Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng sạch và bền vững ngày càng tăng cao trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ pin mặt trời. Hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin mặt trời là chỉ số quan trọng đánh giá khả năng khai thác năng lượng mặt trời. Trong đó, pin mặt trời cấu trúc lai hữu cơ-vô cơ (OIH) đang được quan tâm nhờ sự kết hợp ưu điểm của vật liệu hữu cơ và vô cơ, giúp nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Tuy nhiên, việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi quang điện vẫn là thách thức lớn, đặc biệt khi ứng dụng các vật liệu nano tiên tiến như chấm lượng tử graphene (GQDs).

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo và đánh giá tính chất của pin mặt trời cấu trúc lai Silic/PEDOT:PSS/GQDs, với mục tiêu nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện thông qua việc bổ sung GQDs vào lớp polyme dẫn điện PEDOT:PSS. Phạm vi nghiên cứu bao gồm quá trình chế tạo vật liệu GQDs bằng phương pháp từ trên xuống kết hợp rung siêu âm, chế tạo pin mặt trời lai trên đế silic loại n, và khảo sát các tính chất vật liệu cũng như hiệu suất pin trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Đại học Thái Nguyên trong năm 2023.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo xanh, góp phần giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng GQDs trong công nghệ pin mặt trời lai, mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp năng lượng sạch tại Việt Nam và quốc tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết về pin mặt trời lai hữu cơ-vô cơ (OIH) và đặc tính vật liệu chấm lượng tử graphene (GQDs).

  1. Lý thuyết pin mặt trời lai OIH: Pin mặt trời OIH kết hợp vật liệu bán dẫn vô cơ (silic) với polyme dẫn điện hữu cơ (PEDOT:PSS), tạo thành tiếp giáp p-n giúp tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện. Các cấu trúc pin OIH phổ biến gồm dạng màng mỏng, hỗn hợp và cấu trúc trật tự, trong đó cấu trúc trật tự giúp tăng diện tích tiếp xúc và giảm điểm chết, nâng cao hiệu suất.

  2. Lý thuyết về GQDs: GQDs là các mảnh graphene kích thước nano (khoảng 20 nm trong nghiên cứu này), có đặc tính giam giữ lượng tử, phát quang mạnh và khả năng điều chỉnh độ rộng vùng cấm năng lượng. GQDs có thể cải thiện hiệu suất pin mặt trời nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng rộng, truyền dẫn điện tử hiệu quả và tăng cường vận chuyển lỗ trống trong lớp polyme dẫn.

Các khái niệm chính bao gồm: hiệu suất chuyển đổi quang điện (PCE), mật độ dòng điện ngắn mạch (Jsc), điện áp hở mạch (Voc), hệ số lấp đầy (FF), và các đặc tính quang học, điện học của GQDs như phổ hấp thụ UV-Vis, phổ phát quang (PL), và điện trở bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp thực nghiệm với cỡ mẫu gồm các tấm silic loại n và các mẫu vật liệu GQDs chế tạo từ graphene oxide (GO). Phương pháp chọn mẫu là kỹ thuật chế tạo vật liệu từ trên xuống (top-down) kết hợp rung siêu âm đầu dò trong môi trường chất khử hydrazine (N2H4) để thu được GQDs kích thước khoảng 20 nm.

Quy trình nghiên cứu gồm:

  • Chế tạo GO từ bột graphit bằng phương pháp bóc tách hóa học Hummer.
  • Giảm kích thước GO thành GQDs bằng rung siêu âm trong dung dịch axit và chất khử.
  • Pha trộn GQDs với dung dịch PEDOT:PSS để tạo hỗn hợp phủ lên đế silic.
  • Chế tạo pin mặt trời cấu trúc lai Si/PEDOT:PSS/GQDs bằng kỹ thuật spin-coating và phún xạ điện cực.
  • Khảo sát hình thái, cấu trúc và tính chất vật liệu bằng SEM, AFM, FTIR, Raman, UV-Vis, PL.
  • Đo đặc tính điện và hiệu suất pin mặt trời bằng phương pháp bốn mũi dò và đặc trưng J-V sử dụng thiết bị Keithley 2400.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2023, thực hiện tại Đại học Thái Nguyên và phối hợp với Viện Khoa học Vật liệu Nhật Bản.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo thành công vật liệu GQDs kích thước khoảng 20 nm: Ảnh SEM và AFM cho thấy kích thước tấm graphene oxide giảm từ vài micromet xuống còn khoảng 20 nm sau quá trình rung siêu âm và xử lý hóa học. Độ dày của GQDs duy trì khoảng 1-2 nm, tương đương 5-10 lớp graphene xếp chồng.

  2. Đặc tính hóa học và cấu trúc của GQDs: Phổ FTIR cho thấy sự giảm cường độ các nhóm chức oxy hóa như C=O và O-H sau khi khử, nhưng vẫn giữ lại nhóm axit cacboxyl ở rìa tấm. Phổ Raman xác nhận cấu trúc graphene với các đỉnh đặc trưng D và G, cho thấy sự tồn tại của khuyết tật bề mặt và cấu trúc nano.

  3. Ảnh hưởng của GQDs đến tính chất điện và quang của màng PEDOT:PSS: Việc bổ sung GQDs làm giảm điện trở bề mặt và tăng độ truyền quang của màng, hỗ trợ vận chuyển điện tử hiệu quả hơn. Mật độ dòng điện ngắn mạch (Jsc) của pin mặt trời tăng từ 32,11 mA/cm² lên 36,26 mA/cm² khi thêm GQDs, tương ứng với hiệu suất chuyển đổi quang điện (PCE) tăng từ 11,5% lên 13,22%.

  4. Hiệu suất pin mặt trời cấu trúc lai Si/PEDOT:PSS/GQDs được cải thiện rõ rệt: So với pin không có GQDs, pin có GQDs đạt hiệu suất cao hơn khoảng 15%, cho thấy vai trò quan trọng của GQDs trong việc tăng cường hấp thụ ánh sáng và vận chuyển điện tích.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất là do GQDs tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng UV và khả năng truyền dẫn lỗ trống hiệu quả trong lớp PEDOT:PSS, giảm thiểu tái hợp điện tử. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ứng dụng GQDs trong pin mặt trời lai, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng GQDs trong cấu trúc pin mặt trời lai tại Việt Nam.

Biểu đồ so sánh đặc tính J-V và phổ EQE minh họa rõ sự gia tăng mật độ dòng điện và hiệu suất chuyển đổi khi có GQDs. Bảng tổng hợp các thông số điện như Jsc, Voc, FF và PCE cho thấy sự cải thiện đồng đều trên các chỉ số này.

Kết quả cũng cho thấy phương pháp chế tạo GQDs từ GO bằng rung siêu âm và xử lý hóa học là hiệu quả, tạo ra vật liệu có kích thước và tính chất phù hợp cho ứng dụng pin mặt trời. Việc duy trì các nhóm chức năng trên bề mặt GQDs giúp tăng khả năng tương tác với PEDOT:PSS, cải thiện tính chất điện và quang học của màng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nghiên cứu tối ưu hàm lượng GQDs trong lớp PEDOT:PSS để đạt hiệu suất chuyển đổi cao hơn, với mục tiêu nâng PCE lên trên 15% trong vòng 2 năm tới. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu tại các trường đại học và viện nghiên cứu vật liệu.

  2. Phát triển quy trình sản xuất GQDs quy mô lớn, ổn định nhằm giảm chi phí và tăng tính khả thi ứng dụng công nghiệp. Thời gian thực hiện dự kiến 3-5 năm, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Khảo sát tính ổn định lâu dài của pin mặt trời cấu trúc lai có GQDs dưới điều kiện môi trường thực tế để đảm bảo độ bền và hiệu suất ổn định. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu năng lượng tái tạo.

  4. Mở rộng ứng dụng GQDs trong các loại pin mặt trời khác như perovskite, DSSC để tận dụng đặc tính quang điện ưu việt của GQDs, hướng tới đa dạng hóa sản phẩm năng lượng sạch. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm, do các nhóm nghiên cứu chuyên sâu về pin mặt trời thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành vật liệu và quang học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về chế tạo và ứng dụng GQDs trong pin mặt trời lai, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Doanh nghiệp công nghệ năng lượng tái tạo: Tham khảo để ứng dụng công nghệ GQDs nâng cao hiệu suất pin mặt trời, giảm chi phí sản xuất và cải thiện sản phẩm.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các chương trình hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng năng lượng sạch tại Việt Nam.

  4. Các viện nghiên cứu vật liệu nano và công nghệ quang điện: Tài liệu tham khảo để phát triển các dự án hợp tác quốc tế về vật liệu nano và pin mặt trời thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. GQDs là gì và tại sao lại quan trọng trong pin mặt trời?
    GQDs là chấm lượng tử graphene kích thước nano, có khả năng điều chỉnh độ rộng vùng cấm và đặc tính quang điện. Chúng giúp tăng cường hấp thụ ánh sáng và vận chuyển điện tích, nâng cao hiệu suất pin mặt trời.

  2. Phương pháp chế tạo GQDs trong nghiên cứu này là gì?
    GQDs được chế tạo bằng phương pháp từ trên xuống, sử dụng rung siêu âm đầu dò trong môi trường axit và chất khử hydrazine, giúp giảm kích thước GO xuống khoảng 20 nm.

  3. Hiệu suất pin mặt trời có cải thiện như thế nào khi thêm GQDs?
    Hiệu suất chuyển đổi quang điện tăng từ 11,5% lên 13,22%, mật độ dòng điện ngắn mạch tăng khoảng 13%, cho thấy sự cải thiện đáng kể nhờ GQDs.

  4. Các kỹ thuật nào được sử dụng để khảo sát tính chất vật liệu?
    Nghiên cứu sử dụng SEM, AFM để quan sát hình thái; FTIR và Raman để phân tích cấu trúc hóa học; UV-Vis và PL để khảo sát tính chất quang học; phương pháp bốn mũi dò và đặc trưng J-V để đo tính chất điện và hiệu suất pin.

  5. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này là gì?
    Nghiên cứu mở ra hướng phát triển pin mặt trời lai hiệu suất cao, chi phí thấp, thân thiện môi trường, góp phần thúc đẩy ngành năng lượng tái tạo và công nghiệp vật liệu nano tại Việt Nam.

Kết luận

  • Chế tạo thành công vật liệu GQDs kích thước khoảng 20 nm từ graphene oxide bằng phương pháp rung siêu âm và xử lý hóa học.
  • Bổ sung GQDs vào lớp PEDOT:PSS làm tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin mặt trời cấu trúc lai Si/PEDOT:PSS/GQDs lên 13,22%, cao hơn 15% so với pin không có GQDs.
  • Các phương pháp khảo sát vật liệu như SEM, AFM, FTIR, Raman, UV-Vis và PL xác nhận tính chất vật liệu phù hợp cho ứng dụng pin mặt trời.
  • Nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ pin mặt trời lai hữu cơ-vô cơ với vật liệu nano tiên tiến, hướng tới năng lượng sạch và bền vững.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu hàm lượng GQDs, mở rộng quy mô sản xuất và khảo sát tính ổn định lâu dài để ứng dụng thực tế.

Luận văn khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp tiếp tục đầu tư phát triển công nghệ pin mặt trời lai sử dụng GQDs nhằm nâng cao hiệu quả và giảm chi phí năng lượng tái tạo.