Việc chuyển đổi từ ỏnh sỏng mặt trời thành dũng điện đũi hỏi sự hỡnh thành của cả điện tớch õm và điện tớch dương cũng như một lực điều khiển cú thể đẩy cỏc điện tớch đú qua mạch điện ngoài. Khi được kết nối với mạch điện bờn ngoài, bất kỳ thiết bịđiện nào, chẳng hạn một màn hỡnh mỏy tớnh hay một
động cơ của mỏy bơm nước, cú thể sử dụng năng lượng mặt trời đó được chuyển đổi.
Trờn thực tế, một tế bào năng lượng mặt trời (hỡnh 2.1) cú thể được hỡnh dung như một cỏi bơm mà ỏnh sỏng mặt trời điều khiển electron: Chiều cao tối đa mà cỏc electron cú thể được “bơm” tương đương với điện ỏp cao nhất mà tế bào năng lượng mặt trời cú thể đạt được. Dũng điện lớn nhất được quyết định bởi “tốc độ bơm”.
Hỡnh 2.1. Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hỡnh
Giả sử “bơm” cú thể đẩy 100 electron/s từ vựng húa trị (VB) lờn vựng dẫn (CB), dũng liờn tục cao nhất cú thể của cỏc điện tử chạy qua mạch ngoài
sau đú cũng là 100 electron/s. Nếu dũng điện chạy qua mạch ngoài bị giảm đi bởi điện trở tải, vớ dụ cũn 80 electron/s thỡ 20 electron/s cũn lại sẽ rơi trở lại vựng húa trị trước khi chỳng cú thể tỏch khỏi tế bào và được gọi là dũng rũ [7].Trong cỏc vật liệu bỏn dẫn, thực tế, dũng rũ như trờn được hiểu đơn giản là do sự tỏi tổ hợp của cỏc hạt tải bị kớch thớch. Dũng rũ thường chủ yếu gõy ra bởi cỏc khiếm khuyết hoặc bởi sai hỏng so với cấu trỳc của vật liệu bỏn dẫn lý tưởng. Điều này làm tăng sự xuất hiện của cỏc mức năng lượng được cho phộp trong vựng cấm. Chỉ khi nào khụng cú những sai hỏng, bức xạ tỏi tổ hợp mới xuất hiện trờn phạm vi rộng hơn, và duy trỡ như một kờnh suy giảm vỡ nú khụng yờu cầu bất kỡ mức năng lượng trung gian nào [7].
Cỏc giả thiết về sự vắng mặt của hiện tượng tỏi hợp khụng bức xạ cho phộp dự đoỏn về giới hạn trờn của hiệu suất chuyển đổi năng lượng của chất bỏn dẫn với độ rộng vựng cấm cho trước cũng nhưđiện ỏp hở mạch.
Hỡnh 2.2 mụ tả cỏc bước chuyển đổi của photon thành cỏc hạt tải tỏch biệt được diễn ra trong tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ. Nú cũng cho thấy cơ chế mất mỏt liờn quan và sự liờn hệ với số lượng điện được sử dụng trong sơ đồ mạch điện tương đương (Equivalance Circuit Diagram - ECD).
Photon tới
Hỡnh 2.2. Cỏc bước chuyển đổi chi tiết và cơ chế mất mỏt trong tế bào năng lượng mặt trời. Cỏc ký hiệu trong dấu ( ) thể hiện số lượng
cho phộp cho cơ chế mất mỏt cụ thể trong ECD
Hấp thụ ỏnh sỏng Tạo thành Exciton Khuếch tỏn exciton Phõn tỏch hạt tải Vận chuyển hạt tải Thu thập hạt tải - Phản xạ (IL) - Truyền qua (IL) - Tỏi hợp của cỏc exciton (I0)
- Truyền exciton với sự tỏi hợp của exciton sau đú (I0) - Khụng cú phõn tỏch hạt tải và sau đú là tỏi hợp của exciton (I0) - Tỏi hợp của cỏc hạt tải (Rsh) - Độ linh động giới hạn của hạt tải (Rs) - Tỏi hợp gần cỏc điện cực (Rsh2) - Rào thế tại cỏc điện cực (Rs, I0)
Trong chất bỏn dẫn hữu cơ, việc hấp thụ photon dẫn tới việc tạo ra cỏc cặp điện tử và lỗ trống liờn kết (exciton) cú xỏc suất cao hơn là hỡnh thành cỏc hạt tải tự do. Cỏc exciton đú mang năng lượng nhưng khụng thể hỡnh thành nờn điện tớch tổng cú thể khuếch tỏn vào khu vực phõn tỏch nơi mà những hạt mang điện được hỡnh thành. Cỏc hạt tải đú cần di chuyển tới cỏc điện cực tương ứng: lỗ trống di chuyển tới cực õm và điện tử tới cực dương để tạo ra
điện ỏp và sẵn sàng cung cấp cho mạch ngoài. Quỏ trỡnh chuyển húa quang năng thành điện năng diễn ra như sau:
Sự hấp thụ photon
Trong hầu hết cỏc thiết bị hữu cơ chỉ một phần nhỏ ỏnh sỏng tới được hấp thụ vỡ những lớ do sau đõy:
Độ rộng vựng cấm của vật liệu bỏn dẫn hữu cơ quỏ lớn. Độ rộng vựng cấm chỉ khoảng 1.1eV (1100nm) là phự hợp để hấp thụ 77% bức xạ mặt trời trờn trỏi đất trong khi độ rộng vựng cấm của cỏc polymer dẫn thường lớn hơn 2eV.
Lớp hữu cơ quỏ mỏng. Do ớt hạt tải và độ linh động của exciton thấp, nờn yờu cầu độ dày của lớp bỏn dẫn phải dưới 100nm. May mắn là hệ số hấp thụ của vật liệu hữu cơ thường lớn hơn cỏc bỏn dẫn vụ cơ như Silic do đú chỉ
khoảng 100nm là cần thiết để hấp thụ khoảng 60 - 90% nếu hiệu ứng phản xạ
ngược được sử dụng.
Sự phản xạ. Sự mất mỏt do phản xạ hầu như khỏ đỏng kể nhưng ớt được khảo sỏt trong những vật liệu hữu cơ. Khảo sỏt cỏc tớnh chất của vật liệu quang điện cú thể sẽ cung cấp những hiểu biết về tỏc động của chỳng tới sự
suy hao do hấp thụ. Phủ lớp chống phản xạ như đó được sử dụng trong cỏc thiết bị vụ cơ đó chứng minh vai trũ của việc sử dụng biện phỏp ngăn chặn hiệu ứng phản xạ.
Sự khuếch tỏn exciton
Điều kiện lý tưởng là tất cả exciton được kớch thớch phải tới được địa
liệu bỏn dẫn, chiều dài khuếch tỏn của chỳng ớt nhất nờn bằng chiều dài được yờu cầu (cho sự hấp thụ đầy đủ) - nếu khụng thỡ chỳng tỏi hợp với nhau và như vậy photon tới sẽ bị lóng phớ [7]. Khoảng khuếch tỏn exciton trong vật liệu polymer thường vào khoảng 10nm [3]. Tuy nhiờn một số chất màu như
perylenes được cho là cú chiều dài khuếch tỏn exciton vào khoảng 100nm
Sự phõn tỏch hạt tải
Phõn tỏch hạt tải xảy ra ở bề mặt tiếp xỳc giữa chất bỏn dẫn với kim loại, tạp chất (vớ dụ Oxy) hay giữa cỏc kim loại với đủ sự khỏc biệt về ỏi lực
điện tử (EA) và điện thế ion húa (IA). Nếu sự khỏc biệt của lớp IA và EA là khụng đủ, cỏc exciton cú thể chỉ nhảy lờn vật liệu cú độ rộng vựng cấm nhỏ
hơn mà khụng phõn tỏch thành cỏc điện tớch. Cuối cựng nú sẽ tỏi hợp lại mà khụng cú sựđúng gúp hạt tải vào dũng photon. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vận chuyển hạt tải
Việc vận chuyển cỏc hạt tải bịảnh hưởng bởi sự tỏi tổ hợp trong khi đi
đến cỏc điện cực. Ngoài ra, việc tương tỏc với cỏc nguyờn tử hay cỏc hạt tải khỏc cũng làm chậm tốc độ di chuyển do đú làm hạn chế dũng.
Sự thu thập hạt tải
Để xõm nhập vào vật liệu điện cực với cụng thoỏt tương đối thấp (vớ dụ Al, Ca) cỏc hạt tải thường phải vượt qua hàng rào thế của lớp tiếp xỳc. Ngoài ra, kim loại cú thể đó hỡnh thành một sự ngăn chặn liờn kết với chất bỏn dẫn vỡ thế cỏc hạt tải khụng thể ngay lập tức truyền tới lớp kim loại.
Chỳng ta lưu ý là cả exciton và cỏc điện tớch vận chuyển trong vật liệu hữu cơ thường đũi hỏi “nhảy” từ phõn tử này sang phõn tử khỏc. Do đú, sự
ken xớt của phõn tử là một giả định để giảm độ rộng của hiệu ứng rào cản phõn tử .Cấu trỳc phẳng của phõn tử sẽ dẫn đến những đặc tớnh vận chuyển tốt hơn những cấu trỳc cồng kềnh 3 chiều. Cũng cần lưu ý là việc ken xớt cũng làm tăng hệ số hấp thụ [7].. Để đỏp ứng những đũi hỏi riờng của hiệu quả
chuyển đổi photon thành cỏc điện tớch, cỏc thiết bị với cấu trỳc khỏc nhau đó