Nghiên cứu cải tiến quy trình chế tạo pin mặt trời nhạy quang trên chất màu N719 nhằm nâng cao hiệu suất của pin

UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.4, NO.1 (2014) 
25 
NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN QUY TRÌNH CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI NHẠY 
QUANG TRÊN CHẤT MÀU N719 NHẰM NÂNG CAO HIỆU SUẤT CỦA PIN 
IMPROVING THE PROCESS OF MANUFACTURING N719 DYE – SENSITIZED SOLAR CELLS 
FOR THEIR HIGH PERFORMANCE 
Hà Thanh Tùng, Nguyễn Thành Luận 
Trường Đại học Đồng Tháp 
Email: tunghtvlcrdt@gmail.com 
TÓM TẮT 
Trong nghiên cứu này, chúng tôi chế tạo pin mặt trời trên chất màu nhạy quang bằng phương pháp in lụa. 
Bằng phương pháp này, TiO2 và platin được phủ lên đế thủy tinh dẫn FTO để chế tạo điện cực anode và cathode. 
Trong đó, chất màu N719 được sử dụng làm chất nhạy quang, có đỉnh hấp thụ nằm trong vùng ánh sáng khả kiến và 
có bước sóng khoảng 488 nm được xác định bằng phổ hấp thụ. Các kết quả nghiên cứu tính chất quang thông qua 
phổ hấp thụ, hình thái bề mặt phân tích bằng ảnh SEM, cấu trúc thông qua phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ Raman. 
Hiệu suất thu được cao nhất của pin là 3,02% đo bằng thiết bị Keiley 2400 dưới cường độ chiếu sáng 100mW/cm2. 
Các thông số đặc trưng của pin như thế mạch hở, dòng ngắn mạch và hệ số FF thu được khá cao lần lượt tương 
ứng là 0,68 V, 7,38 mA và 0,59. 
Từ khóa: pin mặt trời; chất nhạy màu; TiO2. 
ABSTRACT 
This paper studies the process of manufacturing a dye sensitized solar cell by silk – screen printing method. By 
this method, the FTO glass substrate is coated by TiO2 and platinum to fabricate anode and cathode electrodes. In 
particular, the N719 dye used as a photo-sensitive material has absorption peak in the visible light region and the 
wavelength of about 488 nm that is determined by absorption spectroscopy. It presents the results of the study on 
optical properties via absorption spectroscopy, the surface morphology by SEM image analysis, structure through X-
ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy. The highest efficiency obtained is 3.02% of the cells measured by 
2400 Keiley devices under the luminous intensity of 100mW/cm2. The characteristic parameters such as open circuit, 
short circuit and FF coefficients are quite high are 0.68 V, 7.38 mA and 0.59 respectively. 
Key words: solar cells; dye; TiO2. 
1. Mở đầu 
Pin mặt trời nhạy quang (tên tiếng Anh: dye 
sensitized solar cell, viết tắt DSSC) là một trong 
những thiết bị chuyển đổi quang năng thành điện 
năng bên cạnh pin mặt trời bán dẫn truyền thống. 
Điểm khác biệt cơ bản của DSSC so với pin bán 
dẫn tiếp xúc là sử dụng chất nhạy quang hấp phụ 
trên nền TiO2. Năm 1991, nhóm nghiên cứu do 
giáo sư Michael Gratzel [2, 3] đứng đầu tại trường 
Đại học Bách khoa Liên bang Thụy sỹ-Lausanne 
(EPFL) đã phát triển loại pin mới này dựa trên tinh 
thể nano TiO2 hấp phụ chất màu nhạy quang và đã 
đạt được hiệu suất chuyển hóa quang điện hơn 7%. 
Các pin mặt trời hữu cơ sử dụng chất màu 
nhạy quang (DSSC) đã cho chúng ta thấy sự thay 
thế đáng tin cậy về kinh tế và công nghệ của các 
thiết bị quang điện kiểu liên kết p-n hiện nay. 
Trong các thiết bị truyền thống, chất bán dẫn đảm 
bảo cả hai nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng và vận 
chuyển hạt tải hoặc ngược lại. Trong pin mặt trời 
DSSC hai chức năng đó được thực hiện riêng biệt. 
Ánh sáng được hấp thụ bởi chất màu nhạy quang, 
chất này được hấp phụ trên bề mặt của một chất 
bán dẫn có năng lượng vùng cấm rộng. Sự tách 
biệt điện tích xảy ra trên bề mặt phân cách thông 
qua sự truyền (tiêm) electron từ chất màu nhạy 
sáng vào vùng dẫn của oxit bán dẫn. Các hạt tải di 
chuyển trong miền dẫn của chất bán dẫn tới điện 
TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 4, SỐ 1 (2014) 
26 
cực. Việc dùng chất nhạy quang có miền phổ hấp 
thụ rộng liên kết với các lớp màng oxit tinh thể 
nano cho phép nâng cao hiệu suất chuyển hóa pin 
mặt trời DSSC. Một trong những yếu tố làm ảnh 
hưởng tới hiệu suất của pin DSSC là màng xốp 
TiO2, thành phần quang trọng của điện cực anode. 
Trong quy trình chế tạo điện cực màng TiO2 xốp 
sử dụng cho pin DSSC, việc kiểm soát được các 
thông số diện tích bề mặt, kích thước hạt, cấu trúc 
pha anatase, độ gồ ghề và độ dày của màng là rất 
cần thiết cho công nghệ chế tạo pin giá thành thấp. 
Kỹ thuật in lụa là một trong những kỹ thuật tạo 
màng mỏng đáng tin cậy và sử dụng trong sản suất 
công nghiệp với chi phí thấp. Trong báo cáo này, 
chúng tôi tập trung cải tiến quy trình chế tạo pin 
như kỹ thuật tạo màng TiO2 chịu sự ảnh hưởng của 
TiCl4, kỹ thuật ráp pin DSSC. 
2. Thực nghiệm 
2.1. Vật liệu và thiết bị 
2.1.1. Vật liệu: Kính FTO thương mại mua từ 
hãng dyesol của Úc với kích thước 
10cmx10cmx2.3mm, keo Titan đioxit thương mại 
cũng được mua từ hãng dyesol của úc (TiO2), tấm 
Polymer surlyn, chất màu nhạy quang N719, keo 
platin dùng để chế tạo điện cực cathode. 
2.1.2. Quy trình chế tạo 
Hình 1. Sơ đồ chế tạo pin mặt trời DSSC 
* Chế tạo điện cực anode 
+ Xử lý FTO: Kính FTO được cắt ra thành 
những miếng nhỏ và có diện tích là 2cm x 1.5cm x 
2.3 mm. Sau đó, kính được rửa bằng nước thường, 
ngâm vào dung dịch xà phòng và đánh siêu âm 
trong 30 phút. Tiếp theo, rửa bằng nước cất 3 lần. 
Kính được đem đi sấy khô ở nhiệt độ 900c trong tủ 
sấy. Sau đó, kính được lưu trữ để chế tạo màng 
TiO2 [1]. 
+ Tạo màng TiO2: Màng TiO2 được chế tạo 
bằng phương pháp in lụa, khung in có diện tích 
0,28cm2. Đặt kính FTO vừa xử lý dưới khuôn in 
lụa ( mặt dẫn hướng lên) và tiến hành quét 3 lần. 
Tiếp theo, tiến hành nung màng ở nhiệt độ 4500c 
trong 5 phút sau đó tăng lên 5000c trong 30 phút. 
Tắt máy hạ xuống còn 700c đem ngâm trong dung 
dịch TiCl4 40mM trong 30 phút. Cuối cùng rửa 
màng lại bằng nước cất, sau đó nung màng TiO2 ở 
5000c trong 30 phút. Màng nung xong được ngâm 
vào dung dịch chất màu N719 trong thời gian 24 
giờ ở nhiệt độ phòng trong điều kiện tối. Sau đó 
được rửa sạch bằng ethanol 3 lần và để khô tự 
nhiên. Điện cực anode đã hoàn thành [1]. 
* Chế tạo điện cực cathode: Màng thủy 
tinh dẫn điện được khoan hai lỗ tròn có đường 
kính 1mm, khoan từ mặt dẫn xuống. Kính được 
rửa bằng nước thường, ngâm vào dung dịch xà 
phòng và đánh siêu âm trong 30 phút. Đem sấy 
UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.4, NO.1 (2014) 
27 
khô ở nhiệt độ 900c trong 5 phút. Sau đó tiến hành 
quét platin một lớp. Cuối cùng đem sấy khô ở 
nhiệt độ 4500c trong 5 phút [1]. 
* Quá trình ráp pin: Một miếng Surlyn 
được dán giữa anode và Cathode, sau đó tiến hành 
gia nhiệt, nhiệt độ sẽ làm cho miếng Surlyn chảy 
ra và kết dính hai điện cực lại với nhau. 
* Bơm dung dịch điện ly: Dung dịch điện 
ly được bơm vào pin qua lỗ khoan trên cathode. 
Cuối cùng bịt nắp lỗ khoan bằng một miếng thủy 
tinh. 
2.1.3. Các thiết bị dùng để nghiên cứu pin mặt 
trời: Phổ hấp thụ, hệ đo đường đặc trưng I-V tại 
phòng Hóa Lý Ứng Dụng Đại học Khoa Học Tự 
Nhiên. Ảnh FE-SEM được chụp tại viện khoa học 
vật liệu TP HCM. Phổ nhiễu xạ tia X được đo tại 
trung tâm Manar ở Thủ Đức. Phổ Raman được đo 
tại phòng thí nghiệm nano Thủ Đức. 
3. Kết quả và thảo luận 
3.1. Tính chất quang của màng TiO2 
3.1.1. Kết quả SEM đo màng xốp TiO2 trên đế 
FTO và màng Platin trên đế FTO 
Hình 2. Ảnh FE-SEM của màng TiO2 và của màng Platin trên đế FTO 
Để khảo sát bề mặt của điện cực anode chúng 
tôi tiến hành chụp ảnh FE-SEM của màng TiO2. 
Hình 2 trái là hình ảnh FE-SEM của màng, ta có thể 
thấy màng TiO2 khá xốp. Điều này rất tốt cho pin vì 
độ xốp càng cao thì diện tích bề mặt hấp thụ chất 
màu càng lớn. Các hạt TiO2 có dạng gần hình cầu 
và đường kính trung bình khoảng 20-25nm. Hình 3 
phải là ảnh FE-SEM của điện cực cathode, các phân 
tử platin phân bố rất đồng đều, bề mặt màng khá 
nhẵn và khá tốt phù hợp cho pin mặt trời. 
3.1.2. Phổ hấp thụ của màng TiO2 
Hình 3. Phổ hấp thụ của màng TiO2 
TiO2 có là vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng 
cấm lớn khoảng 3,2eV, tương đương với đỉnh hấp 
thụ ở bước sóng 388nm. Điều này có nghĩa là 
màng TiO2 trong suốt hoàn toàn đối với ánh sáng 
khả kiến. 
3.1.3. Kết quả phổ nhiễu xạ tia X 
Hình 4. Phổ nhiễu xạ tia X của màng TiO2 
Để khảo sát cấu trúc của màng TiO2 chúng 
400 500 600 700
0.2
0.3
0.4
0.5
Ñ
oä 
ha
áp 
th
uï 
(a
.u
)
Böôùc soùng(nm)
 Màng TiO
2
TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 4, SỐ 1 (2014) 
28 
tôi tiến hành khảo sát phổ nhiễu xạ tia X. Từ phổ 
nhiễu xạ tia X (Hình 4) chúng ta nhận thấy xuất 
hiện các đỉnh nhiễu xạ ở các vị trí 2 = 25,370, 
37,760, 48,050 tương ứng với pha Anatase của tinh 
thể TiO2 ứng với các mặt mạng (101),(004),(200). 
Điều này chứng tỏ rằng keo thương mại TiO2 mà 
chúng tôi sử dụng dùng để chế tạo DSSC ở dạng 
cấu trúc Anatase. 
3.2. Chất màu nhạy quang 
3.2.1. Phổ hấp thụ của chất màu nhạy quang N719 
Hình 5. Phổ hấp thụ UV-Vis của chất màu N719 
Từ phổ hấp thụ của chất màu Hình 5 ta thấy 
rằng đỉnh của phổ hấp thụ nằm trong vùng ánh 
sáng khả khiến và bước sóng của đỉnh hấp thụ 
khoảng 488nm. Điều này chứng tỏ nó hấp thụ ánh 
sáng khả khiến. Khi đó, nó sẽ sinh ra các electron 
và chuyển điện tích được hấp thụ vào lớp bề mặt 
tinh thể nano xốp TiO2. Vì vậy, chất màu N719 
phù hợp ứng dụng làm chất màu nhạy quang trong 
pin mặt trời DSSC. 
3.3. Kết quả đo hiệu suất của pin mặt trời 
Hình 6. Đường đặc trưng I-V của pin mặt trời 
Từ đồ thị đường đặc trưng I-V của pin, hiệu 
suất chế tạo ban đầu khi chúng tôi chưa cải tiến 
quy trình 1,8%. Các thông số thế mạch hở, 
dòng ngắn mạch và hệ số nhân lần lượt là 0.74V, 
 4.13 mA, 0.58. Kết quả này còn khá thấp so với 
mục tiêu đề ra nên chúng tôi tiến hành cải tiến quy 
trình chế tạo. Cụ thể là ngâm TiO2 vào dung dịch 
TiCl4 40mM sau khi nung, sau đó chúng tôi chế 
tạo một loạt các pin và đạt được hiệu suất cao nhất 
là 3.02%. Các thông số thế mạch hở, dòng ngắn 
mạch và hệ số nhân lần lượt là 0.68 V, 7.38 mA, 
0.59. Dựa vào các kết quả đo được, chúng tôi vẽ 
được đường đặc trưng I-V của pin mặt trời. 
Hình 7. Đường đặc trưng I-V của pin mặt trời DSSC sau khi cải tiến quy trình chế tạo 
4. Kết luận 
Bằng phương pháp in lụa, chúng tôi đã chế 
tạo thành công điện cực cathode và anode. Màng 
TiO2 được ngâm vào dung dịch TiCl4 40mM. Các 
kết quả nghiên cứu tính chất quang thông qua phổ 
hấp thụ, hình thái bề mặt phân tích bằng ảnh SEM, 
cấu trúc thông qua phổ nhiễu xạ tia X (XRD) và 
phổ Raman được đưa ra thảo luận. Hiệu suất thu 
450 500 550 600 650 700
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
Ñ
oä 
ha
áp
 t
hu
ï (
a.
u)
Böôùc soùng (nm)
N719488nm
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
0.0
0.5
1.0
1.5
C
u
r
r
e
n
t 
in
d
e
n
si
ty
 (
m
A
/c
m
2
)
Voltages(V)
UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.4, NO.1 (2014) 
29 
được cao nhất của pin là 3,02%. Như vậy, chúng 
tôi đã chế tạo thành công pin mặt trời sử dụng chất 
màu nhạy quang N719 và khảo sát tính chất quang 
của pin DSSC. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Nguyễn Thái Hoàng (2010), “Nghiên cứu điều kiện chế tạo, tính năng của pin mặt trời chất màu nhạy 
quang (DSC) và động học các quá trình hóa lý xảy ra trong pin”, Luận án tiến sỹ hóa học, Trường 
Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, TP Hồ Chí Minh. 
[2] O’Regan. B, Gratzel. M, Nature (1991), 353, 737. 
[3] Ito. S, Murakami. T. N, Comte. P, Liska. P, Gratzel. C, Nazeeruddin. M. K, Gratzel. M. Thin Solid 
Films (2008), 516, 4613-4619.