I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vật Liệu Màu Nhạy Quang Cho Pin Mặt Trời
Nhu cầu năng lượng toàn cầu đang tăng trưởng mạnh mẽ, thúc đẩy tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo bền vững. Năng lượng mặt trời nổi lên như một giải pháp tiềm năng, và pin mặt trời đóng vai trò then chốt trong việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Tuy nhiên, hiệu suất và giá thành của pin mặt trời truyền thống vẫn là những thách thức lớn. Vật liệu màu nhạy quang (DSSC) hứa hẹn khắc phục những hạn chế này, mở ra hướng đi mới cho ứng dụng năng lượng tái tạo. DSSC có ưu điểm về chi phí sản xuất thấp, khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện ánh sáng yếu và tính linh hoạt trong thiết kế. Nghiên cứu và phát triển vật liệu phát quang mới là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất pin mặt trời DSSC, hướng tới mục tiêu thương mại hóa rộng rãi.
1.1. Vai trò của vật liệu màu nhạy quang trong pin mặt trời
Vật liệu màu nhạy quang đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi thành điện năng trong DSSC. Chất màu hấp thụ photon, tạo ra các electron kích thích, sau đó được bơm vào vật liệu bán dẫn như TiO2. Quá trình này cho phép DSSC hoạt động hiệu quả hơn trong việc khai thác năng lượng mặt trời so với các loại pin truyền thống. Theo nghiên cứu, các chất màu nhạy quang có khả năng hấp thụ ánh sáng ở vùng bước sóng mang nhiều năng lượng nhất, giúp tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Cụ thể, DSSC đã khắc phục hạn chế của pin mặt trời truyền thống bằng cách biến đổi bề mặt chất bán dẫn bằng chất màu nhạy quang có khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời ở vùng bước sóng mang nhiều năng lượng nhất.
1.2. Ưu điểm vượt trội của pin mặt trời sử dụng vật liệu màu
So với pin mặt trời silic truyền thống, DSSC có nhiều ưu điểm vượt trội. Chi phí sản xuất thấp hơn do sử dụng vật liệu rẻ tiền và quy trình đơn giản. Khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện ánh sáng yếu, kể cả ánh sáng nhân tạo. Tính linh hoạt trong thiết kế, cho phép ứng dụng trên nhiều loại bề mặt và hình dạng khác nhau. DSSC có thể được chế tạo với nhiều chất nền có diện tích lớn với chi phí thấp (như lụa, giấy…); có thể uốn, cuộn tròn, dễ ứng dụng trong các thiết bị điện tử đeo/cầm tay; có bề mặt bán trong suốt, có nhiều màu phù hợp với các yêu cầu kiến trúc khi sử dụng trong xây dựng đối với các công trình tích hợp điện mặt trời.
II. Thách Thức Nghiên Cứu Vật Liệu Màu Nhạy Quang Hiện Nay
Mặc dù có nhiều ưu điểm, vật liệu màu nhạy quang vẫn đối mặt với những thách thức trong quá trình nghiên cứu và phát triển. Hiệu suất pin mặt trời DSSC còn thấp so với pin silic truyền thống. Độ bền vững và tuổi thọ pin mặt trời chưa đáp ứng được yêu cầu thương mại. Việc tìm kiếm vật liệu mới với khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn, độ ổn định nhiệt cao hơn và giá thành pin mặt trời hợp lý hơn là một bài toán khó. Các nghiên cứu về DSSC chủ yếu tập trung cho chất màu nhạy quang, trong đó các chất màu mới luôn được tìm kiếm và nghiên cứu để ứng dụng và tăng hiệu suất cho DSSC.
2.1. Hạn chế về hiệu suất chuyển đổi năng lượng của DSSC
Một trong những hạn chế lớn nhất của DSSC là hiệu suất chuyển đổi năng lượng còn thấp. Các vật liệu hiện tại chưa thể khai thác tối đa quá trình hấp thụ ánh sáng và quá trình phát xạ ánh sáng, dẫn đến tổn thất năng lượng. Cần có những nghiên cứu sâu hơn về vật liệu nano, vật liệu perovskite và vật liệu hữu cơ để cải thiện khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Mặc dù hiện nay hiệu suất của DSSC mới đạt được 13% nhưng những ưu điểm trên đã thúc đẩy sự nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ của DSSC. Hiệu suất này được dự đoán sẽ tăng gấp đôi trong 15 năm nữa khi những chất màu mới được chế tạo.
2.2. Vấn đề độ bền và tuổi thọ của vật liệu màu nhạy quang
Độ bền và tuổi thọ của vật liệu màu nhạy quang cũng là một vấn đề cần được giải quyết. Các vật liệu hiện tại dễ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm, làm giảm hiệu suất pin mặt trời theo thời gian. Nghiên cứu về vật liệu ổn định nhiệt, vật liệu chống tia UV và vật liệu thân thiện môi trường là rất quan trọng để kéo dài tuổi thọ pin mặt trời DSSC. Các nghiên cứu về DSSC chủ yếu tập trung cho chất màu nhạy quang, trong đó các chất màu mới luôn được tìm kiếm và nghiên cứu để ứng dụng và tăng hiệu suất cho DSSC.
III. Phương Pháp Chế Tạo Vật Liệu Màu Nhạy Quang Từ Phức Cu
Việc sử dụng phức chất của Cu+ làm vật liệu màu nhạy quang mở ra một hướng đi đầy hứa hẹn. Cu là một kim loại phổ biến, rẻ tiền và có khả năng tạo thành các phức chất với tính chất quang hóa tương tự như Ru(II). Các nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp các phức chất Cu+ với các phối tử hữu cơ khác nhau để tối ưu hóa khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng. Đánh giá về khả năng ứng dụng của nguyên tố này, nghiên cứu lý thuyết [27] đã đưa ra các tính chất tương đồng của Cu với Ru như: Cu là kim loại chuyển tiếp đa hóa trị có quá trình oxi hóa khử thuận nghịch: Cu ⁺ - e Cu² ⁺
3.1. Tổng hợp phức chất Cu với phối tử hữu cơ Bipyridine
Phức chất Cu+ với phối tử hữu cơ Bipyridine (bpy) đã được chứng minh là có cấu trúc phân tử bền vững và tính chất quang, hóa, điện hóa thích hợp làm chất màu nhạy quang. Nghiên cứu của Sauvage [22] đã chứng minh cấu trúc phức Cu ⁺ với phối tử hữu cơ 2,2’-bipyridine (bpy) và 1,10-phenanthroline (phen) có cấu trúc phân tử bền vững và tính chất quang, hóa, điện hóa thích hợp làm chất màu nhạy quang. Việc thay đổi các nhóm thế trên vòng Bipyridine có thể điều chỉnh khả năng hấp thụ ánh sáng và mức năng lượng của phức chất, từ đó tối ưu hóa hiệu suất pin mặt trời. Gần đây, một số công bố chủ yếu tập trung vào các phối tử khác nhau dựa trên bộ khung 2,2’-bipyridine [29, 30].
3.2. Nghiên cứu cấu trúc và tính chất quang điện của phức Cu
Các phương pháp nghiên cứu như phổ hấp thụ UV-Vis, phổ phát xạ, và đo điện hóa được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất quang điện của phức Cu+. Các kết quả này giúp đánh giá khả năng ứng dụng của phức Cu+ làm vật liệu màu nhạy quang trong DSSC. Về mặt thực nghiệm, nghiên cứu của Sauvage [22] đã chứng minh cấu trúc phức Cu ⁺ với phối tử hữu cơ 2,2’-bipyridine (bpy) và 1,10-phenanthroline (phen) có cấu trúc phân tử bền vững và tính chất quang, hóa, điện hóa thích hợp làm chất màu nhạy quang. Nghiên cứu của Lavie-Cambot cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng của DSSC sử dung chất màu nhạy quang là phức Cu(I)-bpy khoảng 2% [28].
IV. Ứng Dụng Vật Liệu Màu Nhạy Quang Trong Chế Tạo Pin DSSC
Việc ứng dụng vật liệu màu nhạy quang trong chế tạo pin DSSC đòi hỏi quy trình công nghệ phù hợp. Màng TiO2 được sử dụng làm chất bán dẫn trên a-nốt quang, và vật liệu màu nhạy quang được hấp phụ lên bề mặt màng TiO2. Chất điện ly chứa cặp oxy hóa khử được sử dụng để tái tạo chất màu sau khi nó đã chuyển electron vào màng TiO2. Kể từ khi được Grätzel phát hiện ra vào năm 1991, DSSC đã thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu. Các nghiên cứu về DSSC chủ yếu tập trung cho chất màu nhạy quang, trong đó các chất màu mới luôn được tìm kiếm và nghiên cứu để ứng dụng và tăng hiệu suất cho DSSC.
4.1. Quy trình chế tạo a nốt quang với màng TiO2 và chất màu
Màng TiO2 được chế tạo bằng các phương pháp như phun phủ nhiệt phân, lắng đọng hóa học pha hơi, hoặc phương pháp sol-gel. Vật liệu màu nhạy quang được hấp phụ lên bề mặt màng TiO2 bằng cách nhúng màng vào dung dịch chứa chất màu. Cần tối ưu hóa các thông số chế tạo để đảm bảo màng TiO2 có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ chất màu tốt. Chế tạo hệ phun phủ nhiệt phân để tạo màng TiO ₂ cho a-nốt quang trong DSSC. Khảo sát tính chất của màng TiO ₂ chế tạo được.
4.2. Nghiên cứu chế tạo ca tốt và chất điện ly cho pin DSSC
Ca-tốt thường được chế tạo từ vật liệu dẫn điện như Pt hoặc carbon. Chất điện ly chứa cặp oxy hóa khử như I-/I3- hoặc Co2+/Co3+ có vai trò quan trọng trong việc tái tạo chất màu và vận chuyển điện tích. Cần lựa chọn vật liệu và thành phần chất điện ly phù hợp để đảm bảo hiệu suất pin mặt trời cao và độ bền vững tốt. (iV) Chế tạo ca-tốt, trong đó màng molybdenum (Mo) được tạo bằng phương pháp phún xạ thay cho FTO và Pt. (iii) Chế tạo thử nghiệm DSSC, trong đó sử dụng phức Cu ⁺ và các điện cực đã chế tạo được nhằm đánh giá khả năng ứng dụng của phức Cu ⁺.
V. Kết Quả Nghiên Cứu và Triển Vọng Vật Liệu Màu Nhạy Quang
Các nghiên cứu gần đây đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong việc phát triển vật liệu màu nhạy quang mới. Hiệu suất pin mặt trời DSSC đã được cải thiện đáng kể nhờ sử dụng các vật liệu nano, vật liệu perovskite và vật liệu hữu cơ tiên tiến. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để thương mại hóa rộng rãi công nghệ DSSC. Các nghiên cứu đối với chất màu nhạy quang vẫn chủ yếu tập trung vào việc tổng hợp các phức chất dựa trên Ru. Gần đây, đã có những nghiên cứu chế tạo pin mặt trời trên cơ sở chất hữu cơ như diệp lục [33]; tổng hợp vật liệu và phát triển quy trình công nghệ cho DSSC.
5.1. Đánh giá hiệu suất và độ bền của pin DSSC thử nghiệm
Hiệu suất và độ bền của pin DSSC thử nghiệm cần được đánh giá kỹ lưỡng để xác định tiềm năng ứng dụng của vật liệu màu nhạy quang mới. Các thông số như hiệu suất chuyển đổi năng lượng, dòng ngắn mạch, điện áp hở mạch và thừa số lấp đầy được sử dụng để đánh giá hiệu suất pin. Độ bền của pin được đánh giá bằng cách theo dõi sự thay đổi của hiệu suất theo thời gian dưới các điều kiện khác nhau. (iii) Chế tạo thử nghiệm DSSC, trong đó sử dụng phức Cu ⁺ và các điện cực đã chế tạo được nhằm đánh giá khả năng ứng dụng của phức Cu ⁺.
5.2. Xu hướng phát triển và ứng dụng của pin mặt trời DSSC
Pin mặt trời DSSC có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm điện tử tiêu dùng, xây dựng, và giao thông vận tải. Các nghiên cứu đang tập trung vào việc phát triển các loại pin DSSC linh hoạt, trong suốt và có màu sắc khác nhau để đáp ứng nhu cầu đa dạng của thị trường. Thị trường pin quang điện (PV) thế giới đã tăng trưởng nhanh chóng. Theo báo cáo của Fraunhofer PV năm 2017, trong giai đoạn 2010-2016 tốc độ tăng trưởng hàng năm của các nhà máy PV là 40% [2].
VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Vật Liệu Màu Nhạy Quang Mới
Nghiên cứu vật liệu màu nhạy quang cho pin mặt trời DSSC là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Việc phát triển các vật liệu mới với khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn, độ bền vững cao hơn và giá thành hợp lý hơn sẽ mở ra cơ hội thương mại hóa rộng rãi công nghệ DSSC, góp phần vào sự phát triển của năng lượng tái tạo bền vững. Trên cơ sở đó, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu màu nhạy quang dựa trên phức chất của Cu ⁺ ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng” .
6.1. Tổng kết các kết quả nghiên cứu chính về vật liệu màu
Các kết quả nghiên cứu về tổng hợp phức chất Cu+, chế tạo màng TiO2 và pin DSSC thử nghiệm đã cung cấp những thông tin quan trọng về tiềm năng ứng dụng của vật liệu màu nhạy quang mới. Cần có những nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc, tính chất và quy trình chế tạo để tối ưu hóa hiệu suất pin mặt trời DSSC. (i) Sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT), dựa trên cấu trúc của phức Ru, tính toán mô phỏng để đưa ra cấu trúc phức trong đó Cu thay cho Ru. Phức Cu ⁺ có vùng cấm hẹp và thuận lợi cho việc chuyển điện tử từ phức Cu ⁺ đến vùng dẫn của TiO ₂ trên a-nốt quang.
6.2. Đề xuất hướng nghiên cứu và phát triển vật liệu trong tương lai
Các hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu nano composite, vật liệu perovskite lai hữu cơ-vô cơ, và vật liệu tự lắp ráp để tạo ra các vật liệu màu nhạy quang có hiệu suất và độ bền vượt trội. Nghiên cứu về vật liệu lượng tử, vật liệu 2D và các kỹ thuật mô phỏng vật liệu cũng có thể đóng góp vào việc phát triển vật liệu màu nhạy quang thế hệ mới. (ii) Dựa vào cấu trúc mô phỏng, tổng hợp các phức của Cu ⁺ với độ tinh khiết cao để làm chất màu nhạy quang trong DSSC. Khảo sát các đặc trưng cấu trúc, hình thái học và giản đồ năng lượng của phức Cu ⁺ và đánh giá khả năng ứng dụng cho DSSC.
