Hình 3.12. Ảnh hưởng của chiều dài SiNW đến sự hình thành cấu trúc lai
SiNW/PEDOT:PSS/Gr
Ảnh hưởng của chiều dài SiNW đến các tính chất của pin mặt trời cũng được nghiên cứu và khảo sát. SiNW với chiều dài khác nhau là 125 nm, 400 nm, 800 nm và 2000 nm đã được sử dụng để chế tạo pin mặt trời SiNW/PEDOT/PSS. Cấu trúc của SiNW sau khi được phủ PEDOT:PSS được trình bày ở hình 3.12. Ta thấy rằng với SiNW
có chiều dài ngắn hơn 400 nm thì hỗn hợp PEDOT:PSS/Gr gần như lấp đầy hoàn toàn các khe hở giữa các SiNW. Trong khi đó, với mẫu có SiNW dài hơn 400 nm thì gần như hỗn hợp PEDOT:PSS/Gr không lấp đầy các khoảng trống giữa các khe của SiNW mà hình thành một lớp màng riêng biệt ở phía trên đỉnh của SiNW. Hiện tượng này có thể do sự tụ đám của các SiNW khi chiều dài tăng lên như đã được mô tả và thảo luận ở phần nghiên cứu chế tạo SiNW.
Ảnh hưởng của chiều dài SiNW đến hệ số phản xạ trong vùng phổ 300 ÷ 1100 của cấu trúc SiNW/PEDOT:PSS/Gr được thể hiện ở trên hình 3.13. Từ phổ trên ta thấy có sự chuyển tiếp rõ nét trong dải khoảng từ 1000 ÷ 1100 nm, đây chính là đặc trưng của Si. Hệ số phản xạ giảm xuống khi so sánh giữa SiNW và đế Si phẳng (38%). Với SiNW có chiều dài 125 nm thì hệ số phản xạ xác định vào khoảng 25%. Khi chiều dài SiNW tăng lên 400 nm thì hệ số phản xạ giảm xuống còn 15%. Hệ số phản xạ của SiNW có chiều dài lớn hơn 800nm có sự thay đổi không đáng kể, hệ số phản xạ được xác định vào khoảng 5%. Như vậy, có thể thấy rằng SiNW càng dài thì hệ số phản xạ càng thấp. Nguyên nhân của hiện tượng này là do hiện tượng giam giữ và tương tác ánh sáng giữa các SiNW. Việc giảm hệ số phản xạ khi sử dụng SiNW sẽ là cơ sở để cải thiện hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời sử dụng cấu trúc lai SiNW/PEDOT:PSS/Gr.
Hình 3.13. Hệ số phản xạ của pin mặt trời cấu trúc SiNW/PEDOT:PSS/Gr với chiều
Để nghiên cứu sâu hơn về sự ảnh hưởng của chiều dài SiNW đến tính chất của pin mặt trời cấu trúc SiNW/PEDOT:PSS/Gr, hiệu suất lượng tử ngoại (EQE) đã được đo tại nhiệt độ phòng. EQE của pin mặt trời với chiều dài SiNW khác nhau được thể hiện ở hình 3.14. Ta thấy rằng EQE phụ thuộc vào chiều dài của SiNW và có thể tăng lên với chiều dài SiNW nhất định sau đó giảm xuống, điều này khác hẳn với xu hướng của tính chất giam giữ ánh sáng được thể hiện qua hệ số phản xạ. Pin mặt trời với SiNW ngắn hơn 400 nm có khả năng biến đổi các photon hấp thụ thành dòng một cách hiệu quả trong dải phổ từ 300 ÷ 1000 nm [22]. Pin mặt trời 400 nm-SiNW/PEDOT:PSS/Gr có EQE lớn nhất với giá trị trong khoảng 50–55% trong dải từ 300–700 nm, lớn hơn tất cả các cấu hình pin mặt trời với những chiều dài khác nhau kể cả với pin mặt trời có chiều dài SiNW lớn hơn 800 nm, mặc dù có khả năng giam giữ ánh sáng thấp hơn. Nguyên nhân của sự suy giảm EQE của pin mặt trời có SiNW lớn hơn 400 nm được cho là do hiệu suất tập trung hạt tải giảm, quá trình tái hợp hạt tải tăng lên trong suốt quá trình vận chuyển tới các điện cực do quãng đường tự do tăng lên [22]. Ngoài ra, sự tụ đám của các SiNW với chiều dài lớn hơn 400 nm cũng là nguyên nhân dẫn đến sự suy giảm EQE của pin mặt trời do không tạo ra được cấu trúc p-n diện tích lớn, chính vì vậy dẫn đến sụt giảm sự phân ly các hạt mang điện tích ở lớp tiếp giáp p-n.
Hình 3.14. Hiệu suất lượng tử ngoại của pin mặt trời cấu trúc SiNW/PEDOT:PSS/Gr
Bảng 3.2. Các đặc trưng của pin mặt trời SiNW/PEOT:PSS/Gr với SiNW có chiều dài khác nhau: mật dòng ngắn mạch (Jsc), thế hở mạch (Voc), điện trở Rs, hệ số lấp đầy (FF) và hiệu suất chuyển đổi ().
Hình 3.15. Đặc trưng J-V của pin mặt trời theo chiều dài SiNW khác nhau
Hình 3.16. Chuẩn hóa các thông số Jsc, Voc và FF của pin mặt trời theo chiều dài SiNW khác nhau
Để làm sáng tỏ ảnh hưởng của chiều dài SiNW đến tính chất của pin mặt trời SiNW/PEDOT:PSS/Gr, đặc trưng J-V đã được đo và thể hiện ở bảng 3.2 và Hình 3.15. Từ kết quả đo ta có thể thấy rõ rằng hiệu suất chuyển đổi quang điện tăng và giảm theo xu hướng của EQE. Các thông số như dòng Jsc, thế Voc, hệ số FF và hiệu suất của pin mặt trời cấu trúc lai tăng lên với SiNW ngắn hơn 400 nm. Pin mặt trời SiNW/PEDOT:PSS/Gr với SiNW 400 nm với EQE cao nhất thì cho hiệu suất chuyển đổi quang điện tốt nhất là 8.16% và các thông số khác Jsc 26.86 mA cm−2, Voc 0.54 V, FF 56 %. Trong tất cả các thông số kể trên thì Jsc có liên quan mật thiết nhất đến EQE. Vì vậy, Jsc của pin mặt trời với SiNW 400 nm là do sự chuyển đổi các photon hấp thụ thành dòng hiệu quả trong dải 300 ÷ 1100 nm. Sự tăng lên của điện trở Rsh được cho là nguyên nhân dẫn đến thế Voc tăng lên [22]. Pin mặt trời với SiNW 400 nm có điện trở Rsh (626.1 Ω/cm2) lớn hơn nhiều so với các pin mặt trời dạng khác (Hình 3.16). Ngoài ra, thời gian sống của các hạt tải phụ (minority carrier) tăng lên cũng có thể là nguyên nhân dẫn tới tăng Voc [22]. Pin mặt trời có SiNW ngắn có khả năng giảm bớt sự tái hợp các hạt tải vì khoảng cách vận chuyển các hạt tải ngắn và vì vậy thời gian sống của các hạt tải phụ tăng lên. Khi chiều dài SiNW tăng lên đến 800 nm thì hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời giảm xuống theo đúng xu hướng của EQE. Nguyên nhân như đã được thảo luận ở phần trên đó là do sự tu đám của các SiNW đã làm cản trở sự hình thành lớp tiếp giáp p-n diện tích lớn và sự tái hợp hạt tải tăng lên do khoảng cách vận chuyển hạt tải tăng lên. Như vậy, đến đây ta có thể kết luận được rằng hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin mặt trời SiNW/PEDOT:PSS/Gr có thể cải thiện khi sử dụng SiNW có chiều dài sao cho cân bằng được khả năng vận chuyển hạt tải và hiệu ứng giam giữ ánh sáng. Trong nghiên cứu này SiNW có chiều dài là 400 nm cho hiệu suất chuyển đổi tốt nhất khi tối ưu được khả năng vận chuyển hạt tải, duy trì được thời gian sống của các hạt tải phụ và giảm được sự tái hợp hạt tải do quãng đường vận chuyển ngắn.
KẾT LUẬN
Các nội dung nghiên cứu của luận văn đã được thực hiện tập chung vào việc chế tạo và khảo sát sự ảnh hưởng của một số điều kiện công nghệ đến tính chất của SiNWs và pin mặt trời SiNW/PEDOT:PSS/Gr với một số kết luận thu được như sau:
SiNW được chế tạo bằng dung dịch ăn mòn chứa HF 4.6M + AgNO3 0.02M, độ dài của SiNW có thể kiểm soát bằng cách thay đổi thời gian ăn mòn. Tốc độ ăn mòn được xác định vào khoảng 133 nm/phút.
Nồng độ Gr có ảnh hưởng tới sự tăng cường hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin mặt trời SiNW/PEDOT:PSS/Gr trong đó nồng độ Gr tối ưu để chế tạo pin mặt trời được xác định là 0.5 wt.%.
Hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin mặt trời SiNW/PEDOT:PSS/Gr ảnh hưởng bởi chiều dài SiNW, hiệu suất tốt nhất đối với SiNW có chiều dài sao cho tối ưu hóa được khả năng vận chuyển hạt tải và hiệu ứng giam giữ ánh sáng Chiều dài SiNW tốt ưu để chế tạo pin mặt trời SiNW/PEDOT:PSS/Gr là 400 nm.
Pin mặt trời SiNW/PEDOT:PSS/Gr với nồng độ 0.5 wt.% Gr và chiều dài SiNW 400 nm có hiệu suất chuyển đổi cao nhất là 8.16%.
Một số vấn đề cần nghiên cứu thêm
Nghiên cứu sâu hơn về vai trò và ảnh hưởng của thành phần Gr
Nghiên cứu sự ổn định của pin mặt trời SiNW/PEDOT:PSS/Gr.
Cải thiện độ dẫn điện của hỗn hợp PEDOT:PSS/Gr bằng các chất hoạt động bề mặt.
Nghiên cứu nâng cao hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời bằng chấm lượng tử graphen (GQD)
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
1. Pham Van Trinh, Nguyen Ngoc Anh, Nguyen Thi Cham, Le Tuan Tu, Nguyen Van Hao, Bui Hung Thang, Nguyen Van Chuc, Cao Thi Thanh, Le Ha Chi, Phan Ngoc Minh, Naoki Fukata, “Enhanced power conversion efficiency of n- Si/PEDOT:PSS hybrid solar cell by employing nanostructured silicon surface modification and gold nanoparticles addition” Journal of Science: Advanced Materials and Devices (SCIE- Major revision).
2. Nguyễn Thị Châm, Nguyễn Ngọc Anh, Bùi Hùng Thắng, Lê Hà Chi, Nguyễn Văn Chúc, Lê Tuấn Tú, Phan Ngọc Minh, Phạm Văn Trình, Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ graphen đến hiệu suất của pin mặt trời cấu trúc lai N- silic/PEDOT:PSS/graphen, Tạp chí Hóa học, ISSN:0866-7144, 57, 4e1,2,280- 284.
3. Nguyễn Thị Châm, Nguyễn Ngọc Anh, Lê Tuấn Tú, Bùi Hùng Thắng, Nguyễn Văn Chúc, Lê Hà Chi, Phan Ngọc Minh, Phạm Văn Trình, “Nghiên cứu chế tạo và tính chất của pin mặt trời cấu trúc lai nano Si/poly(3,4- ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)/graphen”, Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu Toàn quốc – SPMS 2019. tr. 446–449.
4. Nguyễn Ngọc Anh, Ngô Thị Bắc, Nguyễn Thị Châm, Nguyễn Văn Hảo, Bùi Hùng Thắng, Nguyễn Văn Chúc, Phan Ngọc Minh, Phạm Văn Trình, “Nghiên cứu chế tạo và tính chất của vật liệu silic cấu trúc nano định hướng ứng dụng cho pin mặt trời cấu trúc lai hiệu suất cao”, Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu Toàn quốc – SPMS 2019. tr. 450–454.
5. Nguyen Thi Cham, Nguyen Ngoc Anh, Le Tuan Tu, Phan Ngoc Minh, Pham Van Trinh, “Fabrication and characterization of the properties of SiNW/PEDOT:PSS/GQDs hybrid solar cell”, The 4th International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology (ICAMN2019), Hanoi, Vietnam.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] P. Beckmann,. A. Spizzichino, The Scattering of Electromagnetic Waves from Rough Surfaces, Publisher: Pergamon Press Oxford, London, New York, Paris, 1963
[2] https://www.acs.org/content/acs/en/education/resources/highschool/chemmatters/p ast-issues/archive-2013-2014/how-a-solar-cell-works.html
[3] http://www.science.doe.gov/bes/reports/files/SEU_rpt.pdf [4] https://www.nrel.gov/pv/
[5] Thiyagu S, Hsueh C C, Liu C T, Syu H J, Lin T C, Lin C F, Nanoscale, Hybrid organic–inorganic heterojunction solar cells with 12% efficiency by utilizing flexible film-silicon with a hierarchical surface, 6 (2014) 3361–3366.
[6] P. Campbell and M. A. Green, Light trapping properties of pyramidally textured surfaces, J. Appl. Phys, 62 (1987) 243– 249.
[7] Naoki Fukata Thiyagu Subramani Wipakorn Jevasuwan Mrinal Dutta Yoshio Bando, Functionalization of Silicon Nanostructures for Energy‐ Related Applications, Small 13(45) (2017) 1701713
[8] Sievert. W, K.U. Zimmermann, B. Hartmann, C. Klimm, K. Jacob and H. Angermann, Surface Texturization and Interface Passivation of Mono-Crystalline Silicon Substrates by Wet Chemical Treatments, Solid State Phenomena, 145-146 (2009) 223-226
[9] Srivastava S K, Kumar D, Singh P K, Kar M, Kumar V and Husain M, Excellent antireflection properties of vertical silicon nanowire arrays, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 94 (2010) 1506–11
[10] Garnett E and Yang P, Light trapping in silicon nanowire solar cells, Nano Lett. 10 (2010) 1082–7
[11] Kumar D, Srivastava S K, Singh P K, Husain M and Kumar V, Fabrication of silicon nanowire arrays based solar cell with improved performance, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 95 (2011) 215–8
[12] Wagner R S and Ellis W C, Study of the filamentary growth of silicon crystals from the vapor, Appl. Phys. Lett. 4 (1964) 89
[13] Westwater J, Gosain D P, Tomiya S, Usui S and Ruda H, Growth of silicon nanowires via gold/silane vapor–liquid–solid reaction, J. Vac. Sci. Technol. B 15 (1997) 554–7
[14] Latu R L, Mouchet C, Cayron C, Rouviere E, Simonato J P, Growth parameters and shape specific synthesis of silicon nanowires by the VLS method, J. Nanopart. Res. 10 (2008)1287–91
[15] Fuhrmann B, Leipner H S and Hoche H-R, Ordered arrays of silicon nanowires produced by nanosphere lithography and molecular beam epitaxy, Nano Lett. 5 (2005) 2524–7
[16] A.S. Sarkın, N. Ekren, Ş. Sağlam, A review of anti-reflection and self-cleaning coatings on photovoltaic panels, Solar Energy 199 (2020) 63-73.
[17] N Goel, RA Taylor, T Otanicar, A review of nanofluid-based direct absorption solar collectors: Design considerations and experiments with hybrid PV/Thermal and direct steam generation collectors, Renewable Energy 145 (2020) 903-913.
[18] M. K. Sahoo, P. Kale, Integration of silicon nanowires in solar cell structure for efficiency enhancement: A review, J. Materiomics 5 (2019) 34-49.
[19] E. C. Garnett and P. Yang, Silicon nanowire radial p− n junction solar cells, J. Am. Chem. Soc. 130 (2008) 9224
[20] M.D. Ko, T. R., K. Kim, M. Meyyappan and C.K. Baek, Sci Rep. High efficiency silicon solar cell based on asymmetric nanowire, 5 (2015) 11646.
[21] Y. Rui, T. Zhang, D. Zhu, Y. Feng, A. N. Cartwright, M. T. Swihart, Y. Yang, T. Zhang, C. Huang, H. Wang, D. Gu, Improved Performance of Silicon Nanowire- Based Solar Cells with Diallyl Disulfide Passivation, J. Phys. Chem. C, 123(8) (2019) 4664
[22] K. Sato, M. Dutta and N.Fukata, Inorganic/organic hybrid solar cells: optimal carrier transport in vertically aligned silicon nanowire arrays, Nanoscale 6 (2014) 6092–6101
[23] T. Song, S.T. Lee, B. Sun, Silicon nanowires for photovoltaic applications: The progress and challenge, Nano Energy 1 (2012) 654–673
[24] V. Sivakov, G. Andra, A. Gawlik, A. Berger, J. Plentz, F. Falk and S. H. Christiansen, Silicon nanowire-based solar cells on glass: synthesis, optical properties, and cell parameters, Nano Lett. 9 (2009) 1549–1554.
[25] M. Wright and A. Uddin, Organic—inorganic hybrid solar cells: A comparative review, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 107 (2012) 87–111
[26] F. C. Krebs, T. D. Nielsen, J. Fyenbo, M. Wadstrom and M. S. Pedersen,
Manufacture, integration and demonstration of polymer solar cells in a lamp for the “Lighting Africa” initiative, Energy Environ. Sci. 3 (2010) 512–525.
[27] Y. Zhou, C. Fuentes-Hernandez, J. Shim, J. Meyer, A. J. Giordano, H. Li, P. Winget, T. Papadopoulos, et. al. A universal method to produce low–work function electrodes for organic electronics, Science 336 (2012) 327–332
[28] K.T. Park, H.J. Kim, M.J. Park, J.H. Jeong, J. Lee, D.G. Choi, J.H. Lee and Jun- Hyuk Choi, 13.2% efficiency Si nanowire/PEDOT: PSS hybrid solar cell using a transfer-imprinted Au mesh electrode, Sci Rep. 5 (2015) 12093
[29] K. Uma, T. Subramani, H.J. Syu, T. C. Lin,and C.F. Lin, Fabrication of silicon nanowire/poly (3, 4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate)-graphene oxide hybrid solar cells, J. Appl. Phys. 117 (2015) 105102.
[30] T. Song, S.T. Lee and B. Sun, Prospects and challenges of organic/group IV nanomaterial solar cells, J. Mater. Chem. 22 (2012) 4216-4232
[31] J. S. Kim, S. Wood, S. Shoaee, S. J. Spencer, et. al. Morphology-performance relationships in polymer/fullerene blends probed by complementary characterisation techniques – effects of nanowire formation and subsequent thermal annealing, J. Mater. Chem. C 3 (2015) 9224-9232
[32] M.L. Tsai,W.R. Wei, L. Tang, H.C. Chang, S.H. Tai, P.K. Yang, L.J. Chen, and J.H. He, Si Hybrid Solar Cells with 13% Efficiency via Concurrent Improvement in Optical and Electrical Properties by Employing Graphene Quantum Dots, ACS Nano 10 (2016) 815−821,
[33] M.L. Tsai, W.C. Tu, L. Tang, T.C. Wei, W.R. Wei, S. P. Lau, S. P. Lau, L.J. Chen and J.H. He, Efficiency enhancement of silicon heterojunction solar cells via photon management using graphene quantum dot as downconverters, Nano Lett. 16 (2016) 309−313
[34] L.V. Hong, D.T. Cat, L.H. Chi, N.T.Thuy, T. V. Hung, L.N. Tai, P.D. Long,
Plasmonic Effect in Au-Added TiO2-Based Solar Cell, J. Electronic Mater. 45 (2016) 4833.
[35] L. H. Chi, P. D. Long, H. V. Chung, D. T. Phuong, D. X. Mai, N. T. T. Oanh, T. T. D. Lien, L. V. Trung, Structural and mechanical characterization of graphite foam/phase change material composites, Appl. Mechan. Mater. 618 (2014) 64-68. [36] N.T. Ha, P.D. Long, N.T. Trung, L.V. Hong, Synthesis of Cu+/bipyridyl Based
Complex Towards Dye Sensitized Solar Cell Application, Commun. Phys. 26 (2016) 43-49.
[37] V.T. Pham, T.T. Cao, V.C. Le, N.H. Phan, D.L. Pham, N.M. Phan and V.C. Nguyen, Effect of organic solvents on the properties of DWCNT/PEDOT: PSS transparent conductive films, Mater. Res. Express 4 (2017)105504
[38] P.D. Long, D.T. Chien, N. T. Trung, N. S. Hieu, L.H. Chi, V.V. Cat, V.D. Lam,
Plasmonic Effect Enhanced Photocurrent in Nanostructured TiO2 Films Decorated with Gold Nanoparticles, J. Elec. Materi. 46 (2017) 4448.
[39] MH Hoang, GE Park, S Choi, CG Park, SH Park, T Van Nguyen, S Kim, High- efficiency non-fullerene polymer solar cell fabricated by a simple process using new conjugated terpolymers, J. Mater. Chem. C, 7 (2019) 111-118.
[40] M.J. Cho, J.Seo, H.S. Oh, H. Jee, W.J. Kim, K.H. Kim, M.H. Hoang, D.H.Choi, P.N. Prasad, Tricyanofuran-based donor–acceptor type chromophores for bulk heterojunction organic solar cells, Sol. Energy Mater Sol. Cells 98 (2012) 71-77. [41] M.H. Hoang, J.S. Ahn, D.N. Nguyen, T.T. Ngo, D.H. Lee, M.J. Cho, D.H. Choi,