit tẩm chất nhạy quang ( DSC ) tấm pin năng lượng mặt trời
- Các nhà khoa học đang tìm cách ứng dụng công nghệ mới cho các tấm pin năng lượng mặt trời , như chúng ta đã biết cấu tạo thường thấy của tấm pin năng lượng mặt trời được cấu tạo từ các lớp tiếp giáp p/n ( được dùng cho cả 2 loại pin mono và poly ) . Cơ chế hoạt động của nano oxit tẩm chất nhạy quang hoàn toàn khác so với pin mặt trời kiểu p/n .
- Đối với pin năng lượng mặt trời kiểu tiếp xúc p/n thì điện tử electron và lỗ trống được sinh ra ở cùng một pha và bị tách ra bởi điện trường trong vùng tiếp xúc 2 bán dẫn , 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 ( S+ ; i -3 ) được sinh ra ở 2 pha khác nhau và bị tách ra bởi sự khác biệt về hóa thế ở 2 pha . sự di chuyển của các electron trong màng TiO2 ( lớp màng nano oxit có tẩm chất nạy quang ) là do sự khuếch tán không phải do điện trường .
- Cấu tạo DSC
– 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.
– Điện cực catốt
Thường là thủy tinh FTO có lớp Pt làm xúc tác hoặc có thể là vật liệu carbon.Ion I3- sinh ra trong phản ứng 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-).
– 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 . Lớp màng nano TiO2 với diện tích che phủ 1 cm2 , bề dày 1 μm có diện tích bề mặt lên đến 1000 cm2. Lớp màng TiO2 này có thể chứa thêm một lượng nhỏ các hạt TiO2 lớn đường kính lên đến 250-300 nm để tán xạ photon . Độ xốp của màng oxít rất quan trọng, các ion oxy 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 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 , do vậy người ta tẩm thêm các chất nhạy quang (dye) có thể hấp thụ ánh sáng lên trên các oxít bán dẫn .
Tốc độ quá trình chuyển điện tích trong DSC
- Ưu điểm của DSC so với pin MT kiểu p-n
– Hiệu suất chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời cao hơn rất nhiều so với pin Si vô định hình.
– Giá thành thấp do qui trình chế tạo và vật liệu tương đối không đắt tiền.
– Nguồn nguyên vật liệu chế tạo pin khá phong phú: thủy tinh dẫn, oxit bán dẫn, các hợp chất iodide có sẵn rất nhiều. Dù nguồn Ruthenium làm chất nhạy quang không nhiều nhưng hàm lượng sử dụng trong DSC nhỏ chỉ cỡ 10-7 mol/cm2, và có thể được thay thế bằng các loại dye hữu cơ khác.
– Ít độc hại với môi trường. Dung môi hữu cơ dùng làm dung dịch điện ly trong DSC có thể độc hại. Nhiều nghiên cứu đang theo hướng thay thế dung dịch điện ly lỏng bằng dung dịch ở dạng gel hay rắn.
– Có khả năng tái sử dụng. Dye có thể giải hấp khỏi bề mặt TiO2 bằng cách xử lý với dung dịch kiềm hay đốt cháy, cho phép tái sử dụng anốt.
