Vật liệu tổ hợp cấu trúc chuyển tiếp dị chất khối MEH-PPV:PCBM = 1:1,5 (theo khối lượng) đã được chế tạo bằng phương pháp quay phủ (spin-coating). MEH- PPV và PCBM được hòa tan trong dung môi chloroform theo tỉ lệ khối lượng lần lượt là 1:1,5 tạo thành dung dung dịch có nồng độ 13 mg/ml. sau đó được tạo màng bằng phương pháp spin-coating. Hình 3.9 là ảnh FE-SEM của màng vật liệu tổ hợp MEH- PPV:PCBM = 1:1,5 (theo khối lượng).
Hình 3.9. Ảnh FE-SEM của màng MEH-PPV:PCBM.
Quan sát trên hình 3.9 nhận thấy màng vật liệu tổ hợp MEH-PPV:PCBM chế tạo được có bề mặt khá đồng nhất, không quan sát thấy khuyết tật hình thành trong quá trình chế tạo màng. Độ dày của màng vật liệu tổ hợp MEH-PPV:PCBM chế tạo đã được khảo sát bằng phương pháp Alpha – Step IQ trên thiết bị KL Tencor, kết quả được trình bày trong hình 3.10.
Hình 3.10. Độ dày của màng vật liệu tổ hợp MEH-PPV:PCBM.
Từ hình 3.10 thấy rằng độ dày của màng vật liệu tổ hợp MEH-PPV:PCBM là 134nm, thích hợp sử dụng làm lớp hoạt quang chế tạo pin mặt trời hữu cơ. Phổ hấp thụ UV-Vis của màng vật liệu tổ hợp MEH-PPV:PCBM được trình bày trong hình 3.11.
Hình 3.11. Phổ hấp thụ UV-Vis củamàng MEH-PPV và vật liệu tổ hợp MEH-
PPV:PCBM. 300 400 500 600 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 b a-PEH-PPV b-MEH-PPV:PCBM=1:1.5 a Inte n sity (a .u) Wavelength (nm)
Từ hình 3.11 nhận thấy đỉnh hấp thụ của MEH-PPV ở bước sóng 480 nm, vật liệu tổ hợp MEH-PPV:PCBM có 2 đỉnh hấp thụ ở các bước sóng 510 nm và 340 nm lần lượt tương ứng với MEH-PPV và PCBM. Như vậy trong phổ hấp thụ UV-Vis của vật liệu tổ hợp, đỉnh hấp thụ của MEH-PPV có sự dịch chuyển về phía bước sóng dài so với MEH-PPV thuần.
Hình 3.12 trình bày phổ quang – huỳnh quang của màng MEH-PPV và MEH- PPV:PCBM kích thích tại bước sóng 442 nm.
Hình 3.12. Phổ quang –huỳnh quang của màng vật liệu tổ hợp MEH-PPV:PCBM
(kích thích tại bước sóng 442nm).
Từ hình 3.12 nhận thấy phổ quang - huỳnh quang của màng MEH-PPV thuần khiết và màng vật liệu tổ hợp ở vùng bước sóng từ 550 nm đến 650 nm với đỉnh cực đại tại 580nm, tương ứng với ánh sáng màu đỏ cam. Màng vật liệu tổ hợp khi bị kích thích quang cũng phát ra ánh sáng tương tự như màng MEH-PPV thuần và hiện tượng dập tắt huỳnh quang cũng xảy ra rất rõ rệt (1500 so với 7200 a.u), tương tự như với trường hợp của màng vật liệu tổ hợp P3HT:PCBM.
3.3. Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các thông số đặc trƣng của pin mặt trời hữu cơ
3.3.1. Pin mặt trời hữu cơ đơn lớp
Pin cấu trúc đơn lớp có cấu tạo gồm hai điện cực dương (anode) và âm (cathode), xen giữa là lớp hoạt quang. Các pin mặt trời hữu cơ đã được chế tạo với điện cực dương là ITO (có điện trở 20), lớp hoạt quang sử dụng là vật liệu tổ hợp
500 600 700 800 0 2000 4000 6000 8000 Wavelength (nm) Inten sity (a .u) a b a-MEH-PPV b-MEH-PPV:PCBM=1:1.5
P3HT:PCBM và MEH-PPV:PCBM, điện cực âm là nhôm được chế tạo theo phươngg pháp bốc bay nhiệt chân không. Màng điện cực dương ITO được tạo hình thành hai dải điện cực có bề rộng 2mm bằng phương pháp ăn mòn hóa học ướt. Cấu trúc của pin đơn lớp như sau:
ITO/P3HT:PCBM/Al - Device A ITO/MEH-PPV:PCBM/Al - Device B
Bảng 3.1 trình bày kết quả đo giá trị của dòng điện (I) và điện áp (V) của các linh kiện pin đơn lớp đã chế tạo.
Bảng 3.1. Giá trị của dòng điện (I) và điện áp (V) của các linh kiện pin đơn lớp.
I (mA) V (mV) P (mW) Ghi chú
Device A Device B Device A Device B Device A Device B
0.024 0.016 0 0 0 0 0.022 0.015 310 99 6.820 1.485 0.019 0.013 600 250 11.400 3.250 0.016 0.011 890 360 14.240 3.960 IMP, VMP 0.009 0.005 1400 612 12.600 3.060 0.005 0.003 1610 660 8.050 1.980 0.002 0 1770 720 3.540 0 0 - 1800 - 0 -
Hình 3.13 trình bày đặc trưng mật độ dòng điện (J) – điện thế (V) của linh kiện pin mặt trời hữu cơ đơn lớp đã chế tạo.
Từ bảng 3.1 và hình 3.13, xác định được các thông số đặc trưng của linh kiện như sau: - Thế hở mạch: VOC
- Dòng ngắn mạch: ISC
- Công suất cực đại của pin: PM PM = IMP . VMP
- Hệ số điền đầy: FF FF = PM/ VOC. ISC (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng là thông số quan trọng, ảnh hưởng quyết định đến khả năng ứng dụng của một pin mặt trời. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng (power conversion efficiency – PCE) được tính bằng công thức:
PCE (%) = PM / Pligh t = FF.VOC. ISC / Plight
Trong đó: PM là công suất cực đại của pin, Plight công suất ánh sáng chiếu đến pin. Công suất quang của nguồn sáng sử dụng khảo sát các thông số đặc trưng của pin mặt trời hữu cơ được xác định bằng hệ máy MELLES GRIOT (Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) có công suất quang đối với cửa sổ tròn đường kính 1cm = 10 mm là P0 = 1.4 (mW). Vậy đối với diện tích hoạt động của pin là 4mm2 thì: Plight = P0 . 4/π.52= 0.0743 (mW). Các kết quả đo đạc và tính toán các thông số cơ bản của pin mặt trời hữu cơ đơn lớp được trình bày trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Các thông số đặc trưngcủa pin mặt trời hữu cơđơn lớp.
Linh kiện Jsc (mA.cm-2) Voc (mV) FF (%) PCE (%)
ITO/MEH-PPV:PCBM/Al 0.016 720 34.375 0.532
ITO/P3HT:PCBM/Al 0.024 1800 32.962 1.917
Từ các thông số hệ số điền đầy (FF) và hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) của pin cấu trúc đơn lớp thấy rằng linh kiện sử dụng vật liệu tổ hợp P3HT:PCBM làm chất hoạt quang có thông số FF thấp hơn thông số FF của linh kiện sử dụng vật liệu tổ hợp MEH-PPV:PCBM làm chất hoạt quang không nhiều (32,962% so với 34,375%), tuy nhiên PCE của linh kiện sử dụng chất hoạt quang P3HT:PCBM lại lớn hơn đáng kể (cao hơn xấp xỉ 4 lần) so với linh kiện sử dụng chất hoạt quang MEH-PPV:PCBM. Điều này cho thấy vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất khối P3HT:PCBM và MEH- PPV:PCBM đều có đặc tính hoạt quang tốt nhưng tổ hợp P3HT:PCBM có sự phân tách hạt tải tốt hơn hẳn tổ hợp MEH-PPV:PCBM. Điều đó dẫn đến cường độ dịch
chuyển về hai điện cực của các dòng hạt tải sinh ra trong quá trình chiếu sáng lên pin sẽ cao hơn, tạo ra hiệu suất chuyển đổi năng lượng tốt hơn.
3.3.2. Pin mặt trời hữu cơ đa lớp
Các màng dẫn nano trên cơ sở CNTs và TiO2 được ứng dụng làm lớp tiếp xúc điện cực (buffer layer) trong cấu trúc của pin mặt trời hữu cơ đa lớp. Màng vật liệu tổ hợp PEDOT-PSS:CNTs và TiO2 nano cluster được sử dụng làm lớp tiếp xúc điện cực dương. Cấu trúc của pin mặt trời hữu cơ đa lớp gồm:
ITO/ TiO2/P3HT:PCBM/Alq3/Al
ITO/ PEDOT-PSS:CNTs/P3HT:PCBM/Alq3/Al ITO/ TiO2/MEH-PPV:PCBM/Alq3/Al
ITO/ PEDOT-PSS:CNTs/MEH-PPV:PCBM/Alq3/Al
Bảng 3.3 trình bày kết quả đo giá trị của dòng điện (I) và điện áp (V) của các linh kiện pin đa lớp đã chế tạo.
Bảng 3.3. Giá trị của dòng điện (I) và điện áp (V) của các linh kiện pin đa lớp.
Linh kiện Isc (mA) Voc (mV) IMP (mA) VMP (mV) ITO/ TiO2/P3HT:PCBM/Alq3/Al 0.080 2750 0.056 1550 ITO/ PEDOT- PSS:CNTs/P3HT:PCBM/Alq3/Al 0.100 2500 0.064 1450 ITO/ TiO2/MEH- PPV:PCBM/Alq3/Al 0.044 800 0.028 470 ITO/ PEDOT-PSS:CNTs/MEH- PPV:PCBM/Alq3/Al 0.049 920 0.027 580
Đặc trưng J – V của các linh kiện pin mặt trời hữu cơ đa lớp đã chế tạo.
Từ bảng 3.3 và hình 3.14 xác định được các thông số đặc trưng của pin mặt trời hữu cơ đa lớp đã chế tạo. Kết quả tính toán được tổng hợp trong bảng 3.4.
Bảng 3.4.Các thông số đặc trưngcủa pin mặt trời hữu cơđa lớp.
Linh kiện Isc (mA) Voc (mV) FF (%) PCE (%) ITO/ TiO2/P3HT:PCBM/Alq3/Al 0.080 2750 39.454 11.682 ITO/ PEDOT- PSS:CNTs/P3HT:PCBM/Alq3/Al 0.100 2500 37.12 12.489 ITO/ TiO2/MEH- PPV:PCBM/Alq3/Al 0.044 800 37.386 1.771 ITO/ PEDOT-PSS:CNTs/MEH- PPV:PCBM/Alq3/Al 0.049 920 34.738 2.107
Từ bảng 3.4 thấy rằng các pin mặt trời hữu cơ cấu trúc đa lớp sử dụng các màng dẫn nano làm lớp tiếp xúc điện cực dương có hệ số điền đầy (FF) và hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) đều cao hơn hẳn so với của pin cấu trúc đơn lớp. Khi sử dụng màng nano particle cluster TiO2 làm lớp tiếp xúc điện cực dương, linh kiện ITO/ TiO2/P3HT:PCBM/Alq3/Al và ITO/ TiO2/MEH-PPV:PCBM/Alq3/Al có các thông số PCE đạt lần lượt là 11,682% và 1,771%, cao hơn hẳn so với linh kiện đơn lớp tương ứng (1,917% và 0,531%). Kết quả cho thấy việc sử dụng màng nano particle cluster TiO2 làm lớp tiếp xúc điện cực dương đã nâng cao được độ ổn định, mật độ dòng cũng như hiệu suất làm việc của pin. Màng nano particle cluster TiO2 có tác dụng không chỉ tăng cường khả năng truyền lỗ trống từ ITO vào lớp hoạt quang mà còn có thể giúp cân bằng mật độ lỗ trống và điện tử trong lớp hoạt quang [8]. Khi sử dụng lớp tiếp xúc điện cực dương là màng dẫn nano PEDOT- PSS:CNTs, linh kiện ITO/ PEDOT- PSS:CNTs/P3HT:PCBM/Alq3/Al và ITO/PEDOT-PSS:CNTs/MEH- PPV:PCBM/Alq3/Al có các thông số PCE đạt lần lượt là 12,849% và 2,107%. Màng PEDOT-PSS:CNTs với điện trở thấp đã thúc đẩy quá trình truyền lỗ trống từ ITO vào lớp hoạt quang, ngoài ra cũng sẽ góp phần hạn chế ảnh hưởng do các khuyết bề mặt của màng ITO.
Linh kiện cấu trúc đa lớp sử dụng lớp hoạt quang P3HT:PCBM có hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) trung bình trên 10% cao hơn hẳn so với linh kiện cấu trúc đa lớp sử dụng lớp hoạt quang MEH-PPV:PCBM (trung bình khoảng 2%). Điều này một lần nữa khẳng định bản chất phân tách hạt tải tốt hơn của tổ hợp P3HT:PCBM so với MEH-PPV:PCBM.
Kết luận và kiến nghị
Đã nghiên cứu chế tạo và khảo sát các tính chất đặc trưng quang – điện cũng như cấu trúc hình thái học của các màng vật liệu tổ hợp PEDOT-PSS:CNTs và TiO2 nano cluster. Các màng dẫn nano này có độ dày khoảng 20-25nm và độ truyền qua cao trong vùng ánh sáng khả kiến (từ 80-90%), thích hợp sử dụng làm lớp tiếp xúc điện cực trong chế tạo pin mặt trời hữu cơ.
Đã chế tạo thành công vật liệu tổ hợp nanocomposite trên cơ sở polymer dẫn P3HT và MEH-PPV với PCBM. Vật liệu P3HT:PCBM = 1:1,5 và MEH-PPV:PCBM = 1:1,5 (theo khối lượng) có cấu trúc chuyển tiếp dị chất khối phù hợp cho sử dụng làm lớp hoạt quang trong chế tạo pin mặt trời hữu cơ.
Đã chế tạo thành công pin mặt trời hữu cơ có cấu trúc khác nhau với lớp hoạt quang là màng vật liệu tổ hợp P3HT:PCBM, MEH-PPV:PCBM. Các màng PEDOT- PSS:CNTs và TiO2 nano cluster được sử dụng làm lớp tiếp xúc điện cực dương. Các thông số kỹ thuật đặc trưng của pin đã được khảo sát và cho kết quả ban đầu khả quan. Cụ thể, pin mặt trời có cấu trúc ITO/ PEDOT-PSS:CNTs/P3HT:PCBM/Alq3/Al có hệ số điền đầy FF = 37,12 % và hiệu suất chuyển đổi năng lượng PCE = 12,489%, pin cấu trúc ITO/ TiO2/P3HT:PCBM/Alq3/Al có hệ số điền đầy FF = 39,454 % và hiệu suất chuyển đổi năng lượng PCE = 11,682%
Do thời gian có hạn nên trong thời gian tới, đề tài sẽ tiếp tục nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của dung môi, hàm lượng PCBM cũng như hoàn thiện công nghệ chế tạo pin nhằm đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao.
Tài liệu tham khảo Tiếng Việt (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1. Nguyễn Năng Định, Công nghệ vật liệu cấu trúc nanô ôxit titan và ôxit thiếc sủ
dụng trong pin mặt trời kiểu mới, Hội nghị ĐHSP II, 2007.
2. Nguyễn Duy Khanh, Khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQG
Hà Nội, 2010.
3. Phạm Thị Luận, Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội,
2011.
4. Phùng Hồ-Phan Quốc Phô, Giáo trình Vật liệu bán dẫn, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2008.
Tiếng Anh
5. A. Mills, S. Le Hunte, “An overview of semiconductor photocatalysis, J.
Photochem. and Photobiology”, A: Chemistry, 1997), pp.108.
6. Badrinarayanan.S, Madhu Kumar.P, and Murali Sastry “Nanocrystalline TiO2 studied by optical, FTIR and X-ray photoelectron spectroscopy: correlation to presence of surface states”, Thin Solid Films 358, 2000, p.p. 122-130.
7. G. Campet, J. Portier, S. J. Wen, B. Morel, M. Bourrel, J. M. Chabagno, “Electrochromism and electrochromic windows”, Active and Passive Elec.Comp., 14 (1992) 225 - 231.
8. L. Meda, R. C. Breitkopf, T. E. Haas and R. U. Kirss, “Investigation of
electrochromic properties of nanocrystalline tungsten oxide thin film”, Thin Solid Films, Vol.402 , 2002, 126 -130.
9. N. N. Dinh, N. Th. T. Oanh, P. D. Long, M. C. Bernard, A. Hugot-Le Goff,
“Electrochromic properties of TiO2 anatase thin films prepared by dipping sol-gel method”, Thin Solid Films 423 (2003) N1, pp. 70-76 .
10. Nguyen Nang Dinh, Nguyen Minh Quyen, Do Ngoc Chung, Marketa Zikova,Vo-Van Truong, “Highly-efficient electrochromic performance of nanostructured TiO2 films made by doctor blade technique”, Sol. Energy Mat. Sol. Cells, Vol.95, 2011, pp. 618 – 623.
11. P.Vanlaeke, A. Swinnen, I.Haeldermans, G. Vanhoyland, T. Aernouts, D.
“P3HT/PCBM bulk heterojunction solar cells: Relation between morphology and electro-optical characteristic”, ELSEVIER, 2006.
12. R. Könnenkamp et al, Phys. Rev. B, Vol. 60, No. 16,1999.
13. S. H. Yang, T. P. Nguyen, P. Le Rendu, C. S. Hsu, "Composites Part A: ",
Appl. Sci. Manufact. 2005.
14. Stephanie V. Chasteen, “Exciton dynamics in conjugated polymer
phottovolataics: steady –state and time-resolved optical spectroscopy”, Doctor of philosophy in Physics, December 2005.
15. V. K. Sachder, R. Kumar, A. Singh, S. Kumar, and R. M. Mehra, “Electrical