Các mẫu pin mặt trời perovskite cấu trúc thuận dạng phẳng có sự tham gia của lớp nano-vàng với chiều dày lớp vàng thay đổi từ 2 nm đến 10 nm đã được chế tạo thử nghiệm và được đánh mã số từ M1 (tương ứng với lớp vàng 2 nm); M2 (tương ứng với lớp vàng 5 nm) và M3 (tương ứng với lớp vàng 10 nm). Mẫu pin mặt trời không có lớp nano- vàng được ký hiệu là M0.
Hình 4.7. Đường đặc trưng J-V của pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ cấu trúc thuận dạng phẳng (planar
PSCs) với chiều dày các lớp nano-Au khác nhau từ 0,2,5,10 nm (tương ứng ký hiệu các mẫu M0, M1, M2 và M3).
lai hữu cơ – vô cơ cấu trúc thuận dạng phẳng (planar PSCs) bao gồm các lớp như sau: thủy tinh/FTO/bl- TiO2/AuNPs/perovskite MA0,2FA0,7Cs0,1Pb(I0,83Br0,17)3/ Spiro- OMeTAD/Au với chiều dày lớp vàng thay đổi từ 2 nm đến 10 nm cho thấy các mẫu có phủ hạt nano-Au thì có hiệu suất cao hơn so với mẫu không có nano-Au. Thực nghiệm cho thấy chiều dày lớp nano-Au là 5 nm sẽ cho hiệu suất chuyển đổi quang - điện đạt lớn nhất. Các số liệu đo đạc đặc trưng quang – điện của linh kiện pin mặt trời perovskite cấu trúc thuận dạng phẳng với độ dày lớp phủ nano- Au khác nhau được trình bày trên bảng 4.1.
Bảng 4.1. Các thông số đặc trưng quang – điện của linh kiện mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ cấu trúc thuận dạng phẳng với độ dày lớp phủ nano-Au khác nhau.
Tên mẫu linh kiện Chiều dày lớp Au (nm) Voc (V) Jsc (mA/cm2) FF PCE (%) M0 0 0,46 1,6 0,51 0,38 M1 2 0,51 1,9 0,56 0,54 M2 5 0,72 3,1 0,63 1,41 M3 10 0,70 2,8 0,61 1,20
Từ kết quả đo đạc hiệu suất chuyển đổi quang-điện của linh kiện pin mặt trời perovskite cấu trúc thuận dạng phẳng chúng ta nhận được mẫu M2 tương ứng với chiều dày màng Au 5 nm cho hiệu suất PCE lớn nhất, đạt 1,41%. Điều này có thể giải thích là do hiệu ứng plasmon đã tán xạ ánh sáng tới và tăng cường vận chuyển điện tích, làm cho lớp hoạt động quang perovskite nhận được nhiều photon tới hơn, dẫn đến hiệu suất của linh kiện được cải thiện.
Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) của các hạt nano vàng dẫn đến sự tăng cường trường gần cũng như sự tán xạ làm tăng cường sự hấp thụ ánh sáng trong lớp tích cực của pin mặt trời, do đó tăng xác suất tạo ra thêm các cặp exciton và phân ly hạt tải điện [121] [122]. Hiệu quả của trường gần mạnh trong cấu trúc nano- kim loại do cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ trong việc cải thiện sự phân tách cặp exciton đã được chứng minh bởi nhiều tác
giả [123]. Sự phân ly cặp exciton thành công tạo ra các hạt mang điện trái dấu nhau, nhưng các hạt tải điện này cần phải được vận chuyển hiệu quả (ít tái hợp) đến các điện cực tương ứng, để tạo ra dòng quang-điện.
Hình 4.8. Mô hình hiệu ứng tán xạ ánh sáng tới của các cấu trúc plasmonic Au để làm tăng hấp thụ quang trong
lớp tích cực [121].
Trong giai đoạn vận chuyển các hạt tải để tạo ra dòng quang-điện, hiệu ứng LSPR trên cấu trúc nano-kim loại đã được chứng minh là rất hiệu quả trong việc tăng cường vận chuyển các điện tích về điện cực. Lớp nano-vàng tại bề mặt tiếp xúc giữa TiO2 và lớp tích cực đã giúp cải thiện đáng kể độ linh động của hạt tải, ngoài ra sự có mặt của các hạt nano-vàng làm giảm rào thế tại bề mặt tiếp xúc giữa các lớp vật liệu cũng giúp tăng khả năng vận chuyển hạt mang điện đến điện cực và do đó giảm đáng kể quá trình tái hợp các cặp exciton [124].
Mặc dù sự có mặt của lớp nano-vàng đã cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi quang-điện của pin mặt trời perovskite cấu trúc thuận dạng phẳng, hiệu suất chuyển đổi quang-điện đã tăng 3,7 lần (từ 0,38% lên 1,41%), tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi thu được từ cấu trúc linh kiện này còn khá thấp, chưa đạt được yêu cầu chế tạo hàng loạt để ứng dụng trong thực tế.