động về điện cực ITO. Kết quả và sự giải thích này tương tự như trong công trình của Cater và cộng sự [13].
3.2 Nghiên cứu tính chất quang của vật liệu tổ hợp MEH-PPV chứa chấm lượng tử tử
Để làm sáng tỏ hơn nữa vai trò của chuyển tiếp dị chất đối với hoạt động của pin mặt trời, Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của các chuyển tiếp CdS/MEH-PPV và CdSe/MEH-PPV được trình bày trên Hình 3.6.
Thủy tinh phủ lớp màng dẫn điện trong suốt ITO (10 ) cũng vẫn được sử dụng làm một điện cực. Màng tổ hợp MEH-PPV:QD (tỉ lệ khối lượng 10/1) được quay phủ li tâm lên trên PEDOT:PSS (chất acceptor). Trước đó màng PEDOT:PSS được phủ lên trên đế ITO. Sau cùng lớp điện cực nhôm dày 100nm được bốc bay lên trên màng tổ hợp. Bằng cách đó hai loại tổ hợp MEH-PPV+CdSe và MEH-PPV+CdS (lần lượt kí hiệu là MC1 và MC2) được chế tạo. Pin mặt trời chế tạo từ MC1 và MC2 gọi tắt là Q- SC1 và Q-SC2, chúng có cấu trúc Al/PEDOT:PSS/MC1/ITO và Al/PEDOT:PSS/MC2/ITO. Linh kiện cấu trúc đơn lớp polymer Al/PEDOT:PSS /MEH-PPV/ITO được kí hiệu là P-SC. Trên Hình 3.6b chúng tôi chỉ vẽ cho một loại linh kiện Q-SC1.
Hình 3.6- Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của QD so với các mức LUMO và HOMO của MEH-PPV (a) và cấu trúc đa lớp của PMT chứa CdSe-QD (b).
Chấm lượng tử CdS và CdSe sử dụng trong luận văn có kích thước ~10 nm. Hình 3.7 là phổ hấp thụ của MEH-PPV tinh khiết và của hai loại chấm lượng tử trong dung dịch (CdS and CdSe). Đỉnh hấp thụ nhận được tại ~ 490 nm (đối với CdS), 520 nm (MEH-PPV) và 610 nm (CdSe). Như vậy tổ hợp MEH-PPV và hai loại QD đều thích hợp cho pin mặt trời kiểu Q-OSC. Tuy nhiên, so sánh giản đồ năng lượng của CdSe và CdS với MEH-PPV (Hình 3.6a) và phổ hấp thụ của chúng (Hình 3.7), nhận thấy CdSe- QD làm vật liệu acceptor tốt hơn là CdS.
So sánh với MEH-PPV tinh khiết, phổ hấp thụ của cả MC1 and MC2 chiếm một dải bước sóng rộng hơn và cường độ hấp thụ cũng lớn hơn (Hình 3.7).
Hình 3.7- Phổ hấp thụ của ba loại dung dịch chứa MEH-PPV, CdS và CdSe
Độ hấp thụ cao nhất nhận được tai bước sóng 530 nm đối với mẫu MC1. Hai loại tổ hợp có dịch đỉnh hấp thụ về hai phía khác nhau: Dịch đỏ trong mẫu MC1 và dịch xanh trong mẫu MC2. Giá trị dịch ~ 7 nm (đối với dịch xanh) và ~15 nm (dịch đỏ). Từ phổ hấp thụ riêng biệt (Hình 3.7) và độ lớn của vùng cấm (Eg) (Hình 3.6a) của ba thành phần, sự dịch đỉnh này liên quan mật thiết đến cấu trúc vùng năng lượng: Dịch xanh xảy ra trong MC2 và dịch đỏ trong MC1 với Eg (CdS) > Eg (MEH-PPV) > Eg (CdSe). Trong nhiều trường hợp, dịch xanh được giải thích do độ dài chuỗi polymer giảm khi pha trộn hạt nano ôxit, như đã gặp ở phần trên. Tuy nhiên, chấm lượng tử sử dụng trong trường hợp này có kích thước nhỏ nên không bẻ gẫy được chuỗi polymer kết hợp của MEH-PPV.
Hình 3.8- Phổ hấp thụ của MEH-PPV tinh khiết và của hai mẫu tổ hợp nano MC1 và MC2.
Từ các đường đặc tuyến I-V trong phép đo hoạt động của ba linh kiện P-SC, Q- SC1 và Q-SC2 các thông số của linh kiện tính được như trình bày trên Bảng 3.1
Bảng 3.1- Các thông số thực nghiệm của PMT Q-OSC xác định từ đường cong I-V.
Linh kiện Voc [V] Jsc [mA/cm-2] FF [%] PCE [%] P-SC 0.45 0.28 21 0.05 Q-SC2 0.46 0.75 43 0.26 Q-SC1 0.48 0.94 65 0.52
Bảng 3.1 Cho thấy với việc pha trộn chấm lượng tử, hiệu suất chuyển hóa quang điện PCE được cải thiện đáng kể. Kết quả còn cho thấy hệ số FF và hiệu suất PCE của linh kiện Q-SC1 lớn hơn hẳn so với linh kiện Q-SC2. Điều này chứng tỏ CdSe-QD là chất pha tạp vào MEH-PPV tốt hơn chấm lượng tử CdS-QD để chế tạo pin mặt trời sử dụng tổ hợp chấm lượng tử và polymer kết hợp.
KẾT LUẬN
Trong luận văn này, hai loại vật liệu chứa chuyển tiếp dị chất nano là MEH- PPV/nc-TiO2 và P3HT/nc-TiO2 đã được chế tạo nhằm khảo sát hiệu ứng và tính chất dập tắt huỳnh quang của polymer.
Bằng cách trộn nano tinh thể TiO2 với các tỷ lệ khác nhau, dưới kích thích bước sóng = 460nm, đối với cả hai vật liệu trên đều nhận được hiệu ứng dập tắt huỳnh quang: cường độ quang huỳnh quang của polymer thuần khiết đã giảm đáng kể khi chúng được trộn thêm các hạt nano ôxit titan, cụ thể là cường độ huỳnh quang của hai loại vật liệu này giảm theo chiều tăng của nồng độ TiO2. Khảo sát chuyển hóa quang- điện trên hai loại vật liệu cho thấy vật liệu tổ hợp P3HT/nc-TiO2 để chế tạo pin mặt trời hữu cơ thích hợp hơn so với MEH-PPV/nc-TiO2. Với tỷ lệ TiO2 thích hợp, chúng tôi nhận được hiệu suất chuyển hóa quang điện (PCE) lớn nhất là 0.45% khi khảo sát trên linh kiện chứa tổ hợp P3HT/nc-TiO2, trong khi đó đối với linh kiện chứa tổ hợp MEH-PPV/nc-TiO2 chỉ là 0.17%. Tuy nhiên sử dụng chấm lượng tử CdSe pha trộn trong MEH-PPV, pin mặt trời kiểu Q-SC có hiệu suất PCE cao hơn, đạt được giá trị đến 0,52%.
Đặc biệt là thông qua khảo sát phổ quang huỳnh quang và xác định hệ số dập tắt huỳnh quang, chúng tôi có thể lựa chọn các vật liệu polymer và các hạt nano vô cơ tạo thành tổ hợp nano phù hợp cho pin mặt trời, trước khi tiến hành nghiên cứu chế tạo pin. Từ các kết quả nhận được, chúng tôi có nhận xét: các chất dập tắt huỳnh quang cần có kích thước không quá bé (~ 15 nm); hệ số dập tắt huỳnh quang càng lớn thì hiệu suất chuyển hóa quang điện càng cao.
CÔNG BỐ KHOA HỌC
[1]. Tran Thi Thao, Nguyen Thi Thuy Nga, Vo Van Truong, Nguyen Nang
Dinh, “Characterization of Organic Solar Cells made from conjugate polymers and
CdS, CdSe quantum dots thin films”, Hội nghị QHQP toàn quốc lần thứ 8, Đà Nẵng
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt
[1] Nguyễn Duy Khánh, Trần Vĩnh Sơn, Huỳnh Ngọc Tiên (2009), Khóa luận tốt nghiệp, Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp HCM.
[2] Nguyễn Thị Lan (2004), “Chế tạo màng nano TiO2 dạng anatas và khảo sát hoạt tính xúc tác quang phân hủy metylen xanh”, Luận văn thạc sỹ khoa học, Đại học Bách khoa Hà Nội.
[3] Ngô Sỹ Lương (2005), Ảnh hưởng của các yếu tố trong quá trình điều chế đến kích thước hạt và cấu trúc tinh thể của TiO2. Tạp chí Khoa học. Khoa học tự nhiên và công nghệ. ĐHQGHN, T.XXI, N.2, tr. 16-22.
Tài liệu tiếng Anh
[4] A. Mills, S. Le Hunte, “An overview of semiconductor photocatalysis, J. Photochem. and Photobiology”, A: Chemistry ,1997), pp.108.
[5] C.Y. Kuo, W.C. Tang, C. Gau, T.F. Guo, D.Z. Jeng, Appl. Phys. Lett. 93 (2008) 033303.
[6] Derek M. Stevens et al. (2009), “Enhancement of the Morphology and Open Circuit Voltage in Bilayer Polymer/Fullerene Solar Cells”, Physical Chemistry. [7] J. H. Burroughes et al (1990), “Light emitting diodes based on conjugated polymers”, Nature, 347 539.
[8] J. Thipperudrappa D. S. Biradar, and S. M. Hanagodimath, J. Lumin.124 (2007) 45.
[9] L.S.Hung, C.H. Chen (2002), “Recent Progress of Molecular organic electroluminescent material and devices”, Materials Science and Engineering R 39, 143-222.
[10] Maher Al-Ibrahim et al. (2005), “Flexible large area polymer solar cells based on poly(3-hexylthiophene)/fullerene”, Solar Energy Materials & Solar Cells, 85(1), pp. 13-20.
[11] M. Vohlgenannt, et al (2001), “Formation cross-sections of singlet and triple excitons in π-conjugated polymers”, Nature 409, 494.
[12] N. J . Turro, “Modern Molecular Photochemistry”, Modern Molecular Photochemistry. C, 113 (26), pp 11408–11415.
[13] S. A. Carter, J. C. Scott, J. Brock, Enhanced luminance in polymer composite light emitting diodes,J. Appl. Phys. 71(9) (1997) 1145.
[14] S. Bhattacharyya, A. Mitavapatra, Bull. Mater. Sci.35 (2012) 719.
[15] S. H. Yang, T. P. Nguyen, P. Le Rendu, C. S. Hsu, Composites Part A: Appl. Sci. Manufact. 36 (2005) 509.
[16] S. Ren, L. Y. Chang, S. K. Lim, J. Zhao, M. Smith, N. Zhao, V. Bulovic, M. Bawendi, S. Gradecak, Nano Letters 11 (2011) 3998.
[17] S. V. Chasteen, “Exciton dynamics in conjugated polymer phottovolataics: steady –state and time-resolved optical spectroscopy”, Doctor of philosophy in Physics,
December 2005.
[18] V. K. Sachder, R. Kumar, A. Singh, S. Kumar, and R. M. Mehra, “Electrical conducting polymers: An overview”, Solid State Phenomena, 1997, pp. 55.
[19] V. Shrotriya, J. Quyang, R. J. Tseng, G. Li, Y. Yang, Chem. Phys. Lett. 411
(2005) 138.
[20] Y. Cao et al (1999), “Improved quantum efficiency for electroluminescence in semi-conducting polymer”, Nature 397, 414.