Trong pin mặt trời dùng vật liệu hữu cơ, nguyên tắc chính là sự di chuyển điện tử từ một polymer/phân tử cho điện tử (electron donor) đến một polymer/phân tử nhận điện tử (electron acceptor). Sự di chuyển của điện tử sẽ tạo thành dòng điện. Khó khăn chính cùa chúng ta là làm cho điện tử có thể di động thoải mái để tạo dòng điện và không bị tái hợp lại với các lỗ trống (+). Các hạt tải điện trong vật liệu hữu cơ là điện tử và lỗ trống còn trong vật liệu hữu cơ là polaron và exciton đƣợctruyền từ điện cực này đến điệc cực kia bằng cách áp điện trƣờng ngoài. Các hạt tải điện trong vật liệu hữu cơ là bất định xứ, vì thế vùng gần vùng dẫn không thể xảy ra. Nhiệt độ biến thiên làm phonon di chuyển điều khiển hạt tải điện di động trong vật liệu hữu cơ. Phonon giúp đƣờng hầm giữa các trạng thái bất định xứ nhƣ hạt tải điện sẽ dịch chuyển và nhảy từ vị trí này sang vị trí khác khi nhiệt độ tăng. Vì các lý do đó mà ZnO dạng thanh đƣợc đƣa thêm vào để tăng tính bền của pin và quan trọng hơn là tạo ra hƣớng đồng nhất theo hƣớng thanh ZnO để di chuyển hạt tải một cách có trật tự. Vì chiều dài
khuếch tán exciton (5-10nm) nên chúng ta cần chế tạo thanh nano ZnO có khoảng cách giữa các thanh là 10nm và chiều dài khoảng 150-200nm để đạt hiệu suất tốt nhất. Lớp màng hữu cơ thông thƣờng sử dụng MDMO-PPV:PCBM lấy chlorobenzene làm dung môi, đạt hiệu suất 2.5 -2.9% trong pin mặt trời hữu cơ. Để tăng hiệu suất lên 5% thì ngƣời ta đã sử dụng polymer donor có độ linh động cao nhƣ P3HT.
Hình 1.21. Cấu trúc của pin mặt trời lai hóa
Cơ chế hoạt động của pin mặt trời lai hóa với cấu trúc thủy tinh/ITO/ZnO NRs/P3HT:PCBM/Al đƣợc mô tả nhƣ sau:
Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào lớp P3HT, photon có năng lƣợng thích hợp kích thích một điện tử nhảy từ vùng HOMO lên LUMO để lại lỗ trống trong vùng HOMO. Electron ở vùng HOMO không di chuyển về phía PCBM mà sẽ nhảy qua vùng LUMO (vùng dẫn của ZnO) rồi về ITO, lỗ trống đi về điện cực Al để tạo ra dòng điện. Ở đây ITO sẽ mang điện tích âm còn Al sẽ mang điện tích dƣơng , trái ngƣợc với pin mặt trời hữu cơ.