Sự hấp thụ ánh sáng của từng lớp cấu trúc trong linh kiện thay đổi theo phổ ánh sáng mặt trời có bước sóng trong khoảng 300 đến 800 nm được xác định bằng công thức 2.25 và biểu diễn trong hình 3.3.
300 400 500 600 700 800 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Wavelength (nm)
L ig h t In te n si ty F r a c ti o n
ITO PEDOT PCBM Ca Al
Hình 3.3. Hệ số hấp thụ ánh sáng của vật liệu thay đổi theo bước sóng tới Theo đó, có thể thấy rằng, với màng PCBM hấp thụ cực đại nhận được ở bước sóng 400 nm và giảm nhanh khi bước sóng trong giải từ 400 đến 600 nm.
Với PEDOT, độ hấp thụ hầu như không đổi từ dải sóng 400 đến gần 500 nm và tăng đột ngột từ vùng 500 đến 600nm và giữ ở mức cao từ bước sóng trên 600 trở đi.
Với màng ITO, phần lớn vùng tử ngoại bị hấp thụ. Đây là một tính chất phù hợp để bảo vệ polymer khỏi sự lão hóa của tia tử ngoại. Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, màng ITO hấp thụ cực đại ở bước sóng 447 nm (2,76eV).
Ánh sáng phản xạ trên bề mặt đế thủy tinh của điện cực truyền qua được tính toán theo công thức R r 2 trong đó r nhận được từ phương trình 2.10 và 2.11 à được biểu diễn trong hình 3.4
300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Wavelength (nm)
L ig h t In te n si ty F r a c ti o n
300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 0.5
0.6 0.7 0.8 0.9 1
Reflectance Absorption
Hình 3.4. Phản xạ và hấp thụ ánh sáng trên bề mặt thủy tinh của linh kiện Do lớp Al của linh kiện có độ dầy lớn hơn độ đâm xuyên của ánh sáng nên tổng lượng ánh sáng bị hấp thụ bởi linh kiện có thể được biểu diễn bằng A=1-Reflectance. Phần ánh sáng bị hấp thụ bởi linh kiện thể hiện trong hình 3.4 (đường liền) phản ánh giới hạn cực đại phần quang năng thực tế có thể chuyển hóa thành dòng điện của linh kiện. Theo kết quả tính toán, có thể thấy rằng trong phổ ánh sáng nhìn thấy linh kiện có thể hấp thụ thấp nhất 56% và hấp thụ nhiều
nhất khoảng 85%. Do đó, thủy tinh là hấp thụ chiếm ưu thế hơn so với phản xạ nên thủy tinh được chọn làm đế trong vật liệu.
3.3. Phân bố cường độ điện trường trong linh kiện
Cường độ điện trường ánh sáng tại mỗi điểm trong linh kiện được tính toán bằng công thức 2.23. Hình 3.5 biểu diễn sự phân bố giá trị MSE ( E 2 )của bước sóng 350, 450, 550, 650 và 750 nm bên trong linh kiện.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0
0.5 1 1.5 2 2.5
ITO PEDOT PCBM Ca Al
Position in Device (nm)
N o r m a li z e d E le c tr ic f ie ld i n te n si ty | E | 2
350 nm 450 nm 550 nm 650 nm 750 nm
Hình 3.5. Phân bố cường độ điện trường của một số ánh sáng tới trong linh kiện
Như đã trình bày, mật độ exiton tỷ lệ với giá trị MSE của ánh sáng tới bên trong linh kiện, chỉ số chiết suất và cường độ hấp thụ ánh sáng của vật liệu.
Quan sát trên hình 3.5, nhận thấy rằng giá trị MSE bị gián đoạn tại bề mặt biên của các lớp vật liệu. Điều này được giải thích bởi sự thay đổi giá trị của chiết suất thực n và hệ số dập tắt k thay đổi tại bề mặt biên. Hình 3.5 cũng cho thấy, với ánh sang tới khác nhau thì giá trị MSE trên mỗi lớp cũng sẽ khác nhau.
Để thấy rõ sự ảnh hưởng của độ dầy lớp vật liệu hoạt quang đến phân bố của MSE trong nó, tính toán được thực hiện khi chỉ thay đổi độ dầy lớp PCBM trong khi các lớp vật liệu khác vẫn giữ nguyên. Kết quả được biểu diễn trong hình 3.6.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
ITO PEDOT PCBM Ca Al
Position in Device (nm)
N o r m a li z e d E le c tr ic f ie ld i n te n si ty | E | 2
550 nm (a)
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
ITO PEDOT PCBM Ca Al
Position in Device (nm)
N o r m a li z e d E le c tr ic f ie ld i n te n si ty | E | 2
550 nm (b)
Hình 3.6. Phân bố cường độ điện trường của ánh sáng bước sóng 550nm trong linh kiện: a-lớp PCBM dày 80nm; b-lớp PCBM dày 35nm
Có thể thấy rằng, giá trị của MSE trong lớp hoạt quang PCBM bị ảnh hưởng rất mạnh bởi độ dầy của màng. Điều này cho thấy, có thể điều chỉnh độ dày của lớp hoạt quang để thay đổi đặc tính của linh kiện. Bên cạnh đó, cũng có thể nhận thấy rằng MSE hầu như suy giảm nhanh chóng tại bề mặt biên của PCBM và Ca. Chính vì vậy, có thể coi mặt tiếp xúc PCBM/Ca là bề mặt biên bên trong linh kiện.
Từ hình 3.5 và 3.6, có thể thấy rằng, bề mặt PEDOT/PCBM là bề mặt biên hoạt động chính của linh kiện. Đa số các exiton sẽ bị phân tách tại bề mặt này. Do vậy việc mở rộng diện tích bề mặt này là một trong những giải pháp để gia tăng hiệu suất chuyển hóa của linh kiện.
3.4. Suy giảm năng lượng quang trong lớp hoạt quang
Lớp hoạt quang là thành phần quan trọng trong linh kiện vì phần lớn exiton được sinh ra trong lớp này. Khảo sát sự suy giảm năng lượng ánh sáng trong lớp hoạt quang sẽ có thể định tính đánh giá được đặc tính của linh kiện.
Nắng lượng ánh sáng tới cho tính toán suy giảm quang năng trong linh kiện được xác định ở điều kiện AM1.5 và biểu diễn trong hình 3.7.
300 400 500 600 700 800 0
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18
Wavelength (nm)
L ig h t In te n si ty ,W/ c m 2
Hình 3.7. Năng lượng mặt trời tại điều kiện AM1.5
Đường đặc tính suy giảm quang năng trong lớp vật liệu này nhận được bằng cách sử dụng phương trình 2.24.
120 140 160 180 200 220 240 260 0
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Position in Device (nm) D is si p a te d E n n e r g y m W/ (s e c -c m 2 )
350 nm 450 nm 550 nm 650 nm 750 nm
Hình 3.8. Giản đồ suy giảm quang năng trong lớp PCBM
Có thể nhận thấy rằng quang năng tiêu hao trong lớp hoạt quang bị ảnh hưởng chi phối bởi bước sóng. Hơn thế nữa, có thể nhận thấy, suy hao năng lượng chủ yếu diễn ra tại khu vực giữa của lớp quang hoạt. Như vậy có thể thấy rằng, đa phần exiton được sinh ra tại vùng trung tâm của lớp quang hoạt. Đây là kết quả đáng chú ý vì nếu lớp hoạt quang quá dầy, phần lớn exciton sẽ không thể đến được bề mặt biên PEDOT/PCBM để phân tách thành hạt tải và như vậy, có thể làm giảm hiệu suất chuyển hóa của linh kiện.