Cỏc nhà khoa học và cụng nghệ Nhật thường đi đầu trong lĩnh vực SSC. Họđó lợi dụng những đặc tớnh quang điện ưu việt của silicon
đơn tinh thể và silicon vụ định hỡnh chế tạo ra loại SSC cấu tạo hỗn hợp HIT (hetero-junction with intrinsic thin layer). Phần chớnh của cụng nghệ này là tạo Emitter từ hỗn hợp bỏn dẫn dạng p đơn tinh thể
silicon và silicon vụ định hỡnh. Với cụng nghệ này pin SSC đạt hiệu suất chuyển húa 21,3%. Hỡnh 232 là cấu tạo pin HIT.
Hỡnh 232: Sơđồ cấu tạo pin HIT
Tiếp theo là loại pin Simpower’s Low Cost Rear Contact Solar
Cell (SLCRCSC). Với việc cải tiến điện cực sau của pin và mặt tiếp xỳc thụđộng giữa p/n đó nõng hiệu suất lờn 20,4% (Hỡnh 233).
Hỡnh 233: Sơđồ cấu tạo pin SLCRC SC
Cỏc nhà khoa học Đức ở Fraunshofer Institute for Solar Energy Systems đó chế tạo ra loại pin mới đú là Laser Fired Contact (LFC). Với việc sử dụng laser tạo điểm tiếp xỳc (point contact) mặt sau cho loại pin PERC. Với cụng nghệ này người Đức đó chế tạo pin SSC đạt hiệu suất chuyển húa 21% (Hỡnh 234).
Hỡnh 234: Sơđồ cấu tạo pin LFC SC
Cũng ở Đức, Viện nghiờn cứu Institute fur Solar Energie
forschung Hamelu/ Emmerthal (ISFH) đó chế tạo pin SSC cấu tạo
Obliquely evaporated Contact Solar Cell (OECSO) đạt hiệu suất
chuyển húa 21,1%.
Mặc dự pin mặt trời bỏn dẫn silicon và hỗn hợp đạt được hiệu suất chuyển húa cao nhưng vỡ việc chế tạo vật liệu nền đũi hỏi độ tinh khiết cao, chi phớ rất tốn kộm đồng thời cụng nghệ sản xuất linh kiện phức tạp cho nờn việc triển khai rộng khắp ứng dụng pin SSC cũn hạn chế. Năm 1999 sản lượng điện đạt khụng quỏ 47 MW. Để khắc phục nhược điểm này cỏc nhà khoa học tại cỏc viện nghiờn cứu triển khai loại vật liệu mới hữu cơ bỏn dẫn cấu trỳc nano.
7.3.4. Pin mặt trời hữu cơ
Từ những năm 1970 của thế kỷ trước, Pin mặt trời bỏn dẫn hữu cơđó
được nghiờn cứu chế tạo nhưng vỡ hiệu suất chuyển húa thấp nờn nú
khụng được chỳ ý. Đến năm 1986 C.Tang của Eastman Kodak phỏt
minh ra pin mặt trời hữu cơ trờn cơ sở hỗn hợp của Copper Phtalocyanine (CuPc) và Perylene tetracarboxylic derivation với hiệu suất chuyển húa trờn 1%, mở ra triển vọng cú thể phỏt triển ứng dụng loại pin OSC. Sau đú là một loạt cụng trỡnh khoa học và phỏt minh sỏng chế về pin mặt trời hữu cơ nano (NOSC). So với pin mặt trời vụ cơ, pin mặt trời hệ hữu cơ cấu trỳc nano cú những ưu điểm:
- Cụng nghệ chế tạo đơn giản, cú khả năng tạo tấm lớn. - Tớnh mềm dẻo, trong suốt.
- Dễ biến tớnh, cú độ linh động cao. - Nhẹ và giỏ thành thấp.
Từ năm 1990 cựng với sự phỏt triển cụng nghệ nano cỏc nhà khoa học đó cú thể chế tạo vật liệu hữu cơ, vật liệu lai cú cấu trỳc hạt nano, màng mỏng nano mở ra triển vọng chế tạo pin OSC cấu trỳc nano với hiệu suất chuyển húa cao, cú thể ỏp dụng trong mọi ngành kinh tế
quốc dõn, trong mọi địa hỡnh và hoàn cảnh mụi trường.
Pin mặt trời hữu cơ cấu trỳc nano cú thể chia thành hai loại chớnh: - Loại pin mặt trời hữu cơ Donor/Acceptor (D-A Solar Cell – D/A
OSC).
- Loại pin OSC cảm ứng chất màu (Dye-sensitized Solar Cell -
DSSC).
7.3.4.1. Pin mặt trời hữu cơ dạng Donor/Acceptor (DAOSC)
a) Cấu tạo DAOSC
Cấu tạo cơ bản của DAOSC bao gồm cỏc thành phần chớnh: kim loại điện cực dương/ bỏn dẫn hữu cơ/ kim loại điện cực õm. Để cú hiệu suất chuyển húa cao, điện cực dương thường dựng là Indium Tin oxit (ITO), điện cực õm là kim loại nhụm, canxi, vàng, bạc, bạch kim. Lớp bỏn dẫn hữu cơ hoạt tớnh quang cú độ dày khoảng 100nm, bao gồm lớp cho điện tử (Electron Donor D) và lớp nhận điện tử
(Electron Acceptor A). Tựy theo cụng nghệ chế tạo lớp bỏn dẫn hữu cơ hoạt tớnh quang mà người ta chia thành cỏc loại sau:
- Cấu tạo lớp kộp (bi-layer). - Cấu tạo hỗn hợp chất D và A (Bulk heterojunction). Đế trong suốt _ ITOO Me + Lớp Donor Lớp Acceptor Bi-layer _ ITOi Me + D / A Bulk-heterojunction Hỡnh 235: Cấu tạo pin mặt trời DAOSC
b) Nguyờn lý hoạt động của pin DAOSC
- Khi chiếu sỏng mặt trời lờn pin DAOSC, chất Donor hấp thụ
ỏnh sỏng điện tửπ tự do chuyển lờn trạng thỏi kớch động exiton π* tạo thành cặp điện tử và lỗ trống (e-, h+). Những exiton này chuyển động khuếch tỏn tự do đến bờ biờn của chất Acceptor,
điện tử và lỗ trống phõn ly. Điện tử chuyển về hướng cú ỏi lực mạnh là Acceptor, cũn lỗ trống chuyển về hướng ngược lại Donor. Cứ như vậy cỏc điện tử và lỗ trống chuyển động về hai cực tạo thành dũng điện mạch ngoài. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng quang điện (Photovoltaic effect).
Bi-layer D A Bulk-heterojunction D A Hỡnh 236: Sơđồ nguyờn lý hoạt động của DAOSC - Quỏ trỡnh hấp thụ ỏnh sỏng hỡnh thành exiton. Hỗn hợp chất bỏn dẫn hữu cơ polyme và C60 Fullenrence khi nhận được ỏnh sỏng chiếu vào, phõn tử bỏn dẫn hữu cơ trở nờn trạng thỏi kớch thớch exiton. Trong cấu trỳc của chất bỏn dẫn hữu cơ cú mạch cỏc ion liờn hợp, quỹđạo điện tử ngoài cựng cú 4 điện tử thỡ 3
điện tử liờn kết σ cũn một điện tửở quỹđạo pz, điện tử này liờn kết với điện tử pz của cacbon kế bờn tạo liờn kết π. Vỡ vậy điện tử mạch liờn hợp dễ chuyển vị trạng thỏi theo dao động π→π*. Khi đú điện tử từ dải húa trị chuyển sang dải dẫn. Năng lượng vựng cấm Eg từ dải húa trị lờn dải dẫn, giống như bỏn dẫn vụ cơ, cú giỏ trị khoảng 1,5-3 eV, bằng năng lượng của ỏnh sỏng nhỡn thấy. Vỡ vậy nếu chiếu sỏng vựng nhỡn thấy thỡ năng lượng quang này đủđể tạo chuyển vịπ→π* sinh ra cỏc exiton.
- Sự khuếch tỏn của exiton và sự phõn ly điện tử/ lỗ trống ở mặt biờn D/A.
Khi bức xạ ỏnh sỏng vào lớp bỏn dẫn hữu cơ/ C60 cú hoạt tớnh quang. Phõn tử chất bỏn dẫn hữu cơ nhận năng lượng của
ỏnh sỏng trở thành trạng thỏi kớch thớch exiton. Cỏc exiton này
khuếch tỏn trong chất bỏn dẫn Donor, quóng đường khuếch tỏn
của nú cú độ dài khoảng 10 - 30nm. Khoảng cỏch này là rất
nhỏ so với độ dày của lớp bỏn dẫn hữu cơ. Đõy chớnh là
nguyờn nhõn gõy ra hiệu suất chuyển húa thấp trong OSC.
Trong BHJ của OSC hỗn hợp D/A đó khắc phục nhược điểm
này. Khi exiton được sinh ra cú thể khuếch tỏn mọi phương
hướng vỡ vậy khi đến vựng biờn bề mặt D/A hoặc bề mặt tiếp xỳc với điện cực, sự phõn ly điện tử và lỗ trống xảy ra trước khi nú tỏi kết hợp với thời gian rất nhanh. Trong trường hợp tỏi
kết hợp phỏt ra năng lượng huỳnh quang (photoluminescence).
Thời gian cỏc đụi điện tử và lỗ trống tỏi hợp xảy ra trong vài
chục nano giõy. Trong trường hợp này khụng hỡnh thành quang
điện. Vỡ vậy việc nghiờn cứu thỳc đẩy quỏ trỡnh chuyển động
nhanh của exiton giữa Donor và Acceptor là quan trọng. Quỏ
trỡnh chuyển điện tớch hoạt tớnh quang (Photo-Induced Charge
Transfer: PICT) càng nhanh thỡ sẽ khắc phục tốt việc tỏi kết hợp điện tử và lỗ trống. Một trong những phương phỏp thỳc
đẩy quỏ trỡnh PICT là sử dụng chất Acceptor cú ỏi điện lớn.
Điển hỡnh là vật liệu fullerence C60. Vỡ cú tớnh ỏi điện lớn nờn C60 cú thể hỳt điện tử trong exiton với lực điện trường mạnh khụng cho quỏ trỡnh tỏi kết hợp điện tử lỗ trỗng xảy ra. Những kết quả thớ nghiệm cho thấy khả năng hỳt điện tử của C60 xảy ra rất nhanh trong khoảng femto giõy. Khi điện tửđó bị hỳt vào Acceptor C60 với cấu trỳc mạng liờn hợp khả năng bắt giữ và lưu trữ điện tử lớn. Vỡ vậy, quỏ trỡnh quay trở lại của điện tử
xảy ra khú khăn trong thời gian lõu, khoảng vài mili giõy. Kết quả do quỏ trỡnh PICT điện tử tập trung ở C60 trờn quỹ đạo cú
mức LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) cũn lỗ
trống tồn tại trong mạch polyme.
Vỡ vậy quỏ trỡnh phõn ly và tỏi hợp của điện tử và lỗ trống xảy ra trờn bề mặt biờn D/A là quỏ trỡnh cú sự chờnh lệch thời gian. Sự chờnh lệch thời gian phõn ly và kết hợp càng lớn thỡ hiệu quả chuyển húa càng cao.
S S S