Kết quả và biện luận về độ bền hoạt động của pin mặt trời tinh thể Nano oxit tẩm chất nhạy quang

Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý

Hình 4.3: Biến đổi thông số hoạt động của các pin dye D520, dung dịch điện ly
không có 4-TBP, đo ở cường độ sáng 250 W/m
2
(đèn halogen) theo thời gian phơi
nhiệt ở 85
o
C trong tối: (A) Hiệu suất pin; (B) I
sc
; (C) V
oc
; (D) ff.

Như vậy các pin dye D520 không sử dụng 4-TBP có độ bền nhiệt cao: các
thông số hoạt động của pin chưa bị suy giảm sau 780 giờ phơi nhiệt. Vấn đề bay hơi
dung dịch điện ly vốn được xem là một trong những nguyên nhân làm hỏng pin đã
không xảy ra với các pin chế tạo được.

Ngoài hai dye phổ biến là N719 và D520, chúng tôi cũng thử nghiệm với dye
đen. Theo Hình 4.4, hiệu suất chuyển đổi quang năng ban đầu của các pin dye đen
dung dịch điện ly không chứa 4-TBP nhỏ hơn 3%, giảm dần theo thời gian phơi
nhiệt. Thế mạch hở của các pin dye đen nằm trong khoảng 430 - 510 mV. Hệ số lấp
đầy dao động trong khoảng 0,45 – 0,6 trong suốt hơn 700 giờ phơi nhiệt, xấp xỉ pin
dye N719 và D520.


Mai Thị Hải Hà 59


Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý



Mai Thị Hải Hà 60


Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý

Hình 4.4: Biến đổi thông số hoạt động của các pin dye đen, dung dịch điện ly
không có 4-TBP, đo ở cường độ sáng 250 W/m
2
(đèn halogen) theo thời gian phơi
nhiệt ở 85
o
C trong tối: (A) Hiệu suất pin; (B) I
sc
; (C) V
oc
; (D) ff.

Bảng 4.1 cho thấy trường hợp dung dịch điện ly không chứa phụ gia 4-TBP,
khả năng hoạt động của pin dye D520 cao và ổn định hơn dye N719 và dye đen. Pin
dye đen có khả năng hoạt động kém và suy giảm rõ hơn dưới tác động của sự phơi
nhiệt.
Bảng 4.1: So sánh thông số hoạt động của pin không chứa phụ gia 4-TBP theo ba
loại dye: N719, D520 và dye đen.
η (%) I
sc
(mA) V
oc
(mV)
N719 D520
Dye
đen
N719 D520
Dye
đen
N719 D520 Dye đen
Thời
gian
phơi
nhiệt
(giờ)
[4-TBP] = 0 (mol/l)
0 3 2,5 2,2 5,3 4,6 3,9 520 504 482
250 1,7 2,5 – 3 1,8 2,6 3,3 - 4 3 501 539 – 560 492
540 1,9 2,5 – 3 1,3 2,8 3,6 - 4 1,7 480 538 – 557 485
660 1,6 2,5 – 3 0,9 2,7
3,9
-
4,5
1,3 476 538 – 550 460

Mai Thị Hải Hà 61


Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Rõ ràng mạch cacbon dài, trơ trong cấu trúc dye D520 đóng vai trò quan
trọng bảo vệ và ổn định giao diện TiO
2
/dung dịch điện ly, duy trì dòng và thế ổn
định cho pin trong suốt 780 giờ phơi nhiệt.

Dye đen được xem là tốt hơn do có dải hấp thụ trải dài sang vùng hồng ngoại
gần. Tuy nhiên kết quả thu được trong điều kiện phòng thí nghiệm cụ thể không như
mong đợi: hiệu suất chuyển đổi quang năng của các pin sử dụng dye đen không cao
hơn dye D520 và N719 như đã được khẳng định trong một số nghiên cứu
[04],[31].
Nguyên nhân có thể do ánh sáng đèn Halogen sử dụng có bước sóng không phù hợp
cho sự hấp thụ tốt nhất của dye đen, hoặc do mức LUMO-HOMO của dye đen thu
hẹp lại so với dye D520 và N719, điều này thuận lợi để hấp thụ được ánh sáng có
bước sóng dài nhưng lại không thuận lợi về mặt nhiệt động cho các quá trình tiêm
điện tử từ dye vào TiO
2
hay quá trình tái tạo dye, Từ một số quan sát ban đầu
chúng tôi nhận thấy dye đen nhạy cảm với yếu tố nhiệt độ, vì khi mới cho hấp thụ
trên bề mặt anốt dye có màu tươi và sắc xanh rõ ràng, tuy nhiên sau quá trình hàn
gắn các điện cực với nhau ở nhiệt độ khoảng 140
0
C trong 1 phút màu của dye đã bị
xỉn, ngả sang sắc xám. Như vậy có thể nhiệt độ đã ảnh hưởng không tốt đến dye
đen, làm hiệu suất pin giảm liên tục so với dye D520 và N719 trong suốt quá trình
phơi nhiệt.

4.3. Độ bền hoạt động của các pin sử dụng phụ gia 4-TBP dưới tác động của
nhiệt trong tối
Độ bền nhiệt của pin dye N719 có phụ gia 4-TBP được theo dõi trong 600
giờ phơi nhiệt ở 85
0
C trong tối, và được cho ở Hình 4.5. Các pin có hiệu suất
chuyển đổi quang năng ban đầu trung bình 4,5 %, giảm dần theo thời gian phơi, còn
50% sau 500 – 600 giờ phơi nhiệt. Sự giảm của hiệu suất chủ yếu do sự giảm dần
của dòng ngắn mạch theo thời gian phơi, từ 5 – 6 mA ban đầu giảm còn một nửa
sau 500 – 600 giờ phơi. Thế mạch hở của các pin dye N719 ban đầu cao 670 – 700
Mai Thị Hải Hà 62


Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
mV, sau khi phơi nhiệt biến đổi trong khoảng 550 – 630 mV. Hệ số lấp đầy của các
pin biến đổi nhẹ trong khoảng 0,45 – 0,55 trong 600 giờ phơi nhiệt.






Mai Thị Hải Hà 63


Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý



Hình 4.5: Biến đổi thông số hoạt động của các pin dye N719, dung dịch điện ly có
4-TBP, đo ở cường độ sáng 250 W/m
2
(đèn halogen) theo thời gian phơi nhiệt ở
85
o
C trong tối: (A) Hiệu suất pin; (B) I
sc
; (C) V
oc
; (D) ff.

Trong khi η và I
sc
của pin dye N719 giảm dần trong suốt 600 giờ phơi, thì
với pin dye D520 các thông số này lại ổn định trong 500 giờ đầu phơi nhiệt với các
giá trị 3,5 – 5 % và 4 – 6 mA, cao hơn các pin dye N719, và chỉ giảm nhanh sau đó,
tại t = 600 giờ hiệu suất các pin còn khoảng 1 – 2% . Thế mạch hở dao động trong
khoảng 610 – 650 mV, chưa giảm sau hơn 700 giờ phơi nhiệt. Hệ số lấp đầy tập
trung trong khoảng 0,45 – 0,55, và tăng đến giá trị 0,7 sau 600 giờ phơi nhiệt khi
dòng ngắn mạch giảm mạnh.

Mai Thị Hải Hà 64


Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý



Mai Thị Hải Hà 65


Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý

Hình 4.6: Biến đổi thông số hoạt động của các pin dye D520, dung dịch điện ly có
4-TBP, đo ở cường độ sáng 250 W/m
2
(đèn halogen) theo thời gian phơi nhiệt ở
85
o
C trong tối: (A) Hiệu suất pin; (B) I
sc
; (C) V
oc
; (D) ff.

So với pin dye N719, trong 500 giờ đầu phơi nhiệt các pin dye D520 hoạt
động tốt và ổn định hơn. Điều này được giải thích do cấu trúc dye D520 có đuôi
cacbon kị nước dài, giúp bảo vệ bề mặt TiO
2
khỏi sự tiếp cận của các hợp chất có
cực trong dung dịch, như ion I
3
-
.

Với pin dùng dye đen, Hình 4.7 cho thấy hiệu suất chuyển đổi quang năng
ban đầu thấp 2 – 3,3 %, tăng lên 3,5 – 4,5 % trong 400 giờ đầu phơi nhiệt xấp xỉ pin
D520, sau đó giảm dần. Ở t = 600 giờ phơi, hiệu suất chỉ còn khoảng 1 – 2 %. Sự
biến thiên của hiệu suất chuyển đổi quang năng theo thời gian phơi nhiệt trùng với
sự biến thiên của dòng ngắn mạch theo thời gian: từ 4 – 4,5 mA ban đầu tăng lên
4,5 – 6,5 mA trong 400 giờ đầu phơi nhiệt, và giảm nhanh sau 600 giờ phơi. Thế
mạch hở của các pin dye đen dao động trong khoảng 570 – 610 mV, có xu hướng
giảm sau 600 giờ phơi nhiệt. Thế mạch hở của các pin dye đen thấp hơn các pin dye
D520 và N719. Hệ số lấp đầy tập trung trong khoảng 0,45 – 0,55 , có trường hợp
tăng lên 0,7 khi dòng ngắn mạch giảm thấp. Sự biến đổi hiệu suất của các pin dye
đen có phụ gia 4-TBP chủ yếu do sự biến đổi của dòng ngắn mạch.
Mai Thị Hải Hà 66


Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Khác với pin dùng dye D520 và N719, trong khoảng 400 giờ đầu phơi nhiệt
dòng ngắn mạch và hiệu suất của pin dye đen tăng lên so với ban đầu (Hình 4.7 (A),
(B)).




Mai Thị Hải Hà 67


Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý


Hình 4.7: Biến đổi thông số hoạt động của các pin dye đen, dung dịch điện ly có 4-
TBP, đo ở cường độ sáng 250 W/m
2
(đèn halogen) theo thời gian phơi nhiệt ở 85
o
C
trong tối: (A) Hiệu suất pin; (B) I
sc
; (C) V
oc
; (D) ff.

Bảng 4.2 cho thấy khi sử dụng phụ gia 4-TBP, trong 500 giờ phơi, pin dùng
dye D520 hoạt động ổn định và tốt hơn pin dye đen và dye N719. Tuy nhiên sau
600 giờ phơi nhiệt, khả năng hoạt động của ba loại pin đều suy giảm, với hiệu suất
chuyển đổi quang năng còn 1 – 2 %.

Bảng 4.2: So sánh thông số hoạt động của pin chứa phụ gia 4-TBP theo ba loại dye:
N719, D520 và dye đen.
η (%) Isc (mA) Voc (mV)
N719 D520
Dye
đen
N719 D520
Dye
đen
N719 D520 Dye đen
Thời
gian
phơi
nhiệt
(giờ)
[4-TBP] = 0
,5
(mol/l)
0
5,3

4
,5 2,
6

6,0

5,5

4,6

70
0
664

588

170

3,9

4,1

3,9

4,6

5,4

5,2

620

634

596

420

3,4

4,1

2,7

4

5,1

3,3

620

637

581

6
0
0
2,4

2,0

1,8
2,
5

1,6

2,6

632

661

587

725 - 1,2 1,2 - 1,0 1,6 - 627 526
Mai Thị Hải Hà 68

Xem chi tiết: Kết quả và biện luận về độ bền hoạt động của pin mặt trời tinh thể Nano oxit tẩm chất nhạy quang