nghiên cứu tính chất quang của vật liệu chế tạo và mô phỏng một vài thông số trong pin mặt trời hữu cơ

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Văn Giang NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ MÔ PHỎNG MỘT VÀI THÔNG SỐ TRONG PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật Lý Kỹ Thuật HÀ NỘI - 2011 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Văn Giang NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ MÔ PHỎNG MỘT VÀI THÔNG SỐ TRONG PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Cán bộ hướng dẫn: TS. Đinh Văn Châu Cán bộ đồng hướng dẫn: Th.S. Đỗ Ngọc Chung HÀ NỘI – 2011 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tất cả những thầy cô và mọi người đã giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận này! Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Đinh Văn Châu – Khoa Vật lý kỹ thuật & Công nghệ nano là thầy hướng dẫn của tôi. Thầy đã định hướng cho tôi biết hướng đi của đề tài và chỉ cho tôi các bước thực hiện công việc. Thầy luôn ưu ái dành nhiều thời gian để giảng giải cho tôi về các hiện tượng xảy ra trong quá trình thực nghiệm và giúp tôi tìm giải pháp để mang lại các kết quả tốt hơn. Ngoài ra thầy cũng giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi có thể hoàn thiện luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến ThS. Đỗ Ngọc Chung – Khoa Vật lý kỹ thuật & Công nghệ nano là cán bộ đồng hướng dẫn của tôi. Anh là người trực tiếp hướng dẫn tôi trong quá trình làm thực nghiệm. Anh luôn chỉ bảo tôi tận tình từ các công việc nhỏ nhất và ngoài ra còn cho tôi nhiều kinh nghiệm trong cuộc sống. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô, cán bộ tại Khoa Vật lý kỹ thật & Công nghệ nano đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi thực hiện công việc của mình. Cuối cùng tôi xin cảm ơn tất cả người thân, bạn bè đã luôn ủng hộ và động viên tôi khi tôi thực hiện khóa luận này. Xin chúc tất cả mọi người luôn mạnh khỏe và đạt được nhiều thành công! 3 TÓM TẮT NỘI DUNG Khóa luận cung cấp cái nhìn tổng quan về pin mặt trời, tính chất quang của một vài vật liệu phổ biến sử dụng để chế tạo pin mặt trời hữu cơ, cũng như mô phỏng sự phân bố của từ trường ánh sáng, sự suy hao năng lượng ánh sáng khi pin hoạt động. Một số pin có cấu trúc đơn lớp (ITO/MEH-PPV/Al) đã được chế tạo. Lớp bán dẫn hữu cơ MEH-PPV trong pin là nơi diễn ra sự hình thành các exiton, tiền đề để chuyển hóa quang năng thành điện năng. Phép đo IV trong điều kiện không chiếu sáng được thực hiện đối với 2 mẫu pin có độ dày lớp hoạt quang khác nhau. LỜI CAM ĐOAN 4 Tôi xin cam đoan tất cả các tài liệu tham khảo được tôi sử dụng trong khóa luận này đều đã được tôi chú thích bằng ký hiệu và có danh sách đi kèm đầy đủ. Tôi xin chịu mọi trách nhiệm nếu trích dẫn kết quả của tác giả khác mà không chú thích rõ ràng! MỤC LỤC 5 MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 3 1.1. Giới thiệu 3 1.2. Cấu trúc của pin mặt trời hữu cơ 6 1.3. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời hữu cơ 8 1.4. Phân loại pin mặt trời hữu cơ 9 1.5. Vật liệu polymer dẫn trong pin mặt trời hữu cơ 11 1.6. Exciton 13 1.7. Các đặc tính của pin mặt trời hữu cơ 15 1.8. Mô phỏng sự suy giảm quang năng bên trong pin mặt trời hữu cơ 18 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU 24 2.1. Vật liệu và 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 của vật liệu 31 1. Điện cực truyền qua ITO 31 2. Màng hoạt quang MEH-PPV 33 3. Điện cực Nhôm 37 3.2. Mô phỏng suy hao năng lượng phân bố mật độ exiton 37 1. Hệ số hấp thụ và phản xạ của pin 38 2. Sự phân bố cường độ điện trường và suy hao năng lượng trong lớp MEH-PPV 41 3.3. Đường đặc tính I-V của pin 43 KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 6 - A Electron acceptor (chất nhận điện tử) - CB Conduction band (vùng dẫn) - D Electron donor (chất cho điện tử) - EA Electron affinity (ái lực điện tử) - ECD 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 Light emitting device - LUMO Lowest unoccupied molecular orbital (quỹ đạo phân tử chưa lấp đầy thấp nhất) - MEH-PPV Poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4- phenylene vinylene] - PPV Poly(para-phenylene vinylene) - PVK Poly(vinyl carbazole) - VB Valence band (vùng hóa trị) MỞ ĐẦU 7 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 (CO 2 ) trong môi trường. Ngày nay có khoảng 20.10 12 kg 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 CO 2 tăng thêm này. Kết quả là nồng độ CO 2 trong khí quyển làm gia tăng đáng kể hiệu ứng nhà kính điều mà sẽ làm tăng nhiệt độ bề mặt trái đất - tới 0.6-7.0 0 C năm 2100 [8]. Nhiệt độ bề mặt trái đất đã tăng 0.3-0.6 o C từ cuối thế kỷ 19 và mực nước biển đã tăng 10-25cm, 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”. Trong cuộc chạy đua tìm kiếm năng lượng tái tạo, việc chế tạo pin dựa trên sự biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng, đang là một hướng đi mới trên thế giới. Pin mặt trời hiện có trên thị trường được chế tạo từ các vật liệu vô cơ như Silic. Với vật liệu này, người ta có thể chế tạo được 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 cơ đang thu hút sự quan tâm của giới khoa học. Mặc dù hiệu suất của loại pin này vẫn thấp hơn nhiều so với pin mặt trời từ silicon tinh thể (hiệu suất khoảng 5%), nhưng chúng có nhiều ưu điểm như có thể được sản xuất dễ dàng, giá rẻ và ít tác động đến môi trường. Với các lý do trên chúng tôi lựa chọn thực hiện khóa luận: “Khảo sát tính chất quang của vật liệu chế tạo và mô phỏng một vài thông số trong pin mặt trời hữu cơ ” a. Nội dung nghiên cứu : - Tính chất quang, điện của vật liệu chế tạo pin mặt trời hữu cơ: điện cực truyền qua ITO, lớp hoạt quang MEH-PPV, điện cực anode nhôm. - Mô phỏng sự phân bố điện trường ánh sáng, sự suy giảm năng lượng ánh sáng bên trong pin. - Chế tạo tế bào pin mặt trời cấu trúc đơn lớp ITO/MEH-PPV/Al và khảo sát tính chất điện của linh kiện. b. Phương pháp nghiên cứu: 8 - Lý thuyết: Mô phỏng sự suy biến năng lượng ánh sáng, sự phân bố điện trường ánh sáng trong pin, tương quan giữ hấp thụ và phản xạ trên bề mặt điện cực truyền qua của pin dựa theo sự thay đổi chiết suất phức của từng lớp vật liệu khi bước sóng ánh sáng tới thay đổi. - Thực nghiệm: Màng polymer được được chế tạo bằng phương pháp quay phủ li tâm (spin-coating). Màng kim loại nhôm (làm điện cực catot trong tế bào pin) được chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt trong chân không. Cấu trúc hình thái học bề mặt của màng polymer được khảo sát thông qua các phép đo như chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét trường (FESEM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM). Tính chất quang của màng MEH-PPV được nghiên cứu qua phép đo phổ hấp thụ. Tính chất điện của pin mặt trời sau khi chế tạo được đánh giá qua phép đo đặc tính IV c. Ý nghĩa của đề tài: Pin mặt trời hữu cơ là một giải pháp có nhiều triển vọng vì sử dụng công nghệ đơn giản và giá thành thấp hơn nhiều so với các pin mặt trời vô cơ. Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo các pin mặt trời hữu cơ là một hướng đi đúng đắn. Tuy mới chỉ chế tạo các pin với cấu trúc đơn giản nhưng các nội dung của đề tài là rất đáng quan tâm vì đây là một hướng đi mới và chưa phổ biến tại Việt Nam. CHƯƠNG 1 9 TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 1.1 Giới thiệu 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”. Hình 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. Giả sử “bơm” có thể đẩy 100 electron/s từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB), dòng liên tục cao nhất có thể của các điện tử chạy qua mạch ngoài sau đó cũng là 100 electron/s. Nếu dòng điện chạy qua mạch ngoài bị giảm đi bởi điện trở tải – ví dụ còn 80 electron/s thì 20 electron/s còn lại sẽ rơi trở lại vùng hóa trị trước khi chúng có thể tách khỏi tế bào và được gọi là dòng rò [5]. Trong các vật liệu bán dẫn, thực tế, dòng rò như trên được hiểu đơn giản là do sự tái tổ hợp của các hạt tải bị kích thích. Dòng rò thường chủ yếu gây ra bởi các khiếm khuyết hoặc bởi sai hỏng so với cấu trúc của vật liệu bán dẫn lý tưởng. Điều này làm tăng sự xuất hiện của các mức năng lượng được cho phép trong vùng cấm. Chỉ khi nào không có những sai hỏng, bức xạ tái tổ hợp mới xuất hiện trên phạm vi 10 [...]... triển 1.2 Cấu trúc của pin mặt trời hữu cơ Hình 1.3 - Cấu trúc chung của 1 tế bào năng lượng mặt trời Nói chung, pin mặt trời có cấu trúc gồm 3 phần chính: Anode, katode (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 Hình 1.3 Các lớp đệm có thể bổ sung để tăng chất lượng của pin 13 1 Tấm đế (substrate)... liên hợp chịu sự kích thích quang [9, 21, 22] 21 1.7 Các đặc tính của pin mặt trời Một số thuật ngữ sau đây được dùng để xét các đặc tính của pin mặt trời - Voc Điện áp hở mạch - Isc Dòng ngắn mạch - FF Hệ số điền đầy - η Hiệu suất của pin mặt trời 1 Dòng điên tạo ra trong pin mặt trời Một pin mặt trời được chiếu sáng có thể thay thế cho một quả pin hay một máy phát điện trong một mạch điện đơn giản Khi... giữa điện cực và lớp quang hoạt làm hiệu xuất truyền hạt tải đến các điện cực, do vậy, hiệu suất của pin được cải thiện Hạn chế của cấu trúc này là một vài tính chất cơ học của vật liệu bán dẫn hữu cơ cần được đáp ứng (nhiệt độ chuyển pha thấp) để tạo thành lớp trộn lẫn 1.5 Vật liệu polymer dẫn trong pin mặt trời hữu cơ 1 Định nghĩa Polymer dẫn điện là hợp chất hữu cơ có phân tử được cấu tạo từ các vòng... - Ảnh hưởng của các điện trở kí sinh Đường màu đen trong cả 2 biểu đồ thể hiện cho trường hợp Rs = 0 và Rsh = ∞ Bên trái là ảnh hưởng của điện trở chuỗi Rs khi nó tăng lên Bên phải là ảnh hưởng của việc giảm điện trở shunt - Rsh [12] 1.8 Mô phỏng sự suy giảm quang năng bên trong pin mặt trời hữu cơ Như đã trình bày ở trên, quá trình đầu tiên để dòng điện trong pin mặt trời hữu cơ được tạo ra đó là... thế có thể là kết quả của sự phân cực được áp dụng nhưng hiệu điện thế cũng sẽ được tạo ra khi pin mặt trời được kết nối trong một mạch điện có tải [12] Idark (V) = I0 (exp qV − 1) k BT (1.2) I0 là không đổi với một pin mặt trời cho trước, V là điện thế áp, T là nhiệt độ, q là điện tích nguyên tố và kB là hằng số Boltzmann’s Dòng điện tổng cộng của pin mặt trời là một hàm số của điện áp được cấp được... oxy hoá, và ít bị ảnh hưởng của độ ẩm môi trường Yêu cầu vật liệu làm cathode phải có công thoát thấp, dễ bốc bay trong chân không 1.3 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời hữu cơ Cơ chế biến đổi năng lượng mặt trời thành dòng điện trong pin nói chung xảy ra theo các bước sau: - Điện tử bị quang tử kích thích nhảy lên trạng thái kích thích hình thành nên exiton Vì điện tử có điện tích âm (-) và lỗ trống... dòng điện sẽ nằm trong khoảng 0 tới Isc và giá trị xác định bởi đặc tính IV Dòng ngắn mạch được đưa ra bởi công thức sau [12]: ∫ Isc = QE(E)n(ω)dE (1.1) Trong đó, n( ω ) là thông lượng bức xạ mặt trời của các photon với năng lượng E =  ω và QE(E) là hiệu suất lượng tử, đại diện cho tính chất của vật liệu và được định nghĩa là xác suất để một photon tới tạo ra một điện tử ở mạch ngoài Thông thường, QE(E)... mạch ngoài Thông thường, QE(E) phụ thuộc vào các thông số của pin mặt trời như hệ số hấp thụ, hiệu suất phân tách hạt tải và hiệu quả thu giữ hạt tải v.v 2 Dòng tối Một điôt cho một dòng lớn hơn khi một điện áp được cung cấp theo hướng phân cực thuận hơn là hướng kia - phân cực ngược Một tế bào pin mặt trời hoạt động như một điôt dưới sự phân cực và dòng điện được tạo ra bởi sự phân cực này được gọi là... tụ để tạo ra cặp điện tử - lỗ trống ở pha lỏng với nhiều tính chất thú vị [13] 2 Exciton trong pin mặt trời hữu cơ Năng lượng liên kết Eb của các exciton trong vật liệu bán dẫn hữu cơ – đặc biệt là cho các polymer liên hợp như PPV và các dẫn xuất của nó – đã nhận được nhiều sự tranh luận mạnh mẽ trong suốt nhiều năm qua Giá trị E b dao động trong khoảng từ rất nhỏ [4] so với giá trị trung bình (khoảng... tử trong polymer:a- Polyme hấp thụ ánh bức xạ mặt trời tạo cặp exiton khuyếch tán tới bề mặt chung donor – acceptor; b-Tại bề mặt tiếp xúc, điện tử chuyển tới acceptor, tạo cặp điện tử - lỗ trống; c- Sự phân tách cặp điện tử - lỗ trống tạo các hạt mang điện tự do; d- Các hạt mang điện tự do dịch chuyển theo các pha tới các điện cực 1.4 Phân loại pin mặt trời hữu cơ Theo cấu trúc, pin mặt trời hữu cơ . NGHỆ Nguyễn Văn Giang NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ MÔ PHỎNG MỘT VÀI THÔNG SỐ TRONG PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật Lý Kỹ Thuật HÀ. Nguyễn Văn Giang NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ MÔ PHỎNG MỘT VÀI THÔNG SỐ TRONG PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Cán. 3 1.2. Cấu trúc của pin mặt trời hữu cơ 6 1.3. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời hữu cơ 8 1.4. Phân loại pin mặt trời hữu cơ 9 1.5. Vật liệu polymer dẫn trong pin mặt trời hữu cơ 11 1.6. Exciton