Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn, đặc biệt tại Việt Nam với số giờ nắng trung bình ngày từ 4.1 đến 6.9 giờ và cường độ bức xạ trung bình khoảng 5 kWh/m²/ngày, thuộc nhóm cao trên thế giới. Tuy nhiên, pin mặt trời thương mại hiện nay chủ yếu dựa trên vật liệu silic dạng khối với chi phí sản xuất cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng bị giới hạn. Do đó, nghiên cứu phát triển các thế hệ pin mặt trời mới với hiệu suất cao, chi phí thấp và tuổi thọ dài là cấp thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của pin mặt trời dựa trên cấu trúc lai dây nano silic (SiNW)/poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)/graphen. Mục tiêu chính gồm: (i) nghiên cứu quy trình chế tạo pin mặt trời cấu trúc lai SiNW/PEDOT:PSS/graphen; (ii) tối ưu hóa sự kết hợp các tính chất đặc biệt của vật liệu SiNW và các vật liệu chức năng nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn 2019-2020.

Ý nghĩa của đề tài nằm ở việc phát triển pin mặt trời cấu trúc lai vô cơ/hữu cơ với công nghệ đơn giản, chi phí thấp hơn so với pin silic truyền thống, đồng thời khai thác hiệu quả tính chất ưu việt của graphen trong linh kiện quang điện tử. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng vật liệu nano trong lĩnh vực năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hiệu ứng quang điện: Quá trình chuyển đổi ánh sáng thành điện năng trong pin mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện nội bộ, trong đó photon kích thích tạo ra các cặp electron-lỗ trống và dòng điện được sinh ra khi các hạt tải này được tách biệt và dẫn qua mạch ngoài.

  • Cấu trúc lai vô cơ/hữu cơ: Kết hợp vật liệu dây nano silic (SiNW) với polyme dẫn PEDOT:PSS và vật liệu nano carbon graphen nhằm tận dụng ưu điểm của từng thành phần: SiNW tăng diện tích bề mặt và giảm phản xạ ánh sáng; PEDOT:PSS cung cấp lớp dẫn điện hữu cơ linh hoạt; graphen cải thiện độ dẫn điện và ổn định hóa học.

  • Phân tích cấu trúc và tính chất vật liệu: Sử dụng phổ Raman để đánh giá cấu trúc và sai hỏng của graphen, phổ FTIR để xác định nhóm chức hữu cơ trên graphen biến tính, phổ UV-VIS để khảo sát tính chất quang học của màng PEDOT:PSS/graphen.

Các khái niệm chính bao gồm: hiệu suất chuyển đổi quang điện, hệ số phản xạ, hiệu suất lượng tử ngoại (EQE), và các đặc trưng J-V (dòng điện - điện áp).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các phép đo thực nghiệm trên mẫu pin mặt trời cấu trúc lai SiNW/PEDOT:PSS/graphen được chế tạo trong phòng thí nghiệm Viện Khoa học Vật liệu.

  • Phương pháp chế tạo:

    • Chế tạo SiNW bằng phương pháp ăn mòn hóa học có trợ giúp kim loại (MACE) với dung dịch HF 4.02M, kiểm soát chiều dài SiNW qua thời gian ăn mòn (1-60 phút).
    • Biến tính graphen bằng phương pháp hóa học sử dụng hỗn hợp axit HNO3/H2SO4 (tỷ lệ 1:3) để gắn nhóm COOH lên bề mặt.
    • Chế tạo hỗn hợp PEDOT:PSS/graphen bằng phương pháp rung siêu âm và phủ lên SiNW bằng kỹ thuật spin-coating.
    • Tạo điện cực Ag và Al bằng phương pháp phún xạ.

  • Phương pháp phân tích:

    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát cấu trúc bề mặt SiNW và màng PEDOT:PSS/graphen.
    • Phổ Raman và FTIR để xác định cấu trúc và nhóm chức trên graphen.
    • Phổ UV-VIS để khảo sát tính chất quang học của màng.
    • Đo điện trở bằng phương pháp bốn mũi dò để xác định độ dẫn điện của màng.
    • Đặc trưng J-V và đo EQE để đánh giá hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời.

  • Cỡ mẫu và timeline: Các mẫu pin mặt trời được chế tạo với nhiều nồng độ graphen (0-0.7%) và chiều dài SiNW khác nhau (125 nm đến 2000 nm). Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2019-2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biến tính graphen:
    Phổ Raman cho thấy tỉ lệ ID/IG của graphen biến tính tăng lên 0.85 so với 0.71 của graphen gốc, chứng tỏ sự xuất hiện các nhóm chức và sai hỏng mạng do quá trình oxi hóa. Phổ FTIR xác nhận sự gắn nhóm COOH với các đỉnh đặc trưng tại 1725 cm⁻¹ (C=O) và 3434 cm⁻¹ (O-H).

  2. Tính chất màng PEDOT:PSS/graphen:
    Màng mỏng có độ dày khoảng 50 nm, độ truyền qua tại 550 nm giảm từ 86.2% (không có graphen) xuống còn khoảng 70% với 0.5% graphen. Độ dẫn điện của màng tăng lên tối đa 1.3×10³ S/m tại 0.5% graphen, sau đó giảm do hiện tượng kết đám.

  3. Ảnh hưởng của nồng độ graphen đến hiệu suất pin mặt trời:
    Pin mặt trời n-Si/PEDOT:PSS không có graphen đạt hiệu suất 3.69% với Jsc = 17 mA/cm², Voc = 0.40 V, FF = 52%. Khi thêm 0.5% graphen, hiệu suất tăng lên 4.36%, Jsc = 18 mA/cm², FF = 58%. Nồng độ graphen cao hơn làm giảm hiệu suất do giảm độ dẫn điện.

  4. Ảnh hưởng của chiều dài SiNW:
    Chiều dài SiNW tăng từ 125 nm đến 2000 nm làm giảm hệ số phản xạ từ 25% xuống còn khoảng 5%. Tuy nhiên, hiệu suất lượng tử ngoại (EQE) và hiệu suất pin đạt cực đại tại chiều dài 400 nm với EQE khoảng 50-55% và hiệu suất 8.16%. Chiều dài lớn hơn 800 nm gây tụ đám SiNW, làm giảm khả năng xâm nhập của PEDOT:PSS/graphen và tăng tái hợp hạt tải, giảm hiệu suất.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất chuyển đổi pin mặt trời được cải thiện rõ rệt nhờ sự kết hợp cấu trúc SiNW với lớp phủ PEDOT:PSS/graphen. SiNW tăng diện tích tiếp xúc và giảm phản xạ ánh sáng, trong khi graphen cải thiện độ dẫn điện và sự phân tán của polyme dẫn. Tuy nhiên, nồng độ graphen quá cao gây kết đám, làm giảm độ dẫn và hiệu suất.

Chiều dài SiNW là yếu tố quyết định cân bằng giữa khả năng giam giữ ánh sáng và vận chuyển hạt tải. Chiều dài 400 nm được xác định là tối ưu, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về pin mặt trời cấu trúc lai. Các biểu đồ hệ số phản xạ, EQE và đặc trưng J-V minh họa rõ xu hướng này.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về pin mặt trời lai SiNW/PEDOT:PSS và mở rộng thêm vai trò của graphen biến tính trong việc nâng cao hiệu suất và ổn định hóa vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thành phần graphen: Tiếp tục nghiên cứu vai trò của các nhóm chức trên graphen và ảnh hưởng của nồng độ, kích thước hạt graphen đến tính chất điện và quang của màng PEDOT:PSS/graphen nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi.

  2. Nâng cao độ dẫn điện của hỗn hợp PEDOT:PSS/graphen: Áp dụng các chất hoạt động bề mặt hoặc phương pháp xử lý bề mặt để giảm kết đám graphen, tăng khả năng phân tán đồng đều, cải thiện độ dẫn điện và độ bền của màng.

  3. Khảo sát độ bền và ổn định của pin mặt trời: Thực hiện các thử nghiệm về độ ổn định nhiệt, độ ẩm và thời gian sử dụng để đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của pin mặt trời cấu trúc lai SiNW/PEDOT:PSS/graphen.

  4. Phát triển cấu trúc pin mặt trời mới: Nghiên cứu ứng dụng chấm lượng tử graphen (GQD) và các vật liệu nano khác để tăng cường hiệu suất chuyển đổi, mở rộng phạm vi hấp thụ ánh sáng và giảm chi phí sản xuất.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tới, phối hợp giữa các nhóm nghiên cứu vật liệu và kỹ thuật chế tạo, nhằm hướng tới sản phẩm pin mặt trời hiệu suất cao, chi phí hợp lý và ứng dụng rộng rãi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và quang điện tử: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu SiNW, PEDOT:PSS và graphen biến tính, hỗ trợ phát triển các linh kiện quang điện tử thế hệ mới.

  2. Kỹ sư phát triển công nghệ pin mặt trời: Thông tin về quy trình chế tạo, tối ưu hóa cấu trúc lai và ảnh hưởng các tham số kỹ thuật giúp cải tiến sản phẩm pin mặt trời với hiệu suất và độ bền cao hơn.

  3. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Vật lý chất rắn, Vật liệu: Tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật phân tích vật liệu và ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

  4. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực năng lượng tái tạo: Cung cấp cơ sở khoa học và công nghệ để đánh giá tiềm năng phát triển pin mặt trời cấu trúc lai, hướng tới sản phẩm thương mại có giá thành cạnh tranh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn cấu trúc lai SiNW/PEDOT:PSS/graphen cho pin mặt trời?
    Cấu trúc lai kết hợp ưu điểm của SiNW tăng diện tích bề mặt và giảm phản xạ, PEDOT:PSS cung cấp lớp dẫn điện hữu cơ linh hoạt, còn graphen cải thiện độ dẫn điện và ổn định hóa học, giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi và giảm chi phí.

  2. Chiều dài SiNW ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất pin mặt trời?
    Chiều dài SiNW tối ưu là khoảng 400 nm, cân bằng giữa khả năng giam giữ ánh sáng và vận chuyển hạt tải. SiNW quá dài gây tụ đám, làm giảm hiệu suất do tăng tái hợp hạt tải và giảm diện tích tiếp xúc.

  3. Nồng độ graphen trong hỗn hợp PEDOT:PSS ảnh hưởng ra sao?
    Nồng độ graphen khoảng 0.5% là tối ưu, tăng độ dẫn điện và hiệu suất pin. Nồng độ cao hơn gây kết đám, giảm độ dẫn và hiệu suất chuyển đổi.

  4. Phương pháp chế tạo SiNW được sử dụng là gì?
    Sử dụng phương pháp ăn mòn hóa học có trợ giúp kim loại (MACE) với dung dịch HF 4.02M, đơn giản, chi phí thấp và dễ kiểm soát chiều dài SiNW qua thời gian ăn mòn.

  5. Hiệu suất chuyển đổi pin mặt trời đạt được là bao nhiêu?
    Pin mặt trời cấu trúc lai SiNW/PEDOT:PSS/graphen với SiNW dài 400 nm và 0.5% graphen đạt hiệu suất chuyển đổi cao nhất khoảng 8.16%, vượt trội so với pin không có graphen (3.69%).

Kết luận

  • SiNW được chế tạo bằng phương pháp ăn mòn hóa học với tốc độ khoảng 133 nm/phút, chiều dài có thể kiểm soát qua thời gian ăn mòn.
  • Nồng độ graphen 0.5% trong hỗn hợp PEDOT:PSS/graphen tối ưu cho hiệu suất chuyển đổi pin mặt trời.
  • Chiều dài SiNW 400 nm là điểm cân bằng tối ưu giữa hiệu ứng giam giữ ánh sáng và vận chuyển hạt tải, đạt hiệu suất chuyển đổi 8.16%.
  • Pin mặt trời cấu trúc lai SiNW/PEDOT:PSS/graphen có tiềm năng ứng dụng cao với chi phí thấp và hiệu suất cải thiện so với các thế hệ pin truyền thống.
  • Các bước nghiên cứu tiếp theo bao gồm nâng cao độ dẫn điện của hỗn hợp, khảo sát độ bền và phát triển cấu trúc mới với vật liệu nano tiên tiến.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới cho pin mặt trời cấu trúc lai tại Việt Nam, kêu gọi sự hợp tác nghiên cứu và đầu tư phát triển công nghệ năng lượng tái tạo bền vững.