Chế tạo pin mặt trời (solar cell) tại gia

Bài này trích từ forum www.dientuvietnam.net   tác giả   bxngoc

Trong thời buổi kinh tế khó khăn hiện nay chi phí cho năng lượng trong đó là điện ảnh hưởng đến chi phí của sản xuất cũng như đối với cuộc sống của mọi người. Điện lực vẫn tiếp tục hăm he đòi tăng giá với lý do bị lỗ trong khi lại yêu cầu trích 1000 tỉ để làm quỹ khen thưởng cho NV trong ngành. Do đó nhu cầu tìm kiếm một nguồn năng lượng thay thế đã phát sinh trong mỗi chúng ta. Pin mặt trời là một giải pháp mọi người thường nhắc đến nhưng với giá thành hiện tại thì vẫn còn là sự xa sỉ (nghe đâu phải sử dụng những hơn 20 năm mới khấu trừ hết chi phí). 

Xin giới thiệu với anh em một phương pháp làm pin mặt trời tại nhà có lẽ không mới nhưng có thể thực hiện được. Phương pháp này mình sưu tầm và biên dịch từ các nguồn trên Internet nên có lẽ sẽ có sai sót mong các bạn đóng góp.

Bắt đầu...

Năm 1991, giáo sư hóa học Michael Grätzel tại École Polytechnique Fédérale in Lausanne, Switzerland nghiên cứu về sự quang hợp nhân tạo (Artificial photosynthesis), ông phát minh ra một kiểu solar cell mới. Nó sử dụng một thuốc nhuộm chứa ruthenium hoạt động giống như chlorophyll trong lá cây để hấp thụ ánh sáng và giải phóng electron. Các electron được thu bởi một màng film bằng Titanium dioxide (TiO2) và sinh ra dòng điện. Từ đó các nhà sản xuất chế một loại cell gọi là dye solar cell với chi phí chỉ bằng 1/10 so với công nghệ silicon. Dye solar cell có thể được in trên các tấm film polymer hoặc trên các tấm kiếng dẫn điện (conductive glass).

A. titania; cg. titan đioxit), TiO2. Tinh thể không màu, tnc = 1.850 oC. Rất bền về mặt hoá học. Không tan trong nước; tan trong kiềm hoặc axit sunfuric đặc. Dùng làm sắc tố trắng (do đó, thường gọi: trắng titan); dùng để chế tạo sơn trắng, men gốm; làm chất độn trong chất dẻo, giấy (chất làm trắng giấy), xi đánh giày, xà phòng, chất xúc tác quang hoá, vv.

I) Nguyên lý hoạt động

Cấu tạo của cell bao gồm:1 lớp kính hoặc film có thể dẫn điện (FTO: fluorine doped tin oxide film/conductive glass) tiếp theo là lớp TiO2, lớp chất nhuộm dye (chứa ruthenium), lớp chất điện phân (iodide/triiodide), một lớp gọi là counter electrode bằng bạch kim Pt hoặt graphite, và lớp cuối cùng cũng là FTO/glass

In a three-electrode cell, a counter electrode, also called an auxiliary electrode, is used only to make a connection to the electrolyte so that a current can be applied to the working electrode. The counter electrode is usually made of an inert material, such as a noble metal or graphite, to keep it from dissolving.

- Khi ánh sáng chiếu vào electron ở lớp nhuộm dye được giải phóng.
- Electron được TiO2 hấp thụ và chuyển vào lớp kính/FTO
- Electron sẽ chạy qua tải tạo thành dòng điện và trở về lớp counter electrode
- Tại counter electrode xảy ra quá trình trao đổi electron của chất điện phân
+  tại lớp counter electrode
+  tại lớp nhuộm

II) Tiến hành
1) Chuẩn bị vật liệu
- 2 miếng kiếng hoặc FTO film dẫn điện được. 
- Bột TiO2 Degussa P25.
- Axit nitric hoặc acetic (dấm) pha với nước cất có pH 3 - 4.
- Thuốc nhuộm có chứa ruthenium hoặc nước trái mâm xôi, nước hạt lựu, nước củ cải đường, hoa dâm bụt. Nói chung là nước gì có màu tía (purple).
- Dung dịch 0.5M potassium iodide (KI) trộn với 0.05M iodine (iốt) và ethylene glycol làm chất điện phân (electrolyte)

Chuẩn bị bột TiO2

a) Lấy 12g TiO2 Degussa P25 và cho vào cối và giã nhuyễn.

b) Lấy 18 mL dấm vào một cái lọ (hoặc ống nghiệm gì đó)

c) Lấy 2 mL nước deionized (nước cất?) vào một cái lọ khác. Cho thêm vào 2 giọt xà phòng rửa chén (không màu, trong). Cẩn thận khuấy dung dịch để tránh tạo ra bọt.

d) Cho khoảng 30 giọt dấm (ở cái lọ trên) vào trong cối chứa TiO2 và giã.

e) Trộn hỗn hợp TiO2 cho đến khi đều và không còn cục

f) Lặp lại bước d & e cho đến khi dùng hết 18mL dấm

g) Cho hỗn hợp nước + xà phòng đã chuẩn bị ở bước 3 vào hỗn hợp TiO2 và khuấy đều tránh tạo ra bọt

h) Để hỗn hợp 15 phút trước khi sử dụng

2)Thực hiện

a)Tiến hành tráng TiO2

- Chuẩn bị 2 tấm kiếng dẫn điện khoảng 6.5 cm2. Chùi 2 tấm kiếng bằng cồn ethanol

- Xác định mặt kiếng nào dẫn điện bằng đồng hồ (đo khoảng 10-30 ohm). Mặt không dẫn điện thì điện trở là vô cực.

- Chuẩn bị một mặt phẳng sạch sẽ (mặt bàn?). Đặt 2 tấm kiếng lên với 1 tấm mặt dẫn điện ngửa, tấm còn lại với mặt dẫn điện úp. Lấy băng keo mỏng dán 2 bên mép kiếng với chiều rộng 2mm

- Dán một miếng băng keo có chiều rộng 5 -6mm ngang trên miếng kiếng có mặt dẫn điện ngửa.

- Bây giờ là bước quan trọng tráng hỗn hợp TiO2. Cho hỗn hợp TiO2 vào trong một bình thuốc nhỏ mắt (tất nhiên là không có thuốc nhỏ mắt) nhỏ một ít hỗn hợp TiO2 lên mặt kiếng dẫn điện, ngay lập tức dùng một cái que bằng thủy tinh tròn đặt nằm ngang như hình dưới. Kéo lên, kéo xuống (không có lăn) cho hỗn hợp trải đều. Làm khoảng 2,3 lần cho đến khi hỗn hợp được trải mịn trên mặt kiếng dẫn điện. Trong quá trình tráng có thể cho thêm hỗn hợp nhưng phải làm thật nhanh vì hỗn hợp sẽ bị khô rất nhanh. Nếu làm sai có thể bóc bỏ lớp tráng đi và làm lại.

- Khi làm xong ta có một lớp film mỏng được tráng như hình sau

- Bây giờ cẩn thận bóc băng keo dán ngang. Đặt ngón tay (nhớ đeo găng tay cao su) lên mặt kiếng chỗ băng keo vừa bóc ra để đè miếng kiếng này xuống. Trong khi đó nhờ một người khác từ từ lột 2 miếng băng keo dán dọc ra. Dùng một miếng kiếng mỏng che mặt tấm kiếng mới được tráng TiO2 film lại. Bóc hết TiO2 dính trên bề mặt không dẫn điện của tấm kiếng thứ 2 và trên que thủy tinh. Rửa lại bằng cồn ethanol.

- Sau đó chờ lớp TiO2 film khô và cho vào lò oven (lò nướng) (vẫn được một tấm kiếng mỏng che lên) nung ở nhiệt độ 450 độ C trong vòng 30 phút. Lấy ra và để nguội. Có thể dùng kính hiển vi để kiểm tra lớp film mới tráng có bị xước không.
b) Nhuộm
- Nhúng tấm kiếng có lớp film TiO2 mới tráng vào dung dịch thuốc nhuộm trong 10 phút cho đến khi lớp film TiO2 được nhuộm một màu tía sẫm. Nhìn qua 2 mặt tấm kiếng để kiểm tra xem thuốc nhuộm có được thấm đều không. Không một vệt trắng sáng nào (màu của TiO2) còn sót. Nếu có thì tiếp tục nhuộm. Xong cẩn thận dùng nước cất để rửa (tránh tiếp xúc tay vào lớp film). Xong dùng cồn ethanol để rửa. Một điều quan trọng là không để nước còn sót trong film. Úp mặt film xuống một tấm khăn giấy sạch để thấm khô. Tấm kiếng này phải sử dụng ngay để tránh không khí làm ôxy hóa chất nhuộm và làm mất sự nhạy sáng.

c) Tạo lớp counter electrode
-Bây giờ là tạo lớp counter electrode. Lấy miếng kiếng còn lại kiểm tra xem mặt nào dẫn điện. Dùng bút chì hoặc graphite tô lên một lớp mỏng. Sau đó đem rửa với cồn và để khô.

c) Lắp ráp
-Bây giờ 2 miếng kiếng có thể ráp lại với nhau. Đặt 2 miếng kiếng xo le nhau, dùng cái kẹp giấy để kẹp chặt 2 miếng kiếng lại. Dùng ống nhỏ mắt/xy lanh nhỏ vài giọt dung dịch điện phân (iot) vào mép 2 miếng kiếng như hình vẽ. Ta sẽ thấy dung dịch iot được hút dần vào trong cell do hiện tượng mao dẫn. Sau đó dùng keo dán (chưa biết loại nào, có thể là sillicon?) để dán mép kiếng cho dung dịch điện phân khỏi chảy ra.

d) Test
Bây giờ có thể đem solar cell ra ngoài nắng để phát điện. Tùy theo phẩm chất của chất nhuộm mà cell sẽ sản sinh ra được 0.3 to 0.7V với dòng từ 1 to 2 mA / cm2.

3) Các link tham khảo
http://www.solideas.com/solrcell/english.html
http://www.mansolar.com/make.htm
http://chemvn.net/chemvn/showthread.php?t=392
http://www.freewebs.com/acselectronics/TiO2solar.html
http://www.barnard.columbia.edu/chem...ar%20Cells.ppt
http://www.ccmr.cornell.edu/educatio...SolarCells.pdf
Video minh họa (cài QuickTime player để xem)
http://www.mrsec.wisc.edu/Edetc/nanolab/TiO2/index.html

Nếu gặp khó khăn về công cụ và làm việc với hóa chất ta có thể nhờ ngừơi có chuyên môn về hóa học giúp đỡ. Có thể tham gia luồng này của diễn đàn hóa học Việt nam để nhờ trợ giúp

Để đạt được hiệu suất cao hơn ta có thể mua các vật liệu thương mại như dye (chất nhuộm), paste (kem tạo lớp counter-electrode), electrolytes (chất điện phân) tạihttps://secure.dyesol.com/index.php?template=Dye.