Căn cứ vào đường đặc trưng dòng – thế, ta có thể định nghĩa và xác định các đại lượng đặc trưng của pin mặt trời như sau:
Dòng ngắn mạch ISC
Dòng ngắn mạch ISC là cường độ dịng điện khi V = 0. Khi đó dịng ngắn mạch sẽ được xác định bởi biểu thức:
( ) exp S 1 D S B q V IR I I nk T + é ù = ê - ú ë û ( ) exp S 1 S ph S B sh q V IR V IR I I I nk T R + é ù + = - ê - -ú ë û ( ) exp S 1 ph S B q V IR I I I nk T + é ù = - ê - ú ë û
(1.5)
Trên đồ thị đường đặc trưng dòng – thế, dòng ngắn mạch ISC chính là giá trị cường độ dịng điện khi đường đặc trưng cắt trục tung.
Thế hở mạch VOC
Thế hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở mạch. Khi đó mạch ngồi có dịng I = 0.
(1.6)
Trên đồ thị đường đặc trưng dòng – thế, thế hở mạch VOC chính là giá trị điện thế mà tại đó đường đặc trưng cắt trục hoành.
Với IS được biểu diễn như bởi công thức:
(1.7)
Trong đó LD là độ dài khuyếch tán trung bình của cặp điện tử lỗ trống. A là diện tích bề mặt tiếp xúc p - n, g0 là hệ số kích thích nhiệt. Eg độ rộng vùng cấm của bán dẫn.
(1.8)
K là hiệu suất góp của lớp tiếp xúc có giá trị cực đại là 1, Nph là số các cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra trong phạm vi giới hạn của bước sóng lg.
Từ cơng thức (1.4) ta thấy: khi T = 0 thì VOC = Eg/q, khi T > 0 thì VOC < Eg/q.
Cơng suất ra cực đại Pmax
Công suất ra cực đại là giá trị công suất ở đầu ra lớn nhất mà pin mặt trời có thể cung cấp. Nó phản ánh khả năng hoạt động của pin theo chế độ tải bên ngoài.
Pmax = Imp Vmp (1.9) Trên đồ thị đường đặc trưng dòng – thế, Pmax là diện tích hình chữ nhật lớn nhất bên trong đường cong dòng – thế, I và V ở đây là dịng điện, hiệu điện thế cho cơng suất ra cực đại (Imp,Vmp) (Hình 1.3).
exp SC S 1 SC ph S B qI R I I I nk T é ù = - ê - ú ë û ln ph B OC s I nk T V q I = S =qAL g expD 0 Eg I kT ỉ ư - ỗ ÷ è ø g 0 OC E nkT V = ln q q D ph g L A KN -
Hệ số điền đầy FF
Hệ số điền đầy (FF) là tỷ số giữa công suất ra cực đại và tích số giữa cường độ dịng ngắn mạch và thế hở mạch. Nó phản ánh phẩm chất của linh kiện so với trường hợp lý tưởng. Trường hợp lý tưởng hệ số điền đầy FF = 1.
𝐹𝐹 = !!"#
"$%#&% = "!'#!'
"$%#&% (1.10) Hệ số FF của một pin mặt trời liên quan tới các thành phần điện trở nối tiếp, điện trở sơn. Để có FF lớn thì RS phải nhỏ nhất có thể, đồng thời Rsh lớn nhất có thể, trường hợp lý tưởng RS = 0, Rsh = ¥ (hình 1.3). VOC giảm khi Rsh giảm, ISC
giảm khi RS tăng.
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời (PCE)
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng (power conversion efficiency, viết tắt là PCE) đặc trưng cho khả năng biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng được xác định là tỷ số giữa công suất ra cực đại (Pmax) và công suất chiếu sáng (Pin) trên pin.
(1.11)
Như vậy, muốn đạt hiệu suất cao cần thiết phải tìm cách tăng dịng ngắn mạch (ISC), thế hở mạch (VOC) và hệ số điền đầy FF.
Hiệu suất chuyển đổi photon tới thành dòng điện (IPCE)
Hiệu suất chuyển đổi photon tới thành dòng điện là khả năng chuyển đổi photon ánh sáng tới thành các điện tử đóng góp vào dịng quang điện của pin mặt trời. Nó được xác định là tỷ số giữa số điện tử quang ở mạch ngoài và số photon tới tại một bước sóng xác định và được biểu diễn như sau:
(1.12)
Trong đó I(l) có đơn vị là µA/cm2, Pin(l) cơng suất quang W/m2, l là bước sóng tới đo bằng nanomet.
max SC OC in in P I .V .FF P P h = = ( ) ( ) ( )( ) ( ) electron photon in n I λ 1240 × n P λ λ nm l h l = =
1.2. Pin mặt trời Perovskite
1.2.1. Lịch sử phát triển của pin mặt trời perovskite
Hình 1.4. Lịch sử phát triển của pin mặt trời perovskite [16]
Sự phát triển của pin mặt trời perovskite lai hữu cơ-vô cơ đã gây bất ngờ cho cộng đồng nghiên cứu với hiệu suất vượt trội và sự phát triển nhanh chóng chưa từng có của nó, hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) tăng vọt lên tới 25,2 % chỉ trong thời gian ngắn (Hình 1.4) [16] [18]. Các cation hữu cơ, cụ thể là methylammonium (MA), lần đầu tiên đã được Weber và Naturforsch sử dụng để tạo thành vật liệu perovskite halogen lai hữu cơ-vô cơ (hybrid inorganic-organic perovskite) vào năm 1978 với cơng thức hóa học là CH3NH3MX3 với M = Pb hoặc Sn và X = Cl, Br hoặc I. Năm 2006, Miyasaka và các đồng nghiệp tiên phong đưa các perovskite lai CH3NH3PbI3 như là chất nhạy quang trên nano xốp TiO2 trong pin mặt trời DSSC dùng chất lỏng điện ly và nhận được một hiệu suất 2,2 %. Trong năm 2009, hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) 3,8 % đã đạt được bằng cách thay thế Br với I [3]. Trong năm 2011, N.G.Park và các đồng nghiệp công bố pin CH3NH3PbI3 đã đạt được một hiệu suất 6,5 % bằng cách sử dụng các hạt nano perovskite (đường kính ~2.5 nm) trên TiO2 để làm nhạy sáng với sự có mặt của chất điện giải dạng lỏng nhằm cải thiện sự hấp thụ qua các chất màu (dye) thông thường [19]. Tuy nhiên, những thiết bị này là rất dễ bị hòa tan trong dung dịch điện ly có
tính phân cực. Do đó, vào năm 2012 N.G.Park & Michael Gratzel làm pin với một chất điện ly rắn 2,2’,7,7’-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamine)-9,9’- spirobifluorene (Spiro-OMeTAD) được sử dụng làm lớp vận chuyển lỗ trống (HTM), đạt hiệu suất ban đầu là 9.7 % và bền tới 500 h, sự ổn định được cải thiện đáng kể so với các linh kiện thiết kế tương tự với chất điện ly lỏng [20]. Cùng năm đó, một linh kiện khơng có lớp HTM đã đạt được PCE ~ 7,3 % [21]. Sau đó, Snaith và các cộng sự báo cáo thay thế các loại n TiO2 vật liệu vận dẫn electron (ETM) bằng lớp Al2O3, đạt hiệu suất 10,9 % [22]. Tiếp đến, vào năm 2013, GS. Michael Gratzel (EPFL) đã chế tạo được pin đạt PCE ~15% cơng bố trên tạp chí uy tín hàng đầu Nature [15]. Điều này thúc đẩy mạnh mẽ các nhà khoa học nghiên cứu vật liệu perovskite lai hữu cơ-vô cơ (hybrid inorganic-organic perovskite) với cơng nghệ chế tạo chi phí thấp. Chỉ sau một thời gian ngắn, với tốc độ phát triển nhảy vọt đến nay pin mặt trời perovskite (PSCs) đã đạt tới hiệu suất được ghi nhận là 25,2 % [18]. Hiệu suất này là đã đủ khả năng cạnh tranh với các pin mặt trời thương mại hiện có, hơn nữa với nguồn nguyên liệu giá thành rẻ, cơng nghệ chế tạo đơn giản nên PSC có tiềm năng là ứng cử viên thay thế cho các công nghệ pin mặt trời trước đây.
1.2.2. Các thành phần cấu tạo của pin mặt trời perovskite
Pin mặt trời perovskite dựa trên vật liệu hấp thụ ánh sáng perovskite lai hữu cơ vô cơ cũng hoạt động theo các nguyên tắc chung của pin mặt trời thế hệ thứ ba. Lớp vật liệu perovskite lai hữu cơ - vơ cơ sẽ hấp thụ ánh sáng, sau đó hạt tải được tách ra tại biên tiếp xúc, các điện tử và lỗ trống di chuyển qua các lớp vật liệu ETL và HTL về hai cực. Để đáp ứng điều này thì các lớp phải được chọn lọc và nghiên cứu tính chất phù hợp. Theo đó cấu tạo của pin mặt trời perovskite bao gồm các phần chính là 2 điện cực trong đó có ít nhất 1 điện cực trong suốt TCO, lớp thu ánh sáng vật liệu perovskite lai hữu cơ - vơ cơ và ngồi ra cịn có các lớp vận chuyển điện tử (ETL) và lớp vận chuyển lỗ trống (HTL). Một số dạng cấu trúc pin mặt trời perovskite dạng xốp (mesoporous), dạng phẳng (planar) và dạng đảo (inverted) được mô tả trên hình 1.5 [8].
Hình 1.5. Biểu đồ so sánh mức năng lượng cho các nhóm vật liệu khác nhau
trong pin perovskite: Vật liệu truyền điện tử (ETL) (bên trái), vật liệu perovskite (giữa) và vật liệu truyền lỗ trống (HTLs) (bên phải) [8].
• Điện cực dẫn điện trong suốt: Điện cực này thường gồm lớp oxit kim loại bán dẫn phủ trên nền thủy tinh. Đế thủy tinh dẫn điện được chế tạo bằng cách phủ lớp oxit dẫn điện trong suốt (TCO) trên đế thủy tinh hoặc đế polyme. Để đáp ứng nhu cầu sử dụng cho pin mặt trời Perovskite thì điện cực trong suốt phải đảm bảo các điều kiện: không hấp thụ bước sóng của bức xạ nhìn thấy hoặc bức xạ vùng hồng ngoại. Điện trở thấp và giá trị điện trở ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Có hai loại điện cực trong suốt thường dùng là FTO (Flourine-doped Tin Oxide) hoặc ITO (Indium-doped Tin Oxide).
• Lớp perovskite hữu cơ - vô cơ halogen: Lớp perovskite bao gồm các loại perovskite hữu cơ - vơ cơ halogen có cùng một cơng thức hóa học ABX3 (trong đó A là các cation hữu cơ như CH3NH3+, và HC (NH2)2+, B là Pb2+ và X là các anion vơ cơ thuộc nhóm halogen như Cl-, Br- hoặc I-). Chúng có năng lượng vùng cấm cỡ 1,5 ÷ 2,3 eV, rất phù hợp cho việc hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời, sinh ra cặp hạt tải (điện tử - lỗ trống). Thông thường lớp perovkite được chế tạo nằm kẹp giữa lớp vận chuyển điện tử (ETL) và lớp vận chuyển lỗ trống (HTL).
• Lớp truyền điện tử ETL: thường là các bán dẫn loại n (TiO2, ZnO…) dạng xốp (mesoscoporous) hay dạng phẳng (planar) hoặc các bán dẫn hữu cơ có tác dụng ngăn lỗ trống, chỉ cho điện tử đi qua.
• Lớp truyền lỗ trống HTL: có thể là các polymer dẫn lỗ trống như P3HT, hoặc các phân tử nhỏ như Spiro-OMeTAD (2,2’,7,7’tetrakis(N,N p–dimethoxy– phenyl amin)-9,9’ spirobifluorene), hoặc các ôxit bán dẫn loại p như NiOx,… Chúng có tác dụng ngăn điện tử, chỉ cho lỗ trống đi qua. Một số cấu trúc pin mặt trời perovskite đặc biệt khơng cần có lớp truyền lỗ trống mà được thay bằng lớp điện cực carbon xốp.
• Điện cực đối: thường sử dụng là lớp mỏng Au hoặc Al.
1.2.3. Nguyên lí hoạt động của pin mặt trời Perovskite