MỞ ĐẦU Nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn cầu ngày càng tăng cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội. Các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí tự nhiên và than đá) hiện đang cung cấp phần lớn năng lượng cho toàn thế giới nhưng theo dự báo, nguồn năng lượng hoá thạch sẽ dần cạn kiệt trong thời gian tới. Việc sử dụng năng lượng hóa thạch cũng là nguyên nhân chính gây ra sự tăng nồng độ CO2 trong môi trường.Hàng năm, các hoạt động sản xuất trên thế giới đã thải vào khí quyển khoảng 200 triệu tấn CO2 [2].Điều này là một trong những nguyên nhân dẫn tới sự tăngnhiệt độ trái đất, tăng tần suất và mức độ nghiêm trọng của thiên tai gây tác động tàn phá nhiều hơn đối với con người và các dạng sống khác trên trái đất trong thập kỉ tới. Trong bối cảnh nàybài toán năng lượng đặt ra cho mỗi quốc gia không chỉ là đáp ứng đủ nhu cầu mà còn phải đảm bảo môi trường sống của con người.Ở Việt Nam, nhà nước đã có nhiều đầu tư và định hướng phát triển các nguồn năng lượng sạch.Theo đó, một trong số những nguồn năng lượng sạch đang được đầu tư nghiên cứu phát triển và hội nhập là năng lượng mặt trời.Nhà máy điện mặt trời đầu tiên của Việt Nam vừa được khởi công tại huyện Mộ Đức, Quảng Ngãi với tổng vốn đầu tư xây dựng 826 tỷ đồng, trên diện tích 24ha với công suất thiết kế 19.2MWp, áp dụng công nghệ quang điện mặt trời của Thái Lan.
Năng lượng mặt trời được coi là năng lượngtái tạo liên tục, sạch và vô hạn.Việc chế tạo các thiết bị chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện đã được các nhà khoa học quan tâm từ thế kỷ trước nhưng hiệu quả chưa cao.Để nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu, các loại pin mặt trời có hiệu suất cao hơn. Một trong số đó là pin mặt trời chế tạo từ vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen CH3NH3PbX3 (trong đó X: Cl, I, Br). Vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen CH3NH3PbI3 đã được tổng hợp thành công lần đầu tiên vào năm 2009 [16] và bước đầu cho thấy khả năng ứng dụng tốt cho lớp hấp thụ của pin mặt trời.Kể từ đó đến nay,vật liệu này đã và đang được nghiên cứu rất nhiều và trở thành một chủ đề nghiên cứu hấp dẫn trên thế giới.Chỉ trong vòng chưa đầy 5 năm, pin mặt trời dựa trên nền vật liệu này đã có -1- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hiệu suất tăng đáng kể,lên đến 20. Đây có thể coi là một bước tiến thần kỳ và chưa có tiền lệ trong nghiên cứu pin năng lượng mặt trời trên thế giới từ trước tới nay.
Ở Việt Nam,chưa có nhiều đơn vị nghiên cứu về vật liệu này,do đó việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen tại Việt Nam là cần thiết.Từ đó chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời” với mục đích tìm hiểu tình hình nghiên cứu và phát triển của pin mặt trời sử dụng vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen trên cơ sở đó lựa chọn những kĩ thuật,phương pháp phù hợp để tổng hợp loại vật liệu này. -2- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1. Giới thiệu về pin mặt trời 1. Một số vấn đề về năng lượng Nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội của mỗi quốc gia.Tài nguyên năng lượng trên trái đất rất phong phú và đa dạng.Năng lượng có thể có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời (bức xạ mặt trời), năng lượng sinh khối,năng lượng chuyển động của thủy quyểnhoặc năng lượng tàn dư trong lòng trái đất (khoáng sản than đá,khoáng sản dầu mỏ,khí thiên nhiên)… Ngoài các nguồn năng lượng truyền thống như củi, gỗ, than đá, dầu mỏ, khí đốt, con người đã phát hiện và đưa vào sử dụng các nguồn năng lượng mới, có hiệu quả cao như năng lượng thuỷ triều,năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng sinh khối…[2] Năng lượng truyền thống nhưcủi, gỗ là nguồn năng lượng đã được con người sử dụng từ lâu, phát triển mạnh từ trước thế kỉ XVIII và sau đó giảm.Đây là xu hướng tất yếu vì củi, gỗ thuộc loại tài nguyên có thể phục hồi được nhưng rất chậm và nếu tiếp tục sử dụng sẽ gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sống.
Mặt khác là do sự thay thế của nhiên liệu hóa thạch như than, dầu,…[2] Than bùn, than đá là nguồn năng lượng hoá thạch, có thể phục hồi nhưng rất chậm.Than được biết từ rất sớm vàđược khai thác mạnh từ thế kỉ XVII, cho đến nay vẫn tiếp tục được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống.Tỷ trọng của than trong cơ cấu sử dụng năng lượng tăng nhanh vào những năm cuối thế kỉ XIX , đạt cực đại vào đầu thế kỉ XX. Từ nửa sau thế kỉ XX, tỷ trọng của than trong cơ cấu năng lượng bắt đầu giảm nhanh một phần do việc khai thác và sử dụng than gây suy thoái và ô nhiễm môi trường (đất, nước, không khí), song quan trọng hơn vì đã có nguồn năng lượng khác hiệu quả hơn thay thế đó là dầu mỏ. [2] Dầu mỏ, khí đốt là nguồn năng lượng mới, chỉ thực sự được sử dụng nhiều vào nửa sau thế kỉ XX và đạt cực đại vào thập kỉ 80 gắn liền với sự phát triển của ngành giao thông, công nghiệp hoá chất, đặc biệt là hoá dầu. Bước sang đầu thế kỉ XXI, vai trò của dầu mỏ bắt đầu giảm do có nhiều nguyên nhân: xung đột và khủng -3- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hoảng về dầu lửa giữa các nước sản xuất và các nước tiêu thụ dầu, ô nhiễm môi trường do khai thác, sử dụng và vận chuyển dầu gây ra (nước, không khí, biển.), mức khai thác quá lớn dẫn tới sự cạn kiệt nguồn năng lượng này.[2] Năng lượng nguyên tử, thuỷ điện được sử dụng từ những năm 40 của thế kỉ XX, tăng chậm và có xu hướng giảm dần từ nửa sau thế kỉ XXI vì nhiều lý do.Năng lượng hạt nhân có nhiều lợi thế cho hiệu suất cao, tạo ra nguồn điện độc lập với các nguồn nhiên liệu than, dầu, khí đốt, ít phụ thuộc vào vị trí địa lí.
Nhưng độ không an toàn và rủi ro là khá lớn. Việc vận hành đòi hỏi điều kiện chuyên môn ngặt nghèo, yêu cầu đội ngũ chuyên gia có trình độ chuyên môn cao cũng như khó khăn trong việc xử lý sự cố và chất thải. [2] Thuỷ điện là nguồn năng lượng tái tạo với tiềm năngsử dụng rất lớn. Song việc xây dựng nhà máy đòi hỏi vốn đầu tư nhiều, thời gian xây dựng và khả năng thu hồi vốn lâu.
Đó là chưa kể việc phải di dân rất tốn kém và những thay đổi về môi trường sinh thái có thể xảy ra do hình thành các hồ chứa nước lớn.[2] Để khắc phục những nhược điểm của các nguồn năng lượng trên con người đã hướng tới các nguồn năng lượng sạch, có thể tái tạo như khí sinh học, gió, địa nhiệt, mặt trời, thuỷ triều. Tuy mới được sử dụng từ những năm cuối của thế kỉ XX,nhưng đây sẽ là những nguồn năng lượng tiềm tàng của nhân loại. Do sự cạn kiệt dần của các nguồn tài nguyên năng lượng không tái tạo, các nguồn năng lượng mới sẽ trở thành nguồn năng lượng cơ bản ở cả các nước phát triển và đang phát triển từ nửa sau của thế kỉ XXI[2]. Các nguồn năng lượng mới đó bao gồm: Năng lượng sinh khối: đây là khí sinh vật được tạo ra từ việc lên men các phế thải hữu cơ nông nghiệp và sinh hoạt, nhằm một mặt đảm bảo nhu cầu đun nấu, thắp sáng cho cư dân nông nghiệp và mặt khác, góp phần bảo vệ môi trường nông thôn.[2] Năng lượng gió: nguồn năng lượng này trong thiên nhiên là rất lớn.
Việc khai thác và đưa vào sản xuất điện năng đã và đang được tiến hành ở nhiều nước như Tây Âu, Bắc Âu, Hoa Kỳ, Ấn Độ.Ở nước ta -4- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nguồn năng lượng gió được khai thác chủ yếu ở miền Nam, miền Trung và một số đảo nhỏ. [2] Năng lượng địa nhiệt: nguồn năng lượng này ở sâu trong lòng đất được khai thác và sử dụng dưới dạng nhiệt và điện. Tiềm năng địa nhiệt ở một số nước rất lớn (nhưIreland, Hy Lạp, Pháp, Italia, Hoa Kỳ, Nhật Bản.) đã tạo điều kiện cho việc khai thác rộng rãi. Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi kĩ thuật cao và điều kiện địa lý do đó ở nước ta chưa phát triển.
Năng lượng mặt trời: nguồn năng lượng này được sử dụng dưới hai dạng điện và nhiệt. Đây là nguồn năng lượng gần như vô tận để đun nước, sưởi ấm, sấy nông sản, vận hành pin quang điện. phục vụ cho các ngành kinh tế và đời sống con người. Ở nước ta, nguồn năng lượng này mới bước đầu được khai thác với quy mô nhỏ, thí dụ như pin mặt trời phục vụ các chiến sĩ ở quần đảo Hoàng Sa.
Trong các dạng năng lượng sạch kể trên, năng lượng mặt trời là có tiềm năng nhất vì mặt trời cung cấp một nguồn năng lượng dồi dào không cạn kiệt và không sản sinh ra khí thải CO2.Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của mặt trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất. Ánh sáng mặt trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới được bề mặt Trái Đất[2, 9]. Từ những lý do trên, việc phát triển ngành công nghệ năng lượng mặt trời đang được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và phát triển. Vài nét về pin năng lượng mặt trời Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời,pin quang điện) là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện.
Nói cách khác, pin mặt trời là thiết bị sản xuất ra điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới các tế bào quang điện, chúng sẽ sản sinh ra điện năng. Khi không có -5- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ánh sáng, các tế bào này ngừng sản xuất điện. Quá trình chuyển đổi này còn được gọi là hiệu ứng quang điện.
[9] Tấm pin mặt trời là những tấm có bề mặt lớn thu thập ánh nắng mặt trời và biến đổi thành điện năng.