1.3. Pin mặt trời plasmonics
1.3.3. Cấu trúc nano kim loại được tích hợp vào bên trong các lớp hoạt
của Pin
Trên Hình 1.14 là sơ đồ minh họa của pin mặt trời dạng khối tiếp xúc không đồng nhất (BHJ) kiểu các lớp đan xen (a); Các hạt nano Ag nằm trong các lớp tập hợp con của lớp hoạt động (b); Dao động lưỡng cực trong các hạt và thanh nano Au và phổ hấp thụ UV-Vis-NIR của chúng (c) [76].
Hình 1.14. Sơ đồ minh họa của pin mặt trời dạng khối tiếp xúc không đồng nhất
kiểu các lớp đan xen [76].
Trong PMT plasmonics thế hệ mới, các hạt hay thanh nano plasmonics có thể được pha trộn và tích hợp vào lớp hoạt động của pin như lớp truyền dẫn điện tử, lớp truyền dẫn lỗ trống. Khi kích thước của cấu trúc nano nhỏ hơn ~ 30 nm, hiệu ứng LSPR đóng vai trị chính trong việc đạt được độ hấp thụ tốt hơn. Đồng thời, bức xạ tới cũng có thể bị phân tán bởi các hạt và các thanh nano này để tăng chiều dài lan truyền dẫn đến tăng cường hấp thụ [76]. Các tính tốn lý thuyết chứng minh rằng, khi các hạt nano plasmonics tăng kích thước từ 10 đến 80 nm, bước sóng LSPR tương ứng thay đổi từ 413 đến 446 nm đối với các hạt nano Ag được nhúng trong P3HT: PCBM (3-hexylthiophene-2,5-diyl: [6,6]-Phenyl C61 butyric acid methyl ester). Đối với các Au NP trong cùng một mơi trường, bước sóng cộng hưởng rơi vào khoảng 626 – 641 nm [77]. Từ việc so sánh hiệu ứng plasmonic của các hạt nano Ag và Au với kích thước trung bình là 50 nm, người ta có thể thấy rằng sự hấp thụ quang học và sự vận chuyển hạt tải điện có thể được cải thiện bởi cả các hạt nano Ag và Au được tích hợp vào trong lớp hoạt động [78]. Tính tốn sai phân hữu hạn trong miền
thời gian (FDTD) dựa trên tán xạ Mie cho thấy rằng sự tăng cường phát sinh từ LSPR và tán xạ ánh sáng đạt hiệu quả tốt từ các cấu trúc nano Ag và Au.
Hình 1.15. Biểu diễn giản đồ sự hình thành của Ag trên bề mặt TiO2 và vật liệu
nano Ag@TiO2 đã được điều chế sẵn với các hàm lượng Ag khác nhau (trái); Giản đồ mô tả cấu trúc PMT nhạy mầu cải tiến (phải) [83].
Khi độ dày của lớp hoạt động đủ lớn, tập hợp các hạt nano plasmon có thể đặt trong một lớp con nhất định (Hình 1.14). Nó có thể nằm gần cực âm / cực dương hoặc ở vùng giữa của PMT [76]. Trong những trường hợp như vậy, vị trí của các exciton quang dẫn và do đó đường vận chuyển của các hạt mang điện tích có thể được tối ưu hóa khi xem xét các đặc tính điện của hạt mang điện [79]. Tác giả W. E. I. Sha và cộng sự đã nghiên cứu tác động sự phân tán của các lớp phụ đến hiệu suất quang điện của pin mặt trời hữu cơ phân tử nhỏ. Vì độ linh động lỗ trống của CuPc: C60 nhỏ hơn khoảng bốn bậc độ lớn so với độ linh động của electron, nên tối ưu là đặt các hạt nano Ag trong lớp hoạt động gần cực dương để quãng đường di chuyển của lỗ trống được sinh ra đi đến anot, được rút ngắn [80].
Mặc dù thực tế các thanh nano Au là một lựa chọn tốt để tăng cường plasmonic, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng các bề mặt nano kim loại có thể hoạt động như các trung tâm tái tổ hợp cho các lỗ trống và electron, có thể làm giảm đặc tính quang điện của chúng [81]. Một giải pháp được đề xuất là phủ chúng bằng vật liệu vô cơ để tạo thành cấu trúc lõi-vỏ [82]. Su Pei Lim và cộng sự chế tạo hệ hạt có cấu trúc lõi vỏ Ag@TiO2 với các hạt Ag có kích thước khoảng 2 - 4 nm ứng dụng cho PMT nhậy màu (DSSC). Dung dịch điện li sử dụng là Iodolyte Z-100 và nồng độ Ag được thay đổi từ 1 – 20 % thì hiệu suất được tăng cường khi so với khơng có hạt Ag và đạt giá trị lớn nhất là 89,1 % (2,57 lên 4,86 %) tại nồng độ của Ag là 2,5 % [83] (Hình 1.15).
Da Hyun Song và cộng sự trong một báo cáo trên tạp chí nanomaterials cho thấy, khi các hạt nano Au và Ag đa hình dạng với khả năng hấp thụ tăng cường plasmon rộng hơn được phủ trên một lớp TiO2 xốp có cấu trúc từng lớp trong DSSCs khiến cho hiệu suất chuyển đổi quang (photo-conversion efficiency – PCE) tăng từ 8,44 % lên 10,22 %, tương đương với mức cải thiện 21,09 % so với DSSC khơng có lớp plasmonic [84] (Hình 1.16). Trong Hình 1.16 là quy trình chế tạo PMT nhậy màu dựa trên cấu trúc từng lớp với các hạt nano Ag và Au đa hình dạng: (a) phủ lớp chặn (blocking) TiO2; (b) phủ lớp TiO2 xốp (mesoporous) trên lớp chặn TiO2; (c) phủ poly (4-vinylpyridin) trên lớp TiO2 xốp; (d) cố định các hạt Ag; (e) phủ lại lớp TiO2 xốp và poly (4-vinylpyridine); (f) sự cố định của các hạt Au; và (g) sự chế tạo PMT nhạy màu [84].
Hình 1.16. Quy trình chế tạo PMT nhậy màu dựa trên cấu trúc từng lớp với các hạt
Hình 1.17. Phổ hấp thụ UV-Vis cho các cấu trúc nano Ag và Au được pha trộn
trong P3HT: PCBM (a), Cấu trúc thiết bị gồm ITO / rGO (0,4 wt %) ZnO/P3HT: PCBM: 20wt % + Ag/Au NP hoặc NR (b) đặc điểm J-V (c) và phổ EQE (d) với các
tỉ lệ Au, Ag khác nhau [78].
Sankara Rao Gollu và cộng sự khi tích hợp các hạt hoặc các thanh nano Au và Ag vào lớp hoạt động (active layer) P3HT:PCBM của PMT hữu cơ cho thấy hiệu suất của nó được tăng cường đáng kể, trong đó các thanh nano Au thể hiện sự tăng cường tốt nhất 28,65 % (từ 3,77 lên 4,85 %) [78] (Hình 1.17). Ting Hu và cộng sự tích hợp carbon nanotube (CNT) - Au vào lớp đệm ZnO của PMT hữu cơ PTB7/PC71BM làm tăng độ linh động hạt tải của lớp đệm ZnO này (từ 7,26 x 10-4 lên 1,27 x 10-3 cm2/V.s) dẫn đến hiệu suất (HS) của PMT được cải thiện 12,86 % (từ 7 lên 7,9 %) [85] (Hình 1.18).
Đặc biệt trong một báo cáo của Su Pei Lim và cộng sự trên tạp chí Royal society of chemistry vào năm 2016, khi tích hợp các hạt nano Au và Ag vào lớp active TiO2 của PMT nhạy màu cho thấy HS tăng vọt 230 % (từ 2,22 lên 7,33 %) (Hình
1.19) [86]. Một số những kết quả khác về sự tăng cường hiệu suất do tích hợp cấu
trúc plasmon chìm vào trong các lớp hoạt động được liệt kê trong Bảng 1.2.
Hình 1.19. Giản đồ chức năng của pin mặt trời nhạy màu Dye dựa trên điện cực
quang cải tiến phức hợp Au – Ag/TiO2 [86].
Bảng 1.2. Hiệu quả được tăng cường của một số pin mặt trời khi tích hợp cấu trúc
plasmon vào bên trong của pin.
Vật liệu sử dụng PMT được tích hợp Hiệu quả tăng cường TLTK
N,S-TiO2@Ag PMT Dye HS tăng 145 % (từ 3,35 lên
8,22 %) [87]
Ag@TiO2 PMT Dye HS tăng 30,67 % (từ 4,01
lên 5,24 %) [88]
TiO2:Ag PMT Dye HS tăng 46,3 % (4,1 lên 6,0
%) [89]
Ag@TiO2 PMT Dye HS tăng 89,1 % (2,57 lên
4,86 %) [83]
PEDOT:PSS/Au PMT hữu cơ PBDT- TS1:PC71BM
HS tăng 10,69 % (từ 9,26
lên 10,25 %) [90]
Au@SiO2 PTB7:PC71BM HS tăng 26,99 % (từ 7,52
Vật liệu sử dụng PMT được tích hợp Hiệu quả tăng cường TLTK
Ag, Au/TiO2 PMT Dye HS tăng 20,51 % (từ 8,58
lên 10,34 %) [84]
Ag/LHCII PMT hữu cơ PC71BM HS tăng 20,81 % (7,40 lên 8,94 %) [92] P3HT:PCBM:Ag NPs PMT hữu cơ HS tăng 11,67 % (HS đạt 4,21 %) [78] P3HT:PCBM:Ag NRs PMT hữu cơ HS tăng 15,92 % (HS đạt 4,37 %) [78] P3HT:PCBM:Au NPs PMT hữu cơ HS tăng 17,77 % (HS đạt 4,44 %) [78] P3HT:PCBM:Au NRs PMT hữu cơ HS tăng 28,65 % (HS đạt 4,85 %) [78]
CNT-Au/ZnO PMT hữu cơ PTB7/PC71BM
HS tăng 12,86 % (từ 7 lên
7,9 %) [85]
Ag/WO3 PMT hữu cơ P3HT HS tăng 24,95 % (HS đạt
5,71 %) [93]
Ag, Au/WO3 PMT hữu cơ P3HT HS tăng 43,32 % (từ 4,57
lên 6,55 %) [93]
Ag/TiO2 PMT Dye HS tăng 25 % (từ 7 tăng lên
9 %) [94]
Au/ZnO PMT hữu cơ PCDTBT:PC71BM
HS tăng 27,3 % (từ 6,14 lên
7,82 %) [95]
Ag, Au@TiO2 PMT Dye HS tăng 230 % (từ 2,22 lên
7,33 %) [86] Betanin,
lawsone/Ag PMT Dye
HS tăng 28,63 % (từ 0,79
lên 1,02 % [96]
Ag:TiO2 PMT Dye HS tăng 5,78 % (HS đạt
9,33 %) [97]
Au:TiO2 PMT Dye HS tăng 8,05 % (HS đạt
9,53 %) [97]
Au, Ag:TiO2 PMT Dye HS tăng 8,05 % (từ 8,82 lên
Vật liệu sử dụng PMT được tích hợp Hiệu quả tăng cường TLTK TiN PMT Perovskite MASnI3 HS tăng 41,08 % (HS đạt 18,2 %) [98] ZrN PMT Perovskite MASnI3 HS tăng 28,68 % (HS đạt 16,6 %) [98] ZrN/SiO2 PMT Perovskite MASnI3 HS tăng 55,04 % (từ 12,9 lên 20,0 %) [98]
TiO2/Ag PMT Dye HS tăng 23,99 % (từ 5,92
lên 7,34%) [99]
Ag/TiO2 PMT Dye HS tăng 51,16 % (từ 4,3 lên
6,5 %) [100]
Ag@TiO2 PMT Dye HS tăng 7,30 % (từ 4,66 lên
5 %) [101]
Ag implanted TiO2 PMT Dye HS tăng 65,3% (HS đạt
5,29%) [102]
Ag@TiO2 PMT Dye HS tăng 28,87 % (HS đạt
1,83 % [103]
Ag@TiO2 PMT Dye HS tăng 26,13 % (từ 4,40
lên 5,55 %) [104]
Ag, TiO2/ZnO PMT chấm lượng tử CdS/CdSe
HS tăng 22 % (HS đạt 5,92
%) [105]
Au:TiO2 PMT Dye HS tăng 65 % (HS đạt 8,6
%) [106]
Ag:TiO2 PMT Perovskite HS tăng 13 % (HS đạt
13,26 %) [107]
Au/TiO2 PMT Dye HS tăng 18,44 % (HS đạt
7,35 %) [108]
Ag-ZnO PMT Dye HS tăng 33,96 % (HS đạt
3,51 %) [109]
Au/TiO2 PMT Dye HS tăng 203 % (HS đạt
0,94 %) [110]
ZnO/Au PMT Dye HS tăng 21,54 % (HS đạt
Vật liệu sử dụng PMT được tích hợp Hiệu quả tăng cường TLTK
Au/Pedot:pss PMT hữu cơ P3HT HS tăng 14,24 % (HS đạt
3,61 %) [112]
Au/P3HT PMT hữu cơ P3HT HS tăng 7,91 % (HS đạt
3,41 %) [112] Au/Pedot:pss, P3HT PMT hữu cơ P3HT HS tăng 21,84 % (HS đạt 3,85 %) [112] Au@TiO2 PMT Perovskite MAPbI2 HS tăng 33,69 % (HS đạt 14,92 %) [113]
Au/ZnO PMT plasmonic HS tăng 25,13 % (HS đạt
2,44 %) [114]
Au@SiO2/ZnO PMT plasmonic HS tăng 11,28 % (HS đạt
2,17 %) [114]
PEDOT:PSS:Au PMT hữu cơ P3HT HS tăng 13,23 % (từ 3,10
lên 3,51 %) [115]