ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  NGUYỄN THÁI HOÀNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN CHẾ TẠO, TÍNH NĂNG CỦA PIN MẶT TRỜI CHẤT MÀU NHẠY QUANG (DSC) VÀ ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH HÓA LÝ XẢY RA TRONG PIN LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  NGUYỄN THÁI HOÀNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN CHẾ TẠO, TÍNH NĂNG CỦA PIN MẶT TRỜI CHẤT MÀU NHẠY QUANG (DSC) VÀ ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH HÓA LÝ XẢY RA TRONG PIN Chuyên ngành: Mã số: 1.04.04 Hóa lý thuyết Hóa lý LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG THOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010 i Luận án tiến sĩ Hóa học LỜI CAM ĐOAN Luận án tiến sĩ thực hai nơi Khoa Hóa Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành Phố Hồ Chí Minh Khoa Khoa học - Hệ thống Mô Trường Đại học Roskilde, hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thị Phương Thoa Luận án thực hai phòng thí nghiệm hỗ trợ giúp đỡ số sinh viên học viên cao học, đồng nghiệp Phòng Thí nghiệm Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ kết nghiên cứu hoàn toàn thân, không chép, sử dụng kết nghiên cứu người khác Tôi xin chịu trách nhiệm trước pháp luật có khiếu kiện liên quan đến luận án Nguyễn Thái Hoàng ii Luận án tiến sĩ Hóa học LỜI CÁM ƠN Trong trình thực luận án nhận nhiều giúp đỡ thầy cô, bạn sinh viên, gia đình tổ chức Tôi xin gởi lời cám ơn trân trọng đến: - PGS.TS Nguyễn Thị Phương Thoa, PGS.TS Torben Lund người cho hội học tập nghiên cứu khoa học Cô, Thầy định hướng giúp đỡ thực luận án - Các bạn học viên cao học Nguyễn Tuyết Phương, Mai Thị Hải Hà, Trần Minh Hải, Phạm Lê Nhân sinh viên Hồ Xuân Hương, Nguyễn Thị Bích Tuyền thực số thí nghiệm giúp hoàn tất luận án tiến sĩ - TS Gerite Boschloo, kỹ thuật viên Peter, Jacob giúp đỡ trình đo đạc phân tích mẫu Viện Hoàng Gia Thụy Điển Đại học Roskilde - Chương trình ENRECA DANIDA, Ban Khoa học công nghệ ĐHQG tài trợ kinh phí cho thực luận án - Tập thể thầy cô Bộ môn Hóa lý tạo điều kiện thuận lợi giúp hoàn tất luận án - Sau cùng, xin bày tỏ biết ơn sâu sắc đến gia đình tôi, đặc biệt vợ gánh vác công việc gia đình suốt thời gian thực luận án Đan Mạch Việt Nam Gia đình động viên, giúp đỡ tinh thần cho vượt qua khó khăn để hoàn tất luận án Nguyễn Thái Hoàng iii Luận án tiến sĩ Hóa học MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i MỤC LỤC ………………………………………………………………………… iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG x DANH MỤC HÌNH .xii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI VÀ PIN MẶT TRỜI - CHẤT NHẠY QUANG 1.1 Vai trò lượng mặt trời lịch sử phát triển pin mặt trời 1.2 Tiềm chiến lược phát triển pin mặt trời Việt Nam 1.3 Đặc điểm cấu tạo nguyên lý hoạt động pin mặt trời chất màu nhạy quang 1.4 Các thông số điện hóa đặc trưng pin mặt trời chất màu nhạy quang 19 1.4.1 Điện dung màng TiO2 19 1.4.3 Dòng khuếch tán giới hạn dòng tái hợp pin DSC 22 1.4.4 Phương trình đường đặc trưng dòng - (I-V) pin DSC 23 1.5 Tối ưu hóa khả hoạt động DSC 24 1.6 Độ bền hoạt động DSC .26 1.7 Ưu nhược điểm DSC so với pin mặt trời kiểu p-n 26 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Kỹ thuật phân tích sắc ký lỏng hiệu cao ghép khối phổ (HPLCUV/Vis-ESI-MS) 28 2.1.1 Đầu dò UV/Vis .28 2.1.2 Khối phổ ion hóa phun tĩnh điện (ESI-MS) 30 2.1.3 Phân tích định lượng dựa vào sắc ký đồ .31 2.2 Phương pháp đo đường đặc trưng dòng – 32 2.3 Phương pháp phổ tổng trở điện hóa (EIS) 33 Nguyễn Thái Hoàng iv Luận án tiến sĩ Hóa học 2.3.1 Tổng trở RC song song 34 2.3.2.Tổng trở khuếch tán .35 2.3.4.Tổng trở Gerischer 37 2.3.6 Mạch điện tương đương DSC 38 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC PHÂN HỦY CỦA CHẤT MÀU NHẠY QUANG N719 DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ÁNH SÁNG 3.1 Quá trình biến đổi chất màu nhạy quang pin DSC 40 3.2 Chế tạo hạt TiO2 hấp phụ chất màu nhạy quang .41 3.3 Quy trình phân hủy chất màu nhạy quang N719 tác dụng ánh sáng 42 3.4 Phân tích sản phẩm phản ứng sắc ký lỏng hiệu cao ghép khối phổ HPLC-UV/Vis-MS 43 3.5 Động học phản ứng 4-TBP N719 hấp phụ TiO2 tác dụng ánh sáng .45 3.6 Xác định số tốc độ phản ứng ngược 48 3.7 Cơ chế số tốc độ phản ứng phân hủy N719 tác động ánh sáng 50 3.8 Ước lượng thời gian sống chất màu nhạy quang N719 52 KẾT LUẬN CHƯƠNG 54 CHƯƠNG PHÂN HỦY NHIỆT CỦA CHẤT NHẠY QUANG N719 VÀ D520 4.1 Độ bền nhiệt chất màu nhạy quang .55 4.2 Độ bền nhiệt N719 dung môi acetonitrile 3-methoxy propionitrile 55 4.3 Độ bền nhiệt N719 dung môi acetonitrile 3-methoxy propionitrile có chất phụ gia 4-TBP 61 4.4 Độ bền nhiệt N719 gắn hạt TiO2 phân tán dung môi acetonitrile, 3-methoxypropionitrile chất phụ gia 4-TBP 66 4.6 Độ bền nhiệt chất màu nhạy quang D520 gắn TiO2 phân tán dung môi MPN phụ gia 4-TBP 71 KẾT LUẬN CHƯƠNG 74 Nguyễn Thái Hoàng v Luận án tiến sĩ Hóa học CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH NĂNG CỦA PIN MẶT TRỜI CHẤT MÀU NHẠY QUANG (DSC) 5.1 Chế tạo pin mặt trời chất màu nhạy quang 75 5.1.1 Chế tạo điện cực anốt TiO2 pin DSC .75 5.1.3 Chế tạo catốt 78 5.1.4 Lắp ráp hoàn thiện pin DSC 79 5.2 Tính pin quang điện chất nhạy quang 82 5.3 Mô trình chuyển điện tử ion pin DSC tổng trở điện hóa .85 5.4 Nâng cao hiệu suất pin mặt trời chất màu nhạy quang sử dụng chất phụ gia 89 5.4.1 Tăng mạch hở pin sử dụng chất phụ gia guanidine thiocyanate (GuNCS) 4-TBP 90 5.4.2 Xử lý DSC với 4-TBP kỹ thuật “tiêm – rút” 93 5.5 Thử nghiệm độ bền pin DSC 97 5.5.1 Độ bền quang pin DSC 97 5.5.2 Đánh giá độ bền nhiệt pin DSC .99 KẾT LUẬN CHƯƠNG .104 KẾT LUẬN 105 MỘT VÀI KIẾN NGHỊ 107 DANH MỤC CÔNG TRÌNH 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 Nguyễn Thái Hoàng vi Luận án tiến sĩ Hóa học DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT A Độ hấp thụ quang (mật độ quang) A Diện tích đỉnh hấp thụ A Hệ số va chạm A Diện tích bề mặt pin AC Xoay chiều (dòng, thế) ACN Dung môi acetonitrile AM Air mass: tỉ số độ dài tia mặt trời qua lớp khí độ dày lớp khí C Điện dung dùng mô tả lớp điện kép CB Dải dẫn chất bán dẫn CV Phân cực tuần hoàn (Cyclic voltametry) CPE (Q) Phần tử pha không đổi CPE (Constant phase element) CPt Điện dung lớp điện kép giao diện điện cực Pt/dung dịch điện ly CTCO Điện dung tam diện thủy tinh dẫn TCO/TiO2/dung dịch điện ly Cμ Điện dung hóa học (điện dung màng TiO2) Dm Dung môi D520 cis-bis(isothiocyanato)(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato) (2,2’-bipyridyl4,4’-di-nonyl) ruthenium(II), tên gọi khác Z907 DSC Pin mặt trời chất màu nhạy quang (Dye- sensitized solar cell) N749 tris(isothiocyanato)-ruthenium(II)-2,2':6',2"-terpyridine-4,4',4"tricarboxylic acid, tris-tertrabutylammonium Ea Năng lượng hoạt hóa phản ứng EFn Mức Fermi điện tử TiO2 chiếu sáng EFo Mức Fermi điện tử TiO2 cân tối Eg Năng lượng dải cấm EIS Phổ tổng trở điện hóa E0 Điện phân cực chiều E0 Biên độ xoay chiều Eredox Thế oxy hóa -khử Nguyễn Thái Hoàng vii Luận án tiến sĩ Hóa học ESI Kỹ thuật ion hóa kiểu phun tĩnh điện (electrospray ionization) f Tần số dao động tín hiệu áp vào hệ điện hóa ff Thừa số lấp đầy FTO Oxít thiếc pha tạp Fluorine (Fluorine -doped tin oxide) G Phần tử Gerischer GuNCS guanidine thiocyante HOMO Obitan phân tử cao chứa điện tử (highest occupied molecular orbital) I Dòng điện mạch I Cường độ xạ sau qua chất hấp thụ i0 Mật độ dòng trao đổi I0 Cường độ xạ trước qua chất hấp thụ I0 Dòng photon tới Isc Dòng ngắn mạch pin Ir Dòng tái kết hợp (recombination) – dòng tối (dark current) ITO Oxít thiếc pha tạp Indium (Indium-doped tin oxide) k Hằng số tốc độ phản ứng kb Hằng số tốc độ tái kết hợp điện tử với S+ kinj Hằng số tốc độ trình nhả điện tử vào dải dẫn chất nhạy quang kreg Hằng số tốc độ phản ứng tái tạochất nhạy quang L Bề dày lớp oxit LUMO Obitan phân tử thấp không chứa điện tử (lowest unoccupied molecular orbital) MS Khối phổ MPN Dung môi 3-methoxy propyonitrile N719 cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(II) bis-tetrabutylammonium N Số chu kỳ hoạt động chất màu nhạy quang( no Mật độ điện tử vùng dẫn chất bán dẫn tối np Số mol photon PIA Hấp thụ cảm ứng quang (photoinduced absorption) PV, SC Pin mặt trời Pmax Công suất lớn pin Nguyễn Thái Hoàng 102 Luận án tiến sĩ Hóa học Hình 26 Đồ thị Nyquist pin N749 có phụ gia 4-TBP (1B-05) theo thời gian ủ nhiệt 85oC Tuy nhiên tốc độ tái hợp pin sau 600 ủ nhiệt lớn pin chưa ủ nhiệt Ở cạnh tranh hai trình gây giảm cấp pin trình tái kết hợp trình suy giảm tính dung dịch điện ly Tuy nhiên giảm cấp dung dịch điện ly ảnh hưởng mạnh đến trình suy giảm tính DSC giảm cấp tăng trình tái kết hợp điện tử DSC Điều thể bắt đầu gần đồng thời trình giảm dòng ngắn mạch Isc tăng điện trở khuếch tán (sau 244 phơi mẫu) (hình 5.27 5.28, pin 1B-05) Nguyễn Thái Hoàng 103 Luận án tiến sĩ Hóa học Hình 27 Sự thay đổi dòng quang điện pin N749-phụ gia 4-TBP theo thời gian ủ nhiệt 85oC Hình 5.28 biểu diễn phổ Nyquist DSC sử dụng chất màu nhạy quang D520 thời gian 780 phơi nhiệt 85oC Tổng trở không thay đổi nhiều theo thời gian phơi nhiệt, chứng tỏ trình điện tử ion xảy ổn định pin Điều phản ánh rõ ràng qua tính hoạt động ổn định pin (hình 5.29) Hình 28 Phổ Nyquist pin D520 (2D-0) theo thời gian ủ nhiệt 85oC Nguyễn Thái Hoàng 104 Luận án tiến sĩ Hóa học Hình 29 Biến đổi dòng quang điện pin D520, không phụ gia 4-TBP, theo thời gian phơi nhiệt 85oC tối KẾT LUẬN CHƯƠNG Pin mặt trời chất màu nhạy quang chế tạo có hiệu suất chuyển đổi quang điện cao 7,3% Hình đạng pin thiết kế đa dạng nhờ áp dụng kỹ thuật in lụa tạo điện cực anốt TiO2 Các trình trao đổi điện tử chuyển ion DSC mô mô hình tổng trở điện hóa Trên sở mô mạch tương đương cho phép xác định trình giảm cấp tính DSC mà không làm phá hủy pin Phân tích yếu tố mạch thành phần xác định nguyên nhân làm suy giảm tính pin Nguyên nhân chủ yếu làm suy giảm tính pin trình thử nghiệm độ bền phơi sáng ủ nhiệt suy giảm dung dịch điện ly Yếu tố tái kết hợp điện tử I3 phân tích phổ tổng trở, nhiên yếu tố ảnh hưởng đến tính pin Nguyễn Thái Hoàng 105 Luận án tiến sĩ Hóa học KẾT LUẬN Đã chế tạo pin DSC sở chất màu nhạy quang N719, D520, N749 Pin có tính tốt đạt mật độ dòng quang điện khoảng 16 -18 mA/cm2, mạch hở 0,80 - 0,86 V, hiệu suất chuyển đổi quang điện 7% Nhận danh sản phẩm phân hủy chất màu nhạy quang N719 tác dụng ánh sáng [Ru(H2dcbpy)2(NCS)(4-TBP)], [Ru(H2dcbpy)2(NCS)(CN)], Ru(H2dcbpy)2(NCS)(CH3CN)], [Ru(H2dcbpy)2(NCS)(H2O)] [Ru(H2dcbpy)2(CN)2] Hiệu suất lượng tử tổng sản phẩm phân hủy Φdeg = (1,3 ± 0,2)×10−4, không phụ thuộc vào nồng độ 4-TBP Cơ chế phản ứng phân hủy quang đề nghị, giai đoạn tốc định phản ứng giai đoạn hình thành hợp chất trung gian [Ru(II)(H2dcbpy)2(NCS)(NCS·)]+ Tốc độ phân hủy trung bình kdeg =4×10−3 s−1 xác định từ giá trị Φdeg tốc độ phản ứng chuyển ngược điện tử kb Động học phân hủy chất màu nhạy quang N719 , D520 nhiệt độ cao (80 110oC) cho thấy sản phẩm dung môi ([Ru(H2dcbpy)2(NCS)(dm)]) phụ gia 4TBP ([Ru(H2dcbpy)2(NCS)(4-TBP)]) sản phẩm phân hủy Thời gian bán hủy phản ứng dung dịch lỏng 80oC lớn 1000 giờ, nhiên dung dịch keo TiO2-N719 TiO2-D520 thời gian bán hủy giảm xuống khoảng 100 – 300 Như pin mặt trời chất màu nhạy quang sử dụng chất điện ly ACN MPN chất phụ gia 4-TBP khó vượt qua 1000 thử nghiệm độ bền tối 85oC Đã cải thiện số kỹ thuật trình chế tạo pin mặt trời chất màu nhạy quang (DSC) như: tạo màng TiO2 kỹ thuật in lụa, kỹ thuật ráp DSC Áp dụng xử lý pin kỹ thuật “bơm – rút” chất phụ gia 4-TBP nâng cao tính pin như: hiệu suất pin nâng cao khoảng 2%, mạch hở đạt tới 0,86V Chất phụ gia GuNCS (nồng độ 0,25 M) tác động chủ yếu lên catốt làm tăng mạch hở pin lên khoảng 70 mV Quá trình điện hóa DSC mô hai mạch điện tương đương tương ứng với trường hợp phản ứng tái hợp chậm tái hợp nhanh Sử dụng Nguyễn Thái Hoàng 106 Luận án tiến sĩ Hóa học phân tích phổ tổng trở đo pin để đánh giá độ bền quang, nhiệt pin suốt thời gian phơi nhiệt tối nhiệt độ 85oC phơi sáng nhiệt độ 40oC Xác định chế phân hủy pin DSC chủ yếu điện trở khuếch tán ion I3-, I- dung dịch điện ly tăng mạnh tái kết hợp tạo dòng tối xảy nhanh hơn, tương ứng với suy giảm tính pin Thử nghiệm pin mặt trời chất màu nhạy quang 85oC tối pin DSC tự chế tạo cho thấy: pin DSC sử dụng chất màu nhạy quang D520 không phụ gia 4-tert butyl pyridine (4-TBP) có hiệu suất ổn định, trì 780 phơi, pin loại khác sau 600 phơi nhiệt, hiệu suất 1% đến 2% Nguyên nhân chủ yếu làm giảm cấp DSC dược xác định qua phân tích tổng trở phân hủy chất điện ly Nguyễn Thái Hoàng 107 Luận án tiến sĩ Hóa học MỘT VÀI KIẾN NGHỊ Trên phân tích động học phản ứng trao đổi phối tử chất màu nhạy quang N719, D520 dung môi ACN, MPN chất phụ gia 4-TBP tác động ánh sáng, nhiệt độ Quá trình lắp ráp khảo sát tính chất DSC đề xuất số kiến nghị sau: - Thay đổi dung môi cho dung dịch điện ly sử dụng dung môi nhóm Nitrogen hoạt tính, dung môi dạng gel, chất điện ly rắn - Thay phụ gia 4-TBP chất hấp phụ mạnh khác, tiếp tục khảo sát khả sử dụng phụ gia GuNCS dung dịch diện ly - Sử dụng phương pháp xử lý DSC kỹ thuật “bơm – rút” chất phụ gia thay sử dụng trực tiếp dung dịch điện ly Tiếp tục khảo sát độ bền DSC sử dụng phương pháp xử lý - Nghiên cứu, thử nghiệm chất hấp thụ UV để bảo vệ cho chất màu nhạy quang dung dịch điện ly trình sử dụng ánh sáng mặt trời - Thay đổi chất màu nhạy quang quantum dot nhằm tăng hiệu suất hấp thụ quang triển khai áp dụng dung dịch điện ly rắn - Lắp ráp pin mặt trời có diện tích lớn nhằm tiến tới sản xuất thử nghiệm Nguyễn Thái Hoàng 108 Luận án tiến sĩ Hóa học DANH MỤC CÔNG TRÌNH - Bài báo đăng tạp chí quốc tế Hoang Thai Nguyen, Ha Minh Ta, Torben Lund (2007), Thermal thiocyanate ligand substitution kinetics of the solar cell dye N719 by acetonitrile, 3methoxypropionitrile, and 4-tert-butylpyridine, Solar Energy Materials & Solar Cells, 91, 1934 – 1942 Farahnaz Nour-Mohammadi, Hoang Thai Nguyen, Gerrit Boschloo, and Torben Lund (2007), An investigation of the photosubstitution reaction between N719-dyed nanocrystalline TiO2 particles and 4-tert-butylpyridine, Journal of Photochemistry and Photobiology 187, 348- 355 Phuong Tuyet Nguyen, Rikke Degn, Hoang Thai Nguyen and Torben Lund (2009), Thiocyanate Ligand Substitution Kinetics of the Solar Cell Dye Z-907 by 3Methoxypropionitrile and 4-tert-Butylpyridine at elevated temperatures, Solar Energy Materials & Solar Cells , 93 ,1939–1945 Hoang T Nguyen., Hai Ha T Mai, Phuong Thoa T Nguyen.,T.Lund (2009), The Relationship between Electrochemical Impedance Spectra and Photovoltaic Performance Characteristics during the Light and Thermal Ageing of DyeSensitized Solar Cells, ECS Transactions, 16 (47) 23-32 - Bài báo đăng tạp chí nước Nguyen Thai Hoang, Tran Minh Hai, Ho Xuan Huong, Mai Thi Hai Ha, Nguyen Thi Phuong Thoa (2009), Fabrication of dye sensitized solar cells (DSC) and investigation of their performances, Advances in Natural Sciences Vol 10, No 2, p.175-182 Nguyen Thai Hoang, Nguyen Thi Phuong Thoa, and Torben Lund (2009), Thermal degradation kinetics of solar cell dye N719 bound to nanocrystalline TiO2 particles, Advances in Natural Sciences Vol 10, No.1, p.51-58 Nguyễn Thái Hoàng 109 Luận án tiến sĩ Hóa học Mai Thi Hai Ha, Nguyen Thai Hoang, Nguyen Thi Phuong Thoa (2009), Characterizations of electronic and ionic processes in nanocrystalline TiO2 dyesensitized solar cell, Journal of Chemistry 47 (5A), 215-221 Tran Minh Hai, Nguyen Tuyet Phuong, Nguyen Thai Hoang, Nguyen Thi Phuong Thoa, Torben Lund, (2010), Interaction between 4-ter-butylpyridine and the I3/I redox electrolyte of dye-sensitized solar cell and the effect of these interaction to the stability of dye-sensitizer N719 Journal of chemistry 48 (4C) 175-181 Do Thanh Sinh, Nguyen Thai Hoang, Nguyen Thi Phuong Thoa (2010) , Synthesis of screen printable titania paste for dye sensitized solar cells, Journal of Chemistry 48 (4A) 381-386 - Bài báo cáo hội nghị quốc tế Do Thanh Sinh, Nguyen Thai Hoang, Nguyen Thi Phuong Thoa, Synthesis of nanostructured titanium dioxide paste as a photoanode material for dye sensitized solar cells The 5th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2010), Hanoi, Vietnam – November 09-12, 2010 Book of Abstracts, p.150, NMD-P42 Mai Thi Hai Ha, Nguyen Thai Hoang, Nguyen Thi Phuong Thoa, Torben Lund, Characterizations of performances and inner changes of Nanocrystalline TiO2 Dye-Sensitized Solar Cells during long-term thermal stress Proceedings of the 2009 International Forum On Strategic Techologies (IFOST-2009), Ho Chi Minh City, Vietnam, October 21-23, 2009, p 170-176 Pham Le Nhan, Nguyen Thai Hoang, Nguyen Thi Phuong Thoa, Preparation of TiO2 multilayer film by screen printing techniques and an investigation of black dye adsorption onto the film Proceedings of the 2009 International Forum On Strategic Techologies (IFOST-2009), Ho Chi Minh City, Vietnam, October 2123, 2009, p 156-160 Tran Minh Hai, Nguyen Thai Hoang, Nguyen Thi Phuong Thoa, Torben Lund, The effect of nicotinic acid on the performance of the dye-sensitized solar cell Nguyễn Thái Hoàng 110 Luận án tiến sĩ Hóa học Proceedings of the 2009 International Forum On Strategic Techologies (IFOST-2009), Ho Chi Minh City, Vietnam, October 21-23, 2009, p 150-155 Nguyen Thai Hoang, Mai Thi Hai Ha, Nguyen Thi Phuong Thoa, and Torben Lund, The Relationship between Electrochemical Impedance Spectra and Photovoltaic Performance Characteristics during the Light and Thermal Ageing of Dye-Sensitized Solar Cells, Book of Abstract, ECS 214- Honolulu 12- 17 October 2008) Nguyen Thai Hoang, Nguyen Thi Phuong Thoa, and Torben Lund, Effects of Electrolyte Additives on the Open-circuit Voltage of Dye-Sensitized Solar Cells, Book of Abstract, ICNT 2008, San Francisco- 27 -30 October 2008 ) Nguyen Thai Hoang, Tran Minh Hai, Nguyen Thi Phuong Thoa, Improvement of the Dye-Sensitized Solar Cell Open-circuit Voltage by Electrolyte Additives and Cell Treatment with 4-tert-butylpyridine, 25 Year of TiO2 Photocatalysis + TiO213 + AOTs-14, San Diego, California, USA, September 22 -25, 2008 Nguyễn Thái Hoàng 111 Luận án tiến sĩ Hóa học TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Vũ Linh, Đặng Đình Thống (1993), "Nghiên cứu công nghệ chế tạo mô dun pin Mặt Trời," Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ 4, Hà Nội Tài liệu tiếng Anh [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] Adachi M S M., Jiu J., Ogata Y., Isoda S., ( 2006), "Determination of parameters of electron transport in dye-sensitized solar cells using Electrochemical Impedance Spectroscopy," J Phys Chem B, 110 1387213880 Administration U S E I ( 2010), "Annual Energy Outlook 2010 With Projections to 2035," Amirnasr M., Nazeeruddin M K and Grätzel M (2000), "Thermal stability of cis-dithiocyanato(2,2'-bipyridyl4,4'dicarboxylate) ruthenium(II) photosensitizer in the free form and on nanocrystalline TiO2 films," Thermochimica Acta, 348, 105-114 Bisquert J ( 2000), J Phys Chem Chem Phys., 2, 4185 Bisquert J (2010), "Theory of the impedance of charge transfer via surface states in dye-sensitized solar cells," Journal of Electroanalytical Chemistry, 646, 43-51 Bisquert J (2002), "Theory of the Impedance of Electron Diffusion and Recombination in a Thin Layer," J Phys Chem B, 106, 325-333 Bisquert J., Garcia-Belmonte G., Fabregat-Santiago F., Ferriols N S., Bogdanoff P., Pereira E C (2000), J Phys Chem B 104, 2287 Bisquert J (2004), "Physical Chemical Principles of Photovoltaic Conversion with Nanoparticulate, Mesoporous Dye-Sensitized Solar Cells," J Phys Chem B, 108, 8106-8118 Boschloo G H A (2003), "Photoinduced absorption spectroscopy of dyesensitized nanostructured TiO2," Chemical Physics Letters, 370, 381-386 Brendel R., (2003), Thin-Film Crystalline Silicon Solar Cells, WiLEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim Deb S.K C S., Witzke., (1978), "US Patents 4117510, 4080488, 4118246, 4118247." Nguyễn Thái Hoàng 112 Luận án tiến sĩ Hóa học [13] Deb S K (2005), "Dye-sensitized TiO2 thin-film solar cell research at the National Renewable Energy Laboratory (NREL)," Solar Energy Materials and Solar Cells, 88, 1-10 [14] Department of Energy U S., (2008), Multi Year Program Plan 2008-2012, US [15] Francisco F.-S Germa G.-B., Gerrit B., Anders H (2005), "Influence of electrolyte in transport and recombination in dye-sensitized solar cells studied by impedance spectroscopy," Solar Energy Materials & Solar Cells 87, 117–131 [16] Fredin K., Nissfolk J., Boschloo G and Hagfeldt A (2007), "The influence of cations on charge accumulation in dye-sensitized solar cells," Journal of Electroanalytical Chemistry, 609, 55-60 [17] Graetzel M (2001), "Photoelectrochemical Cells," Nature, 414, 338-344 [18] Grätzel M (2006), "Photovoltaic performance and long-term stability of dyesensitized meosocopic solar cells," C R Chimie 9, 578-583 [19] Grätzel M (2006), "Photovoltaic performance and long-term stability of dyesensitized meosocopic solar cells,," C R Chimie 9, 578-583 [20] Grätzel M (2004), "Photovoltaics for the 21st century," electrochemistry society proceeding, Volume 19, 11 [21] Gilbert M., (2004), Renewable and Efficient Electric Power System, John Willey & Son, Hoboken, USA [22] Hansen G G G., Lund T., ( 2003), Inorg Chem , 42, 5545 - 5550 [23] Haque S.A T Y., Klug D.R , Durrant J.R (1998), J Phys Chem B, 102, 745 [24] Heimer T.A H E J., Bignozzi C.A , Meyer G.J (2000), "Mol Spectrosc Kinet Environ Gen Theory," J Phys Chem Acc Chem Res, 104, 4256 [25] Hengerer R Krtil P and Grätzel M (2000), "Orientation dependence of charge-transfer processes on TiO2 (anatase) single crystals," J Electrochem Soc, 147, 1467-1472 [26] Hinsch A K J M., Uhlendorf I., Holzbock J., Meyer A., and J F ((2001)), Prog Photovolt Res Appl., 9, 425 [27] Hong Minh N D N N., and Nakjoong Kim (2010), "Improved performance of dye-sensitized solar cells by tuning the properties of ruthenium complexes containing conjugated bipyridine ligands," Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, Volume 1, Number 2, Nguyễn Thái Hoàng 113 Luận án tiến sĩ Hóa học [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] Huang S Y S G., Nozik A J., Gratzel M., and Frank A J (1997), "Charge Recombination in Dye-Sensitized Nanocrystalline TiO2 Solar Cells," J Phys Chem B, 101, 2576-2582 Ito S., Murakami T N., Comte P., Liska P., Grätzel C., Nazeeruddin M K., et al (2008), "Fabrication of thin film dye sensitized solar cells with solar to electric power conversion efficiency over 10%," Thin Solid Films, 516, 4613-4619 Macdonal R J.W B J., (2005), Impedance Spectroscopy : Theory, Experiment, and A pplications, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA Kato N., Higuchi K., Tanaka H., Nakajima J., Sano T and Toyoda T "Improvement in long-term stability of dye-sensitized solar cell for outdoor use," Solar Energy Materials and Solar Cells, In Press, Corrected Proof, Kato N., Takeda Y., Higuchi K., Takeichi A., Sudo E., Tanaka H., et al (2009), "Degradation analysis of dye-sensitized solar cell module after longterm stability test under outdoor working condition," Solar Energy Materials and Solar Cells, 93, 893-897 Kim D., Roy P., Lee K and Schmuki P (2010), "Dye-sensitized solar cells using anodic TiO2 mesosponge: Improved efficiency by TiCl4 treatment," Electrochemistry Communications, 12, 574-578 Kopidakis N N R N., Frank J A., (2006), "Effect of an Adsorbent on Recombination and Band-Edge Movement in Dye-Sensitized TiO2 Solar Cells: Evidence for Surface Passivation," J Phys Chem B , , 110,, 1248512489 Kuciauskas D , Gray H.B , Winkler J.R , Lewis N.S (2001), J Phys Chem B 105, 392 Kuhn H.J., Schmidt R (2004), "Chemical Actinometry," Pure Appl Chem., 76, 2105–2146 Kusama H A H (2004), "Influence of aminothiazole additives in I-/I3- redox electrolyte solution on Ru(II)-dye-sensitized nanocrystalline TiO2 solar cell performance," Solar Energy Materials & Solar Cells 82, 457-465 Lee K., Hoa K C., Thomasc J K R., Linc J T (2007), "Effects of coadsorbate and additive on the performance of dye-sensitized solar cells: A photophysical study," Solar Energy Materials & Solar Cells 91, 1426-1431 Memming R., (2002), Semiconductor Electrochemistry, Wiley-VCH, Weinheim Montanari I N J., Durrant J.R and (2002), J Phys Chem B, 106, 12203 Nguyễn Thái Hoàng 114 Luận án tiến sĩ Hóa học [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] Nadja B C and Christie G E (2001), "Practical implications of some recent studies in electrospray ionization fundamentals," Mass Spectrometry Reviews, 20, 362- 387 Nour-Mohammadi F Sau D N., Gerich.B , Ander H., Torben L (2005), J Phys Chem B, 109, 22413 - 22419 Nour-Mohammadi F Hoang T N., Gerich B., Torben L (2007), J Photochem & Photobiol A, 187 348-355 Vinh T.N., Lee H.C., Alam Khan M and Yang O B (2007), "Electrodeposition of TiO2/SiO2 nanocomposite for dye-sensitized solar cell," Solar Energy, 81, 529-534 O'Regan B Greatzel M (1991), "a low- cost, high efficiency solar cell based on dye - sensitized coloidal TiO2 film," Nature 335, 737 Qing Wang J.-E M., Greatzel M (2005), "Electrochemical Impedance Spectroscopic Analysis of Dye-Sensitized Solar Cells," J Phys Chem B, 109, 14945-14953 Quaschning V., (2005), Understanding Renewable Energy Systems, Earthscan,Sterling, VA London Ramamurthy V K S S., (2003), Semiconductor, Photochemistry and photophysic, Marcel Dekker, New York, Basel Redmond G and Fitzmaurice D (1993), "Spectroscopic determination of flat-band potentials for polycrystalline TiO2 electrodes in nonaqueous solvents," J Phys.Chem , 97, 1426-1430 Ross Macdonal J W B J., (2005), Impedance Spectroscopy : Theory, Experiment, and A pplications, John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, USA Rothenberger G F D a G M ( 1992), "‘Optical electrochemistry Spectroscopy of conduction-band electrons in transparent metal-oxide semiDye-Sensitised Mesoscopic Solar Cells 535 conductor films-optical determination of the flat-band potential of colloidal titanium dioxide films," J Phys Chem , 96, 5983-5986 Sommeling P M O R B C., Haswell R R, H., Smit J P., BakkerN J., KroonJ M , van Roosmalen J A M (2006,), " Influence of a TiCl4 posttreatment on nanocrystalline TiO2 films in dye-sensitized solar cells," J Phys Chem B, ,, 110, 19191-19197 Sommeling P.M S M., Smit H.J.P., Beker N.J , Kroon J.M., and (2004), J Photochem Photobiol A, 164, 137 Nguyễn Thái Hoàng 115 Luận án tiến sĩ Hóa học [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] Sorrell C C N J., Materials for energy conversion devices, Woodhead Publishing Limited, Cambridge, CB21 6AH, UK Taflin D.C W T L., Davis E.J (1989), "Electrified droplet fission and the Rayleigh limit," Langmuir 5, 376-384 Tsubomura H M M., Nomuray, Amamiya T., (1976), Nature 261, 402 Usui H M., Hiroshi Tanabe, Nobuo Yanagida, Shozo (2004), "Improved dye-sensitized solar cells using ionic nanocomposite gel electrolytes," Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 164, 97-101 Wang P K C., Humphry-Baker R., Zakeeruddin M.S., Gra¨ tzel M (2005), "A High Molar Extinction Coefficient Sensitizer for Stable Dye-Sensitized Solar Cells," J AM CHEM SOC., 127, 808-809 Wu S.-J., Chen C.-Y., Chen J.-G., Li J.-Y., Tung Y.-L., Ho K.-C., et al (2010), "An efficient light-harvesting ruthenium dye for solar cell application," Dyes and Pigments, 84, 95-101 Zakeeruddin S M K C., Wang P., Graetzel M (2006), "2, 2-bipyridine ligand, sensitizing dye and dye sensitized solar cell," Zhang C., Dai J., Huo Z., Pan X., Hu L., Kong F., et al (2008), "Influence of 1-methylbenzimidazole interactions with Li+ and TiO2 on the performance of dye-sensitized solar cells," Electrochimica Acta, 53, 5503-5508 Zhang Z Z S M., O’Regan B C ,Baker R H., Graetzel M., ( 2005), "Influence of 4-Guanidinobutyric Acid as Coadsorbent in Reducing Recombination in Dye-Sensitized Solar Cells," J Phys Chem B, , , 109, 21818-21824 Nguyễn Thái Hoàng 116 Luận án tiến sĩ Hóa học PHỤ LỤC Nguyễn Thái Hoàng [...]... mại hóa, điều quan trọng là DSC phải có độ ổn định hoạt động lâu dài Do vậy việc tìm hiểu nguyên nhân của quá trình giảm cấp của pin mặt trời theo thời gian là rất cần thiết và mục tiêu của luận án này được đặt ra là: - Nghiên cứu động học các quá trình phân hủy chất màu nhạy quang bằng mô phỏng điều kiện hoạt động của pin mặt trời chất nhạy quang - Chế tạo pin mặt trời DSC tiêu chuẩn, nghiên cứu cải... tiến quy trình chế tạo nâng cao tính năng của pin mặt trời chất nhạy quang - Khảo sát phản ứng trao đổi điện tử của hệ TiO2 /chất nhạy quang; quá trình giảm cấp chất màu nhạy quang và hiệu suất chuyển đổi quang - điện - Kiểm tra độ bền và tuổi thọ của pin bằng thử nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm Nguyễn Thái Hoàng 3 Luận án tiến sĩ Hóa học Ý nghĩa khoa học của luận án: nghiên cứu động học phản... TiO2) và chất màu hữu cơ được Gerischer, Tributsch và Hauffe nghiên cứu [12] Năm 1970, Tsubomura và cộng sự chế tạo pin quang điện hóa sử dụng bán dẫn ZnO và chất màu nhạy quang đạt hiệu suất 1% [56] Pin quang điện hóa sử dụng màng mỏng TiO2 và chất màu nhạy quang đầu tiên được công bố qua những bằng sáng chế của Deb và cộng sự năm 1978 Kết quả nổi bật nhất của việc nghiên chế tạo pin mặt trời TiO2 trong. .. phân hủy chất màu nhạy quang do tác dụng của quang và nhiệt giúp hiểu rõ cơ chế phân hủy chất màu nhạy quang sử dụng làm pin mặt trời chất nhạy quang, dựa trên cơ chế có thể đề xuất phương án tăng tuổi thọ của pin Nghiên cứu xác định quá trình chuyển vận điện tử và ion là phương pháp xác định nguyên nhân suy giảm tính năng của DSC mà không làm phá hủy pin Nâng cao hiệu suất của pin là một trong những... trưởng trong sản xuất các nguồn năng lượng mặt trời nói chung và pin mặt trời nói riêng đang ở mức cao nhất so với các nguồn năng lượng khác Việc đầu tư mạnh cho nghiên cứu công nghệ pin mặt trời đã đạt được những thành quả đáng kể như: cho ra đời nhiều chủng loại pin mặt trời; nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện; giá thành của pin ngày càng rẻ Pin mặt trời – chất màu nhạy quanghoặc pin quang điện hóa. .. ý là pin mặt trời chất màu nhạy quang đang có tiềm năng cạnh tranh mạnh nhất về giá thành so với các loại pin mặt trời khác [14] Trong số các thế hệ pin mặt trời thì pin mặt trời chất màu nhạy quang có lịch sử phát triển muộn nhất (khoảng năm 1990) Măc dù nguồn gốc pin mặt trời chất màu nhạy quang đã có từ cuối những năm 60 và đầu năm 70 Tiền thân là những tế bào quang điện hóa trên cơ sở vật liệu... 15 Hình 1.7 Liên kết giữa chất màu nhạy quang và màng mỏng TiO2 qua nhóm carboxylic 16 Hình 1.8 Độ hấp thụ ánh sáng của chất màu nhạy quang N3 và N749 (dye đen) và hiệu suất thu ánh sáng 1-T của các chất màu nhạy quang này khi hấp phụ trên TiO2 17 Hình 1.9 Quá trình phân hủy phát sinh trong chu trình kín của chất nhạy quang trong quá trình DSC hoạt động, k1, k2, k3 lần lược... dù loại pin này thể hiện khả năng giảm giá thành rất nhiều so với loại pin trên cơ sở vật liệu silic Việc chế tạo pin mặt trời chất màu nhạy quang DSC ở Việt Nam chỉ mới được quan tâm trong vài năm gần đây và đang trong giai đoạn nghiên cứu trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên với công nghệ tương đối đơn giản, tiềm năng triển khai nghiên cứu và phát triển sản phẩm pin mặt trời – chất màu nhạy quang ở Việt... Khoa học Việt nam Phiến pin mặt trời đầu tiên ra đời vào năm 1976 trên đế đơn tinh thể silic tại phòng nghiên cứu quang điện của CERES với đường kính chỉ 5 cm Chương trình chế tạo pin mặt trời đã được nghiên cứu liên tục trong suốt gần 20 năm tại đây Các loại pin mặt trời đa tinh thể silic, pin Nguyễn Thái Hoàng 8 Luận án tiến sĩ Hóa học mặt trời đơn tinh thể silic và silic vô định hình đã lần lượt ra. .. sáng Các phân tử chất màu 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” Nguyễn Thái Hoàng 15 Luận án tiến sĩ Hóa học Hình 1.5 Các phối tử thông dụng của chất nhạy quang Hình 1.6 Một số chất màu nhạy quang thông dụng (TBA = tetrabutylammonium) Các chất màu nhạy quang phổ biến nhất hiện nay là phức chất lưỡng tính