Hỡnh 1.11. Chuyển tiếp dị chất khối trong HLED.
Kết quả khảo sỏt về đặc trưng quang - điện cho thấy khi cỏc hạt nanụ tinh thể được đưa vào trong cỏc polymer kể trờn thỡ cỏc đặc trưng I-V, PL, EL của chỳng được cải thiện rất lớn theo xu hướng là: giảm thế mở và dũng ngược, tăng cường độ huỳnh quang, thay đổi màu sắc phỏt quang theo kớch thước và cấu trỳc vật liệu đưa
+ + Anốt Catốt HOMO LUMO CB VB
vào. Theo nghiờn cứu của Yanqin Li và cỏc cộng sự [58], cỏc chấm lượng tử như CdS, CdSe (viết tắt là QDs) cú thể thay đổi được phổ phỏt xạ theo kớch thước do đú khi pha vào nền polymer với cỏc tỷ lệ QDs cú kớch thước khỏc nhau thỡ cú thể chế tạo được cỏc OLEDs phỏt ỏnh sỏng trắng (hỡnh 1.12).
(a) (b)
Hỡnh 1.12. (a) Cấu tạo của OLED phỏt ỏnh sỏng trắng ITO/PEDOT:PSS/CBP:QDs(B,G,R,c%=18:2:1)/Alq3/Ca/Al.
(b) Cỏc đặc trưng I-V và L-V của linh kiện.
1.2.2. Pin mặt trời hữu cơ (OSC)
1.2.2.1. Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động của pin mặt trời hữu cơ (OSC) (1) Cấu tạo của pin mặt trời hữu cơ
a/ OSC đơn lớp
Cấu tạo cơ bản của pin mặt trời hữu cơ đơn lớp bao gồm cỏc thành phần chớnh: điện cực dương/bỏn dẫn hữu cơ/điện cực õm như mụ tả trờn hỡnh 1.13 a.
Điện cực dương thường dựng là ITO.
Điện cực õm thường dựng là kim loại Al, Ca, Ag,…
b/ OSC đa lớp
OSC đa lớp thụng thường bao gồm cỏc lớp cho điện tử (Donor - D) và lớp nhận điện tử (Acceptor - A) được kẹp giữa hai điện cực như mụ tả trờn hỡnh 1.13 b.
Ánh sỏng tới
A D
(a) (b)
Hỡnh 1.13. Cấu tạo của một OSC đơn lớp (a) và OSC đa lớp (b).
(2) Nguyờn lý hoạt động của pin mặt trời hữu cơ
Khi chiếu ỏnh sỏng cú năng lượng thớch hợp lờn pin mặt trời hữu cơ, chất bỏn dẫn hữu cơ hấp thụ ỏnh sỏng, điện tử từ trạng thỏi cơ bản π (HOMO) chuyển lờn trạng thỏi kớch thớch π*
(LUMO) tạo thành cặp điện tử và lỗ trống (e - h). Khỏc với chất bỏn dẫn vụ cơ, cỏc kớch thớch quang trong nhúm vật liệu này thường khụng tự động tạo thành cỏc điện tớch tự do mà tạo thành cỏc cặp điện tử và lỗ trống kết cặp (exciton) với năng lượng liờn kết khoảng 0,4 eV. Cỏc exciton này cần phải được tỏch ra trước khi cỏc điện tớch dịch chuyển qua màng và tớch tụ tại cỏc điện cực. Vớ dụ, sự phõn tỏch cỏc exciton cú thể xảy ra tại tiếp giỏp chỉnh lưu (tiếp xỳc Schottky) trong linh kiện đơn lớp hoặc tại bề mặt tiếp xỳc giữa vật liệu bỏn dẫn cho electron (Donor) và nhận electron (Acceptor) trong linh kiện đa lớp. Diện tớch bề mặt tiếp xỳc này càng lớn thỡ càng nhiều exciton tới đú và phõn ly. Ngoài ra, phạm vi khuyếch tỏn hẹp của cỏc exciton (thụng thường là khoảng 10 – 20 nm) so với độ dày màng cần thiết để hấp thu được phần lớn ỏnh sỏng (thụng thường > 100 nm) làm cho hiệu suất chuyển húa của pin mặt trời hữu cơ thường thấp [45].
Thủy tinh ITO Polymer
Al
1.2.2.2. Cỏc đặc trưng cơ bản của pin mặt trời
Hỡnh 1.14. Đặc trưng I-V của một pin mặt trời lý tưởng ở trạng thỏi tối (a), và dưới điều kiện được chiếu sỏng (b).
Cỏc đặc trưng dũng - thế của pin trong điều kiện tối và chiếu sỏng (hỡnh 1.14) cho phộp đỏnh giỏ hiệu suất quang điện cũng như cỏc tớnh chất điện của chỳng [22]:
Dũng nối tắt (Isc) là cường độ dũng điện ở trong mạch của pin mặt trời khi hai cực của nú bị nối tắt, nghĩa là điện trở của mạch ngoài bằng khụng.
Thế hở mạch (Voc) là hiệu điện thế ở hai cực pin mặt trời khi nú hở mạch, nghĩa là điện trở của mạch ngoài bằng vụ hạn, được đo khi dũng của pin bằng 0. Voc cũn được gọi là hiệu điện thế quang điện.
Pmax là cụng suất cực đại của pin mặt trời, tức là giỏ trị cực đại của tớch max max
I V , mà điểm trờn đường cong I-V tạo ra dũng và thế lớn nhất.
Hệ số lấp đầy (FF) được định nghĩa bằng tỉ số giữa cụng suất cực đại với cỏc giỏ trị dũng nối tắt và thế hở mạch:
Nếu ỏnh sỏng tới là đơn sắc với bước súng λ, hiệu suất sinh điện tử trờn một photon tới gọi là hiệu suất chuyển đổi quang điện nội:
(1.4) Trong đú, Jsc là mật độ dũng nối tắt, hay để đơn giản húa
1.24 sc /( )
IPCE J G , (1.5)
Với đơn vị tớnh của Jsc là A.cm-2
, G là W.cm-2
và λ là μm.
Hiệu suất chuyển đổi quang điện ngoài PCE của pin mặt trời được định nghĩa như là cụng suất cực đại của pin Pmax chia cho cụng suất của ỏnh sỏng tới Pin nhõn với diện tớch bề mặt S của linh kiện:
max in P PCE P S (1.6)
(thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm). Hiệu suất chuyển đổi quang điện ngoài là thụng số quan trọng dựng để đỏnh giỏ chất lượng của pin mặt trời, cần được xỏc định chớnh xỏc và khụng được nhầm lẫn với IPCE.
1.2.2.3. Vật liệu sử dụng trong pin mặt trời hữu cơ (1) Vật liệu điện cực
Yờu cầu đầu tiờn đối với điện cực trong OSC, cụng thoỏt của điện cực phải được chọn gần nhất cú thể với cỏc mức năng lượng của lớp hữu cơ được sử dụng (HOMO và LUMO) để tạo ra cỏc tiếp xỳc Ohmic. Ngoài ra, đối với linh kiện pin mặt trời phải cú ớt nhất một trong hai điện cực trong suốt hoặc bỏn trong suốt để ỏnh sỏng từ bờn ngoài cú thể xuyờn tới lớp bỏn dẫn hữu cơ.
Catốt - Điện cực thu điện tử (electron collecting contact): Là kim loại cú
cụng thoỏt C thấp. Vật liệu thường hay được sử dụng là Al, Ca, In và Ag. Việc lựa chọn cỏc vật liệu làm catốt cũn phải thoả món điều kiện rào thế EC giữa catốt và
Anốt - Điện cực thu lỗ trống (hole collecting contact): Là kim loại cú cụng thoỏt C cao chẳng hạn như Au, ITO (In2O3:Sn) hoặc AZO (ZnO:Al) thường được lựa chọn làm điện cực thu lỗ trống trong cỏc linh kiện OSC. Để nõng cao cụng thoỏt cho điện cực ITO ta cú thể sử dụng cỏc biện phỏp sau: xử lý bề mặt bằng plasma trong mụi trường oxy hoặc dung dịch axớt H3PO4 hoặc phủ chồng lờn một lớp vật liệu cú cụng thoỏt rất lớn như là PANI, PEDOT hoặc PEDOT-PSS.
(2) Vật liệu cho/nhận điện tử (Donor/Acceptor)
Vật liệu cho điện tử (Donor)
Đõy là những vật liệu cú khả năng hấp thụ ỏnh sỏng tạo ra điện tử. Những vật liệu bỏn dẫn hữu cơ thường được sử dụng làm Donor trong pin mặt trời hữu cơ điển hỡnh nhất là cỏc dẫn xuất của poly(paraphenylene vinylene) (PPV), dẫn xuất của polythiophen (PT), gần đõy cú sử dụng thờm một số polymer cú độ rộng vựng cấm thấp như polyfluorene và cỏc chất đồng trựng hợp khỏc [45].