Công nghệ nano và ứng dụng pin mặt trời hữu cơ

Công nghệ nano và ứng dụng pin mặt trời hữu cơ Công nghệ nano và ứng dụng pin mặt trời hữu cơ Công nghệ nano và ứng dụng pin mặt trời hữu cơ Công nghệ nano và ứng dụng pin mặt trời hữu cơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI:PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ HỌC PHẦN: SEMINAR VÀ THẢO LUẬN NHĨM VỀ CƠNG NGHỆ NANO VÀ ỨNG DỤNG GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:TS.Nguyễn Đình Lãm TS.Vũ Thị Thao SINH VIÊN THỰC HIỆN MSSV Lớp Email : Nguyễn Mạnh : 17021415 : K62-E Hùng : hung19091211@gmail.com MỤC LỤC Lý lựa chọn đề tài Chương I Tổng Quan Về Pin Mặt Trời hữu 1.Lịch sử pin mặt trời hữu 2.Sự khác pin mặt trời vô hữu Chương II: Nguyên lý hoạt động - Cấu trúc 1.Nguyên lý hoạt động .8 Quá trình chuyển hóa quang thành điện bao gồm bước sau: .8 2.Cấu trúc vùng lượng 3.Cấu trúc pin mặt trời hữu .10 3.1.Tấm đế (substrate) 11 3.2.Lớp anode (phải suốt) 11 3.3 Lớp truyền lỗ trống 11 3.4 Lớp truyền điện tử 11 3.5.Lớp quang hoạt 12 3.6 Lớp cathode 12 2.Vật liệu polymer dẫn pin mặt trời hữu 12 2.1.Định nghĩa 12 2.3.MEH-PPV 13 2.4.Vật liệu chế tạo lớp TCO (Transparent conducting oxides) 14 CHƯƠNG III.Chế tạo pin mặt trời hữu 14 3.1.Phương pháp chung 14 3.2.Công nghệ chế tạo màng polymer dẫn P3HT/PCBM phương pháp phủ quay - ứng dụng PIN mặt trời dị hữu cơ: 15 3.2.1.VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP .16 4.Pin mặt trời hữu làm từ rau cải ( thực vật ) 18 4.1.Sơ lược protein quang hợp PS1 thực vật .18 4.2.Nguyên tắc hoạt động pin mặt trời sinh học sử dụng PS119 4.3.Phương án nhà khoa học Valderbilt 20 4.4 Kết 21 Các yếu tố góp phần vào việc tăng hiệu suất pin mặt trời hữu tóm tắt sau: 21 CHƯƠNG IV.ỨNG DỤNG 23 KẾT LUẬN 24 Tài liệu tham khảo .24 Lý lựa chọn đề tài Pin mặt trời hữu có nhiều ưu điểm; chúng linh hoạt, in được, trọng lượng nhẹ chi phí thấp, thiết kế hợp tính thẩm mỹ Các tế bào lượng mặt trời hữu in gắn vào mái nhà, cửa sổ tường nhà tòa nhà Sự đa dạng vật liệu hữu tổng hợp chiếm ưu vật liệu vô Một trách nhiệm nhà khoa học giúp phát triển cách thức mà tạo lượng, giành quyền kiểm soát nguồn lượng dầu mỏ lý dẫn đến xung đột quốc gia Ngày nay, pin mặt trời silicon thương mại hóa trở thành nguồn điện thiếu Tuy nhiên, giá điện sản xuất từ pin mặt trời silicon cao giá điện sản xuất từ dầu mỏ Để tăng sản xuất lượng từ pin mặt trời, giá điện sản xuất từ pin mặt trời cần phải thấp giá điện sản xuất từ dầu mỏ Pin mặt trời hữu có tiềm trở thành phần hệ pin mặt trời giá rẻ Hiệu suất chuyển đổi lượng pin mặt trời hữu tăng mạnh vào khoảng năm 2000, cho thấy công nghệ cần thiết để đưa chúng lên mức thương mại thiết lập vào khoảng năm 2020, có tính đến ví dụ thiết bị phát quang điện hữu mà đột phá khoa học thực vào năm 1987 thương mại hóa xảy vào khoảng năm 2010 Hiện nay, vào năm 2015, hiệu suất chuyển đổi lượng pin mặt trời hữu đạt 12% Pin mặt trời hữu có nhiều ưu điểm; chúng linh hoạt, in được, trọng lượng nhẹ chi phí thấp, thiết kế hợp thời trang chế tạo cách cuộn sang cuộn, v.v Các tế bào lượng mặt trời hữu in gắn vào mái nhà, cửa sổ tường nhà tịa nhà Có thể chế tạo tô bọc pin mặt trời hữu in màu Hơn nữa, chúng thích hợp để xây dựng nhà máy điện mặt trời khơng gian, trọng lượng nhẹ chúng cho phép chúng dễ dàng đưa vào quỹ đạo Trong phần này, lịch sử, nguyên tắc tiến gần pin mặt trời hữu tóm tắt Có thể chế tạo tơ bọc pin mặt trời hữu in màu Hơn nữa, chúng thích hợp để xây dựng nhà máy điện mặt trời khơng gian, trọng lượng nhẹ chúng cho phép chúng dễ dàng đưa vào quỹ đạo Năng lượng tái tạo tạo pin mặt trời giải pháp tiềm cho vấn đề trì nguồn cung cấp lượng chúng nghiên cứu chuyên sâu khoảng nửa kỷ Chương I Tổng Quan Về Pin Mặt Trời hữu Yếu tố thiết yếu pin mặt trời hữu tồn exciton, tức cặp electron-lỗ trống liên kết chặt chẽ Để tạo hiệu sóng mang quang từ exciton, người ta sử dụng nhạy cảm chất cho-nhận Fullerenes hoạt động chất nhận sử dụng pin mặt trời hữu Vì chiều dài khuếch tán exciton nhỏ, điểm nối hỗn hợp sử dụng Việc hình thành lộ trình cho điện tử lỗ trống tạo quang tới điện cực tương ứng cách tách pha cần thiết cho mối nối hỗn hợp hữu Độ lớn hiệu điện thu được xác định khác biệt quỹ đạo phân tử khơng bị chiếm đóng thấp ( LUMO ) phân tử chất nhận quỹ đạo phân tử bị chiếm dụng cao ( HOMO ) phân tử cho Việc sử dụng tế bào song song có hiệu việc tăng hiệu suất chuyển đổi lượng Ngày nay, hiệu suất chuyển đổi điện pin mặt trời hữu đạt 12 % Đối với màng bán dẫn hữu sử dụng pin mặt trời hữu cơ, màng phân tử nhỏ lắng đọng q trình bay chân khơng khơ màng polyme lắng đọng trình ướt lớp phủ spin sử dụng 1.Lịch sử pin mặt trời hữu Pin mặt trời hữu chế tạo Calvin vào năm 1958 (Hình 1) Trong thời gian dài, màng đơn chất bán dẫn hữu phân tử nhỏ lắng đọng bay chân không sử dụng Chất bán dẫn hữu điển hình phthalocyanines merocyanine Hầu hết màng bán dẫn hữu có đặc điểm loại p phân tử oxy từ khơng khí xung quanh, hoạt động chất nhận, chắn pha tạp chất màng Một dịng quang tạo điểm tiếp giáp Schottky màng hữu loại p kim loại có chức hoạt động thấp, chẳng hạn Al Tuy nhiên, giai đoạn đầu phát triển, pin mặt trời hữu có dịng quang, thường nhỏ vài micro-ampe Hình 1: Lịch sử pin mặt trời hữu Các bước đột phá định mũi tên Hiệu sau năm 2000 ( chấm ) vẽ theo biểu đồ NREL Các chấm màu xám vẽ theo thơng cáo báo chí gần Tế bào sở silicon cho ứng dụng màng mỏng có lợi to lớn tỷ lệ hấp thụ ánh sáng mặt trời tốt, độ rộng vùng cấm thích hợp cho ứng dụng quang điện, tuổi thọ dài cải thiện hiệu Nhưng trình tạo điện áp tế bào gốc silicon tẻ nhạt hết tốn cho thị trường thương mại Nghiên cứu chất thay cho silicon tiến hành thời gian với số vật liệu vô khác Copper Indium Gallium Selenium (Cu-In-Ga-Se) [6], Cadmium Sulfide (CdS) [7], Chì Cadmium Sulfide (PbCdS) Chúng ta chia cơng nghệ pin mặt trời thành ba tập hợp chung Chúng gọi hệ thứ nhất, thứ hai thứ ba công nghệ pin mặt trời thời gian gia nhập thị trường chủng loại Thế hệ bao gồm pin mặt trời silicon tinh thể (c-Si) thông thường Gallium Arsenide (GaAs) Thế hệ sản xuất hàng loạt vào cuối năm 1970 2 Sau đó, hệ thứ hai bao gồm Đồng Indium Gali Selenide màng mỏng ( CIGS ), Cadmium Telluride ( CdTe ), silicon vơ định hình (a-Si) Thế hệ lên hệ vào cuối năm 1970 Lý chúng gọi hệ thứ hai độ dày chúng đáng kể so với hệ Thế hệ bao gồm pin mặt trời dựa wafer Độ dày mỏng gần 160-200 micromet (µm) Trong độ dày pin mặt trời màng mỏng dao động từ vài nanomet (nm) đến hàng chục micromet Thế hệ thứ ba tạo thành từ tế bào quang điện hữu (OPV), pin mặt trời perovskite (PSC) pin mặt trời nhạy quang (DSSC) Lịch sử hệ trở lại năm năm 1990 Điểm vượt trội hệ tính linh hoạt chúng so với hệ khác 2.Sự khác pin mặt trời vô hữu Sự khác pin mặt trời vô pin mặt trời hữu chỗ vật liệu sử dụng để tạo thành chúng Dưới góc độ vật liệu, pin mặt trời hữu chia thành loại sau đây: Pin mặt trời hữu chất màu nhạy sáng (Dye-sensitized OSCs) Pin mặt trời phân tử (Molecular SCs) Pin mặt trời hữu cao phân tử (polymeric SCs) Pin mặt trời hữu tổ hợp (Mixed SCs) Chương II: Nguyên lý hoạt động - Cấu trúc 1.Nguyên lý hoạt động Q trình chuyển hóa quang thành điện bao gồm bước sau: Sự hấp thụ photon Sự hình thành khuếch tán Exciton Sự phân tách hạt tải vùng tiếp xúc bề mặt Sự vận chuyển hạt tải Sự thu hạt tải điện cực Hình 1.Nguyên lý phân ly exciton tách hạt tải pin mặt trời hữu heterojunction Trong pin mặt trời dùng vật liệu hữu cơ, nguyên tắc di chuyển điện tử từ polymer/phân tử cho điện tử (electron donor (D) – bán dẫn loại p) đến polymer/phân tử nhận điện tử (electron acceptor (A) – bán dẫn loại n) Sự di chuyển điện tử tạo thành dịng điện Điện tử bị quang tử kích thích nhảy lên trạng thái kích thích để lại lỗ trống (+);  Vì điện tử có điện tích âm (-) lỗ trống mang điện dương (+) tạo nên cặp âm-dương (-) (+), lỗ trống - điện tử (exciton) (hình 3), chúng liên kết với lực hút tĩnh điện;  Cặp (+)(-) phải tách rời để điện tử hoàn toàn tự lại tạo dòng điện Những quang tử đánh bật điện tử khỏi mạng vật liệu p tạo cặp âm dương (-) (+) (cặp điện tử - lỗ trống) Chỉ cặp gần vùng chuyển tiếp p-n (p-n junction) bị phân tách Sau phân tách, điện tử di động vật liệu n tiến đến cực dương lỗ trống (+) di động vật liệu p tiến đến cực âm (hình a) Dịng điện xuất Hình 2.Cơ chế chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện thiết bị pin mặt trời vô hữu 2.Cấu trúc vùng lượng Sự chồng chập quỹ đạo điện tử liên kết π dẫn đến việc lượng điện tử liên kết π tách thành hai mức lượng: mức lượng liên kết π mức lượng phản liên kết π* Mức lượng π gọi mức HOMO, mức lượng π* gọi mức LUMO Sự tách thành hai mức lượng dẫn đến hình thành hai vùng lượng tương ứng LUMO HOMO, chúng có tính chất giống vùng dẫn vùng hoá trị bán dẫn vơ (Hình 2) Hình 2.Sơ đồ mức lượng LUMO, HOMO độ rộng vùng cấm polymer dẫn Khe lượng tạo thành hai mức HOMO LUMO gọi vùng cấm polymer dẫn điện Các polymer dẫn điện khác có độ rộng vùng cấm khác Khi nhận kích thích phù hợp từ photon, điện trường v.v, điện tử nhảy từ mức HOMO lên mức LUMO tạo cặp điện tử - lỗ trống (exciton) 3.Cấu trúc pin mặt trời hữu Thành phần cấu trúc pin mặt trời hữu phổ biến Cấu trúc pin mặt trời hữu Nói chung, pin mặt trời có cấu trúc gồm phần chính: Anode, cathode (điện cực), đế lớp hoạt quang (Photoactive layer - chất vô cho pin mặt trời vô chất hữu với pin mặt trời hữu cơ) mô tả 3.1.Tấm đế (substrate) Được làm từ nhựa thủy tinh để nâng đỡ pin suốt (vì cần ánh sáng truyền qua dễ dàng) 3.2.Lớp anode (phải suốt)  Lớp anode yêu cầu phải chế tạo vật liệu suốt, có rào ΔEa anode với lớp màng polymer tiếp xúc nhỏ Thông thường, để làm giảm rào ΔEa, công thoát cho anode phải nâng lên cách sử dụng vật liệu phù hợp  Vật liệu dùng để chế tạo anode phải có độ ổn định cao theo thời gian Vật liệu thường dùng ITO (là hỗn hợp In2O3 SnO2 theo tỷ lệ In2O3/ SnO2 = / 1) 3.3 Lớp truyền lỗ trống  Có tác dụng tăng cường q trình truyền hạt tải lỗ trống cực, góp phần kéo dài thời gian sống cho linh kiện  Yêu cầu với vật liệu truyền lỗ trống có nhiệt độ chuyển pha cao (Tg>200oC) để tăng thời gian sống cho linh kiện, có khả truyền hạt tải cao ( = 10-3 cm2/v.s ), có khả hịa tan dung mơi hữu  Vật liệu thường dùng là: PVK PEDOT 3.4 Lớp truyền điện tử Phân mức lượng lớp truyền điện tử cathode     Có tác dụng tăng cường trình truyền dẫn điện tử Đảm bảo cân hạt tải Lớp phải ổn định với nhiệt độ tác nhân hóa học Vật liệu thường dùng : LiF 3.5.Lớp quang hoạt  Đây nơi hạt tải có độ linh động cao nên chúng phải có độ dày thích hợp để đảm bảo exciton không bị dập tắt  Vật liệu yêu cầu có ổn định với nhiệt độ tác nhân hóa học, có khả truyền điện tử tốt, phát phổ dòng điện chạy vật liệu  Vật liệu thường dùng cho lớp quang hoạt là: PPV, MEHPPV Alq3 3.6 Lớp cathode  Cathode phản xạ ánh sáng cần thỏa mãn rào ΔEc cathode lớp màng polymer tiếp xúc nhỏ  Vật liệu thường sử dụng để chế tạo cathode : Nhôm (Al), hợp kim Nhôm - Mage (Mg/ Al) = 10/ Hỗn hợp thường dùng khả chống oxy hố, bị ảnh hưởng độ ẩm môi trường  Yêu cầu vật liệu làm cathode phải có cơng thấp, dễ bốc bay chân không 2.Vật liệu polymer dẫn pin mặt trời hữu 2.1.Định nghĩa Polymer dẫn điện hợp chất hữu có phân tử cấu tạo từ vịng benzene, liên kết đơn C-C đôi C=C nguyên tử cacbon luân phiên Có thể nói polymer dẫn điện đồng đẳng benzene Liên kết phân tử thực lực Van der Waals Do cấu trúc vòng benzene nên phân tử polymer dẫn điện có nhiều liên kết đơi (hay cịn gọi liên kết π) bền vững dẫn đến trạng thái bất định xứ điện tử dọc chuỗi polymer Các điện tử π có nhiều hoạt tính hóa học, dễ phản ứng có điều kiện thích hợp, cần lượng nhỏ đủ kích hoạt điện tử π sang trạng thái khác Do đó, tính chất có khả dẫn điện polymer dẫn có nguồn gốc từ điện tử π linh động Hình - Cấu trúc hóa học số loại polymer dẫn 2.3.MEH-PPV Hình 1.13 - Cấu trúc hóa học MEH-PPV MEH-PPV có độ rộng vùng cấm cỡ 2.1eV [24] có khả hấp thụ tốt bước sóng khoảng 500nm Ngồi ra, MEH-PPV dễ bị hịa tan dung mơi hữu cơ, dễ trải màng không yêu cầu nhiệt độ cao Chính đặc điểm trên, MEH-PPV lựa chọn làm vật liệu hoạt quang pin mặt trời vật liệu phát quang OLED 2.4.Vật liệu chế tạo lớp TCO (Transparent conducting oxides) Cho thấy khả truyền quang cao phạm vi khả kiến, đòi hỏi khoảng cách lượng lớn 3,3 eV Đặc tính dẫn điện biểu thị TCO cho thấy độ dẫn điện cao khoảng từ đến 10 S.cm −1 Cấu trúc tinh thể TCO loại n điển hình  Chất bán dẫn tinh khiết gần cách điện, việc pha tạp chất làm tăng đáng kể độ dẫn điện lên đến 10 S.cm −1 Độ dẫn điện điển hình TCOs nằm kim loại chất bán dẫn có pha tạp chất Điều tự nhiên TCOs ban đầu chất bán dẫn oxit suốt pha tạp chất SnO với cấu trúc rutile bao gồm khối bát diện chia sẻ cạnh dọc theo trục c biết đến TCO loại n  CdIn O MgIn O với cấu trúc spinel có khối bát diện bán kính ion hiệu dụng In 3+ Sn 4+ 0,8 0,7 Å  Khoảng cách nguyên tử 3,2 Å In 3,0 Å kim loại Sn khoảng cách nguyên tử 3,3 Å In2 O 3,2 Å SnO  Vì khoảng cách ion oxit gần với khoảng cách nguyên tử kim loại nên dễ dàng thấy obitan ion In 3+ Sn 4+ oxit phần lớn xen phủ kim loại CHƯƠNG III.Chế tạo pin mặt trời hữu 3.1.Phương pháp chung Ăn mòn đế ITO Pha dung dịch MEH_PPV Tạo màng MEH-PPV Ủ nhiệt chân không Bốc bay điện cực nhôm 3.2.Công nghệ chế tạo màng polymer dẫn P3HT/PCBM phương pháp phủ quay - ứng dụng PIN mặt trời dị hữu cơ: Pin mặt trời polymer dẫn thu hút nhiều nghiên cứu với mục tiêu đặt cải thiện khả chuyển hóa quang thành điện (PCE) nhằm nâng cao tính rộng rãi việc ứng dụng loại vật liệu Có yếu tố gây ảnh hưởng đến giá trị PCE pin mặt trời hữu cơ:  Khả tạo cặp electron – lỗ trống (gọi excitons), phụ thuộc hầu hết vào độ rộng dải quang phổ hấp thu độ hấp thu ánh sang dải Càng nhiều hạt ánh sáng thu nhận được, nhiều exciton tạo thành Sử dụng polymer hoạt hóa P3HT (poly 3-hexylthiophene) PCBM (phenyl-C61-butyricacidmethylester) lời giải cho vấn đề  Khả phân tách exciton thành hạt tải tự electron lỗ trống Để giải nhiệm vụ này, chất cho chất nhận hạt tải phải tiếp xúc tốt với nhau, chất cho với độ âm điện cao lấy electron khỏi exciton Chìa khóa để giải vấn đề hòa tan hỗn hợp chất cho chất nhận với dung dịch (hệ gọi tiếp xúc dị thể khối)  Khả khuếch tán hạt tải đến điện cực tương ứng Sau bị phân tách khỏi exciton, hạt tải phải tìm đường để hai điện cực tương ứng, electron cực âm lỗ trống cực dương Vì chúng cần độ rộng vùng cấm phù hợp để electron lỗ trống di chuyển hướng Hơn nữa, độ linh động cần cải thiện cách tăng độ tinh thể polymer vật liệu cấu thành 3.2.1.VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 3.2.1.1.Hóa chất P3HT có cấu trúc R-R PCBM đặt từ công ty ADS (Canada) P3HT có M w= 43000 g.mol-1, độ tinh khiết 99%, PCBM có Mw=910 g.mol-1, độ tinh khiết 99,5% Hỗn hợp cân theo tỉ lệ nồng độ khối lượng khác Clorobenzen đặt từ hãng Merck, độ tinh khiết 99,99% dùng để hịa tan polymer hoạt tính Đế ITO có kích thước 1cm2, độ dày lớp ITO 180nm, điện trở mặt 10 Ω/ vuông, làm bể siêu âm với NaOH loãng, nước cất, acetone, ethanol sau sấy khơ Trước phủ dung dịch hoạt tính lên, đế cịn quay với tốc độ 1000 RPM với dung môi acetone để bảo đảm khơng cịn bụi bẩn 3.2.1.2.Thiết bị Phương pháp phân tích Dung dịch polymer tạo thành phương pháp phủ quay máy Spin coating G3P-8 Màng đo phổ hấp thụ UV- Vis máy UV-Vis Dynomica and Jasco V530 Phổ nhiễu xạ tia X với xạ CuK α1 35 kV, cường độ 30 mA, bước đo 0,02°/s, máy XRD Diffraktometer D500, chụp ảnh AFM với máy AFM Agilent 500 Đo độ dày màng máy Stylus Dektak 6M Các mẫu đo đường đặc trưng I-V bốc bay điện cực nhôm lên Tuy nhiên điện cực nhôm không phủ mép đế, cần che chắn vị trí Diện tích điện cực nhơm vào khoảng 0,2 cm2 Bước cuối tạo điện cực ITO đế cách lau phần màng phủ, clorobenzen Đường đặc trưng đo hệ IV Keithley 2400 3.2.1.3.Các cơng đoạn chính: Nhỏ dung dịch, tăng tốc, ổn định phơi khô Trong cơng đoạn đầu tiên, dung dịch P3HT, PCBM có nồng độ 1wt% hỗn hợp P3HT:PCBM cân theo tỉ lệ khối lượng 1:1 hòa tan clorobenzene để nồng độ 1wt%( thành phần thủy tinh mong muốn có dung dịch), chất lỏng nhỏ ống nhỏ giọt ,dung dịch polymer nhỏ trực tiếp lên đế thủy tinh buồng quay Nhỏ dung dịch thực tĩnh động, nhỏ tính nhỏ đế đứng yên, nhỏ động trình chất lỏng nhỏ xuống đế quay tốc độ thấp ( công đoạn tốc độ quay khoảng 500 vịng/phút) 2 Cơng đoạn thứ hai lúc đế quay gia tốc để đạt giá tị tốc độ quay tơi đa theo u cầu Cơng đoạn có tác dụng kéo dãn, dàn trải tán mỏng chất lỏng dung dịch bề mặt đế chuyển động ly tâm Khi tốc độ quay đạt độ lớn cần thiết, chất lưu trở nên đủ mỏng chuyển động kéo theo biến dáng nhớt cân với gia tốc quay Công đoạn thứ ba lúc đế quay với tốc độ ổn định lực nhớt chất lỏng chi phối tán mỏng chiều dày màng Công đoạn cuối thời gian quay đế với tốc độ không đổi bay dung mơi trở thành q trình chủ yếu chi phối chiều dày màng trình phủ Chiều dày lớp màng mỏng P3HT hỗn hợp dung dịch P3HT:PCBM khảo sát thiết bị “Stylus” Sau kết thúc trình quay phủ, màng ủ mơi trường khí nitơ khơ 180℃ 90 phút Sau ủ nhiệt, mẫu cất buồng chân không đo đạc đóng vỏ linh kiện Máy Spin Coating phịng thí nghiệm nhà E4 - Đại học Cơng Nghệ- ĐHQGHN 4.Pin mặt trời hữu làm từ rau cải ( thực vật ) 4.1.Sơ lược protein quang hợp PS1 thực vật Hơn 40 năm qua nhà khoa học tập trung nghiên cứu loại protein tham gia vào trình quang hợp thực vật gọi Photosystem (PS1) PS1 có đặc điểm quan trọng giữ nguyên khả chúng chúng chiết xuất khỏi trồng Hơn loại protein cịn có tính quý giá chuyển hóa ánh sáng thành lượng điện với hiệu suất gần đạt ngưỡng 100% Do vậy, nhà khoa học cố gắng tận dụng khả PS1 để tạo tế bào quang điện lai sinh học với tỉ lệ chuyển hóa lượng cao Như biết, thân vật liệu silicon có hiệu suất quang điện cực thấp Do để tăng hiệu chuyển hóa lượng, người ta phải bổ sung lượng nhỏ đất vào vật liệu Sẽ khơng có vấn đề lượng đất dễ khai thác giá thành rẻ Tuy nhiên, nguyên tố nhóm thường khó lấy tự nhiên chi phí để khai thác cao Bên cạnh nước sản xuất pin mặt trời Đức, Nhật, Hoa Kỳ khơng có nguồn dự trữ lớn khơng có nhiều mỏ hoạt động, Trung Quốc thắt chặt lượng xuất khiến giá thành bị đẩy lên cao Với PS1, người có nguồn cung phong phú từ thực vật Hiện nghiên cứu tiến hành để chiết xuất lượng lớn từ rau cải Kudzu (một loại họ đậu) Vấn đề việc sử dụng PS1 chỗ sử dụng phương pháp để tách chúng dễ dàng bảo quản để chúng không bị hỏng thời gian dài 4.2.Nguyên tắc hoạt động pin mặt trời sinh học sử dụng PS1 Khi protein PS1 chiếu sáng, hấp thụ lượng cung cấp cho electron hóa trị (electron liên kết với nguyên tử) để chuyển thành electron tự Nếu điện tử (electron) bứt khỏi vị trí đó, để lại lỗ trống tích điện dương cục Do có điện trường, electron lỗ trống di chuyển hai phía khác protein PS1 Ở cây, PS1 xếp cách có trật tự nên phần protein có nhiều electron (mang điện âm) bên đầu protein nhiều lỗ trống (mang điện dương) phía cịn lại Tuy nhiên pin sinh học, chưa điều khiển trình đưa vào silicon, protein định hướng tự Khi hiệu ứng tất yếu xảy điện tích âm dương tạo trước triệt tiêu lẫn Kết dịng điện thu có cường độ nhỏ nhiều 4.3.Phương án nhà khoa học Valderbilt a Nhờ kỹ thuật đặc biệt, nghiên cứu viên tách PS1 từ cải, giữ tồn thời gian tháng mà không bị hư hỏng Họ trộn protein với loại dung mơi chứa nước đổ lên mặt đế pin silicon kiểu p (pin mặt trời kiểu lỗ trống) Sau tồn đế đưa vào buồng chân không làm bay hơi nước để thu phim pin protein Các thử nghiệm cho thấy độ dày phim mức micromet cho hiệu tối ưu, kích thước tương đương với 100 phân tử PS1 chồng lên Nhờ bán dẫn kiểu p, electron di chuyển vào mạch theo chiều Mặc dù cách xếp chưa hoàn hảo tăng cường độ dịng điện lên nhanh chóng 4.4 Kết Biểu đồ sản sinh điện centimet khối pin mặt trời sinh học Các đo đạc vật liệu cho thấy centimet vng phim sản sinh dịng điện có cường độ 80 microampe (microA) điện 0,3 Vôn Một pin dài 0,6m sản sinh dòng điện 100mA điện Vôn, đủ chạy thiết bị điện tử cỡ nhỏ Tuy thấp, thông số điện gấp 2,5 lần tế bào quang điện sinh học tạo trước với hiệu lớn 1000 lần Dự kiến nhà khoa học tiếp tục phát triển nghiên cứu để đưa phát minh thành sản phẩm thương mại thực năm Các yếu tố góp phần vào việc tăng hiệu suất pin mặt trời hữu tóm tắt sau: 1.Độ nhạy quang cặp điện tử - lỗ trống 2.Sử dụng phương pháp pha trộn chuyển tiếp dị chất khối 3.Sự phân tách cách pha chuyển tiếp dị chất khối 4.Sử dụng tế bào quang điện song song: Tế bào song song hữu hai tế bào đơn vị kết nối hạt nano kim loại báo cáo vào năm 1990(hình a) V oc nhân đơi cách nối hai ô đơn vị Do chiều dài khuếch tán nhỏ exciton, hai tế bào dị tiếp hợp chất cho-nhận mỏng có phổ hấp thụ giống hệt kết hợp với làm tăng tổng độ dày hiệu dụng tế bào(hình b) Hơn nữa, hiệu suất 5,3 % thu với tế bào song song bao gồm hai tế bào pha trộn mỏng có phổ hấp thụ giống hệt nhau(hình c) Các tế bào lượng mặt trời phân tử nhỏ phức tạp hơn(hình d) 5.Sử dụng fullerenes(allotrope carbon) đóng vai trị chất nhận 6.Tổng hợp chất bán dẫn hữu CHƯƠNG IV.ỨNG DỤNG Các pin có nhiều ưu điểm khả hấp thụ ánh sáng mặt trời tốt, điện áp cao, điện trở thấp, dòng điện cao, trung tính màu, hiệu suất chuyển đổi lượng độ suốt cao, đặt hai lớp kính cửa sổ hai lớp, tùy chỉnh vị trí để đạt hiệu cao (hoạt động tốt tia nắng mặt trời chiếu vng góc) Các pin lượng mặt trời làm vật liệu có nguồn gốc hữu cơ, vừa có khả trở nên suốt nhìn, vừa hấp thụ nhiệt lượng vùng hồng ngoại gần phần khơng nhìn thấy quang phổ Pin mặt trời hữu có nhiều ứng dụng làm vật liệu chế tạo xe oto, cửa kính, tường, sạc pin điện thoại,… KẾT LUẬN Pin mặt trời hữu có tiềm cung cấp hệ pin mặt trời giá rẻ từ pin mặt trời silicon Pin mặt trời hữu đại diện ngành công nghiệp điện tử hữu cơ, bao gồm thiết bị phát quang hữu bóng bán dẫn hữu cơ, thiết lập để thống trị kỷ XXI, sau thống trị ngành công nghiệp điện tử vô kỷ XX Lĩnh vực pin mặt trời hữu có liên quan mật thiết đến nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác vật lý thiết bị, điện tử hóa học tổng hợp, có nhiều nhà nghiên cứu Theo ý kiến tôi, trách nhiệm nhà khoa học giúp phát triển cách thức mới, công nghệ tiên tiến để tạo lượng, chế tạo vật liệu có hiệu suất cao hơn, tối ưu Tài liệu tham khảo [1] K U Hideo Hosono, Transparent Conductive Oxides, 2017 [2] P T T Lan, Mơ tối ưu hóa pin mặt trời hữu cơ, Luận văn ThS ngành: Vật liệu linh kiện Nanô, 2012 [3] L K Q L K T P B T L Q V Trần Hoàng Cao Sơn, Nghiên cứu chế tạo màng polymer dẫn P3HT/PCBM phương pháp phủ quay - ứng dụng PIN mặt trời dị hữu cơ, 2015 [4] Y S Masahiro Hiramoto, Organic Solar Cells.Part of the Springer Handbooks book series (SHB), 2017 [5] T T T Đ H N , N Đ S , N V T Nguyễn Năng Định, Công nghệ chế tạo khảo sát tính chất chuyển hóa quang điện pin mặt trời hữu sở vật liệu hỗn hợp P3HT PCBM, 2015  ... mặt trời hữu có nhiều ứng dụng làm vật liệu chế tạo xe oto, cửa kính, tường, sạc pin điện thoại,… KẾT LUẬN Pin mặt trời hữu có tiềm cung cấp hệ pin mặt trời giá rẻ từ pin mặt trời silicon Pin mặt. .. trời vô hữu Sự khác pin mặt trời vô pin mặt trời hữu chỗ vật liệu sử dụng để tạo thành chúng Dưới góc độ vật liệu, pin mặt trời hữu chia thành loại sau đây: Pin mặt trời hữu chất màu nhạy sáng... cặp điện tử - lỗ trống (exciton) 3.Cấu trúc pin mặt trời hữu Thành phần cấu trúc pin mặt trời hữu phổ biến Cấu trúc pin mặt trời hữu Nói chung, pin mặt trời có cấu trúc gồm phần chính: Anode, cathode