Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ pin mặt trời hữu cơ (Organic Solar Cells - OSCs), polymer liên hợp đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng (Power Conversion Efficiency - PCE). Theo ước tính, hiệu suất PCE của các OSCs đã đạt khoảng 17-18% trên thế giới, mở ra nhiều triển vọng ứng dụng thực tiễn. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa cấu trúc polymer để mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và điều chỉnh mức năng lượng HOMO-LUMO vẫn là thách thức lớn. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và khảo sát các polymer terpolymer donor-acceptor (D-A) dựa trên các monomer diketopyrrolopyrrole (DPP), benzo[c][1,2,5]thiadiazole (BTD), thieno[3,4-c]pyrrole-4,6(5H)-dione (TPD) và dithieno[3,2-b:2',3'-d]pyrrole (DTP) nhằm cải thiện hiệu suất pin mặt trời hữu cơ.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là thiết kế, tổng hợp các terpolymer ngẫu nhiên (random terpolymer) với cấu trúc 1D2A (1 donor - 2 acceptor) gồm hai loại terpolymer DTP-TPDDPP và DTP-TPDBTD, đồng thời đánh giá các tính chất quang, nhiệt và điện hóa của chúng. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2021. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu polymer cho pin mặt trời hữu cơ, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của thiết bị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết polymer liên hợp donor-acceptor (D-A) và terpolymer, trong đó:

  • Lý thuyết donor-acceptor (D-A): Polymer được cấu tạo từ các đơn vị donor giàu electron và acceptor nghèo electron, tạo nên sự chuyển giao điện tử nội phân tử (Intramolecular Charge Transfer - ICT), giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và điều chỉnh bandgap. Mức năng lượng HOMO và LUMO của polymer được thiết kế phù hợp với vật liệu nhận electron như fullerene PCBM hoặc vật liệu không fullerene ITIC để tối ưu hiệu suất pin mặt trời.

  • Mô hình terpolymer 1D2A: Cấu trúc polymer gồm một đơn vị donor (DTP) và hai đơn vị acceptor (DPP, BTD hoặc TPD) được tổng hợp ngẫu nhiên nhằm tận dụng ưu điểm của từng monomer, đồng thời kiểm soát được các tính chất quang học và điện hóa.

  • Khái niệm chính:

    • Bandgap quang học: Khoảng cách năng lượng giữa mức HOMO và LUMO ảnh hưởng đến vùng hấp thụ ánh sáng.
    • Hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE): Thước đo hiệu quả chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng.
    • Phương pháp tổng hợp polymer Direct (Hetero) Arylation Polymerization (DHAP): Phương pháp tổng hợp polymer hiệu quả, tiết kiệm nguyên liệu và thân thiện môi trường, sử dụng xúc tác palladium.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các monomer DTP, DPP, BTD, TPD được tổng hợp và xác định cấu trúc bằng các kỹ thuật phổ như NMR, FT-IR, TLC.

  • Phương pháp tổng hợp: Hai terpolymer DTP-TPDDPP và DTP-TPDBTD được tổng hợp bằng phương pháp DHAP với xúc tác Fagnou, đảm bảo hiệu suất cao và độ tinh khiết polymer.

  • Phân tích tính chất:

    • Quang học: Sử dụng phổ UV-Vis để xác định vùng hấp thụ, phổ phát quang (PL) để đánh giá hiệu ứng ICT.
    • Nhiệt: Phân tích TGA và DSC để khảo sát tính ổn định nhiệt và chuyển pha.
    • Điện hóa: Phổ Cyclic Voltammetry (CV) để xác định mức năng lượng HOMO-LUMO.
    • Cấu trúc: Phân tích XRD để đánh giá sự sắp xếp phân tử và độ kết tinh.

  • Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích trong vòng 6 tháng, từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2021.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công hai terpolymer DTP-TPDDPP và DTP-TPDBTD với hiệu suất tổng hợp trên 85%, độ phân tử trung bình (Mn) đạt khoảng 30,000 - 40,000 g/mol, phân bố khối lượng phân tử (PDI) dưới 2.0, chứng tỏ quá trình DHAP hiệu quả và kiểm soát tốt.

  2. Vùng hấp thụ ánh sáng rộng từ 300 đến 900 nm với bandgap quang học hẹp khoảng 1.48 - 1.67 eV, cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời tốt, vượt trội so với các polymer D-A truyền thống có bandgap trên 1.7 eV.

  3. Mức năng lượng HOMO-LUMO phù hợp với vật liệu nhận electron PCBM và ITIC, với mức HOMO khoảng -5.3 eV và LUMO khoảng -3.6 eV, giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng và giảm tổn thất điện áp mở (Voc).

  4. Tính ổn định nhiệt cao, với nhiệt độ phân hủy trên 350°C và nhiệt độ chuyển pha phù hợp, đảm bảo độ bền của vật liệu trong điều kiện hoạt động pin mặt trời.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy việc kết hợp ba monomer trong cấu trúc terpolymer đã tạo ra sự cộng hưởng hiệu quả giữa các đơn vị donor và acceptor, mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và điều chỉnh bandgap phù hợp. So với các nghiên cứu trước đây về polymer D-A hai thành phần, terpolymer 1D2A thể hiện ưu thế vượt trội về khả năng hấp thụ ánh sáng và điều chỉnh mức năng lượng, từ đó nâng cao hiệu suất PCE của pin mặt trời hữu cơ.

Phổ UV-Vis và PL minh họa rõ ràng hiệu ứng ICT mạnh mẽ trong terpolymer, góp phần vào việc tăng cường khả năng thu nhận photon. Phổ CV và phân tích XRD cho thấy cấu trúc phân tử được sắp xếp hợp lý, hỗ trợ quá trình vận chuyển điện tử hiệu quả. Các biểu đồ so sánh bandgap và mức năng lượng HOMO-LUMO giữa terpolymer và các polymer D-A truyền thống có thể được trình bày để minh họa sự cải tiến rõ rệt.

Kết quả này phù hợp với các báo cáo quốc tế về terpolymer trong pin mặt trời hữu cơ, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu mới cho vật liệu polymer tại Việt Nam, góp phần phát triển công nghệ năng lượng tái tạo bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tiếp tục tối ưu hóa cấu trúc terpolymer bằng cách điều chỉnh tỷ lệ các monomer donor và acceptor nhằm nâng cao hiệu suất PCE lên trên 10% trong vòng 1-2 năm tới, do nhóm nghiên cứu polymer và vật liệu hữu cơ thực hiện.

  2. Phát triển quy trình tổng hợp DHAP quy mô lớn với chi phí thấp và thân thiện môi trường, nhằm phục vụ sản xuất công nghiệp trong 3 năm tới, phối hợp với các phòng thí nghiệm và doanh nghiệp hóa chất.

  3. Nghiên cứu tích hợp terpolymer vào cấu trúc pin mặt trời đa lớp (tandem hoặc ternary cells) để tận dụng tối đa phổ ánh sáng, dự kiến nâng cao hiệu suất lên 15-20% trong 5 năm, hợp tác với các viện nghiên cứu năng lượng và công ty sản xuất pin.

  4. Khảo sát tính ổn định lâu dài của terpolymer trong điều kiện thực tế như nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng mặt trời, nhằm đảm bảo độ bền thiết bị trên 10 năm, do các trung tâm kiểm định và nhóm nghiên cứu vật liệu thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và phát triển vật liệu polymer: Có thể áp dụng phương pháp tổng hợp DHAP và cấu trúc terpolymer để thiết kế vật liệu mới cho pin mặt trời và các thiết bị điện tử hữu cơ.

  2. Doanh nghiệp sản xuất pin mặt trời hữu cơ: Tham khảo để cải tiến vật liệu donor, nâng cao hiệu suất và độ bền sản phẩm, giảm chi phí sản xuất.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật vật liệu, hóa học: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo về kỹ thuật tổng hợp polymer, phân tích tính chất vật liệu và ứng dụng trong năng lượng tái tạo.

  4. Các tổ chức nghiên cứu năng lượng tái tạo: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển công nghệ pin mặt trời hữu cơ phù hợp với điều kiện khí hậu và thị trường Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Terpolymer là gì và ưu điểm so với copolymer?
    Terpolymer là polymer gồm ba loại monomer khác nhau, giúp điều chỉnh linh hoạt các tính chất quang, điện và cơ học. So với copolymer hai thành phần, terpolymer mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng và tối ưu hóa mức năng lượng HOMO-LUMO, nâng cao hiệu suất pin mặt trời.

  2. Phương pháp DHAP có ưu điểm gì trong tổng hợp polymer?
    DHAP sử dụng xúc tác palladium để trực tiếp nối các monomer mà không cần tiền xử lý phức tạp, tiết kiệm nguyên liệu, giảm chất thải và chi phí, đồng thời tạo ra polymer có độ tinh khiết cao và kiểm soát tốt cấu trúc.

  3. Các terpolymer DTP-TPDDPP và DTP-TPDBTD có thể ứng dụng trong pin mặt trời như thế nào?
    Hai terpolymer này có vùng hấp thụ rộng và bandgap hẹp, phù hợp làm vật liệu donor trong cấu trúc active layer của pin mặt trời hữu cơ, giúp tăng cường thu nhận ánh sáng và hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

  4. Làm thế nào để đánh giá hiệu suất của polymer trong pin mặt trời?
    Hiệu suất được đánh giá qua các thông số như PCE, dòng điện ngắn mạch (Jsc), điện áp mở mạch (Voc) và hệ số điền (FF), được đo trên thiết bị pin mặt trời chế tạo từ polymer đó.

  5. Nghiên cứu này có thể mở rộng ứng dụng nào khác ngoài pin mặt trời?
    Polymer liên hợp donor-acceptor còn được ứng dụng trong transistor màng mỏng hữu cơ (OTFT), diode phát quang hữu cơ (OLED), cảm biến và các thiết bị điện tử mềm khác nhờ tính linh hoạt và khả năng điều chỉnh tính chất điện tử.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công hai terpolymer DTP-TPDDPP và DTP-TPDBTD bằng phương pháp DHAP với hiệu suất cao và kiểm soát tốt cấu trúc phân tử.
  • Các terpolymer có vùng hấp thụ ánh sáng rộng (300-900 nm) và bandgap hẹp (~1.48-1.67 eV), phù hợp làm vật liệu donor trong pin mặt trời hữu cơ.
  • Mức năng lượng HOMO-LUMO tương thích với vật liệu nhận electron PCBM và ITIC, giúp tối ưu hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
  • Tính ổn định nhiệt cao đảm bảo độ bền vật liệu trong điều kiện hoạt động thực tế.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu polymer terpolymer cho pin mặt trời hữu cơ tại Việt Nam, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn, tích hợp terpolymer vào cấu trúc pin mặt trời đa lớp và khảo sát tính ổn định lâu dài. Để biết thêm chi tiết và hợp tác nghiên cứu, vui lòng liên hệ nhóm tác giả tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.