3.4. Tớnh chất quang và quang điện của vật liệu MEH-PPV+nc-TiO2
3.4.2. Tớnh chất quang điện của vật liệu MEH-PPV+nc-TiO2 với cấu trỳc
chuyển tiếp dị chất khối hạt nanụ
3.4.2.1. Chế tạo linh kiện MEH-PPV+nc-TiO2 với cấu trỳc chuyển tiếp dị chất khối hạt nanụ
Hỡnh 3.20. Linh kiện pin mặt trời với cấu trỳc chuyển tiếp dị chất khối MEH-PPV+TiO2 hạt nanụ.
Để khảo sỏt cỏc đặc tuyến IV và tớnh chất quang điện của vật liệu chứa chuyển tiếp dị chất hữu cơ - vụ cơ cấu trỳc nanụ chỳng tụi chế tạo cỏc linh kiện với
ITO PEDOT - PSS Al MEH-PPV+ nc-TiO2 Thủy tinh
cấu trỳc chuyển tiếp dị chất khối MEH-PPV+TiO2 hạt nanụ (hỡnh 3.20). Quy trỡnh chế tạo được thực hiện như sau:
Chuẩn bị đế ITO/thủy tinh: Đế dẫn điện trong suốt ITO/thủy tinh được làm sạch bằng cỏch lần lượt rung siờu õm trong dung mụi ethanol, aceton và nước khử ion. Sau đú sấy khụ.
Lớp tiờm lỗ trống PEDOT-PSS [Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)- poly(styrene sulfonate)] được quay phủ ly tõm lờn trờn đế ITO/thủy tinh, sau đú được sấy khụ trong chõn khụng ở 150oC trong 1 giờ để loại bỏ hết lượng vết dung mụi.
Lớp vật liệu lai MEH-PPV+nc-TiO2 hạt nanụ chiều dày cỡ 300 nm được quay phủ ly tõm lờn trờn lớp PEDOT-PSS theo quy trỡnh như sau :
- Thời gian chờ: 120 giõy,
- Thời gian tăng tốc: 20 giõy,
- Tốc độ quay: 1500 vũng/phỳt,
- Thời gian quay: 60 giõy,
Điện cực Al: Một lớp 100 nm Al kim loại được bốc bay nhiệt trong chõn khụng 10-8
mbar lờn trờn cựng để tạo thành điện cực catốt cho linh kiện.
Ký hiệu cỏc mẫu :
D0: ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV/Al
D1: ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV+nc-TiO2(10% theo khối lượng)/Al
D2: ITO/PEDOT:PSS/MEH-PPV+nc-TiO2(25% theo khối lượng)/Al
3.4.2.2. Đặc tuyến I-V của linh kiện MEH-PPV+nc-TiO2 với cấu trỳc chuyển tiếp dị chất nanụ 0 1 2 3 4 5 6 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 Điện thế [V] M ậ t đ ộ d ò n g [ mA /cm 2 ] D0 D1 D2 D3
Hỡnh 3.21. Đặc tuyến IV của linh kiện với cấu trỳc chuyển tiếp dị chất khối MEH-PPV+TiO2 hạt nanụ.
So sỏnh cỏc đường đặc tuyến IV của linh kiện với cấu trỳc chuyển tiếp dị chất khối MEH-PPV+TiO2 hạt nanụ (hỡnh 3.21) với cỏc nồng độ khỏc nhau (10%, 25% và 50% theo khối lượng) ta nhận thấy yếu tố nồng độ của cỏc hạt nanụ TiO2 trong lớp màng tổ hợp cú ảnh hưởng rừ rệt đến tớnh chất điện của linh kiện. Khi nồng độ hạt nanụ TiO2 tăng thỡ độ dốc dốc của đường I-V thay đổi nhanh chúng theo tỉ lệ thành phần hạt nanụ TiO2. Khi tỉ lệ thành phần hạt nanụ TiO2 đạt 50% theo khối lượng so với MEH-PPV ta thấy linh kiện đó bị mất tớnh chỉnh lưu. Điều này cú thể được giải thớch như sau khi cỏc hạt nanụ tinh thể TiO2 được phõn tỏn vào nền polymer MEH-PPV sẽ làm xuất hiện cỏc biờn tiếp xỳc giữa cỏc hạt nanụ tinh thể bỏn dẫn vụ cơ và polymer. Chớnh khả năng truyền điện tớch tại cỏc biờn tiếp xỳc nanụ tinh thể vụ cơ/polymer làm tăng mật độ dũng của linh kiện lai do hạt nanụ TiO2 cú độ linh động hạt tải khỏ lớn dẫn đến làm tăng độ dốc của cỏc đường đặc tuyến IV so với linh kiện MEH-PPV thuần. Với tỉ lệ TiO2 là 50% theo khối lượng
đó sử dụng là quỏ lớn dẫn đến sự tụ đỏm theo cỏc phõn tớch hỡnh thỏi học từ ảnh FE- SEM do đú đó làm mất tớnh chỉnh lưu của điốt.
Hỡnh 3.22 trỡnh bày đặc tuyến I-V ở trạng thỏi tối và khi được chiếu sỏng (Pin = 50 mW/cm2) của linh kiện pin mặt trời với cấu trỳc chuyển tiếp dị chất khối MEH-PPV+TiO2 hạt nanụ (25% theo khối lượng). Từ đố thị ta tớnh toỏn được cỏc thụng số đặc tuyến của pin mặt trời đú là: thế hở mạch Voc = 0.125 V, dũng nối tắt Jsc = 1.15 mA/cm2, thừa số lấp đầy FF = 0.34 và hiệu suất chuyển đổi quang điện PEC = 0.15%.
Hỡnh 3.22. Đặc tuyến IV ở trạng thỏi tối và sỏng của linh kiện pin mặt trời với cấu trỳc chuyển tiếp dị chất khối MEH-PPV+TiO2 hạt nanụ (25% theo khối lượng). Pin = 50 mW/cm2, Voc = 1.15 V, Jsc = 0.125 mA/cm2, FF = 0.34, PEC = 0.15 %
3.4.3. Tớnh chất quang điện của vật liệu MEH-PPV+nc-TiO2 với cấu trỳc chuyển tiếp dị chất lớp kộp (bilayer heterojunction) chuyển tiếp dị chất lớp kộp (bilayer heterojunction)
3.4.3.1. Chế tạo linh kiện pin mặt trời với cấu trỳc chuyển tiếp dị chất lớp kộp MEH-PPV+nc-TiO2
Quy trỡnh chế tạo linh kiện pin mặt trời lai với cấu trỳc chuyển tiếp dị chất lớp kộp ITO/nc-TiO2 /MEH-PPV/Au (hỡnh 3.23) được thực hiện như sau:
Chuẩn bị đế ITO/thủy tinh: Đế dẫn điện trong suốt ITO/thủy tinh được làm sạch
bằng cỏch lần lượt rung siờu õm trong dung mụi ethanol, aceton và nước khử ion. Sau đú sấy khụ.
Lớp vật liệu nc-TiO2 với cấu trỳc dạng hạt nanụ hoặc dạng sợi nanụ được chế tạo bằng cỏch ụxy húa nhiệt từ lớp màng Ti trờn lớp ITO/thủy tinh như đó trỡnh bày trong mục 2.2.3.2.
Lớp vật liệu MEH-PPV/nc-TiO2 với cấu trỳc chuyển tiếp dị chất lớp kộp được hỡnh thành sau khi quay phủ ly tõm lớp MEH-PPV với chiều dày khoảng 100 nm lờn trờn lớp màng nc-TiO2 và xử lý nhiệt trong chõn khụng.
Điện cực Au (hoặc Al): Một lớp 100 nm Au kim loại (hoặc Al kim loại) được bốc
bay nhiệt trong chõn khụng 10-8
mbar lờn trờn cựng để tạo thành điện cực catốt cho linh kiện.
Hỡnh 3.23. Linh kiện pin mặt trời lai với cấu trỳc chuyển tiếp dị chất lớp kộp MEH-PPV+TiO2.
3.4.3.2. Cỏc đặc tuyến IV của linh kiện pin mặt trời chuyển tiếp dị chất lớp kộp MEH-PPV+nc-TiO2 dạng hạt nanụ so với dạng sợi nanụ
Kết quả đo đường đặc tuyến I-V trong tối và khi được chiếu sỏng của cỏc linh kiện
2.5 mm 2.5 mm hủy tinh ITO TiO2 MEH-PPV Au (Al)
nanụ)/MEH-PPV/Au (hỡnh 3.24 a) và ITO/nc-TiO2 (hạt nanụ)/MEH-PPV/Au (hỡnh 3.24 b) đó được nghiờn cứu. Mụ hỡnh giản đồ cỏc mức năng lượng của linh kiện được trỡnh bày trờn hỡnh 3.25.
Hỡnh 3.24. Đặc tuyến I –V trong tối và khi chiếu sỏng của linh kiện pin mặt trời sử dụng màng TiO2 sợi nanụ (a) và màng TiO2 hạt nanụ (b).
Hỡnh 3.25. Mụ hỡnh giản đồ cỏc mức năng lượng của linh kiện [14].
Kết quả cho thấy cỏc linh kiện thể hiện tốt hiệu ứng quang điện. Khi được chiếu sỏng linh kiện sử dụng màng TiO2 sợi nanụ cho mật độ dũng ngắn mạch lớn hơn nhiều (0.5 A/cm2) so với linh kiện sử dụng màng TiO2 hạt nanụ (0.15 A/cm2
) (hơn 3 lần). Điều này được giải thớch là khi vật liệu polymer ngấm sõu vào màng TiO2 thỡ với màng sợi nanụ điều này khụng chỉ làm tăng diện tớch tiếp xỳc mà nú cũn làm tăng khả năng tỏch điện tử từ cặp exition sinh ra trong vật liệu polymer và ngay lập tức chuyển về điện cực ITO [64]. Từ kết quả đo đặc tuyến I-V cho thấy màng TiO2 sợi nanụ rất phự hợp với vai trũ chất nhận điện tử và vỡ vậy hiệu suất của linh kiện được cải thiện đỏng kể. Cỏc kết quả của chỳng tụi nhận được cũng phự hợp với cỏc nghiờn cứu trờn cỏc đối tượng tương tự của cỏc nhúm nghiờn cứu khỏc như nhúm Luo Jie và cộng sự cụng bố sau đú với linh kiện pin mặt trời P3HT/TiO2 sợi nanụ [64] hoặc nhúm Wendy U. Huynh và cộng sự cụng bố trờn đối tượng P3HT/CdSe cũng cho thấy CdSe sợi nanụ cú hiệu suất cao hơn hạt nanụ [108, 109].