Giải bài toán khuếch tán của exiton trong cấu trúc đa lớp và cấu trúc tổ hợp với điều kiện biên khác nhau. Mô phỏng quá trình suy giảm năng lượng quang trong pin và trong từng cấu trúc của pin. Mô phỏng sự phân bố của điện trường bên trong pin cũng như từng lớp vật liệu trong pin. Giải thích và tối ưu hóa bề dầy các lớp vật liệu trong pin. Đánh giá chất lượng mô phỏng và tối ưu hóa thông qua việc chế tạo và thử nghiệm, và khảo sát thông số cơ bản một số mẫu pin mặt trời hữu cơ.
Trang 1Mô phỏng và tối ưu hóa pin mặt trời hữu cơ
cấu trúc nano đa lớp Phạm Thị Tuyết Lan
Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS ngành: Vật liệu và linh kiện Nanô
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm) Người hướng dẫn: TS Đinh Văn Châu
Năm bảo vệ: 2012
Abstract Giải bài toán khuếch tán của exiton trong cấu trúc đa lớp và cấu trúc tổ
hợp với điều kiện biên khác nhau Mô phỏng quá trình suy giảm năng lượng quang trong pin và trong từng cấu trúc của pin Mô phỏng sự phân bố của điện trường bên trong pin cũng như từng lớp vật liệu trong pin Giải thích và tối ưu hóa bề dầy các lớp vật liệu trong pin Đánh giá chất lượng mô phỏng và tối ưu hóa thông qua việc
chế tạo và thử nghiệm, và khảo sát thông số cơ bản một số mẫu pin mặt trời hữu cơ
Keywords Pin mặt trời; Linh kiện nano; Nano đa lớp
Content
Mở Đầu
Sự khủng hoảng năng lượng, sự nóng lên toàn cầu, sự phát thải của khí nhà kính là một trong những căn nguyên lớn nhất đe dọa tương lai cuộc sống trên trái đất Bên cạnh đó, khủng hoảng năng lượng, suy thoái kinh tế hiện nay và tính không ổn định của triển vọng sản xuất dầu và gas là động lực chính cho việc tìm kiếm và phát triển ngu ồn năng lượng mới ít tốn kém hơn, an toàn hơn và sạch hơn Trong số rất nhiều lựa chọn về giải pháp an ninh năng lượng bền vững, năng lượng quang điện (PV) được xem xét là một trong số các giải pháp tối
ưu đảm bảo an ninh năng lượng mà rất nhiều quốc gia đang hướng tới, bắt đầu từ nghiên cứu
cơ bản, triển khai thử nghiệm ứng dụng và tiến tới thương mại hóa Chính vì vậy, so với các giải pháp năng lượng sạch khác, chuyển đổi quang điện có những tiến bộ vượt bậc về công nghệ, kỹ thuật và thương mại hóa
Pin mặt trời hữu cơ là một trong số các thiết bị quang điện hứa hẹn tiềm năng ứng dụng rộng rãi, đa dạng trong tất cả mọi lĩnh vực, từ an ninh quốc phòng, công nhiệp đến dân sinh Pin mặt trời hữu cơ được hoạt động theo nguyên lý chuyển đổi ánh sáng thành điện năng thông qua việc sử dụng hợp chất hữu cơ hoạt quang phù hợp Mặc dù đã được phát triển từ cuối những năm 50 của thế kỷ truớc, pin mặt trời hữu cơ không được quan tâm đúng mức cho đến khi hợp chất polymer liệp hợp được ứng dụng làm chất hoạt quang trong linh kiện, làm tăng đáng kể hiệu suất của linh kiện Mặc dù vậy, hiệu suất của pin mặt trời hữu cơ vẫn thấp
so với hiệu suất pin mặt trời vô cơ Tuy nhiên, do có rất nhiều ưu điểm, chẳng hạn như có thể tạo ra màng mỏng trên nhiều dạng vật liệu khác nhau, hay như có thể dễ dàng chế tạo với giá thành thấp, nên pin mặt trời hữu cơ vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triển, nhằm cải thiện hiệu suất chuyển hóa
Trang 2Pin mặt trời hữu cơ là một trong những chủ đề quan trọng trong công nghiệp năng lượng cũng như trong an ninh năng lượng, không những của Việt Nam mà còn của rất nhiều quốc gia khác Tuy nhiên, cho dù đã tập chung nghiên cứu, nhiều vấn đề hiện vẫn chưa được
làm sáng tỏ Chính vì vậy chúng tôi chọn đề tài luận văn của tôi là: “Mô phỏng và tối ưu
hóa cấu trúc pin mặt trời hữu cơ cấu trúc nanô đa lớp”, nhằm mô tả sự khuếch tán của
exciton được xử lý trong mô hình mô phỏng quá trình suy hao năng lượng quang bên trong pin và tối ưu hóa độ dày của các lớp khác nhau trong cấu trúc pin mặt trời hữu cơ
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Pin mặt trời hữu cơ là một trong những chủ
đề quan trọng trong công nghiệp năng lượng cũng như trong an ninh năng lượng, không những của Việt Nam mà còn của rất nhiều quốc gia khác Tuy nhiên, cho dù đã tập chung nghiên cứu, nhiều vấn đề hiện vẫn chưa được làm sáng tỏ Đề tài tập chung xử lý vấn đề tối
ưu và mô phỏng hóa pin mặt trời hữu cơ cấu trúc đa lớp sử dụng lớp hoạt động quang methoxy-5(2’-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene) (MEH-PPV) (finite diference method), bài toán mô tả sự khuếch tán của exiton được xử lý trong mô hình mô phỏng quá trình suy hao năng lượng quang bên trong pin Điều này cho phép so sánh mật độ exiton và thông lượng qua mặt biên tiếp xúc giữa các lớp quang hoạt Tối ưu hóa độ dày của các lớp khác nhau trong cấu trúc pin cũng được xác định thông quá kết quả mô hình
poly(2-Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:
- Giải bài toán khuếch tán của exiton trong cấu trúc đa lớp và cấu trúc tổ hợp với điều kiện biên khác nhau
- Mô phỏng quá trình suy giảm năng lượng quang trong pin và trong từng cấu trúc của pin
- Mô phỏng sự phân bố của điện trường bên trong pin cũng như từng lớp vật liệu trong pin
- Giải thích và tối ưu hóa bề dầy các lớp vật liệu trong pin
- Đánh giá chất lượng mô phỏng và tối ưu hóa thông qua việc chế tạo và thử nghiệm,
và khảo sát thông số cơ bản một số mẫu pin mặt trời hữu cơ
Chương 1 Tổng Quan Về Pin Mặt Trời 1.1 Giới thiệu về pin mặt trời
Việc chuyển đổi từ ánh sáng mặt trời thành dòng điện đòi hỏi sự hình thành của cả điện tích âm và điện tích dương cũng như một lực điều khiển có thể đẩy các điện tích đó qua mạch điện ngoài Khi được kết nối với mạch điện bên ngoài, bất kỳ thiết bị điện nào, chẳng hạn một màn hình máy tính hay một động cơ của máy bơm nước, có thể sử dụng năng lượng mặt trời đã được chuyển đổi Trên thực tế, một tế bào năng lượng mặt trời (hình 1.1) có thể được hình dung như một cái bơm mà ánh sáng mặt trời điều khiển electron: Chiều cao tối đa
mà các electron có thể được “bơm” tương đương với điện áp cao nhất mà tế bào năng lượng mặt trời có thể đạt được Dòng điện lớn nhất được quyết định bởi “tốc độ bơm”
Trang 3Hình 1.1 Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hình Lớp màng
hữu cơ (Organic Film) có thể là một hoặc nhiều lớp bán dẫn cũng có thể là
một hỗn hợp hay một tổ hợp của chúng
Ở hình 1.2 mô tả các bước chuyển đổi của photon thành các hạt tải tách biệt được diễn
ra trong tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ Nó cũng cho thấy cơ chế mất mát liên quan và sự liên hệ với số lượng điện được sử dụng trong sơ đồ mạch điện tương đương (Equivalance Circuit Diagram - ECD)
Photon tới Bước chuyển đổi Cơ chế mất mát
Các hạt tải đã phân tách tại các điện cực
Hình 1.2 Các bước chuyển đổi chi tiết và cơ chế mất mát trong tế bào năng
- Tái hợp của các exciton (I0)
- Truyền exciton với sự tái hợp của exciton sau đó (I0)
- Không có phân tách hạt tải và sau đó là tái hợp của exciton (I0)
- Tái hợp của các hạt tải (Rsh)
- Độ linh động giới hạn của hạt tải
(Rs)
- Tái hợp gần các điện cực (Rsh2)
- Rào thế tại các điện cực (Rs, I0)
Trang 4Hình 1.3 Nguyên lý phân ly exciton và sự tách hạt tải trong một pin mặt trời
hữu cơ heterojunction
1.2 Sự khác nhau giữa pin mặt trời vô cơ và hữu cơ
Sự khác nhau cơ bản giữa pin mặt trời vô cơ và pin mặt trời hữu cơ là ở chỗ vật liệu được sử dụng để tạo thành chúng Dưới góc độ vật liệu, pin mặt trời hữu cơ được chia thành các loại sau đây:
1- Pin mặt trời hữu cơ chất màu nhạy sáng (Dye-sensitized OSCs)
2- Pin mặt trời phân tử (Molecular SCs)
3- Pin mặt trời hữu cơ cao phân tử (polymeric SCs)
4- Pin mặt trời hữu cơ tổ hợp (Mixed SCs)
Hình 1.7 mô tả sơ đồ mạch của một pin mặt trời dựa vào cơ chế phát hạt tải bên trong
SC Trong trường hợp của pin mặt trời hữu cơ, điện tử và lỗ trống liên kết chặt chẽ với nhau
và tạo một exciton (hình 1.7)
Trang 5Hình 1.7 Sơ đồ của một SC vô cơ (trái) và một SC nhiều mối nối hữu cơ (phải)
1.3 Các loại khác nhau của pin mặt trời hữu cơ
1 Pin mặt trời đơn lớp
Pin mặt trời này còn được gọi bằng tên Schottky OSC do đặc tính chuyển tiếp Schottky của thiết bị
2 Pin mặt trời dạng chuyển tiếp dị chất
Trong cấu trúc này, ánh sáng đến từ điện cực dương trong suốt sẽ bị háp thụ và sinh ra một exciton Exciton này khuếch tán tất theo tất cả các hướng (7-10 nm) tới bề mặt tiếp xúc của lớp cho và nhận nơi mà chúng được tách ra thành một lỗ trống và một điện tử Sau đó, hạt tải này sẽ tiếp cận điện cực nhờ cách lực điện trường cũng như hiện tượng khuếch tán, và
sẽ tạo ra dòng điện
3 Pin mặt trời dạng chuyển tiếp dị chất
Để giải quyết vấn đề của cấu trúc tiếp xúc dị chất dạng màng, một giải pháp được đưa
ra đo là phối trộn các vật liệu quang họat khác nhau thành dạng tổ hợp khối lớp quang hoạt Với giải pháp này diện tích bề mặt tiếp xúc được tăng lên, nên các exciton trước khi kết hợp lại đã được cơ may tách rời nhau ra tại bề mặt tiếp xúc Loại OSC này được gọi là OSC tiếp xúc khối (BHJOSC)
1.4 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời hữu cơ
So sánh sự khác biệt trong hình thành dòng điện của pin mặt trời hữu cơ và vô cơ có thể thể hiện trực quan bằng hình 1.12
Trang 6Hình 1.12 Cơ chế chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện trong thiết bị pin mặt
trời vô cơ và hữu cơ
1.5 Exciton
Như đã biết, trong các tinh thể bán dẫn, exciton là cặp điện tử - lỗ trống được liên kết với nhau bằng tương tác Coulomb Chúng được tạo ra khi vật liệu hoạt quang được chiếu sáng (photon), hoặc có thể được tạo ra bởi sự liên kết các điện tích trái dấu trong các linh kiện điện huỳnh quang dưới tác dụng của điện trường [19] Năng lượng cần thiết để tạo ra chúng phải lớn hơn hoặc bằng độ rộng vùng cấm của vật liệu Khi phân tử polymer dẫn nhận được
năng lượng kích thích (ánh sáng điện trường, v.v) đủ lớn thì điện tử nằm trong vùng HOMO
sẽ nhảy lên vùng LUMO, tạo ra điện tử trong vùng LUMO và để lại lỗ trống trong vùng HOMO Do tương tác tĩnh điện, điện tử và lỗ trống liên kết với nhau tạo thành cặp gọi là exciton Các exciton đó cần được phân tách ra trước khi hạt tải có thể được vận chuyển qua lớp màng và được thu lại tai các điện cực
Chương 2 Mô Phỏng Quá Trình Hoạt Động 2.1 Nguyên lý mô hình mô phỏng
Nguyên lý cơ bản vận dụng cho mô phỏng sự suy giảm năng lượng quang bên trong pin mặt trời hữu cơ nằm ở chỗ coi ánh sáng kích hoạt pin có bản chất sóng điện từ trường Sử dụng phương trình chuẩn tắc do Ghosh và Feng đưa ra để mô tả quá trình chuyển hóa điện trường ánh sáng thành dòng điện trong pin Mô phỏng được dựa theo những giả thiết sau:
1 Các lớp màng trong kết cấu pin là liên tục và đẳng hướng, do vậy có thể sử dụng chiết
suất phức để mô tả hiện tượng kích thích quang
2 Mặt phẳng tiếp giáp giữa các lớp song song nhau và phẳng so với bước sóng ánh
sáng
3 Ánh sáng tới được xem xét là sóng phẳng
4 Dòng hình thành trong pin do các exiton bị phân tách tại mặt biên
5 Độ rộng khuếch tán của exiton không phụ thuộc vào năng lượng bị kích thích
6 Mọi hạt tải được tạo ra sẽ hình thành nên dòng, nghĩa là không xảy ra hiện tái kết hợp
giữa các hạt tải
2.2 Phương trình toán học của điện trường và suy hao năng lượng quang của ánh
sáng
Trang 7Hình 2.2 Cấu trúc m lớp trong thiết bị pin mặt trời Trong mỗi lớp j (j=1,2 m) có chiều dày
d j và năng lượng quang được mô tả bằng chiết suất phức Năng lượng điện trường ở mỗi vị trí trong lớp j được chia thành hai thành phần: năng lượng điện trường dương và âm tương ứng với E j + và E j -
Điện trường tại mặt phẳng bất kỳ trong lớp j cách bề mặt biên (j-1)j về phía phải được
(2.24)
2.3 Phương trình khuếch tán exciton trong linh kiện
Giả định rằng tổng số hạt mang điện trong số Exciton (n(x)) ở vị trí x (khoảng cách trong vùng kích thích), là nguyên do để khuếch tán và suy giảm, phương trình mật độ exciton trở thành:
Trang 82.4 Tối ưu hóa cấu trúc linh kiện
Để tối ưu hóa độ dầy của lớp quang hoạt trong OPV, một số cách tiếp cận đã được sử dụng Một trong số cách tiếp cận đã được sử dụng đó là cực đại hóa cường điện trường tại bề mặt của lớp hoạt quang Cách tiếp cận này dựa vào nguyên lý mật độ excitons càng lớn nếu giá trị |E(x)|2
Trang 9Hình 3.1 Chiết suất thực của vật liệu thay đổi theo bước sóng ánh sáng tới
Trang 10Hình 3.2 Chiết suất ảo của vật liệu thay đổi theo bước sóng ánh sáng tới
3.2 Phân bố ánh sáng trong cấu trúc linh kiện
Sự hấp thụ ánh sáng của từng lớp cấu trúc trong linh kiện thay đổi theo phổ ánh sáng mặt trời có bước sóng trong khoảng 300 đến 800 nm được xác định bằng công thức 2.25 và biểu diễn trong hình 3.3
Trang 11Hình 3.3 Hệ số hấp thụ ánh sáng của vật liệu thay đổi theo bước sóng tới
Theo đó, có thể thấy rằng, với màng PCBM hấp thụ cực đại nhận được ở bước sóng 400
nm và giảm nhanh khi bước song trong giả từ 400 đến 600 nm Với PEDOT, độ hấp thụ hầu như không đổi từ dải sóng 400 đến gần 500 nm và tăng đột ngột từ vùng 500 đến 600nm và giữ ở mức cao từ bước sóng trên 600 trở đi
Với màng ITO, phần lớn vùng tử ngoại bị hấp thụ Đây là một tính chất phù hợp để bảo
vệ polymer khỏi sự lão hóa của tia tử ngoại Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, màng ITO hấp thụ cực đại ở bước sóng 447 nm (2,76eV)
Ánh sáng phản xạ trên bề mặt đế thủy tinh của điện cực truyền qua được tính toán theo công thức R r 2trong đó r nhận được từ phương trình 2.10 và 2.11 à được biểu diễn
trong hình 3.4
Trang 12300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
0 0.1 0.2 0.3 0.4
0.9
Reflectance Absorption
Hình 3.4 Phản xạ và hấp thụ ánh sáng trên bề mặt thủy tinh của linh kiện
Do lớp Al của linh kiện có độ dầy lớn hơn độ đâm xuyên của ánh sáng nên tổng lượng ánh sáng bị hấp thụ bởi linh kiện có thể được biểu diễn bằng A=1-Reflectance Phần ánh sáng bị hấp thụ bởi linh kiện thể hiện trong hình 3.4 (đường liền) phản ánh giới hạn cực đại phần quang năng thực tế có thể chuyển hóa thành dòng điện của linh kiện Theo kết quả tính toán, có thể thấy rằng linh kiện có thể chuyển hóa cực đại khoảng 95% ánh sáng tới ở bước sóng 320nm Điều đó có nghĩa là về mặt lý thuyết, có thể thu hồi được 95 % quang năng tại bước sóng này Tuy nhiên, điều này là không thể và nó chỉ có ý nghĩa trong đánh giá thiết kế linh kiện
3.3 Phân bố cường độ điện trường trong linh kiện
Cường độ điện trường ánh sáng tại mỗi điểm trong linh kiện được tính toán bằng công thức 2.23 Hình 3.5 biểu diễn sự phân bố giá trị MSE (
Trang 130 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0
thích bởi sự thay đổi giá trị của chiết suất thực n và hệ số dập tắt k thay đổi tại bề mặt biên
Hình 3.5 cũng cho thấy, với ánh sang tới khác nhau thì giá trị MSE trên mỗi lớp cũng sẽ khác nhau
Để thấy rõ sự ảnh hưởng của độ dầy lớp vật liệu hoạt quang đến phân bố của MSE trong nó, tính toán được thực hiện khi chỉ thay đổi độ dầy lớp PCBM trong khi các lớp vật liệu khác vẫn giữ nguyên Kết quả được biểu diễn trong hình 3.6
Trang 140 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
Trang 15Từ hình 3.5 và 3.6, có thể thấy rằng, bề mặt PEDOT/PCBM là bề mặt biên hoạt động chính của linh kiện Đa số các exiton sẽ bị phân tách tại bề mặt này Do vậy việc mở rộng diện tích bề mặt này là một trong những giải pháp để gia tăng hiệu suất chuyển hóa của linh kiện
3.4 Suy giảm năng lượng quang trong lớp hoạt quang
Lớp hoạt quang là thành phần quan trọng trong linh kiện vì phần lớn exiton được sinh
ra trong lớp này Khảo sát sự suy giảm năng lượng ánh sáng trong lớp hoạt quang sẽ có thể định tính đánh giá được đặc tính của linh kiện Nắng lượng ánh sáng tới cho tính toán suy giảm quang năng trong linh kiện được xác định ở điều kiện AM1.5 và biểu diễn trong hình 3.7
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
Hình 3.7 Năng lượng mặt trời tại điều kiện AM1.5
Đường đặc tính suy giảm quang năng trong lớp vật liệu này nhận được bằng cách sử dụng phương trình 2.24
