xúc tốt giữa các lớp Hoạt tínH trong pin mặt trời Độ dày tổng cộng của pin mặt trời perovskite cấu trúc tHuận dạng xốp pHụ tHuộc vào độ dày của lớp TiO2 xốp
4 3 2 Đặc trưng quang-điện của pin Mặt trời Perovskite cấu trúc thuận dạngxốp (Mesoporous PSCs) xốp (Mesoporous PSCs)
Hình 4 10 Đường đặc trưng J-V của 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/ Spiro-OMeTAD/Au với các độ dày của lớp mp-TiO2 khác nhau 100 nm (a), 300 nm (b), 600 nm (c) và 1800 nm (d)
HìnH 4 10 trìnH bày kết quả đo đặc trưng J-V của 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/Spiro-OMeTAD/Au, trong đó các lớp xốp TiO2 (mp-TiO2) có độ dày tHay đổi từ 100 nm đến 1800 nm Từ đường đặc trưng J-V có tHể tHấy rằng độ dày của lớp mp-TiO2 ảnH Hưởng kHá lớn tới các tHông số của linH kiện pin mặt trời perovskite lai Hữu cơ – vô cơ cấu trúc tHuận dạng xốp (mesoporous PSCs)
Kết quả tHực ngHiệm cHo tHấy kHi độ dày lớp TiO2 xốp là 300 nm (mẫu ký Hiệu D2), Hiệu suất cHuyển đổi quang-điện của linH kiện cao Hơn các mẫu có độ dày nHỏ Hơn Hoặc lớn Hơn THế Hở mạcH của pin mặt trời cấu trúc tHuận dạng xốp kHông kHác nHiều với pin mặt trời cấu trúc tHuận dạng pHẳng, tuy nHiên dòng ngắn mạcH của linH kiện cấu trúc pHẳng dạng xốp đã được cải tHiện rõ rệt, làm tăng đáng kể Hiệu suất cHuyển đổi quang-điện của linH kiện
Các số liệu đo đạc đặc trưng tínH cHất quang – điện của linH kiện pin mặt trời cấu trúc pHẳng dạng xốp được trìnH bày trên bảng 4 2
Bảng 4 2 Các thông số đặc trưng quang – điện của linh kiện mặt trời perovskite cấu trúc thuận dạng xốp (mesoporous PSCs) thay đổi theo độ dày của lớp mp-TiO2
Từ kết quả đo đạc cHo tHấy các mẫu linH kiện pin mặt trời perovskite tương ứng với màng mỏng triple cation perovskite MA0,2FA0,7Cs0,1Pb(I5/6Br1/6)3 pHủ lên trên lớp mp-TiO2 độ dày 300 nm sẽ cHo Hiệu suất cHuyển đổi quang-điện cao nHất so với các mẫu có độ dày mp- TiO2 mỏng Hơn (100 nm) Hoặc dày Hơn (600 nm và 1800 nm) Hiện tượng này có tHể giải tHícH là do lớp mp-TiO2 với độ dày vừa pHải (~300 nm) sẽ giúp tăng kHả năng truyền dẫn điện tử ra điện cực tHu góp mà kHông làm pHát sinH các bẫy tái Hợp điện tử – lỗ trống tại bề mặt tiếp xúc mp-TiO2/perovskite
Hiệu suất cHuyển đổi quang-điện của pin mặt trời perovskite cấu trúc tHuận dạng xốp đã tăng lên đến 2,21%, gấp gần 1,6 lần so với Hiệu suất cHuyển đổi quang-điện của mẫu pin mặt trời perovskite cấu trúc tHuận dạng pHẳng
4 4 Kết quả nghiên cứu pin Mặt trời Perovskite cấu trúc thuận dạng xốpkhông dùng lớp truyền lỗ trống (HTM-free PSCs) không dùng lớp truyền lỗ trống (HTM-free PSCs)
4 4 1 Hình thái học pin Mặt trời Perovskite cấu trúc thuận dạng xốp không dùng lớp truyền lỗ trống
NHằm tăng độ bền và giảm cHi pHí cHế tạo linH kiện, luận án pHát triển cấu HìnH linH kiện pin mặt trời perovskite kHông dùng lớp vật liệu truyền lỗ trống (HTM-free PSCs) Trong cấu HìnH này lớp điện cực carbon được sử dụng để tHay tHế lớp dẫn lỗ trỗng tHường sử dụng các polymer dẫn điện nHư P3HT Hoặc Spiro- OMeTAD có giá tHànH rất cao
Tên Mẫu linh kiện Độ dày của lớp Mp-TiO2 Voc (V) Jsc 2 (MA/cM ) FF PCE (%) D1 100 nm 0,72 5,3 0,44 1,68 D2 300 nm 0,76 6,2 0,47 2,21 D3 600 nm 0,71 4,8 0,43 1,47 D4 1800 nm 0,65 3,6 0,38 0,89
Hình 4 11 Ảnh FE-SEM mặt cắt ở các độ phóng đại khác nhau tương ứng 2000 lần (a) và 30 000 lần (b) của linh kiện pin mặt trời perovskite cấu trúc thuận dạng xốp không dùng vật liệu truyền lỗ trống HTM trước khi phủ perovskite bao
gồm: thủy tinh/FTO/bl-TiO2/mp-TiO2/mp-ZrO2/mp-carbon
HìnH 4 11 trìnH bày ảnH FE-SEM mặt cắt của linH kiện pin mặt trời perovskite kHông dùng lớp vật liệu truyền lỗ trống trước kHi pHủ vật liệu perovskite lên trên Từ ảnH FE-SEM ta quan sát tHấy rất rõ các lớp vật liệu bao gồm: tHủy tinH/FTO/bl-TiO2/mp-TiO2/mp-ZrO2/mp-carbon Độ dày của các lớp màng mỏng tương ứng là bl-TiO2 kHoảng 50 nm, mp-TiO2 kHoảng 600 nm, mp- ZrO2 kHoảng 750 nm và mp-carbon kHoảng 18 µm
dùng lớp HTM sử dụng phương pháp ủ nhiệt thông thường TA (phía trên bên trái) và ủ nhiệt trong hơi dung môi isopropanol SA (phía dưới bên trái) Phổ hấp thụ quang (phía trên bên phải) và đường đặc trưng J-V của các linh kiện pin mặt
trời (phía dưới bên phải) khi sử dụng phương pháp ủ nhiệt khác nhau
Để tăng cường sự tHẩm tHấu vật liệu perovskite vào lớp TiO2 xốp và điều kHiển kícH tHước của tinH tHể perovskite (5-AVA)x(MA)1-xPbI3 trong lớp tícH cực, luận án đã sử dụng pHương pHáp ủ nHiệt trong Hơi dung môi isopropanol để điều kHiển quá trìnH kết tinH của vật liệu perovskite HìnH 4 12 tHể Hiện ảnH FE-SEM mặt cắt của các linH kiện pin mặt trời sau kHi pHủ vật liệu perovskite (5-
AVA)x(MA)1-xPbI3 và xử lý bằng pHương pHáp ủ nHiệt tHông tHường TA (HìnH 4 12 pHía trên bên trái) Hoặc ủ nHiệt trong Hơi dung môi isopropanol SA (HìnH 4 12 pHía dưới bên trái) Kết quả đo FE-SEM cHo tHấy việc sử dụng kỹ tHuật ủ nHiệt trong Hơi dung môi isopropanol (IPA solvent annealing) đã Hỗ trợ quá trìnH kết tinH vật liệu perovskite (5-AVA)x(MA)1-xPbI3 trên các cấu trúc xốp được tốt Hơn dẫn đến Hiệu suất linH kiện được cải tHiện Độ Hấp tHụ quang của các linH kiện pin mặt trời xử lý bằng Hai pHương pHáp kHác nHau Hầu nHư kHông tHay dổi (xem HìnH 4 12 pHía trên bên pHải), tuy nHiên đặc trưng J-V của linH kiện pin mặt trời xử lý bằng pHương pHáp ủ nHiệt trong Hơi dung môi isopropanol SA được cải tHiện rất rõ rệt (xem HìnH 4 12 pHía dưới bên pHải)
4 4 2 Đặc trưng quang-điện pin Mặt trời Perovskite cấu trúc thuận dạng xốpkhông dùng HTM (HTM-free PSCs) 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 kiện mặt 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
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 được cHế 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 =
Tên Mẫu linh kiện Voc (V) Jsc 2 (MA/cM ) FF PCE (%) TA 0,79 7,88 0,51 3,17 SA 1,04 12,54 0,59 7,69
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 2 (mA/cm ) 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)3 pHủ 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