ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------o0o---------------
NGUYỄN ĐĂNG KHOA
TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSITE PLATIN/GRAPHENE
OXIT DẠNG KHỬ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỐI TRỘN
HUYỀN PHÙ ĐỂ CHẾ TẠO CATOT TRONG
PIN MẶT TRỜI CHẤT MÀU NHẠY QUANG
(Synthesis of platinum/reduced graphene oxide composite materials
by ex situ method for fabrication of cathodes
in dye-sensitiezed solar cells)
Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC
Mã số: 60520301
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 9 năm 2020
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Hữu Hiếu……………………...
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, và chữ ký)
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Trọng Liêm Châu…………………….
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: ………..…………………
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: ………..…………………………
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM,
ngày 15 tháng 09 năm 2020
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Nguyễn Trần Hà ............................................................ – Chủ tịch
2. TS. Nguyễn Tuấn Anh .................................................................. – Ủy viên phản biện 1
3. PGS.TS. Nguyễn Thái Hoàng ...................................................... – Ủy viên phản biện 2
4. PGS.TS. Trần Ngọc Quyển .......................................................... – Ủy viên
5. TS. Nguyễn Văn Dũng ................................................................. – Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)
ii
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Nguyễn Đăng Khoa
MSHV: 1870534
Ngày, tháng, năm sinh: 08/09/1994
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
Nơi sinh: TP. HCM
Mã số: 60520301
I. TÊN ĐỀ TÀI:
Tên tiếng Việt: Tổng hợp vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử bằng phương
pháp phối trộn huyền phù để chế tạo catot trong pin mặt trời chất màu nhạy quang
Tên tiếng Anh: Synthesis of platinum/reduced graphene oxide composite materials by
ex situ method for fabrication of cathodes in dye-sensitiezed solar cells
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
2.1. Tổng quan
Pin năng lượng mặt trời, pin mặt trời chất màu nhạy quang, vật liệu graphite, graphite
oxit, graphene oxit, graphene, graphene oxit dạng khử, vật liệu composite platin/graphene
oxit dạng khử
2.2. Thực nghiệm
- Tổng hợp vật liệu graphene oxit, graphene oxit dạng khử, các vật liệu composite
platin/graphene oxit dạng khử, các hệ keo platin/graphene oxit dạng khử, và keo graphene
oxit dạng khử
- Chế tạo điện cực catot và khảo sát đặc tính điện hóa của điện cực
- Ráp pin và thử nghiệm hiệu quả làm việc của pin
- Khảo sát hình thái – cấu trúc – đặc tính của vật liệu graphene oxit, graphene oxit dạng
khử, và composite platin/graphene oxit dạng khử thích hợp
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2020
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 09/2020
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. NGUYỄN HỮU HIẾU, TS. PHẠM TRỌNG LIÊM CHÂU
TP. HCM, ngày …..tháng….. năm 2020
TRƯỞNG PHÒNG PTN TĐ ĐHQG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
TP.HCM-CNHH & DK
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
(Họ tên và chữ ký)
iii
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Ba, Mẹ, bạn bè, và người thân đã
quan tâm, động viên, và giúp đỡ mọi điều kiện tốt nhất cho tác giả trong suốt thời gian
học tập và thực hiện luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy TS. Phạm Trọng Liêm Châu,
Thầy PGS.TS. Nguyễn Hữu Hiếu, Thầy PGS.TS. Nguyễn Thái Hoàng, và Thầy ThS.
Nguyễn Cảnh Minh Thắng, những người Thầy đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt
quá trình làm luận văn và định hướng cho tác giả để có kết quả tốt nhất.
Bên cạnh đó, tác giả xin gửi lời tri ân đến quý Thầy Cô Trường Đại Học Bách Khoa –
Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh, đặc biệt là quý Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Hóa Học
đã tận tâm chỉ dạy và truyền đạt kiến kiến thức trong suốt thời gian học tập vừa qua. Tác
giả chân thành cảm ơn tập thể nghiên cứu viên, các anh chị học viên cao học và các bạn
sinh viên của Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh –
Công Nghệ Hóa Học và Dầu Khí (CEPP Lab), Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học
Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh và Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Đại Học Quốc Gia TP.
Hồ Chí Minh – Hóa Lý Ứng Dụng (APC Lab), Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên –
Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo kinh nghiệm tốt nhất
cho tác giả thực hiện luận văn này.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2020
Tác giả
Nguyễn Đăng Khoa
iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong luận văn này, vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử (Pt/rGO) được
tổng hợp từ bằng phương pháp phối trộn huyền phù từ vật liệu graphene oxit dạng khử
(reduced graphene oxit – rGO) và hạt nano platin (Pt). Trong đó, rGO được tổng hợp từ
tiền chất graphene oxit (graphene oxide – GO) và nano Pt được tổng hợp từ tiền chất axit
chloroplatinic (H2PtCl6) với các chất khử khác nhau được khảo sát: vitamin C, hydrazine
hydrate, natri bohidrua, glucose, và natri citrate. GO được tổng hợp từ graphite (Gi) bằng
phương pháp Hummers cải tiến và rGO được tổng hợp từ GO bằng phương pháp khử hóa
học. Sau đó, hỗn huyển phù nano Pt được phân tán cùng với rGO và được khử bằng các
chất khử với các phần trăm khối lượng rGO được khảo sát: 20, 40, 60, 80, và 100 %.
Các vật liệu Pt/rGO và rGO được sử dụng để chế tạo điện cực catot trong pin mặt trời
chất màu nhạy quang (dye-sensitized solar cell – DSSC) bằng phương pháp in lụa. Bên
cạnh đó, điện cực catot đối chứng được chế tạo từ vật liệu nano Pt. Điện cực catot sau khi
chế tạo được khảo sát đặc tính điện hóa bằng phương pháp đo quét thế vòng tuần hoàn
(cyclic voltammetry – CV)
Các điện cực catot đã chế tạo và điện cực anot từ keo TiO2 thương mại được sử dụng
để ráp pin DSSC. Hiệu quả làm việc của pin DSSC được khảo sát bằng phương pháp đo
đường đặc trưng mật độ dòng – thế (J-V) và phổ tổng trở điện hóa (electrochemical
impedance spectroscopy – EIS) để chọn vật liệu phù hợp. Vật liệu phù hợp được dùng để
chế tạo điện cực catot với số lần quét điện cực khác nhau từ 1 đến 10 lần để kiểm tra điều
kiện chế tạo điện cực tốt nhất trong pin DSSC.
Ngoài ra, hình thái – cấu trúc – đặc tính của vật liệu Pt/rGO phù hợp và các vật liệu
tiền chất được khảo sát bằng phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier (Fourier-transform
infrared spectroscopy – FTIR), phổ Raman, giản đồ nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction –
XRD), và kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscopy – TEM).
v
ABSTRACT
In this thesis, platinum/graphene oxide composite (Pt/rGO) materials were synthesized
from reduced graphene oxide (rGO) and Pt nanoparticles (Pt) by ex-situ method.
Accordingly, rGO was synthesized from graphene oxide (GO), which was synthesized
from graphite (Gi) powder by improved Hummers method. Pt nanoparticles were
synthesized using the chemical reduction method with five reducing agent: vitamin C,
hydrazine hydrate, sodium borohydride, glucose, and sodium citrate After that, Pt
nanoparticles were dispersed in rGO suspension using the chemical reduction method
with five different weight percents of rGO: 20, 40, 60, 80, and 100 wt%.
Pt/rGO composite materials were used for fabrication of cathodes in dye-sensitized
solar cells (DSSCs) using the screen-printing method. For comparison, control cathode
was fabricated from Pt nanoparticles. The electrochemical properties of fabricated
cathodes were investigated using the cyclic voltammetry (CV) measurement.
Commercial TiO2 paste was used for fabrication of anodes. The fabricated cathodes
and anodes were used for DSSCs asembely. The performances of fabricated DSSCs were
investigated
using,
current
density-voltage
characteristic
curves
(J-V),
and
electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to select the appropriate composite
material. The appropriate composite material was used for investigation the optimized
number of coating layers (from 1 to 10 layers) for fabrication of cathode in DSSCs.
In addition, characterization of appropriate Pt/rGO and precursor materials were
investigated by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, Xray diffaction (XRD), and transmission electron microscopy (TEM).
vi
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân
tác giả và được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS. Phạm Trọng Liêm Châu và
Thầy PGS.TS. Nguyễn Hữu Hiếu, và Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Công nghệ Hóa
Học và Dầu Khí (CEPP Lab), Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP.
HCM, cùng với sự hỗ trợ của Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Hóa Lý Ứng Dụng (APC
Lab), Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu, và kết luận trong luận văn này là hoàn toàn trung
thực, chưa từng được công bố trong bất cứ một công trình nào khác trước đây.
Tác giả xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Tác giả
Nguyễn Đăng Khoa
vii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN .................................................................................................... v
ABSTRACT ...................................................................................................................... vi
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ vii
MỤC LỤC ....................................................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................... xi
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... xiii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... xiv
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................. xv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................. 1
1.1. Pin mặt trời ................................................................................................................ 1
1.1.1. Giới thiệu ................................................................................................................. 1
1.1.2. Các thế hệ pin mặt trời ........................................................................................... 2
1.1.2.1. Pin mặt trời thế hệ thứ nhất ................................................................................. 2
1.1.2.2. Pin mặt trời thế hệ thứ hai ................................................................................... 3
1.1.2.3. Pin mặt trời thế hệ thứ ba .................................................................................... 3
1.1.2.4. Pin mặt trời thế hệ thứ tư ..................................................................................... 4
1.2. Pin mặt trời chất màu nhạy quang .......................................................................... 4
1.2.1. Giới thiệu ................................................................................................................. 4
1.2.2. Cấu tạo .................................................................................................................... 5
1.2.3. Nguyên lý hoạt động ............................................................................................... 6
1.3. Graphite ...................................................................................................................... 7
1.4. Graphite oxit .............................................................................................................. 8
1.5. Graphene oxit ............................................................................................................. 9
1.6. Graphene .................................................................................................................. 10
1.6.1. Cấu tạo và tính chất .............................................................................................. 10
1.6.2. Ứng dụng ............................................................................................................... 11
1.6.3. Phương pháp tổng hợp ......................................................................................... 14
1.6.3.1. Phương pháp epitaxy ......................................................................................... 14
1.6.3.2. Phương pháp lắng đọng hơi hóa học ................................................................ 14
viii
1.6.3.3. Phương pháp xen cài ......................................................................................... 15
1.6.3.4. Phương pháp bóc tách cơ học ........................................................................... 15
1.6.3.5. Phương pháp điện hóa ....................................................................................... 16
1.6.3.6. Phương pháp oxy hóa – khử .............................................................................. 17
1.7. Vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử ............................................... 18
1.7.1. Tính chất ............................................................................................................... 18
1.7.2. Phương pháp tổng hợp ......................................................................................... 18
1.7.3. Ứng dụng ............................................................................................................... 20
1.8. Tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu ........................ 20
1.8.1. Tính cấp thiết ........................................................................................................ 20
1.8.2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................. 20
1.8.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................ 20
1.8.4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 21
1.8.4.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu.......................................................................... 21
1.8.4.2. Phương pháp chế tạo điện cực catot và pin DSSC ............................................ 21
1.8.4.3. Phương pháp khảo sát đặc tính của catot ......................................................... 22
1.8.4.4. Phương pháp đánh giá hiệu quả làm việc của pin DSSC .................................. 23
1.8.4.1. Các phương pháp khảo sát cấu trúc – hình thái – đặc tính của vật liệu ........... 27
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM...................................................................................... 32
2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị, và địa điểm thực hiện ............................................... 32
2.1.1. Hóa chất ................................................................................................................ 32
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị ................................................................................................ 33
2.1.3. Địa điểm thực hiện................................................................................................ 35
2.2. Thí nghiệm................................................................................................................ 35
2.2.1. Tổng hợp vật liệu .................................................................................................. 35
2.2.1.1. Tổng hợp GO ..................................................................................................... 35
2.2.1.2. Tổng hợp rGO .................................................................................................... 36
2.2.1.3. Tổng hợp vật liệu nano Pt .................................................................................. 37
2.2.1.4. Tổng hợp vật liệu composite Pt/rGO ................................................................. 37
2.2.2. Chế tạo và khảo sát hoạt tính điện cực catot ....................................................... 38
2.2.2.1. Chế tạo hệ keo in lụa Pt/rGO ............................................................................ 38
2.2.2.2. Chế tạo điện cực catot ....................................................................................... 39
ix
2.2.2.3. Khảo sát hoạt tính điện hóa điện cực catot ....................................................... 40
2.2.2.4. Chế tạo điện cực anot ........................................................................................ 41
2.2.3. Ráp pin và thử nghiệm hiệu quả làm việc của pin .............................................. 42
2.2.3.1. Ráp pin ............................................................................................................... 42
2.2.3.2. Thử nghiệm hiệu quả làm việc của pin .............................................................. 43
2.2.4. Khảo sát hình thái – đặc tính – cấu trúc vật liệu ................................................ 45
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN..................................................................... 47
3.1. Vật liệu tổng hợp và đặc tính điện cực catot ......................................................... 47
3.2. Hiệu quả làm việc của pin ....................................................................................... 49
3.2.1. Đường đặc trưng J-V............................................................................................ 49
3.2.2. Phổ EIS ................................................................................................................. 54
3.3. Hình thái – đặc tính – cấu trúc vật liệu ................................................................. 57
3.3.1. Phổ FT-IR ............................................................................................................. 57
3.3.2. Phổ Raman ............................................................................................................ 58
3.3.3. Giản đồ XRD ......................................................................................................... 59
3.3.4. Ảnh TEM ............................................................................................................... 61
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ............................................................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
x
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Hiệu ứng quang điện ........................................................................................... 1
Hình 1.2: Pin mặt trời thế hệ thứ nhất ................................................................................. 2
Hình 1.3: Pin mặt trời thế hệ thứ hai ................................................................................... 3
Hình 1.4: Pin mặt trời thế hệ thứ ba .................................................................................... 4
Hình 1.5: Cấu tạo của pin DSSC ......................................................................................... 5
Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của DSSC ................................................................. 6
Hình 1.7: Cấu trúc của Gi .................................................................................................... 8
Hình 1.8: Cấu trúc của GiO ................................................................................................. 8
Hình 1.9: Cấu trúc của GO .................................................................................................. 9
Hình 1.10: Cấu trúc của Gr................................................................................................ 11
Hình 1.11: Chip điện tử làm bằng Gr ................................................................................ 12
Hình 1.12: Tổng hợp Gr bằng phương pháp CVD ............................................................ 15
Hình 1.13: Tổng hợp Gr bằng phương pháp bóc tách cơ học ........................................... 16
Hình 1.14: Tổng hợp Gr bằng phương pháp điện hóa....................................................... 17
Hình 1.15: Tổng hợp Gr bằng phương pháp oxy hóa – khử ............................................. 18
Hình 1.16: Phương pháp tổng hợp vật liệu composite Pt/rGO ......................................... 19
Hình 1.17: Phương pháp in lụa .......................................................................................... 21
Hình 1.18: Giản đồ đo CVche cho hết chữ trên hình ........................................................ 22
Hình 1.19: Đường đặc trưng dòng – thế của pin DSSC .................................................... 23
Hình 1.20: Phép đo phổ tổng trở của pin DSSC và sơ đồ mạch điện tương ứng .............. 24
Hình 1.21: Cấu tạo của thiết bị chụp ảnh SEM ................................................................. 26
Hình 1.22: Cấu tạo của thiết bị quang phổ FTIR .............................................................. 27
Hình 1.23: Các quá trình chuyển dịch điện tử liên quan đến hiệu ứng Raman ................. 29
Hình 1.24: Hiện tượng tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn ................................ 30
Hình 1.26: Cấu tạo kính hiển vi điện tử truyền qua .......................................................... 31
Hình 2.1: Quy trình tổng hợp GO theo phương pháp Hummers cải tiến .......................... 35
Hình 2.2: Quy trình tổng hợp rGO .................................................................................... 36
Hình 2.3: Quy trình tổng hợp vật liệu nano Pt .................................................................. 37
Hình 2.4: Quy trình tổng hợp Pt/rGO bằng phương pháp phối trộn huyền phù ............... 38
Hình 2.5: Quy trình chế tạo hệ keo in lụa Pt/rGO ............................................................. 39
xi
Hình 2.6: Quy trình chế tạo điện cực catot ........................................................................ 40
Hình 2.7: Hệ thống đo CV trong dung dịch điện ly C10H10Fe .......................................... 41
Hình 2.8: Quy trình chế tạo điện cực anot......................................................................... 41
Hình 2.9: Quy trình chế tạo DSSC .................................................................................... 42
Hình 2.10: Máy đo J-V Keithley 2400 dưới hệ mô phỏng ánh sáng mặt trời photo
simulator ............................................................................................................................ 43
Hình 2.11: Thiết bị đo EIS Gamry Reference 600 ............................................................ 45
Hình 3.1: Sản phẩm sau quá trình phản ứng của H2PtCl6 và GO với các chất khử a)
vitamin C, b) natri citrate, c) hydrazine hydrate, d) natri bohidrua, và e) glucose ........... 47
Hình 3.2: Đồ thị CV của các điện cực catot đã chế tạo ..................................................... 48
Hình 3.3: Đường đặc trưng J-V của các các pin DSSC đã chế tạo ................................... 49
Hình 3.4: Đường đặc trưng J-V của các các pin DSSC đã chế tạo ................................... 52
Hình 3.5: Ảnh SEM chụp cắt lớp của các điện cực PG2 với a) 1 lần quét, b) 2 lần quét, và
c) 3 lần quét ....................................................................................................................... 53
Hình 3.4: Biểu diễn mạch tương đương [RS+(CCE/RCE)+G+(Cd/Rd)] ............................... 54
Hình 3.5: DSSC đã chế tạo ở hai độ phân giải khác nhau................................................. 54
Hình 3.6: Phổ FT-IR của Gi, GO, rGO, và PG2 ............................................................... 57
Hình 3.7: Phổ Raman của Gi, GO, rGO và PG2 ............................................................... 58
Hình 3.8: Giản đồ XRD của Gi, GO, rGO và PG2 ........................................................... 60
Hình 3.9: Ảnh TEM của vật liệu PG2 ............................................................................... 61
xii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Các hóa chất sử dụng trong đề tài ..................................................................... 32
Bảng 2.2: Các thiết bị sử dụng trong luận văn .................................................................. 33
Bảng 2.3: Tỉ lệ khối lượng các mẫu vật liệu Pt/rGO ......................................................... 38
Bảng 2.4: Khảo sát số lần quét điện cực ........................................................................... 44
Bảng 3.1: Các giá trị Ip và Ep của các điện cực catot đã chế tạo ....................................... 48
Bảng 3.2: Các thông số đặc trưng của các các pin DSSC đã chế tạo ................................ 50
Bảng 3.2: Các thông số đặc trưng của các các pin DSSC PG2 với số lần quét khác nhau52
Bảng 3.3: Các thông số điện trở của các DSSC ................................................................ 56
Bảng 3.4: Các tỉ lệ ID/IG của Gi, GO, rGO, và PG2 .......................................................... 59
xiii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
s-Si
Single -crystalline silicon solar cell
Pin mặt trời silic đơn tinh thể
p-Si
Poly -crystalline silicon solar cell
Pin mặt trời silic đa tinh thể
a-Si
Amorphous silicon solar cell
Pin mặt trời silic vô định hình
CdTe
Cadmium Telluride Solar Cells
Pin cadimi telluride
CIS
Cooper-indium-selenide solar cell
Pin đồng-indium-selen
CIGS
Cooper-indium-gallium-diselenide
solar cell
Pin đồng-indium-gallium-diselenit
CZTS
Copper zinc tin sulfide solar cell
Pin đồng – kẽm – thiếc sulfide
SQD
Semiconductor quantum dots
Pin bán dẫn chấm lượng tử
OPV
Organic photovoltaics
Pin hữu cơ
DSSC
Dye-sensitized solar cell
Pin mặt trời chất màu nhạy quang
FTO
Fluorine-doped tin oxide
Thủy tinh oxit dẫn điện độn flo
ITO
Indium-doped tin oxide
Thủy tinh oxit dẫn điện indium
TCO
Transparent conducting oxide
Thủy tinh oxit dẫn điện
HOMO
Highest occupied molecular orbital
Vân đạo chứa điện tử cao nhất
LUMO
Lowest uoccupied molecular orbital
Vân đạo trống thấp nhất
CVD
Chemical vapor deposition
Lắng đọng hơi hóa học
Fourier-transform infrared
Phổ hồng ngoại chuyển hóa
spectroscopy
Fourier
TEM
Transmission electron microscopy
Kính hiển vi điện tử truyền qua
XRD
X-ray diffraction
Nhiễu xạ tia X
Gr
Graphene
Graphene
Gi
Graphite
Graphite
GiO
Graphite oxide
Graphite oxit
GO
Graphene oxide
Graphene oxit
rGO
Reduced graphene oxide
Graphene oxit dạng khử
HSE
Hight Stability Electrolyte
Dung dịch điện ly HSE
FTIR
GBL
γ-Butyrolactone
γ-Butyrolactone
xiv
LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng năng lượng của mỗi quốc gia đang tăng
cao. Những nguồn năng lượng hóa thạch hiện nay như than đá, dầu mỏ đang gặp phải
những vấn đề khó khăn do cạn kiệt nguồn tài nguyên và ô nhiễm môi trường. Những vấn
đề cấp thiết trên đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu phát triển những công nghệ
khai thác năng lượng không gây ô nhiễm và có thể tái tạo được từ các nguồn như mặt
trời, gió, địa nhiệt, thủy triều, v.v. Những nguồn năng lượng tái tạo này có ưu điểm chung
là sạch, thân thiện với môi trường và có trữ lượng gần như vô tận. Đối với năng lượng
mặt trời, là nguồn năng lượng đã được con người khai thác từ thời cổ đại để phục vụ các
hoạt động sinh hoạt và sản xuất hằng ngày như sấy nông sản, phơi khô đồ dùng sinh hoạt,
v.v. Năng lượng mặt trời luôn có sẵn, dễ dàng khai thác, sử dụng và là nguồn năng lượng
tái tạo đang được quan tâm nhiều nhất hiện nay. Thiết bị để chuyển hóa năng lượng ánh
sáng mặt trời thành điện năng được gọi là pin mặt trời. Yêu cầu của những thiết bị này là
hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, hoạt động trong nhiều điều kiện, dễ lắp đặt, sửa
chữa và chi phí sản xuất thấp. Những yêu cầu này cũng chính là những thách thức đặt ra
cho các nhà khoa học trên thế giới. Trong hơn 50 năm qua, pin mặt trời không ngừng
được cải tiến và đang mang lại nhiều kết quả khả quan, điển hình trong đó là pin mặt trời
chất màu nhạy quang (dye sensitized solar cell – DSSC). Hiện nay, pin DSSC đang được
nhiều quốc gia trên thế giới nghiên cứu phát triển vì giá thành sản xuất rẻ cũng như
nguyên vật liệu sử dụng đa dạng.
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh của vật liệu nano mà điển hình là các vật liệu
của cacbon như ống than nano, cacbon vulcan hay graphene đã mở ra những hướng phát
triển mới cho pin DSSC. Trong đó, bao gồm việc cải tiến điện cực catot, điện cực anot,
và dung dịch điện ly trong DSSC là những hướng nghiên cứu chính mà các nhà khoa học
quan tâm ngày nay nhằm mục đích giảm giá thành cũng như nâng cao hiệu suất cho pin
mặt trời chất màu nhạy quang. Vì vậy, đề tài được chọn để nghiên cứu trong đề tài này là:
“Tổng hợp vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử bằng phương pháp
phối trộn huyền phù ứng dụng chế tạo điện cực catot trong pin mặt trời chất màu
nhạy quang”.
xv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Pin mặt trời
1.1.1. Giới thiệu
Pin mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị sản xuất điện năng từ các chất
bán dẫn dưới tác động của ánh sáng mặt trời. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời là
dựa vào hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện là quá trình các điện tử hấp
thu năng lượng từ photon ánh sáng và chuyển sang trạng thái kích thích, tách ra khỏi
vật chất hay nguyên tử, được trình bày ở hình 1.1 [1]. Hiệu ứng quang điện được phát
hiện lần đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý người Pháp Alexandre-Edmond
Becquerel. Đến năm 1946, Russel Ohl đã phát minh ra tế bào quang điện (photovoltaic
cell) đầu tiên làm bằng silicon (Si). Năm 1988, Charle Fritts chế tạo thành công pin
mặt trời (solar cell) đầu tiên với hiệu suất 1 % [2].
Photon
ánh sáng
Điện tử
tự do
Hình 1.1: Hiệu ứng quang điện [2]
Yếu tố quan trọng để đánh giá một tấm pin mặt trời đó là hiệu suất chuyển hóa năng
lượng. Ngoài ra, những yếu tố khác cần được quan tâm đó là: khả năng làm việc trong
những môi trường khác nhau, giá thành, độ bền, vật liệu thân thiện với con người và
môi trường. Trong nhiều năm qua, pin mặt trời đã trải qua nhiều giai đoạn cải tiến và
đang ngày càng trở nên thông dụng hơn, đáp ứng được nhu cầu trong sản xuất và đời
sống. Pin mặt trời đã trải qua bốn thế hệ pin.
1
1.1.2. Các thế hệ pin mặt trời
1.1.2.1. Pin mặt trời thế hệ thứ nhất
Pin mặt trời thế hệ thứ nhất hay pin silic (Si) hiện là pin mặt trời có hiệu suất cao
nhất và chiếm khoảng 80 % trong số tất cả các tấm pin mặt trời được bán trên toàn thế
giới. Pin mặt trời Si đầu tiên được phát mình vào năm 1954 với hiệu suất 6 %. Cấu tạo
chính của pin mặt trời thế hệ thứ nhất bao gồm hai lớp: lớp bán dẫn loại p (positive) và
loại n (negative). Bán dẫn loại p thường được tạo ra bằng cách pha tạp Si với boron để
tạo thêm các lỗ trống trên mạng Si. Bán dẫn loại n thường được tạo ra bằng cách pha
tạp Si với phốt-pho để có thêm điện tử tự do trong mạng tinh thể Si [2]. Cấu tạo của
pin thế hệ thứ nhất được thể hiện ở hình 1.2. Khi lớp bán dẫn Si nhận năng lượng từ
ánh sáng mặt trời, các điện tử tự do ở lớp bán dẫn n sẽ di chuyển sang để lấp đầy các
lỗ trống ở lớp bán dẫn p. Sau đó, các điện tử từ lớp bán dẫn n và lớp bán dẫn n sẽ cùng
tạo ra điện trường, cho phép điện di chuyển từ điện cực p đến điện cực n, tạo thành
dòng điện [3].
Bán dẫn loại n
Bán dẫn loại p
Hình 1.2: Pin mặt trời thế hệ thứ nhất [3]
Ưu điểm của pin thế hệ thứ nhất là tuổi thọ của pin có thể kéo dài đến 50 năm, hiệu
suất pin cao hơn 10 %, dễ lắp đặt, vật liệu chế tạo phổ biến. Tuy nhiên, pin có nhược
điểm là chi phí sản xuất pin cao, hiệu suất chuyển hóa năng lượng giảm khi nhiệt độ
tăng, dễ vỡ [3].
2
1.1.2.2. Pin mặt trời thế hệ thứ hai
Pin mặt trời thế hệ thứ hai thường được gọi là pin mặt trời lớp mỏng. Pin mặt trời
thế hệ thứ hai có độ dày giảm đi đáng kể khi so với thế hệ thứ nhất nhờ lớp bán dẫn có
độ dày cỡ micro mét, như thể hiện ở hình 1.3 [2]. Pin lớp mỏng được cấu tạo từ các vật
liệu khác nhau như Si vô định hình, cadmium indium selenide (CIS), cadmium
telluride (CdTe), v.v.
Pin lớp mỏng có ưu điểm là giảm chi phí trong quá trình sản xuất do tiết kiệm vật
liệu, sản xuất ở nhiệt độ thấp và có khả năng tự động hóa [4]. Pin lớp mỏng chiếm
12 % tổng thị trường pin mặt trời vào năm 2015. Tuy nhiên, pin có nhược điểm là hiệu
suất thấp hơn pin thế hệ thứ nhất (10 – 15 %), sử dụng nhiều chất độc hại với môi
trường và sức khỏe con người như Cd, Se, v.v. thiếu độ ổn định [4].
Hình 1.3: Pin mặt trời thế hệ thứ hai [4]
1.1.2.3. Pin mặt trời thế hệ thứ ba
Thế hệ pin mặt trời thứ ba, điển hình là pin mặt trời chất màu nhạy quang (dyesensitized solar cell – DSSC) được mong đợi có thể khắc phục được những nhược
điểm của hai thế hệ trước. Pin mặt trời thế hệ thứ ba có nhiều loại với cấu tạo và đặc
điểm khác nhau. Những pin mặt trời thuộc thế hệ thứ ba có thể kể đến là: pin tinh thể
nano, pin mặt trời polyme, pin perovskite, pin mặt trời chấm lượng tử, pin DSSC v.v.
Pin mặt trời thế hệ thứ ba có các ưu và nhược điểm khác nhau, tùy thuộc vào từng loại
pin. Pin mặt trời thế hệ thứ ba được thể hiện ở hình 1.4 [2].
3
Hình 1.4: Pin mặt trời thế hệ thứ ba [2]
1.1.2.4. Pin mặt trời thế hệ thứ tư
Pin mặt trời thế hệ thứ tư là thế hệ pin có cấu trúc kết hợp giữa tính dẻo của vật liệu
polyme và tính ổn định của vật liệu vô cơ. Pin mặt trời thế hệ thứ tư được kỳ vọng có
thể nâng cao hiệu suất chuyển hóa và khả năng hấp thu ánh sáng của pin. Pin mặt trời
thế hệ thứ tư hiện vẫn đang được nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm và chưa được
đưa ra thị trường [5].
Trong các loại pin mặt trời đang được phát triển, pin thế hệ thứ ba là thế hệ pin có
tiềm năng phát triển hiện nay. Pin DSSC là một trong số loại pin thế hệ thứ ba đã nhận
được nhiều sự quan tâm của thế giới.
1.2. Pin mặt trời chất màu nhạy quang
1.2.1. Giới thiệu
Pin mặt trời chất màu nhạy quang (hay còn được gọi là pin O'Regan–Grätzel) được
O'Regan và Michael Grätzel công bố lần đầu tiên trên tạp chí Nature năm 1991 với
hiệu suất chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời dưới ánh sáng nhân tạo trong
phòng thí nghiệm, tương đương với hiệu suất của pin mặt trời Si đa tinh thể, nhưng giá
thành rẻ và chỉ bằng 1/4 giá thành pin mặt trời Si đa tinh thể được nghiên cứu cùng
thời điểm [6]. Với những kết quả được công bố gần đây, pin DSSC mang những ưu
điểm vượt trội như: quy trình chế tạo đơn giản, ít tốn năng lượng; mỏng, dẻo và nhẹ;
vật liệu chế tạo pin phổ biến. Pin DSSC ít nhạy với nhiệt độ nên có khả năng hoạt
động ổn định khi nhiệt độ môi trường thay đổi, có thể hoạt động trong môi trường ánh
sáng yếu. Pin DSSC có khả năng chuyển hóa ánh sáng trong vùng bước sóng trải dài
từ vùng ánh sáng khả kiến đến vùng cận hồng ngoại. Ngoài ra, pin DSSC không độc
hại và thân thiện với môi trường [2].
4
Bên cạnh những ưu điểm trên, pin DSSC vẫn có những nhược điểm như: hiệu suất
chuyển hóa chưa cao so với pin thế hệ thứ nhất và thế hệ thứ hai, pin hoạt động không
ổn định do chất điện ly dễ bị rò rỉ hoặc bay hơi [2].
1.2.2. Cấu tạo
Cấu tạo cơ bản của một pin DSSC được thể hiện ở hình 1.5, gồm bốn thành phần
chính: điện cực âm (anot), điện cực dương (catot), chất điện ly, và chất màu nhạy
quang (dye).
Thủy tinh
Chất điện
Thủy tinh
ly
dẫn
Pt
TiO2
Chất màu
nhạy
Thủy tinh
quang
Hình 1.5: Cấu tạo của pin DSSC [7]
Điện cực anot: hay còn gọi là điện cực quang đóng vai trò là chất hỗ trợ cho chất
màu nhạy quang và nhận điện tử được kích thích trong chất màu nhạy quang để
chuyển ra mạch ngoài. Vật liệu để chế tạo anot cần phải có khả năng xúc tác quang, độ
truyền qua tốt và có diện tích bề mặt riêng lớn để hấp phụ chất màu nhạy quang. Anot
thường được chế tạo bằng vật liệu ZnO hoặc TiO2 phủ lên một tấm FTO. Những hạt
nano ZnO hoặc TiO2 được phủ lên FTO có kích thước khoảng 20 nm và bề dày được
phủ khoảng 10 μm. Các oxit của những kim loại như Zr, Al, Ti, Rh và Nb, v.v. cũng
được nghiên cứu cũng cho thấy khả năng dịch chuyển điện tích và làm tăng hiệu suất
của pin [7].
Điện cực catot: hay còn gọi là điện cực đối, đảm nhiệm hai chức năng chính trong
pin DSSC: thu nhận điện tử và xúc tác cho phản ứng khử chất trung gian I 3- thành I- để
phục hồi trạng thái cho chất màu nhạy quang tiếp tục đảm nhiệm chức năng thu nhận
ánh sáng [8]. Vật liệu để chế tạo catot cần phải có khả năng xúc tác cho các quá trình
5
- Xem thêm -