không dùng HTM (HTM-free PSCs)
Mô hình linh kiện và giản đồ các mức năng lượng của pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ với cấu trúc thuận dạng xốp không dùng HTM (mesoporous HTM-free PSCs) được mô tả trên hình 4.13. Vật liệu perovskite đã thẩm thấu vào các lớp các-bon, TiO2 xốp và ZrO2 và hoạt động như lớp tích cực của linh kiện.
Hình 4.13. Mô hình linh kiện (a) và giản đồ các mức năng lượng (b) của pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ cấu trúc thuận dạng xốp không dùng HTM
(HTM-free PSCs)bao gồm các lớp: thủy tinh/FTO/bl-TiO2/(mp-TiO2/mp-
ZrO2/mp-carbon) perovskite (5-AVA)x(MA)1-xPbI3.
Các khảo sát phổ đặc trưng J-V khi chiếu sáng đã được chúng tôi thực hiện trên hệ thiết bị chiếu sáng giả phổ mặt trời Newport Oriel® Sol1A™ Model 94021A ghép nối với hệ đo I-V Keithley 2400 đặt tại phòng thí nghiệm vật liệu và linh kiện năng lượng, Viện Khoa học vật liệu. Kết quả đo đạc đặc trưng J-V cho thấy các mẫu linh kiện pin mặt trời perovskite tương ứng với màng mỏng perovskite chế tạo theo cách xử lý nhiệt trong hơi dung môi (SA) sẽ cho hiệu suất cao hơn hẳn so với các mẫu chế tạo theo cách xử lý nhiệt thông thường (TA).
Hình 4.14 trình bày kết quả đo đặc trưng J-V của pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ cấu trúc thuận dạng xốp không dùng HTM (mesoporous HTM-free PSCs) bao gồm thủy tinh/FTO/bl-TiO2/(mp-TiO2/mp-ZrO2/mp- carbon) perovskite được xử lý ủ nhiệt thông thường TA và trong hơi dung môi isopropanol SA. Thực nghiệm cho thấy linh kiện pin mặt trời perovskite ứng dụng phương pháp ủ nhiệt trong hơi dung môi isopropanol có mật độ dòng điện ngắn mạch đạt giá trị 12,54 mA/cm2 và thế hở mạch đạt giá trị 1,04 V, tăng lên hơn 25% so với các giá trị mật độ dòng ngắn mạch 7,88 mA/cm2 và thế hở mạch 0,79 V của linh kiện pin mặt trời xử lý ủ nhiệt thông thường.
Hình 4.14. Đường đặc trưng J-V của pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ
cấu trúc thuận dạng xốp không dùng HTM (mesoporous HTM-free PSCs)bao
gồm các lớp: thủy tinh/FTO/bl-TiO2/(mp-TiO2/mp-ZrO2/mp-carbon)perovskite.
Các thông số đặc trưng quang–điện gồm mật độ dòng ngắn mạch J, thế hở mạch V, hệ số điền đầy FF và hiệu suất chuyển đổi quang –điện của các linh kiện pin mặt trời perovskite được chế tạo theo phương pháp ủ nhiệt thông thường (TA) và ủ nhiệt trong hơi dung môi (SA) được trình bày trên bảng 4.3.
Bảng 4.3. Các đặc trưng quang–điện của linh kiệnmặt trời perovskite cấu trúc thuận dạng xốp không dùng HTM (mesoporous HTM-free PSCs) xử lý bằng
phương pháp ủ nhiệt thông thường TA và trong hơi dung môi SA
Tên mẫu
linh kiện Voc (V) (mA/cmJsc 2) FF PCE (%)
TA 0,79 7,88 0,51 3,17
SA 1,04 12,54 0,59 7,69
Từ bảng số liệu của thông số đo đạc các mẫu linh kiện pin mặt trời perovskite có thể nhận thấy mẫu linh kiện pin mặt trời tương ứng với vật liệu perovskite lai 2D/3D (5- AVA)x(MA)1-xPbI3 đượcchế tạo theo phương pháp xử lý nhiệt trong hơi dung môi (SA) đã đạt được các giá trị như sau: Thế hở mạch Voc = 1,04 V, mật độ dòng ngắn mạch Jsc = 12,54 mA/cm2, hệ số điền đầy FF = 0,59 và hiệu suất chuyển đổi quang-điện PCE =
7,69%. Hiệu suất chuyển đổi quang-điện của pin mặt trời perovskite đã được cải thiện đáng kể (tăng từ 3,17% lên 7,69%) khi sử dụng phương pháp ủ nhiệt trong hơi dung môi isopropanol có thể được lý giải là do hơi dung môi isopropanol đã làm chậm quá trình mọc mầm và phát triển tinh thể perovskite trong giai đoạn đầu tạo thành vật liệu sẽ giúp tăng khả năng thẩm thấu dung dịch tiền chất của vật liệu perovskite (5- AVA)x(MA)1-xPbI3 xuyên qua các lớp xốp so với cách ủ nhiệt thông thường. Hiệu ứng thẩm thấu vật liệu perovskite vào các lớp chức năng làm tăng tiếp xúc giữa bề mặt tiếp xúc của các lớp, dẫn đến tăng khả năng truyền dẫn điện tử – lỗ trống ra điện cực mà không làm phát sinh các bẫy tái hợp điện tử – lỗ trống tại bề mặt tiếp xúc, từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất pin mặt trời perovskite. Các kết quả nghiên cứu này đã được chúng tôi công bố trong bài báo đăng trên tạp chí Communications in Physics [115].
Bảng 4.4. Bảng thống kê so sánh PCE của các loại pin mặt trời đã chế tạo được
Tên mẫu linh kiện
Dạng linh kiện pin
PSCs Voc (V) Jsc (mA/cm2) FF PCE (%) M0 phẳng 0,46 1,6 0,51 0,38 M1 phẳng –plasmonic Au 2 nm 0,51 1,9 0,56 0,54 M2 phẳng –plasmonic Au 5 nm 0,72 3,1 0,63 1,41 M3 phẳng –plasmonic Au 10 nm 0,70 2,8 0,61 1,20 D1 xốp-TiO2 dày 100 nm 0,72 5,3 0,44 1,68 D2 xốp-TiO2 dày 300 nm 0,76 6,2 0,47 2,21 D3 xốp-TiO2 dày 600 nm 0,71 4,8 0,43 1,47 D4 xốp-TiO2 dày 1800 nm 0,65 3,6 0,38 0,89 TA HTM-free PSCs ủ nhiệt thông thường 0,79 7,88 0,51 3,17 SA HTM-free PSCs ủ nhiệt
Bảng 4.4 thể hiện so sánh PCE của các loại pin mặt trời đã chế tạo được. Từ đó cho thấy các mẫu linh kiện pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ cấu trúc thuận dạng xốp giúp tăng hiệu suất chuyển hóa pin hơn so với dạng phẳng. Tuy nhiên nếu lớp xốp mà quá dày sẽ cản trở quá trình thẩm thấu dung dịch tiền chất perovskite vào dẫn đến làm giảm hiệu suất. Hiệu ứng plasmonic sẽ làm cải thiện hiệu suất pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ hơn. Đặc biệt, pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ không dùng HTM được ủ nhiệt trong hơi dung môi (SA) là cho hiệu suất cao hơn hẳn (PCE = 7,69%) so với các mẫu còn lại. Điều này có thể giải thích là do cách cấu tạo lớp xốp dày kết hợp cách xử lý màng perovskite 2D/3D bằng hơi dung môi làm tăng khả năng ngấm sâu dung dịch tiền chất perovskite xuyên qua các lớp xốp hơn so với cách ủ nhiệt thông thường. Do đó phần màng thu năng lượng quang perovskite sẽ dày hơn và tiếp xúc tại bề mặt tiếp xúc giữa các lớp được cải thiện, dẫn đến tăng hấp thu năng lượng ánh sáng lên nhiều hơn cũng như tăng được khả năng truyền dẫn điện tử và lỗ trống ra các điện cực ngoài, từ đó nâng cao được hiệu suất pin mặt trời perovskite này lên vượt trội hơn các loại còn lại.
Nhìn chung, các kết quả đã nhận được cho thấy hiệu suất các mẫu linh kiện pin mặt trời perovskite phụ thuộc tương đối lớn vào cấu tạo từng lớp vật liệu và cách chế tạo lớp thu năng lượng quang perovskite. Mỗi một thay đổi nhỏ trong quy trình chế tạo, kỹ thuật xử lý màng cũng có thể ảnh hưởng lớn tới kết quả hiệu suất thu nhận được. Điều này cũng hoàn toàn phù hợp với các báo cáo khác nghiên cứu về vật liệu và linh kiện perovskite [17] [125]. Do dó, việc tiếp tục tìm kiếm các giải pháp cải tiến về công nghệ cũng như gia tăng hiểu biết về cơ chế phát sinh và truyền điện tích trong từng lớp vật liệu và tại bề mặt tiếp xúc giữa các lớp vật liệu sẽ giúp ích cho quá trình nâng cao hiệu suất của pin trong tương lai.
Kết luận chương 4
1. Đã chế tạo được pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ cấu trúc thuận dạng phẳng (planar PSCs) bao gồm các lớp: thủy tinh/FTO/bl-TiO2/AuNPs/ perovskite MA0,2FA0,7Cs0,1Pb(I0,83Br0,17)3/Spiro-OMeTAD/Au. Việc thêm vào lớp màng nano kim loại vàng giúp cải thiện tính chất quang & điện của màng perovskite/TiO2/AuNPs, dẫn đến tăng cường hiệu suất cho pin mặt trời lai hữu cơ – vô cơ perovskite cấu trúc thuận dạng phẳng (planar PSCs).
2. Đã nghiên cứu chế tạo thành công pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ cấu trúc thuận dạng xốp (mesoporous PSCs) bao gồm các lớp: thủy tinh/FTO/bl- TiO2/ mp-TiO2/perovskite MA0,2FA0,7Cs0,1Pb(I0,83Br0,17)3/Spiro-OMeTAD/Au. Các kết quả cho thấy linh kiện pin mặt trời perovskite tương ứng với màng perovskite MA0,2FA0,7Cs0,1Pb(I0,83Br0,17)3phủ lên trên lớp mp-TiO2 với độ dày ~300 nm là cho hiệu suất cao nhất so với các mẫu còn lại.
3. Đã nghiên cứu chế tạo thành công pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ cấu trúc thuận dạng xốp không dùng HTM (mesoporous HTM-free PSCs) bao gồm các lớp thủy tinh/FTO/bl-TiO2/(mp-TiO2/mp-ZrO2/mp-carbon) perovskite (5- AVA)x(MA)1-xPbI3 trong điều kiện không khí. Từ kết quả đo đạc cho thấy các mẫu linh kiện pin mặt trời perovskite tương ứng với màng mỏng perovskite ủ nhiệt trong hơi dung môi (SA) là cho hiệu suất cao hơn hẳn (PCE = 7,69%) so với các mẫu chế tạo theo cách 1 ủ nhiệt thông thường (TA) (PCE = 3,17%). Thông số mẫu linh kiện pin mặt trời perovskite chế tạo theo cách ủ nhiệt trong hơi dung môi (SA) đạt được là: Voc = 1,04 V, Jsc = 12,54 mA/cm2, FF = 0,59, và PCE = 7,69%. Điều này có thể giải thích là do hơi dung môi làm chậm quá trình mọc mầm và phát triển tinh thể sẽ giúp tăng khả năng ngấm sâu dung dịch tiền chất perovskite xuyên qua các lớp xốp hơn so với cách ủ nhiệt thông thường. Do đó tiếp xúc tại bề mặt tiếp xúc giữa các lớp được cải thiện, dẫn đến tăng khả năng truyền dẫn điện tử – lỗ trống ra điện cực mà không làm phát sinh các bẫy tái hợp điện tử – lỗ trống tại bề mặt tiếp xúc, từ đó nâng cao được hiệu suất pin mặt trời perovskite.
KẾT LUẬN CHUNG
1. Về công nghệ vật liệu, chúng tôi đã sử dụng các phương pháp thực nghiệm và chế tạo thành công màng mỏng các vật liệu cấu trúc perovskite sau đây: perovskite CH3NH3PbI3, perovskite hỗn hợp đa thành phần MA0.2FA0.7Cs0.1Pb(I0.83Br0.17)3,perovskite lai 2D/3D, perovskite kép Cs2SnI6 có dải phổ hấp thụ và độ rộng vùng cấm năng lượng phù hợp, có thể hấp thụ tốt năng lượng quang vùng khả kiến, thậm chí có thể mở rộng đến vùng hồng ngoại gần.
2. Đã điều khiển được chiều dày, hình thái học của các cấu trúc nano bán dẫn TiO2, ZnO (màng hạt nano phẳng, màng hạt nano xốp, màng thanh nano) trên đế dẫn điện trong suốt FTO làm vật liệu truyền điện tử. Đã chế tạo thành công các cấu trúc nano kim loại Au tạo hiệu ứng plasmonic bẫy ánh sáng và tách cặp hạt tải tốt hơn nhằm ứng dụng cải thiện hiệu suất cho pin mặt trời perovskite.
3. Đã chế tạo được pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ cấu trúc thuận dạng phẳng (planar PSCs) bao gồm các lớp: thủy tinh/FTO/TiO2 phẳng/AuNPs/ perovskite MA0,2FA0,7Cs0,1Pb(I0,83Br0,17)3/Spiro-OMeTAD/Au. Việc thêm vào lớp plasmonic AuNPs giúp cải thiện tính chất quang & điện của màng perovskite/TiO2-AuNPs, dẫn đến tăng cường hiệu suất cho pin mặt trời lai hữu cơ – vô cơ perovskite cấu trúc thuận dạng phẳng (planar PSCs).
4. Đã nghiên cứu chế tạo thành công pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ cấu trúc thuận dạng xốp (mesoporous PSCs) bao gồm các lớp: thủy tinh/FTO/bl-TiO2 /mp-TiO2/perovskite MA0,2FA0,7Cs0,1Pb(I0,83Br0,17)3/Spiro- OMeTAD/Au. Các kết quả cho thấy linh kiện pin mặt trời perovskite tương ứng với màng perovskite MA0,2FA0,7Cs0,1Pb(I0,83Br0,17)3phủ lên trên lớp mp-TiO2 với độ dày ~300 nm là cho hiệu suất cao nhất so với các mẫu còn lại.
5. Đã nghiên cứu chế tạo thành công pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ cấu trúc thuận dạng xốp không dùng HTM (mesoporous HTM-free PSCs) bao gồm các lớp thủy tinh/FTO/bl-TiO2/(mp-TiO2/mp-ZrO2/mp-carbon) perovskite trong điều kiện không khí. Các mẫu linh kiện pin mặt trời perovskite tương ứng với màng mỏng perovskite ủ nhiệt trong hơi dung môi (SA) cho hiệu suất chuyển đổi quang điện đạt 7,69% cao hơn hẳn so với các mẫu chế tạo theo cách 1 ủ nhiệt thông thường (TA) đạt 3,17%. Do độ dày của lớp hấp thụ quang perovskite tăng lên và tiếp xúc tại bề mặt tiếp xúc giữa các lớp được cải thiện dẫn đến tăng khả năng truyền dẫn điện tử và lỗ trống ra điện cực, từ đó nâng cao được hiệu suất pin mặt trời perovskite.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
[1]. Le Ha Chi, Pham Duy Long, Hoang Vu Chung, Do Thi Phuong, Do Xuan Mai, Nguyen Thi Tu Oanh, Thach Thi Dao Lien, Le Van Trung, “Galvanic- cell-based synthesis and photovoltaic performance of ZnO-CdS core-shell nanorod arrays for quantum dots sensitized solar cells”, Applied Mechanics and Materials, Vol. 618, pp. 64-68, 2014.
[2]. Le Van Trung, Tran Quoc Dat, Hoang Hong Ly, Thach Thi Dao Lien, Do Xuan Mai, Do Thi Phuong, Hoang Vu Chung, Pham Duy Long, Pham Van Hoi, Le Ha Chi, “Synthesis and photoelectrochemical properties of the ZnO/CdS core-shell nanorod arrays”, Advances in Optics, Photonic, Spectroscopy & Applications VIII, pp.810-814, 2015.
[3]. Thach Thi Dao Lien, Nguyen Tien Dai, Nguyen Tien Thanh, Pham Van Phuc, Nguyen Thi Tu Oanh, Pham Duy Long, Pham Van Hoi, Le Ha Chi, “Tin fluoride assisted growth of air stable perovskite derivative Cs2SnI6 thin film as a hole transport layer”, Materials Research Express, Vol.6, 116442, 2019. [4]. Thach Thi Dao Lien, Pham Van Phuc, Nguyen Thi Tu Oanh, Nguyen Si
Hieu, Ta Ngoc Bach, Pham Duy Long, Pham Van Hoi, Le Ha Chi, “Using solvent vapor annealing for the enhancement of the stability and efficiency of monolithic hole-conductor-free Perovskite solar cells”, Communications in Physics, Vol. 30, No. 2, 133-141, 2020.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
[1]. Lien Thi Dao Thach, Thanh Van Ha, Long Duy Pham, Chung Vu Hoang, Chi Ha Le, “Seedless ZnO nanorod layer as an efficcient electron transporting layer for hybrid organic – inoganic perovskite solar cell”, The
8th International Workshop on Advanced Materials Science and
Nanotechnology (IWAMSN 2016), Ha Long City, Vietnam, 2016.
[2]. Lien Thi Dao Thach, Thanh Tien Nguyen, Dong Chung Nguyen, Oanh Thi Tu Nguyen, Hieu Si Nguyen, Chung Vu Hoang, Chi Ha Le, Long Duy Pham, “Synthesis and characterization of Cesium-tin-iodide perovskite thin films as hole transport materials”, The 5th Academic Conference on Natural Science for Young Scientists, Master and PhD Students from Asean
Countries (CASEAN - 5), Da Lat City, Viet Nam, 2017.
[3]. Lien T.D. Thach, Phuc V. Pham, Oanh T.T. Nguyen, Hieu S. Nguyen, Chung V. Hoang, Long D. Pham, Hoi V. Pham, Chi H. Le, “Fabrication and characterization of gold plasmonic nanoparticles incorporated organo-lead halide perovskite solar cells”, The 10th International Conference on Photonics & Applications (ICPA-10), Ha Long City, Vietnam, 2018.
[4]. Phuc V. Pham, Lien T.D. Thach, Thanh T. Nguyen, Oanh T.T. Nguyen, Hieu S. Nguyen, Chung V. Hoang, Long D. Pham, Thuy T.D. Ung, Hoi V. Pham, Chi H. Le, “Impact of TiO2 mesoporous layer thickness on the performance of hybrid oganic – inorganic perovskite solar cells”, The 9th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN 2018), Ninh Binh, Vietnam, 2018.
[5]. Phuc V. Pham, Lien T.D. Thach, Chi H. Le, “Fabrication of the MA/FA/Cs
triple cation perovskite solar cells using one-step and two-step approaches”, Poland-Vietnam Symposium on Natural Science, High Technology and Humanities for Young Scientists, Hanoi, Vietnam, 2018.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Henry J. Snaith, “Perovskites: The Emergence of a New Era for Low-Cost, High- Efficiency Solar Cells,” J. Phys. Chem. Lett., vol. 4, p. 3623−3630, 2013.
[2] Surya Prakash Singh, P. Nagarjuna, “Organometal halide perovskites as useful materials in sensitized solar cells,” Dalton Trans., vol. 43, p. 5247–5251, 2014.
[3] Akihiro Kojima, Kenjiro Teshima, Yasuo Shirai and Tsutomu Miyasaka, “Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells,” Journal of the American Chemical Society, vol. 131, p. 6050–6051, 2009.
[4] C.S. Ponseca, T.J. Savenije, M. Abdellah, K. Zheng, A. Yartsev, T. Pascher, T. Harlang, P. Chabera, T. Pullerits, A. Stepanov, J.-P. Wolf, V. Sundström, “Organometal halide perovskite solar cell materials rationalized: ultrafast charge generation, high and microsecond-long balanced mobilities, and slow recombination,” J. Am. Chem. Soc. ,
vol. 136, p. 5189—5192, 2014.
[5] Alan R. Bowman, Matthew T. Klug, Tiarnan A. S. Doherty, Michael D. Farrar, Satyaprasad P. Senanayak, Bernard Wenger, Giorgio Divitini, Edward P. Booker, Zahra Andaji- Garmaroudi, Stuart Macpherson, Edoardo Ruggeri, Henning Sirringhaus, Henry J. Snaith, and, “Microsecond Carrier Lifetimes, Controlled p-Doping, and Enhanced Air Stability in Low-Bandgap Metal Halide Perovskites,” ACS Energy Lett., vol. 4, p. 2301−2307, 2019. [6] Waqaas Rehman , Rebecca L. Milot , Giles E. Eperon, Christian
Wehrenfennig , Jessica L. Boland , Henry J. Snaith , Michael B. Johnston , Laura M. Herz, “Charge‐Carrier Dynamics and Mobilities in Formamidinium Lead Mixed‐Halide Perovskites,” Adv. Mater., vol. 27, p. 7938−7944, 2015.
[7] S. D. Wolf, J. Holovsky, S.-J. Moon, P. Löper, B. Niesen, M. Ledinsky, F.-J. Haug, J.- H. Yum, C. Ballif, “ Organometallic Halide Perovskites: Sharp Optical Absorption Edge and Its Relation to Photovoltaic Performance,” J. Phys. Chem. Lett., vol. 5, p. 1035−1039, 2014.
[8] Hyun Suk Jung, Nam-Gyu Park, “Perovskite solar cells: from materials to devices,”
Small, vol. 11, pp. 10-25, 2015.
[9] Michael Grätzel, “The light and shade of perovskite solar cells,” Nature Materials, vol. 13, p. 838–842, 2014.
[10] Tiantian Zhang, Meng Wang and Hongxing Yang, “A Review of the Energy Performance and Life-Cycle Assessment of Building-Integrated Photovoltaic (BIPV)