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

T¹p chÝ Hãa häc, T. 45 (6A), Tr. 128 - 132, 2007<br /> <br /> <br /> Nghiªn cøu sö dông chÊt mµu nh¹y s¸ng tù nhiªn ®Ó<br /> chÕ t¹o pin mÆt trêi h÷u c¬<br /> §Õn Tßa so¹n 15-11-2007<br /> NguyÔn §øc NghÜa, Ng« TrÞnh Tïng, Vò Quèc Th¾ng, TrÇn ViÖt H<br /> ViÖn Hãa häc, ViÖn Khoa häc v' C«ng nghÖ ViÖt Nam<br /> <br /> <br /> Summary<br /> Natural light-sensitive dyes like chlorophyll and its derivative have two strong absorption<br /> peaks in the visible region (blue and orange region). Therefore they could be used for fabrication<br /> of dye-sensitized solar cell. Comparing the performance, dye-sensitized solar cell using<br /> chlorophyllin sodium copper salt as dye has achieved better I-V properties than the solar cell<br /> using chlorophyll as dye such as higher open circuit photovoltage, short circuit current density,<br /> higher maximum power output and overall energy conversion efficiency. The parameters of the<br /> solar cell using chlorophyllin sodium copper salt are: Voc = 427 mv, Isc =170 µA/cm2, FF = 0.4<br /> and = 0.036%.<br /> <br /> <br /> I - Më ®Çu (II), hiÖu suÊt chuyÓn hãa n¨ng l îng ®3 ®¹t tíi<br /> 10-12% so víi 25% cña pin mÆt trêi sö dông vËt<br /> Trong thÕ kû 21, vÊn ®Ò n¨ng l îng sÏ trë liÖu Si [2,3]. Trong tù nhiªn, ®3 tõ l©u ng êi ta<br /> th nh mèi quan t©m h ng ®Çu trªn thÕ giíi do ®3 biÕt ®Õn ph¶n øng quang hîp trong c©y xanh<br /> c¸c nguån n¨ng l îng tù nhiªn nh dÇu má, v chÊt t¹o ra ph¶n øng quang hîp trong c©y<br /> than ®¸ ng y c ng c¹n kiÖt. §iÒu n y ®3 thóc xanh chÝnh l chÊt diÖp lôc (Chlorophyll). Tõ<br /> ®Èy sö ph¸t triÓn c¸c nguån n¨ng l îng cã kh¶ ph¸t hiÖn trªn, ®3 cã mét sè t¸c gi¶ nghiªn cøu<br /> n¨ng t¸i t¹o nh dïng søc giã hay sö dông n¨ng sö dông chÊt diÖp lôc cã trong c©y ®Ó chÕ t¹o<br /> l îng mÆt trêi. Cho ®Õn nay, pin mÆt trêi chÕ t¹o d¹ng pin mÆt trêi sö dông chÊt m u nh¹y s¸ng<br /> trªn c«ng nghÖ sö dông vËt liÖu silicon (Si) ®3 [4 - 6].<br /> tõng b íc ® îc øng dông mét c¸ch réng r3i. Trong b i b¸o n y, chóng t«i nghiªn cøu chÕ<br /> Trong thêi gian gÇn ®©y, pin mÆt trêi h÷u c¬ ®3 t¹o pin mÆt trêi sö dông chÊt m u nh¹y sang<br /> thu hót ® îc sù quan t©m cña c¸c nh khoa häc trªn c¬ së chÊt chlorophyll ® îc chiÕt xuÊt tõ l¸<br /> trªn thÕ giíi do so víi pin mÆt trêi sö dông c«ng c©y xanh v dÉn xuÊt cña nã. C¸c tÝnh n¨ng cña<br /> nghÖ vËt liÖu Si, pin mÆt trêi lo¹i n y cã mét sè pin ® îc kh¶o s¸t v th¶o luËn.<br /> u ®iÓm v ît tréi nh gi¸ th nh s¶n xuÊt rÎ, cã<br /> ®é linh ho¹t cao v kh¶ n¨ng chÕ t¹o qui m« lín II - Thùc nghiÖm<br /> dÔ d ng [1].<br /> Trong c¸c lo¹i pin mÆt trêi h÷u c¬, pin mÆt 1. Hãa chÊt<br /> trêi sö dông c¸c chÊt m u nh¹y s¸ng ®ang cã<br /> ChÊt m u nh¹y s¸ng tù nhiªn chlorophyll<br /> tiÒm n¨ng øng dông to lín do nã ®¹t ® îc hiÖu<br /> ® îc chiÕt t¸ch tõ l¸ c©y b ëi theo t i liÖu [7, 8].<br /> suÊt chuyÓn hãa n¨ng l îng t ¬ng ®èi cao. Cho<br /> Còng theo [7, 8], chlorophyll l hçn hîp cña 2<br /> mét sè chÊt m u nh¹y s¸ng trªn c¬ së phøc cña<br /> Ruthenium nh tris(2,2’-bipyridyl)ruthenium lo¹i chlorophyll a v b, trong ®ã tû lÖ gi÷a<br /> <br /> 128<br /> chlorophyll a v b l kho¶ng 3:1. Sù kh¸c nhau chlorophyll – muèi natri chlorophyllin ®ång<br /> gi÷a chlorophyll a v b l nhãm methyl trong ® îc mua cña h3ng Sigma-Aldrich. H×nh 1 l<br /> chlorophyll a ® îc thay thÕ bëi nhãm aldehyt c«ng thøc hãa häc cña chlorophyll a v dÉn xuÊt<br /> trong chlorophyll b (xem h×nh 1). DÉn xuÊt cña cña cña chlorophyll.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> <br /> H×nh 1: CÊu tróc hãa häc cña chlorophyll a (a) v muèi natri chlorophyllin ®ång (b)<br /> <br /> TÊm kÝnh tr¸ng líp dÉn ®iÖn oxit indium –thiÕc (ITO) ® îc cung cÊp bëi h3ng Nihon Sheet<br /> Glass Ltd, oxÝt titan P25 (TiO2) cña h3ng Degussa. ChÊt ®iÖn ly I/I3 ® îc mua cña óc. C¸c dung m«i<br /> sö dông trong thÝ nghiÖm nh axeton, etanol l c¸c s¶n phÈm cña Trung Quèc.<br /> 2. ChÕ t¹o pin mÆt trêi<br /> H×nh 2 l s¬ ®å cÊu t¹o pin mÆt trêi sö dông chÊt m u nh¹y s¸ng tù nhiªn.<br /> <br /> <br /> <br /> KÝnh ITO I- KÝnh ITO<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> I3 -<br /> <br /> <br /> <br /> Líp TiO2 + ChÊt Líp Cacbon<br /> mÇu<br /> <br /> H×nh 2: S¬ ®å cÊu t¹o pin mÆt trêi sö dông chÊt m u nh¹y s¸ng tù nhiªn<br /> <br /> Líp TiO2 ® îc phñ lªn kÝnh tr¸ng ITO theo c«ng nghÖ nh trong t i liÖu [7, 8] v ®iÖn cùc<br /> n y ® îc gäi l ®iÖn cùc l m viÖc (working electrode). §iÖn cùc ®èi l kÝnh tr¸ng ITO ® îc phñ mét<br /> líp máng cacbon v cã t¸c dông l chÊt xóc t¸c trong ph¶n øng chuyÓn hãa I3- th nh I-.<br /> <br /> 129<br />  Sau ®ã ®iÖn cùc l m viÖc ® îc nhóng trong v c êng ®é dßng ®iÖn ® îc ®o b»ng m¸y ®o ®a<br /> dung dÞch aceton chlorophyll hay dung dÞch n¨ng Model 1006 (KYORITSU) víi biÕn trë<br /> ethanol muèi natri chlorophyllin ®ång trong 24 500 . HÖ sè ®iÒn ®Çy FF cña pin ® îc tÝnh<br /> giê. Khi lÊy ®iÖn cùc ho¹t ®éng ra khái dung theo c«ng thøc:<br /> dÞch chÊt m u, ®iÖn cùc ® îc l m s¹ch b»ng FF = Imax.Vmax/Isc.Voc<br /> dung m«i aceton v ®Ó kh« ë nhiÖt ®é phßng.<br /> Trong ®ã Imax v Vmax l c êng ®é dßng ®iÖn v<br /> Khi l¾p gÐp pin mÆt trêi, chÊt ®iÖn ly I/I3 ®iÖn thÕ t¹i thêi ®iÓm pin cã c«ng suÊt cùc ®¹i.<br /> ® îc nhá v o gi÷a 2 tÊm ®iÖn cùc v cuèi cïng Isc l dßng ®o¶n m¹ch v Voc l ®iÖn thÕ m¹ch hë<br /> 2 ®iÖn cùc ® îc dÝnh l¹i víi nhau b»ng keo<br /> epoxy. HiÖu suÊt chuyÓn hãa n¨ng l îng ¸nh s¸ng<br /> cña pin ® îc tÝnh theo c«ng thøc:<br /> 2. Ph ¬ng ph¸p kh¶o s¸t<br /> = Isc. Voc. FF/Pin<br /> §Ó kh¶o s¸t sù hÊp thô ¸nh s¸ng cña chÊt<br /> mÇu, phæ hÊp thô ¸nh s¸ng ® îc ®o trªn m¸y Pin: C«ng suÊt chiÕu s¸ng.<br /> Multispec-1500 (Shimazu).<br /> III - KÕt qu¶ v th¶o luËn<br /> TÝnh chÊt ®iÖn quang cña pin ® îc kh¶o s¸t<br /> víi nguån s¸ng l ®Ìn wolfram c«ng suÊt 200W, H×nh 3 l phæ hÊp thô ¸nh s¸ng cña<br /> kho¶ng c¸ch gi÷a nguån s¸ng v pin l 4 cm. chlorophyll v dÉn xuÊt cña nã.<br /> C êng ®é chiÕu s¸ng l 80 mW/cm2. §iÖn thÕ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> H×nh3: Phæ hÊp thô ¸nh s¸ng cña chlorophyll (a) v dÉn xuÊt cña nã (b)<br /> <br /> Tõ kÕt qu¶ trªn cho ta thÊy, trong vïng ¸nh s¸ng kh¶ kiÕn chlorophyll cã 2 ®Ønh hÊp thô ¸nh<br /> s¸ng m¹nh ë b íc sãng 430 nm v 665 nm. Muèi natri chlorophyllin ®ång còng cã 2 ®Ønh hÊp thô<br /> ¸nh s¸ng m¹nh ë b íc sãng ng¾n h¬n ë 415 nm v 630 nm. Nh vËy c¶ 2 chÊt m u trªn ®Òu cã thÓ<br /> sö dông trong viÖc chuyÓn hãa n¨ng l îng mÆt trêi th nh ®iÖn n¨ng trong d¹ng pin mÆt trêi sö dông<br /> chÊt m u nh¹y s¸ng.<br /> H×nh 4 l ¶nh SEM cña líp TiO2<br /> <br /> 130<br />  H×nh 4: ¶nh SEM cña líp TiO2<br /> <br /> Qua ph©n tÝch ¶nh SEM cho ta thÊy c¸c h¹t KÕt qu¶ trªn cho ta thÊy, tÝnh n¨ng cña pin<br /> TiO2 cã ® êng kÝnh kho¶ng 20-30 nm liªn kÕt mÆt trêi sö dông chlorophyll thÊp h¬n so víi pin<br /> víi nhau t¹o ra cÊu tróc xèp trong líp TiO2. mÆt trêi sö dông muèi natri chlorophyllin ®ång.<br /> Trong d¹ng pin mÆt trêi sö dông chÊt m u nh¹y Trong khi ®iÖn thÕ m¹ch hë cña 2 lo¹i pin trªn<br /> s¸ng x¶y ra c¸c qu¸ tr×nh chuyÓn hãa nh kh«ng kh¸c nhau nhiÒu (415 mV cho chÊt m u<br /> sau[8]: chlorophyll v 427 mV cho chÊt m u muèi natri<br /> M + hv M* (1) chlorophyllin ®ång), th× ë mËt ®é dßng ®o¶n<br /> m¹ch cã sù kh¸c biÖt râ rÖt gi÷a 2 lo¹i pin: 41<br /> M* + TiO2 e- (TiO2) + M oxy hãa (2)<br /> µA/cm2 cho chlorophyll v 170 µA/cm2 cho<br /> M oxy hãa + 3/2I- M + 1/2 I3- (3) muèi natri chlorophyllin ®ång. C«ng suÊt cùc<br /> -<br /> 1/2 I3 + e -<br /> 3/2I -<br /> (4) ®¹i cña pin sö dông chlorophyll l 0,006<br /> ®iÖn cùc ®èi<br /> mW/cm2, cña pin sö dông muèi natri<br /> Trong ®ã: M l chÊt m u nh¹y s¸ng, M* là tr¹ng chlorophyllin ®ång l 0.029 mW/cm2 v hÖ sè<br /> th¸i kÝch thÝch cña chÊt m u, hv l n¨ng l îng ®iÒn ®Çy t ¬ng øng cña chóng l 0,35 v 0,4.<br /> ¸nh s¸ng. HiÖu suÊt chuyÓn hãa n¨ng l îng cña pin mÆt<br /> trêi sö dông muèi natri chlorophyllin ®ång l<br /> Do vËy, cÊu tróc xèp cã ¶nh h ëng quan<br /> = 0,036% cao h¬n h¼n so víi pin mÆt trêi sö<br /> träng ®èi víi hiÖu suÊt chuyÓn hãa n¨ng l îng<br /> cña pin mÆt trêi sö dông chÊt m u nhËy s¸ng do dông chÊt chlorophyll ( = 0,008%). So víi pin<br /> TiO2 ®ãng vai trß l chÊt nhËn ®iÖn tö tõ chÊt mÆt trêi sö dông chÊt dÉn xuÊt cña chlorophyll<br /> m u ®Ó t¹o ra dßng ®iÖn trong pin mÆt trêi. V× cã tªn gäi l chlorine –e6 [10] cã hiÖu suÊt<br /> vËy, víi cÊu tróc xèp n y ®3 l m t¨ng lªn rÊt chuyÓn hãa n¨ng l îng ®¹t 0,76%, th× hiÖu suÊt<br /> nhiÒu diÖn tÝch tiÕp xóc gi÷a líp TiO2 víi chÊt chuyÓn hãa n¨ng l îng cña c¸c pin mÆt trêi n y<br /> m u so víi cÊu tróc líp TiO2 kh«ng xèp. Theo cßn rÊt hÊp. C¸c nghiªn cøu nh»m t¨ng hiÖu suÊt<br /> kÕt qu¶ nghiªn cøu ®3 ® îc c«ng bè cña chóng chuyÓn hãa n¨ng l îng cña pin mÆt trêi trªn<br /> t«i [9], th× ®é d y tèi u cña líp TiO2 cho chÊt ®ang ® îc tiÕp tôc thùc hiÖn.<br /> m u nh¹y s¸ng l kho¶ng 17 µm v do vËy cho<br /> c¸c nghiªn cøu d íi ®©y chóng t«i ®3 chÕ t¹o IV - KÕt luËn<br /> pin mÆt trêi cã ®é d y nh trªn.<br /> ChÊt m u nh¹y s¸ng tù nhiªn nh<br /> H×nh 5 l tÝnh chÊt ®iÖn thÕ- dßng ®iÖn cña chlorophyll v dÉn xuÊt cña nã ®Òu cã hai ®Ønh<br /> pin mÆt trêi sö dông 2 lo¹i chÊt m u trªn. hÊp thô ¸nh s¸ng m¹nh trong vïng kh¶ kiÕn<br /> 131<br />  180 Chlorophyll<br /> DÉn xuÊt chlorophyll<br /> 160<br /> <br /> 140<br /> 2<br /> MËt ®é dßng ®iÖn µA/cm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 120<br /> <br /> 100<br /> <br /> 80<br /> <br /> 60<br /> <br /> 40<br /> <br /> 20<br /> <br /> 0<br /> 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500<br /> §iÖn thÕ ( mV)<br /> H×nh 5: TÝnh chÊt I-V cña pin mÆt trêi sö dông chÊt m u nh¹y s¸ng chlorophyll<br /> v dÉn xuÊt cña nã<br /> <br /> (vïng ¸nh s¸ng tÝm v vïng ¸nh s¸ng da cam) Soc. 115, 6382 (1993).<br /> v do vËy cã kh¶ n¨ng sö dông ®Ó chÕ t¹o d¹ng 4. K. Aoki, Y. Takeuchi, Y. Amao. Bull Chem.<br /> pin mÆt trêi dïng chÊt m u nh¹y s¸ng. Pin mÆt Soc. Japan 78, 132 (2005).<br /> trêi sö dông chÊt m u muèi natri chlorophyllin<br /> ®ång cã c¸c tÝnh n¨ng nh ®iÖn thÕ m¹ch hë, 5. A. Kay, M. Gratzel. J. of Phys. Chem. 97,<br /> dßng ®o¶n m¹ch, ®Æc biÖt c«ng suÊt cùc ®¹i v 6272 (1993).<br /> cïng víi nã l hiÖu suÊt chuyÓn hãa n¨ng l îng 6. A. Kay, R.H. Baker, M. Gratzel. J. of Phys.<br /> cña nã cao h¬n h¼n so víi pin mÆt trêi h÷u c¬ sö Chem. 98, 952 (1994).<br /> dông chÊt m u chlorophyll. C¸c th«ng sè cña<br /> pin mÆt trêi sö dông chÊt m u muèi natri 7. G.P Smestad. Solar Energy Materials and<br /> chlorophyllin ®ång nh sau: Voc = 427 mV, Isc Solar Cell. 55, 157 (1998).<br /> = 170 µA/cm2, FF = 0,4 v = 0,036%. 8. G.P. Smestad, M. Gratzel. J. of Chemistry<br /> Education. 75, 752 (1998).<br /> T i liÖu tham kh¶o 9. Ngo Trinh Tung, Vu Quoc Thang, Tran Viet<br /> Ha, Nguyen Duc Nghia, Nguyen Thien<br /> 1. M. Gratzel. Inorg. Chem. 44, 6841(2005). Phap. 1st International Symposium on<br /> 2. P. Liska, N. Vlachopoulos, M.K. Ultimate Stability of Nano-structured<br /> Nazeeruddin, P. Comte and M. Gratzel. J. Polymers and Composites, JAIST October<br /> Am. Chem. Soc. 110, 3686 (1988). (2007) P. 14.<br /> 3. M.K. Nazeeruddin, A. Kay, I. Rodicio, R. 10. Y. Amao, Y. Yamada, K. Aoki. J. of<br /> Humphry-Baker, E. Muller, P. Liska, N. Photochemistry and Photobiology A:<br /> Vlachopoulos and M. Gratzel. J. Am. Chem. Chemistry 164, 47 (2004).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 132<br />