Tài liệu Mô phỏng và tối ưu hóa pin mặt trời hữu cơ cấu trúc nanô đa lớp

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM THỊ TUYẾT LAN MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ CẤU TRÚC NANÔ ĐA LỚP LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ Hà Nội – 2012 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM THỊ TUYẾT LAN MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ CẤU TRÚC NANÔ ĐA LỚP Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện Nanô Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. Đinh Văn Châu Hà Nội - 2012 6 Mục Lục MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 18 Chương 1. Tổng Quan Về Pin Mặt Trời .......................................................................... 3 1.1. Giới thiệu về pin mặt trời ....................................................................................... 3 1.1.1. Sự hấp thụ photon ............................................................................................ 5 1.1.2. Sự hình thành và khuếch tán exciton ............................................................. 6 1.1.3. Sự phân tách hạt tải tại bề mặt tiếp xúc ......................................................... 6 1.1.4. Vận chuyển hạt tải ............................................................................................ 6 1.1.5. Sự thu thập hạt tải ở mỗi điện cực .................................................................. 7 1.2. Sự khác nhau giữa pin mặt trời vô cơ và hữu cơ ................................................. 7 1.3. Các loại khác nhau của pin mặt trời hữu cơ ....................................................... 12 1.3.1. Pin mặt trời đơn lớp ....................................................................................... 12 1.3.2. Pin mặt trời dạng chuyển tiếp dị chất .......................................................... 13 1.4. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời hữu cơ .................................................... 15 1.5. Exciton .................................................................................................................... 17 1.5.1. Exciton trong pin mặt trời vô cơ ................................................................... 18 1.5.2. Exciton trong pin mặt trời hữu cơ ................................................................ 18 Chương 2. Mô Phỏng Quá Trình Hoạt Động................................................................. 20 2.1. Nguyên lý mô hình mô phỏng ............................................................................... 20 2.2. Phương trình toán học của điện trường và suy hao năng lượng quang của ánh sáng ......................................................................................................................... 22 2.3. Phương trình khuếch tán exciton trong linh kiện .............................................. 26 2.4. Tối ưu hóa cấu trúc linh kiện ............................................................................... 29 2.4.1. Tối ưu hóa - cơ sở lý thuyết ........................................................................... 30 Chương 3. Kết Quả Và Thảo Luận ................................................................................. 32 3.1. Tính chất quang của vật liệu ................................................................................ 32 3.2. Phân bố ánh sáng trong cấu trúc linh kiện ......................................................... 33 7 3.3. Phân bố cường độ điện trường trong linh kiện .................................................. 36 3.4. Suy giảm năng lượng quang trong lớp hoạt quang ............................................ 39 3.5. Mật độ exiton tạo ra trong linh kiện .................................................................... 42 3.6. Tối ưu hóa độ dầy lớp hoạt quang ....................................................................... 43 Kết Luận ............................................................................................................................ 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 47 8 BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hình. Lớp màng hữu cơ (Organic Film) có thể là một hoặc nhiều lớp bán dẫn cũng có thể là một hỗn hợp hay một tổ hợp của chúng. .......................................................................................................... 3 Hình 1.2. Các bước chuyển đổi chi tiết và cơ chế mất mát trong tế bào năng lượng mặt trời. ....................................................................................................................................... 4 Hình 1.3. Nguyên lý phân ly exciton và sự tách hạt tải trong một pin mặt trời hữu cơ heterojunction. ...................................................................................................................... 5 Hình 1.4. Cấu trúc hóa học của hai loại vật liệu hữu cơ thường được sử dụng trong DSSCs [16]. .......................................................................................................................... 8 Hình 1.5. Cấu trúc hóa học của một số phân tử nổi tiếng được sử dụng trong OSCs [16] ....................................................................................................................................... 9 Hình 1.6. Cấu trúc hóa học của một số polymer nổi tiếng được sử dụng trong OSCs [16] ..................................................................................................................................... 10 Hình 1.7. Sơ đồ của một SC vô cơ (trái) và một SC nhiều mối nối hữu cơ (phải) [18] ..... 11 Hình 1.8. Lược đồ của pin mặt trời hữu cơ kiểu Schottky với sơ đồ vùng năng lượng...... 13 Hình 1.9. Dạng biểu đồ của pin mặt trời hữu cơ heterojunction với biểu đồ vùng năng lượng của nó ....................................................................................................................... 13 Hình 1.10. Một sự minh họa rất sơ bộ của pin mặt trời dị chuyển tiếp khối và pin mặt trời dị chuyển tiếp đa lớp [18] ........................................................................................... 14 Hình 1.11. Giản đồ cấu trúc vùng trong pin mặt trời dị chuyển tiếp khối [19] ................. 15 Hình 1.12. Cơ chế chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện trong thiết bị pin mặt trời vô cơ và hữu cơ. ...................................................................................................................... 16 Hình 1.13. Sơ đồ dịch chuyển điện tử trong polymer (hữu cơ):a- Polyme hấp thụ ánh bức xạ mặt trời tạo cặp exiton khuyếch tán tới bề mặt chung donor – acceptor; b-Tại bề mặt tiếp xúc, điện tử chuyển tới acceptor, tạo cặp điện tử - lỗ trống; c- Sự phân tách cặp điện tử - lỗ trống tạo các hạt mang điện tự do; d- Các hạt mang điện tự do dịch chuyển theo các pha tới các điện cực. ........................................................................ 17 Hình 2.1. Cấu trúc pin quang điện: thủy tinh/ITO/PEDOT/PEOPT/C60/Al. ..................... 20 9 Hình 2.2. Cấu trúc m lớp trong thiết bị pin mặt trời. Trong mỗi lớp j (j=1,2...m) có chiều dày dj và năng lượng quang được mô tả bằng chiết suất phức. Năng lượng điện trường ở mỗi vị trí trong lớp j được chia thành hai thành phần: năng lượng điện trường dương và âm tương ứng với Ej+ và Ej-. ................................................................... 22 Hình 2.3. Độ dày của C60 tối ưu đối với độ dày của PEOPT trong khoảng 40nm và 60nm ................................................................................................................................... 30 Hình 3.1. Chiết suất thực của vật liệu thay đổi theo bước sóng ánh sáng tới ................... 32 Hình 3.2. Chiết suất ảo của vật liệu thay đổi theo bước sóng ánh sáng tới ...................... 33 Hình 3.3. Hệ số hấp thụ ánh sáng của vật liệu thay đổi theo bước sóng tới ..................... 34 Hình 3.4. Phản xạ và hấp thụ ánh sáng trên bề mặt thủy tinh của linh kiện ..................... 35 Hình 3.5. Phân bố cường độ điện trường của một số ánh sáng tới trong linh kiện ........... 37 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 ...................................................... 38 Hình 3.7. Năng lượng mặt trời tại điều kiện AM1.5 .......................................................... 40 Hình 3.8. Giản đồ suy giảm quang năng trong lớp PCBM ................................................ 41 Hình 3.9. Giản đồ mật độ exciton trong lớp hoạt quang PCBM của linh kiện .................. 42 Hình 3.10. Giản đồ mật độ exciton trong lớp hoạt quang PCBM của linh kiện tại điều kiện chiếu sáng AM1.5........................................................................................................ 43 Hình 3.11. Giản đồ mật độ dòng theo bề dày của lớp hoạt quang PCBM tại điều kiện chiếu sáng AM1.5 ............................................................................................................... 44 Hình 3.12. Giản đồ mật độ dòng theo bề dày của lớp hoạt quang P3HTPCBMBlend DCB tại điều kiện chiếu sáng AM1.5 ................................................................................ 45 10 DANH MỤC THUẬT NGỮ Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt A Electron acceptor Chất nhận điện tử CB Conduction band Vùng dẫn D Electron donor Chất cho điện tử EA Electron affinity Ái lực điện tử ECD Equivalent circuit diagram Sơ đồ mạch điện tương đương FF Fillfactor Hệ số điền đầy HOMO Highest orbital IP Ionisation potential IPCE Incident monochromatic Photon Hiệu suất chuyển hóa quang điện to Current collection efficiency toàn phần ITO Indium tin oxide LUMO Lowest orbital OPV Organic photovoltaic Quang điện hữu cơ OSCs Organic solar cells Pin mặt trời hữu cơ PV Photovoltaic Quang điện SCs Solar cells Pin mặt trời VB Valence band Vùng hóa trị occupied unoccupied molecular quỹ đạo phân tử lấp đầy cao nhất Thế ion hóa ITO molecular Quỹ đạo phân tử chưa lấp đầy thấp nhất 1 MỞ ĐẦU Sự khủng hoảng năng lượng, sự nóng lên toàn cầu, sự phát thải của khí nhà kính là một trong những căn nguyên lớn nhất đe dọa tương lai cuộc sống trên trái đất. Bên cạnh đó, khủng hoảng năng lượng, suy thoái kinh tế hiện nay và tính không ổn định của triển vọng sản xuất dầu và gas là động lực chính cho việc tìm kiếm và phát triể n ngu ồn năng lượng mới ít tốn kém hơn, an toàn hơn và sạch hơn. Trong số rất nhiều lựa chọn về giải pháp an ninh năng lượng bền vững, năng lượng quang điện (PV) được xem xét là một trong số các giải pháp tối ưu đảm bảo an ninh năng lượng mà rất nhiều quốc gia đang hướng tới, bắt đầu từ nghiên cứu cơ bản, triển khai thử nghiệm ứng dụng và tiến tới thương mại hóa. Chính vì vậy, so với các giải pháp năng lượng sạch khác, chuyển đổi quang điện có những tiến bộ vượt bậc về công nghệ, kỹ thuật và thương mại hóa. Pin mă ̣t trời hữu cơ là một trong số các thiết bị quang điện hứa hẹn tiềm năng ứng dụng rộng rãi, đa dạng trong tất cả mọi lĩnh vực, từ an ninh quốc phòng, công nhiệp đến dân sinh. Pin mặt trời hữu cơ được hoạt đô ̣ng theo nguyên lý chuyể n đổ i ánh sáng thành điện năng thông qua việc sử dụng hợp chất hữu cơ hoạt quang phù hợp. Mặc dù đã được phát triển từ cuối những năm 50 của thế kỷ truớc, pin mặt trời hữu cơ không được quan tâm đúng mức cho đến khi hợp chất polymer liệp hợp được ứng dụng làm chất hoạt quang trong linh kiện, làm tăng đáng kể hiệu suất của linh kiện. Mặc dù vậy, hiệu suất của pin mặt trời hữu cơ vẫn thấp so với hiệu suất pin mặt trời vô cơ. Tuy nhiên, do có rất nhiều ưu điểm, chẳng hạn như có thể tạo ra màng mỏng trên nhiều dạng vật liệu khác nhau, hay như có thể dễ dàng chế tạo với giá thành thấp, nên pin mặt trời hữu cơ vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triển, nhằm cải thiện hiệu suất chuyển hóa. Cho đến nay, nhiều nỗ lực trong hoạt động nghiên cứu đã được thực hiện nhằm tìm hiểu cơ chế của pin mặt trời hữu cơ, tuy nhiên, kết quả thu được còn rất hạn chế cơ. Pin mặt trời hữu cơ là một trong những chủ đề quan trọng trong công nghiệp năng lượng cũng như trong an ninh năng lượng, không những của Việt Nam mà còn của rất nhiều quốc gia khác. Tuy nhiên, cho dù đã tập chung nghiên cứu, nhiều vấn đề hiện vẫn chưa được làm sáng tỏ. Chính vì vậy tôi chọn đề tài luận văn là: “Mô phỏng và tối ưu hóa cấu trúc pin mặt trời hữu 2 cơ cấu trúc nanô đa lớp”, nhằm mô tả sự khuếch tán của exciton được xử lý trong mô hình mô phỏng quá trình suy hao năng lượng quang bên trong pin và tối ưu hóa độ dày của các lớp khác nhau trong cấu trúc pin mặt trời hữu cơ. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Pin mặt trời hữu cơ là một trong những chủ đề quan trọng trong công nghiệp năng lượng cũng như trong an ninh năng lượng, không những của Việt Nam mà còn của rất nhiều quốc gia khác. Tuy nhiên, cho dù đã tập chung nghiên cứu, nhiều vấn đề hiện vẫn chưa được làm sáng tỏ. Đề tài tập chung xử lý vấn đề tối ưu và mô phỏng hóa pin mặt trời hữu cơ cấu trúc đa lớp sử dụng lớp hoạt động quang poly(2-methoxy-5(2’ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene) (MEH-PPV) (finite diference method), bài toán mô tả sự khuếch tán của exiton được xử lý trong mô hình mô phỏng quá trình suy hao năng lượng quang bên trong pin. Điều này cho phép so sánh mật độ exiton và thông lượng qua mặt biên tiếp xúc giữa các lớp quang hoạt. Tối ưu hóa độ dày của các lớp khác nhau trong cấu trúc pin cũng được xác định thông quá kết quả mô hình. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết: - Giải bài toán khuếch tán của exiton trong cấu trúc đa lớp và cấu trúc tổ hợp với điều kiện biên khác nhau. - Mô phỏng quá trình suy giảm năng lượng quang trong pin và trong từng cấu trúc của pin. - Mô phỏng sự phân bố của điện trường bên trong pin cũng như từng lớp vật liệu trong pin. - Giải thích và tối ưu hóa bề dầy các lớp vật liệu trong pin. - Đánh giá chất lượng mô phỏng và tối ưu hóa thông qua việc chế tạo và thử nghiệm, và khảo sát thông số cơ bản một số mẫu pin mặt trời hữu cơ. 3 Chương 1. Tổng Quan Về Pin Mặt Trời 1.1. Giới thiệu về pin mặt trời Việc chuyển đổi từ ánh sáng mặt trời thành dòng điện đòi hỏi sự hình thành của cả điện tích âm và điện tích dương cũng như một lực điều khiển có thể đẩy các điện tích đó qua mạch điện ngoài. Khi được kết nối với mạch điện bên ngoài, bất kỳ thiết bị điện nào, chẳng hạn một màn hình máy tính hay một động cơ của máy bơm nước, có thể sử dụng năng lượng mặt trời đã được chuyển đổi. Trên thực tế, một tế bào năng lượng mặt trời (hình 1.1) có thể được hình dung như một cái bơm mà ánh sáng mặt trời điều khiển electron: Chiều cao tối đa mà các electron có thể được “bơm” tương đương với điện áp cao nhất mà tế bào năng lượng mặt trời có thể đạt được. Dòng điện lớn nhất được quyết định bởi “tốc độ bơm”. Hình 1.1. Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hình. Lớp màng hữu cơ (Organic Film) có thể là một hoặc nhiều lớp bán dẫn cũng có thể là một hỗn hợp hay một tổ hợp của chúng. Giả sử “bơm” có thể đẩy 100 electron/s từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB), dòng liên tục cao nhất có thể của các điện tử chạy qua mạch ngoài sau đó cũng là 100 electron/s. Nếu dòng điện chạy qua mạch ngoài bị giảm đi bởi điện trở tải – ví dụ còn 80 electron/s thì 20 electron/s còn lại sẽ rơi trở lại vùng hóa trị trước khi chúng có thể tách khỏi tế bào và được gọi là dòng rò. Ở hình 1.2 mô tả các bước chuyển đổi của photon thành các hạt tải tách biệt được diễn ra trong tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ. Nó cũng cho thấy cơ 4 chế mất mát liên quan và sự liên hệ với số lượng điện được sử dụng trong sơ đồ mạch điện tương đương (Equivalance Circuit Diagram - ECD). Photon tới Bước chuyển đổi Hấp thụ ánh sáng Tạo thành Exciton Cơ chế mất mát - Phản xạ (IL) Truyền qua (IL) - Truyền qua (IL) - Tái hợp của các exciton (I0) Khuếch tán exciton - Truyền exciton với sự tái hợp của exciton s Phân tách hạt tải Vận chuyển hạt tải Thu thập hạt tải au đó (I0) - Không có phân tách hạt tải và sau đó là tái hợp của exciton (I0) - Tái hợp của các hạt tải (Rsh) - Độ linh động giới hạn của hạt tải (Rs) - Tái hợp gần các điện cực (Rsh2) - Rào thế tại các điện cực (Rs, I0) Các hạt tải đã phân tách tại các điện cực Hình 1.2. Các bước chuyển đổi chi và cơ chế mất mát trong tế bào năng lượng mặt trời. Trong chất bán dẫn hữu cơ, sự hấp thụ photon dẫn tới việc tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống liên kết (exciton) có xác suất cao hơn là hình thành các hạt tải tự do. Các exciton đó mang năng lượng nhưng không thể hình thành nên điện tích tổng, có thể khuếch tán vào khu vực phân tách nơi mà những hạt mang điện được hình thành. Các hạt tải đó cần di chuyển tới các điện cực tương ứng: lỗ trống di chuyển tới cực âm và điện tử tới cực dương để tạo ra điện áp và sẵn 5 sàng cung cấp cho mạch ngoài. Quá trình chuyển hóa quang năng thành điện năng bao gồm các bước sau: - Sự hấp thụ photon. - Sự hình thành và khuếch tán Exciton. - Sự phân tách hạt tải tại vùng tiếp xúc bề mặt. - Sự vận chuyển hạt tải. - Sự thu hạt tại ở mỗi điện cực. Hình 1.3. Nguyên lý phân ly exciton và sự tách hạt tải trong một pin mặt trời hữu cơ heterojunction. 1.1.1. Sự hấp thụ photon Trong hầu hết các linh kiện OPV chỉ một phần nhỏ ánh sáng tới được hấp thụ vì những lí do sau đây: (i) Độ rộng vùng cấm của vật liệu bán dẫn quá lớn. Độ rộng vùng cấm khoảng 1.1eV (1100nm) cần được đáp ứng để hấp thụ 77% bức xạ mặt trời trên trái đất. 6 (ii) Lớp hữu cơ quá mỏng. Do ít hạt tải và độ linh động của exciton thấp, nên yêu cầu độ dày của lớp bán dẫn phải dưới 100nm. May mắn là hệ số hấp thụ của vật liệu hữu cơ thường lớn hơn vật liệu vô cơ, ví dụ như Silic, do đó chỉ khoảng 100nm là cần thiết để hấp thụ khoảng 60 – 90% nếu hiệu ứng phán xạ ngược được sử dụng. (iii) Sự phản xạ. Sự mất mát do phản xạ hầu như khá đáng kể nhưng ít được khảo sát trong những vật liệu hữu cơ. Khảo sát các tính chất của vật liệu quang điện có thể sẽ cung cấp những hiểu biết về tác động của chúng tới sự suy hao do hấp thụ. Phủ lớp chống phản xạ như đã được sử dụng trong các thiết bị vô cơ đã chứng minh vai trò của việc sử dụng biện pháp ngăn chặn hiệu ứng phản xạ. 1.1.2. Sự hình thành và khuếch tán exciton Điều kiện lý tưởng là tất cả exciton được kích thích phải tới được địa điểm phân tách. Vì những vị trí phân tách có thể nằm tại điểm cuối của vật liệu bán dẫn, chiều dài khuếch tán của chúng ít nhất nên bằng chiều dài được yêu cầu (cho sự hấp thụ đầy đủ) – nếu không thì hiện tượng tái tổ hợp se xẩy ra với xác suất cao hơn và như vậy photon tới sẽ bị lãng phí. Khoảng khuếch tán exciton trong vật liệu polymer thường vào khoảng 10nm [9,10,3,7]. Tuy nhiên một số chất màu như perylenes được cho là có chiều dài khuếch tán exciton vào khoảng 100nm [13]. 1.1.3. Sự phân tách hạt tải tại bề mặt tiếp xúc Phân tách hạt tải xảy ra ở bề mặt tiếp xúc giữa chất bán dẫn với kim loại, tạp chất (ví dụ ô-xy) hay giữa các kim loại nếu sự khác biệt về ái lực điện tử (EA), điện thế ion hóa (IA) vượt được mức giới hạn. Nếu sự khác biệt của lớp IA và EA là không đủ, các exciton có thể chỉ nhảy lên vật liệu có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn mà không phân tách thành các điện tích. Những exciton này sẽ tái hợp lại mà không có sự đóng góp hạt tải vào dòng photon. 1.1.4. Vận chuyển hạt tải Việc vận chuyển các hạt tải bị ảnh hưởng bởi hiện tượng tái tổ hợp trên quãng đường di chuyển của chúng đến các điện cực – đặc biệt là nếu cùng một vật liệu vừa đóng vai trò như vận chuyển trung bình cho cả electron và lỗ trống. 7 Ngoài ra, việc tương tác với các nguyên tử hay các hạt tải khác cũng làm chậm tốc độ di chuyển do đó làm hạn chế dòng ngoài. 1.1.5. Sự thu thập hạt tải ở mỗi điện cực Để xâm nhập vào vật liệu điện cực với công thoát tương đối thấp (ví dụ Al, Ca) các hạt tải thường phải vượt qua hàng rào thế của một lớp oxit mỏng. Ngoài ra, kim loại có thể đã hình thành một sự ngăn chặn liên kết với chất bán dẫn vì thế các hạt tải không thể ngay lập tức truyền tới lớp kim loại. Lưu ý là cả exciton và các điện tích vận chuyển trong vật liệu hữu cơ thường đòi hỏi “nhảy” từ phân tử này sang phân tử khác. Do đó, sự ken xít của phân tử là một giả định để giảm độ rộng của hiệu ứng rào cản phân tử. Cấu trúc phẳng của phân tử sẽ dẫn đến những đặc tính vận chuyển tốt hơn những cấu trúc không gian 3 chiều. Hơn nữa, việc ken xít cũng làm tăng hệ số hấp thụ. Để tăng cường hiệu quả chuyển đổi photon thành các điện tích, linh kiện với cấu trúc khác nhau đã được phát triển. 1.2. Sự khác nhau giữa pin mặt trời vô cơ và hữu cơ Sự khác nhau cơ bản giữa pin mặt trời vô cơ và pin mặt trời hữu cơ là ở chỗ vật liệu được sử dụng để tạo thành chúng. Dưới góc độ vật liệu, pin mặt trời hữu cơ được chia thành các loại sau đây: 1234- Pin mặt trời hữu cơ chất màu nhạy sáng (Dye-sensitized OSCs) Pin mặt trời phân tử (Molecular SCs) Pin mặt trời hữu cơ cao phân tử (polymeric SCs) Pin mặt trời hữu cơ tổ hợp (Mixed SCs) Pin mặt trời hữu cơ chất màu nhạy sáng (ODSSC) được làm bằng một chất điện phân lỏng mà vận chuyển các hạt tải mang điện tạo ra bởi các phần tử hữu cơ bên trong chất điện phân. Ưu điểm chính của pin mặt trời hữu cơ loại này là giá thành thấp. Tuy nhiên, thời gian sống của linh kiện rất ngắn nên hiệu suất thực tế của linh kiện điện quang này là khá thấp (< 1%). Hình 1.4 mô tả cấu trúc hóa học của hai loại vật liệu hữu cơ thường được sử dụng trong DSSCs. 8 Hình 1.4. Cấu trúc hóa học của hai loại vật liệu hữu cơ thường được sử dụng trong DSSCs [16]. Cả hai pin mặt trời hữu cơ phân tử và cao phân tử được làm từ các phân tử vô định hình không có cấu trúc mạng tinh thể. Các thuật ngữ “phân tử (molecular)” và “polymeric (trùng hợp)” dựa vào trọng lượng phân tử. Thông thường, các cao phân tử với trọng lượng phân tử lớn hơn 10000 amu được gọi là polymers. Thuật ngữ “oligomers” được gắn liền với các phân tử nhẹ hơn và với các phân tử rất nhỏ dùng thuật ngữ “molecule” được sử dụng [17]. Vật liệu phân tử và trùng hợp thường được sử dụng cùng nhau để tăng cả độ hấp thụ và tính dẫn điện. Phần phân tử có khả năng hấp thụ quang tốt hơn trong khi polymers có tính dẫn điện tốt hơn. Do đó, năng lượng quang được hấp thụ bởi phần phân tử và tính dẫn điện được cung cấp bởi lưới các chuỗi polymer, là nguyên nhân tăng hiệu suất chuyển hóa của loại linh kiện này. Hình 1.5 và hình 1.6 theo thứ tự cho thấy các cấu trúc hóa học của một số vật liệu phân tử và trùng hợp được sử dụng trong chế tạo pin mặt trời hữu cơ với tên viết tắt của chúng. 9 Hình 1.5. Cấu trúc hóa học của một số phân tử nổi tiếng được sử dụng trong OSCs [16] 10 Hình 1.6. Cấu trúc hóa học của một số polymer nổi tiếng được sử dụng trong OSCs [16] Sự khác biệt lớn khác giữa pin mặt trời hữu cơ và pin mặt trời thông thường là do cơ chế phát sinh hạt tải và truyền hạt tải. Trong pin mặt trời vô cơ sau khi hấp thụ một photon, một điện tử được kích thích và một cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra. Nhờ điện trường phát sinh, các hạt tải điện, tùy theo dấu và 11 thế điện động, sẽ trôi dạt về phía cực dương (anode) (cho điện tử) và cực âm (cathode) (cho lỗ trống). Hình 1.7 mô tả sơ đồ mạch của một pin mặt trời dựa vào cơ chế phát hạt tải bên trong SC. Trong trường hợp của pin mặt trời hữu cơ, điện tử và lỗ trống liên kết chặt chẽ với nhau và tạo một exciton (hình 1.7). Hình 1.7. Sơ đồ của một SC vô cơ (trái) và một SC nhiều mối nối hữu cơ (phải) [18] Năng lượng liên kết của exciton hữu cơ và năng lượng phân ly của chúng thường khác nhau và nhỏ hơn so với của exciton bán dẫn truyền thống. Để phân ly exiton thành các hạt tải, phải có một năng lượng đủ lớn để phá vỡ năng lượng liên kết này. Tuy nhiên, trong trường hợp exciton hữu cơ, có sự khác biệt khi phân tách chúng thành hạt tải so với trường hợp của các exiton bán dẫn khác. Một exciton trong một phân đoạn hữu cơ (một phân tử hoặc một chuỗi polymer) là bằng trạng thái kích thích của phân đoạn đó. Nó là một trong các trạng thái ổn định trong trạng thái năng lượng không liên tục của phân đoạn đó và có liên quan đến một hình thái quỹ đạo ổn định của các vùng điện tử của phân khúc đó. Vì vậy, sự phá vỡ một exciton hữu cơ là tương đương với một sự thay đổi trong trạng thái ổn định, đòi hỏi một lượng năng lượng nhiều hơn năng lượng do lực hút Coulomb sinh ra giữa chúng. Mặt khác, không giống như chất bán dẫn thông 12 thường, vật liệu polymer dẫn không có cấu trúc mạng tinh thể. Những hạt tải đơn lẻ trong một vật liệu hữu cơ được gói chặt tại một vị trí và được gọi là polarons. Do đó, trước khi tách hạt tải nên có một phần tử thứ hai để mang chứa hạt tải được sinh ra. Điều này có nghĩa là có năng lượng cần thiết để phá vỡ một exciton cần phải nhiều hơn. Sau khi exiton bị phân tách thành hạt tải, bản thân chúng không thể được hút tới bất cứ cực điện nào do điện trường nộ. Tuy nhiên, chúng có thể khếch tán trong không gian vật liệu. Như vậy, nếu hạt tải cùng di chuyển đến một lớp dẫn, điện tử và lỗ trống sẽ được kết hợp ở bề mặt của lớp dẫn đó, tái tổ hợp thành các exiton và kết quả là không có năng lượng điện được tạo ra. Do đó, điện tử và lỗ trống cần phải được phân dòng. Để tạo một cặp điện tử - lỗ trống từ một exciton, một trong các điều kiện sau đây nên tồn tại: 12- Điện trường cao Bề mặt chung của hai vật liệu với hai vùng năng lượng khác nhau. Nhờ điện thế sẵn có trong pin mặt trời hữu cơ, sử dụng đa mối nối, điều kiện thứ hai được sử dụng trong cấu trúc của OSCs để phá vỡ các exciton. Trong phần tiếp theo, các cấu trúc khác nhau của OSCs được thảo luận. 1.3. Các loại khác nhau của pin mặt trời hữu cơ 1.3.1. Pin mặt trời đơn lớp Tương tự pin mặt trời vô cơ, loại pin hữu cơ phổ biến thường thấy đó là pin mặt sử dụng vật liệu quang hoạt loại n hoặc loại p (hầu hết loại p). Pin mặt trời này còn được gọi bằng tên Schottky OSC do đặc tính chuyển tiếp Schottky của thiế bị. Hình 1.8 mô tả cấu trúc và biểu đồ vùng của một pin mặt trời kiểu Schottky. 13 Hình 1.8. Lược đồ của pin mặt trời hữu cơ kiểu Schottky với sơ đồ vùng năng lượng 1.3.2. Pin mặt trời dạng chuyển tiếp dị chất Với pin đơn lớp hay pin Schottky, do không có bề mặt tiếp xúc dị chất, hầu hết các exciton được tạo ra sẽ phân tách ở bề mặt tiếp xúc hay bên trong các lớp hoạt quang mà không phát ra bất cứ một năng lượng nào. Như vậy, có thể thấy rằng, để tăng hiệu suất phân tách exiton, cần tăng cường vùng phân tách với mức năng lượng hợp lý. Do đó, cấu trúc được đề xuất đó là sử dụng hai loại vật liệu hữu cơ hoạt quang với vùng năng lượng phù hợp và vì vậy được gọi là cấu trúc dị hợp nhất dị chuyển tiếp (hay OSC tiếp xúc kép). Hình 1.9 cho thấy dạng biểu đồ và biểu đồ vùng của một pin mặt trời dị chuyển tiếp. Hình 1.9. Dạng biểu đồ của pin mặt trời hữu cơ heterojunction với biểu đồ vùng năng lượng của nó Trong cấu trúc này, ánh sáng đến từ điện cực dương trong suốt sẽ bị háp thụ và sinh ra một exciton. Exciton này khuếch tán tất theo tất cả các hướng (710 nm) tới bề mặt tiếp xúc của lớp cho và nhận nơi mà chúng được tách ra thành một lỗ trống và một điện tử. Sau đó, hạt tải này sẽ tiếp cận điện cực nhờ cách lực điện trường cũng như hiện tượng khuếch tán, và sẽ tạo ra dòng điện.. Như đã đề cập, do chiều dài khuếch tán của exiton khá ngắn không phải tất cả exciton tiếp cận được bề mặt tiếp xúc và, mà có một phần sẽ bị tái hợp. Vì vậy, tổng năng lượng điện sẽ giảm và hiệu suất sẽ giảm. Để khắc phục hiện tượng này, có thể tạo ra các lớp hoạt quang ccos độ dầy mỏng, nhưng điều này có thể dẫn đến hiện tượng giảm cường độ hấp thụ ánh sáng của linh kiện.