Pin mặt trời có lớp TiO2 dạng xốp đã được chứng minh là có thể cải thiện đặc trưng quang-điện của pin perovskite khi các tinh thể perovskite được thẩm
thấu vào trong lớp xốp để làm tăng hiệu quả tạo ra dịng quang-điện như đã trình bày trong chương 3. Luận án đã chế tạo thử nghiệm loại pin mặt trời perovskite cấu trúc thuận dạng xốp có sử dụng lớp nano TiO2 với chiều dày lớp xốp khác nhau để đánh giá hiệu suất chuyển đổi quang-điện của loại linh kiện pin mặt trời perovskite cấu trúc thuận dạng xốp này.
4.3.1. Hình thái học pin mặt trời Perovskite cấu trúc thuận dạng xốp
Hình 4.9. Ảnh FE-SEM mặt cắt thể hiện cấu trúc các lớp của pin mặt trời
perovskite cấu trúc thuận dạng xốp
Hình 4.9 thể hiện ảnh FE-SEM chụp mặt cắt của linh kiện pin mặt trời perovskite cấu trúc thuận dạng xốp tương ứng với độ dày lớp TiO2 xốp 600 nm. Cấu hình các lớp tạo thành linh kiện bao gồm: thủy tinh/FTO/bl-TiO2/mp- TiO2/perovskite/Spiro-OMeTAD/Au. Trong các nghiên cứu của luận án, độ dày lớp TiO2 xốp được thay đổi từ 100 nm đến 1800 nm. Hình ảnh mặt cắt cho thấy các tinh thể perovskite đã thấm xuống lớp TiO2 xốp (mesoporous PSCs) tạo tiếp xúc tốt giữa các lớp hoạt tính trong pin mặt trời. Độ dày tổng cộng của pin mặt trời perovskite cấu trúc thuận dạng xốp phụ thuộc vào độ dày của lớp TiO2 xốp.
4.3.2. Đặc trưng quang-điện của pin mặt trời Perovskite cấu trúc thuận dạng xốp (mesoporous PSCs) xốp (mesoporous PSCs)
Hình 4.10. Đường đặc trưng J-V của pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ
cấu trúc thuận dạng xốp (mesoporous PSCs) bao gồm các lớp: thủy tinh/FTO/bl- TiO2 /mp-TiO2/perovskite/ Spiro-OMeTAD/Au với các độ dày của lớp mp-TiO2
khác nhau 100 nm (a), 300 nm (b), 600 nm (c) và 1800 nm (d).
Hình 4.10 trình bày kết quả đo đặc trưng J-V của pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ cấu trúc thuận dạng xốp (mesoporous PSCs) bao gồm các lớp: thủy tinh/FTO/bl-TiO2 /mp-TiO2/perovskite/Spiro-OMeTAD/Au, trong đó các lớp xốp TiO2 (mp-TiO2) có độ dày thay đổi từ 100 nm đến 1800 nm. Từ đường đặc trưng J-V có thể thấy rằng độ dày của lớp mp-TiO2 ảnh hưởng khá lớn tới các thông số của linh kiện pin mặt trời perovskite lai hữu cơ – vô cơ cấu trúc thuận dạng xốp (mesoporous PSCs).
Kết quả thực nghiệm cho thấy khi độ dày lớp TiO2 xốp là 300 nm (mẫu ký hiệu D2), hiệu suất chuyển đổi quang-điện của linh kiện cao hơn các mẫu có độ dày nhỏ hơn hoặc lớn hơn. Thế hở mạch của pin mặt trời cấu trúc thuận dạng xốp không khác nhiều với pin mặt trời cấu trúc thuận dạng phẳng, tuy nhiên dòng ngắn mạch của linh kiện cấu trúc phẳng dạng xốp đã được cải thiện rõ rệt, làm tăng đáng kể hiệu suất chuyển đổi quang-điện của linh kiện.
Các số liệu đo đạc đặc trưng tính chất quang – điện của linh kiện pin mặt trời cấu trúc phẳng dạng xốp được trình bày trên bảng 4.2.
Bảng 4.2. Các thông số đặc trưng quang – điện của linh kiện mặt trời perovskite cấu
trúc thuận dạng xốp (mesoporous PSCs) thay đổi theo độ dày của lớp mp-TiO2
Tên mẫu linh kiện Độ dày của lớp mp-TiO2 Voc (V) Jsc (mA/cm2) FF PCE (%) D1 100 nm 0,72 5,3 0,44 1,68 D2 300 nm 0,76 6,2 0,47 2,21 D3 600 nm 0,71 4,8 0,43 1,47 D4 1800 nm 0,65 3,6 0,38 0,89
Từ kết quả đo đạc cho thấy các mẫu linh kiện pin mặt trời perovskite tương ứng với màng mỏng triple cation perovskite MA0,2FA0,7Cs0,1Pb(I5/6Br1/6)3 phủ lên trên lớp mp-TiO2 độ dày 300 nm sẽ cho hiệu suất chuyển đổi quang-điện cao nhất so với các mẫu có độ dày mp- TiO2 mỏng hơn (100 nm) hoặc dày hơn (600 nm và 1800 nm). Hiện tượng này có thể giải thích là do lớp mp-TiO2 với độ dày vừa phải (~300 nm) sẽ giúp tăng khả năng truyền dẫn điện tử ra điện cực thu góp mà khơng làm phát sinh các bẫy tái hợp điện tử – lỗ trống tại bề mặt tiếp xúc mp-TiO2/perovskite.
Hiệu suất chuyển đổi quang-điện của pin mặt trời perovskite cấu trúc thuận dạng xốp đã tăng lên đến 2,21%, gấp gần 1,6 lần so với hiệu suất chuyển đổi quang-điện của mẫu pin mặt trời perovskite cấu trúc thuận dạng phẳng.