Hiện nay, trên thế giới cũng như ở nước ta, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng. Trong khi đó, các nguồn năng lượng truyền thống như hóa thạch đã được khai thác phần lớn và cũng là nguyên nhân chính gây ra sự tăng nồng độ cacbon dioxit (CO2) trong môi trường. Ngày nay có khoảng 20.1012kg carbon dioxide được đưa vào bầu khí quyển mỗi năm, chủ yếu là do đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch 20,8,25. Các cây xanh ngày nay không có khả năng hấp thụ lượng lớn CO2 tăng thêm này. Kết quả là nồng độ CO2 trong khí quyển làm gia tăng đáng kể hiệu ứng nhà kính điều mà sẽ làm tăng nhiệt độ bề mặt trái đất tới 0.67.00C năm 2100 8. Nhiệt độ bề mặt trái đất đã tăng 0.30.6oC từ cuối thế kỷ 19 và mực nước biển đã tăng 1025cm, hầu hết do các hoạt động của con người 8. Hậu quả của sự thay đổi nhiệt độ này đã gia tăng tần suất và mức độ nghiêm trọng của thiên tai 25 và có thể có tác động tàn phá nhiều hơn đối với con người và các dạng sống khác trên trái đất trong thập kỷ tới. Chính vì thế một yêu cầu cấp thiết đang đặt ra với chúng ta là tìm ra các nguồn năng lượng mới và “sạch”.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BÀI TẬP LỚN MÔN CƠ SỞ KHOA HỌC VẬT LIỆU ĐỀ TÀI: PIN MẶT TRỜI TRÊN NỀN HỮU CƠ LÀM TỪ CACBON Giáo viên hướng dẫn: Lê Văn Thăng Nhóm sinh viên thực hiện: 1/ Phạm Hữu Ba 2/ Phan Trung Kiên 3/ Nguyễn Long 4/ Nguyễn Hùng Nhân 5/ Trần Kim Thịnh V1202523 V1203536 Tp.HCM, ngày Tháng Năm… MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 1.1 Giới thiệu 1.2 Cấu trúc pin mặt trời hữu 1.3 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời hữu 1.4 Phân loại pin mặt trời hữu 1.5 Vật liệu polymer dẫn pin mặt trời hữu 11 1.6 Exciton 13 1.7 Các đặc tính pin mặt trời hữu 15 1.8 Mô suy giảm quang bên pin mặt trời hữu 18 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU 24 2.1 Vật liệu thiết bị 24 2.2 Quy trình chế tạo pin mặt trời đơn lớp 25 2.3 Phương pháp nghiên cứu 27 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 31 3.1 Tính chất quang vật liệu 31 Điện cực truyền qua ITO 31 Màng hoạt quang MEH-PPV 33 Điện cực Nhôm 37 3.2 Mô suy hao lượng phân bố mật độ exiton 37 Hệ số hấp thụ phản xạ pin 38 Sự phân bố cường độ điện trường suy hao lượng lớp MEH-PPV 41 3.3 Đường đặc tính I-V pin 43 KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT -A - CB -D Electron acceptor (chất nhận điện tử) Conduction band (vùng dẫn) Electron donor (chất cho điện tử) - EA - ECD Electron affinity (ái lực điện tử) Equivalent circuit diagram (sơ đồ mạch điện tương đương) - FF Fillfactor (hệ số điền đầy) - HOMO Highest occupied molecular orbital (quỹ đạo phân tử lấp đầy cao nhất) - IP Ionisation potential (thế ion hóa) - ITO Indium tin oxide - LED - LUMO Light emitting device Lowest unoccupied molecular orbital (quỹ đạo phân tử chưa lấp đầy thấp nhất) Poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene] Poly(para-phenylene vinylene) Poly(vinyl carbazole) Valence band (vùng hóa trị) - MEH-PPV - PPV - PVK - VB Các ký hiệu [1], [2], [3], … ký hiệu cho phần nguồn tài liệu tham khảo trình bày cuối MỞ ĐẦU Hiện nay, giới nước ta, nhu cầu sử dụng lượng ngày tăng Trong đó, nguồn lượng truyền thống hóa thạch khai thác phần lớn nguyên nhân gây tăng nồng độ cacbon dioxit (CO2) mơi trường Ngày có khoảng 20.1012kg carbon dioxide đưa vào bầu khí năm, chủ yếu đốt cháy nhiên liệu hóa thạch [20,8,25] Các xanh ngày khơng có khả hấp thụ lượng lớn CO2 tăng thêm Kết nồng độ CO2 khí làm gia tăng đáng kể hiệu ứng nhà kính điều mà làm tăng nhiệt độ bề mặt trái đất - tới 0.6-7.00C năm 2100 [8] Nhiệt độ bề mặt trái đất tăng 0.3-0.6oC từ cuối kỷ 19 mực nước biển tăng 10-25cm, hầu hết hoạt động người [8] Hậu thay đổi nhiệt độ gia tăng tần suất mức độ nghiêm trọng thiên tai [25] có tác động tàn phá nhiều người dạng sống khác trái đất thập kỷ tới Chính u cầu cấp thiết đặt với tìm nguồn lượng “sạch” Trong chạy đua tìm kiếm lượng tái tạo, việc chế tạo pin dựa biến đổi lượng xạ mặt trời thành điện năng, hướng giới Pin mặt trời có thị trường chế tạo từ vật liệu vô Silic Với vật liệu này, người ta chế tạo pin có hiệu suất cao (khoảng 15%) Tuy nhiên, pin mặt trời từ tinh thể silic có giá thành cao, yêu cầu kỹ thuật lại tinh vi Hiện nay, pin mặt trời hữu thu hút quan tâm giới khoa học Mặc dù hiệu suất loại pin thấp nhiều so với pin mặt trời từ silicon tinh thể (hiệu suất khoảng 5%), chúng có nhiều ưu điểm sản xuất dễ dàng, giá rẻ tác động đến mơi trường Với lý chúng tơi lựa chọn thực khóa luận: “Khảo sát tính chất quang vật liệu chế tạo mô vài thông số pin mặt trời hữu ” a Nội dung nghiên cứu: - Tính chất quang, điện vật liệu chế tạo pin mặt trời hữu cơ: điện cực truyền qua ITO, lớp hoạt quang MEH-PPV, điện cực anode nhôm - Mô phân bố điện trường ánh sáng, suy giảm lượng ánh sáng bên pin - Chế tạo tế bào pin mặt trời cấu trúc đơn lớp ITO/MEH-PPV/Al khảo sát tính chất điện linh kiện b Phương pháp nghiên cứu: - Lý thuyết: Mô suy biến lượng ánh sáng, phân bố điện trường ánh sáng pin, tương quan giữ hấp thụ phản xạ bề mặt điện cực truyền qua pin dựa theo thay đổi chiết suất phức lớp vật liệu bước sóng ánh sáng tới thay đổi - Thực nghiệm: Màng polymer được chế tạo phương pháp quay phủ li tâm (spin-coating) Màng kim loại nhôm (làm điện cực catot tế bào pin) chế tạo phương pháp bốc bay nhiệt chân khơng Cấu trúc hình thái học bề mặt màng polymer khảo sát thông qua phép đo chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét trường (FESEM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) Tính chất quang màng MEH-PPV nghiên cứu qua phép đo phổ hấp thụ Tính chất điện pin mặt trời sau chế tạo đánh giá qua phép đo đặc tính IV c Ý nghĩa đề tài: Pin mặt trời hữu giải pháp có nhiều triển vọng sử dụng cơng nghệ đơn giản giá thành thấp nhiều so với pin mặt trời vơ Vì việc nghiên cứu chế tạo pin mặt trời hữu hướng đắn Tuy chế tạo pin với cấu trúc đơn giản nội dung đề tài đáng quan tâm hướng chưa phổ biến Việt Nam CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 1.1 Giới thiệu Việc chuyển đổi từ ánh sáng mặt trời thành dòng điện đòi hỏi hình thành điện tích âm điện tích dương lực điều khiển đẩy điện tích qua mạch điện ngồi Khi kết nối với mạch điện bên ngoài, thiết bị điện nào, chẳng hạn hình máy tính hay động máy bơm nước, sử dụng lượng mặt trời chuyển đổi Trên thực tế, tế bào lượng mặt trời (hình 1.1) hình dung bơm mà ánh sáng mặt trời điều khiển electron: Chiều cao tối đa mà electron “bơm” tương đương với điện áp cao mà tế bào lượng mặt trời đạt Dịng điện lớn định “tốc độ bơm” Hình 1.1: Cấu tạo tế bào lượng mặt trời điển hình Lớp màng hữu (Organic Film) nhiều lớp bán dẫn hỗn hợp hay tổ hợp chúng Giả sử “bơm” đẩy 100 electron/s từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB), dịng liên tục cao điện tử chạy qua mạch ngồi sau 100 electron/s Nếu dịng điện chạy qua mạch ngồi bị giảm điện trở tải – ví dụ cịn 80 electron/s 20 electron/s cịn lại rơi trở lại vùng hóa trị trước chúng tách khỏi tế bào gọi dòng rò [5] Trong vật liệu bán dẫn, thực tế, dòng rò hiểu đơn giản tái tổ hợp hạt tải bị kích thích Dịng rị thường chủ yếu gây khiếm khuyết sai hỏng so với cấu trúc vật liệu bán dẫn lý tưởng Điều làm tăng xuất mức lượng cho phép vùng cấm Chỉ khơng có sai hỏng, xạ tái tổ hợp xuất phạm vi rộng hơn, trì kênh suy giảm khơng u cầu mức lượng trung gian [5] Các giả thiết vắng mặt tượng tái hợp không xạ cho phép dự đoán giới hạn hiệu suất chuyển đổi lượng chất bán dẫn với độ rộng vùng cấm cho trước điện áp hở mạch Hình 1.2 mơ tả bước chuyển đổi photon thành hạt tải tách biệt diễn tế bào lượng mặt trời hữu Nó cho thấy chế mát liên quan liên hệ với số lượng điện sử dụng sơ đồ mạch điện tương đương (Equivalance Circuit Diagram - ECD) Photon tới Bước chuyển đổi Cơ chế mát - Phản xạ (IL) - Truyền qua (IL) Hấp thụ ánh sáng Tạo thành Exciton - Tái hợp exciton (I0) Khuếch tán exciton Phân tách hạt tải - Truyền exciton với tái hợp exciton sau (I0) - Khơng có phân tách hạt tải sau tái hợp exciton (I0) Vận chuyển hạt tải - Tái hợp hạt tải (Rsh) - Độ linh động giới hạn hạt tải (Rs) Thu thập hạt tải - Tái hợp gần điện cực (Rsh2) - Rào điện cực (Rs, I0) Các hạt tải phân tách điện cực Hình 1.2: Các bước chuyển đổi chi tiết chế mát tế bào lượng mặt trời Các ký hiệu dấu ( ) thể số lượng cho phép cho chế mát cụ thể ECD Trong chất bán dẫn hữu cơ, việc hấp thụ photon dẫn tới việc tạo cặp điện tử lỗ trống liên kết (exciton) có xác suất cao hình thành hạt tải tự Các exciton mang lượng khơng thể hình thành nên điện tích tổng khuếch tán vào khu vực phân tách nơi mà hạt mang điện hình thành Các hạt tải cần di chuyển tới điện cực tương ứng: lỗ trống di chuyển tới cực âm điện tử tới cực dương để tạo điện áp sẵn sàng cung cấp cho mạch ngồi Q trình chuyển hóa quang thành điện diễn sau: Sự hấp thụ photon Trong hầu hết thiết bị hữu phần nhỏ ánh sáng tới hấp thụ lí sau đây: - Độ rộng vùng cấm vật liệu bán dẫn hữu lớn Độ rộng vùng cấm khoảng 1.1eV (1100nm) phù hợp để hấp thụ 77% xạ mặt trời trái đất [26] độ rộng vùng cấm polymer dẫn thường lớn - - 2eV Lớp hữu mỏng Do hạt tải độ linh động exciton thấp, nên yêu cầu độ dày lớp bán dẫn phải 100nm May mắn hệ số hấp thụ vật liệu hữu thường lớn bán dẫn vô Silic khoảng 100nm cần thiết để hấp thụ khoảng 60 – 90% hiệu ứng phản xạ ngược sử dụng Sự phản xạ Sự mát phản xạ đáng kể khảo sát vật liệu hữu Khảo sát tính chất vật liệu quang điện cung cấp hiểu biết tác động chúng tới suy hao hấp thụ Phủ lớp chống phản xạ sử dụng thiết bị vơ chứng minh vai trị việc sử dụng biện pháp ngăn chặn hiệu ứng phản xạ Sự khuếch tán exciton Điều kiện lý tưởng tất exciton kích thích phải tới địa điểm phân tách Vì vị trí phân tách nằm điểm cuối vật liệu bán dẫn, chiều dài khuếch tán chúng nên chiều dài yêu cầu (cho hấp thụ đầy đủ) – khơng chúng tái hợp với photon tới bị lãng phí [5] Khoảng khuếch tán exciton vật liệu polymer thường vào khoảng 10nm [11,10, 26, 2] Tuy nhiên số chất màu perylenes cho có chiều dài khuếch tán exciton vào khoảng 100nm [15] Sự phân tách hạt tải Phân tách hạt tải xảy bề mặt tiếp xúc chất bán dẫn với kim loại, tạp chất (ví dụ Oxy) hay kim loại với đủ khác biệt lực điện tử (EA) điện ion hóa (IA) Nếu khác biệt lớp IA EA không đủ, exciton nhảy lên vật liệu có độ rộng vùng cấm nhỏ mà khơng phân tách thành điện tích Cuối tái hợp lại mà khơng có đóng góp hạt tải vào dòng photon Vận chuyển hạt tải Việc vận chuyển hạt tải bị ảnh hưởng tái tổ hợp đến điện cực Ngoài ra, việc tương tác với nguyên tử hay hạt tải khác làm chậm tốc độ di chuyển làm hạn chế dịng Sự thu thập hạt tải Để xâm nhập vào vật liệu điện cực với cơng tương đối thấp (ví dụ Al, Ca) hạt tải thường phải vượt qua hàng rào lớp tiếp xúc Ngồi ra, kim loại hình thành ngăn chặn liên kết với chất bán dẫn hạt tải khơng thể truyền tới lớp kim loại Chúng ta lưu ý exciton điện tích vận chuyển vật liệu hữu thường đòi hỏi “nhảy” từ phân tử sang phân tử khác Do đó, ken xít phân tử giả định để giảm độ rộng hiệu ứng rào cản phân tử Cấu trúc phẳng phân tử dẫn đến đặc tính vận chuyển tốt cấu trúc cồng kềnh chiều Cũng cần lưu ý việc ken xít làm tăng hệ số hấp thụ [5] Để đáp ứng đòi hỏi riêng hiệu chuyển đổi photon thành điện tích, thiết bị với cấu trúc khác phát triển 1.2 Cấu trúc pin mặt trời hữu Hình 1.3 - Cấu trúc chung tế bào lượng mặt trời Nói chung, pin mặt trời có cấu trúc gồm phần chính: Anode, katode (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 Hình 1.3 Các lớp đệm bổ sung để tăng chất lượng pin Tấm đế (substrate) Được làm từ nhựa thủy tinh để nâng đỡ pin suốt (vì cần ánh sáng truyền qua dễ dàng) 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, cơng 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) Lớp truyền lỗ trống - Có tác dụng tăng cường 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 Lớp truyền điện tử Hình 1.4 - Phân mức lượng lớp truyền điện tử cathode - Có tác dụng tăng cường q 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 Lớp quang hoạt 10 c Hình thái học bề mặt màng ITO Đường rạn nhiệt Hình 3.3 - Ảnh FESEM bề mặt lớp màng ITO Bên cạnh đặc tính truyền qua phổ ánh sáng khả kiến, điện trở màng, hình thái học bề mặt màng ITO có ý nghĩa quan trọng việc đánh giá chất lượng vật liệu phục vụ cho hoạt động chế tạo linh kiện Chẳng hạn, bề mặt màng ITO chứa tinh thể có kích thước lớn, ví dụ khoảng 70 – 100 nm, chắn màng sử dụng để chế tạo pin tinh thể có xác suất cao gây ngắn mạch lớp hoạt quang phủ lên màng ITO có độ dầy yêu cầu mức phải nhỏ 100 nm Hình 3.3 cho thấy bề mặt màng ITO đồng phẳng Tuy nhiên, nhận thấy vệt đen chạy bề mặt màng, mà theo tác giả, vết rạn nhiệt, hình thành lúc màng ủ nhiệt Màng hoạt quang MEH-PPV a Hình thái học bề mặt Màng MEH-PPV phủ lên bề mặt điện cực ITO phương pháp quay phỷ ly tâm (spincoating) Trước phủ điện cực nhơm (Al), hình thái học bề mặt mặt màng kiểm tra chụp ảnh AFM FESEM Kết hình 3.4 36 a) b) Hình 3.4 - Ảnh FESEM (a) AFM (b) màng MEH-PPV Rõ ràng nhìn vào kết FESEM, chắn việc đánh giá hình thái học bề mặt màng tạo không đầy đủ Kết AFM cho thấy, bề mặt màng MEHPPV lồi lõm, gồ ghề, với điểm cao thấp chênh khoảng 20 nm Đây điểm không mong muốn ảnh hưởng đến chất lượng màng nhơm hình thành lên bề mặt MEHPPV sau Nếu lớp màng chế tạo có độ dầy nhỏ, giả sử khoảng 30 nm, với mức độ gồ ghề trên, linh kiện tạo có xác xuất hoạt động thấp Sự hình thành bề mặt ráp, thơ gồ ghề nhiều nguyên nhân, liên quan đến kỹ thuật tạo màng tỷ lệ dung môi sử dụng, tốc độ quay v.v, nhiên, có nguyên nhân mà chắn xảy sử dụng kỹ thuật spincoating mà giải thích R Konnenkamp cộng [23] Theo R Konnenkamp, q trình dung mơi bay hơi, sau lớp màng đơn lớp polymer tạo ra, phân tử polymer va chạm vào nhau, tạo nên đám (clusters) hình thành khoảng trống bề mặt đế Chỉ phát triển với kích cỡ đủ lớn (kích cỡ giới hạn), cụm bao phủ bề mặt đế hình thành lớp màng phủ kín tồn mặt đế Cluster hình 3.4 b cho thấy, kích cỡ vào khoảng 100 – 500 nm b Phổ truyền qua, phổ hấp thụ Tính chất hấp thụ, truyền qua lớp màng hoạt quang có ý nghĩa quan trọng chế tạo linh kiện Trước hết, vật liệu chế tạo lớp quang hoạt phải có khả hấp thụ phần lớn xạ mặt trời Việc khảo sát tính chất truyền qua, hấp thụ màng cho phép đánh giá sơ khả phù hợp làm lớp hoạt quang vật liệu Phổ truyền qua, hấp thụ màng MEHPPV đế thủy tinh hình 3.5 37 60 100 90 40 20 70 T, % A, % 80 60 50 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Wavelength, nm Hình 3.5 - Phổ truyền qua phổ hấp thụ màng MEH-PPV Đỉnh hấp thụ màng MEH-PPV đo bước sóng 508nm So với giá trị lý thuyết (495) đỉnh hấp thụ bị lệch phía bước sóng dài khoảng 13nm, điều q trình chế tạo tác động phần tới cấu trúc polymer độ tinh khiết màng c Độ dày màng Độ dầy màng hoạt quang, theo tính tốn lý thuyết, khơng nên lớn 100 nm Đối với pin đơn lớp, độ dày phải nhỏ để đảm bảo exiton sinh điểm bên màng di chuyển đến vị trí phân tách – bề mặt biên lớp hoạt quang lớp điện cực Độ dầy màng phụ thuộc vào tốc độ quay đế, độ nhớt dung dịch polymer, tốc độ bay dung môi, v.v Giữ điều kiện khác nhau, tốc độ quay phủ tăng độ dầy màng giảm (Bảng 3.2) Độ dày màng khảo sát phép đo Alpha Step (Hình 3.6) Bảng 3.2 – Độ dày màng thay đổi theo tốc độ quay Dung dịch Tốc độ quay (rpm) Độ dầy, (nm) MEH-PPV/dicloethan 2000 145 MEH-PPV/dicloethan 2500 87 38 Hình 3.6 – Kết đo độ dầy màng MEH-PPV thiết bị Alpha Step: a – màng ứng với tốc độ quay phủ 2000 rpm; b – màng ứng với tốc độ quay phủ 2500 rpm d Hệ số hấp thụ Hệ số hấp thụ đại lượng phụ thuộc vào chiều dầy màng có liên quan đến độ truyền qua công thức sau T e d (3.3) T độ truyền qua, d độ đày lớp màng, α hệ số hấp thụ màng Sử dụng công thức 3.3 cho số liệu độ truyền qua lớp màng MEH-PPV độ dầy 87 nm, mối tương quan hệ số hấp thụ bước sóng nhận hình 3.7 Hình 3.7 – Thay đổi độ hấp thụ màng MEH-PPV dầy 87nm theo bước sóng 39 Điện cực Nhơm a) b) Hình 3.8 - Phổ phản xạ (a) độ dầy (b) màng nhôm (Al) Phản xạ màng nhơm dải sóng từ 350 – 750 nmm thể hình 3.8a Có thể thấy rằng, khoảng 75% ánh sáng tới bị phản xạ Kết cho thấy, góc độ quang học, màng nhôm phù hợp cho việc lựa chọn làm điện cực phản xạ pin mặt trời Màng nhơm có độ dày khoảng 110 nm (hình 3.8b) 3.2 Mô suy hao lượng phân bố mật độ exiton lớp hoạt quang Chiết suất phức vật liệu ITO, màng MEHPPV nhôm thông số đầu vào quan trọng mô Những thông số thu thập từ số kết cơng bố [3, 1, 7] Hình 3.9 (a) 3.9 (b) cho thấy quan hệ chiết suất màng ITO màng MEH-PPV với phổ ánh sáng khoảng 300 – 800nm 40 REFRACTIVE INDEX OF ITO a) 0.2 Extinction Coeff 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Extinction Coeff Refractive Coeff Refractive Coeff 800 Wavelength, nm REFRACTIVE INDEX OF MEH-PPV THIN FILM b)) 0.5 Refractive Coeff 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Extinction Coeff Refractive Coeff Extinction Coeff 800 Wavelength, nm Hình 3.9 – Chiết suất màng ITO (a) MEH-PPV (b) Hệ số hấp thụ phản xạ pin Hình 3.10 biểu diễn quan hệ hệ số hấp thụ tính tốn dựa phương trình 1.34 với bước sóng Theo đó, hấp thụ cực đại nhận bước sóng 495 nm (2,5eV) Vùng hấp thụ có điểm bắt đầu 587 nm (2,11eV) sau đạt cực đại 495 nm kết thúc bước sóng khoảng 365 nm (3,39eV) Độ rộng vùng cấm Eg vật liệu bán dẫn vơ định hình xác định thực nghiệm dựa theo phương pháp Tauc, theo phương trình 3.4: h A h Eg đây, α – hệ số hấp thụ, cm-1; h (3.4) – lượng photon, eV, Eg - độ rộng vùng cấm, eV, A – số Từ phương trình 3.4, mối quan hệ đại lượng 41 xây dựng biểu diễn (xem hình 3.11) Độ rộng vùng cấm, tìm phương pháp Tauc có giá trị khoảng 2.08eV (596nm), giá trị phù hợp với kết công bố [24] Năng lượng phổ mặt trời biểu diễn hình 3.12 [23] Đối chiếu với giá trị Eg nhận được, thấy rằng, pin sử dụng MEHPPV làm màng hoạt quang hấp thụ khoảng 60% xạ mặt trời ABSORPTION COEFFICIENT OF MEH-PPV THIN FILM Absorption Coeff., (1/cm) 2.5 x 10 1.5 0.5 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Wavelength, nm Hình 3.10 – Hệ số hấp thụ lớp MEHPPV pin 8000 SQRT(alpha.E), (eV.cm-1)0.5 7000 6000 5000 4000 3000 2000 Eg=2.08 eV 1000 1.5 2.5 3.5 Photon Energy, eV Hình 3.11 – Xác định độ rộng vùng cấm MEHPPV phương pháp Tauc 42 Hình 3.12 – Phổ xạ mặt trời khả sinh exciton màng MEHPPV pin Sử dụng giá trị chiết suất vật liệu hình 3.9a 3.9b để chế tạo pin có thơng số ITO (120nm)/MEHPPV (35nm)/Al (110nm), lượng phản xạ bề mặt thủy tinh pin (E-0) tính tốn phương trình 1.19 theo R r biểu diễn hình 3.13 Điểm đáng ý rằng, đường hấp thụ A =12 R cho thấy giới hạn lượng chặn mà pin hấp thụ so với mức lượng cấp chùm sáng tới Nói cách khác, giá trị A giá trị chặn mà dịng quang chuyển hóa thành điện linh kiện Với ý nghĩa vậy, thấy rằng, vùng ánh sáng khả kiến, pin có cấu trúc cho khả chuyển hóa quang thành điện với hiệu suất cao khoảng 32% bước sóng 490 nm (2,52 eV) Như trình bày chương 1, giá trị r nhận từ phương trình 1.19 phụ thuộc vào vài biến có biến chiều dày lớp hoạt quang Như vậy, kết cấu pin tối ưu xem xét nâng cao giá trị chặn A hình 3.13 43 CALCULATED R & A FROM GLASS SURFACE 0.9 0.8 Reflection Absorption 0.7 Fraction 0.6 0.5 R 0.4 0.3 0.2 0.1 300 A=1-R G I la T s O s 350 M E H P P V Al 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Wavelength, nm Hình 3.13 – Phản xạ hấp thụ (năng lượng) bề mặt thủy tinh pin có kết cấu: Đế thủy tinh/ITO(120nm)/MEHPPV(35nm)/Al(110nm) Sự phân bố cường độ điện trường suy hao lượng bên lớp MEHPPV Theo phương trình 1.33, lượng ánh sáng tới bị suy giảm lớp MEHPPV lượng kích thích điện tử phân tử MEHPPV, tỷ lệ thuận với E - MSE (modulus squared of electric field), số chiết suất, hệ số hấp thụ ánh sáng Vì số chiết suất, hệ số hấp thụ thay đổi bề mặt biên nên lượng suy giảm bị gián đoạn mặt biên Sự phân bố cường độ điện trường E E hình 3.14 3.15, tương ứng Exiton sinh suy giảm lượng Q Tuy nhiên, giới hạn độ rộng khuếch tán, exiton gần bề mặt biên có hội phân tách thành hạt tải tự Vậy nên, để đạt số lượng lớn exiton sinh mặt biên, nên cực đại hóa giá trị MSE lân cận bề mặt biên Đây yếu tố xem xét để tính tốn tối ưu cấu trúc thiết kế pin Hình 3.15 cho thấy giá trị MSE vùng lân cận biên MEHPPV với ITO cao, bên cạnh đó, lại có giá trị cực đại vị trí 18 nm so với mặt biên giáp ITO, tức nằm gần tâm lớp quang hoạt 44 -4 10 E DISTRIBUTED WITHIN MEH-PPV LAYER x 10 E -2 -4 -6 10 15 20 25 30 35 Thikness of layer, nn Hình 3.14 – Phân bố cường độ điện trường ánh sáng tới bước sóng 495nm bên lớp MEHPPV chiều dày 35 nm Modullus Square of Electric Field, x 10 -7 0 10 15 20 25 30 35 Thickness of MEH-PPV layer, nn Hình 3.15 – Phân bố MSE ánh sáng tới bước sóng 495nm bên lớp MEHPPV chiều dày 35 nm Suy hao lượng quang lớp quang hoạt MEHPPV hình 3.16 Có thể thấy rằng, Q MSE có dạng phân bố 45 -3 x 10 DISSIPATED ENERGY WITHIN MEHPPV LAYER Q 10 15 20 25 30 35 Thickness of layer, nn Hình 3.16 – Phân bố phần lượng suy hao ánh sáng tới bước sóng 495nm bên lớp MEHPPV chiều dày 35 nm 3.3 Đường đặc tính I-V pin Đặc tính IV số quan trọng để đánh giá thiết bị pin mặt trời hay OLED Linh kiện sử dụng để khảo sát IV có kết cấu sau: Đế thủy tinh (1mm)/ITO (105nm)/MEH-PPV/Al (110nm) Lớp hoạt quang MEH-PPV chế tạo với độ dầy tương ứng 87 nm 145 nm Do điều kiện hạn chế, đặc tính IV điều kiện không chiếu sáng khảo sát Bảng 3.3 – Kêt cấu linh kiện khảo sát IV Cấu trúc Linh kiện Thủy tinh ITO MEH-PPV Al M1 mm 105 nm 87 nm 110 nm M2 mm 105 nm 145 nm 110 nm Đặc trưng IV linh kiện đo bóng tối cách cấp điện thay đổi đo dòng điện xuất Các kết hình 3.17 46 Hình 3.17 - Đặc trưng IV mẫu Có thể thấy rằng, dịng điện cực đại đạt lớn chiều dày màng MEH-PPV giảm xuống 100nm 47 KẾT LUẬN Khóa luận nghiên cứu tính chất quang vật liệu phục vụ cho việc chế tạo pin mặt trời hữu đơn lớp: ITO/MEH-PPV/Al Trong ITO điện cực anot, MEH-PPV lớp hoạt quang, Al điện cực catot - ITO: Là điện cực anot phải để ánh sáng truyền qua dễ dàng Phổ truyền qua màng ITO cho thấy lớp màng cho ánh sáng vùng khả kiến truyền qua 80% Chiều dày lớp màng 105nm - MEH-PPV: Đóng vai trị lớp hoạt quang – nơi lượng ánh sáng mặt trời bị hấp thụ chuyển hóa thành điện Màng MEH-PPV chế tạo phương pháp spincoating Kết nghiên cứu cho thấy muốn chế tạo màng có độ dày nhỏ 100nm tốc độ quay phủ phải lớn 2500 vòng/phút Phổ hấp thụ màng khảo sát, đỉnh hấp thu đạt bước sóng 508nm - Al: Là điện cực catot cấu trúc pin mặt trời Yêu cầu lớp Al phản xạ tốt ánh sáng tới Phổ phản xạ màng Al cho thấy màng Al phản xạ 70% ánh sáng vùng khả kiến Chiều dày màng 110nm Giới hạn lượng hấp thụ pin, phân bố điện trường ánh sáng suy giảm lượng lớp màng hoạt quang khảo sát mô 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Boudrioua, P A Hobson, B Matterson, I D W Samuel, W.L Barnes, Synth Metas., 2001, pp 545 [2] A K Ghosh and T Feng, “Merocyanine organic solar cells”, J Appl Phys Vol 49, 1978, pp 5982-5989 [3] A N Safonova, M Joryb, B.J Matterson, J.M Luptona, M.G Salt, J A E Wasey, W L Barnes, I D W Samuel, Synth Mets., 2001, pp 116, 145 [4] C H Lee, G Yu, D Moses and A.J Heeger, Phys Rev B, Vol 49, 1994, pp 2396-2407 [5] D I Klaus Petritsch, Organic Solar Cell Architectures, 2000 [6] G H Wannier, Phys Rev., Vol 52, pp 191-197 [7] Http://www refractiveindex.info/?group=METALS&material=Aluminium [8] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), “Second Assessment Report - Climate Change 1995”, 1995 [9] J Cornil, A.J Heeger, and J.L Bredas, Chem Phys.Lett., Vol 272 , 1997, pp 463-470 [10] J J M Halls and R H Friend, “The photovoltaic effect in a PPV/perylene heterojunction.” Synth Met., Vol 85, 1996, pp.1307-1308 [11] J J M Halls, K Pichler, R H Friend, S C Morattiand A B Holmes, “Exciton diffusion and dissociation in a PPV/C60 heterojunction photovoltaic cell”, Appl Phys Lett., Vol 68, 1996, pp 3120-3122 [12] J Lund, R Røge, R Petersen, T Larsen, Polymer Solar Cells, 2006 [13] J P Wolfe and A Mysyrowicz, “Excitonic Matter”, Sci Ameri, Vol 250, No.3, 1984, pp 70 [14] K C Kao and W Hwang, “Electrical Transports in Solids - with Particular Reference to Organic Semiconductors”, Pergamon Press, Oxford, 1981 [15] K Y Law, “Organic photoconductive materials: Recent trends and developments ” Chem Rev., Vol 93 , 1993, pp 449-486 [16] L A A Pettersson, L S Roman, O Inganas, J App Phys., Vol 86, No 1, 1999, pp 487 49 [17] M A Green Silicon Solar Cells Advanced Principles and Practice, University of New South Wales, Sydney, 1995 [18] M Chandross, S Mazumdar, S Jeglinski, X.Wei Z.V Vardeny, E.W Kwock and T.M Miller, Phys.Condens.Matter, Vol 6, 1994, pp 1379 [19] N F Mott, Trans Faraday Soc., 1938, pp 500-506 [20] P Benett, Earth: The Incredible Recycling Machine, Wayland (Publishers) Ltd, East Sussex , 1993 [21] R H Friend, G J Denton, J J M Halls, N T Harrison, A B Holmes, A Koehler, A Lux, S C Moratti, K Pichler, N Tessler and K Towns, “Electronic processes of conjugated polymers in semiconductor device structures.”, Synth Met.84, 1997, pp 463-470 [22] R H Friend, G J Denton, J J M Halls, N T.Harrison, A B Holmes, A Koehler, A Lux, S C.Moratti, K Pichler, N Tessler, K Towns and H F Wittmann, Solid State Communications , 1997, pp 102, 249 [23] R Könnenkamp et al, Phys Rev B, Vol 60, No 16, 1999 [24] T Aernouts, Doctoral Thesis “Organic Bulk Heterojunction Solar Cells From Single Cell Towards Fully Flexible Photovoltaic Module”, KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN,FACULTEIT WETENSCHAPPEN DEPARTEMENT NATUURKUNDE, Celestijnenlaan, Leuven, België, 2006 [25] United Nations Environment Programme (UNEP), Global Environment Outlook (GEO) 2000, Earthscan Publications Ltd., London (2000) Website:www.unep.org [26] V Choong, Y Park, Y Gao, T Wehrmeister, K.Muellen, B R Hsieh and C W Tang, Appl Phys Lett, 1996, pp 1492 50 ... đến môi trường Với lý chúng tơi lựa chọn thực khóa luận: “Khảo sát tính chất quang vật liệu chế tạo mô vài thông số pin mặt trời hữu ” a Nội dung nghiên cứu: - Tính chất quang, điện vật liệu chế. .. đặc tính pin mặt trời Một số thuật ngữ sau dùng để xét đặc tính pin mặt trời - Voc Điện áp hở mạch - Isc Dòng ngắn mạch - FF Hệ số điền đầy -η Hiệu suất pin mặt trời Dòng điên tạo pin mặt trời Một. .. mặt trời Nói chung, pin mặt trời có cấu trúc gồm phần chính: Anode, katode (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