Hãy truy cập theo địa chỉ sau để tải thêm nhiều tài liệu miễn phí: www.mientayvn.com

1. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI
TINH THỂ NANO OXÍT TẨM CHẤT NHẠY QUANG
Pin mặt trời (pin MT) là thiết bị biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành
điện năng. Pin MT kiểu tinh thể nano tẩm chất nhạy quang hiện đang được quan
tâm nghiên cứu mạnh mẽ bên cạnh kiểu pin MT phổ biến nhất là bán dẫn p-n tiếp
xúc.
1.1. Pin mặt trời kiểu bán dẫn p-n tiếp xúc
1.1.1. Nguyên tắc hoạt động [29]
Khi 2 lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt
dẫn (tức là do gradient hóa thế) nên các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang p,
lỗ trống khuếch tán ngược lại từ bán dẫn p sang n. Sự khuếch tán này làm cho phần
bán dẫn n sát lớp tiếp xúc tích điện dương, còn phần bán dẫn p ngay đối diện tích
điện âm. Trong miền tiếp xúc lúc này hình thành điện trường Utx hướng từ bán dẫn
n sang p (Utx sẽ ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của các hạt dẫn qua lớp tiếp xúc).
Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, bị tách
ra dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc Utx và bị gia tốc về các phía đối diện tạo
thành một sức điện động quang điện (Hình 1.1). Sức điện động quang điện phụ
thuộc vào bản chất chất bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh
sáng tới.
Hình 1.1: Điện tử và lỗ trống quang sinh trong vùng tiếp xúc bị điện trường Utx
đẩy về phía bán dẫn n và phía bán dẫn p tạo thành suất điện động trong pin.
Mai Thị Hải Hà 1

2. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Lớp bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu như một diode, chỉ cho điện tử dẫn và lỗ
trống dẫn trong vùng tiếp xúc di chuyển về phía bán dẫn n và bán dẫn p tương ứng.
Nối các đầu bán dẫn bằng một dây dẫn thì trong dây xuất hiện dòng quang
điện I đi theo chiều từ bán dẫn p qua tải về bán dẫn n (Hình 1.2).
Hình 1.2: Lớp bán dẫn p-n là một kiểu pin mặt trời tạo ra dòng quang điện I.
Lưu ý rằng chỉ có các cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra ở miền tiếp xúc hoặc
cách bờ miền tiếp xúc một khoảng gọi là độ dài khuếch tán trung bình của cặp điện
tử - lỗ trống thì mới bị điện trường tiếp xúc tách ra và tạo ra dòng quang điện [01].
1.1.2. Mạch tương đương của pin mặt trời kiểu tiếp xúc p-n. Đường đặc trưng
dòng - thế [29]
Mạch điện tương đương (Hình 1.3) của pin MT gồm một nguồn dòng Iph
song song với một diode, điện trở song song Rp biểu thị cho dòng rò ở rìa pin, điện
trở mắc nối tiếp Rs là điện trở tiếp xúc giữa các dây nối điện và điện trở của lớp bán
dẫn (pin MT lý tưởng sẽ không có thành phần Rp và Rs).
Hình 1.3: Mạch tương đương của pin MT kiểu tiếp xúc p-n khi được chiếu sáng.
Mai Thị Hải Hà 2

3. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Mắc tải ngoài, thay đổi điện trở tải thu được đường cong biểu thị sự biến đổi
tương ứng của dòng và thế qua tải. Đường đặc trưng dòng- thế này cho biết khả
năng hoạt động của một pin.
Để pin hoạt động tốt thì Rp cần phải cao và Rs cần thấp để dòng qua tải ngoài
I là cực đại và dòng hao phí Ip là cực tiểu (Hình 1.4).
Hình 1.4: Ảnh hưởng của độ lớn Rs và Rp lên dạng đường cong dòng – thế.
1.2. Các thông số quang điện hóa đánh giá khả năng hoạt động của pin
1.2.1. Dòng ngắn mạch ISC và thế mạch hở VOC [29]
Dòng ngắn mạch ISC của pin quang điện được xác định trong điều kiện điện
trở tải ngoài R = 0 và điện thế giữa 2 đầu tải V = 0. Thế mạch hở VOC của pin được
đo trong điều kiện mạch hở, không có dòng điện chạy ở mạch ngoài (Hình 1.5).
Hình 1.5: (a) Dòng ngắn mạch Isc và (b) Thế mạch hở VOC của pin.
Mai Thị Hải Hà 3

4. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Thế mạch hở của pin MT p-n được xác định theo phương trình (1.1):
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+= 1ln
O
SC
OC
I
I
q
kT
V (1.1)
Với k: hằng số Boltzmann
T: nhiệt độ lớp tiếp xúc
q: điện tích cơ bản
Io: dòng điện ngược bão hòa (có được khi áp thế ngược vào 2 đầu bán dẫn,
với cực âm nối vào bán dẫn n)
1.2.2. Điểm có công suất cực đại
Pin có thể hoạt động trong một dải thế V và dải dòng I rộng. Bằng cách thay
đổi giá trị của tải ngoài từ R = 0 (ứng với dòng ngắn mạch) đến giá trị R rất cao
(ứng với mạch hở), ta thể xác định được điểm (Vmax, Imax) ứng với công suất lớn
nhất mà pin sinh ra được (Hình 1.6).
Vmax . Imax = Pmax (1.2)
1.2.3. Hiệu suất chuyển đổi quang năng η
Hiệu suất chuyển đổi quang năng là tỉ lệ phần trăm năng lượng photon đã
chuyển hóa thành điện năng khi pin được nối với tải trên năng lượng photon thu
vào.
AE
P
.
max
=η (1.3)
Với E (W/m2
): cường độ bức xạ tới
A (m²): diện tích bề mặt của pin
1.2.4. Thừa số lấp đầy ff (fill factor)
Thừa số lấp đầy là tỉ số giữa công suất cực đại với tích của thế mạch hở VOC
và dòng ngắn mạch ISC
Mai Thị Hải Hà 4

5. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
SCOC IV
P
ff
.
max
= (1.4)
Các thông số quang điện hóa gồm dòng ngắn mạch ISC, thế mạch hở VOC, và
công suất cực đại Pmax được xác định từ đường đặc trưng dòng- thế như Hình 1.6.
Hình 1.6: Đường đặc trưng dòng- thế và các thông số hoạt động của pin.
1.3. Pin MT tinh thể nano oxít tẩm chất nhạy quang (DSC)
1.3.1. Nguyên tắc hoạt động của DSC [03]
Cấu trúc phổ biến của DSC gồm điện cực anốt là thủy tinh dẫn (TCO) phủ
bởi lớp màng nano oxit TiO2 có tẩm chất nhạy quang (dye) (Hình 1.7), điện cực
catốt là TCO có phủ lớp Pt. Giữa hai điện cực là dung dịch điện ly chứa cặp khử
/oxi hóa I-
/I3
-
.
DSC hoạt động theo chu trình sau (Hình 1.8):
Phân tử chất nhạy quang ở trạng thái cơ bản S hấp thụ một photon và chuyển lên
trạng thái kích thích S*
. S*
tiêm điện tử vào vùng dẫn (CB) của chất bán dẫn
TiO2
S*
→ S+
+ eTiO2 (1.5)
Mai Thị Hải Hà 5

6. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Điện tử di chuyển qua màng TiO2 xốp đến nền thủy tinh dẫn TCO, rồi qua tải
ngoài và về điện cực đối. Tại điện cực đối điện tử kết hợp với I3
-
tạo I-
I3
-
+ 2e → 3I-
(1.6)
I-
khử dạng oxi hóa S+
thành dạng ban đầu S
I-
+ S+
→ I3
-
+ S (1.7)
Các điện tử được tiêm vào TiO2 ngoài con đường chuyển ra mạch ngoài có
thể tham gia vào ba phản ứng tái kết hợp hay còn gọi là phản ứng tạo dòng tối sau:
eTiO2 + S+
→ S (1.8)
2eTiO2 + I3
-
→ 3I-
(1.9)
2eSnO2 + I3
-
→ 3I-
(1.10)
Phản ứng (1.10) xảy ra trên phần bề mặt TCO còn trống, nơi không có oxit
TiO2 che phủ. Phản ứng (1.9) xảy ra với mức độ đáng kể hơn nhiều so với hai phản
ứng còn lại, và là phản ứng tạo dòng tối chủ yếu trong pin.
Các phản ứng tái kết hợp này làm giảm lượng điện tử chuyển ra mạch ngoài,
do đó làm giảm dòng ngắn mạch cũng như hiệu suất chuyển đổi quang năng của
pin.
Cơ chế hoạt động của DSC khác hoàn toàn so với pin MT kiểu p-n tiếp xúc.
Điện tử và lỗ trống trong p-n sinh ra ở cùng 1 pha, bị tách ra bởi điện trường trong
vùng tiếp xúc 2 bán dẫn, và hiệu thế quang sinh của pin được quyết định bởi hiệu
điện thế trong vùng tiếp xúc này. Đối với DSC, điện tử electron và lỗ trống (là S+
, I-
3) được sinh ra ở 2 pha khác nhau, bị tách ra bởi sự khác biệt về hóa thế ở 2 pha. Sự
di chuyển của electron trong màng TiO2 là do khuếch tán, không phải do điện
trường (không có điện trường trong từng hạt TiO2 hay giữa các hạt trong màng vì
kích thước một hạt quá nhỏ (15 nm)). Hiệu thế quang sinh trong DSC phụ thuộc
vào hóa thế của electron trong TiO2 và thế oxi hóa khử của cặp I-
/I3
-
.
Mai Thị Hải Hà 6

7. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Hình 1.7: Cấu trúc của pin MT tinh thể nano oxít TiO2 tẩm chất nhạy quang [09].
Hình 1.8: Chu trình hoạt động của pin mặt trời tinh thể nano oxít tẩm chất nhạy
quang xét theo mặt năng lượng.
Mai Thị Hải Hà 7

8. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
1.3.2. Cấu tạo của DSC [09] -
1.3.2.1. Đế điện cực:
Đế điện cực là thủy tinh có phủ lớp oxít dẫn trong suốt (TCO). Đế phải có độ
trong suốt cao (để ánh sáng có thể truyền qua) và điện trở thấp, giá trị điện trở ít phụ
thuộc vào nhiệt độ (nhiệt độ khi chế tạo DSC vào khoảng 500o
C).
Lớp oxít dẫn thường là oxít thiếc có thêm Indium (Indium-doped tin oxide
ITO). ITO tuy độ bền nhiệt thấp, song lại có điện trở thấp ở nhiệt độ thường. Lớp
oxít dẫn trong DSC thường là oxít thiếc có thêm Fluorine (FTO). Thủy tinh dẫn
FTO của công ty Nippon Sheet Glass có điện trở R = 8-10 Ω.
1.3.2.2. Điện cực catốt
Thường là thủy tinh FTO có lớp Pt làm xúc tác hoặc có thể là vật liệu
carbon.
Ion I3
-
sinh ra trong phản ứng (1.7) sẽ bị khử ngược trở lại thành I-
tại điện
cực đối. Để có thể khử I3
-
hiệu quả thì điện cực đối phải có hoạt tính xúc tác điện
hóa cao (xúc tác Pt giúp giảm quá thế của sự khử I3
-
).
1.3.2.3. Điện cực quang anốt
Điện cực anốt gồm lớp oxít kim loại bán dẫn phủ trên nền thủy tinh dẫn. Lớp
oxít này có cấu trúc xốp, tồn tại dưới dạng các khối đa tinh thể đường kính hạt 10-
30 nm, gọi là tinh thể nano [27]. Lớp màng nano TiO2 với diện tích che phủ 1 cm2
,
bề dày 1 μm có diện tích bề mặt thật sự lên đến 1000 cm2
. Lớp màng TiO2 này có
thể chứa thêm một lượng nhỏ các hạt TiO2 lớn đường kính 250-300 nm để tán xạ
photon tới hiệu quả. Độ xốp của màng oxít rất quan trọng, các ion oxi hóa/ khử
trong dung dịch cần len qua được các hạt TiO2 để tiếp xúc tốt với chất nhạy quang.
Oxít bán dẫn là oxít của các kim loại chuyển tiếp như TiO2, ZnO, SnO2 hay
Nb2O5. So với các oxít bán dẫn khác thì TiO2 đặc biệt thuận lợi dùng cho DSC vì
không độc, rẻ tiền và có tính quang dẫn điện tốt. Các chất bán dẫn phổ biến khác từ
nguyên tố các nhóm IIIA → VIA như n- và p-Si, n- và p-GaAs, n- và p-InP, n-CdS
Mai Thị Hải Hà 8

9. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
khi chiếu sáng sẽ bị ăn mòn trong dung dịch chất điện ly, do đó không được sử dụng
trong DSC. Các oxit kim loại bán dẫn tuy bền trong dung dịch điện ly ngay cả khi bị
chiếu sáng, nhưng do có năng lượng vùng cấm lớn nên không hấp thụ ánh sáng khả
kiến, do vậy người ta tẩm thêm các chất nhạy quang (dye) có thể hấp thụ ánh sáng
khả kiến lên trên các oxít bán dẫn.
1.3.2.4. Chất nhạy quang (dye) [09],[27]
Các phức chất của kim loại chuyển tiếp như Ru, Os, Fe với các phối tử dị
vòng như pyridyl hay polypyridyl 2 càng, 3 càng, đa càng (Hình 1.9) đã được chứng
tỏ là những chất nhạy quang tốt cho pin DSC. Trong đó, ít nhất một nhóm thế R, R1,
R2, R3, R’, R1
’
, R2
’
, R3
’
, R’’
có hệ thống liên kết π liên hợp, nối dài thêm hệ liên hợp
π chính của vòng pyiridyl, giúp gia tăng độ hấp thụ ánh sáng. Các phân tử chất 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”.
Hình 1.9: Các phối tử thông dụng của chất nhạy quang.
Mai Thị Hải Hà 9

10. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Các chất nhạy quang phổ biến nhất hiện nay là phức chất lưỡng tính (ưa
nước và kị nước) Ruthenium bipyridyl RuLL’(NCS)2 (Hình 1.11), với:
L: 4,4’-dicarboxy-2,2’-bipyridine.
L’: 2,2’-bipyridine thế bởi 1 hoặc 2 dây alkyl dài.
Các chất nhạy quang Ruthenium bipyridyl này được sử dụng nhiều vì:
Trạng thái kích thích của chất nhạy quang có thể tồn tại lâu và trung tâm oxi hóa
Ru(III) có độ bền hóa học cao.
Hấp thụ được trong vùng khả kiến và hồng ngoại gần, ứng với sự chuyển của
điện tử từ HOMO (được xây dựng từ các orbital d của Ru) sang LUMO (là
orbital π*
của phối tử). Chất nhạy quang N3 hấp thụ được ánh sáng trong vùng
400 nm đến 700 nm, chất nhạy quang đen hấp thụ được đến bước sóng trong
vùng hồng ngoại gần 900 nm (Hình 1.10).
Hình 1.10: Độ hấp thụ ánh sáng A của dye N3, dye đen và hiệu suất thu ánh sáng 1-
T của 2 dye này khi bám trên TiO2.
Nhóm carboxyl “neo” vào bề mặt TiO2 có tương tác điện tử mạnh với vùng dẫn
(CB) của TiO2, dẫn đến sự tiêm điện tử hiệu quả từ phức Ru vào TiO2.
Phối tử NCS-
làm mức năng lượng HOMO cao lên, dẫn đến sự dịch chuyển đỏ
trong phổ hấp thụ của chất nhạy quang; đồng thời là tác nhân nhận điện tử từ I-
.
Mai Thị Hải Hà 10

11. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Chất nhạy quang được sử dụng dưới dạng muối hơn là dạng axit. Điều này giúp
ngăn chặn sự giảm thế mạch hở trong pin gây ra bởi sự hấp phụ proton lên lớp
màng oxít.
Các phức Ruthenium bipyridyl được sử dụng trong đề tài bao gồm (Hình 1.11):
a. cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(II) bis-
tetrabutylammonium (N719) (MW = 1187.7 g/mol).
b. cis-bis(isothiocyanato)bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)-ruthenium(II)
(N535) (Mw = 741.7 g/mol)
N535 là dạng proton hóa hoàn toàn của N719.
c. cis-bis(cyanido) bis(2,2’-bipyridyl-4,4’ dicarboxylato) ruthenium (II)
RuL2(CN)2 (L = 2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylic acid) (N505) (Mw = 641 g/mol)
d. tris(isothiocyanato)-ruthenium(II)-2,2':6',2"-terpyridine-4,4',4"- tricarboxylic
acid, tris-tertrabutylammonium salt (dye đen) (Mw = 1364.7 g/mol)
e. cis-bis(isothiocyanato)(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato) (2,2’-bipyridyl-4,4’-di-
nonyl) ruthenium(II) (D520) (Mw = 903 g/mol)
Hình 1.11: Các chất nhạy quang dùng trong đề tài, TBA = tetrabutylammonium.
Khối phổ đồ của các phân tử dye không phân mảnh, z = 1 được trình bày trên
Hình 1.12.
Mai Thị Hải Hà 11

12. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
RuN6C26H16O8S2 4/1/2008 7:28:47 PM
Ru1 N6 C26 H16 O8 S2
Simulation
Profile
Resolution:
Daltons 0.25
at 5% height
Charges 1
Chrg dist 0
Ions 88193
Min Ion Ab. 1e-020
Min Ions 5000
Max Ions. 20000
700 705 710 715 720 725
m/z
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.22
0.24
Abundance
705.94
707.94
704.94
703.94
702.94
708.95
699.95
709.94701.94
710.94 711.94 713.94 715.95 717.95 719.95 721.96 723.96 725.96 727.97
(a) Dye N719 dạng proton hóa hoàn toàn
RuN6C26H16O8 4/1/2008 7:32:24 PM
Ru1 N6 C26 H16 O8
Simulation
RuN6C26H16O8
Profile
Resolution:
Daltons 0.25
at 5% height
Charges 1
Chrg dist 0
Ions 15435
Min Ion Ab. 1e-020
Min Ions 5000
Max Ions. 20000
636 638 640 642 644 646 648 650 652 654 656 658 660 662
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.22
0.24
0.26
Abundance
642.00
641.00
644.00
640.00
639.00
645.01636.01
638.00
646.01
647.01 649.02 651.02 653.03 654.03 656.03 658.04 660.04
(b) Dye N505
C21H11N6O6RuS3 6/1/2008 8:24:21 PM
C21 H11 N6 O6 Ru1 S3
Simulation
Profile
Resolution:
Daltons 0.25
at 5% height
Charges 1
Chrg dist 0
Ions 295162
Min Ion Ab. 1e-020
Min Ions 5000
Max Ions. 20000
635 640 645 650 655 660 665 670 675
m/z
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.22
0.24
Abundance
640.89
642.89
639.89
638.89
637.89
643.90
634.90
644.89
636.89
645.89
647.89 650.89 653.89 655.89 658.90 661.90 663.91 666.91 669.92 671.93
(c) Dye đen
Mai Thị Hải Hà 12

13. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
RuN6C42H52O4S2 4/1/2008 7:23:52 PM
Ru1 N6 C42 H52 O4 S2
Simulation
Profile
Resolution:
Daltons 0.25
at 5% height
Charges 1
Chrg dist 0
Ions 92855
Min Ion Ab. 1e-020
Min Ions 5000
Max Ions. 20000
865 870 875 880 885 890
m/z
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.22
Abundance
870.25
872.25869.25
868.25
867.25
873.26
864.26 874.26
866.25
875.25
876.26 878.26 880.26 882.26 884.26 886.27 888.27 890.28 892.28
(d) Dye D520
Hình 1.12: Mũi khối phổ của các dye có tính đến các đồng vị của các nguyên tố.
1.3.2.5. Dung dịch điện ly [09],[27],[28]
Dung dịch điện ly cần chứa cặp oxi hóa khử (gọi là mediator) giúp chuyển
điện tích giữa anốt và catốt. Một trong số dung dịch điện ly phù hợp cho DSC là hệ
oxi hóa khử gồm hỗn hợp của ít nhất một muối hoạt động điện hóa và ít nhất một
chất để tạo thành hệ oxi hóa khử với anion hoặc cation của muối trên. Dung dịch
điện ly này có điểm nóng chảy thấp hơn nhiệt độ của môi trường. Các dung dịch
điện ly dạng gel cũng được dùng bên cạnh dung dịch lỏng. DSC hiện nay chủ yếu
chỉ sử dụng cặp I-
/I3
-
. Các cặp oxi hóa khử khác như Br-
/Br2, hydroquinone cũng
được thử nghiệm, nhưng cho đến nay I-
/I3
-
cho hiệu suất pin cao nhất vì có tốc độ
kết hợp với điện tử trong TiO2 chậm nhất (phương trình 1.9 trang 6). Hiệu suất
chuyển đổi quang năng 10,4% có thể đạt được ở điều kiện chiếu sáng 100 mW/cm2
AM 1,5 với dung dịch điện ly lỏng chứa cặp I-
/I3
-
.
Thành phần phổ biến của dung dịch điện ly trong DSC gồm I2 nồng độ 0,05-
0,1 M và muối iodide như LiI, NaI, KI, R4NI, hay imidazolium nồng độ 0,1-0,5 M
hòa tan trong dung môi hữu cơ.
Các ion đối trong muối iodide như Li+
, Na+
, K+
, R4N+
,.. đóng vai trò quan
trọng trong hoạt động của pin: ảnh hưởng đến độ dẫn ion của dung dịch điện ly, hấp
phụ lên TiO2 làm mức CB của TiO2 dịch chuyển, giúp điện tử chuyển động dễ dàng
Mai Thị Hải Hà 13

14. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
(mượt mà) trong màng TiO2 (khi dung dịch điện ly chứa một lượng lớn cation thì
các cation này hấp phụ lên bề mặt, hình thành cặp với điện tử tiêm vào trong màng,
làm trung hòa điện tích trong màng, giúp điện tử chuyển vận trong màng dễ dàng).
Dung môi thường là các dung môi hữu cơ: acetonitrile, propionitrile,
methoxyacetonitrile, propylene carbonate hay hỗn hợp của chúng. Độ nhớt của
dung môi ảnh hưởng đến độ dẫn ion và do đó ảnh hưởng đến khả năng hoạt động
của pin. Dung môi có độ nhớt thấp sẽ tốt hơn: acetonitrile (ACN) độ nhớt thấp hơn
3 –methoxypropionitrile (MPN) nên pin sử dụng ACN có khả năng hoạt động tốt
hơn.
Một dung dịch điện ly tốt cho pin cần đáp ứng các yêu cầu sau: chuyển điện
tích giữa điện cực TiO2 và điện cực đối Pt nhanh chóng, tái tạo nhanh dye ở trạng
thái oxi hóa, bảo vệ được bề mặt TiO2 vì các hạt TiO2 nhỏ không có hàng rào điện
trường trên bề mặt nên các điện tử tiêm vào TiO2 có thể phản ứng với I3
-
trong
dung dịch điện ly [28].
1.3.2.6. Vật liệu gắn kết hai điện cực
Để kết dính 2 điện cực và giữ dung dịch điện ly giữa 2 điện cực, ngăn chặn
sự rò rỉ hay bay hơi của dung dịch điện ly cần dùng vật liệu kết dính. Độ bền quang
hóa và hóa học của vật liệu này trước các thành phần trong dung dịch điện ly rất
quan trọng. Các tấm polymer như Surlyn, hay copolymer của polyethylene và
polyacrylic axid là các chất kết dính tốt. Ngoài ra người ta còn phủ thêm các keo
epoxy ở các mối nối ngoài để tăng độ kín của pin.
1.3.3. Nhiệt động học các quá trình chuyển điện tích trong pin [09]
Độ lớn tương đối của bốn mức năng lượng sau sẽ quyết định mức độ thuận
lợi của các quá trình chuyển điện tích trong pin:
Mức năng lượng trạng thái kích thích của dye (LUMO).
Mức năng lượng trạng thái cơ bản của dye (HOMO).
Mức Fermi của điện tử trong TiO2 (nằm gần rìa vùng dẫn CB).
Mai Thị Hải Hà 14

15. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Thế oxi hóa của I-
/I3
-
trong dung dịch điện ly.
Hình 1.13 trình bày vị trí tương đối của các mức năng lượng này theo thang
thế điện cực Calomel bão hòa (SCE).
Hình 1.13: Vị trí tương đối của các mức năng lượng trong DSC.
Khoảng cách giữa mức năng lượng HOMO với LUMO của dye càng nhỏ thì
dye sẽ hấp thụ được vùng ánh sáng bước sóng càng dài trong phổ mặt trời (dòng
điện sinh ra có thể càng lớn).
Mức LUMO của dye phải đủ âm so với CB của màng TiO2, tức ΔE1 phải đủ
lớn, để có thể tiêm điện tử hiệu quả vào TiO2. Ngoài ra sự ghép cặp điện tử mạnh
giữa LUMO và CB cũng là điều kiện cần thiết để sự tiêm điện tử xảy ra dễ dàng.
Mức HOMO của dye phải đủ dương so với so với thế oxi hóa của I-
/I3
-
, tức
ΔE2 phải đủ lớn, để cation dye có thể nhận electron từ I-
hiệu quả, giúp dye được tái
tạo dễ dàng. ΔE1 và ΔE2 phải lớn hơn khoảng 200 mV để sự chuyển điện tử có hiệu
quả cao.
Mai Thị Hải Hà 15

16. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Điện thế quang sinh của pin bằng chênh lệch giữa mức Fermi của lớp màng
bán dẫn (với TiO2 thì mức Fermi ở khoảng -0,5 V/SCE) với thế oxi hóa của của cặp
I-
/I3
-
(0,4 V/SCE). Vì thế với DSC sử dụng TiO2 và cặp I-
/I3
-
hiệu điện thế cực đại
có thể đạt được là khoảng 0,9 V.
Các mức năng lượng trên có thể bị thay đổi phụ thuộc vào các yếu tố sau:
Thành phần dung dịch điện ly: kích thước của các ion, pH của dung dịch.
Nồng độ các chất trong dung dịch điện ly.
Cường độ chiếu sáng.
1.3.4. Động học các quá trình chuyển điện tích trong pin [09]
Hình 1.14 biểu diễn tương quan tốc độ các quá trình chuyển điện tích có thể
xảy ra trong DSC.
Hình 1.14: Tốc độ các quá trình chuyển điện tích trong pin DSC.
Sự tiêm điện tử từ dye vào vùng dẫn CB của TiO2 (quá trình 1.5 trang 6) xảy
ra cực nhanh trong khoảng thời gian cỡ pico giây, nhanh hơn sự phục hồi của dye từ
Mai Thị Hải Hà 16

17. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, do vậy hiệu suất của quá trình (1.5) gần
như đạt 100%. Tốc độ tiêm điện tử từ dye vào dải dẫn CB phụ thuộc vào cấu hình
dye hấp phụ trên bề mặt bán dẫn, sự chênh lệch giữa 2 mức năng lượng LUMO và
CB, và bản chất chất bán dẫn. Hằng số tốc độ của sự tiêm electron cho bởi phương
trình 1.11:
)()
4
(
2
2
EV
h
kinj ρ
π
= (1.11)
với V: mức độ ghép cặp điện tử giữa dye và chất bán dẫn.
ρ(E): mật độ các trạng thái năng lượng trên vùng dẫn.
Giá trị của V phụ thuộc vào mức độ che phủ giữa hàm sóng của trạng thái
kích thích của dye với hàm sóng của CB, và vào khoảng cách giữa dye hấp phụ với
bề mặt bán dẫn. Trong DSC, dye được hấp phụ chặt lên bề mặt TiO2 thông qua
nhóm neo carboxyl -COOH, do vậy giá trị V giữa orbital π*
của trạng thái kích thích
của dye và CB (gồm orbital 3d trống của Ti4+
) rất lớn. Bên cạnh đó vùng dẫn CB
của TiO2 có mật độ trạng thái năng lượng ρ(E) tương đối lớn và liên tục, vì thế sự
tiêm điện tử từ dye vào CB xảy ra cực nhanh.
Tốc độ chuyển điện tử ngược lại từ TiO2 đến cation dye (quá trình 1.8 trang
6) xảy ra với hằng số tốc độ 106
giây-1
, chậm hơn nhiều so với quá trình tiêm điện tử
(1.5) với hằng số tốc độ 1010
-1012
giây-1
, và quá trình chuyển điện tử từ I-
sang
cation dye (1.7) 108
giây-1
. Điều này làm cho điện tử được tách khỏi các cation dye
rất hiệu quả. Với các pin sử dụng oxít SnO2, động học của quá trình (1.8) cạnh tranh
được với động học của quá trình (1.7) nên các pin dùng SnO2 hiệu suất không cao
bằng các pin TiO2. Như vậy một trong những đều kiện tối ưu cho pin là tốc độ tái
tạo dye bởi dung dịch điện ly (1.7) đủ nhanh so với tốc độ tái tạo dye bởi chính các
điện tử vừa tiêm vào (1.8) [02].
Mai Thị Hải Hà 17

18. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Quá trình quan trọng nhất trong DSC chính là quá trình di chuyển của điện tử
trong màng TiO2- một môi trường có tính mất trật tự cao. Chuyển vận của điện tử
không đơn thuần là sự khuếch tán qua các trạng thái năng lượng mở rộng (extended
states) (quá trình A - Hình 1.15) như trong khối tinh thể bán dẫn đồng nhất, mà chịu
ảnh hưởng mạnh của số lượng lớn các trạng thái năng lượng cục bộ (localized
states) hay còn gọi là các bẫy năng lượng (trap states) hoặc ở bên trong hạt (bulk
traps) hoặc ở bề mặt hạt TiO2 (surface states): điện tử trên CB liên tục rơi vào bẫy
và rời bẫy (quá trình B - Hình 1.15). Hầu hết các điện tử tiêm vào nằm ở các trạng
thái bẫy [05],[14],[17],[18],[24],[26],[32]. Các bẫy năng lượng này được hình thành
do các tạp chất trong hạt oxit, hoặc do sự thâm nhập xen kẽ vào cấu trúc TiO2 của
các proton, hoặc do sự khác biệt điện môi giữa TiO2 và môi trường bao quanh [24].
Hình 1.15: Hoạt động của điện tử trong màng oxit bán dẫn.
EFo là mức Fermi trong tối. EFn là mức Fermi của điện tử khi chiếu sáng. Quá trình
(A): điện tử chuyển vận qua các trạng thái mở rộng; (B): điện tử rơi vào các trạng
thái bẫy và rời bẫy; (C): điện tử chuyển từ dải dẫn sang các chất oxi hóa trong dung
dịch điện ly; (D): điện tử bị bắt giữ ở các trạng thái bề mặt và (F) chuyển vào dung
dịch điện ly [14], [16].
Mai Thị Hải Hà 18

19. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Sự chuyển điện tử trong màng TiO2 xảy ra chậm do độ dẫn điện của TiO2
thấp. Hệ số khuếch tán của điện tử trong màng TiO2 khoảng 10-7
-10-5
cm2
/s. Tuy
nhiên độ dẫn điện của TiO2 sẽ tăng lên đáng kể khi điện tử được tiêm vào càng
nhiều và sẽ tăng theo cường độ sáng, do điện tử tiêm vào càng nhiều sẽ lấp đầy các
trạng thái bẫy hoặc/và các trạng thái bề mặt trong lớp màng TiO2, làm hệ số khuếch
tán của điện tử trong màng tăng lên rất nhiều, dẫn đến độ dẫn của TiO2 tăng lên.
Chuyển vận của điện tử trong màng xảy ra song song với sự tái kết hợp của
nó với các dạng oxi hóa trong dung dịch điện ly, chủ yếu là với ion triiodide (quá
trình tạo dòng tối 1.9 Hình 1.14). Sự tái kết hợp này có thể xảy ra với các điện tử
vùng dẫn (quá trình C - Hình 1.15) hay các điện tử trong bẫy (quá trình F - Hình
1.15). Dòng tối Io tỉ lệ với nồng độ ion I3
-
theo phương trình (1.12).
][ 310
−
= IkqnI o (1.12)
Trong đó:
k1: hằng số tốc độ của sự tái kết hợp giữa điện tử với I3
-
no: mật độ điện tử trong vùng dẫn của chất bán dẫn trong tối
Thời gian ước tính của sự tái kết hợp là vài giây. Sự tái hợp chậm trên TiO2 là do
TiO2 có hoạt tính xúc tác điện hóa chậm cho phản ứng khử I-
3.
Phản ứng tạo dòng tối này nếu xảy ra với tốc độ lớn thì pin không hoạt động.
Dòng tối cao sẽ làm giảm hiệu thế quang sinh của pin theo phương trình (1.13)
(phương trình (1.13) được phát triển từ phương trình (1.1) trang 3, với giả thiết pin
DSC hoạt động với cùng cơ chế như pin MT loại bán dẫn p-n tiếp xúc).
][][
ln
231
+−
+
=
SknIkn
AI
nF
RT
V
oo
OC (1.13)
trong đó:
k2: hằng số tốc độ của sự tái kết hợp giữa điện tử với cation dye S+
I: là dòng photon tới
A: diện tích bề mặt anốt
[S+
]: nồng độ cation dye
Mai Thị Hải Hà 19

20. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Khi sự kết hợp giữa điện tử và dye có thể bỏ qua thì thế mạch hở VOC sẽ tỉ lệ
với ln[I3
-
]-1
.
Tốc độ tái kết hợp có liên hệ chặt chẽ với tốc độ chuyển vận điện tử và mật
độ cũng như sự phân bố (vị trí) các trạng thái bẫy trong TiO2. Trong nghiên cứu của
nhóm tác giả Green [02] thì dù tốc độ chuyển vận điện tử trong màng nano SnO2
nhanh hơn so với TiO2 (vì SnO2 có độ dẫn điện và linh độ điện tử cao hơn so với
TiO2), hiệu suất các pin sử dụng SnO2 lại thấp hơn nhiều. Nguyên nhân là do sự vận
chuyển nhanh của điện tử trong màng SnO2 lại đi kèm với sự tái kết hợp nhanh của
chúng với ion I3
-
và kết quả chung là khả năng hoạt động của pin bị giảm thấp.
Chính tính chất vận chuyển điện tử chậm của màng TiO2 so với SnO2 lại có lợi cho
khả năng hoạt động của pin. Sự hiện diện của số lượng lớn hơn các trạng thái bẫy bề
mặt trong màng TiO2 so với SnO2 đã làm giảm hệ số khuếch tán của điện tử trong
màng TiO2 so với SnO2, làm chậm tốc độ vận chuyển điện tử, đồng thời làm giảm
cả tốc độ các phản ứng tái kết hợp. Do đó sử dụng TiO2 làm anốt tốt hơn dùng
SnO2.
Tầm quan trọng của các trạng thái bẫy cũng được khẳng định trong nghiên
cứu của nhóm tác giả Wang về sự phục hồi khả năng hoạt động của các pin đã phơi
nhiệt trong tối 6 tháng khi được chiếu sáng liên tục trong 1 giờ [25]. Theo đó, sau
khi phơi sáng số lượng các trạng thái bẫy trong hạt tăng lên, đủ nhiều để kết thành
một dải năng lượng bên dưới rìa vùng dẫn, cho phép điện tử di chuyển ngay giữa
các trạng thái này. Bằng cách di chuyển qua các trạng thái năng lượng trong lòng
khối hạt điện tử không tham gia phản ứng tái kết hợp (Hình 1.16).
Hình 1.16: Sự chuyển vận của electron qua các trạng thái bề mặt (A) và qua các
trạng thái trong lòng hạt (B) có được sau khi phơi sáng pin [25].
Mai Thị Hải Hà 20

21. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Sự di chuyển của điện tử qua các trạng thái bề mặt luôn đi kèm sự tái kết
hợp, nhưng nếu di chuyển qua các trạng thái trong lòng hạt thì điện tử sẽ có khả
năng sống sót nhiều hơn, trong trường hợp này tốc độ chuyển vận điện tử trong
màng cao mà không kèm theo sự gia tăng phản ứng tái kết hợp. Rõ ràng là việc
chuẩn bị lớp màng oxit dẫn có các trạng thái năng lượng phân bố một cách tối ưu rất
quan trọng để có các pin hiệu suất cao.
Như vậy động học của các quá trình chuyển điện tích trong DSC có mối
liên hệ chặt chẽ với nhau, có thể ảnh hưởng trái ngược đến hiệu suất của pin, làm
cho việc tối ưu hóa khả năng hoạt động của pin rất phức tạp, chẳng hạn như việc
tăng chiều dài dây ankyl của phân tử dye bên cạnh tác dụng tốt là làm chậm phản
ứng tái kết hợp của điện tử với cation dye và với chất oxi hóa trong dung dịch điện
ly, còn làm giảm tốc độ tiêm điện tử vào màng oxít và giảm tốc độ tái tạo dye bởi I-
.
Các pin có hiệu suất cao 11% tạo ra bởi nhóm tác giả Wang có tốc độ chuyển vận
điện tử trong màng TiO2 cao và tốc độ tái kết hợp chậm, có vị trí rìa dải dẫn cao mà
vẫn duy trì được sự tiêm điện tử từ dye hiệu quả. Chất lượng màng TiO2 cao và giao
diện TiO2/dung dịch điện ly được tối ưu được xem là nguyên nhân tạo ra các yếu tố
thuận lợi này [24].
1.3.5. Tối ưu hóa khả năng hoạt động của DSC
Khả năng hoạt động của pin DSC được cải thiện bằng một số biện pháp cụ
thể sau:
1.3.5.1. Xử lý bề mặt TiO2 trước khi cho hấp phụ chất nhạy quang
Trước khi cho hấp phụ dye, bề mặt anốt có thể được xử lý theo nhiều cách,
chẳng hạn như:
Xử lý bề mặt bằng axit HCl: Sự hấp thụ proton lên TiO2 khi xử lý bằng HCl
làm mức CB của lớp oxit dẫn dịch đáng kể về phía dương, làm cho khả năng tiêm
điện tử từ dye vào CB tăng, đo đó dòng ngắn mạch của pin tăng. Thế mạch hở của
Mai Thị Hải Hà 21

22. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
pin gần như không đổi vì sự giảm của dòng tái kết hợp đã bù trừ cho sự giảm thế
gây ra bởi sự dịch chuyển này. Công đoạn này cũng góp phần làm tăng lượng dye
hấp phụ, tăng độ hấp thụ ánh sáng của dye [31].
Xử lý bề mặt điện cực bằng TiCl4 giúp cải thiện hiệu suất của pin do làm
tăng dòng ngắn mạch quang sinh. Nguyên nhân là do có sự chuyển dịch năng lượng
vùng dẫn xuống về phía thế I3
-
/I-
, dẫn đến sự tiêm điện tử hiệu quả. Điều này cũng
có nghĩa điện thế bề mặt của TiO2 dương hơn khi xử lý bằng TiCl4. Hiện tượng này
có thể giải thích do mặt tinh thể TiO2 khi xử lý TiCl4 bị khác đi, làm cho proton và
các cation khác liên kết với bề mặt chặt chẽ hơn. Sự dịch chuyển xuống của vùng
dẫn không làm giảm Voc vì xử lý TiCl4 làm giảm mạnh sự tái kết hợp [21].
1.3.5.2. Hạn chế dòng tối
Phương pháp phổ biến làm giảm dòng tối là sử dụng các hợp chất lưỡng tính
(có phần ưa nước carboxylic hay phosphonic làm nhóm neo và phần kị nước) để
cùng hấp phụ với dye lên TiO2. Các phân tử này cùng với dye tạo thành lớp đơn
phân tử chặt chẽ trên bề mặt TiO2, trong đó phần kị nước như một hàng rào che
chắn bề mặt TiO2 khỏi ion I3
-
, hạn chế phản ứng tạo dòng tối, do đó làm tăng thế
mạch hở và ổn định bề mặt TiO2. Các chất đồng hấp phụ có thể là
hexadecylmalonic acid [27], 4-guanidinobutyric acid [32], các dẫn xuất của
pyridine như 4-tert-butylpyridine (4-TBP), và N-methyl-benzimidazole (NMB), các
muối guanidinium cũng có tác dụng tương tự. 4-TBP là phụ gia được sử dụng rất
phổ biến, sự có mặt của 4-TBP có tác dụng như sau [07],[19],[26],[28],[32]:
Thay đổi điện tích bề mặt TiO2: làm giảm lượng proton và Li+
hấp phụ trên bề
mặt TiO2, dẫn đến năng lượng vùng dẫn của TiO2 (và các trạng thái năng lượng
khác trên bề mặt TiO2) dịch về phía âm hơn, do đó làm tăng thế mạch hở của
pin. Trong một số trường hợp người ta quan sát thấy có sự giảm của dòng ngắn
mạch kèm theo.
Mai Thị Hải Hà 22

23. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Làm giảm sự tái kết hợp, tăng thời gian sống của điện tử: 4-TBP sẽ hấp phụ lên
phần bề mặt còn trống của lớp màng TiO2, hạn chế sự tiếp cận của I3
-
đến bề mặt
TiO2 nhận điện tử.
Ảnh hưởng đến dung dịch điện ly: pyridine có thể tạo phức bền với I2 trong
dung dịch điện ly, sự tạo phức này thể hiện rõ hơn trong dung môi 3-
metoxypropionitril (3-MPN) so với acetonitril (ACN) [07].
1.3.5.3. Cải tiến liên quan đến dye
Tăng hàm lượng dye hấp phụ bằng cách tăng bề dày lớp màng oxit dẫn. Tuy
nhiên việc này có thể kéo theo sự tăng trở kháng khuếch tán của ion qua các lỗ
xốp.
Các loại dye mới cis (NCS)2RuLL1, phổ biến là các dye kí hiệu K19, K24, K60,
Z910 có độ hấp thụ lớn các photon UV (Hình 1.17), khi cho hấp phụ cùng với
các dye phổ biến N719 hay D520 (có khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến dưới
750 nm) lên TiO2 sẽ tạo ra pin có khả năng tận dụng được phần lớn các bước
sóng của ánh sáng mặt trời. Các dye này đặc biệt có lợi khi dùng kết hợp với lớp
màng oxít trong suốt, không có hạt tán xạ, hoặc/và với dung dịch điện ly có độ
nhớt cao, khi mà lớp màng oxít cần mỏng để giảm thiểu vấn đề khuếch tán của
ion qua các lỗ xốp của màng oxít [27].
Hình 1.17: Cấu trúc dye K19, K24 và phổ hấp thụ tương ứng.
Mai Thị Hải Hà 23

24. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
1.3.6. Độ bền hoạt động của DSC [22],[27]
Các thử nghiệm về độ bền hoạt động của pin bao gồm: phơi nhiệt trong tối ở
80 – 850
C, phơi sáng ở khoảng 600
C, kết hợp phơi nhiệt và phơi sáng luân phiên.
Vượt qua các thử nghiệm này là một yêu cầu quan trọng để có thể đưa các pin DSC
vào sử dụng thực tế.
Hiện tại dự án European Joule (JOR3-CT98-0261) đang khảo sát độ bền hoạt
động và hiệu quả của các ứng dụng DSC ngoài trời trong khoảng 20 năm, có chú
trọng đến chu kì biến đổi nhiệt độ và độ ẩm phức tạp của thực tế.
Khả năng hoạt động của DSC bị suy giảm có thể do các nguyên nhân sau:
Sự suy thoái hóa học hay quang hóa của dye: các phối tử của dye có thể bị thay
thế bởi các chất trong dung dịch điện ly hoặc bởi phân tử nước.
Sự suy thoái hóa học hay quang hóa của các chất trong dung dịch điện ly: các
chất trong pin có thể bị oxi hóa bởi lỗ trống có tính oxi hóa mạnh sinh ra trong
TiO2 bởi photon UV.
Sự quang oxi hóa dung dịch điện ly giải phóng proton có thể làm thay đổi pH
của dung dịch, ảnh hưởng đến sự phân bố các trạng thái năng lượng trong hạt
bán dẫn theo hướng làm chuyển vận của điện tử trong màng khó khăn hơn, hay
theo hướng làm tăng sự tái kết hợp.
Sự hòa tan Pt hay tách Pt khỏi điện cực đối hay sự hấp phụ các tạp chất trong
dung dịch lên catot làm phản ứng catot khó xảy ra hơn.
Sự bay hơi của dung dịch điện ly lỏng.
Sự hấp phụ các sản phẩm phân hủy lên trên bề mặt TiO2, cạnh tranh với dye.
Các phản ứng phụ giữa các thành phần trong pin.
1.4. Ưu điểm của DSC so với pin MT kiểu p-n [09]
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời có thể đạt tương đương với
pin MT Si vô định hình.
Giá thành thấp do qui trình chế tạo và vật liệu tương đối không đắt tiền.
Mai Thị Hải Hà 24

25. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
Nguồn nguyên vật liệu chế tạo pin khá phong phú: thủy tinh dẫn, oxit bán dẫn,
các hợp chất iodide có sẵn rất nhiều. Dù nguồn phức Ruthenium làm chất nhạy
quang không nhiều nhưng hàm lượng sử dụng trong DSC nhỏ chỉ cỡ 10-7
mol/cm2
, và có thể được thay thế bằng các loại dye hữu cơ khác.
Ít độc hại với môi trường. Dung môi hữu cơ dùng làm dung dịch điện ly trong
DSC có thể độc hại. Nhiều nghiên cứu đang theo hướng thay thế dung dịch điện
ly lỏng bằng dung dịch ở dạng gel hay rắn.
Có khả năng tái sử dụng. Dye có thể giải hấp khỏi bề mặt TiO2 bằng cách xử lý
với dung dịch kiềm hay đốt cháy, cho phép tái sử dụng anốt.
1.5. Bức xạ mặt trời ở bề mặt trái đất [01]
Cường độ bức xạ mặt trời nhận được ở bề mặt quả đất bị suy giảm đáng kể
so với bức xạ mặt trời ngoài vũ trụ do các hiện tượng hấp thụ, tán xạ khi tia mặt trời
đi qua lớp khí quyển quả đất. Sự hấp thụ xảy ra do sự có mặt của các phân tử ozon,
hơi nước, cacbonic, oxit nitơ, bụi,…Mặt khác khi tia mặt trời gặp các phần tử trên,
nó bị tán xạ về mọi phía, trong đó có một phần đáng kể năng lượng đi ngược trở lại
vũ trụ.
Lượng năng lượng đến mặt đất cũng như sự phân bố phổ của bức xạ mặt trời
phụ thuộc rất nhiều vào bề dày khí quyển mà bức xạ đi qua [29]. Để đặc trưng cho
độ suy giảm tia mặt trời khi đi qua khí quyển người ta dùng đại lượng tỉ lệ air mass
(AM). AM được xác định bằng tỉ số giữa độ dài của tia mặt trời đi qua lớp khí
quyển và độ dày của lớp khí quyển (Hình 1.18).
Hình 1.18: Xác định Airmass AM
Mai Thị Hải Hà 25

26. Luận Văn Thạc Sĩ Chuyên Ngành Hóa Lý
AM 1,5 ứng với mặt trời ở 420
phía trên đường chân trời được chọn làm
chuẩn khi xét các hiện tượng quang điện. Phổ mặt trời ở AM 1,5 được cho ở Hình
1.19 với 2% năng lượng tia tới trong vùng UV, 54% trong vùng khả kiến, 44%
trong vùng hồng ngoại [29].
Hình 1.19: Phổ mặt trời ở AM 1,5.
Mai Thị Hải Hà 26