Luận văn nghiên cứu pin mặt trời lai Silic/PEDOT:PSS/hạt nano vàng - Ngô Thị Bắc, ĐH Thái Nguyên

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo pin mặt trời cấu trúc lai Silic/PEDOT:PSS/hạt nano vàng, khảo sát tính chất quang điện tại Đại học Thái Nguyên.

• Tác giả: Ngô Thị Bắc
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Hảo
• Trường học: Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Quang học
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo và tính chất của pin Mặt trời sử dụng cấu trúc lai silic/poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate)/hạt nano vàng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan pin mặt trời lai Silic PEDOT PSS hạt nano vàng

Nghiên cứu pin mặt trời cấu trúc lai mở ra bước tiến lớn trong ngành quang điện hiện đại. Luận văn thạc sĩ vật lý tại Đại học Thái Nguyên tập trung chế tạo pin lai Silic và polymer. Vật liệu bán dẫn vô cơ truyền thống có độ bền cao. Tuy nhiên chi phí sản xuất pin quang điện silic dạng khối vẫn còn đắt đỏ. Quy trình nhiệt độ cao đòi hỏi thiết bị phức tạp. Việc kết hợp silic với polymer PEDOT:PSS tạo nên giải pháp công nghệ kinh tế. Hạt nano vàng đóng vai trò then chốt trong cấu trúc linh kiện. Hiệu ứng tán xạ ánh sáng và cộng hưởng plasmon cục bộ gia tăng mật độ quang phổ hấp thụ. Dòng hạt tải điện hình thành thuận lợi hơn tại lớp tiếp giáp dị thể. Nghiên cứu xác lập phương pháp lắng đọng dung dịch đơn giản. Quy trình không yêu cầu điều kiện chân không siêu cao. Kết quả thực nghiệm mở đường cho việc phát triển pin quang điện màng mỏng giá rẻ. Nền tảng vật liệu mới hứa hẹn khả năng ứng dụng đại trà trong tương lai.

1.1. Nền tảng cấu trúc dị liên kết vô cơ và hữu cơ

Cấu trúc lai kết hợp vật liệu bán dẫn vô cơ n-Si và polymer hữu cơ PEDOT:PSS. Lớp polymer dẫn điện đóng vai trò như chất vận chuyển lỗ trống p-type. Tiếp giáp dị thể hình thành hàng rào thế năng Schottky tự nhiên. Lực điện trường nội tại phân tách các cặp electron-lỗ trống khi có photon chiếu vào. Sự kết hợp này loại bỏ nhu cầu pha tạp p-n nhiệt độ cao. Nhiệt độ gia công màng hữu cơ chỉ dao động dưới hai trăm độ C. Nhờ đó, chi phí năng lượng trong sản xuất giảm rõ rệt. Tính chất cơ học linh hoạt của polymer cũng tăng cường độ bám dính trên đế silic. Đây là bước đệm cơ bản trong công nghệ quang điện nano.

1.2. Vai trò của hạt nano vàng trong linh kiện quang điện

Hạt nano vàng AuNP sở hữu đặc tính quang học vượt trội nhờ kích thước nanomet. Khi ánh sáng chiếu tới, dao động tập thể của các electron tự do tạo ra hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ. Trường điện từ xung quanh hạt kim loại gia tăng cường độ đáng kể. Hiện tượng này thúc đẩy quá trình bẫy photon trong lớp hoạt động của pin. Hạt nano vàng đóng vai trò trung tâm tán xạ đa hướng. Quãng đường quang học của ánh sáng đi qua lớp mỏng silic được kéo dài. Tỷ lệ sinh cặp điện tích tự do gia tăng nhanh chóng. Đồng thời, độ dẫn điện của lớp polymer cũng cải thiện khi phân tán hạt nano. Cấu trúc lai nhờ vậy thu nhận quang năng hiệu quả hơn.

II. Vấn đề quang điện ở pin mặt trời lai Silic PEDOT PSS AuNP

Pin mặt trời dị thể đối mặt nhiều trở ngại kỹ thuật cần tháo gỡ. Vấn đề thứ nhất nằm ở hệ số phản xạ bề mặt của phiến silic phẳng. Lượng photon phản xạ ngược ra ngoài môi trường làm lãng phí năng lượng bức xạ. Vấn đề thứ hai là điện trở nối tiếp giữa màng hữu cơ và đế bán dẫn. Lớp polymer PEDOT:PSS nguyên chất có độ dẫn điện hữu hạn. Độ linh động của hạt tải điện bên trong chuỗi polymer còn thấp. Hiện tượng tái hợp điện tích xảy ra phổ biến tại bề mặt phân chia pha. Tỷ lệ tái hợp cao làm sụt giảm điện áp hở mạch và hệ số lấp đầy. Hơn nữa, việc kiểm soát nồng độ hạt nano vàng là thách thức phức tạp. Sự kết tụ không đồng đều của hạt nano gây cản trở truyền dẫn quang học. Thay vì tán xạ bẫy sáng, các cụm hạt lớn trở thành tâm tái hợp bẫy electron. Mật độ dòng rò rỉ tăng lên khi cấu trúc mạng hạt bị xáo trộn. Dòng rò lớn triệt tiêu công suất chuyển đổi cực đại của pin. Việc giải quyết các hạn chế này đòi hỏi tinh chỉnh chính xác từng thông số vật liệu.

2.1. Tổn hao quang học và hiện tượng phản xạ ánh sáng

Bề mặt silic phẳng thường có hệ số phản xạ quang học rất lớn, vượt ngưỡng ba mươi phần trăm. Phần lớn năng lượng photon của ánh sáng mặt trời bị bật ngược trở lại môi trường. Điều này làm giảm đáng kể số lượng cặp hạt tải điện sinh ra. Bên cạnh đó, độ dày lớp polymer PEDOT:PSS nếu không đồng đều sẽ hấp thụ ký sinh photon vùng bước sóng ngắn. Sự thất thoát quang học ở vùng phổ khả kiến khiến mật độ dòng ngắn mạch sụt giảm. Thiết bị quang điện mất đi lượng lớn thế năng ban đầu trước khi kịp tách điện tích. Việc tạo cấu trúc nano bề mặt là đòi hỏi cấp bách để khắc phục tổn hao quang học này.

2.2. Điện trở tiếp xúc và dòng rò rỉ tại dị liên kết

Tiếp xúc dị thể giữa chất hữu cơ và vô cơ luôn tiềm ẩn bẫy khuyết tật bề mặt. Điện trở nối tiếp Rs cao cản trở quá trình thu gom điện tích về các điện cực kim loại. Khi điện trở nối tiếp tăng, hệ số lấp đầy FF của linh kiện giảm rõ rệt. Dòng rò rỉ tối qua lớp tiếp giáp Schottky làm tiêu tán công suất điện sinh ra. Phương trình phát xạ nhiệt chứng minh dòng rò lớn làm suy yếu điện áp hở mạch Voc. Màng polymer kém dẫn điện cũng gây nghẽn dòng hạt tải. Hiện tượng này phát sinh sự tích tụ điện tích không mong muốn tại mặt phân cách. Linh kiện nhanh chóng bị suy giảm hiệu suất hoạt động.

III. Phương pháp tối ưu pin mặt trời lai Silic PEDOT PSS AuNP

Nghiên cứu tại Đại học Thái Nguyên đưa ra giải pháp kỹ thuật đồng bộ và toàn diện. Đầu tiên, cấu trúc dây nano silic SiNW được chế tạo bằng phương pháp ăn mòn hóa học có hỗ trợ kim loại. Mạng lưới dây nano làm giảm hệ số phản xạ quang học xuống dưới năm phần trăm. Diện tích tiếp xúc hiệu dụng của lớp dị liên kết tăng lên vượt bậc. Thứ hai, dung dịch PEDOT:PSS được biến tính bằng cách phân tán hạt nano vàng AuNP với nồng độ kiểm soát. Hạt nano vàng phân tán đều giúp tăng cường độ dẫn điện cho màng polymer. Kỹ thuật phủ quay ly tâm tạo nên màng nanocomposite đồng nhất trên nền SiNW. Kết quả đo đạc khẳng định điện trở nối tiếp Rs giảm từ 2,43 xuống còn 2,12 Ohm.cm2 khi pha 0,5 wt.% AuNP. Dòng điện rò tối bị triệt tiêu mạnh mẽ nhờ hàng rào thế năng hoàn thiện. Hệ số lấp đầy FF nâng từ 61% lên 64%. Mật độ dòng ngắn mạch Jsc tăng lên đáng kể nhờ hiệu ứng bẫy photon plasmonic. Giải pháp này giúp pin đạt hiệu suất chuyển đổi quang năng tối ưu.

3.1. Chế tạo dây nano Silic bằng phương pháp hóa ướt

Phương pháp ăn mòn hóa học hỗ trợ kim loại MACE tạo ra cấu trúc dây nano silic định hướng thẳng đứng. Bề mặt silic ban đầu được phủ lớp mầm kim loại xúc tác như bạc. Sau đó, quá trình ăn mòn diễn ra trong dung dịch hỗn hợp HF và H2O2 ở nhiệt độ phòng. Cấu trúc dây nano SiNW hình thành đồng đều với tỷ lệ khung hình cao. Mật độ dây nano dày đặc tạo bẫy quang học lý tưởng. Ánh sáng chiếu vào bị phản xạ nhiều lần giữa các khe hở nano. Nhờ đó, độ phản xạ giảm xuống mức kỷ lục bốn đến năm phần trăm. Phương pháp này tiết kiệm chi phí tối đa so với quang khắc truyền thống.

3.2. Tối ưu nồng độ hạt nano vàng trong PEDOT PSS

Nồng độ hạt nano vàng AuNP được pha trộn theo tỷ lệ khảo sát từ 0 đến 1,0 wt.%. Thực nghiệm chứng minh tỷ lệ 0,5 wt.% AuNP mang lại hiệu quả điện hóa cao nhất. Ở nồng độ này, các hạt nano phân bố phân tán tuyệt đối trong mạng polymer. Điện áp hở mạch Voc tăng lên 0,514 V nhờ cải thiện độ dẫn điện màng. Điện trở nối tiếp giảm xuống mức 2,12 Ohm.cm2, giúp tăng tốc độ truyền hạt tải tự do. Nếu tăng nồng độ vượt quá ngưỡng tối ưu, hiện tượng kết tụ hạt nano sẽ xảy ra. Hiện tượng kết tụ làm tăng dòng rò rỉ và cản trở ánh sáng. Việc kiểm soát nồng độ chuẩn xác là chìa khóa then chốt của công nghệ.

IV. Kết luận về pin mặt trời lai Silic PEDOT PSS hạt nano vàng

Công trình nghiên cứu tại Đại học Thái Nguyên khẳng định tiềm năng to lớn của pin mặt trời lai. Sự tích hợp hạt nano vàng vào polymer PEDOT:PSS tạo nên đột phá về hiệu năng quang điện. Cấu trúc này vừa tận dụng độ bền của silic vừa khai thác tính linh hoạt của vật liệu hữu cơ. Các thông số đặc trưng quang điện gồm Jsc, Voc và FF đều đạt mức tăng trưởng ấn tượng. Hiệu suất chuyển đổi quang năng PCE tăng trưởng rõ rệt nhờ hiệu ứng plasmonic bẫy sáng. Điện trở nối tiếp giảm thiểu giúp dòng hạt tải vận chuyển nhanh chóng về điện cực. Dòng điện rò tối được triệt tiêu tối đa qua lớp dị liên kết chất lượng cao. Đề tài mở ra định hướng phát triển pin mặt trời màng mỏng chi phí thấp. Quy trình chế tạo đơn giản phù hợp với điều kiện sản xuất công nghiệp quy mô lớn. Công nghệ này có khả năng ứng dụng rộng rãi trên các thiết bị điện tử di động và cảm biến tự cấp nguồn. Triển vọng thương mại hóa của vật liệu lai quang điện là rất khả quan.

4.1. Đánh giá hiệu suất và tiềm năng công nghệ

Pin mặt trời cấu trúc SiNW/PEDOT:PSS/AuNP chứng minh ưu thế vượt bậc so với cấu trúc màng phẳng truyền thống. Sự phối hợp giữa cấu trúc bẫy sáng nano silic và hiệu ứng plasmonic hạt vàng mang lại bước nhảy vọt về thông số quang điện. Hệ số lấp đầy nâng lên mức 64% và điện trở nối tiếp hạ thấp đáng kể. Mặc dù hiệu suất tổng thể còn dư địa phát triển để chạm mốc mười ba phần trăm như các nghiên cứu quốc tế, công trình đã xác lập quy trình công nghệ chuẩn mực. Đây là minh chứng rõ nét cho năng lực nghiên cứu vật liệu tiên tiến tại Đại học Thái Nguyên. Kết quả tạo đà vững chắc cho các công bố khoa học chuyên sâu.

4.2. Khả năng ứng dụng thực tế và hướng nghiên cứu mở rộng

Pin quang điện cấu trúc lai sở hữu ưu điểm vượt trội về giá thành nhờ quy trình chế tạo hóa ướt ở nhiệt độ phòng. Công nghệ này có thể tích hợp trực tiếp vào thiết bị Internet vạn vật IoT và các cảm biến thông minh không dây. Ngoài ra, khả năng uốn dẻo tương thích tốt với các bề mặt cong trong kiến trúc xanh hiện đại. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung tinh chỉnh kích thước hạt nano kim loại và tối ưu hóa hình thái mạng dây nano. Việc biến tính bề mặt phân cách cũng giúp ngăn chặn hiện tượng thoái hóa vật liệu theo thời gian. Nghiên cứu hứa hẹn cung cấp giải pháp nguồn điện sạch bền vững cho thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày tổng quan về pin Mặt trời, vật liệu Si nano và AuNPs. Phần tổng quan về pin Mặt trời trình bày các thế hệ pin Mặt trời, đặc điểm nổi bật về tính chất và tình hình nghiên cứu về pin Mặt trời ở trong nước. Chương 2 trình bày các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án, bao gồm phương pháp thực nghiệm và các phương pháp khảo sát, đánh giá tính chất của vật liệu. Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số như nồng độ AuNPs, các cấu trúc Si nano, đến tính chất của pin Mặt trời.

2 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về pin Mặt trời 1. Năng lượng Mặt trời Năng lượng Mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ các ngôi sao. Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỉ năm nữa.

Con người đã biết sử dụng nguồn năng lượng này từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng Mặt trời vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng Mặt trời như vùng sa mạc. Từ sau cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng Mặt trời càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng Mặt trời. Các ứng dụng năng lượng Mặt trời phổ biến hiện nay là điện Mặt trời và nhiệt Mặt trời.

Năng lƣợng ánh sáng chiếu đến (W/m2/nm) Bƣớc sóng (nm) Hình 1. Phổ bức xạ Mặt trời 3 1. Pin Mặt trời Pin Mặt trời (pin điện quang, Hình 1.2) là công nghệ sản xuất ra điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng Mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới các tế bào quang điện, nó sẽ sản sinh ra điện năng.

Khi không có ánh sáng, các tế bào này ngưng sản xuất điện. Quá trình chuyển đổi này còn được gọi là hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện – lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ. Cấu tạo của một tế bào năng lượng Mặt trời điển hình.

Hiện tượng: khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số thích hợp (lớn hơn một tần số ngưỡng đặc trưng cho mỗi kim loại), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và chuyển lên vùng dẫn tạo thành các điện tử tự do e- đồng thời để lại các lỗ trống mang điện dương, các hạt mang điện này di chuyển tạo ra dòng điện (gọi là dòng quang điện). Hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect) là khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại. Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn tạo nên hiệu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect). Hiệu 4 ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn.

Giới thiệu về hạt vàng Ngày nay, lĩnh vực khoa học Nano (Nanoscience) có sự tiến bộ vượt bậc, nhờ đó con người phát hiện thêm nhiều đặc điểm và tính chất khác của kim loại này.