Chương 1. Tổng Quan Về Pin Mặt Trời 1,1. Giới thiệu về pin mặt trời Việc chuyển đổi từ anh sáng mặt trời thành dong điện đòi hỏi sự hình thành của cả điện tích âm và điện tích dương cũng như một lực điều khiển có thể day các điện tích đó qua mạch điện ngoài. Khi được kết nối với mạch điện bên ngoài, bắt kỳ thiết bị điện nào, chẳng han một màn hình máy tính hay một đông cơ của máy bơm nước, có thê sử dụng năng lượng mặt trời đã được chuyên đổi.
“Trên thực tế, một tế bảo năng lượng mặt trời (hỉnh 1.1) có thể được hình dung như một cái bơm mà ánh sáng mặt trời điều khiển electron: Chiều cao tối đa mà các eleetron có thê được “bơm” tương đương với điên áp cao nhất mà tế bào năng lượng mặt trời có thể đạt được. Dòng điện lớn nhất được quyết định bởi “tốc đô bơm”. —— External imel32i\1lutd Hình 1. Cầu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điễn hình.
Lớp màng hữu cơ (Organic Film) co thé la mét hoặc nhiều lớp bán dẫn cĩing có thế là một hỗn hợp hay một tổ hợp của chúng. Giả sử “bơm” có thể đây 100 electron/s tir ving hoa tri (VB) lén vùng dẫn (CB), dong liên tục cao nhất có thể của các điện tử chạy qua mạch ngoài sau đó cũng là 100 electron/s. Nếu dỏng điện chạy qua mạch ngoài bị giảm đi bởi điện tré tai — vi du còn 80 electron/s thi 20 electron/s còn lại sẽ rơi trở lại vùng hóa trị trước khi chúng có thể tách khỏi tế bảo và được gọi lả dòng rỏ.2 mô tả các bước chuyển đổi của photon thành các hạt tải tách biệt được diễn ra trong tế bảo năng lượng mặt trời hữu cơ. Nó cũng cho thây cơ chế mất mát liên quan và sự liên hệ với số lượng điện được sử dụng trong sơ đồ mạch điện tương đương (Equivalance Circuit Diagram - ECD).
Photon tới Bước chuyển đổi Cơ chế mắt mát Hấp thụ ánh sáng. - Phan xa (J;,) Truyền qua (1y) Tao thanh Exciton = - Tai hop ctia cae exciton (Ip) | Khuéch tan exciton ~ Truyền exciton với sự tái hợp của exciton s Phan tach hat tai su đồ đội - Không có phân tách hạt tải và sau Vận chuyển hạt tải ~ Tái hợp của các hạt tai (Ra) ~ Độ linh động giới hạn của hạt tải Thu thập hat tai I ~ Tái hợp gần các điên cực (Ra) - Rảo thể tại các điện cực ŒR, lạ) Các hạt tải đã phân tách tại các điện cực Hình 1. Các bước chuyên đổi chỉ và cơ chễ mắt mắt trong tễ bào năng lượng mmặt trời. Trong chất bán dẫn hữu cơ, sự hấp thụ photon dẫn tới việc tạo ra các cặp điện tử và lỗ trồng liên kết (exciton) có xác suất cao hơn là hình thành các hạt tải tự do.
Cac exciton dé mang ning lượng nhưng không thể hình thảnh nên điện tích tổng, có thể khuếch tán vào khu vực phân tách nơi mà những hạt mang điện được hình thành. Các hạt tải đó cần di chuyển tới các điện cực tương ứng: lỗ trồng di chuyển tới cực âm và điện tử tới cực dương để tạo ra điện áp và sẵn sảng cung cấp cho mạch ngoài. Quá trình chuyển hóa quang năng thành điện năng bao gầm các bước sau - Su hp thu photon. - Sự hình thánh và khuếch tán Exciton - Sự phân tách hạt tải tại vùng tiếp xúc bề mặt - Sự vận chuyển hạt tải.
- Sự thu hạt tại ở mỗi điện cực. Donor Acceptor Mink 1. Nguyén bp phan ly exciton va sy tach hat tải trong một pin mặt trời hile cur heterojunction. Sự hấp thụ photan “Trong hầu hết các linh kiện OPV chỉ một phần nhỏ ánh sáng tới dược hấp thụ vì những li do sau day: ()__ Độrộng vùng cắm của vật liệu bán dẫn quả lớn.
Độ rong ving chm khoảng 1.1eV (1100nm) cần dược đáp ứng dễ hấp thụ 77% bức xạ mặt trời trên trái đất () Lớp hữm cơ quả mỏng. Do ít hạt tải và độ linh động của exciton. thấp, nên yêu cầu độ dày của lớp bán dẫn phải dưới 100nm. May mắn là hệ số hấp thụ của vật liệu hữu cơ thường lớn hơn vật liệu vô cơ, ví dụ như 8ilic, do đó chỉ khoảng 100nm là cần thiết để hấp thụ khoảng 60 — 90% néu hiệu ứng phán xa ngược được sử dụng (iii) Sự phản xạ.
Sự mất mát do phản xạ hầu như khá đáng kể nhưng ít được khảo sát trong những vật liệu hữu cơ. Khảo sát các tính chất của vật liệu quang điện có thể sẽ cung cấp những hiểu biết về tác động của chúng tới sự suy hao do hấp thụ. Phủ lớp chống phản xa như đã được sử dụng trong các thiết bị vô cơ đã chứng minh vai trỏ của việc sử dụng biện pháp ngăn chặn hiệu ứng phản xạ. Sự hình thành và khuếch tán exciton Điều kiên lý tưởng là tất cả exciton được kích thích phải tới được địa điểm phân tách.
Vì những vị trí phân tách có thể nằm tại điểm cuối của vật liêu bán dẫn, chiều dài khuếch tán của chúng ít nhất nên bằng chiều dải được yêu cầu (cho sự hấp thụ đầy đủ) — nếu không thì hiện tượng tái tổ hợp se xây ra với xác suất cao hơn và như vậy photon tới sẽ bị lãng phí. Khoảng khuếch tan exciton trong vật liệu polymer thường vào khoảng 10nm [9,10,3,7]. Tuy nhiên một số chất màu như perylenes được cho là có chiều dài khuếch tán exciton vào khoảng 100nm [13] 1. Sự phân tách hạt tải tại bề mặt tiếp xúc Phân tách hạt tải xảy ra ở bề mặt tiếp xúc giữa chất bán dẫn với kim loại, tạp chất (ví dụ ô-xy) hay giữa các kim loại nếu sự khác biệt về ái lực điện tử (EA), điện thế ion hóa (1A) vượt được mức giới hạn Nếu sự khác biệt của lớp 1A và EA là không đủ.
thể chỉ nhảy lên vật liệu có độ rộng vùng cắm nhỏ hơn mà không phân tách thành các điện tích. Những exeiton nảy sẽ tải hợp lại mà không có sự đóng góp hạt tải vào dòng photon. Vận chuyển hạt tải Việc vận chuyền các hạt tải bị ảnh hưởng bởi hiện tượng tái tổ hợp trên quãng đường di chuyền của chúng đến các điện cực — đặc biệt là nếu cùng một vật liệu vừa đóng vai trò như vận chuyền trung bình cho cả electron và lỗ trống Ngoài ra, việc tương táo với các nguyên tử hay cáo hạt tải khác cũng làm chậm. tốc độ di chuyển do đó làm hạn chế dong ngoài 1.
Sự thu thập hạt tải ở mãi diện cực Để xâm nhập vào vật liệu điện cực với công thoát tương dối thấp (vi dụ AI, Ca) các hạt tải thường phải vượt qua hàng rào thể của một lớp oxit mỏng, Tgoải ra, kim loại có thể đã hình thành một sự ngăn chặn liên kết với chất bản dn vi thé cdc hat ti không thé ngay lap tic truyén tdi Idp kim loại. Luu ÿ là cã cxciten và các diện tích vận chuyển trong vật liệu hữu cơ thường đòi hói “nhảy” từ phân tứ này sang phân tử khảo. Do đó, sự ken xit của phân tử là một giả định để giảm độ rộng của hiệu ứng rào cẩn phân tử. Câu trúc phẳng của phân ti sé din đến những đặc tính vận chuyến tốt hơn những cầu trúc không gian 3 chiều.
Hơn nữa, việc ken xít cũng làm tăng hệ số hap thu. Dé tang cường hiệu quả chuyển đổi photon thành các điện tích, linh kiện với cấu trúc khác nhau đã được phát triển. Sự khác nhau giữa pin mặt trời vô cơ và hữu cơ Sự khác nhau cơ bản giữa pim mặt trời vô cơ và pin mặt trời hữu cơ là ở chỗ vật liệu được sử đụng để tạo thành chúng. Dưới góc độ vật liệu, pin mặt trời hữu cơ được chia thành các loại sau đây l- Pm mặt trời hữu cơ chất mảu nhạy sáng (Dye-sensitized OSCs) 2- Pmmặt trời phân tử (Miolecular SCs) 3- __ Pm mặt trời hữu cơ cao phân tử (polymeric SCs) 4- _ Pin mặt ười hữu cơ tổ hợp (Mixed SCs) Pin mặt trời hữu cơ chất màu nhạy sáng (ODSSC) được lảm băng một chất điện phân lỏng mà vận chuyển các hạt tải mang điện tạo ra bởi các phần tử hữu cơ bên trong chất điện phân.
Ưu điểm chính của pin mặt trời hữu cơ loại này là giá thành thấn. Tuy nhiên, thời gián sống của linh kiện rất ngắn nên hiệu suất thực tế của lnh kiện điện quang này là khá thấp (< 19%). Hình 1 4 mồ tả cầu trúc hỏa học của hai loại vật liêu hữu cơ thưởng được sử dúng trong T)5SƠs. Dve- sensitized may ophyll-a CHE=CH, — CH; GACH, Phyl ~O-G~CH,CH, 9 CHO-C ọ Hình 1.
Cầu trúc hóa học của hai loại vật liệu hữu cơ thường được sử dụng trong DSSCs [16]. Cả hai pin mặt trời hữu cơ phân tử và cao phân tử được làm từ các phân tử vô định hình không có cấu trúc mạng tinh thể. Các thuật ngữ “phân tử (molecular)}” và “polymeric (trùng hợp)” dựa vào trọng lượng phân tử. Thông thường, các cao phân tử với trọng lượng phân tử lớn hơn 10000 amu được gọi là polymers.
Thuật ngữ “oligomers” được gắn liền với các phân tử nhẹ hơn và với các phân tử rất nhỏ dùng thuật ngữ “molecule” được sử dụng [17]. Vật liệu phân tử và trùng hợp thường được sử dụng củng nhau để tăng cả độ hấp thụ và tính dẫn điện. Phần phân tử có khả năng hấp thụ quang tốt hơn trong khi polymers cé tính dẫn điện tốt hơn. Do đó, năng lượng quang được hap thu boi phan phan tir va tinh dan dién duoc cung cấp bởi lưới các chuỗi polymer, là nguyên nhân tăng hiệu suất chuyển hóa của loại linh kiên này.6 theo thứ tự cho thay các cấu trúc hóa học của một số vật liệu phân tử và trùng hợp được sử dụng trong chế tạo pm mặt trời hữu cơ với tên viết tắt của chúng.
ORR 388i PICBI Molecular SCs PICDA “"3BRE a~8fo MPe (MB4Zn, Cu), PePTCDL a ” 56-PCBM Hinh 1. Cau tric héa học của một số phân tử nổi tiếng được sử dung trong OSCs [16] sae cree MDMO-PPY PPV oR Da ⁄ P3HT POPT CaHr , EHH-PpyPz PTPTE ee “Sự hệ On’ Ops có ‘O} Polymeric SCs Hình 1. Cầu trúc hóa học của một sốpolymer nồi tiếng được sử dung trong OSCs [16] Sự khác biệt lớn khác giữa pin mặt trời hữu cơ va pin mặt trời thông thường là do cơ chế phát sinh hạt tải vả truyền hạt tải. Trong pin mặt trời vô cơ sau khi hấp thụ một photon, một điện tử được kích thích và một cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra.