Chương 1: Tổng quan về pin mặt trời hữu cơ. o Chương 2: Các phương pháp thực nghiệm và nghiên cứu. o Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời hữu cơ sử dụng các lớp hoạt quang là vật liệu tổ hợp cấu trúc chuyển tiếp dị chất khối P3HT:PCBM và MEH-PPV:PCBM là hướng nghiên cứu đang thu hút được sự quan tâm của các trung tâm nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước. Đây cũng là hướng nghiên cứu còn khá mới mẻ ở nước ta.
Pin mặt trời hữu cơ sử dụng các màng dẫn nano trên cơ sở CNTs và TiO2 làm lớp tiếp xúc điện cực cho kết quả khả quan, mở ra triển vọng ứng dụng trong thực tiễn. Ngoài ra các kết quả nghiên cứu của đề tài nghiên cứu còn có thể sử dụng làm một tài liệu tham khảo hữu ích trong những nghiên cứu về pin mặt trời hữu cơ. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 Chƣơng 1: Tổng quan về pin mặt trời hữu cơ 1. Giới thiệu chung về pin mặt trời hữu cơ Pin mặt trời hữu cơ là linh kiện quang - điện hữu cơ, chuyển đổi năng lượng từ quang năng sang điện năng.
Dưới tác dụng của ánh sáng, điện tử và lỗ trống được hình thành trong nền polymer (lớp hoạt động-active layer), hình thành các cặp exciton với xác suất nhất định. Quá trình chuyển hóa quang năng thành điện năng a) Sự hấp thụ photon Trong hầu hết các thiết bị quang – điện hữu cơ chỉ một phần nhỏ ánh sáng tới được hấp thụ vì những lí do sau đây: - Độ rộng vùng cấm của vật liệu bán dẫn hữu cơ quá lớn. Độ rộng vùng cấm chỉ khoảng 1.1eV (1100nm) là phù hợp để hấp thụ 77% bức xạ mặt trời trên trái đất [6] trong khi độ rộng vùng cấm của các polymer dẫn thường lớn hơn 2eV. - Lớp hữu cơ quá 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 các bán dẫn vô cơ như Silic do đó chỉ khoảng 100nm là cần thiết để hấp thụ khoảng 60 – 90% nếu hiệu ứng phản xạ ngược được sử dụng. - 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 xạ như đã được sử dụng trong các thiết bị vô cơ đã chứng minh vai trò của việc sử dụng biện pháp ngăn chặn hiệu ứng phản xạ [12]. b) Sự khuếch tán của exciton Điều kiện 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 liệu bán dẫn, chiều dài khuếch tán của chúng ít nhất nên bằng chiều dài được yêu cầu (cho sự hấp thụ đầy đủ) – nếu không thì chúng tái hợp với nhau và như vậy photon tới sẽ bị lãng phí [11].
Khoảng khuếch tán exciton trong vật liệu polymer thường vào khoảng 10nm [2]. Tuy nhiên một số chất màu như perylenes được cho là có chiều dài khuếch tán exciton vào khoảng 100nm. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 c) Sự phân tách hạt tải Phân tách hạt tải xảy ra ở bề mặt tiếp xúc giữa chất bán dẫn với kim loại, tạp chất (ví dụ oxy) hay giữa các kim loại với đủ sự khác biệt về ái lực điện tử (EA) và điện thế ion hóa (IA). Nếu sự khác biệt của lớp IA và EA là không đủ, các exciton có thể chỉ nhảy lên vật liệu có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn mà không phân tách thành các điện tích.
Cuối cùng nó sẽ tái hợp lại mà không có sự đóng góp hạt tải vào dòng photon. d) Vận chuyển hạt tải Việc vận chuyển các hạt tải bị ảnh hưởng bởi sự tái tổ hợp trong khi đi đến các điện cực. Ngoài ra, việc tương tác với các nguyên tử hay các hạt tải khác cũng làm chậm tốc độ di chuyển do đó làm hạn chế dòng. e) Sự thu thập hạt tải Để xâm nhập vào vật liệu điện cực với công thoát tương đối thấp (ví dụ Al, Ca) các hạt tải thường phải vượt qua hàng rào thế của lớp tiếp xúc.
Ngoài ra, kim loại có thể đã hình thành một sự ngăn chặn liên kết với chất bán dẫn vì thế các hạt tải không thể ngay lập tức truyền tới lớp kim loại. Chúng ta lưu ý là cả exciton và các điện tích vận chuyển trong vật liệu hữu cơ thường đòi hỏi “nhảy” từ phân tử này sang phân tử khác. Do đó, sự ken xít của phân tử là một giả định để giảm độ rộng của hiệu ứng rào cản phân tử .Cấu trúc phẳng của phân tử sẽ dẫn đến những đặc tính vận chuyển tốt hơn những cấu trúc cồng kềnh 3 chiều. Cũng cần lưu ý là việc ken xít cũng làm tăng hệ số hấp thụ [5],.
Để đáp ứng những đòi hỏi riêng của hiệu quả chuyển đổi photon thành các điện tích, các thiết bị với cấu trúc khác nhau đã được phát triển. Cấu trúc của pin mặt trời hữu cơ Hình 1. Cấu trúc cơ bản của 1 pin mặt trời. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Nói chung, pin mặt trời có cấu trúc gồm 3 phần chính: anode và cathode (điện cực), tấm đế, lớp hoạt quang (photoactive layer - chất vô cơ cho pin mặt trời vô cơ và chất hữu cơ với pin mặt trời hữu cơ) như được mô tả trong hình 1.
Các lớp đệm có thể bổ sung để tăng chất lượng của pin. b) Điện cực màng anode (trong suốt) Điện cực màng anode yêu cầu phải được chế tạo bằng vật liệu trong suốt, có rào thế ΔEa giữa anode với lớp màng polymer tiếp xúc là nhỏ. Thông thường, để làm giảm rào thế ΔEa, công thoát cho anode phải được nâng lên bằng cách sử dụng các vật liệu phù hợp. Vật liệu dùng để chế tạo anode phải có độ ổn định cao theo thời gian.
Vật liệu thường được dùng là ITO (là hỗn hợp của In2O3 và SnO2 theo tỷ lệ In2O3/ SnO2 = 9 / 1). c) Lớp truyền lỗ trống Có tác dụng là tăng cường quá trình truyền hạt tải lỗ trống ra các cực, góp phần kéo dài thời gian sống cho linh kiện. Yêu cầu với vật liệu truyền lỗ trống này là có nhiệt độ chuyển pha cao (Tg>200oC) để tăng thời gian sống cho linh kiện, có khả năng truyền hạt tải cao ( = 10-3 cm2/v.s ), và có khả năng hòa tan trong các dung môi hữu cơ. Vật liệu thường được dùng là: PVK hoặc PEDOT,… d) Lớp truyền điện tử Hình 1.
Phân mức năng lượng giữa lớp truyền điện tử và cathode. Có tác dụng tăng cường quá trình truyền dẫn điện tử. Đảm bảo sự cân bằng hạt tải. Lớp này phải ổn định với nhiệt độ và các tác nhân hóa học.
Vật liệu thường được dùng là : LiF, Alq3,… LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 e) Lớp hoạt quang Đây là nơi hạt tải có độ linh động cao nên chúng phải có độ dày thích hợp để đảm bảo exciton không bị dập tắt. Vật liệu yêu cầu có sự ổn định với nhiệt độ và các tác nhân hóa học, có khả năng truyền điện tử tốt, và phát ra phổ dòng điện chạy trong vật liệu. Vật liệu thường được dùng cho lớp quang hoạt là: PPV, MEH-PPV, P3HT,… f) Điện cực màng cathode Cathode có thể phản xạ ánh sáng và cần thỏa mãn rào thế ΔEc giữa cathode và lớp màng polymer tiếp xúc là nhỏ nhất. Vật liệu thường sử dụng để chế tạo cathode là: nhôm (Al), hoặc hợp kim nhôm - mage (Mg/ Al) = 10/ 1.
Hỗn hợp này thường được dùng do khả năng chống oxy hoá, và ít bị ảnh hưởng của độ ẩm môi trường. Yêu cầu vật liệu làm cathode phải có công thoát thấp, dễ bốc bay trong chân không. Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin mặt trời Pin mặt trời là một thiết bị có thể chuyển đổi trực tiếp năng lượng quang thành năng lượng điện, hoạt động dựa trên một nguyên lý đó là hiện tượng quang điện trong. Đó là sự xuất hiện cặp điện tử - lỗ trống trong vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của sóng điện từ bên ngoài.
Một pin mặt trời đơn giản nhất được cấu tạo giống như một diode bán dẫn có một lớp n (rất mỏng cho ánh sáng truyền qua). Ánh sáng hay các hạt photon khi đi vào khối bán dẫn và gặp các nguyên tử sẽ tương tác và truyền động lượng cho điện tử. Dẫn đến việc điện tử nhận được năng lượng (lớn hơn năng lượng của vùng cấm) và dịch chuyển từ vùng hóa trị đến vùng dẫn, lỗ trống dịch chuyển theo chiều ngược lại từ vùng dẫn đến vùng hóa trị. Sự dịch chuyển này tạo ra hiệu điện thế tại lớp chuyển tiếp p-n.
Để tạo thành một pin mặt trời hoàn chỉnh, ta cần nối 2 điện cực vào 2 lớp n, p của khối bán dẫn và mạch ngoài. Các điện tử dịch chuyển đến điện cực âm sẽ tạo ra dòng quang điện cho mạch ngoài. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sơ đồ cấu tạo của một pin mặt trời cơ bản.
Tóm lại, hoạt động của một pin mặt trời vô cơ cơ bản thông qua 4 bước chính: - Sự hấp thụ ánh sáng. - Sự phân tách hạt tải. - Sự thu thập hạt tải. - Phát sinh dòng quang - điện.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Pin mặt trời hữu cơ 1. Các thế hệ pin mặt trời Dựa vào lịch sử phát triển và cấu tạo của các loại pin mặt trời, người ta phân thành 5 loại thế hệ phát triển pin mặt trời: 1. Thế hệ thứ nhất Pin mặt trời có dạng khối, đơn tinh thể silic (pin mặt trời kiểu truyền thống) với hiệu suất lý thuyết tối đa là 31%.
Hiện nay phần lớn các pin mặt trời xuất hiện trên thị trường vẫn là thế hệ pin mặt trời thứ nhất dùng silic đơn tinh thể với hiệu suất 18%. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của giáo sư Martin Green (University of New South Wales, Úc) hiện nay đã đạt kỷ lục 24. Ưu điểm của pin này là phạm vi phổ hấp thụ rộng, độ linh động hạt tải cao. Tuy nhiên, đòi hỏi kỹ thuật lắp đặt, độ nguyên chất của silic phải gần như tuyệt đối, giá thành đắt .