Đề Tài Pin Mặt Trời Hữu Cơ Học Phần Seminar Và Thảo Luận Nhóm Về Công Nghệ Nano Và Ứng Dụng.pdf

Một trong những trách nhiệm của các nhà khoa học là giúp phát triển những cáchthức mới mà chúng ta có thể tạo ra năng lượng, vì giành được quyền kiểm soát cácnguồn năng lượng như dầu mỏ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỀ TÀI:PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ

HỌC PHẦN: SEMINAR VÀ THẢO LUẬN NHÓM VỀ

MỤC LỤC

Lý do lựa chọn đề tài 4

Chương I Tổng Quan Về Pin Mặt Trời hữu cơ 5

1.Lịch sử pin mặt trời hữu cơ .5

2.Sự khác nhau giữa pin mặt trời vô cơ và hữu cơ 7

Chương II: Nguyên lý hoạt động - Cấu trúc 8

1.Nguyên lý hoạt động 8

Quá trình chuyển hóa quang năng thành điện năng bao gồm các bước sau: 8

2.Cấu trúc vùng năng lượng 9

3.Cấu trúc pin mặt trời hữu cơ 10

3.1.Tấm đế (substrate) 11

3.2.Lớp anode (phải trong 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 trong pin mặt trời hữu cơ 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 cơ 14

3.1.Phương pháp chung 14

3.2.Công nghệ chế tạo màng polymer dẫn trên nền P3HT/PCBM bằng phương pháp phủ quay - ứng dụng trong PIN mặt trời dị thế hữu cơ: 15

3.2.1.VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 16

4.Pin mặt trời hữu cơ làm từ rau cải ( thực vật ) 5 18

4.1.Sơ lược về protein quang hợp PS1 ở thực vật 18

4.2.Nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời sinh học sử dụng PS1 19 4.3.Phương án của các nhà khoa học tại Valderbilt 20

4.4 Kết quả 21

5 Các yếu tố góp phần chính vào việc tăng hiệu suất của pin mặt trời hữu cơ có thể được tóm tắt như sau: 21

CHƯƠNG IV.ỨNG DỤNG 23

KẾT LUẬN 24

Tài liệu tham khảo .24

Lý do lựa chọn đề tài

Pin mặt trời hữu cơ có nhiều ưu điểm; chúng linh hoạt, có thể in được, trọnglượng nhẹ và chi phí thấp, có thể được thiết kế hợp tính thẩm mỹ Các tế bào nănglượng mặt trời hữu cơ được in có thể được gắn vào mái nhà, cửa sổ và tường nhà vàcác tòa nhà Sự đa dạng của vật liệu hữu cơ có thể được tổng hợp chiếm ưu thế hơn vậtliệu vô cơ

Một trong những trách nhiệm của các nhà khoa học là giúp phát triển những cáchthức mới mà chúng ta có thể tạo ra năng lượng, vì giành được quyền kiểm soát cácnguồn năng lượng như dầu mỏ là một trong những lý do chính dẫn đến xung đột giữacác quốc gia

Ngày nay, pin mặt trời silicon đã được thương mại hóa và trở thành một nguồnđiện không thể thiếu Tuy nhiên, giá điện sản xuất từ pin mặt trời silicon vẫn cao hơngiá điện sản xuất từ dầu mỏ Để tăng sản xuất năng lượng từ pin mặt trời, giá điện sảnxuất từ pin mặt trời cần phải thấp hơn giá điện sản xuất từ dầu mỏ Pin mặt trời hữu cơ

có tiềm năng trở thành một phần của thế hệ pin mặt trời giá rẻ tiếp theo Hiệu suấtchuyển đổi năng lượng của pin mặt trời hữu cơ đã tăng mạnh vào khoảng năm 2000,cho thấy rằng công nghệ cần thiết để đưa chúng lên mức thương mại sẽ được thiết lậpvào khoảng năm 2020, có tính đến ví dụ về các thiết bị phát quang điện hữu cơ mà độtphá khoa học được thực hiện vào năm 1987 và thương mại hóa xảy ra vào khoảng năm

2010 Hiện nay, vào năm 2015, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời hữu

cơ đã đạt 12 %

Pin mặt trời hữu cơ có nhiều ưu điểm; chúng linh hoạt, có thể in được, trọnglượng nhẹ và chi phí thấp, có thể được thiết kế hợp thời trang và có thể được chế tạobằng cách cuộn sang cuộn, v.v Các tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ được in có thểđược gắn vào mái nhà, cửa sổ và tường nhà và các tòa nhà Có thể chế tạo ô tô bọc pinmặt trời hữu cơ in màu Hơn nữa, chúng thích hợp để xây dựng các nhà máy điện mặttrời trong không gian, vì trọng lượng nhẹ của chúng cho phép chúng dễ dàng đưa vàoquỹ đạo Trong phần này, lịch sử, nguyên tắc cơ bản và tiến bộ gần đây của pin mặttrời hữu cơ được tóm tắt

Có thể chế tạo ô tô bọc pin mặt trời hữu cơ in màu Hơn nữa, chúng thích hợp đểxây dựng các nhà máy điện mặt trời trong không gian, vì trọng lượng nhẹ của chúngcho phép chúng dễ dàng đưa vào quỹ đạo

Năng lượng tái tạo được tạo ra bởi pin mặt trời là một trong những giải pháp tiềmnăng cho vấn đề duy trì nguồn cung cấp năng lượng của chúng ta và chúng đã đượcnghiên cứu chuyên sâu trong khoảng nửa thế kỷ

Chương I Tổng Quan Về Pin Mặt Trời hữu cơ

Yếu tố thiết yếu nhất đối với pin mặt trời hữu cơ là sự tồn tại của các exciton, tức

là các cặp electron-lỗ trống liên kết chặt chẽ Để tạo ra hiệu quả các sóng mang quang

từ các exciton, người ta sử dụng sự nhạy cảm của chất cho-nhận Fullerenes hoạt độngnhư chất nhận được sử dụng trong các pin mặt trời hữu cơ hiện nay Vì chiều dàikhuếch tán của các exciton là cực kỳ nhỏ, các điểm nối hỗn hợp được sử dụng Việchình thành lộ trình cho cả các điện tử và lỗ trống được tạo quang tới các điện cựctương ứng bằng cách tách pha là cần thiết cho các mối nối hỗn hợp hữu cơ Độ lớn củahiệu điện thế có thể thu được được xác định bởi sự khác biệt giữa quỹ đạo phân tửkhông bị chiếm đóng thấp nhất ( LUMO ) của các phân tử chất nhận và quỹ đạo phân

tử bị chiếm dụng cao nhất ( HOMO ) của các phân tử cho Việc sử dụng các tế bàosong song đã có hiệu quả trong việc tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng Ngày nay,hiệu suất chuyển đổi điện năng của pin mặt trời hữu cơ đã đạt 12 % Đối với màng bándẫn hữu cơ được sử dụng trong pin mặt trời hữu cơ, cả màng phân tử nhỏ lắng đọng doquá trình bay hơi chân không khô và màng polyme lắng đọng trong quá trình ướt củalớp phủ spin đều được sử dụng

1.Lịch sử pin mặt trời hữu cơ

Pin mặt trời hữu cơ đầu tiên được chế tạo bởi Calvin vào năm 1958(Hình 1) Trong một thời gian dài, các màng đơn của chất bán dẫn hữu cơ phân tử nhỏlắng đọng bằng bay hơi chân không đã được sử dụng Chất bán dẫn hữu cơ điển hình làphthalocyanines và merocyanine Hầu hết các màng bán dẫn hữu cơ có đặc điểm loại p

vì các phân tử oxy từ không khí xung quanh, hoạt động như chất nhận, chắc chắn đãpha tạp chất trong màng Một dòng quang có thể được tạo ra tại điểm tiếp giápSchottky giữa màng hữu cơ loại p và kim loại có chức năng hoạt động thấp, chẳng hạnnhư Al Tuy nhiên, trong giai đoạn đầu của sự phát triển, pin mặt trời hữu cơ có rất ítdòng quang, thường nhỏ hơn vài micro-ampe

Hình 1: Lịch sử của pin mặt trời hữu cơ Các bước đột phá chính được chỉ định bằng các mũi tên Hiệu quả sau năm 2000 ( chấm ) được vẽ theo biểu đồ NREL Các chấm màu xám được vẽ theo các thông cáo báo chí gần đây.

Tế bào cơ sở silicon cho ứng dụng màng mỏng có những lợi thế to lớn như tỷ lệhấp thụ ánh sáng mặt trời tốt, độ rộng vùng cấm thích hợp cho các ứng dụng quangđiện, tuổi thọ dài hơn và cải thiện hiệu quả Nhưng quá trình tạo ra điện áp của tế bàogốc silicon rất tẻ nhạt và trên hết là rất tốn kém cho thị trường thương mại Nghiên cứu

về các chất thay thế cho silicon đã được tiến hành trong một thời gian hiện nay với một

số vật liệu vô cơ khác như Copper Indium Gallium Selenium (Cu-In-Ga-Se) [6],Cadmium Sulfide (CdS) [7], Chì Cadmium Sulfide (PbCdS)

Chúng ta có thể chia các công nghệ pin mặt trời thành ba tập hợp con

chung Chúng được gọi là thế hệ thứ nhất, thứ hai và thứ ba của công nghệ pin mặt trời

do thời gian gia nhập thị trường và chủng loại

1 Thế hệ đầu tiên bao gồm pin mặt trời silicon tinh thể (c-Si) thôngthường và Gallium Arsenide (GaAs) Thế hệ đầu tiên được sản xuất hàng loạtvào cuối những năm 1970

2 Sau đó, thế hệ thứ hai bao gồm Đồng Indium Gali Selenide màngmỏng ( CIGS ), Cadmium Telluride ( CdTe ), và silicon vô định hình (a-Si) Thế

hệ này nổi lên như một thế hệ tiếp theo cũng vào cuối những năm 1970 Lý do tạisao chúng được gọi là thế hệ thứ hai là độ dày của chúng ít hơn đáng kể so với thế

hệ đầu tiên Thế hệ đầu tiên bao gồm các tấm pin mặt trời dựa trên wafer Độ dàycủa tấm mỏng gần như 160-200 micromet (µm) Trong khi độ dày của các tấm pinmặt trời màng mỏng dao động từ vài nanomet (nm) đến hàng chục micromet

3 Thế hệ thứ ba mới nhất được tạo thành từ tế bào quang điện hữu cơ(OPV), pin mặt trời perovskite (PSC) và pin mặt trời nhạy quang (DSSC) Lịch

sử của thế hệ trở lại năm đầu tiên của những năm 1990 Điểm vượt trội của thế hệnày là tính linh hoạt của chúng so với các thế hệ khác

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 vậtliệu được sử dụng để tạo thành chúng Dưới góc độ vật liệu, pin mặt trời hữu cơ đượcchia 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)

Chương II: Nguyên lý hoạt động - Cấu trúc 1.Nguyên lý hoạt động

Quá trình chuyển hóa quang năng thành điện năng bao gồm các bước sau:

1 Sự hấp thụ photon

2 Sự hình thành và khuếch tán Exciton

3 Sự phân tách hạt tải tại vùng tiếp xúc bề mặt

4 Sự vận chuyển hạt tải

5 Sự thu hạt tải ở mỗi điện cực

Hình 1.Nguyên lý phân ly exciton và sự tách hạt tải trong một pin mặt trời hữu cơ heterojunction

Trong pin mặt trời dùng vật liệu hữu cơ, nguyên tắc chính là sự di chuyển điện tử từ một polymer/phân tử cho điện tử (electron donor (D) – bán dẫn loại p) đến một polymer/phân tử nhận điện tử (electron acceptor (A) – bán dẫn loại n) Sự di chuyển của điện tử sẽ tạo thành dòng điện

Điện tử bị quang tử kích thích nhảy lên trạng thái kích thích để lại một lỗ trống (+);

Vì điện tử có điện tích âm (-) và lỗ trống mang điện dương (+) tạo nên cặp âm-dương (-)(+), hay là lỗ trống - điện tử (exciton) (hình 3), chúng liên kết với nhau do lực hút tĩnh điện;

Cặp (+)(-) phải được tách rời để điện tử hoàn toàn tự do đi lại tạo ra dòng điện Những quang tử sẽ đánh bật điện tử ra khỏi mạng của vật liệu p tạo ra cặp âm dương (-) (+) (cặpđiện tử - lỗ trống) Chỉ những cặp ở gần vùng chuyển tiếp p-n (p-n junction) mới bị phântách Sau khi phân tách, điện tử sẽ di động trong vật liệu n tiến đến cực dương và lỗ trống (+) di động trong vật liệu p tiến đến cực âm (hình a) Dòng điện xuất hiện

Hình 2.Cơ chế chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện trong thiết bị pin mặt trời vô cơ và hữu cơ

2.Cấu trúc vùng năng lượng

Sự chồng chập quỹ đạo của điện tử trong liên kết π dẫn đến việc năng lượng của điện tửtrong liên kết π tách thành hai mức năng lượng: mức năng lượng liên kết π và mức năng lượngphản liên kết π* Mức năng lượng π được gọi là mức HOMO, mức năng lượng π* được gọi làmức LUMO Sự tách thành hai mức năng lượng này dẫn đến sự hình thành hai vùng nănglượng tương ứng LUMO và HOMO, chúng có tính chất giống như vùng dẫn và vùng hoá trịcủa bán dẫn vô cơ (Hình 2)

Hình 2.Sơ đồ mức năng lượng LUMO, HOMO và độ rộng vùng cấm của polymer dẫnKhe năng lượng được tạo thành giữa hai mức HOMO và LUMO được gọi là vùng cấmcủa polymer dẫn điện Các polymer dẫn điện khác nhau có độ rộng vùng cấm khác nhau Khinhận được những kích thích phù hợp từ photon, điện trường v.v, các điện tử có thể nhảy từ mứcHOMO lên mức LUMO tạo ra cặp điện tử - lỗ trống (exciton).

3.Cấu trúc pin mặt trời hữu cơ

Thành phần chính một cấu trúc pin mặt trời hữu cơ phổ biến

Cấu trúc của pin mặt trời hữu cơ Nói chung, pin mặt trời có cấu trúc gồm 3 phần chính: Anode, cathode (điện cực), tấm

đế và lớp hoạt quang (Photoactive layer - chất vô cơ cho pin mặt trời vô cơ và chất hữu cơ với pin mặt trời hữu cơ) như được mô tả trong

3.1.Tấm đế (substrate)

Được làm từ nhựa hoặc thủy tinh để có thể nâng đỡ được pin và trong suốt (vì cần để cho ánh sáng có thể truyền qua được dễ dàng)

3.2.Lớp anode (phải trong suốt)

Lớp anode yêu cầu phải được chế tạo bằng vật liệu trong suốt, có rào thế ΔEa giữa anode với lớp màng polymer tiếp xúc là nhỏ Thông thường, để làm giảm rào thế ΔEa, công thoát cho anode phải được nâng lên bằng cách sử dụng các vật liệu phù hợp.Vật liệu dùng để chế tạo anode phải có độ ổn định cao theo thời gian Vật liệu thường được dùng là ITO (là hỗn hợp của In2O3 và SnO2 theo tỷ lệ In2O3/ SnO2 = 9 / 1)

có khả năng hòa tan trong các dung môi hữu cơ

Vật liệu thường được dùng là: PVK hoặc PEDOT

3.4 Lớp truyền điện tử

Phân mức năng lượng giữa lớp truyền điện tử và cathode

Có tác dụng tăng cường quá trình truyền dẫn điện tử

Đảm bảo sự cân bằng hạt tải

Lớp này phải ổn định với nhiệt độ và các tác nhân hóa học

Vật liệu thường được dùng là : LiF

3.5.Lớp quang hoạt

Đây là 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 sự ổn định với nhiệt độ và các tác nhân hóa học, có khả năng truyền điện tử tốt, và phát ra phổ dòng điện chạy trong vật liệu.

Vật liệu thường được dùng cho lớp quang hoạt là: PPV, MEHPPV hoặc Alq3

Yêu cầu vật liệu làm cathode phải có công thoát thấp, dễ bốc bay trong chân không

2.Vật liệu polymer dẫn trong pin mặt trời hữu cơ

2.1.Định nghĩa

Polymer dẫn điện là hợp chất hữu cơ có phân tử được cấu tạo từ các vòng benzene, trong

đó các liên kết đơn C-C và đôi C=C của các nguyên tử cacbon luân phiên kế tiếp nhau Có thểnói rằng polymer dẫn điện là những đồng đẳng của benzene Liên kết giữa các phân tử đượcthực hiện bằng lực Van der Waals Do cấu trúc của vòng benzene nên trong phân tử polymerdẫn điện có rất nhiều liên kết đôi (hay còn gọi là liên kết π) kém bền vững dẫn đến trạng tháibất định xứ của điện tử dọc chuỗi polymer Các điện tử π có nhiều hoạt tính hóa học, rất dễphản ứng nếu có điều kiện thích hợp, chỉ cần một năng lượng nhỏ cũng đủ kích hoạt điện tử πsang trạng thái khác Do đó, các tính chất cơ bản trong đó có khả năng dẫn điện của polymerdẫn đều có nguồn gốc từ những điện tử π linh động

Hình 1 - Cấu trúc hóa học của một số loại polymer dẫn.

2.3.MEH-PPV

Hình 1.13 - Cấu trúc hóa học của MEH-PPV

MEH-PPV có độ rộng vùng cấm cỡ 2.1eV [24] và có khả năng hấp thụ tốt nhất bước sóngkhoảng 500nm Ngoài ra, MEH-PPV dễ bị hòa tan trong dung môi hữu cơ, dễ trải màng vàkhông yêu cầu nhiệt độ cao Chính vì các đặc điểm như trên, MEH-PPV được lựa chọn làm vậtliệu hoạt quang trong pin mặt trời cũng như vật liệu phát quang trong OLED

2.4.Vật liệu chế tạo lớp TCO (Transparent conducting oxides)

Cho thấy khả năng truyền quang cao trong phạm vi khả kiến, đòi hỏi khoảng cáchnăng lượng lớn hơn 3,3 eV Đặc tính dẫn điện biểu thị rằng TCO cho thấy độ dẫn điệncao trong khoảng từ 1 đến 10 S.cm .4 −1

Cấu trúc tinh thể của TCO loại n điển hình

Chất bán dẫn tinh khiết gần như cách điện, việc pha tạp chất làm tăng đáng kể độ dẫnđiện lên đến 10 S.cm Độ dẫn điện điển hình của TCOs nằm ở giữa kim loại và2 −1

chất bán dẫn có pha tạp chất Điều này là tự nhiên vì TCOs ban đầu là chất bán dẫnoxit trong suốt được pha tạp chất SnO với cấu trúc rutile bao gồm các khối bát diện2

chia sẻ cạnh dọc theo trục đã được biết đến như một TCO loại n.c

CdIn O và MgIn O với cấu trúc spinel có khối bát diện bán kính ion hiệu dụng2 4 2 4

của In và Sn lần lượt là 0,8 và 0,7 Å.3+ 4+

Khoảng cách giữa các nguyên tử là 3,2 Å trong In và 3,0 Å trong kim loại Sn trongkhi khoảng cách giữa các nguyên tử là 3,3 Å trong In O và 3,2 Å trong SnO 2 3 2

Vì khoảng cách giữa các ion trong các oxit rất gần với khoảng cách giữa các nguyên

tử trong kim loại nên có thể dễ dàng thấy các obitan 5 giữa các ion In hoặc0 3+

Sn trong oxit phần lớn có thể xen phủ như trong kim loại.4+

CHƯƠNG III.Chế tạo pin mặt trời hữu cơ 3.1.Phương pháp chung

Ăn mòn đế ITO Pha dung dịch MEH_PPV