ĐỀ TÀI THUYẾT TRÌNH CÁC LOẠI SOLAR CELLS, KHOA VẬT LÝ, TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

CÁC LOẠI SOLAR CELLS, KHOA VẬT LÝ, TRƯỜNG ĐẠI HỌC ,KHOA HỌC TỰ NHIÊN

GVHD: Thầy Lê Trấn Đề tài: Các loại solar cells TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG  ĐỀ TÀI THUYẾT TRÌNH CÁC LOẠI SOLAR CELLS GVHD: TS Lê Trấn HVTH : Nguyễn Thị Hoài Phương Lớp : Cao học quang học – K21 TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2011 HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang GVHD: Thầy Lê Trấn Đề tài: Các loại solar cells MỤC LỤC I II III IV GIỚI THIỆU VÀ PHÂN LOẠI PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ THỨ I VÀ II A Đơn tinh thể B Màng mỏng PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ THỨ III A Pin từ polyme B Pin DSSC PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ THỨ IV HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang GVHD: Thầy Lê Trấn Đề tài: Các loại solar cells I GIỚI THIỆU VÀ PHÂN LOẠI Hiệu ứng quang điện phát năm 1839 nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên 1883 pin lượng tạo thành, Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem người tạo pin lượng mặt trời năm 1946 Sven Ason Berglund có phương pháp liên quan đến việc tăng khả cảm nhận ánh sáng pin Nói đến pin mặt trời nghĩ đến pin làm bán dẫn silic, bắt đầu có từ năm 1960 dùng nhiều lĩnh vực, tiện lợi giá đắt Tuy có nhiều cải tiến nhằm tăng hiệu suất, hạ giá thành xu hướng dùng pin mặt trời silic để sản xuất điện tốn kém, không cạnh tranh với cách sản xuất điện phổ biến Từ năm 1991 xuất loại pin Mặt trời kiểu gọi Pin Mặt trời chất màu nhạy quang Qua 15 năm phát triển, loại pin Mặt trời chứng tỏ rằng, dùng để sản xuất điện cạnh tranh với điện than, dầu mỏ… Phân loại: Sản lượng HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang GVHD: Thầy Lê Trấn Đề tài: Các loại solar cells Các hệ pin mặt trời  Thế hệ thứ I: - Silic đơn tinh thể ( c-Si)  Thế hệ thứ II: - Silic vô định hình (a-Si) - Silic đa tinh thể ( poly- Si) - Cadmium telluride ( CdTe)  Thế hệ thứ III: -Pin tinh thể nano (nanocrystal solar cell) -Photoelectronchemical (PEC) cell -Pin hữu ( polymer solar cell) -Dye sensitized solar cell ( DSSC)  Thế hệ thứ IV: - Hydrid – inorganic crystals within a polymer matrix II PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ THỨ I VÀ II A ĐƠN TINH THỂ Cấu tạo: Vật liệu xuất phát để làm pin Mặt trời silic phải bán dẫn silic tinh khiết Ở dạng tinh khiết số hạt tải (hạt mang điện) electron số hạt tải lỗ trống Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm bán dẫn loại n bán dẫn loại p ghép lại với cho có tiếp xúc p - n Vật liệu xuất phát để làm pin Mặt trời silic phải bán dẫn silic tinh khiết Silic đòi hỏi độ tinh khiết cao, điều thực cách:  Nuôi cấy nhờ nấu chảy: mẩu nhỏ vật liệu đơn tinh thể, gọi mầm, đưa vào tiếp xúc với bề mặt vật liệu pha lỏng sau kéo lên từ từ khỏi vật liệu nóng chảy Khi mầm kéo chậm, đông đặc xuất dọc theo giao diện rắn- lỏng HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang GVHD: Thầy Lê Trấn  Đề tài: Các loại solar cells Ni ghép: q trình lớp mỏng đơn tinh thể nuôi đơn tinh thể Có hai loại ni ghép: đồng ghép ghép khác loại Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm bán dẫn loại n bán dẫn loại p ghép lại với cho có tiếp xúc p - n Thực tế xuất phát từ phiến bán dẫn tinh khiết tức có nguyên tử Si để có tiếp xúc p - n, người ta phải pha thêm vào nguyên tử khác loại, gọi pha tạp Qúa trình pha tạp để tạo thành bán dẫn loại n loại p: pha tạp nguồn rắn/ khí pha tạp ion:  Sự khuếch tán tạp chất xuất tinh thể bán dẫn đặt mơi trường khí nhiệt độ cao (1000 oC) chứa nguyên tử tạp chất mong muốn Sự khuếch tán tạp chất q trình mà nhờ hạt tạp chất chuyển động từ vùng có nồng độ cao cạnh bề mặt tới vùng có nhiệt độ thấp tinh thể Khi nhiệt độ giảm, nguyên tử tạp chất bị cố định lại vĩnh viễn thành điểm mạng thay  Nuôi cấy ion xảy nhiệt độ thấp khuếch tán Một chùm chuẩn trực ion khuếch tán gia tốc có động dảy 50 eV lớn gia tốc phía tinh thể Những ion pha tạp lượng cao vào tinh thể dừng lại độ sâu trung bình tính từ bề mặt Một ưu điểm cấy ion điều khiển nguyên tử ion vào vùng đặc biệt tinh thể Một nhược điểm kĩ thuật nguyên tử tạp chất tới va chạm với nguyên tử tinh thể làm hỏng thay đổi vị trí mạng Trong thực tế chế tạo, người ta lấy mẫu bán dẫn tinh khiết pha tạp chất loại p với mật độ tạp acceptor Na (tạp chất loại p chất nguyên tố thuộc nhóm III, ví dụ Al), sau khuếch tán vào mẫu bán dẫn tạp chất loại n với mật độ tạp donnor N d (tạp chất loại n chất nguyên tố thuộc nhóm V, ví dụ P) với mật độ tạp N d > Na từ phía bề mặt mẫu Như bề mặt mẫu với độ sâu phụ thuộc vào q trình khuếch tán ta có lớp bán dẫn loại n Phía cịn lại lớp bán dẫn loại p Giữa hai lớp bán dẫn loại n loại p hình thành lớp chuyển tiếp p-n Mật độ hạt dẫn chất bán dẫn xác định từ định luật khối lượng hiệu dụng: n.pn = p.np = ni2 với n: mật độ electron lớp n; n p: mật độ electron lớp p; p: mật độ lỗ trống lớp p; pn: mật độ lỗ trống lớp n Khi cho hai khối bán dẫn n p tiếp xúc nhau, có khác mật độ hạt dẫn nên có khuếch tán electron từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p khuếch tán lỗ trống từ bán dẫn loại p sang loại n Trong trình khuếch tán chúng tái hợp với hạt miền chúng vừa tới Kết bán dẫn loại n, vùng gần mặt tiếp xúc hình thành miền điện tích dương, bán dẫn loại p, vùng gần mặt tiếp xúc xuất miền điện tích âm Nếu mật độ tạp chất N d = Na hai bán dẫn hai miền điện tích có độ dày chúng tạo thành lớp chuyển tiếp với điện trở lớn Khi trạng thái cân thiết lập, lớp tiếp xúc hình thành hiệu điện tiếp xúc U K (đối với Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V Đây hiệu sinh chỗ tiếp xúc không tạo dịng điện được) tương ứng hàng rào Vbi Hàng rào Vbi cản khuếch tán electron từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p khuếch tán lỗ trống từ bán dẫn loại sang bán dẫn loại n Dưới tác dụng điện trường lớp chuyển tiếp, mức lượng bán dẫn n tụt xuống, mức lượng bán dẫn p dịch lên phía Qúa trình dịch chuyển mức lượng ngừng mức Fecmi hai bán dẫn trùng Độ lớn rào: Vbi = ( e N d pn + N a n p 2ε s ) εs: số điện môi chất bán dẫn HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang GVHD: Thầy Lê Trấn p Đề tài: Các loại solar cells n Ep eVbi eφFp EF EF eφFn Ev Biểu đồ vùng lượng tiếp xúc p-n cân nhiệt Nguyên lí hoạt động: Nếu đưa phiến bán dẫn tạo lớp tiếp xúc p - n phơi cho ánh sáng mặt trời chiếu vào photon ánh sáng mặt trời kích thích làm cho điện tử liên kết với nguyên tử bị bật khỏi nguyên tử, đồng thời nguyên tử xuất chỗ trống thiếu electron, người ta gọi photon đến tạo cặp electron - lỗ trống Nếu cặp electron - lỗ trống sinh gần chỗ có tiếp p - n hiệu tiếp xúc đẩy electron bên (bên bán dẫn n) đẩy lỗ trống bên (bên bán dẫn p) Nhưng electron nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn mức cao hơn, chuyển động tự Càng có nhiều photon chiếu đến có nhiều hội để electron nhảy lên miền dẫn Đối với silic, để đưa electron từ miền hoá trị lên miền dẫn phải tốn lượng cỡ 1,1 eV Vậy lượng photon đến phải cao 1,1eV chút đủ để kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ tham gia tạo thành dịng điện pin Mặt trời Photon ứng với lượng 1,1 eV có bước sóng cỡ m tức hồng ngoại Vậy photon có bước sóng lục, lam, tử ngoai có lượng lớn lượng để kích thích điện tử Si nhảy lên miền dẫn Nếu bên ta dùng dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua phụ tải lèn LED chẳng hạn) electron từ miền dẫn bán dẫn loại n qua mạch chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào lỗ trống Đó dịng điện pin Mặt trời silic sinh chiếu sáng Hiệu suất pin khoảng 28% Sự hấp thụ photon: Khi chất bán dẫn chiếu ánh sáng, photon sáng bị hấp thụ truyền qua chất bán dẫn, phụ thuộc lượng photon phụ thuộc lượng vùng cấm Eg Nếu lượng photon E bé Eg, photon không dễ dàng bị hấp thụ Trong trường hợp này, ánh sáng truyền qua vật liệu chất bán dẫn xuất suốt Nếu E> Eg, photon tương tác với điện tử hóa trị nâng điện tử vào vùng dẫn Vùng hóa trị chứa nhiều điện tử vùng dẫn chứa nhiều trạng thái trống Tương tác tạo nên điện tử vùng dẫn lỗ trống vùng hóa trị Cường độ dịng photon vị trí x: HV: Nguyễn Thị Hoài Phương I v ( x ) = I v e −α x Trang GVHD: Thầy Lê Trấn Đề tài: Các loại solar cells α: hệ số hấp thụ Khảo sát silic có α = 1000 cm , độ dày chất bán sẫn hấp thụ 90% lượng photon tới, trường hợp bước sóng tới µm 0,023 cm; trường hợp bước sóng tới 0,5 µm 2,3 µm -1 Hạn chế : vật liệu xuất phát silic tinh khiết nên đắt B MÀNG MỎNG Cấu tạo:  PMT MIS (metal – isnulator – semiconductor) Cấu trúc pin gồm lớp kim loại phủ lên đế Si (loại n p), chúng lớp cách điện (insulator, thường SiO2) mặt điện cực trước Pin loại đơn giản có hiệu suất khơng cao PMT MIS  Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động q trình vật lý PMT PMT p-n dùng đế Silic đơn tinh thể PMT có cấu trúc mà từ ta dễ dàng hiểu nguyên lý hoạt động loại PMT khác Cấu trúc PMT p-n, chấm đen điện tử e-; chấm trắng lỗ trống h+ PMT loại có cấu trúc đơn giản dựa chuyển tiếp p-n (tương tự diod), hai điện cực kim loại, điện cực trước chế tạo dạng lưới kết hợp với lớp điện cực suốt để ánh sáng truyền qua cuối lớp chống phản xạ nhằm mục đích nâng cao khả hấp thụ ánh sáng cho pin Vấn đề quan trọng lớp bán dẫn phải có bề dày thích hợp cho hấp thụ nhiều photon ánh sáng tới đủ mỏng để hạt tải điện di chuyển hai điện cực mà không bị mát hết bên chất bán dẫn tái hợp Lớp chống phản xạ điện cực đóng vai trị quan trọng q trình hấp thụ chuyển hóa lượng pin Sự chuyển hóa lượng quang điện PMT gồm hai bước HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang GVHD: Thầy Lê Trấn Đề tài: Các loại solar cells - Đầu tiên chất bán dẫn hấp thụ photon với lượng lớn lượng vùng cấm Eg làm sinh cặp electron lỗ trống pin phơi sáng Đây q trình chuyển hóa quang thành hóa - Sau cặp electron lỗ trống phân ly chuyển mạch ngồi Đây q trình chuyển hóa hóa thành điện  Điện cực kim loại Điện cực kim loại PMT thực tiếp xúc kim – loại bán dẫn, chia làm hai loại: tiếp xúc Ohmic tiếp xúc Schottky Tiếp xúc Ohmic cho phép trao đổi hạt tải đa số bán dẫn kim loại cách dễ dàng tiếp xúc Schottky ngăn cản trao đổi hạt tải đa số bán dẫn kim loại Vì PMT người ta mong muốn tiếp xúc kim – loại bán dẫn tiếp xúc Ohmic Sự tiếp xúc kim loại bán dẫn loại n: cho kim loại có cơng A M tiếp xúc với bán dẫn loại n có cơng AS  Nếu AM > AS electron khuếch tán từ bán dẫn sang kim loại nhiều khuếch tán electron từ kim loại sang bán dẫn Khi cân bằng, mức Fecmi E FM kim loại cân với mức Fecmi EFS bán dẫn, bán dẫn tích điện dương, kim loại tích điện âm hai phía mặt tiếp xúc, hình thành miền tiếp xúc điện trường hướng từ bán dẫn sang kim loại tương ứng với hiệu điện tiếp xúc U K, electron bán dẫn hạ thấp Điện trường trường tiếp xúc làm thay đổi hoàn toàn phổ lượng bán dẫn tác dụng điện trường E K lớp tiếp xúc làm cho tất mức lượng bán dẫn bị uốn cong Mật độ electron lớp tiếp xúc phía bán dẫn giảm Các electron chuyển từ bán dẫn sang kim loại hình thành lớp nguyên tử bán dẫn nghèo electron hình thành lớp điện tích thể tích dương có độ dày d Trong d khơng cịn electron tự độ dày d lớn quãng đường tự electron nhiều, miền d có điện trở lớn Vì miền d gọi lớp chặn hay lớp khóa Lớp điện tích thể tích kim loại mỏng bề dày lớp điện tích thể tích bán dẫn nhiều, có uốn cong mức lượng nằm miền có độ dày d lớp khóa Electron từ bán dẫn, tác dụng điện trường tiếp xúc, electron có xu hướng bị đẩy xa mặt tiếp xúc Muốn thắng lực điện trường tiếp xúc, electron cần nhận cơng, cơng chuyển thành electron Vì dịch chuyển sâu vào vùng điện tích khơng gian (càng gần mặt tiếp xúc) ϕ(x) electron tăng mặt tiếp giáp electron đạt tới giá trị cực đại ϕ(x)max = ϕ(0)=-e.UK Gía trị cực đại gọi hàng rào cân electron từ bán dẫn sang kim loại HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang GVHD: Thầy Lê Trấn Độ dày lớp khóa d = Đề tài: Các loại solar cells 2ε εU K e.n với n: mật độ electron (hạt dẫn bản) bán dẫn loại n  Nếu AS > AM Khi electron từ kim loại khuếch tán sang bán dẫn tạo thành lớp tiếp xúc lớp điện tích âm bán dẫn, kim loại tích điện dương Trường tiếp xúc hướng từ kim loại sang bán dẫn Thế ϕ(x) electron giảm dần từ bán dẫn mặt tiếp xúc, ngược lại so với trường hợp AM> AS Mật độ electron lớp tiếp xúc bán dẫn tăng, độ dẫn điện bán dẫn loại n tăng Kết dòng điện qua lớp tiếp xúc kim loại-bán dẫn theo hai chiều thuận ngược nhau, qua điện trở có độ dẫn tăng so với bán dẫn Tiếp giáp gọi tiếp giáp mở hay tiếp giáp Ohmic, tiếp giáp tuyến tính, ứng dụng làm đầu nối linh kiện bán dẫn với mạch Các kim loại thường dùng chì, thiếc hợp kim chúng vàng nhôm vi điện tử Sự tiếp xúc kim loại-bán dẫn loại p: xét tương tự với hai trường hợp:  Khi AM < AS: kim loại tích điện dương electron khuếch tán từ kim loại sang bán dẫn nhiều từ bán dẫn sang kim loại, bán dẫn tích điện âm Điện trường lớp tiếp xúc hướng từ kim loại sang bán dẫn electron bán dẫn tăng lên Trên lớp tiếp xúc phía bán dẫn hình thành lớp nghèo hạt dẫn lỗ trống, điện trở lớn Do tiếp xúc trường hợp tiếp xúc chặn hay tiếp xúc khóa  Khi AM > AS : kim loại tích điện âm, bán dẫn tích điện dương Điện trường tiếp xúc hướng từ bán dẫn sang kim loại Thế electron bán dẫn giảm dần Tại lớp tiếp xúc phía bán dẫn hình thành lớp giàu hạt dẫn lỗ trống Lớp tiếp xúc trường hợp lớp tiếp xúc Ohmic HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang GVHD: Thầy Lê Trấn Đề tài: Các loại solar cells Khuyết điểm pin mặt trời hệ II: có hiệu suất chuyển hóa lượng ánh sáng thành điện thấp hơn, tuổi thọ thấp so với pin hệ I mức độ độc hại hóa chất sử dụng trình chế tạo cao III PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ THỨ III A Pin mặt trời từ polyme Cấu tạo: Hình: Cấu tạo pin mặt trời BHJ (bulk heterojunction) Một pin mặt trời hữu pin mặt trời polymer - fullerene (ví dụ C60) Các polymer mang nối liên hợp (- C = C - C = C -) polyacetylene (PA), polypyrrole (PPy), polyaniline (PAn), polythiophene (PT), poly (phenylene vinylene) (PPV) v.v polymer dẫn xuất Trong polyme này, liên kết nguyên tử cacbon tạo thành khung cacbon có liên kết đơi – đơn xen kẽ, hình thành liên kết π chạy dọc theo khung cacbon (hình 1) Các điện tử π khơng định chỗ lấp đầy tồn dải nên polyme liên hợp bán dẫn Dải π bị lấp đầy gọi obital phân tử bị chiếm cao (HOMO), dải π* trống gọi obital phân tử không bị chiếm thấp (LUMO) Hệ thống liên kết π bị kích thích điện tử nhảy từ HOMO lên mức LUMO HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang 10 GVHD: Thầy Lê Trấn Đề tài: Các loại solar cells (a) (b) Hình a) Hệ thống liên kết đơi đơn xen kẽ polyacetylen; b)Các điện tử π không định chỗ polyme liên hợp Khi polymer liên hợp kết hợp với dopant trở thành polymer dẫn điện Khi đó, điện tử p đóng vai trị quan trọng việc tạo dịng điện Khi có kích thích ánh sáng mặt trời, polymer mang nối liên hợp "phóng thích" điện tử p để lại nhiều lỗ trống (+) mạch polymer Vì vậy, polymer liên hợp gọi vật liệu loại p (p-type, p = positive = dương) Ngược lại, fullerene vật liệu nhận điện tử hiệu quả; sau nhận điện tử fullerene mang điện tích âm nên gọi vật liệu loại n (n-type, n = negative = âm) Hình: Quang tử ánh sáng mặt trời đánh bật điện tử khỏi mạch polymer poly (3hexylthiophene) (P3HT) nhận [6,6]-PCBM C60 (một chất dẫn xuất C60) Nguyên lý hoạt động Cơ chế biến đổi lượng mặt trời thành dịng điện pin nói chung xảy sau: − 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 âmdương (-)(+), lỗ trống - điện tử (exciton), 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 HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang 11 GVHD: Thầy Lê Trấn Đề tài: Các loại solar cells động vật liệu p tiến đến cực âm (hình a) Dịng điện xuất Hình a) Sự phân ly cặp lỗ trống - điện tử (h+ e-) mặt chuyển tiếp vật liệu p n b) Điện tử (e-) theo đường vân vật liệu n tiến đến cực dương, lỗ trống (h+) theo đường vân vật liệu p tiến đến cực âm Dòng điện xuất 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 Hình: Sơ đồ dịch chuyển điện tử polyme a Polyme hấp thụ ánh 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 hạt mang HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang 12 GVHD: Thầy Lê Trấn Đề tài: Các loại solar cells điện tự do; d Các hạt mang điện tự dịch chuyển theo pha tới điện cực; e Sự tái hợp điện tử - lỗ trống donor; f Sự tái hợp điện tử - lỗ trống bề mặt chung donor – acceptor Các mục tiêu đặt chế tạo pin mặt trời hữu Tăng khả hấp thụ ánh sáng Các nhà khoa học cố gắng tìm kiếm polyme dẫn có khả hấp thụ đến ánh sáng đỏ xạ mặt trời Hỗn hợp polyme – fullerene có khe dải lượng thấp, thay cho dẫn xuất PPV Các dẫn xuất polythiophene, copolyme polypyrrole/thiazadole thiophene/naphthene, có khả hấp thụ đến ánh sáng đỏ, ứng dụng quang điện Một cách khác thay polyme truyền điện tử hỗn hợp chất màu tinh thể liên hợp, anthrancence perylene, cho dải hấp thụ rộng Điều đạt dùng hạt nano bán dẫn vô hấp thụ ánh sáng đỏ, CdSe nano dạng que có khả hấp thụ ánh sáng có bước sóng 700nm Đặc biệt với CuInSe2 có khe lượng thấp (ở dạng khối khe lượng ~1 eV), dùng hỗn hợp polyme – hạt nano Một xu hướng khác dùng chất màu nhạy sáng, thường chất màu hữu cơ, người ta tạo đơn lớp chất màu donor acceptor, lớp chất màu có vai trị hấp thụ ánh sáng Yoshino (Nhật Bản) đưa cấu trúc pin hữu cơ: donor – chất hấp thụ - acceptor Tăng phát dòng quang điện tăng truyền điện tích Bản chất độ linh động điện tử chất hữu kém, cịn bị ảnh hưởng hiệu ứng bẫy điện tích tạp chất Trong nghiên cứu nay, polyme có độ linh động cao fluorene-triarylamine copolyme thiophene sử dụng thiết bị có cấu trúc hỗn hợp Để cải thiện truyền electron, người ta thêm vào thành phần vô tinh thể nano TiO2 TiO2 có ưu điểm rẻ, khơng độc, lại bền khơng khí, xử lý dạng cứng có cấu trúc nano Ngồi ra, tinh thể dạng dài quan tâm, kích thước tinh thể hướng khống chế chúng chất truyền electron Người ta nghiên cứu thiết bị mà sử dụng chất màu tinh thể hình kim, CdSe nano dạng que ống nano cacbon Bên cạnh đó, chất chuyển điện tử hữu có độ linh động độ bền tốt xem xét Sự điều chỉnh hình thái cấu trúc bề mặt Trong thiết bị dị đầu nối phân tán, việc tạo dòng quang điện truyền điện tích phụ thuộc vào hình thái cấu trúc bề mặt vật liệu Dòng quang điện tạo phụ thuộc vào độ dài khuyếch tán exciton, truyền điện tích lại cần có đường dẫn từ bề mặt chung tới điện cực (hình 4b) Trong thực tế, vật liệu có xu hướng tách rời trộn lẫn chúng với Người ta tập trung tìm cách điều chỉnh hình thái cấu trúc hỗn hợp, có hướng sau: Khống chế hình thái cấu trúc hỗn hợp thông qua điều kiện q trình xử lý, như: dung mơi, áp suất, nhiệt độ chất Cấu trúc pin Tổng hợp copolyme donor-acceptors copolyme khối Sự định vị nhóm D A khung cacbon đảm bảo cho việc truyền điện tử từ D sang A hiệu quả, tránh phân tách pha Với mục tiêu hấp thụ photon có bước sóng dài so HV: Nguyễn Thị Hồi Phương Trang 13 GVHD: Thầy Lê Trấn Đề tài: Các loại solar cells với đơn polyme, người ta thiết kế copolyme D-A Điều cải thiện việc bẫy ánh sáng, việc tách điện tích khó khăn Dùng màng hữu vơ có cấu trúc xốp Độ bền hiệu suất pin Các pin mặt trời hữu không bền hai nguyên nhân chính: - Thứ nhất, nhiều polyme liên hợp khơng bền có mặt oxi ánh sáng, sinh chất có khả phản ứng mạnh peoxit, chất phản ứng với vật liệu làm suy biến hóa tính vật liệu - Thứ hai tính khơng bền hỗn hợp donor – acceptor Khi tạo lớp, thành phần hỗn hợp bị đông cứng lại, theo thời gian thành phần tách ra, làm giảm hòa trộn hỗn hợp hiệu tách điện tích Vấn đề đặc biệt quan trọng hỗn hợp polymer – fullerene, fullerene có xu hướng tạo thành bó Vì vậy, cần có giải pháp để khắc phục vấn đề B Pin DSSC Pin mặt trời sở chất màu nhạy quang (DSSC), gọi pin O'Regan-Grätzel O'Regan Michael Grätzel công bố lần tạp chí Nature năm 1991 Hiệu suất chuyển hóa lượng ánh sáng mặt trời thành điện lúc 7,1 – 7,9% ánh sáng nhân tạo phịng thí nghiệm, hiệu suất tương đương với hiệu suất pin mặt trời Silicon đa tinh thể thời điểm, giá thành rẻ, ¼ giá pin mặt trời Silicon đa tinh thể Tuy nhiên, phải sử dụng dung dịch điện ly, pin mặt trời hệ gặp phải tính khơng ổn định q trình sử dụng tính rị rỉ khơng thể tránh khỏi Để hạn chế khuyết điểm này, nhiều nghiên cứu đời nhằm mục tiêu thay dung dịch điện ly chất điện ly rắn bán rắn Các loại chất điện ly dạng bao gồm: chất bán dẫn loại p, loại muối nóng chảy nhiệt độ phịng, polymer dẫn điện dạng ion, polymer hữu dẫn điện loại chất điện ly dạng gel Cấu tạo pin mặt trời DSSC: Cấu tạo pin mặt trời nhạy quang DSSC nói chung gồm: Điện cực làm việc (photo electrode), hệ điện ly (hệ oxi hóa khử I-/I3-), điện cực đối polymer gắn kết điện cực Hình 2.9 Cấu trúc pin mặt trời DSSC HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang 14 GVHD: Thầy Lê Trấn  Đề tài: Các loại solar cells Điện cực làm việc Điện cực làm việc hay gọi điện cực quang hay điện cực anode pin mặt trời DSSC cấu tạo lớp màng mỏng, xốp vật liệu có lượng vùng cấm phù hợp, hấp phụ lớp đơn phân tử chất nhạy quang, phủ thủy tinh dẫn điện polymer dẫn điện Các oxide kim loại TiO2, SnO2, ZnO, Nb2O5, W2O5… sử dụng làm điện cực cho pin DSSC, TiO2 anatase kích thước nano phù hợp để sử dụng làm màng bán dẫn cho điện cực làm việc pin DSSC khơng độc, giá thành thấp có lượng vùng cấm phù hợp Lớp màng mỏng dày 10 - 30 μm điện cực làm việc cấu tạo từ hạt nano TiO2 có kích thước 10-30 nm liên kết với nhằm tăng diện tích bề mặt riêng, tăng khả hấp phụ chất màu nhạy quang đồng thời có độ xốp cao giúp q trình khuếch tán chất điện ly dễ dàng Ngoài màng mỏng làm nhiệm vụ hấp phụ màu nhạy quang, điện cực anode cịn phủ lớp hạt TiO2 có kích thước vài trăm nm, làm nhiệm vụ tán sắc ánh sáng, giúp việc hấp thu lượng photon ánh sáng chiếu vào điện cực làm việc đạt hiệu cao  Chất màu nhạy quang Chất màu sử dụng pin mặt trời hệ có khả hấp thụ lượng mặt trời vùng khả kiến để đạt trạng thái kích thích Chất màu nhạy quang lựa chọn cho phù hợp với mức lượng chất bán dẫn đồng thời có độ bền bền nhiệt độ bền quang hóa cao Chất màu sử dụng ứng dụng pin mặt trời DSSC phức polypyridyl với nguyên tử kim loại trung tâm thường ruthenium, sắt, mangan…  Hệ điện ly oxi hóa khử Hệ điện ly sử dụng DSSC có vai trị làm trung gian vận chuyển electron điện cực quang TiO2 điện cực đối Nhiều nghiên cứu chứng minh hệ điện ly tốt cho pin DSSC cặp ơxi hóa khử I-/I3- Độ nhớt dung môi ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất pin định tốc độ khuếch tán ion dẫn điện Độ nhớt thấp tốc độ khuếch tán ion cao HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang 15 GVHD: Thầy Lê Trấn Đề tài: Các loại solar cells Cơ chế hoạt động pin mặt trời DSSC: phân tử màu hữu hấp phụ TiO2 tiếp nhận ánh sáng có bước sóng thích hợp (có lượng thích hợp) bị kích thích, chuyển từ trạng thái So sang trạng thái kích thích S* phóng thích electron Electron phân tử màu trạng thái kích thích có lượng cao lượng TiO2 nên electron bị rơi vào vùng dẫn TiO2 Electron lan truyền theo tinh thể lớp màng TiO2 đến lớp màng suốt dẫn điện theo chế khuếch tán dẫn mạch Phân tử màu bị electron trở thành chất bị khử S+, cần nhanh chóng cung cấp lại electron để hoàn nguyên lại trạng thái ban đầu Chất điện ly có pin thực nhiệm vụ chuyển electron từ điện cực đối phân tử màu cách thực phản ứng oxi hóa khử điện cực hỗ trợ chất xúc tác (Red) I3- + 2e →3I- (Ox) e (I-) + S+ →S Sau hoàn nguyên lại trạng thái ban đầu, phân tử màu sẵn sàng nhận lượng ánh sáng kích thích để tiếp tục cơng việc chuyển hóa lượng ánh sáng thành lượng điện Điểm khác biệt DSSC loại pin mặt trời khác vật liệu đảm nhận nhiệm hấp thu lượng photon chuyển hóa thành lượng điện (giải phóng electron) phân tử màu hữu Khi hấp thu photon có lượng thích hợp, electron phân tử chất màu bị kích thích di chuyển từ vân đạo HOMO – LUMO có lượng cao hơn, chế làm tách rời điện tử lỗ trống cịn gọi “electron injection”, điểm khác biệt chế tạo điện tử Chất bán dẫn sử dụng TiO2 có độ tinh khiết vừa phải, khơng địi hỏi độ tinh khiết cao nguyên liệu pin mặt trời khác, wafer Si…đồng thời thiết bị công nghệ chế tạo đơn giản hơn, nhờ pin DSSC có giá thành chế tạo thấp hứa hẹn tính kinh tế phổ cập Hơn nữa, nguyên liệu sử dụng pin DSSC TiO2 cịn mang tính thân thiện với mơi trường  Sự truyền điện tích pin DSSC a Truyền điện tích TiO2: chế truyền điện tích lớp màng TiO2 khuếch tán electron từ nơi có mật độ điện tích cao đến nơi có mật độ điện tích thấp b Truyền ion dung dịch điện ly: pin DSSC hoạt động liên tục nhờ vào việc phân tử chất màu nhạy quang S sau bị photon ánh sáng có lượng thích hợp kích thích, phóng thích electron vào bán dẫn TiO2 trở thành S+, sau ln hệ điện ly cung cấp electron để hoàn nguyên lại sẵn sàng để nhận lượng kích thích từ photon ánh khác Vai trò truyền vận electron dung dịch điện ly ion I I3 - đảm nhiệm Ưu điểm hạn chế: HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang 16 GVHD: Thầy Lê Trấn Đề tài: Các loại solar cells Mặc dù pin DSSC sử dụng dung dịch điện ly đạt hiệu suất chuyển hóa lượng ánh sáng thành điện cao 11% thời điểm tại, pin mặt trời hệ gặp phải tính khơng ổn định q trình sử dụng tính rị rỉ bay dung dịch điện ly tránh khỏi Để hạn chế khuyết điểm này, nhiều nghiên cứu đời nhằm mục tiêu thay dung dịch điện ly chất điện ly rắn bán rắn Các loại chất điện ly dạng bao gồm: chất bán dẫn loại p, loại muối nóng chảy nhiệt độ phịng, polymer dẫn điện dạng ion, polymer hữu dẫn điện loại chất điện ly dạng gel IV PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ THỨ IV: Cấu tạo: Hình 2.7 Pin mặt trời nano composite CdSe - cadmium (II) selenide P3HT - Poly-3-hexylthiophene ITO - Indium Tin Oxide (In2O3/SnO2) PEDOT:PS - Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) Phát triển từ pin mặt trời hệ III, hệ pin mặt trời lai IV đời, kết hợp nano tinh thể bán dẫn vô polymer dẫn điện tạo thành nano composite polymer Ưu điểm hệ pin mặt trời hệ IV có kích thước mỏng, nên kết hợp phủ nhiều lớp lên để tạo thành pin hấp thu nhiều dãy sóng ánh sáng khác nhằm tăng hiệu xuất chuyển hóa lượng Pin mặt trời hệ IV sản xuất theo quy trình lỏng – tự xếp, áp dụng quy trình cơng nghệ đơn giản in phun, in lụa giúp giảm giá thành Khuyết điểm hệ pin hiệu suất chuyển hóa lượng cịn thấp so với pin mặt trời silicon wafer, polymer sử dụng pin hệ bị thối hóa theo thời gian, làm hiệu suất pin giảm theo thời gian sử dụng Nguyên lý hoạt động : Ánh sáng hấp thụ polymer( P3HT) Các electron kích thích nanocrystal dẫn đến điện cực Polymer (Pedot: Ps) dẫn lỗ trống đến điện cực cịn lại dịng tải mạch ngồi HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang 17 ... Phương Trang GVHD: Thầy Lê Trấn Đề tài: Các loại solar cells I GIỚI THIỆU VÀ PHÂN LOẠI Hiệu ứng quang điện phát năm 1839 nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên 1883 pin lượng tạo thành,... Phương Trang GVHD: Thầy Lê Trấn  Đề tài: Các loại solar cells Ni ghép: q trình lớp mỏng đơn tinh thể nuôi đơn tinh thể Có hai loại ni ghép: đồng ghép ghép khác loại Để làm pin Mặt trời từ bán... trị cực đại ϕ(x)max = ϕ(0)=-e.UK Gía trị cực đại gọi hàng rào cân electron từ bán dẫn sang kim loại HV: Nguyễn Thị Hoài Phương Trang GVHD: Thầy Lê Trấn Độ dày lớp khóa d = Đề tài: Các loại solar