Tối ưu hóa cấu trúc linh kiện - Mô Phỏng Quá Trình- 123docz.net

Chương 2. Mô Phỏng Quá Trình Hoạt Động

2.4. Tối ưu hóa cấu trúc linh kiện

Pin mặt trời hữu cơ được đánh giá như là một giải pháp tiềm năng thay thế cho pin mặt trời silic nhờ chi phí thấp và đơn giản trong vấn đề chế tạo cũng như xử lý rác thải phát sinh trong quá trình sử dụng [ 1-6]. Nhờ giải pháp vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất, hiệu suất của OPV đã được tăng lên đáng kể [7-12].

Với cấu trúc dạng này, vật liệu poly (3-hexylthiophene) và phenyl C61-butyric acid methyl ester đã chứng tỏ là một trong số những vật liệu cho thấy sự thành công trong việc cải tiến hiệu suất chuyển hóa. Gần đây, đã có nhiều nỗ lực hơn để nâng cao hiệu suất của pin quang điện hữu cơ bằng cách nâng cao sự hấp thụ ánh sáng. Tuy nhiên, bất chấp những cải tiến đó, hiệu suất của linh kiện sử dụng vât liệu dị chất chuyển tiếp hữu cơ vẫn chưa đủ cao để có thể được thương mại hóa.

Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để xác định sự ảnh hưởng hình thái học của lớp vật liệu hoạt quang đến thuộc tính quang điện của linh kiện OPV.

Trong số đó, mô hình khuếch tán là một trong những nghiên cứu có giá trị mà thông qua đó có thể dự đoán các thông số cơ bản của linh kiện. Nghiên cứu của Barker đã chỉ độ dầy của lớp quang hoạt tối ưu cho linh kiện OPV bằng cách giả thuyết rằng chỉ một phần nhỏ năng lượng ánh sáng tới bị tiêu hao trong quá trình hình thành exiton. Buxton và Clark đã phát triển mô hình hai chiều dựa trên nguyên lý phản xạ và điện động học để mô phỏng quá trình tạo ra điện tích trong hệ vật liệu chứa pha nhận và cho. Kết quả nghiên cứu từ mô hình này đã chỉ ra sự ảnh hưởng của hình thái học cũng như là kích cỡ điện trường.

2.4.1. Tối ưu hóa - cơ sở lý thuyết

Để tối ưu hóa độ dầy của lớp quang hoạt trong OPV, một số cách tiếp cận đã được sử dụng. Một trong số cách tiếp cận đã được sử dụng đó là cực đại hóa cường độ điện trường tại bề mặt của lớp hoạt quang. Cách tiếp cận này dựa vào nguyên lý mật độ excitons càng lớn nếu giá trị |E(x)| 2 càng lớn. Hình 2.3 cho thấy độ lớn của điện trường tại bề mặt PEOPT/C 60 và đưa ra một độ dày lớp tối ưu là 31 nm cho C 60 [11]. Tuy nhiên, nếu chúng ta tiếp tục làm giảm độ dày của PEOPT, giá trị |E(x)| 2 sẽ tiếp tục gia tăng và độ dày tối ưu của PEOPT sẽ tiếp cận tơi 0, điều này là không phù hợp.

Hình 2.3. Độ dày của C 60 tối ưu đối với độ dày của PEOPT trong khoảng 40nm và 60nm

Trong thực tế, cực đại hóa |E (x)| 2 sẽ không thực sự tối đa hóa hiệu suất của linh kiện, vì lúc đó chỉ quan tâm đến vai trò của cường độ điện trường mà không xem xét đến hiện tượng khuếch tán của excitons. Để giải quyết nhược điểm của cách tiếp cận thông qua cực đại hóa cường độ điện trường, một cách tiếp cận khác được lựa chọn đó là tối ưu hóa mật độ dòng tương ứng với từng bước sóng của ánh sáng tới.

  1  

1 2 1

x d j

J q D n x x

  



  

 (2.39) Trong đó q là điện tích hạt tải, θ 2 hiệu suất chuyển hóa điện exciton thành hạt tải, và dj là độ dày của lớp donor. Tương tự như vậy, có thể tính toán mật độ dòng của lớp acceptor bằng công thức sau:

  2  

2 2 2

n x

J q D

  



  

 (2.40) Giả sử rằng các hạt tải điện chỉ phát sinh ở bề mặt tiếp giáp của các lớp hoạt động. Như vậy, mật độ dòng tổng thu được sẽ là:

  1   2  

1 2

, ,

j photon

x d x

n x n x

J q D D

x x

 



 

   

 

  

 

 

 

(2.41) với giả định rằng θ 2 = 1.

Hiệu suất chuyển hóa quang điện toàn phần (IPCE), được tính toán theo công thức sau:

   

1240 J Photo

IPCE I

 

  (2.42) Trong đó I 0 là cường độ ban đầu. Nếu xem xét sự phân bổ quang phổ của ánh sáng mặt trời I(λ), dòng tổng trong linh kiện có thể được xác định bằng phương trình sau đây

   

Total

J   IPCE  I   d (2.43)