Nghiên Cứu Vật Liệu TiO2 Trong Ứng Dụng Năng Lượng Mặt Trời

TiO2 tồn tại ở ba dạng thù hình chính: anatase, rutile và brookite. Rutile là trạng thái tinh thể bền của TiO2, có độ rộng khe năng lượng 3,02 eV và khối lượng riêng 4,2 g/cm3. Anatase có hoạt tính quang hóa mạnh nhất trong ba pha, với độ rộng khe năng lượng 3,23 eV và khối lượng riêng 3,9 g/cm3. Brookite có hoạt tính quang hóa rất yếu. Do vật liệu màng mỏng và hạt nano TiO2 chỉ tồn tại ở dạng thù hình anatase và rutile, và khả năng xúc tác quang của brookite hầu như không có, nên pha brookite ít được xem xét trong các ứng dụng năng lượng mặt trời.

Hầu hết các nghiên cứu về tính dẫn điện của tinh thể nano TiO2 được tiến hành bằng cách cho màng tiếp xúc với dung dịch điện phân. Điều này là do nó có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao trong ứng dụng làm pin mặt trời (tế bào Gratzel). Trong ứng dụng này, các lỗ xốp bề mặt được phủ bằng những lớp hữu cơ siêu mỏng và tiếp xúc với dung dịch chất điện phân thẩm thấu qua các lỗ xốp. Các nghiên cứu cũng cho thấy có thể thay chất điện phân bằng các chất cách điện trung bình như chất khí, chân không để tăng khả năng định lượng một cách rõ ràng các tính chất tải điện của vật liệu.

Xúc tác quang hóa có thể dùng trong nhiều dạng phản ứng khác nhau như phản ứng oxy hóa một phần hay toàn phần, phản ứng đề hydro hóa, phản ứng phân hủy các chất hữu cơ trong nước hay trong không khí. Tương tự như các quá trình xúc tác dị thể cổ điển, quá trình quang xúc tác dị thể gồm các giai đoạn sau: Khuếch tán pha lỏng đến bề mặt xúc tác, hấp phụ chất phản ứng lên bề mặt, phản ứng trên bề mặt, giải phóng các chất sản phẩm khỏi bề mặt. Trong cơ học lượng tử, chất bán dẫn được đặc trưng bởi một dãy các mức năng lượng không liên tục, liên quan tới liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử tạo nên tinh thể (vùng hóa trị – valence band) và một dãy các dải năng lượng cao hơn được tạo thành do sự tổ hợp các quỹ đạo của tất cả các nguyên tử có trong mạng tinh thể (vùng dẫn – conduction band).

Trong cơ chế quang xúc tác của TiO2, cấu trúc điện tử được đặc trưng bởi vùng hóa trị đầy (VB) và vùng dẫn trống (CB). Các chất bán dẫn như TiO2 có thể hoạt động như những chất tăng nhạy cho các quá trình oxy hóa khử do ánh sáng và sự hình thành gốc tự do *OH là vấn đề mấu chốt của phản ứng quang xúc tác trên TiO2. TiO2 cấu trúc anatase có độ rộng vùng cấm là 3,2 eV. Do đó, nếu dưới tác dụng của photon có năng lượng lớn hơn 3,2 eV sẽ xảy ra quá trình như sau: TiO2 + hν → e−CB + h+VB. Khi xuất hiện các lỗ trống mang điện tích dương (hVB + ) trong môi trường là nước, thì xảy ra những phản ứng tạo gốc *OH.

Trong pin mặt trời nhuộm màu, sự tiếp giáp của chất điện phân và bán dẫn được sử dụng như là lớp quang hoạt (thay thế cho lớp chuyển tiếp p–n trong pin mặt trời bán dẫn). Hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin mặt trời nhuộm màu dựa trên cấu trúc tinh thể nano TiO2 có thể đạt đến 16%. Sự bất ổn định của pin mặt trời loại này là do sự ăn mòn quang hóa. Vật liệu chính cho tế bào quang điện được dùng để chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng là silic (Si) với hiệu suất biến đổi quang điện theo lý thuyết là 31%. Tuy nhiên pin mặt trời loại này có một hạn chế lớn là giá thành cao.

Pin mặt trời nhuộm màu (DSSC) hứa hẹn là một vật liệu thay thế rẻ tiền hơn nhiều so với pin mặt trời truyền thống. Hiện nay, thế hệ pin mặt trời này đã đạt hiệu quả chuyển hóa đến 11% và một khả năng thích nghi tốt với điều kiện được chiếu sáng trong một khoảng thời gian dài. Thực nghiệm với 8000 giờ chiếu sáng với cường độ gấp 2,5 lần ánh sáng mặt trời, và nhiệt độ thực nghiệm là 80 – 90°C cho thấy hiệu suất chỉ bị giảm đi rất ít, kết quả của 7 thí nghiệm này giúp ta có thể tin tưởng vật liệu này có thể hoạt động rất bền bỉ trong khoảng thời gian ít nhất là 10 năm.

Có nhiều phương pháp công nghệ khác nhau đã được sử dụng để chế tạo màng TiO2 có cấu trúc nano như các phương pháp nhúng kéo, quay phủ ly tâm hay phủ trải sử dụng công nghệ sol–gel. Tuy nhiên gần đây nhiều công trình nghiên cứu chỉ ra rằng bằng phương pháp vật lý như bốc bay chân không kết hợp ủ nhiệt không những có thể chế tạo được màng TiO2 cấu trúc nano với độ đồng nhất cao mà còn có thể dễ dàng thay đổi được kích thước và hình dạng của các hạt nano tinh thể. Đặc biệt với phương pháp này màng TiO2 có thể nhận được có độ tinh khiết cao.

Việc nghiên cứu chế tạo màng TiO2 cấu trúc nano và khảo sát các tính chất điện, quang, quang điện hóa của chúng không chỉ có ý nghĩa về khoa học mà nó còn là cơ sở ban đầu cho việc hướng tới chế tạo pin mặt trời kiểu mới với giá thành hạ và kích thước lớn ứng dụng vào thực tiễn. Với các mục đích như trên, sau một thời gian tập trung chế tạo và nghiên cứu, màng mỏng TiO2 ứng dụng làm điện cực dương cho pin mặt trời đã được chế tạo thành công, các kết quả khảo sát bước đầu là khả quan.

Nhiệt độ ủ ảnh hưởng lớn đến cấu trúc tinh thể của màng TiO2. Ủ ở nhiệt độ cao có thể làm tăng kích thước hạt tinh thể và cải thiện độ kết tinh. Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến sự chuyển pha từ anatase sang rutile, làm giảm hoạt tính quang xúc tác.

Áp suất oxy trong quá trình chế tạo ảnh hưởng đến nồng độ khuyết tật oxy trong màng TiO2, từ đó ảnh hưởng đến tính chất điện của vật liệu. Áp suất oxy cao có thể làm giảm nồng độ khuyết tật oxy, dẫn đến độ dẫn điện thấp hơn.

Quá trình quang xúc tác của TiO2 có thể được sử dụng để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ như thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm và các hợp chất dược phẩm trong nước thải. Quá trình này sử dụng ánh sáng mặt trời hoặc đèn UV để kích hoạt TiO2, tạo ra các gốc tự do có khả năng oxy hóa các chất ô nhiễm thành các sản phẩm vô hại như CO2 và H2O.

TiO2 được sử dụng như một lớp vận chuyển điện tử trong pin mặt trời perovskite, giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của pin. Cấu trúc nano của TiO2 cung cấp diện tích bề mặt lớn để tiếp xúc với perovskite, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển điện tử.