Linh kiện Isc (mA) Voc (mV) FF (%) PCE (%) ITO/ TiO2/P3HT:PCBM/Alq3/Al 0.080 2750 39.454 11.682 ITO/ PEDOT- PSS:CNTs/P3HT:PCBM/Alq3/Al 0.100 2500 37.12 12.489 ITO/ TiO2/MEH- PPV:PCBM/Alq3/Al 0.044 800 37.386 1.771 ITO/ PEDOT-PSS:CNTs/MEH- PPV:PCBM/Alq3/Al 0.049 920 34.738 2.107
Từ bảng 3.4 thấy rằng các pin mặt trời hữu cơ cấu trúc đa lớp sử dụng các màng dẫn nano làm lớp tiếp xúc điện cực dương có hệ số điền đầy (FF) và hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) đều cao hơn hẳn so với của pin cấu trúc đơn lớp. Khi sử dụng màng nano particle cluster TiO2 làm lớp tiếp xúc điện cực dương, linh kiện ITO/ TiO2/P3HT:PCBM/Alq3/Al và ITO/ TiO2/MEH-PPV:PCBM/Alq3/Al có các thông số PCE đạt lần lượt là 11,682% và 1,771%, cao hơn hẳn so với linh kiện đơn lớp tương ứng (1,917% và 0,531%). Kết quả cho thấy việc sử dụng màng nano particle cluster TiO2 làm lớp tiếp xúc điện cực dương đã nâng cao được độ ổn định, mật độ dòng cũng như hiệu suất làm việc của pin. Màng nano particle cluster TiO2 có tác dụng không chỉ tăng cường khả năng truyền lỗ trống từ ITO vào lớp hoạt quang mà còn có thể giúp cân bằng mật độ lỗ trống và điện tử trong lớp hoạt quang [8]. Khi sử dụng lớp tiếp xúc điện cực dương là màng dẫn nano PEDOT- PSS:CNTs, linh kiện ITO/ PEDOT- PSS:CNTs/P3HT:PCBM/Alq3/Al và ITO/PEDOT-PSS:CNTs/MEH- PPV:PCBM/Alq3/Al có các thông số PCE đạt lần lượt là 12,849% và 2,107%. Màng PEDOT-PSS:CNTs với điện trở thấp đã thúc đẩy quá trình truyền lỗ trống từ ITO vào lớp hoạt quang, ngoài ra cũng sẽ góp phần hạn chế ảnh hưởng do các khuyết bề mặt của màng ITO.
Linh kiện cấu trúc đa lớp sử dụng lớp hoạt quang P3HT:PCBM có hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) trung bình trên 10% cao hơn hẳn so với linh kiện cấu trúc đa lớp sử dụng lớp hoạt quang MEH-PPV:PCBM (trung bình khoảng 2%). Điều này một lần nữa khẳng định bản chất phân tách hạt tải tốt hơn của tổ hợp P3HT:PCBM so với MEH-PPV:PCBM.
Kết luận và kiến nghị
Đã nghiên cứu chế tạo và khảo sát các tính chất đặc trưng quang – điện cũng như cấu trúc hình thái học của các màng vật liệu tổ hợp PEDOT-PSS:CNTs và TiO2 nano cluster. Các màng dẫn nano này có độ dày khoảng 20-25nm và độ truyền qua cao trong vùng ánh sáng khả kiến (từ 80-90%), thích hợp sử dụng làm lớp tiếp xúc điện cực trong chế tạo pin mặt trời hữu cơ.
Đã chế tạo thành công vật liệu tổ hợp nanocomposite trên cơ sở polymer dẫn P3HT và MEH-PPV với PCBM. Vật liệu P3HT:PCBM = 1:1,5 và MEH-PPV:PCBM = 1:1,5 (theo khối lượng) có cấu trúc chuyển tiếp dị chất khối phù hợp cho sử dụng làm lớp hoạt quang trong chế tạo pin mặt trời hữu cơ.
Đã chế tạo thành công pin mặt trời hữu cơ có cấu trúc khác nhau với lớp hoạt quang là màng vật liệu tổ hợp P3HT:PCBM, MEH-PPV:PCBM. Các màng PEDOT- PSS:CNTs và TiO2 nano cluster được sử dụng làm lớp tiếp xúc điện cực dương. Các thông số kỹ thuật đặc trưng của pin đã được khảo sát và cho kết quả ban đầu khả quan. Cụ thể, pin mặt trời có cấu trúc ITO/ PEDOT-PSS:CNTs/P3HT:PCBM/Alq3/Al có hệ số điền đầy FF = 37,12 % và hiệu suất chuyển đổi năng lượng PCE = 12,489%, pin cấu trúc ITO/ TiO2/P3HT:PCBM/Alq3/Al có hệ số điền đầy FF = 39,454 % và hiệu suất chuyển đổi năng lượng PCE = 11,682%
Do thời gian có hạn nên trong thời gian tới, đề tài sẽ tiếp tục nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của dung môi, hàm lượng PCBM cũng như hoàn thiện công nghệ chế tạo pin nhằm đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao.
Tài liệu tham khảo
Tiếng Việt
1. Nguyễn Năng Định, Công nghệ vật liệu cấu trúc nanô ôxit titan và ôxit thiếc sủ
dụng trong pin mặt trời kiểu mới, Hội nghị ĐHSP II, 2007.
2. Nguyễn Duy Khanh, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội, 2010.
3. Phạm Thị Luận, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội, 2011.
4. Phùng Hồ-Phan Quốc Phô, Giáo trình Vật liệu bán dẫn, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2008.
Tiếng Anh
5. A. Mills, S. Le Hunte, “An overview of semiconductor photocatalysis, J. Photochem. and Photobiology”, A: Chemistry, 1997), pp.108.
6. Badrinarayanan.S, Madhu Kumar.P, and Murali Sastry “Nanocrystalline TiO2 studied by optical, FTIR and X-ray photoelectron spectroscopy: correlation to presence of surface states”, Thin Solid Films 358, 2000, p.p. 122-130.
7. G. Campet, J. Portier, S. J. Wen, B. Morel, M. Bourrel, J. M. Chabagno, “Electrochromism and electrochromic windows”, Active and Passive Elec.Comp., 14 (1992) 225 - 231.
8. L. Meda, R. C. Breitkopf, T. E. Haas and R. U. Kirss, “Investigation of electrochromic properties of nanocrystalline tungsten oxide thin film”, Thin Solid Films, Vol.402 , 2002, 126 -130.
9. N. N. Dinh, N. Th. T. Oanh, P. D. Long, M. C. Bernard, A. Hugot-Le Goff, “Electrochromic properties of TiO2 anatase thin films prepared by dipping sol-gel method”, Thin Solid Films 423 (2003) N1, pp. 70-76 .
10. Nguyen Nang Dinh, Nguyen Minh Quyen, Do Ngoc Chung, Marketa Zikova,Vo-Van Truong, “Highly-efficient electrochromic performance of nanostructured TiO2 films made by doctor blade technique”, Sol. Energy Mat. Sol. Cells, Vol.95, 2011, pp. 618 – 623.
11. P.Vanlaeke, A. Swinnen, I.Haeldermans, G. Vanhoyland, T. Aernouts, D. Cheyns, C. Deibei, J. D’Hen, P. Heremans, J. Poortmans, J.V. Manca,
“P3HT/PCBM bulk heterojunction solar cells: Relation between morphology and electro-optical characteristic”, ELSEVIER, 2006.
12. R. Könnenkamp et al, Phys. Rev. B, Vol. 60, No. 16,1999.
13. S. H. Yang, T. P. Nguyen, P. Le Rendu, C. S. Hsu, "Composites Part A: ", Appl. Sci. Manufact. 2005.
14. Stephanie V. Chasteen, “Exciton dynamics in conjugated polymer phottovolataics: steady –state and time-resolved optical spectroscopy”, Doctor of philosophy in Physics, December 2005.
15. V. K. Sachder, R. Kumar, A. Singh, S. Kumar, and R. M. Mehra, “Electrical conducting polymers: An overview”, Solid State Phenomena, 1997, pp. 55.