Nghiên cứu sử dụng chất màu nhạy sáng tự nhiên để chế tạo pin mặt trời hữu cơ

128 Tạp chí Hóa học, T. 45 (6A), Tr. 128 - 132, 2007 Nghiên cứu sử dụng chất màu nhạy sáng tự nhiên để chế tạo pin mặt trời hữu cơ Đến Tòa soạn 15-11-2007 Nguyễn Đức Nghĩa, Ngô Trịnh Tùng, Vũ Quốc Thắng, Trần Việt H Viện Hóa học, Viện Khoa học v' Công nghệ Việt Nam Summary Natural light-sensitive dyes like chlorophyll and its derivative have two strong absorption peaks in the visible region (blue and orange region). Therefore they could be used for fabrication of dye-sensitized solar cell. Comparing the performance, dye-sensitized solar cell using chlorophyllin sodium copper salt as dye has achieved better I-V properties than the solar cell using chlorophyll as dye such as higher open circuit photovoltage, short circuit current density, higher maximum power output and overall energy conversion efficiency. The parameters of the solar cell using chlorophyllin sodium copper salt are: Voc = 427 mv, Isc =170 àA/cm2, FF = 0.4 and  = 0.036%. I - Mở đầu Trong thế kỷ 21, vấn đề năng lợng sẽ trở thnh mối quan tâm hng đầu trên thế giới do các nguồn năng lợng tự nhiên nh dầu mỏ, than đá ngy cng cạn kiệt. Điều ny đ3 thúc đẩy sử phát triển các nguồn năng lợng có khả năng tái tạo nh dùng sức gió hay sử dụng năng lợng mặt trời. Cho đến nay, pin mặt trời chế tạo trên công nghệ sử dụng vật liệu silicon (Si) đ3 từng bớc đợc ứng dụng một cách rộng r3i. Trong thời gian gần đây, pin mặt trời hữu cơ đ3 thu hút đợc sự quan tâm của các nh khoa học trên thế giới do so với pin mặt trời sử dụng công nghệ vật liệu Si, pin mặt trời loại ny có một số u điểm vợt trội nh giá thnh sản xuất rẻ, có độ linh hoạt cao v khả năng chế tạo qui mô lớn dễ dng [1]. Trong các loại pin mặt trời hữu cơ, pin mặt trời sử dụng các chất mu nhạy sáng đang có tiềm năng ứng dụng to lớn do nó đạt đợc hiệu suất chuyển hóa năng lợng tơng đối cao. Cho một số chất mu nhạy sáng trên cơ sở phức của Ruthenium nh tris(2,2’-bipyridyl)ruthenium (II), hiệu suất chuyển hóa năng lợng đ3 đạt tới 10-12% so với 25% của pin mặt trời sử dụng vật liệu Si [2,3]. Trong tự nhiên, đ3 từ lâu ngời ta đ3 biết đến phản ứng quang hợp trong cây xanh v chất tạo ra phản ứng quang hợp trong cây xanh chính l chất diệp lục (Chlorophyll). Từ phát hiện trên, đ3 có một số tác giả nghiên cứu sử dụng chất diệp lục có trong cây để chế tạo dạng pin mặt trời sử dụng chất mu nhạy sáng [4 - 6]. Trong bi báo ny, chúng tôi nghiên cứu chế tạo pin mặt trời sử dụng chất mu nhạy sang trên cơ sở chất chlorophyll đợc chiết xuất từ lá cây xanh v dẫn xuất của nó. Các tính năng của pin đợc khảo sát v thảo luận. II - Thực nghiệm 1. Hóa chất Chất mu nhạy sáng tự nhiên chlorophyll đợc chiết tách từ lá cây bởi theo ti liệu [7, 8]. Cũng theo [7, 8], chlorophyll l hỗn hợp của 2 loại chlorophyll a v b, trong đó tỷ lệ giữa 129 chlorophyll a v b l khoảng 3:1. Sự khác nhau giữa chlorophyll a v b l nhóm methyl trong chlorophyll a đợc thay thế bởi nhóm aldehyt trong chlorophyll b (xem hình 1). Dẫn xuất của chlorophyll – muối natri chlorophyllin đồng đợc mua của h3ng Sigma-Aldrich. Hình 1 l công thức hóa học của chlorophyll a v dẫn xuất của của chlorophyll. (a) (b) Hình 1: Cấu trúc hóa học của chlorophyll a (a) v muối natri chlorophyllin đồng (b) Tấm kính tráng lớp dẫn điện oxit indium –thiếc (ITO) đợc cung cấp bởi h3ng Nihon Sheet Glass Ltd, oxít titan P25 (TiO2) của h3ng Degussa. Chất điện ly I/I3 đợc mua của úc. Các dung môi sử dụng trong thí nghiệm nh axeton, etanol l các sản phẩm của Trung Quốc. 2. Chế tạo pin mặt trời Hình 2 l sơ đồ cấu tạo pin mặt trời sử dụng chất mu nhạy sáng tự nhiên. Hình 2: Sơ đồ cấu tạo pin mặt trời sử dụng chất mu nhạy sáng tự nhiên Lớp TiO2 đợc phủ lên kính tráng ITO theo công nghệ nh trong ti liệu [7, 8] v điện cực ny đợc gọi l điện cực lm việc (working electrode). Điện cực đối l kính tráng ITO đợc phủ một lớp mỏng cacbon v có tác dụng l chất xúc tác trong phản ứng chuyển hóa I3 - thnh I-. Kính ITOKính ITO Lớp CacbonLớp TiO2 + Chất mầu I- I3 - 130 Sau đó điện cực lm việc đợc nhúng trong dung dịch aceton chlorophyll hay dung dịch ethanol muối natri chlorophyllin đồng trong 24 giờ. Khi lấy điện cực hoạt động ra khỏi dung dịch chất mu, điện cực đợc lm sạch bằng dung môi aceton v để khô ở nhiệt độ phòng. Khi lắp gép pin mặt trời, chất điện ly I/I3 đợc nhỏ vo giữa 2 tấm điện cực v cuối cùng 2 điện cực đợc dính lại với nhau bằng keo epoxy. 2. Phơng pháp khảo sát Để khảo sát sự hấp thụ ánh sáng của chất mầu, phổ hấp thụ ánh sáng đợc đo trên máy Multispec-1500 (Shimazu). Tính chất điện quang của pin đợc khảo sát với nguồn sáng l đèn wolfram công suất 200W, khoảng cách giữa nguồn sáng v pin l 4 cm. Cờng độ chiếu sáng l 80 mW/cm2. Điện thế v cờng độ dòng điện đợc đo bằng máy đo đa năng Model 1006 (KYORITSU) với biến trở 500 . Hệ số điền đầy FF của pin đợc tính theo công thức: FF = Imax.Vmax/Isc.Voc Trong đó Imax v Vmax l cờng độ dòng điện v điện thế tại thời điểm pin có công suất cực đại. Isc l dòng đoản mạch v Voc l điện thế mạch hở Hiệu suất chuyển hóa năng lợng ánh sáng  của pin đợc tính theo công thức:  = Isc. Voc. FF/Pin Pin: Công suất chiếu sáng. III - Kết quả v thảo luận Hình 3 l phổ hấp thụ ánh sáng của chlorophyll v dẫn xuất của nó. (a) (b) Hình3: Phổ hấp thụ ánh sáng của chlorophyll (a) v dẫn xuất của nó (b) Từ kết quả trên cho ta thấy, trong vùng ánh sáng khả kiến chlorophyll có 2 đỉnh hấp thụ ánh sáng mạnh ở bớc sóng 430 nm v 665 nm. Muối natri chlorophyllin đồng cũng có 2 đỉnh hấp thụ ánh sáng mạnh ở bớc sóng ngắn hơn ở 415 nm v 630 nm. Nh vậy cả 2 chất mu trên đều có thể sử dụng trong việc chuyển hóa năng lợng mặt trời thnh điện năng trong dạng pin mặt trời sử dụng chất mu nhạy sáng. Hình 4 l ảnh SEM của lớp TiO2 131 Hình 4: ảnh SEM của lớp TiO2 Qua phân tích ảnh SEM cho ta thấy các hạt TiO2 có đờng kính khoảng 20-30 nm liên kết với nhau tạo ra cấu trúc xốp trong lớp TiO2. Trong dạng pin mặt trời sử dụng chất mu nhạy sáng xảy ra các quá trình chuyển hóa nh sau[8]: M + hv  M* (1) M* + TiO2  e- (TiO2) + M oxy hóa (2) M oxy hóa + 3/2I - M + 1/2 I3- (3) 1/2 I3 - + e- điện cực đối  3/2I- (4) Trong đó: M l chất mu nhạy sáng, M* là trạng thái kích thích của chất mu, hv l năng lợng ánh sáng. Do vậy, cấu trúc xốp có ảnh hởng quan trọng đối với hiệu suất chuyển hóa năng lợng của pin mặt trời sử dụng chất mu nhậy sáng do TiO2 đóng vai trò l chất nhận điện tử từ chất mu để tạo ra dòng điện trong pin mặt trời. Vì vậy, với cấu trúc xốp ny đ3 lm tăng lên rất nhiều diện tích tiếp xúc giữa lớp TiO2 với chất mu so với cấu trúc lớp TiO2 không xốp. Theo kết quả nghiên cứu đ3 đợc công bố của chúng tôi [9], thì độ dy tối u của lớp TiO2 cho chất mu nhạy sáng l khoảng 17 àm v do vậy cho các nghiên cứu dới đây chúng tôi đ3 chế tạo pin mặt trời có độ dy nh trên. Hình 5 l tính chất điện thế- dòng điện của pin mặt trời sử dụng 2 loại chất mu trên. Kết quả trên cho ta thấy, tính năng của pin mặt trời sử dụng chlorophyll thấp hơn so với pin mặt trời sử dụng muối natri chlorophyllin đồng. Trong khi điện thế mạch hở của 2 loại pin trên không khác nhau nhiều (415 mV cho chất mu chlorophyll v 427 mV cho chất mu muối natri chlorophyllin đồng), thì ở mật độ dòng đoản mạch có sự khác biệt rõ rệt giữa 2 loại pin: 41 àA/cm2 cho chlorophyll v 170 àA/cm2 cho muối natri chlorophyllin đồng. Công suất cực đại của pin sử dụng chlorophyll l 0,006 mW/cm2, của pin sử dụng muối natri chlorophyllin đồng l 0.029 mW/cm2 v hệ số điền đầy tơng ứng của chúng l 0,35 v 0,4. Hiệu suất chuyển hóa năng lợng của pin mặt trời sử dụng muối natri chlorophyllin đồng l  = 0,036% cao hơn hẳn so với pin mặt trời sử dụng chất chlorophyll ( = 0,008%). So với pin mặt trời sử dụng chất dẫn xuất của chlorophyll có tên gọi l chlorine –e6 [10] có hiệu suất chuyển hóa năng lợng đạt 0,76%, thì hiệu suất chuyển hóa năng lợng của các pin mặt trời ny còn rất hấp. Các nghiên cứu nhằm tăng hiệu suất chuyển hóa năng lợng của pin mặt trời trên đang đợc tiếp tục thực hiện. IV - Kết luận Chất mu nhạy sáng tự nhiên nh chlorophyll v dẫn xuất của nó đều có hai đỉnh hấp thụ ánh sáng mạnh trong vùng khả kiến 132 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 M ật độ dò ng đi ện àA /c m 2 Điện thế ( mV) Chlorophyll Dẫn xuất chlorophyll Hình 5: Tính chất I-V của pin mặt trời sử dụng chất mu nhạy sáng chlorophyll v dẫn xuất của nó (vùng ánh sáng tím v vùng ánh sáng da cam) v do vậy có khả năng sử dụng để chế tạo dạng pin mặt trời dùng chất mu nhạy sáng. Pin mặt trời sử dụng chất mu muối natri chlorophyllin đồng có các tính năng nh điện thế mạch hở, dòng đoản mạch, đặc biệt công suất cực đại v cùng với nó l hiệu suất chuyển hóa năng lợng của nó cao hơn hẳn so với pin mặt trời hữu cơ sử dụng chất mu chlorophyll. Các thông số của pin mặt trời sử dụng chất mu muối natri chlorophyllin đồng nh sau: Voc = 427 mV, Isc = 170 àA/cm2, FF = 0,4 v  = 0,036%. Ti liệu tham khảo 1. M. Gratzel. Inorg. Chem. 44, 6841(2005). 2. P. Liska, N. Vlachopoulos, M.K. Nazeeruddin, P. Comte and M. Gratzel. J. Am. Chem. Soc. 110, 3686 (1988). 3. M.K. Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodicio, R. Humphry-Baker, E. Muller, P. Liska, N. Vlachopoulos and M. Gratzel. J. Am. Chem. Soc. 115, 6382 (1993). 4. K. Aoki, Y. Takeuchi, Y. Amao. Bull Chem. Soc. Japan 78, 132 (2005). 5. A. Kay, M. Gratzel. J. of Phys. Chem. 97, 6272 (1993). 6. A. Kay, R.H. Baker, M. Gratzel. J. of Phys. Chem. 98, 952 (1994). 7. G.P Smestad. Solar Energy Materials and Solar Cell. 55, 157 (1998). 8. G.P. Smestad, M. Gratzel. J. of Chemistry Education. 75, 752 (1998). 9. Ngo Trinh Tung, Vu Quoc Thang, Tran Viet Ha, Nguyen Duc Nghia, Nguyen Thien Phap. 1st International Symposium on Ultimate Stability of Nano-structured Polymers and Composites, JAIST October (2007) P. 14. 10. Y. Amao, Y. Yamada, K. Aoki. J. of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 164, 47 (2004).