Nghiên cứu chế tạo màng mỏng lai tạp perovskite ứng dụng trong pin mặt trời sử dụng vật liệu chuyển tiếp lỗ trống không

Nghiên cứu chế tạo màng mỏng perovskite lai tạp, ứng dụng trong pin mặt trời hiệu suất cao. Sử dụng vật liệu chuyển tiếp lỗ trống mới, không pha tạp, tăng cường khả năng hấp thụ...

• Tác giả: Đinh Thị Ngọc
• Người hướng dẫn: TS. Đào Quang Duy
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lí chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu Chế Tạo Màng Mỏng Lai Tạp Perovskite Ứng Dụng Trong Pin Mặt Trời Sử Dụng Vật Liệu Chuyển Tiếp Lỗ Trống Không Pha Tạp
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về pin mặt trời hữu cơ vô cơ halogen perovskite
• 1.2. Giới thiệu về vật liệu perovskite
• 1.3. Pin mặt trời hữu cơ vô cơ halogen perovskite
• 1.4. Các thông số của pin mặt trời
• 1.5. Vật liệu vận chuyển lỗ trống – HTM
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. Tổng hợp vật liệu và dụng cụ
• 2.2. Phương pháp mô phỏng PSC
• 2.3. Chế tạo pin mặt trời perovskite
• 2.4. Phương pháp tổng hợp perovskite
• 2.5. Phương pháp bốc bay nhiệt trong chân không
• 2.6. Các phương pháp đánh giá
• 2.6.1. Phương pháp đo phổ nhiễu xạ tia X
• 2.6.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử
• 2.6.3. Phương pháp đo đường đặc trưng J – V
• 2.6.4. Phương pháp đo phổ hấp thụ
• 2.6.5. Phương pháp đo phổ hiệu suất lượng tử ngoài (EQE)
• 2.6.6. Phương pháp đo photo – CELIV
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Khảo sát tính chất quang điện của pin mặt trời perovskite
• 3.2. Cấu trúc lớp perovskite
• 3.3. Phổ hấp thụ UV – Vis
• 3.4. Bề mặt lớp perovskite
• 3.5. Đánh giá về khả năng hoạt động của PSC sử dụng HTM - C6PcH2
• 3.6. Kết quả mô phỏng
• 3.7. Kết quả thực nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Pin Mặt Trời Perovskite Lai Tạp Nghiên Cứu Mới

Pin mặt trời đang ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh các nguồn năng lượng hóa thạch cạn kiệt và gây ra các vấn đề môi trường nghiêm trọng. Trong số đó, pin mặt trời perovskite nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn nhờ tiềm năng hiệu suất cao và chi phí sản xuất thấp. Vật liệu perovskite có cấu trúc đặc biệt, cho phép hấp thụ ánh sáng hiệu quả. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa màng mỏng perovskite lai tạp để nâng cao hiệu suất và độ ổn định của pin. Việc sử dụng vật liệu chuyển tiếp lỗ trống là một yếu tố then chốt, đặc biệt là các vật liệu không pha tạp, nhằm giảm thiểu suy giảm hiệu suất và tăng tuổi thọ của pin. Luận văn này đi sâu vào việc mô phỏng, chế tạo và đánh giá tính chất của pin mặt trời perovskite sử dụng vật liệu chuyển tiếp lỗ trống không pha tạp Octahexylphthalocyanine (C6PcH2).

1.1. Vật Liệu Perovskite Cấu Trúc và Đặc Tính Quang Điện

Vật liệu perovskite có cấu trúc tinh thể ABX3, với A, B là cation và X là anion. Cấu trúc này quyết định đặc tính quang điện perovskite, khả năng hấp thụ ánh sáng và vận chuyển điện tích. Perovskite lai tạp cho phép điều chỉnh các tính chất này để tối ưu hóa hiệu suất. Theo Weber (1978), các ion Pb2+ và Sn2+ ổn định cấu trúc lập phương ở nhiệt độ thường.

1.2. Pin Mặt Trời Perovskite Cấu Trúc và Nguyên Lý Hoạt Động

Pin mặt trời perovskite có cấu trúc n-i-p hoặc p-i-n, bao gồm các lớp vật liệu chuyển tiếp điện tích (ETM và HTM) và lớp perovskite hấp thụ ánh sáng. Ánh sáng được hấp thụ tạo ra các cặp electron-lỗ trống, sau đó được tách và vận chuyển đến các điện cực. Cấu trúc pin mặt trời perovskite bao gồm FTO catot, lớp vật liệu vận chuyển điện tích (ETM), oxit kim loại dạng rỗng và perovskite.

1.3. Vật Liệu Chuyển Tiếp Lỗ Trống HTM Vai Trò và Yêu Cầu

Vật liệu chuyển tiếp lỗ trống (HTM) có vai trò quan trọng trong việc vận chuyển lỗ trống đến điện cực và ngăn chặn tái hợp điện tích. HTM không pha tạp được ưu tiên để tăng độ ổn định. Theo nghiên cứu, cần tìm kiếm các vật liệu chuyển tiếp lỗ trống không chứa tạp chất loại p để áp dụng các PSC ổn định và hiệu quả cao.

II. Thách Thức và Giải Pháp Chế Tạo Màng Mỏng Perovskite

Chế tạo màng mỏng perovskite chất lượng cao là một thách thức lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất pin. Các yếu tố như quá trình kết tinh perovskite, morphology màng mỏng, và điện trở tiếp xúc đều cần được kiểm soát chặt chẽ. Giải pháp bao gồm tối ưu hóa kỹ thuật spin coating, sử dụng phụ gia, và điều chỉnh quy trình thermal annealing để cải thiện chất lượng màng. Lớp vận chuyển lỗ trống được thêm vào đỉnh của lớp hấp thụ perovskite nhằm vận chuyển lỗ trống đến các điện cực, hạn chế sự tái kết hợp điện tích tại các mặt phân cách đồng thời bảo vệ perovskite hoạt động và ngăn chặn sự thẩm thấu của hơi ẩm từ không khí vào lớp hấp thụ perovskite.

2.1. Kỹ Thuật Spin Coating Tối Ưu Hóa Quy Trình Phủ Màng Perovskite

Spin coating là kỹ thuật phổ biến để chế tạo màng mỏng. Tốc độ quay, thời gian, và dung môi ảnh hưởng đến độ dày và độ đồng đều của màng. Cần tối ưu hóa các thông số này để đạt được morphology màng mỏng lý tưởng. Các bước quay phủ màng perovskite cần được kiểm soát chặt chẽ.

2.2. Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Ủ Thermal Annealing Đến Chất Lượng Màng

Thermal annealing có thể cải thiện quá trình kết tinh perovskite và giảm các khuyết tật. Nhiệt độ và thời gian ủ cần được điều chỉnh để tránh phân hủy perovskite. Theo tài liệu, cần nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến chất lượng màng mỏng perovskite.

2.3. Sử Dụng Phụ Gia Để Cải Thiện Độ Ổn Định Perovskite

Phụ gia có thể cải thiện độ ổn định perovskite bằng cách giảm các khuyết tật và ngăn chặn sự xâm nhập của hơi ẩm. Cần lựa chọn phụ gia phù hợp với thành phần perovskite và điều kiện chế tạo. Cần tối ưu hóa quy trình chế tạo màng mỏng perovskite để tăng hiệu suất pin mặt trời.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Vật Liệu Chuyển Tiếp Lỗ Trống Không Pha Tạp

Nghiên cứu tập trung vào vật liệu chuyển tiếp lỗ trống không pha tạp Octahexylphthalocyanine (C6PcH2). Phương pháp bao gồm tổng hợp vật liệu perovskite, chế tạo pin mặt trời, và đánh giá đặc tính quang điện. Các kỹ thuật như XRD, SEM, UV-Vis và EIS được sử dụng để phân tích cấu trúc và tính chất của màng. Khóa luận tập trung vào mô phỏng pin mặt trời perovskite sử dụng vật liệu chuyển tiếp lỗ trống Octahexylphthalocyanine không pha tạp bằng phần mềm mô phỏng SCAP – 1D. Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời perovskite với lớp vận chuyển lỗ trống sử dụng vật liệu Octahexylphthalocyanine.

3.1. Kỹ Thuật XRD Xác Định Cấu Trúc Tinh Thể Perovskite

XRD (X-ray Diffraction) được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể và quá trình kết tinh perovskite. Phân tích XRD giúp đánh giá chất lượng màng và xác định các pha tạp. Các sơ đồ cấu tạo thiết bị nhiễu xạ tia X (XDR) cần được phân tích kỹ lưỡng.

3.2. SEM Phân Tích Morphology Màng Mỏng Perovskite

SEM (Scanning Electron Microscopy) cho phép quan sát morphology màng mỏng và đánh giá độ đồng đều. Ảnh SEM cung cấp thông tin quan trọng về kích thước hạt và cấu trúc bề mặt. Các sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện tử quét – SEM cần được đánh giá chi tiết.

3.3. UV Vis Spectroscopy Đo Khả Năng Hấp Thụ Ánh Sáng

UV-Vis Spectroscopy được sử dụng để đo khả năng hấp thụ ánh sáng của màng mỏng perovskite. Dữ liệu UV-Vis giúp xác định độ rộng vùng cấm và đánh giá hiệu quả hấp thụ. Các sơ đồ khối của máy quang phổ UV – Vis cần được hiểu rõ.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Hiệu Suất Pin Mặt Trời Perovskite Lai Tạp

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng vật liệu chuyển tiếp lỗ trống không pha tạp C6PcH2 có tiềm năng cải thiện hiệu suất pin mặt trời perovskite. Dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng được so sánh để đánh giá tính khả thi của giải pháp này. Nghiên cứu này đã tiến hành khảo sát một phần tính chất quang điện của lớp perovskite. Các kết quả của quá trình mô phỏng và thực nghiệm cần được trình bày rõ ràng. Khảo sát độ linh động của hạt tải điện, cấu trúc của pin thông qua một số các phép đo. Đồng thời, khảo sát tính chất quang điện của lớp perovskite chế tạo.

4.1. Đánh Giá Khả Năng Hoạt Động Của PSC Sử Dụng HTM C6PcH2

Cần đánh giá khả năng hoạt động của PSC sử dụng HTM - C6PcH2, đo đạc điện áp hở mạch, mật độ dòng ngắn mạch, và hệ số lấp đầy, độ linh động của hạt tải, cấu trúc của pin thông qua một số các phép đo. Các thông số quang – điện của vật liệu trong thiết bị cần được đánh giá và so sánh.

4.2. So Sánh Kết Quả Mô Phỏng và Thực Nghiệm Pin Perovskite

So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá độ chính xác của mô hình và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất. Các kết quả mô phỏng cần được đối chiếu với dữ liệu thực nghiệm để đưa ra kết luận chính xác.

4.3. Ảnh Hưởng Của Dung Môi Toluene Đến Chất Lượng Màng Perovskite

Nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi toluene đến chất lượng màng perovskite, xem xét chất lượng và hiệu suất cao, cần đưa ra đánh giá chi tiết về vai trò của dung môi.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Pin Mặt Trời Perovskite Tương Lai

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo pin mặt trời perovskite sử dụng vật liệu chuyển tiếp lỗ trống không pha tạp C6PcH2. Kết quả cho thấy tiềm năng phát triển của pin mặt trời perovskite như một nguồn năng lượng sạch và hiệu quả. Hướng phát triển bao gồm tối ưu hóa vật liệu perovskite, cải thiện độ ổn định, và giảm chi phí sản xuất. Khóa luận đã mô phỏng, chế tạo thành công pin mặt trời perovskite sử dụng vật liệu chuyển tiếp lỗ trống Octahexylphthalocyanine không pha tạp và lớp perovskite bằng phương pháp lắng đọng dung dịch một bước. Cho thấy pin mặt trời perovskite sử dụng vật liệu chuyển tiếp lỗ trống Octahexylphthalocyanine không pha tạp có tiềm năng trở thành thiết bị quang điện có hiệu suất cao, giá thành rẻ.

5.1. Tối Ưu Hóa Thành Phần và Cấu Trúc Perovskite

Nghiên cứu tiếp tục tập trung vào tối ưu hóa thành phần và cấu trúc perovskite để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và vận chuyển điện tích.

5.2. Nghiên Cứu Vật Liệu Perovskite Không Chì Lead Free

Phát triển vật liệu perovskite không chì để giảm tác động môi trường và đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

5.3. Thương Mại Hóa Pin Mặt Trời Perovskite

Tìm kiếm các giải pháp để giảm chi phí sản xuất và tăng độ bền, mở đường cho thương mại hóa pin mặt trời perovskite.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo dồi dào và gần như vô hạn, đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của con người. Theo ước tính, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời truyền thống như silicon đơn tinh thể đạt khoảng 25%, tuy nhiên chi phí sản xuất cao và độ dày lớn của lớp bán dẫn là những hạn chế lớn. Trong bối cảnh đó, pin mặt trời perovskite (PSC) nổi lên như một công nghệ đột phá với hiệu suất chuyển đổi năng lượng tăng nhanh chóng, đạt trên 21% trong vòng 6 năm nghiên cứu, đồng thời có tiềm năng giảm chi phí sản xuất nhờ cấu trúc màng mỏng và vật liệu mới.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo màng mỏng lai tạp perovskite ứng dụng trong pin mặt trời sử dụng vật liệu chuyển tiếp lỗ trống không pha tạp Octahexylphthalocyanine (C6PcH2). Mục tiêu chính là mô phỏng và chế tạo pin mặt trời perovskite với lớp vận chuyển lỗ trống không pha tạp nhằm nâng cao hiệu suất và độ ổn định của thiết bị. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian năm 2021 tại Đại học Quốc gia Hà Nội, với các phương pháp mô phỏng SCAPS-1D và kỹ thuật chế tạo màng mỏng bằng quay phủ spin và bốc bay nhiệt trong chân không.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc phát triển vật liệu HTM mới không pha tạp loại p, giúp cải thiện độ linh động hạt tải, giảm sự suy giảm hiệu suất do tái kết hợp điện tích và tăng độ bền của pin mặt trời perovskite. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng pin mặt trời perovskite ổn định, hiệu quả cao và có giá thành hợp lý trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình vật lý chất rắn liên quan đến pin mặt trời perovskite, bao gồm:

• Cấu trúc tinh thể perovskite ABX3: Trong đó A là cation hữu cơ hoặc vô cơ, B là cation kim loại (Pb2+, Sn2+), X là anion halogen (I-, Br-, Cl-). Cấu trúc này quyết định tính chất quang điện và điện tử của vật liệu.
• Mô hình hoạt động của pin mặt trời perovskite: Ánh sáng kích thích tạo ra hạt exciton với năng lượng liên kết thấp, dễ phân tách thành điện tử và lỗ trống, sau đó được vận chuyển qua các lớp bán dẫn loại n và p đến điện cực.
• Lý thuyết vận chuyển hạt tải và tái kết hợp: Phương trình Poisson và phương trình liên tục mô tả sự phân bố điện tích, mật độ dòng điện tử và lỗ trống, tốc độ tái kết hợp và sinh hạt tải trong thiết bị.
• Khái niệm vật liệu vận chuyển lỗ trống (HTM): Vật liệu HTM không pha tạp loại p như C6PcH2 có độ linh động hạt tải cao, giúp tăng hiệu suất và độ bền của pin mặt trời perovskite.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm chế tạo màng mỏng perovskite CH3NH3PbI3 và vật liệu HTM C6PcH2, cùng với mô phỏng bằng phần mềm SCAPS-1D.
• Phương pháp phân tích:
  • Mô phỏng hiệu suất pin mặt trời và độ linh động hạt tải trong phạm vi nhiệt độ 258K - 303K bằng SCAPS-1D.
  • Chế tạo màng mỏng perovskite bằng phương pháp quay phủ spin coating và bốc bay nhiệt trong chân không.
  • Đánh giá cấu trúc tinh thể bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD).
  • Quan sát bề mặt và kích thước hạt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  • Đo đặc trưng quang điện bằng phổ hấp thụ UV-Vis, phổ hiệu suất lượng tử ngoài (EQE), và đường đặc trưng J-V.
  • Xác định độ linh động hạt tải bằng phương pháp photo-CELIV.
• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2021, bao gồm các giai đoạn tổng hợp vật liệu, mô phỏng, chế tạo pin và đánh giá tính chất quang điện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tinh thể và kích thước hạt perovskite: Qua phổ XRD, màng perovskite CH3NH3PbI3 có các đỉnh đặc trưng tại 14,07°, 28,42°, 31,82°, tương ứng với các mặt phẳng (110), (220), (310). Việc nhỏ dung môi toluene trong quá trình quay phủ làm tăng cường cường độ đỉnh (110) và giảm bán độ rộng cực đại, chứng tỏ kích thước tinh thể tăng lên. Đồng thời, đỉnh PbI2 dư tại 12,61° cũng tăng cường, cho thấy sự tồn tại PbI2 dư thừa trong màng. Việc ủ nhiệt ở 100 °C làm tăng kích thước hạt perovskite và PbI2, cải thiện kết tinh nhưng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất do PbI2 dư thừa.

2. Hiệu suất quang điện của pin mặt trời sử dụng C6PcH2: Mô phỏng SCAPS-1D cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) của PSC sử dụng HTM C6PcH2 đạt trên 4% với độ linh động hạt tải tăng từ 0,4 đến 1,4 cm²/V.s khi nhiệt độ giảm từ 303K xuống 258K. Đường đặc trưng J-V và phổ EQE minh họa sự cải thiện hiệu suất nhờ vật liệu HTM không pha tạp.

3. Tính chất quang học của màng perovskite: Phổ UV-Vis cho thấy màng perovskite hấp thụ mạnh trong vùng bước sóng 400-800 nm, phù hợp với độ rộng vùng cấm Eg = 1.55 eV. Việc nhỏ toluene và ủ nhiệt làm tăng cường hấp thụ ánh sáng, góp phần nâng cao mật độ dòng ngắn mạch JSC.

4. Độ linh động hạt tải trong C6PcH2: Phép đo photo-CELIV xác định độ linh động lỗ trống trong màng C6PcH2 tăng đáng kể khi nhiệt độ giảm, từ khoảng 0,4 cm²/V.s ở 303K lên 1,4 cm²/V.s ở 258K, cho thấy vật liệu này có khả năng vận chuyển lỗ trống hiệu quả, hỗ trợ tăng hiệu suất pin.

Thảo luận kết quả

Kết quả phổ XRD và SEM cho thấy việc sử dụng dung môi toluene trong quá trình quay phủ giúp tăng kích thước hạt perovskite, làm giảm khuyết tật và tăng cường kết tinh, từ đó cải thiện hiệu suất quang điện. Tuy nhiên, sự tồn tại PbI2 dư thừa cũng làm tăng tốc độ phân hủy màng perovskite khi tiếp xúc với độ ẩm và ánh sáng, ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền thiết bị. Việc ủ nhiệt giúp tăng kích thước hạt và cải thiện cấu trúc tinh thể nhưng cần kiểm soát lượng PbI2 để tránh suy giảm hiệu suất.

Mô phỏng SCAPS-1D và đo photo-CELIV chứng minh vật liệu HTM C6PcH2 không pha tạp có độ linh động hạt tải cao, giúp vận chuyển lỗ trống hiệu quả, giảm tái kết hợp điện tích và nâng cao hiệu suất pin mặt trời. So với các vật liệu HTM pha tạp loại p truyền thống, C6PcH2 có ưu điểm về độ ổn định và chi phí thấp hơn, phù hợp cho ứng dụng thương mại.

Dữ liệu đường đặc trưng J-V và phổ EQE minh họa rõ sự cải thiện hiệu suất nhờ vật liệu HTM mới, đồng thời cho thấy tiềm năng phát triển pin mặt trời perovskite màng mỏng với hiệu suất và độ bền cao. Các biểu đồ và bảng số liệu trong nghiên cứu cung cấp cơ sở định lượng cho việc tối ưu cấu trúc và quy trình chế tạo pin.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu quy trình chế tạo màng perovskite: Áp dụng kỹ thuật nhỏ dung môi toluene kết hợp ủ nhiệt ở nhiệt độ khoảng 100 °C để tăng kích thước hạt và cải thiện kết tinh màng perovskite, đồng thời kiểm soát lượng PbI2 dư thừa nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền pin. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu.

2. Phát triển vật liệu HTM không pha tạp: Tiếp tục nghiên cứu và tinh chế vật liệu chuyển tiếp lỗ trống C6PcH2 hoặc các hợp chất tương tự có độ linh động cao, khả năng hòa tan tốt và chi phí thấp để thay thế các HTM pha tạp loại p hiện tại. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm hóa hữu cơ và vật liệu.

3. Mô phỏng và tối ưu cấu trúc pin mặt trời: Sử dụng phần mềm SCAPS-1D để mô phỏng các thông số vật liệu và cấu trúc thiết bị nhằm tìm ra cấu hình tối ưu cho hiệu suất và độ ổn định cao nhất. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình nghiên cứu, chủ thể: nhóm mô phỏng và thiết kế thiết bị.

4. Nâng cao độ bền và khả năng ứng dụng thực tế: Nghiên cứu các lớp bảo vệ chống ẩm, chống oxy hóa kết hợp với vật liệu HTM không pha tạp để kéo dài tuổi thọ pin mặt trời perovskite trong điều kiện môi trường thực tế. Thời gian thực hiện: 12 tháng, chủ thể: nhóm phát triển sản phẩm và ứng dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu quang điện: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về cấu trúc, tính chất quang điện và phương pháp chế tạo màng perovskite, giúp nghiên cứu và phát triển vật liệu mới cho pin mặt trời.

2. Kỹ sư phát triển pin mặt trời: Thông tin về vật liệu HTM không pha tạp và quy trình chế tạo pin màng mỏng hỗ trợ tối ưu thiết kế và nâng cao hiệu suất sản phẩm.

3. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành vật lý chất rắn, vật liệu: Tài liệu tham khảo về lý thuyết, mô hình mô phỏng và kỹ thuật thực nghiệm trong lĩnh vực pin mặt trời perovskite.

4. Doanh nghiệp công nghệ năng lượng tái tạo: Cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm pin mặt trời perovskite hiệu suất cao, chi phí thấp và bền vững, phù hợp với xu hướng thị trường năng lượng sạch.

Câu hỏi thường gặp

1. Pin mặt trời perovskite có ưu điểm gì so với pin silicon truyền thống?
   Pin perovskite có hiệu suất chuyển đổi năng lượng nhanh tăng, chi phí sản xuất thấp hơn do sử dụng vật liệu màng mỏng, dễ chế tạo và có thể linh hoạt ứng dụng trên nhiều bề mặt khác nhau.

2. Tại sao cần vật liệu chuyển tiếp lỗ trống không pha tạp?
   Vật liệu không pha tạp như C6PcH2 giúp tăng độ linh động hạt tải, giảm tái kết hợp điện tích, nâng cao hiệu suất và độ bền của pin, đồng thời tránh các tác động tiêu cực do tạp chất loại p gây ra.

3. Phương pháp mô phỏng SCAPS-1D có vai trò gì trong nghiên cứu?
   SCAPS-1D giúp mô phỏng hiệu suất và đặc tính điện tử của pin mặt trời, từ đó tối ưu cấu trúc và vật liệu trước khi thực hiện chế tạo thực nghiệm, tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu.

4. Làm thế nào để kiểm soát lượng PbI2 dư thừa trong màng perovskite?
   Kiểm soát thông qua điều chỉnh quy trình quay phủ, sử dụng dung môi phụ trợ như toluene và điều kiện ủ nhiệt phù hợp để cân bằng kích thước hạt và giảm lượng PbI2 dư thừa, tránh ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền.

5. Độ linh động hạt tải ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất pin?
   Độ linh động cao giúp hạt tải (điện tử, lỗ trống) di chuyển nhanh hơn, giảm tái kết hợp điện tích, tăng mật độ dòng điện và hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời.

Kết luận

• Đã thành công trong việc mô phỏng và chế tạo pin mặt trời perovskite sử dụng vật liệu chuyển tiếp lỗ trống không pha tạp Octahexylphthalocyanine (C6PcH2) với hiệu suất quang điện tiềm năng trên 4%.
• Phương pháp quay phủ spin kết hợp nhỏ dung môi toluene và ủ nhiệt giúp tăng kích thước hạt perovskite, cải thiện kết tinh và hiệu suất pin.
• Vật liệu HTM C6PcH2 có độ linh động hạt tải cao, hỗ trợ vận chuyển lỗ trống hiệu quả, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị.
• Mô phỏng SCAPS-1D là công cụ hữu ích để tối ưu cấu trúc và dự đoán hiệu suất pin mặt trời perovskite trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu quy trình chế tạo, phát triển vật liệu HTM không pha tạp và nâng cao độ bền thiết bị để ứng dụng thực tế trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả này để phát triển pin mặt trời perovskite hiệu suất cao, bền vững và chi phí hợp lý, góp phần thúc đẩy năng lượng tái tạo tại Việt Nam và trên thế giới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I. TỔNG QUAN Giới thiệu về pin mặt trời, pin mặt trời perovskite, lớp vận chuyển lỗ trống sử dụng vật liệu không pha tạp Octahexylphthalocyanine. Chương II. MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM Mô phỏng pin mặt trời bằng phương pháp SCAP – 1D và quy trình chế tạo pin mặt trời perovskite với lớp vận chuyển lỗ trống sử dụng vật liệu không pha tạp Octahexylphthalocyanine.

Quy trình chế tạo lớp perovskite bằng phương pháp lắng đọng dung dịch một bước. Chương III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trình bày các kết quả của quá trình mô phỏng và thực nghiệm. Khảo sát độ linh động của hạt tải điện, cấu trúc của pin thông qua một số các phép đo.

Đồng thời, khảo sát tính chất quang điện của lớp perovskite chế tạo. Chương IV. KẾT LUẬN Đã mô phỏng, chế tạo thành công pin mặt trời perovskite sử dụng vật liệu chuyển tiếp lỗ trống Octahexylphthalocyanine không pha tạp và lớp perovskite bằng 11 phương pháp lắng đọng dung dịch một bước. Cho thấy pin mặt trời perovskite sử dụng vật liệu chuyển tiếp lỗ trống Octahexylphthalocyanine không pha tạp có tiềm năng trở thành thiết bị quang điện có hiệu suất cao, giá thành rẻ.

Giới thiệu về pin mặt trời Do nhu cầu cuộc sống của con người ngày càng tăng, cùng với sự phát triển của xã hội vì vậy nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Hơn nữa, việc đốt cháy các nguyên liệu hóa thạch đã thải vào không khí một hàm lượng CO2 lớn gây ra những hậu quả về môi trường như hiệu ứng nhà kính, hạn hán, lũ lụt…Đây chính là một trong những căn nguyên lớn nhất đe dọa tương lai cuộc sống trên Trái Đất. Chính vì vậy, việc thúc đẩy tìm kiếm nguồn năng lượng mới ít tốn kém hơn, an toàn hơn và sạch hơn ngày càng cấp thiết. Trong số rất nhiều lựa chọn, năng lượng mặt trời được xem như là một trong số các giải pháp tối ưu mà rất nhiều quốc gia hướng tới trong đó có Việt Nam.

Một trong những phương pháp hiệu quả nhất để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là pin mặt trời. Mặc dù, hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel nhưng phải cho đến năm 1954 pin mặt trời đầu tiên có khả năng ứng dụng mới được ra mắt tại Bell Laboratories [11, 19]. Hiện nay có rất nhiều loại pin mặt trời nhưng chủ yếu chia làm hai loại: Pin mặt trời sử dụng Sillic đơn tinh thể - Sillic đa tinh thể và pin mặt trời màng mỏng (sản xuất thương mại như pin GaAs, CdTe, CIGS). Sau hai nhóm chính này, có một số công nghệ mới tuy chưa có khả năng thương mại cao nhưng đã được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm bao gồm pin mặt trời hữu cơ, pin mặt trời chất màu nhạy quang (DSSC), pin mặt trời perovskite (PSC)… Những công nghệ này được dự đoán sẽ phát triển và có khả năng cạnh tranh với các công nghệ pin mặt trời trong tương lai.

Pin mặt trời sử dụng Sillic đơn tinh thể - Sillic đa tinh thể: Sau nhiều thập kỉ phát triển công nghệ sillic tinh thể thống trị thị trường PV toàn cầu với thị trường lần lượt là 55 % cho các sillic đa tinh thể và 36 % cho các silicon đơn tinh thể. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) cao nhất được báo cáo cho đến nay đối với các thiết bị quang điện sử dụng silicon tinh thể nghiên cứu là 25 % [12]. Nhưng bên 13 cạnh đó, pin mặt trời Si vẫn có những nhược điểm chưa khắc phục được. Đầu tiên, Sillic có độ tinh khiết cao thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi sillic hình ống và không hấp thụ được hết bước sóng mặt trời.

Vì Si là chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm hẹp và độ hấp thụ yếu hơn so với các chất bán dẫn khác nên các lớp Si thường được yêu cầu dày hơn so với các vật liệu khác (có độ dày khoảng 300 mm). Vì những lý do trên, chỉ riêng Si đã chiếm gần 50 % chi phí của một mô-đun năng lượng mặt trời hoàn thành. Để hạ giá thành sản phẩm, pin mặt trời màng mỏng đã được phát triển dựa trên kĩ thuật chế tạo hoàn toàn mới. Pin mặt trời màng mỏng có cấu trúc cơ bản của các pin mặt trời thương mại hiện nay.

Các lớp màng mỏng bán dẫn pha tạp được lắng đọng trên bề mặt kính (đế), tạo ra lớp chuyển tiếp p - n. Phương pháp này sử dụng ít vật liệu hơn, các đế có giá thành rẻ hơn, diện tích của pin lớn hơn. Tuy các lớp hoạt động có chiều dày nhỏ cỡ micromet nhưng vẫn có thể hấp thụ lượng ánh sáng đáng kể do khả năng hấp thụ mạnh của vật liệu. Phương pháp lắng đọng và xử lý vật liệu màng mỏng đã được thực hiện tại nhiệt độ thấp hơn so với phương pháp chế tạo Si.

Tỉ trọng vật liệu trong lớp hấp thụ thấp, độ tinh khiết và nhiệt độ xử lý thấp là những yếu tố giúp giảm chi phí sản xuất của pin mặt trời màng mỏng. Hiệu suất của các tế bào màng mỏng CdTe (Cadmium telluride ) và CIGS (sử dụng chất hấp thụ làm bằng đồng, indium, gallium, selenide) trong phòng thí nghiệm đạt lần lượt là 18 % và 21 % [5,6]. Trong khi đó, hiệu suất cao nhất đã được ghi nhận trong các tế bào sử dụng vật liệu GaAs (Gallium arsenide ). Pin mặt trời GaAs là một trong những loại pin mặt trời màng mỏng có hiệu suất cao nhất do đặc tính chịu nhiệt đặc biệt và hiệu suất cao.

Tính đến năm 2019, các tế bào GaAs đơn tinh thể đã cho thấy hiệu suất pin mặt trời cao nhất so với bất kỳ loại pin mặt trời tiếp giáp đơn nào với hiệu suất 29,1 % [7]. Mặc dù hiệu suất cao của các tế bào màng mỏng GaAs, nhưng chi phí vật liệu lớn đã cản trở khả năng áp dụng quy mô rộng của chúng trong ngành sản xuất pin mặt trời. Trong quá trình tìm kiếm và chế tạo các pin mặt trời mới hiệu suất cao (pin mặt trời hữu cơ, polyme, DSSC.), một công nghệ mới đã nổi lên như một ứng viên 14 tiềm năng của công nghệ quang điện đó là các pin mặt trời perovskite. Để giành được thị phần từ pin mặt trời silic tinh thể, các công nghệ thay thế phải cùng lúc đáp ứng ba tiêu chí sau: hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) cao, phí sản xuất thấp, và độ bền cao.

Nghiên cứu gần đây cho thấy pin mặt trời perovskite hữu cơ vô cơ halogenua (PSC) với CH3NH3PbI3 (MAPbI3) có tiềm năng đáp ứng các điều kiện trên và trở nên cạnh tranh trên thị trường. Giới thiệu về pin mặt trời hữu cơ vô cơ halogen perovskite 1. Giới thiệu về vật liệu perovskite Perovskite là một loại khoáng sản lần đầu tiên được tìm thấy ở dãy núi Ural và được đặt theo tên của Lev Perovski (người sáng lập Hiệp hội Địa lý Nga) vào năm 1893. Perovskite bao gồm Canxi, Titan và Oxy ở dạng CaTiO 3, có cấu trúc tinh thể ABX3, như trong hình 1.

Trong đó, A là một cation nguyên tử hoặc phân tử lớn mang điện tích dương ở trung tâm của một khối lập phương. Các góc của khối lập phương sau đó bị chiếm bởi các nguyên tử B - cũng là các cation tích điện dương và các mặt của khối được chiếm bởi một nguyên tử X nhỏ hơn có điện tích âm (anion). Mỗi cation có bán kính từ 1,6 Å đến 2,5 Å Hình 1. Cấu trúc tinh thể của perovskite 15 Vật liệu Perovskite được chia làm hai loại chính là: vật liệu perovskite oxit vô cơ và vật liệu perovskite halogen, như trong hình 1.

Trong đó vật liệu perovskite oxit vô cơ gồm vật liệu perovskite tự nhiên (khoáng vật) và vật liệu perovskite pha tạp. Vật liệu perovskite halogen được chia làm hai loại là vật liệu perovskite halogen kim loại kiềm (alkali- halide perovskite) và vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen (organo-metal halide perovskite). Perovskite tự nhiên (thiên nhiên) Perovskite oxit vô cơ (ABX3) Perovskite pha tạp (AxB1-xMyN1-yOzP3-z) Perovskite tinh thể (ABX3) Perovskite halogen Perovskite halogen kim loại kiềm (ABX3) Perovskite halogen hữu cơ – vô cơ Hình 1. Sơ đồ phân loại vật liệu perovskite Vật liệu hữu cơ vô cơ halogen ABX3 hoặc (R-NH3)2BX4, trong đó: · A là các ion dương gốc hữu cơ như: CH3NH3+, CH3CH2NH3+, HC(NH2)2 · B là các ion dương kim loại như: Pb2+ , Sn2+,… · R là các gốc hữu cơ như: C6H5(CH2)2+ , FC6H4(CH2)2+ · X là các ion âm nhóm halogen như: Cl- , I- , Br-… Vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen CH3NH3PbI3 có tính chất quang điện đặc biệt với độ rộng vùng cấm Eg = 1.55 eV tương ứng với bước sóng λ = 800 nm, quãng đường khuếch tán của hạt tải L = 100 nm đến 1µm làm cho vật liệu perovskite trở thành ứng cử viên lý tưởng cho các tế bào năng lượng mặt trời [8].

16 Những tính chất quang điện đặc biệt của vật liệu này đến từ mức năng lượng liên kết exciton thấp (30 meV) và độ linh động của hạt tải cao. Cấu trúc và tính chất vật lý của loại CH3NH3BX3 lần đầu tiên được đưa ra bởi Weber vào năm 1978. Trong đó những ion Pb2+ và Sn2+ chủ yếu ổn định với cấu trúc lập phương ở nhiệt độ thường. Ví dụ như CH3NH3PbI3, CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbCl3 có cấu trúc thường gặp là cấu trúc lập phương (Cubic) ở nhiệt độ phòng với thông số mạng lần lượt là: a= 6.

Các thông số mạng thay đổi khi các phân tử có nhiều halogen khác nhau, ví dụ CH3NH3PbBr2.98 Å, CH3NH3PbBr2.03 Å, CH3NH3PbBr0. Như đã giới thiệu chung ở phần trên, vật liệu perovskite cấu trúc ba chiều (3D) hay còn gọi là vật liệu khối, có cấu trúc gồm sự lặp lại của các ô cơ bản. Trong đó, vị trí trung tâm là các cation A, bao quanh bởi các octahedral. Vật liệu perovskite cấu trúc 3D là ABX3 như: CH3NH3PbI3, CH3NH3PbBr3, CsPbI3… Cấu trúc của các vật liệu 3D này được nghiên cứu từ những năm 1870-1980 nhưng đến khi tìm thấy được khả năng ứng dụng của vật liệu này trong các thiết bị quang điện tử thì cấu trúc vật liệu được nghiên cứu rộng rãi.

Hiện nay, vật liệu perovskite cấu trúc 3D được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong các thiết bị quang điện tử như pin mặt trời, đi-ốt phát quang. Trong luận văn này chúng tôi đi nghiên cứu chế tạo pin mặt trời sử dụng CH3NH3PbI3. Pin mặt trời hữu cơ vô cơ halogen perovskite PSC là loại pin mặt trời có lớp bán dẫn được làm từ vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen. Với hiệu suất chuyển đổi năng lượng tăng nhanh chóng trong một thời gian ngắn, pin mặt trời perovskite đã thu hút được sự chú ý của các nhà khoa học.