Nghiên cứu ảnh hưởng của sự truyền dẫn hạt tải và lớp đệm lên đường đặc trưng dòng thế trong pin mặt trời hữu cơ P3HTPCBM cấu trúc nano

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ TRUYỀN DẪN HẠT TẢI VÀ LỚP ĐỆM LÊN ĐƢỜNG ĐẶC TRƢNG DÒNG THẾ TRONG PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ P3HT:PCBM CẤU TRÚC NANO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA SỰ TRUYỀN DẪN HẠT TẢI VÀ LỚP ĐỆM LÊN ĐƢỜNG ĐẶC TRƢNG DÒNG THẾ TRONG PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ P3HT:PCBM CẤU TRÚC NANO Ngành: Vật lý Kỹ thuật Chuyên ngành: Vật liệu Linh kiện nano Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đặng Đình Long (ký tên) HÀ NỘI - 2018 ` Lời cảm ơn! Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới người thầy trực tiếp hướng dẫn tơi thực khóa luận TS Đặng Đình Long Bằng kiến thức, kinh nghiệm nhiệt tình Thầy giúp tơi hồn thành khóa luận Lời cảm ơn dành cho thầy, cô Khoa Vật lý Kỹ thuật Công nghệ nano trang bị kiến thức khoa học công nghệ suất thời gian học trường Gửi lời cảm ơn đến thành viên nhóm nghiên cứu người thực đề tài khác môn vật liệu linh kiện bán dẫn có giúp đỡ trình thực đề tài Cuối lời yêu thương lòng biết ơn xin gửi đến bố, mẹ gia đình Chính tin tưởng chăm lo mà gia đình dành cho tơi động lực giúp tơi theo học hoàn thành luận văn Hà nội, ngày 01 tháng 06 năm 2018 Trần Văn Hùng Tóm tắt Tóm tắt: Luận văn đề cập đến nguyên lý hoạt động mơ hình mơ pin mặt trời hữu đa lớp Một lý nhiều nhà khoa học ý loại linh kiện quang điện giá thành thấp vật liệu làm pin với tính linh động quy trình chế tạo đơn giản Tế bào quang điện hữu (organic photovoltaics-OPV) lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng khai thác lượng phát triển mạnh mẽ khoảng thập kỷ trở lại đạt hiệu suất 10% Tuy nhiên, hiệu suất cần phải tăng gấp đơi có khả thương mại hóa Do đặc tính cố hữu chất hữu độ linh động thấp, tính bền học, v v so với PMT vô mà hiệu suất chưa thể cải thiện đáng kể Gần đây, ý tưởng việc đưa lớp đệm vào cấu trúc PMT hữu cho thấy cải thiện đáng kể hiệu suất lên 2-3% mở hy vọng cho việc tiếp tục nâng hiệu suất PMT hữu Khóa luận sử dụng công cụ mô để nghiên cứu ảnh hưởng lớp đệm ZnO, NiO, MoO3 TiO2 chất trình truyền hạt tải PMT hữu nhằm nâng cao hiệu suất PMT Từ khóa: Pin mặt trời hữu cơ, polymer dẫn, mơ hình diode, bán dẫn hữu cơ, lớp đệm Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân, xuất phát từ yêu cầu phát sinh công việc để hình thành hướng nghiên cứu Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ nguyên tắc kết trình bày luận văn thu thập trình nghiên cứu trung thực chưa công bố trước Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2018 Tác giả luận văn Trần Văn Hùng Mục Lục Danh mục I Danh mục ký hiệu chữ viết tắt I Danh mục hình vẽ .III Danh mục bảng VI Mở đầu Chương Tổng quan .2 1.1 Năng lượng nóng lên toàn cầu 1.2 Sự phát triển tế bào quang điện quang điện hữu Chương Quá trình truyền dẫn hạt tải PMT hữu 2.1 Sự mở rộng phổ chất bán dẫn hữu .6 2.2 Năng lượng chuyển dời hạt tải chất bán dẫn hữu 2.1.1 Chuyển dời exciton .7 2.2.2 Chuyển dời hạt tải: Mơ hình bất trật tự Gauss 2.3 PMT hữu dị chuyển tiếp .10 2.3.1 Nguyên lý hoạt động 11 2.3.2 Các tham số đặc trưng PMT hữu 14 2.3.3 Đặc trưng .15 2.3.4 Sự mát hạt tải, hiệu suất lượng tử dòng quang .18 Chương Vai trò lớp đệm PMT hữu 21 3.1 Lớp đệm .21 3.2 Lớp đệm anode - Lớp dẫn lỗ trống 22 3.2.1 Vật liệu NiO 23 3.2.1 Vật liệu MoO3 .23 3.3 Lớp đệm cathode – Lớp dẫn điện tử 24 3.3.1 Vật liệu TiO2 .24 3.3.2 Vật liệu ZnO .25 Chương Phương pháp mô 27 4.1 Các phương pháp mô 27 4.2 Phương pháp dựa mơ hình diode mạch cân .27 4.3 Nghiên cứu trình truyền dẫn hạt tải phương pháp Monte Carlo 31 4.3.1 Mơ hình hóa phân tử hữu chuỗi polymer 31 4.3.2 Tỷ lệ chuyển dời 33 4.3.3 Các tham số tính tốn 34 4.3.4 Sự phân bố điểm không gian lượng 35 4.3.5 Mơ Monte-Carlo q trình truyền dẫn hạt tải 35 Chương Kết thảo luận 37 5.1 Mơ đường đặc trưng qua mơ hình diode 37 5.2 Nghiên cứu ảnh hưởng độ dày lớp đệm lên thông số pin mặt trời hữu đa lớp .43 5.3 Kết mô phương pháp Monte Carlo 51 5.3.1 Tạo phân bố Gauss 51 5.3.2 Kết ban đầu 52 KẾT LUẬN 54 Phụ Lục 55 Phụ lục 55 Phụ lục 56 Phụ lục 3: 58 Chương trình mơ pin mặt trời 58 Chương trình tính tốn tham số pin 59 Chương trình tạo phân bố Gauss viết mơi trường Devc 61 Chương trình mơ độ linh động vật liệu .63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 Danh mục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Ký hiệu Giải thích Tổng tỷ lệ chuyển dời Tỷ lệ chuyển dời từ vị trí sang vị trí Mật độ dịng quang a ABL Acceptor CBL D Donor EA EB F FF HOMO IP LUMO n OLED OSCs PCE PMT q Mật độ điểm Điện trở nối tiếp Điện trở ký sinh Thế hở mạch Thế nhiệt Mật độ dòng ngắn mạch Hằng số Bolzman Xác xuất nhảy từ điểm sang điểm Công suất lối vào Công suất lối Thời gian mô Chiều dài định xứ Lớp đệm dẫn lỗ trống Chất nhận điện tử Lớp đệm dẫn điện tử Độ dài khuếch tán Chất cho điện tử Ái lực điện tử Năng lượng liên kết exciton Điện trường Hệ số điền đầy Orbital có mức lượng cao vùng hóa trị Năng lượng ion hóa Orbital có mức lượng thấp vùng dẫn Hệ số diode Diode phát quang hữu Pin mặt trời hữu Hiệu suất pin mặt trời Pin mặt trời Điện tích hạt tải I SOMO T λ ( ) Orbital quỹ đạo đơn phân tử Nhiệt độ Bước sóng Hàm mật độ lượng Độ lệch chuẩn II Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Nhu cầu lượng vùng (1 Mtoe = 42 PJ) (a) ảnh hưởng khí CO2 lên nhiệt độ Trái đất (b) qua năm .2 Hình 1.2: Số lượng cơng bố PMT hữu qua năm (a) hiệu suất PMT hữu tăng qua năm (b) Hình 2.1: Giản đồ lượng từ đơn phân tử đến chất rắn Hình 2.2: (a) Biểu diễn hạt tải tự do, exciton Frenkel exciton charge-transfer chất rắn (b) Biểu diễn exciton trạng thái kích thích với lượng liên kết EB mơ hình điện tử (c) Sự chuyển dời exciton: cộng hưởng Förster (chỉ có chuyển dời singlet) chuyển dời hopping Dexter (triplet) Hình 2.3: Minh họa trình hopping từ điểm tới điểm (chấm đen) (a) ảnh hưởng điện trường lên trình dẫn (b) Hình 2.4: Cấu trúc thông thường cấu trúc đảo pin mặt trời hữu 11 Hình 2.5: Các bước truyền dẫn hạt tải pin mặt trời hữu dị chuyển tiếp khối (a) giản đồ lượng 12 Hình 2.6: Đặc trưng pin mặt trời hữu (a) mơ hình diode (b) .14 Hình 2.7: Đường pin mặt trời hữu 16 Hình 2.8: Đoạn xoán chữ 's' đường J-V PMT hữu 17 Hình 2.9: Chuyển tiếp donor-acceptor: (a) chuyển tiếp phẳng (FHJ, bilayer), chuyển tiếp khối (BHJ, blend), cấu trúc lý tưởng (comb-like structure) (b) bước chuyển đổi lượng liên quan đến hiệu suất lượng tử nội tranh điện tử ∆ LUMO lực lái để vượt qua lượng liên kết exciton Lực hút Coulomb điện tử phân tử acceptor hạt tải dương nằm chất donor tiếp xúc chuyển tiếp minh họa hình 18 Hình 3.1: Cấu trúc đặc trưng tế bào pin mặt trời hữu truyền thống tế bào pin với cấu trúc đảo ABL-anode buffer layer, CBL-cathode buffer layer 21 Hình 4.1: Các cấp độ mô nguyên lý làm việc pin mặt trời hữu .27 Hình 4.2: Mơ hình diode lý tưởng 28 Hình 4.3: Mơ hình diode cho pin mặt trời .29 III valmatrix = []; %Write matrix used to write to an excel file i) valmatrix = [{'I-V curve'}; {'Rs'}; {'Rsh'}; {'FF'}; {'PCE'}]; xlswrite(excelname, valmatrix, dirname); xlswrite(excelname, writematrix, dirname, 'B1'); DeleteEmptyExcelSheets([cd '\' excelname]); end Chƣơng trình tạo phân bố Gauss viết mơi trƣờng Devc /* TRAN VAN HUNG Vietnam National University, University of Engineering and Technology, Engineering Physics and Nanotechnology */ #include #include #include #include #include using namespace std; //file to output data into ofstream DATA("DATA.GaussHistt.txt",ios::out); // Mersenne Twister algorithm /*period parameters*/ #define N 624 #define M 397 #define MATRIX_A 0x9908b0df /*constant vector a*/ #define UPPER_MASK 0x80000000 /*most significant w-r bits*/ #define LOWER_MASK 0x7fffffff /*least significant r bit*/ /*tempering parameters*/ #define TEMPERING_MASK_B 0x9d2c5680 #define TEMPERING_MASK_C 0xefc60000 #define TEMPERING_SHIFT_U(y) (y >> 11) #define TEMPERING_SHIFT_S(y) (y 18) static unsigned long mt[N]; //the array for the state vector static int mti = N + 1; // initializing the array with a NONZERO seed //insigned long seed; void sgenrand(unsigned long seed) { mt[0] = seed & 0xffffffff; for (mti = 1; mti < N; mti++) mt[mti] = (69069 * mt[mti - 1]) & 0xffffffff; } double genrand() { unsigned long y; 61 static unsigned long mag01[2] = { 0x0, MATRIX_A }; //mag01[x] = x * MATRIX_A for x = 0,1 if (mti >= N) { if (mti == N + 1) sgenrand(4357); for (int kk = 0; kk < N - M; kk++) { y = (mt[kk] & UPPER_MASK) | (mt[kk + 1] & LOWER_MASK); mt[kk] = mt[kk + M] ^ (y >> 1) ^ mag01[y & 0x1]; } for (int kk; kk < N - 1; kk++) { y = (mt[kk] & UPPER_MASK) | (mt[kk + 1] & LOWER_MASK); mt[kk] = mt[kk + (M - N)] ^ (y >> 1) ^ mag01[y & 0x1]; } y = (mt[N - 1] & UPPER_MASK) | (mt[0] & LOWER_MASK); mt[N - 1] = mt[M - 1] ^ (y >> 1) ^ mag01[y & 0x1]; mti = 0; } y = mt[mti++]; y ^= TEMPERING_SHIFT_U(y); y ^= TEMPERING_SHIFT_S(y) & TEMPERING_MASK_B; y ^= TEMPERING_SHIFT_T(y) & TEMPERING_MASK_C; y ^= TEMPERING_SHIFT_L(y); return ((double)y / (unsigned long)0xffffffff); //reals } // box muller transform gaussian distribution double boxmullergauss(double m, double s) { float x1, x2, w, y1, y2; { x1 = 2.0 * genrand() - 1.0; x2 = 2.0 * genrand() - 1.0; w = x1 * x1 + x2 * x2; } while ( w >= 1.0 ); if(w == 0) { y1 = y2 = } else { w = sqrt( y1 = x1 * y2 = x2 * } 0; (-2.0 * log( w ) ) / w ); w; w; return (m + y2 * s); } int main() { int n = 10000; int *p; double min, max; 62 //cout