Chương 1 đưa ra những nguyên nhân, nhu cầu và ưu điểm của pin mặt trời hữu cơ đồng thời nêu rõ vai trò của lớp đệm trong việc cải thiện hiệu suất của pin. Chương 2 đề cập đến nguyên lý truyền dẫn hạt tải trong vật liệu bán dẫn hữu cơ và trong pin mặt trời cấu trúc dị chuyển tiếp khối cũng như các thông số đặc trưng của pin và đường đặc trưng dòng thế. Chương 3 mô tả chi tiết hơn về vai trò của lớp đệm, phân loại lớp đệm và vật liệu sử dụng làm lớp đệm. Chương 4 đưa ra mô hình mô phỏng pin mặt trời hữu cơ dựa trên mô hình một diode và mô hình mô phỏng quá trình truyền dẫn hạt tải của vật liệu bán dẫn hữu cơ dựa trên phương pháp Monte Carlo.
Chương 5 là chương kết quả của phương pháp mô phỏng và thảo luận theo sau là phần kết luận, tóm tắt lại những kết quả chung đã đạt được. 1 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chƣơng 1. Năng lƣợng và sự nóng lên toàn cầu Tế bào quang điện - PVs và đặc biệt là tế bào quang điện hữu cơ - OPVs là một trong những lĩnh vực nghiên cứu hỗ trỡ xã hội. Lĩnh vực này dựa trên những công nghệ tạo ra nguồn năng lượng điện mới bằng việc chuyển đổi ánh sáng thành điện năng.
Ngoài năng lượng gió, pin mặt trời là một lĩnh vực hứa hẹn nhất trong số các nguồn năng lượng tái tạo vì tiềm năng to lớn của nó. Tiềm năng về việc chuyển đổi năng lượng mặt trời cũng rất lớn và một ướng tính cho thấy một vùng nhỏ hơn 6% của sa mạc Sahara cũng đủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới. Hiện tại thì năng lượng được cung cấp chủ yếu bởi dầu mỏ ước tính hơn 80% tổng năng lượng hình 1. Có hai vấn đề chính của việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Thứ nhất, các nguồn tài nguyên hóa thạch bị giới hạn và sự phân bố của nó trên trái đất là mất cân bằng. Thứ hai, đốt cháy nhiên liệu hóa thạch làm phát sinh khí CO2 là nguyên nhân của sự nóng lên của trái đất bởi vì CO2 đóng vai trò như là một khí gây ra hiệu ứng nhà kính. Hiệu ứng nhà kính là do khí quyển phản xạ tia hồng ngoại (bức xạ nhiệt) trở lại trái đất. Hiệu ứng này rất cần thiết cho sự sống trên trái đất bởi vì bức xạ làm cân bằng giữa mặt trời, khí quyển và bề mặt trái đất mang lại một nhiệt độ trung bình trên bề mặt trái đất là 14 0C.
Nếu không có hiệu ứng này nhiệt độ bề mặt trái đất sẽ là -15 0C [55]. Đầu thế kỷ này, nồng độ khí hiệu ứng nhà kính đang tăng lên trong bầu khí quyển làm mất sự cân bằng này và nhiệt độ trái đất cao hơn, chúng ta có thể quan sát trong vài thập kỷ vừa qua hình 1.1: Nhu cầu năng lượng của các vùng (1 Mtoe = 42 PJ) (a) và sự ảnh hưởng khí CO2 lên nhiệt độ Trái đất (b) qua các năm 2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Sự ảnh hưởng của sự nóng lên toàn cầu là rất nghiêm trọng và hầu quả tiềm tàng là sự dâng lên của mực nước biển. Hơn nữa, sa mạc hóa và thiếu nước có khả năng làm sụp đổ toàn bộ hệ sinh thái, biến đổi dòng hải lưu làm mất cân bằng sự sống tự nhiên. Chính vì những mối nguy cơ trên, các nhà khoa học đã đi tìm các giải pháp nhằm giảm thiểu khí thải gây hiệu ứng nhà kính.
Do đó, giải pháp sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo thu hút được các nhà khoa học, trong đó lĩnh vực pin mặt trời có sự bùng nổ to lớn [12]. Sự đóng góp của nguồn năng lượng này đang ngày một tăng trong tổng nhu cầu năng lượng thế giới. Hiện nay các nước phát triển đã sử dụng các nhà máy điện mặt trời để đóng góp vào năng lượng lượng quốc gia như Mỹ, Đức, Nhật Bản, Trung Quốc. Tại việt nam, chúng ta cũng đã có hai nhà máy điện mặt trời đang trong quá trình xây dựng tại Quảng Ngãi và Bình Thuận.
Sự phát triển của tế bào quang điện và quang điện hữu cơ Năm 1953, pin mặt trời silic đầu tiên đạt được hiệu suất khoảng 4 % được chế tạo tại phòng thí nghiệm Bell sau khi khám phá ra chuyển tiếp p-n sáu năm sau bởi William B. Brattain và John Bardeen. Năm năm sau module pin mặt trời đầu tiên được chế tạo làm nguồn năng lượng cho tàu không gian. Vào năm 1960, các modul thương mại đã được sản xuất và đạt hiệu suất 14 %.
Các modul này chủ yếu sử dụng làm nguồn cung cấp cho các hệ viễn thông. Những năm đầu phát triển của nguồn năng lượng này là rất tốn kém với ước lượng khoảng 100 EUR/W. Tuy nhiên, những năm gần đây giá cả của nguồn năng lượng này đã giảm và có thể phát triển rộng dãi trên toàn thế giới. Ví dụ như giá của một module năng lượng mặt trời từ 3 USD/W năm 2008 (giá của một module năng lượng mặt trời để tạo ra 1W năng lượng dưới mật độ chiếu sáng 1 sun) xuống khoảng 0.
Những nghiên cứu đầu tiên về tính chất điện tử của vật liệu hữu cơ là trên enthracene diễn ra vào những năm đầu thế kỷ 20. Đầu những năm thập niên 70, polymer dẫn đã được khám phá [10]. MacDiarmid và Hideki Shirakawa đã nhận giải Nobel về hóa học vào năm 2000 cho những đóng góp vào sự phát triển của polymer dẫn. Dòng quang điện được quan sát thấy lần đầu tiên là ở anthracene bởi Kalman và Pope vào năm 1959.
Sau đó hai thập niên, một vài linh kiện quang điện hữu cơ đã công bố. Chúng được cấu tạo từ chuyển tiếp kim loại-hữu cơ với hiệu suất thấp hơn 0. Bước đột phá đầu tiên cho việc áp dụng bán dẫn hữu cơ vào pin mặt trời là của Ching Tang người đã công bố một pin mặt trời donor-acceptor với hiệu suất thấp hơn 1 % [48]. Tế bào pin mặt trời của Tang cấu tạo từ một chuyển 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com tiếp của hai vật liệu khác nhau với một lớp nhận điện tử và một lớp là truyền tải lỗ trống (perylene tetracarboxylic derivative và copper phthalocyanine).
Bước đột phá thứ hai là sự phát minh ra cấu trúc dị chuyển tiếp khối bằng việc trộn hai vật liệu có tính chất điện khác nhau được chế tạo bằng cách lắng đọng đồng thời hai vật liệu này. Sau những thành tựu này số lượng công bố đã tăng theo cấp số nhân trong thập kỷ trước. Hiệu suất chuyển đổi quang điện đã đạt được trên [16; 17; 19; 36; 59- 62; 64]. Lý do cho những thành công này là vì những tiềm năng ứng dụng to lớn của vật liệu bán dẫn hữu cơ mang lại [2; 27; 30].2: Số lượng công bố về PMT hữu cơ qua các năm (a) và hiệu suất PMT hữu cơ tăng qua các năm (b) Những ưu điểm chính của pin mặt trời hữu cơ: Chi phí sản xuất rẻ vì nó có thể chế tạo bằng kỹ thuật cuộn hoặc lắng đọng phân tử ở nhiệt độ thấp [3; 4].
Có cơ tính linh hoạt và hiệu năng cao. Không độc hại, vật liệu phong phú, nhẹ (vài gam trên m2). Ứng dụng trong các thiết bị di động. Khi chế tạo không qua các bước tinh chế.
Ngoài các ưu điểm như trên thì công nghệ pin mặt trời cũng gặp không ít khó khăn vì phải cạnh tranh với công nghệ bán dẫn vô cơ. Như đã nói ở trên, chi phí của công nghệ bán dẫn silic đã giảm đáng kể trong thập kỷ vừa qua. Hơn nữa sự phát triển của công nghệ màng mỏng đã phần nào ảnh hưởng đến lợi thế của pin mặt trời hữu cơ. Mặc dù những modul đầu tiên của pin mặt trời hữu cơ đã được sản suất nhưng bản 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com chất vật lý của các linh kiện này thật khó để hiểu hoàn toàn chính xác.
Hơn nữa, yêu cầu về hiệu suất của linh kiện tăng lên và chi phí sản suất phải giảm để có thể cạnh tranh được với bán dẫn vô cơ. Các nhà khoa học đưa ra nhiều phương pháp để cải thiện được hiệu suất pin mặt trời hữu cơ [18]. Thứ nhất, tìm cách cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng của linh kiện bằng cách bẫy ánh sáng hoặc giảm độ rộng vùng cấm lớp hoạt quang xuống. Cùng với đó là phương pháp gia công bề mặt vật liệu để cải thiện tính chất truyền dẫn hạt tải cũng được nhiều nhà khoa học chú ý.
Trong đó, phương pháp sử dụng lớp đệm xen giữa điện cực và lớp hoạt quang để cải thiện khả năng phân tách và truyền hạt tải đã mang lại những kết quả đáng kể. Việc sử dụng lớp đệm bắt nguồn từ những ảnh hưởng xấu của điện cực mang lại. Vai trò chủ yếu của điện cực trong pin quang điện là phân tách và lựa chọn hạt tải. Tuy nhiên, do sự chênh lệch thế làm việc giữa anode với mức HOMO của vật liệu donor và giữa thế làm việc cathode với mức LUMO của vật liệu acceptor đã tạo ra một rào thế ngăn cản sự di chuyển của hạt tải.
Do vậy, sử dụng lớp đệm phù hợp sẽ cải thiện khả năng truyền dẫn hạt tải và ngăn chặn các hạt tải không phù hợp tới điện cực làm mất mát dòng quang. Có nhiều vật liệu sử dụng làm lớp đệm như ZnO, TiO2, ReO3, MoO3, V2O5, WO3. Trong đó, vật liệu ZnO, NiO, MoO3 và TiO2 được sử dụng nhiều nhất [6; 11; 25; 32; 37; 56]. Ở nước ta các kết quả về việc nghiên cứu lớp đệm ứng dụng pin mặt trời hữu cơ cũng đạt được một số kết quả.
Trong đó, kết quả nổi bật nhất là của nhóm nghiên cứu của giáo sư Nguyễn Năng Định tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội chế tạo thành công lớp đệm ZnO ứng dụng vào pin mặt trời hữu cơ [51]. Ngoài ra nhóm cũng đạt được nhiều kết quả về nâng cao hiệu suất của pin mặt trời hữu cơ [49; 50; 52]. Các kết quả thực nghiệm đã cho thấy khả năng cải thiện hiệu suất của pin bằng việc sử dụng lớp đệm. Tuy nhiên, để giải thích các quá trình vật lý của chúng thì cần phải có những nghiên cứu sâu sắc hơn.
Do đó, trong vài năm gần đây những kỹ thuật mô phỏng trở nên quan trọng. Tuy nhiên, thường thì các kết quả tiên đoán vẫn còn cách khá xa với thực nghiệm.