NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU CHUYỂN TIẾP DỊ CHẤT KHỐI CẤU TRÚC NANO TRÊN CƠ SỞ ỐNG CARBON NANO (CNTs) VÀ POLYMER DẪN, ỨNG DỤNG CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ DUY LIÊM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU CHUYỂN TIẾP DỊ CHẤT KHỐI CẤU TRÚC NANO TRÊN CƠ SỞ ỐNG CARBON NANO (CNTs) VÀ POLYMER DẪN, ỨNG DỤNG CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO HÀ NỘI - 2016 i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ DUY LIÊM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU CHUYỂN TIẾP DỊ CHẤT KHỐI CẤU TRÚC NANO TRÊN CƠ SỞ ỐNG CARBON NANO (CNTs) VÀ POLYMER DẪN, ỨNG DỤNG CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện nano Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Phương Hoài Nam HÀ NỘI - 2016 ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, em xin bày tỏ kính trọng biết ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Phương Hoài Nam, Thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, giảng dạy cho em kinh nghiệm quý báu suốt thời gian thực đề tài nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo cán Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội giúp đỡ, khích lệ, dạy tận tình cho em kiến thức kinh nghiệm suốt thời gian học tập Trường Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Ban chủ nhiệm, thầy cô giáo, cán Khoa Vật lý kỹ thuật Công nghệ nano, Phòng thí nghiệm công nghệ Nano giúp đỡ nhiệt tình tạo điện kiện thuận lợi cho em học tập hoàn thành luận văn Cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn tới gia đình yêu thương Em xin gửi lời cám ơn anh chị, bạn bè, đồng nghiệp động viên, quan tâm đồng hành sống việc hoàn thành luận văn Luận văn hoàn thành với hỗ trợ kinh phí Đề tài nghiên cứu cấp ĐHQG mang mã số QG.15.26 Hà Nội, ngày tháng Tác giả iii năm 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn tốt nghiệp riêng tôi, hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Phương Hoài Nam Các kết số liệu trình bày luận văn trung thực chưa sử dụng luận văn khác Đó kết nghiên cứu mà thực trình hoàn thiện luận văn phòng thí nghiệm Khoa vật lý kĩ thuật Công nghệ nano – Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Hà Nội, ngày tháng Tác giả Vũ Duy Liêm iv năm 2016 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT LUMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital (Mức orbital phân tử chưa điền đầy thấp nhất) HOMO Highest Occupied Molecular Orbital (Mức orbital phân tử điền đầy cao nhất) FF Fillfactor (hệ số điền đầy) ITO Iridium – Tin – Oxide PCE Power conversion efficiency (Hiệu suất chuyển đổi lượng) PPV Polypara-phenylene vinylene PVK Poly (N-vinylcarbazole) MEH- PPV Poly [2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4 - phenyle vinylene] P3HT Poly (3-hexylthiophene) PCBM Phenyl-C61-Butyric acid methyl ester PL Photoluminescence (Quang huỳnh quang) OPV Organic photovoltaic (Tế bào quang điện hữu cơ) v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN III LỜI CAM ĐOAN IV DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT V MỤC LỤC VI DANH MỤC HÌNH ẢNH VIII MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Ống Nano Carbon (CNTs) 1.1.1 Lịch sử hình thành 1.1.2 Phân loại ống nano bon 1.1.3 Tính chất ống nano carbon 1.1.4 Các phương pháp chế tạo ống nano carbon 1.1.5 Ứng dụng ống nano Carbon 1.2 Vật liệu bán dẫn hữu – Polymer dẫn 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.2 Polymer cấu trúc nối đôi liên hợp 1.2.3 Cấu trúc vùng lượng bán dẫn hữu 10 1.2.4 Tính chất điện 11 1.2.5 Tính chất quang 12 1.2.6 Poly (N-vinylcarbazole) - PVK 15 1.2.7 Poly (3-hexylthiophene) – P3HT 16 1.3 Vật liệu chuyển tiếp dị chất cấu trúc nano 17 1.4 Pin mặt trời hữu 18 1.4.1 Giới thiệu chung 18 1.4.2 Cấu trúc pin mặt trời hữu 22 1.4.3 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời hữu 24 1.4.4 Phân loại pin mặt trời hữu 25 1.4.5 Các thông số kĩ thuật pin mặt trời 27 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ NGHIÊN CỨU 30 2.1 Phương pháp quay phủ ly tâm (Spin – coating) 30 2.2 Phương pháp đo phổ hấp thụ UV - Vis 31 2.3 Phương pháp đo phổ quang – huỳnh quang 32 vi 2.4 Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét FE-SEM 33 2.5 Phương pháp đo chiều dày màng mỏng 34 2.6 Chế tạo pin mặt trời hữu 35 2.6.1 Chế tạo màng điện cực ITO phương pháp ăn mòn hóa học ướt: 35 2.6.2 Chế tạo lớp hoạt quang pin mặt trời hữu 35 2.6.3 Chế tạo màng điện cực Al phương pháp bốc bay nhiệt chân không 36 2.6.4 Pin mặt trời với lớp hoạt quang màng mỏng dị chất khối cấu trúc nano………37 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 39 3.1 Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất vật liệu chuyển tiếp dị chất khối cấu trúc nano sở CNTs polymer dẫn 39 3.1.1 Nghiên cứu cấu trúc hình thái học màng blend PVK:P3HT vật liệu tổ hợp 40 3.1.2 Khảo sát độ dày màng vật liệu tổ hợp 41 3.2 Khảo sát tính chất hấp thụ ánh sáng vật liệu 42 3.2.1 Phổ hấp thụ UV-Vis màng blend conducting polymer 42 3.2.2 Phổ hấp thụ UV-Vis vật liệu chuyển tiếp dị chất khối 44 3.2.3 Ảnh hưởng CNTs đến phổ hấp thụ UV-Vis vật liệu chuyển tiếp dị chất khối 44 3.3 Khảo sát hiệu ứng dập tắt huỳnh quang vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất khối 45 3.3.1 Hiệu ứng dập tắt huỳnh quang màng PVK:PCBM 45 3.3.2 Hiệu ứng dập tắt huỳnh quang màng P3HT:PCBM 47 3.3.3 Hiệu ứng dập tắt huỳnh quang màng PVK:P3HT:PCBM 48 3.4 Ứng dụng vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất PVK:P3HT:PCBM:CNTs chế tạo pin mặt trời hữu (OSC) 49 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH HÌNH 1 Cấu trúc lượng hấp thụ quang CNTs HÌNH Phổ hâp thụ quang từ phân tán ống nano carbon đơn tường HÌNH giáo sư Alan Heeger, Alan Mac Diarmid Shirakawa (từ trái qua phải).8 HÌNH Cấu trúcphân tử Polyacetylene HÌNH Cấu trúc phân tử độ rộng vùng cấm số polymer dẫn 90 HÌNH Khung carbon chứa hệ thống nối đôi liên hợp (a), cấu trúc vùng lượng bán dẫn hữu (b),(c) 10 HÌNH Sự tương đồng polymer liên hợp bán dẫn 10 HÌNH Polaron, bipolaron hình thành giải lượng tưng ứng Cb – conduction band (dải dẫn điện), vb – valence band (dải hóa trị) 11 HÌNH Sự dịch chuyển điện tử (-) lỗ trống (+) 12 HÌNH 10 Quá trình chuyển mức xảy hợp chất hữu 12 HÌNH 11 Biến đổi trạng thái điện tử polymer 13 HÌNH 12 Quá trình vật lý diễn sau phân tử hấp thụ photon 13 HÌNH 13 Phổ hấp thụ, quang - huỳnh quang (pl) điện- huỳnh quang (el) ppv 145 HÌNH 14 Phổ quang huỳnh quang điện huỳnh quang màng tapc (a) cấu trúc phân tử tapc (b) 14 HÌNH 15 Cấu trúc phân tử PVK 15 HÌNH 16 Phổ hấp thụ (a) phát quang (f) PVK 16 HÌNH 17 Cấu trúcphân tử P3HT 16 HÌNH 18 Phổ hấp thụ P3HT 17 viii HÌNH 19 Cấu tạo tế bào pin mặt trời hữu điển hình Lớp màng hữu (organic film) nhiều lớp bán dẫn hỗn hợp tổ hợp chúng 19 HÌNH 20 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 20 HÌNH 21 Cấu trúc tế bào lượng mặt trời 22 HÌNH 22 Phân mức lượng lớp truyền điện tử cathode 23 HÌNH 23 Quang tử ánh sáng mặt trời "đánh bật" nâng điện tử lên dải dẫn điện để lại lỗ trống (+) dải hóa trị Cặp (+)(-) (lỗ trống - điện tử) gọi exciton 25 HÌNH 24 Sơ đồ dịch chuyển điện tử polymer: 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 phân tách cặp điện tử - lỗ trống; c- phân tách cặp điện tử - lỗ trống tạo hạt mang điện tự do; d- hạt mang điện tự dịch chuyển theo pha tới điện cực 25 HÌNH 25 Cấu trúc đơn lớp pin mặt trời 26 HÌNH 26 Cấu trúc hai lớp pin mặt trời 26 HÌNH 27 Cấu trúc hỗn hợp pin mặt trời 26 HÌNH 28 Pin mặt trời cấu trúc nhiều lớp 27 HÌNH 29 Mô tả đặc trưng IV Đường cong IV bóng tối ánh sáng thể với công suất hàm số điện cung cấp Điểm mà công suất cực đại với ISC VOC ……29 Hình Sơ đồ trình quay phủ ………………………………………… 30 HÌNH 2 Thiết bị spin-coating WS-400B-6NPP, LAURELL (ANH) 31 HÌNH Thiết bị đô phổ UV-VIS SP3000-Nano 32 HÌNH Thiết bị đo phổ quang – huỳnh quang FLUOROMAX – 33 HÌNH Thiết bị FE-SEM HITACHI - S4800 34 ix HÌNH Hệ đo ALPHA-STEP IQ PROFILER 34 HÌNH Màng ITO sau ăn mòn 35 HÌNH Các loại thuyền điện trở kim loại: dây điện trở (A-D), điện TRỞ (E-G) 37 HÌNH Thiết bi ̣ bốc bay nhiệt chân không ULVAC-SINKU KIKO 37 HÌNH 10 sơ đồ cầu trúc pin mặt trời chế tạo 38 HÌNH Ảnh FE-SEM màng Blend PVK:P3HT = 50:100 … …………… 40 HÌNH Ảnh AFM màng PVK:P3HT:PCBM:CNTs 41 HÌNH 3 Ảnh FE-SEM màng vật liệu tổ hợp PVK:P3HT:CNTS 41 HÌNH Độ dày màng PVK:P3HT:PCBM 42 HÌNH Phổ UV-VIS PVK P3HT 42 HÌNH Phổ UV-VIS màng Blend Polymer 43 HÌNH Phổ UV-VIS màng Polymer Blend Polymer 44 HÌNH Phổ UV-VIS màng PVK:PCBM:CNTS P3HT:PCBM:CNTs 45 HÌNH Phổ quang - huỳnh quang màng PVK PVK:PCBM, bước sóng kích thích 325nm 46 HÌNH 10 Giản đồ mức lượng PVK PCBM 47 HÌNH 11 Phổ quang - huỳnh quang màng P3HT:PCBM = 1:1, bước sóng kích thích 530nm 48 HÌNH 12 Phổ quang - huỳnh quang màng PVK:P3HT:PCBM, bước sóng kích thích 325nm 48 HÌNH 13 Phổ quang - huỳnh quang màng PVK:P3HT:PCBM = 0,5:1:1,5 (theo khối lượng), bước sóng kích thích 530nm 49 x Hình Ảnh AFM màng PVK:P3HT:PCBM:CNTs Hình 3.3 ảnh FE-SEM màng PVK:P3HT:CNTs = 50:100:8 (theo khối lượng), cho thấy ống CNTs có đường kính trung bình khoảng 20nm phân tán đồng vật liệu tổ hợp Hình 3 Ảnh FE-SEM màng vật liệu tổ hợp PVK:P3HT:CNTs 3.1.2 Khảo sát độ dày màng vật liệu tổ hợp Hình 3.4 trình bày kết đo độ dày màng PVK:P3HT:PCBM = 50:100:150 (theo khối lượng) phương pháp Alpha – Step IQ thiết bị KL Tencor 41 Hình Độ dày màng PVK:P3HT:PCBM Quan sát hình 3.4, nhận thấy màng vật liệu tổ hợp chế tạo có độ dày khoảng 122 nm, phù hợp cho nghiên cứu khảo sát đặc trưng tính chất vật liệu linh kiện quang – điện 3.2 Khảo sát tính chất hấp thụ ánh sáng vật liệu 3.2.1 Phổ hấp thụ UV-Vis màng blend conducting polymer Hình 3.5 Trình bày phổ hấp thụ UV-Vis màng vật liệu PVK P3HT khiết Hình Phổ UV-Vis PVK P3HT 42 Phổ hấp thụ PVK có đỉnh hấp thụ cực đại bước sóng 345nm tương ứng với dịch chuyển π – π* nhóm carbazole Màng PVK hấp thụ mạnh ánh sáng vùng tử ngoại Phổ hấp thụ P3HT có đỉnh hấp thụ đặc trưng cực đại bước sóng 550nm hấp thụ photon dịch chuyển điện tử từ mức HOMO lên mức HOMO tương ứng với độ rộng vùng cấm khoảng 2.2eV Vùng hấp thụ P3HT nằm dải bước sóng từ 400 – 650nm với cường độ hấp thụ mạnh khoảng 525nm – 550nm Phổ hấp thụ UV-Vis màng vật liệu blend polymer với tỉ lệ thành phần khác theo khối lượng trình bày hình 3.6 Hình Phổ UV-Vis màng blend polymer Từ hình 3.6 nhận thấy tăng tỉ lệ PVK thành phần vật liệu tổ hợp blend từ 10 đến 50 phần theo khối lượng so với 100 phần khối lượng P3HT, độ hấp thụ vùng bước sóng tử ngoại màng vật liệu tổ hợp ứng với PVK (pick 345nm) tăng tương ứng, phù hợp với tăng hàm lượng PVK có vật liệu Tuy nhiên độ hấp thụ vật liệu tổ hợp blend vùng khả kiến (pick 552nm) ứng với P3HT vật liệu tổ hợp phản ánh giá trị tối ưu tỉ lệ thành phần khối lượng PVK:P3HT = 50:100 Điều tỉ lệ PVK:P3HT = 50:100, mạch đại phân tử PVK P3HT có tương tác với dẫn đến tối ưu hóa xếp phân bố mạch phân tử 43 polymer P3HT PVK, tạo điều kiện thuận lợi cho trình tương tác với photon ánh sáng, làm tăng độ hấp thụ ánh sáng khả kiến vật liệu tổ hợp Ngoài ra, đỉnh hấp thụ cực đại đặc trưng PVK P3HT thể phổ hấp thụ UV-Vis màng vật liệu tổ hợp blend PVK:P3HT, không xuất đỉnh hấp thụ Điều chứng tỏ không xảy phản ứng hóa học phân tử polymer tổ hợp blend 3.2.2 Phổ hấp thụ UV-Vis vật liệu chuyển tiếp dị chất khối Hình 3.7 phổ UV-Vis màng polymer màng chuyển tiếp dị chất PVK:PCBM = 1:1 P3HT:PCBM = 1:1 (theo khối lượng) Hình Phổ UV-Vis màng polymer blend polymer Từ hình 3.7, nhận thấy đỉnh hấp thụ đặc trưng polymer dẫn PVK P3HT (donor), xuất đỉnh hấp thụ đặc trưng PCBM (acceptor) bước sóng 337 nm thuộc vùng ánh sáng tử ngoại 3.2.3 Ảnh hưởng CNTs đến phổ hấp thụ UV-Vis vật liệu chuyển tiếp dị chất khối Phổ hấp thụ UV-Vis màng polymer màng chuyển tiếp dị chất PVK:PCBM:CNTs = 1:1:0,005 P3HT:PCBM:CNTs = 1:1:0,005 (theo khối lượng) trình bày hình 3.8 44 Hình Phổ UV-Vis màng PVK:PCBM:CNTs P3HT:PCBM:CNTs Từ hình 3.8 thấy phổ hấp thụ UV-Vis màng P3HT:PCBM:CNTs thể mở rộng mạnh vùng hồng ngoại pick hấp thụ đặc trưng PCBM P3HT Như vậy, rõ ràng có tham gia CNTs vào thành phần vật liệu tổ hợp làm tăng khả hấp thụ ánh sáng dịch vùng hồng ngoại vật liệu, điều có ý nghĩa quan trọng vật liệu hoạt quang sử dụng chế tạo pin mặt trời 3.3 Khảo sát hiệu ứng dập tắt huỳnh quang vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất khối Các polymer dẫn PVK P3HT có khả hấp thụ lượng photon ánh sáng nên bị kích thích quang chúng chuyển từ trạng thái sang trạng thái kích thích Hiệu ứng dập tắt huỳnh quang vật liệu chuyển tiếp dị chất khối PVK:PCBM P3HT:PCBM khảo sát thông qua phổ phát xạ quang – huỳnh quang vật liệu 3.3.1 Hiệu ứng dập tắt huỳnh quang màng PVK:PCBM Hình 3.9 trình bày phổ quang - huỳnh quang màng PVK PVK:PCBM =1:1 (theo khối lượng) kích thích bước sóng 325nm 45 Hình Phổ quang - huỳnh quang màng PVK PVK:PCBM, bước sóng kích thích 325nm Từ hình 3.9 cho thấy bị kích thích quang, màng PVK phát ánh sáng tím với đỉnh cực đại 414nm Điều trình phát sinh tái hợp cặp điện tử - lỗ trống (exciton) Cường độ phát quang màng vật liệu tổ hợp PVK:PCBM suy giảm đáng kể (khoảng 41%) so với cường độ phát quang màng PVK thuần, đỉnh phát xạ có dịch chuyển phía bước sóng ngắn (blue ship) Hiệu ứng dập tắt huỳnh quang kết phân tách hạt tải sinh tác dụng ánh sáng Vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất khối PVK:PCBM chất bán dẫn hữu có tính chất tương tự chất bán dẫn chuyển tiếp p-n, PVK chất cho điện tử (donor) PCBM chất nhận điện tử (acceptor) Điều chứng tỏ trình dập tắt huỳnh quang xảy mạnh mẽ có kết hợp hai vật liệu donor acceptor vật liệu tổ hợp Cơ chế trình dập tắt huỳnh quang xảy vật liệu chuyển tiếp dị chất giải thích thông qua sơ đồ vùng lượng sau : 46 Hình 10 Giản đồ mức lượng PVK PCBM Mức LUMO PCBM (-3,8eV) thấp PVK (-2,2eV) nên điện tử bị kích thích có xu hướng chuyển từ mức LUMO PVK sang PCBM thay quay trở lại vùng HOMO để tái hợp với lỗ trống Đồng thời, lỗ trống chuyển động theo hướng ngược lại, từ mức HOMO PCBM sang HOMO PVK, dẫn đến trình di chuyển hạt tải liên tục Sự phân tách hạt tải diễn vùng biên tiếp xúc PVK PCBM làm giảm đáng kể tái hợp điện tử lỗ trống, làm giảm mạnh cường độ phát quang vật liệu 3.3.2 Hiệu ứng dập tắt huỳnh quang màng P3HT:PCBM Tương tự màng PVK: PCBM, tượng dập tắt huỳnh quang màng P3HT:PCBM = 1:1 (theo khối lượng) xảy với cường độ mạnh nhiều (hình 3.11) Cường độ phát quang màng P3HT:PCBM suy giảm mạnh (khoảng 92%) so với cường độ phát quang màng P3HT Điều giải thích chênh lệch mức lượng LUMO P3HT PCBM (lần lượt -3,53eV -3,8 eV) nhỏ so với PVK PCBM (lần lượt 2,2 eV 3,8 eV) Tương tự chênh lệch mức lượng HOMO P3HT PCBM (lần lượt -5,2eV -6,0 eV) lớn so với PVK PCBM (lần lượt -5,8 eV 6,0 eV) 47 Hình 11 Phổ quang - huỳnh quang màng P3HT:PCBM = 1:1, bước sóng kích thích 530nm 3.3.3 Hiệu ứng dập tắt huỳnh quang màng PVK:P3HT:PCBM Phổ phát xạ quang – huỳnh quang màng PVK:P3HT:PCBM = 0,5:1:1,5 (theo khối lượng) kích thích bước sóng ngắn 325nm trình bày hình 3.12 Hình 12 Phổ quang - huỳnh quang màng PVK:P3HT:PCBM, bước sóng kích thích 325nm 48 Từ hình 3.12 nhận thấy kích thích bước sóng ngắn, tượng dập tắt huỳnh quang màng vật liệu PVK:P3HT:PCBM xảy tương tự màng PVK:PCBM, cường độ dập tắt huỳnh quang đạt khoảng 33% Điều cho thấy kích thích bước sóng ngắn 325nm, có phân tử PVK vật liệu tổ hợp bị kích thích Khi kích thích vật liệu tổ hợp bước sóng dài 530nm, phân tử P3HT bị kích thích tượng dập tắt huỳnh quang xảy mạnh mẽ với cường độ dập tắt huỳnh quang đạt khoảng 92% tương tự màng P3HT:PCBM Đỉnh huỳnh quang màng PVK:P3HT:PCBM có dịch chuyển phía bước sóng ngắn (hình 3.13) Hình 13 Phổ quang - huỳnh quang màng PVK:P3HT:PCBM = 0,5:1:1,5 (theo khối lượng), bước sóng kích thích 530nm 3.4 Ứng dụng vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất PVK:P3HT:PCBM:CNTs chế tạo pin mặt trời hữu (OSC) Các pin mặt trời hữu chế tạo với điện cực dương ITO (có điện trở 20), lớp hoạt quang sử dụng vật liệu tổ hợp PVK:P3HT:PCBM PVK:P3HT:PCBM:CNTs, điện cực âm nhôm chế tạo theo phương pháp bốc bay nhiệt chân không Màng điện cực dương ITO tạo hình thành hai dải 49 điện cực có bề rộng 2mm phương pháp ăn mòn hóa học ướt Lớp hoạt quang pin vật liệu chuyển tiếp dị chất khối cấu trúc nano có thành phần sau: PVK:P3HT:PCBM = 50:100:150 (theo khối lượng) PVK:P3HT:PCBM:CNTs = 50:100:150:0,03 (theo khối lượng) Cấu trúc pin sau: ITO/PEDOT-PSS/PVK:P3HT:PCBM /Al ITO/PEDOT-PSS/PVK:P3HT:PCBM:CNTs /Al Khảo sát đường đặc trưng dòng – (J –V) linh kiện thực điều kiện phòng thí nghiệm thiết bị Keithley HP 4200, sử dụng nguồn sáng mô ánh sáng mặt trời SS50AAA với công suất 100mW/cm2, kết trình bày hình 3.14 Hình 14 Đường đặc trưng J-V pin mặt trời OSC Từ đường đặc trưng J – V linh kiện, xác định thông số kỹ thuật pin sau: Pin ITO/PEDOT-PSS/PVK:P3HT:PCBM/Al: 50 Thế hở mạch Voc = 0,4V Dòng ngắn mạch Jsc = 7,5 mA/cm2 Hệ số điền đầy FF (%) = 38 Hiệu suất chuyển đổi lượng PCE = 1,14% Pin ITO/PEDOT-PSS/PVK:P3HT:PCBM:CNTs/Al: Thế hở mạch Voc = 0.39V Dòng ngắn mạch Jsc = 8,9 mA/cm2 Hệ số điền đầy FF (%) = 42 Hiệu suất chuyển đổi lượng PCE = 1,46% Từ kết đo thông số đặc trưng linh kiện cho thấy sử dụng vật liệu hoạt quang tổ hợp blend polymer PVK P3HT chế tạo thành công pin mặt trời hữu có hiệu suất chuyển đổi quang – điện PCE đạt 1% Khi có tham gia CNTs vào thành phần vật liệu tổ hợp (0,01%) cải thiện hiệu suất PCE linh kiện lên xấp xỉ 1,5% Vật liệu PVK:P3HT:PCBM:CNTs = 50:100:150:0,03 (theo khối lượng) loại vật liệu mới, có giá thành hợp lý (rẻ nhiều so với P3HT), độ ổn định tốt (PVK polymer dẫn có độ định cao hẳn P3HT) Bởi vật liệu có nhiều tiềm ứng dụng tương lai Hướng nghiên cứu đề tài tối ưu hóa vật liệu cấu trúc pin nhằm nâng cao hiệu suất PCE pin đạt tới – % 51 KẾT LUẬN Đã chế tạo vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất khối cấu trúc nano sở polymer dẫn (PVK, P3HT), PCBM CNTs Vật liệu tổ hợp có thành phần PVK:P3HT:PCBM = 50:100:150 (theo khối lượng) có độ ổn định tốt, tính hoạt quang cao giá thành hợp lí Cấu trúc hình thái học bề mặt tính chất quang vật liệu tổ hợp khảo sát, phân tích so sánh Vật liệu tổ hợp với thành phần PVK:P3HT:PCBM có khả hấp thụ mạnh ánh sáng vùng tử ngoại khả kiến (bước sóng từ 400  650 nm, nằm vùng bước sóng lượng cực đại phổ lượng mặt trời) Khi kích thích bước sóng ngắn 325 nm bước sóng dài 530 nm, cường độ phát quang màng vật liệu tổ hợp PVK:P3HT:PCBM bị suy giảm mạnh có tham gia PCBM vào thành phần vật liệu Hiện tượng dập tắt huỳnh quang xảy mạnh (tới 92%) hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến vật liệu tổ hợp PVK:P3HT:PCBM cho thấy loại vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất khối cấu trúc nano phù hợp cho ứng dụng làm chất hoạt quang chế tạo pin mặt trời hữu Với hàm lượng 0,01% CNTs, phổ hấp thụ UV-Vis vật liệu tổ hợp PVK:P3HT:PCBM:CNTs có mở rộng đỉnh hấp thụ vùng hồng ngoại Do pin mặt trời ITO/PEDOT-PSS/PVK:P3HT:PCBM:CNTs/Al có hiệu suất chuyển đổi quang điện 1,46% cao so với pin ITO/PEDOTPSS/PVK:P3HT:PCBM/Al (1,14%) Hướng đề tài tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện công nghệ chế tạo pin điều kiện thường phòng thí nghiệm nhằm cải thiện hiệu suất linh kiện đạt tới giá trị khoảng - 5% 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Năng Định, Công nghệ vật liệu cấu trúc nanô ôxit titan ôxit thiếc sủ dụng pin mặt trời kiểu mới, Hội nghị ĐHSP II, 2007 Nguyễn Năng Định, Giáo trình Vật lý kỹ thuật màng mòng, Nhà xuất ĐHQGHN, 2005 Nguyễn Đình Hoàng, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội, 2011 Phạm Thị Luận, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội, 2011 Phạm Minh Long, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội, 2010 Phùng Hồ-Phan Quốc Phô, Giáo trình Vật liệu bán dẫn, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, 2008 Trần Quang Trung, Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Tp Hồ Chí Minh, 2007 Tiếng Anh K Y Law, “Organic photoconductive materials: Recent trends and developments”, 1993, Chem Rev., Vol 93, pp 449-486 L.S Hung, C.H Chenb, “Recent progress of molecular organic electroluminescent materials and devices”, 37591, Materials Science and Engineering: R: Reports Volume 39, Issues 5–6, Pages 143–222 10 Ren-Jang Wu, Yu-Ching Huang, Ming-Ru Yu, S.L Hung, “Application of mCNTs/NaClO4/Ppy to a fast response, room working temperature ethanol sensor”, 2008, Sensors and Actuators B Chemical 134(1):213-218 11 Bui Hung Thang, Nguyen Van Chuc, Pham Van Trinh, Ngo Thi Thanh Tam, Phan Ngoc Minh, “Thermal dissipation media for high power electronic devices using a carbon”, 2011, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology,2,025002 53 12 D I Klaus Petritsch, “Organic Solar Cell “, 2000, Architectures 13 Da Jiang Yang, Qing Zhang, George Chen, S F Yoon, J Ahn, S G Wang, Q Zhou, Q Wang, and J Q Li, “Thermal conductivity of multiwalled carbon nanotubes” ,37530,PHYSICAL REVIEW B 66, 165440 (2002), Nanyang Technological University, 639798, Singapore 14 Eric Pop , David Mann ,Qian Wang , Kenneth Goodson ,and Hongjie Dai – “Thermal Conductance of an Individual Single-Wall Carbon Nanotube above Room Temperature” ,2006, Nano Lett., 2006, (1), pp 96–100 15 J H BURROUGHES*, D D C BRADLEY*, A R BROWN*, R N MARKS*, K MACKAY*, R H FRIEND*, P L BURNS & A.B HOLMES, “Light-emitting diodes based on conjugated polymers”, 1990, Nature 347, 539 – 541 16 J Lund, R Røge, R Petersen, T Larsen, “Polymer Solar Cells”, 2006, 17 J.-P Salvetat∗, J.-M Bonard, N.H Thomson, A.J Kulik, L Forr´o, W Benoit, L Zuppiroli (Switzerland),”Mechanical properties of carbon nanotubes”,1999, Applied Physics A Materials Science & Processing ,69,pp.255 - 260 18 V Choong, Y Park, Y Gao, T Wehrmeister, K.Muellen, B R Hsieh and C W Tang, “Dramatic photoluminescence quenching of phenylene vinylene oligomer thin films upon submonolayer Ca deposition” , 1996, Phys Lett, pp 1492 19 W.I Milnea, K.B.K Teoa, M Chhowallaa, G.A.J Amaratungaa, S.B Leeb, D.G Haskob, H Ahmedb, O Groeningc, P Legagneuxd, L Gangloffd, J.P Schnelld, G Piriod, D Pribatd, M Castignollese, A Loiseaue, V Semetf, Vu Thien Binh, “Electrical and field emission investigation of individual carbon nanotubes from plasma enhanced chemical vapour deposition” , 2003, Diamond and Related Materials, Pages 422–428 20 Y Miyauchi; et al “Cross-Polarized Optical Absorption of Single-Walled Nanotubes Probed by Polarized Photoluminescence Excitation Spectroscopy”, 2006, Physical Review B 74 (20): 205440 54 21 Yoshino Katsumi, “Dodensei Kobunshi no Hanashi" (Câu chuyện cao phân tử dẫn điện)”, 2001, Nikkan Kogyo Shimbun Pub., Tokyo 55 ... DUY LIÊM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU CHUYỂN TIẾP DỊ CHẤT KHỐI CẤU TRÚC NANO TRÊN CƠ SỞ ỐNG CARBON NANO (CNTs) VÀ POLYMER DẪN, ỨNG DỤNG CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ Chuyên... tư nghiên cứu khai nguồn lượng dồi mặt trời Từ lý đó, tác giả lựa chọn đề tài: Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất vật liệu chuyển tiếp dị chất khối cấu trúc nano sở ống carbon nano (CNTs) polymer. .. tích cấu trúc hình thái học bề mặt, tính chất điện – quang màng vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất, kết nghiên cứu chế tạo pin mặt trời hữu (OSC) sử dụng vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất khối