Ứng dụng công nghệ nano oxit tẩm chất nhạy quang (DSC) trong tấm pin năng lượng mặt trời đã mang lại những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. DSC, viết tắt của Dye-Sensitized Solar Cell, được biết đến như một công nghệ tiềm năng trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Bài viết này hãy cùng Việt Nam Solar tìm hiểu sự kết hợp giữa công nghệ nano oxit và chất nhạy quang trong DSC đã tạo ra một sự cải tiến đáng kể so với các công nghệ pin mặt trời truyền thống.

DSC là gì?

DSC là viết tắt của Dye-Sensitized Solar Cell, có nghĩa là Pin Mặt trời tạo điện bằng chất nhạy quang. Đây là một công nghệ pin mặt trời tiên tiến được phát triển để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện.

Tham Khảo GIá Chi TIết

Pin Lithium - Ac Quy - Pin lưu trữ điện mặt trời

48 Products

Tấm Pin Năng Lượng Mặt Trời

173 Products

Bộ Inverter Hòa Lưới Điện Mặt Trời

257 Products

Dây Điện

2 Products

Cấu trúc của DSC bao gồm một lớp chất nhạy quang (dye) có khả năng hấp thụ ánh sáng, một lớp điện phân cực bán dẫn, thường là một lớp nano oxit như titan dioxit (TiO2), và một chất điện phân cực, thường là một chất điện phân cực dung dịch như điện giải chất ion.

Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào chất nhạy quang, nó hấp thụ và tạo ra các electron kích thích. Các electron này sau đó được chuyển đến lớp nano oxit bằng cách di chuyển qua chất điện phân cực. Quá trình này tạo ra dòng điện đi qua mạch ngoài, tạo ra năng lượng điện.

DSC có nhiều lợi thế như khả năng sử dụng ánh sáng không chỉ từ phía trực tiếp mà còn từ ánh sáng phản xạ hoặc ánh sáng yếu. Nó cũng có chi phí sản xuất thấp và quy trình sản xuất đơn giản hơn so với các công nghệ pin mặt trời truyền thống. Tuy nhiên, hiện nay DSC vẫn đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển để cải thiện hiệu suất và độ bền.

Cấu tạo của công nghệ nano oxit tẩm chất nhạy quang

Lớp oxit dẫn trong DSC thường được làm từ oxit thiếc có thêm Indium (ITO) hoặc oxit thiếc có thêm Fluorine (FTO). ITO có điện trở thấp ở nhiệt độ thường, trong khi FTO của công ty Nippon Sheet Glass có điện trở khoảng 8-10 Ω.

Điện cực catốt của DSC 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 sẽ bị khử ngược trở lại thành I- tại điện cực catốt. Để khử I3- hiệu quả, điện cực catốt cần có hoạt tính xúc tác điện hóa cao, và việc sử dụng Pt làm xúc tác giúp giảm quá trình khử I3-.

Điện cực quang anốt của DSC bao gồm lớp oxit kim loại bán dẫn phủ trên nền thủy tinh dẫn. Lớp oxit này có cấu trúc xốp với kích thước hạt nano từ 10-30 nm.

Màng oxit nano TiO2 có diện tích bề mặt lên đến 1000 cm2 cho mỗi cm2 diện tích che phủ và có thể chứa thêm các hạt TiO2 lớn đường kính 250-300 nm để tán xạ ánh sáng.

Oxit kim loại bán dẫn phổ biến như TiO2, ZnO, SnO2, Nb2O5 thường được sử dụng trong DSC vì tính không độc, giá thành thấp và tính quang dẫn điện tốt. Các chất bán dẫn khác như n- và p-Si, n- và p-GaAs, n- và p-InP, n-CdS không được sử dụng trong DSC vì bị ăn mòn trong dung dịch chất điện ly.

Các oxit kim loại bán dẫn có thể không hấp thụ ánh sáng do có năng lượng vùng cấm lớn, do đó chúng được tẩm thêm chất nhạy quang để hấp thụ ánh sáng.

Nguyên lý hoạt động của công nghệ nano oxit tẩm chất nhạy quang

Công nghệ nano oxit tẩm chất nhạy quang (Dye-Sensitized Solar Cell – DSC) hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi ánh sáng thành điện năng bằng cách sử dụng một lớp nano oxit và chất nhạy quang.

Nguyên lý hoạt động của DSC như sau:

Hấp thụ ánh sáng: Lớp chất nhạy quang, thường là một chất dye, được tẩm trong một lớp màng nano oxit, thường là oxit thiếc (TiO2). Khi ánh sáng mặt trời inciden chiếu vào DSC, chất nhạy quang hấp thụ ánh sáng và bắt đầu quá trình kích thích electron.
Tách electron và lỗ trống: Khi chất nhạy quang hấp thụ ánh sáng, nó nhảy qua một quá trình gọi là “quá trình chuyển đổi năng lượng”. Điều này dẫn đến việc tách electron khỏi lỗ trống trong chất nhạy quang.
Di chuyển electron: Các electron được chuyển từ chất nhạy quang xuống lớp nano oxit, đặc biệt là lớp TiO2. Lớp TiO2 có cấu trúc xốp với các hạt nano, tạo ra một diện tích bề mặt lớn giúp tăng khả năng thu thập electron.
Điện phân cực: Electron di chuyển qua một mạch ngoài, tạo ra dòng điện. Trong quá trình này, chất điện phân cực, thường là một chất điện phân cực dung dịch, đóng vai trò trong việc cung cấp điện tử thay thế cho electron đã di chuyển.
Tái tạo chất nhạy quang: Sau khi electron đã được di chuyển, chất nhạy quang cần phải tái tạo để tiếp tục quá trình chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng một chất điện phân cực, như Iodine (I2), để tái tạo chất nhạy quang ban đầu.

Lợi ích của công nghệ DSC mang lại

Công nghệ Dye-Sensitized Solar Cell (DSC) mang lại nhiều lợi ích quan trọng, bao gồm:

Hiệu suất cao trong điều kiện ánh sáng yếu: DSC có khả năng hoạt động tốt trong điều kiện ánh sáng yếu, bao gồm cả ánh sáng mờ và ánh sáng không mặt trời trực tiếp. Điều này làm cho DSC phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường có ánh sáng không ổn định hoặc không đủ mạnh.
Chi phí sản xuất thấp: DSC sử dụng các vật liệu phổ biến và giá thành thấp như oxit thiếc (TiO2) và chất nhạy quang. Quá trình sản xuất cũng đơn giản hơn so với các công nghệ năng lượng mặt trời truyền thống, giúp giảm chi phí sản xuất và làm giảm giá thành của các thiết bị DSC.
Tính linh hoạt về thiết kế: DSC có thể được thiết kế dưới dạng các tấm mỏng và linh hoạt, cho phép tích hợp vào các bề mặt cong, rỗng, hoặc không gian hạn chế. Điều này tạo ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị di động, thiết bị điện tử, và các cấu trúc kiến trúc.
Hoạt động trong điều kiện ánh sáng không đồng nhất: DSC có khả năng hoạt động với ánh sáng chiếu vào từ các góc khác nhau và trong điều kiện ánh sáng không đồng nhất. Điều này làm cho DSC phù hợp cho các ứng dụng năng lượng mặt trời trên các bề mặt không đồng đều như các tấm pin năng lượng mặt trời truyền thống.
Tính ổn định và tuổi thọ cao: DSC có tính ổn định và tuổi thọ cao, đảm bảo khả năng hoạt động trong thời gian dài mà không giảm hiệu suất. Điều này làm cho DSC trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng năng lượng mặt trời kéo dài và bền vững.

Hiệu suất chuyển đổi của DSC là bao nhiêu?

Hiệu suất chuyển đổi của Dye-Sensitized Solar Cell (DSC) thường nằm trong khoảng từ 10% đến 15%. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi này có thể thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chất nhạy quang sử dụng, cấu trúc của lớp nano oxit, thiết kế của các điện cực và điều kiện môi trường.

Khi so sánh với công nghệ năng lượng mặt trời khác như silicon, hiệu suất chuyển đổi của DSC thường thấp hơn. Ví dụ, pin năng lượng mặt trời silicon thông thường có hiệu suất chuyển đổi khoảng từ 15% đến 25%. Tuy nhiên, DSC có những lợi thế khác như khả năng hoạt động tốt trong điều kiện ánh sáng yếu và tính linh hoạt trong thiết kế, làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn trong các ứng dụng đặc biệt như các thiết bị di động và các ứng dụng không gian hạn chế.

Các nghiên cứu và phát triển liên tục đang được tiến hành để nâng cao hiệu suất chuyển đổi của DSC. Các công nghệ tiên tiến như sử dụng chất nhạy quang mới, cấu trúc lớp nano oxit cải tiến và thiết kế điện cực tối ưu hơn đang được khám phá để đạt được hiệu suất chuyển đổi cao hơn trong tương lai.

Ưu điểm của DSC so với pin MT kiểu p-n

Công nghệ Dye-Sensitized Solar Cell (DSC) có nhiều ưu điểm so với pin năng lượng mặt trời silicon vô định hình:

Hiệu suất chuyển đổi cao hơn: DSC có hiệu suất chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời cao hơn rất nhiều so với pin silicon vô định hình.
Giá thành thấp: Qui trình chế tạo DSC đơn giản hơn và vật liệu sử dụng tương đối không đắt tiền, góp phần làm giảm giá thành sản xuất.
Nguồn nguyên vật liệu phong phú: DSC sử dụng các nguyên vật liệu chế tạo pin phong phú như thủy tinh dẫn, oxit bán dẫn và các hợp chất iodide. Ngoài ra, DSC có thể sử dụng các loại dye hữu cơ khác để thay thế nguồn ruthenium làm chất nhạy quang.
Ít độc hại với môi trường: Mặc dù dung môi hữu cơ được sử dụng làm dung dịch điện ly trong DSC có thể độc hại, nghiên cứu đang tiến hành để thay thế dung dịch điện ly lỏng bằng dung dịch gel hoặc rắn, giảm tác động tiêu cực lên môi trường.
Khả năng tái sử dụng: Dye trong DSC có thể được giải hấp khỏi bề mặt TiO2 bằng cách xử lý với dung dịch kiềm hoặc đốt cháy, cho phép tái sử dụng anốt và gia tăng tuổi thọ của DSC.

Lời kết

Trên hành trình tìm kiếm nguồn năng lượng tái tạo và bền vững, công nghệ nano oxit tẩm chất nhạy quang (DSC) trong tấm pin năng lượng mặt trời đã nổi lên như một triển vọng sáng cho tương lai. Việt Nam Solar nhận thấy được sự kết hợp giữa công nghệ nano oxit và chất nhạy quang đã mang lại những lợi ích đáng kể, từ hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao đến khả năng sử dụng ánh sáng không đồng đều và tích hợp linh hoạt.

Mọi chi tiết xin liên hệ:

CÔNG TY TNHH VIỆT NAM SOLAR
MST: 0315209693
Địa chỉ: 56A Hồ Bá Phấn, Khu phố 4, Phường Phước Long A, TP. Thủ Đức, TP.HCM
Trung tâm bảo hành: 188 Đông Hưng Thuận 41, Phường Tân Hưng Thuận, Quận 12, TP.HCM
Kho chứa hàng: Lô B14-15 Đường số 2, KCN Hải Sơn, Xã Đức Hòa Hạ, Huyện Đức Hòa, Tỉnh Long An
Hotline: 0981.982.979 – 088.60.60.660
Email: [email protected]
Website: https://vietnamsolar.vn