Mô phỏng và tối ưu hóa pin mặt trời hữu cơ cấu trúc nano đa lớp

Mô phỏng và tối ưu hóa pin mặt trời hữu cơ
cấu trúc nano đa lớp


Phạm Thị Tuyết Lan


Trường Đại học Công nghệ
Luận văn ThS. ngành: Vật liệu và linh kiện Nanô
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)
Người hướng dẫn: TS. Đinh Văn Châu
Năm bảo vệ: 2012


Abstract. 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.

Keywords. Pin mặt trời; Linh kiện nano; Nano đa lớp


Content
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 pha
́

t triê
̉
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 trơ
̀
i hư
̃
u cơ la
̀
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 ly
́
chuyê
̉
n đô
̉
i a
́
nh sa

́
ng tha
̀
nh 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.
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 chúng tôi chọn đề tài luận văn của tôi là: “Mô phỏng và tối ưu
hóa cấu trúc pin mặt trời hữu 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.
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.

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 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 Cơ chế mất mát

Các hạt tải đã phân tách
tại các điện cực
Hình 1.2. Các bước chuyển đổi chi tiết và cơ chế mất mát trong tế bào năng
lượng mặt trời.
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.
Hấp thụ ánh sáng
Tạo thành Exciton
Khuếch tán exciton
Phân tách hạt tải
Vận chuyển hạt tải
Thu thập hạt tải
- Phản xạ (I
L
) Truyền qua (I
L
)

- Truyền qua (I
L
)

- Tái hợp của các exciton (I
0
)

- Truyền exciton với sự tái hợp
của exciton sau đó (I
0
)
- Không có phân tách hạt tải và
sau đó là tái hợp của exciton
(I
0
)

- Tái hợp của các hạt tải (R
sh
)
- Độ linh động giới hạn của hạt tải
(R
s
)

- Tái hợp gần các điện cực (R
sh2
)
- Rào thế tại các điện cực (R
s,
I
0
)


Hình 1.3. Nguyên lý phân ly exciton và sự tách hạt tải trong một pin mặt trời
hữu cơ heterojunction.

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:
1- Pin mặt trời hữu cơ chất màu nhạy sáng (Dye-sensitized OSCs)
2- Pin mặt trời phân tử (Molecular SCs)
3- Pin mặt trời hữu cơ cao phân tử (polymeric SCs)
4- Pin mặt trời hữu cơ tổ hợp (Mixed SCs)
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).
1.3. Các loại khác nhau của pin mặt trời hữu cơ
1. Pin mặt trời đơn lớp
Pin mặt trời này còn được gọi bằng tên Schottky OSC do đặc tính chuyển tiếp Schottky
của thiết bị.
2. Pin mặt trời dạng chuyển tiếp dị chất
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 (7-10 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.
3. Pin mặt trời dạng chuyển tiếp dị chất
Để giải quyết vấn đề của cấu trúc tiếp xúc dị chất dạng màng, một giải pháp được đưa
ra đo là phối trộn các vật liệu quang họat khác nhau thành dạng tổ hợp khối lớp quang hoạt.
Với giải pháp này diện tích bề mặt tiếp xúc được tăng lên, nên các exciton trước khi kết hợp
lại đã được cơ may tách rời nhau ra tại bề mặt tiếp xúc. Loại OSC này được gọi là OSC tiếp
xúc khối (BHJOSC).

1.4. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời hữu cơ
So sánh sự khác biệt trong hình thành dòng điện của pin mặt trời hữu cơ và vô cơ có thể
thể hiện trực quan bằng hình 1.12.

Hình 1.12. Cơ chế chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện trong thiết bị pin mặt
trời vô cơ và hữu cơ.
1.5. Exciton
Như đã biết, trong các tinh thể bán dẫn, exciton là cặp điện tử - lỗ trống được liên kết
với nhau bằng tương tác Coulomb. Chúng được tạo ra khi vật liệu hoạt quang được chiếu
sáng (photon), hoặc có thể được tạo ra bởi sự liên kết các điện tích trái dấu trong các linh kiện
điện huỳnh quang dưới tác dụng của điện trường [19]. Năng lượng cần thiết để tạo ra chúng
phải lớn hơn hoặc bằng độ rộng vùng cấm của vật liệu. Khi phân tử polymer dẫn nhận được
năng lượng kích thích (ánh sáng điện trường, v.v) đủ lớn thì điện tử nằm trong vùng HOMO
sẽ nhảy lên vùng LUMO, tạo ra điện tử trong vùng LUMO và để lại lỗ trống trong vùng
HOMO. Do tương tác tĩnh điện, điện tử và lỗ trống liên kết với nhau tạo thành cặp gọi là
exciton. Các exciton đó cần được phân tách ra trước khi hạt tải có thể được vận chuyển qua
lớp màng và được thu lại tai các điện cực.

Chương 2. Mô Phỏng Quá Trình Hoạt Động
2.1. Nguyên lý mô hình mô phỏng
Nguyên lý cơ bản vận dụng cho mô phỏng sự suy giảm năng lượng quang bên trong pin
mặt trời hữu cơ nằm ở chỗ coi ánh sáng kích hoạt pin có bản chất sóng điện từ trường. Sử
dụng phương trình chuẩn tắc do Ghosh và Feng đưa ra để mô tả quá trình chuyển hóa điện
trường ánh sáng thành dòng điện trong pin. Mô phỏng được dựa theo những giả thiết sau:
1. Các lớp màng trong kết cấu pin là liên tục và đẳng hướng, do vậy có thể sử dụng chiết
suất phức để mô tả hiện tượng kích thích quang.
2. Mặt phẳng tiếp giáp giữa các lớp song song nhau và phẳng so với bước sóng ánh
sáng.
3. Ánh sáng tới được xem xét là sóng phẳng.
4. Dòng hình thành trong pin do các exiton bị phân tách tại mặt biên.

5. Độ rộng khuếch tán của exiton không phụ thuộc vào năng lượng bị kích thích.
6. Mọi hạt tải được tạo ra sẽ hình thành nên dòng, nghĩa là không xảy ra hiện tái kết hợp
giữa các hạt tải.
2.2. Phương trình toán học của điện trường và suy hao năng lượng quang của ánh
sáng


Hình 2.2. Cấu trúc m lớp trong thiết bị pin mặt trời. Trong mỗi lớp j (j=1,2 m) có chiều dày
d
j
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 E
j
+
và E
j
-
.
Điện trường tại mặt phẳng bất kỳ trong lớp j cách bề mặt biên (j-1)j về phía phải được
xác định như sau:

     
0
jj
jj
j
i x i x
j
E x E x E x

t e t e E







  


(2.23)
Năng lượng suy hao mỗi giây trong lớp j tại vị trí x được xác định bởi công thức sau:

   
2
0
1
2
j j j j
Q x c E x
  


(2.24)
2.3. Phương trình khuếch tán exciton trong linh kiện
Giả định rằng tổng số hạt mang điện trong số Exciton (n(x)) ở vị trí x (khoảng cách
trong vùng kích thích), là nguyên do để khuếch tán và suy giảm, phương trình mật độ exciton
trở thành:

2
1
2
()
n n n
D Q x
t x h



  

(2.27)
Phân bố exciton cũng như chức năng từng vị trí mật độ dòng khuếch tán exciton ở bề
mặt tiếp xúc trong lớp tích cực có thể được viết như phát sinh exciton phân bố:

Ex
0
c
x
dn
JD
dx


(2.35)
Exc
xd
dn
JD

dx


(2.36)
Bằng giả định rằng, tốc độ trao đổi θ cho mật độ exciton để mật độ truyền dẫn (θ=2 và
θ<2 bằng giả định tái kết hợp điện tử- lỗ trống ở bề mặt điện cực). Do đó, phương trình 3.36
và ϴ, dòng quang điện có thể được tính toán như là:

oto ExPh c
J q J


(2.37)
Dòng quang điện ngắn mạch trong pin mặt trời hữu cơ có thể được tính toán:

 
 
oto 1 2
22
4
. . . . .sin ''
d d d d
Ph
xd
q TN
J Ae B e e C e C
   
 
    






    




(2.38)
2.4. Tối ưu hóa cấu trúc linh kiện
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 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.
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:
 
   
12
12
0
,,
j
photon
x d x
n x n x
J q D D

xx






  



(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:
 
 
0
1240
Photo
J
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)



Chương 3. Kết Quả Và Thảo Luận
3.1. Tính chất quang của vật liệu
Chiết suất phức của vật liệu theo bước sóng ánh sáng được xác định bằng phương pháp
phân tích phổ elipsometric. Hình 3.1 và 3.2 biểu diễn chiết suất thực và ảo tương ứng của vật
liệu ITO, PEDOT, PCBM, Ca và Al được sử dụng trong mô hình cấu trúc linh kiện OPV.
300 400 500 600 700 800
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Wavelength (nm)
Refraction Index, n

ITO
PEDOT
PCBM
Ca
Al

Hình 3.1. Chiết suất thực của vật liệu thay đổi theo bước sóng ánh sáng tới
300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Wavelength (nm)
Refraction Index, k


ITO
PEDOT
PCBM
Ca
Al

Hình 3.2. Chiết suất ảo của vật liệu thay đổi theo bước sóng ánh sáng tới

3.2. Phân bố ánh sáng trong cấu trúc linh kiện
Sự hấp thụ ánh sáng của từng lớp cấu trúc trong linh kiện thay đổi theo phổ ánh sáng

mặt trời có bước sóng trong khoảng 300 đến 800 nm được xác định bằng công thức 2.25 và
biểu diễn trong hình 3.3.
300 400 500 600 700 800
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Wavelength (nm)
Light Intensity Fraction


ITO
PEDOT
PCBM
Ca
Al

Hình 3.3. Hệ số hấp thụ ánh sáng của vật liệu thay đổi theo bước sóng tới
Theo đó, có thể thấy rằng, với màng PCBM hấp thụ cực đại nhận được ở bước sóng 400
nm và giảm nhanh khi bước song trong giả từ 400 đến 600 nm. Với PEDOT, độ hấp thụ hầu
như không đổi từ dải sóng 400 đến gần 500 nm và tăng đột ngột từ vùng 500 đến 600nm và
giữ ở mức cao từ bước sóng trên 600 trở đi.
Với màng ITO, phần lớn vùng tử ngoại bị hấp thụ. Đây là một tính chất phù hợp để bảo
vệ polymer khỏi sự lão hóa của tia tử ngoại. Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, màng ITO hấp
thụ cực đại ở bước sóng 447 nm (2,76eV).
Ánh sáng phản xạ trên bề mặt đế thủy tinh của điện cực truyền qua được tính toán theo

công thức
2
Rr
trong đó r nhận được từ phương trình 2.10 và 2.11 à được biểu diễn
trong hình 3.4
300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Wavelength (nm)
Light Intensity Fraction


300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Reflectance
Absorption

Hình 3.4. Phản xạ và hấp thụ ánh sáng trên bề mặt thủy tinh của linh kiện
Do lớp Al của linh kiện có độ dầy lớn hơn độ đâm xuyên của ánh sáng nên tổng lượng
ánh sáng bị hấp thụ bởi linh kiện có thể được biểu diễn bằng A=1-Reflectance. Phần ánh
sáng bị hấp thụ bởi linh kiện thể hiện trong hình 3.4 (đường liền) phản ánh giới hạn cực đại

phần quang năng thực tế có thể chuyển hóa thành dòng điện của linh kiện. Theo kết quả tính
toán, có thể thấy rằng linh kiện có thể chuyển hóa cực đại khoảng 95% ánh sáng tới ở bước
sóng 320nm. Điều đó có nghĩa là về mặt lý thuyết, có thể thu hồi được 95 % quang năng tại
bước sóng này. Tuy nhiên, điều này là không thể và nó chỉ có ý nghĩa trong đánh giá thiết kế
linh kiện.
3.3. Phân bố cường độ điện trường trong linh kiện
Cường độ điện trường ánh sáng tại mỗi điểm trong linh kiện được tính toán bằng công
thức 2.23. Hình 3.5 biểu diễn sự phân bố giá trị MSE (
2
E
)của bước sóng 350, 450, 550, 650
và 750 nm bên trong linh kiện.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
0
0.5
1
1.5
2
2.5
ITO PEDOT PCBM
Ca
Al
Position in Device (nm)
Normalized Electric field intensity |E|
2


350 nm
450 nm
550 nm

650 nm
750 nm

Hình 3.5. Phân bố cường độ điện trường của một số ánh sáng tới trong linh
kiện
Như đã trình bày, mật độ exiton tỷ lệ với giá trị MSE của ánh sáng tới bên trong linh
kiện, chỉ số chiết suất và cường độ hấp thụ ánh sáng của vật liệu. Quan sát trên hình 3.5, nhận
thấy rằng giá trị MSE bị gián đoạn tại bề mặt biên của các lớp vật liệu. Điều này được giải
thích bởi sự thay đổi giá trị của chiết suất thực n và hệ số dập tắt k thay đổi tại bề mặt biên.
Hình 3.5 cũng cho thấy, với ánh sang tới khác nhau thì giá trị MSE trên mỗi lớp cũng sẽ khác
nhau.
Để thấy rõ sự ảnh hưởng của độ dầy lớp vật liệu hoạt quang đến phân bố của MSE
trong nó, tính toán được thực hiện khi chỉ thay đổi độ dầy lớp PCBM trong khi các lớp vật
liệu khác vẫn giữ nguyên. Kết quả được biểu diễn trong hình 3.6.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
ITO
PEDOT
PCBM Ca Al
Position in Device (nm)
Normalized Electric field intensity |E|

2


550 nm
(a)

0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
ITO PEDOT
PCBM
Ca Al
Position in Device (nm)
Normalized Electric field intensity |E|
2


550 nm
(b)

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

Có thể thấy rằng, giá trị của MSE trong lớp hoạt quang PCBM bị ảnh hưởng rất mạnh
bởi độ dầy của màng. Điều này cho thấy, có thể điều chỉnh độ dày của lớp hoạt quang để thay
đổi đặc tính của linh kiện. Bên cạnh đó, cũng có thể nhận thấy rằng MSE hầu như suy giảm
nhanh chóng tại bề mặt biên của PCBM và Ca. Chính vì vậy, có thể coi mặt tiếp xúc
PCBM/Ca là bề mặt biên bên trong linh kiện.
Từ hình 3.5 và 3.6, có thể thấy rằng, bề mặt PEDOT/PCBM là bề mặt biên hoạt động
chính của linh kiện. Đa số các exiton sẽ bị phân tách tại bề mặt này. Do vậy việc mở rộng
diện tích bề mặt này là một trong những giải pháp để gia tăng hiệu suất chuyển hóa của linh
kiện.
3.4. Suy giảm năng lượng quang trong lớp hoạt quang
Lớp hoạt quang là thành phần quan trọng trong linh kiện vì phần lớn exiton được sinh
ra trong lớp này. Khảo sát sự suy giảm năng lượng ánh sáng trong lớp hoạt quang sẽ có thể
định tính đánh giá được đặc tính của linh kiện. Nắng lượng ánh sáng tới cho tính toán suy
giảm quang năng trong linh kiện được xác định ở điều kiện AM1.5 và biểu diễn trong hình
3.7.
300 400 500 600 700 800
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
Wavelength (nm)
Light Intensity,W/cm
2

Hình 3.7. Năng lượng mặt trời tại điều kiện AM1.5

Đường đặc tính suy giảm quang năng trong lớp vật liệu này nhận được bằng cách sử
dụng phương trình 2.24.
120 140 160 180 200 220 240 260
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Position in Device (nm)
Dissipated Ennergy mW/(sec-cm
2
)


350 nm
450 nm
550 nm
650 nm
750 nm

Hình 3.8. Giản đồ suy giảm quang năng trong lớp PCBM
Có thể nhận thấy rằng quang năng tiêu hao trong lớp hoạt quang bị ảnh hưởng chi phối
bởi bước sóng. Hơn thế nữa, có thể nhận thấy, suy hao năng lượng chủ yếu diễn ra tại khu
vực giữa của lớp quang hoạt. Như vậy có thể thấy rằng, đa phần exiton được sinh ra tại vùng
trung tâm của lớp quang hoạt. Đây là kết quả đáng chú ý vì nếu lớp hoạt quang quá dầy, phần

lớn exciton sẽ không thể đến được bề mặt biên PEDOT/PCBM để phân tách thành hạt tải và
như vậy, có thể làm giảm hiệu suất chuyển hóa của linh kiện.

3.5. Mật độ exiton tạo ra trong linh kiện
Mật độ exciton được tính toán bằng phương trình 2.30 và được biểu diễn trong hình 3.9
theo các bước sóng 350, 450 550, 650 và 750 nm.
120 140 160 180 200 220 240 260
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
x 10
19
Position in Device (nm)
Generation rate /(sec-cm
3
)


350 nm
450 nm
550 nm
650 nm
750 nm

Hình 3.9. Giản đồ mật độ exciton trong lớp hoạt quang PCBM của linh kiện
Kiểu thay đổi của giản đồ mật độ exiton khá giống với kiểu giản đồ của năng lượng suy

hao. Với phổ ánh sáng mặt trời ở điều kiện AM1.5, giản đồ mật độ exciton theo vị trí được
tính toán bằng phương trình 3.28 và thể hiện trong hình 3.10.
140 160 180 200 220 240
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
x 10
21
ITO PEDOT PCBM Ca Al
Position in Device (nm)
Generation rate /(sec-cm
3
)

Hình 3.10. Giản đồ mật độ exciton trong lớp hoạt quang PCBM của linh kiện tại
điều kiện chiếu sáng AM1.5
3.6.Tối ưu hóa độ dầy lớp hoạt quang
Dựa theo nguyên lý dòng cực đại để tối ưu hóa bề dày lớp hoạt quang trong linh kiện
với các điều kiện sau:
- Cấu trúc linh kiện:
Thủy tinh/ITO_110nm/PEDOT_25/PCBM/Ca_7nm/Al_200nm;
- Chỉ thay đổi chiều dày màng PCBM;
- Hiệu suất lượng tử nội IQE=100%;
Giản đồ miêu tả sự phụ thuộc của mật độ dòng điện theo bề dày lớp quang hoạt được

thể hiện trong hình 3.11.
0 20 40 60 80 100
0
1
2
3
4
5
6
Layer thickness (nm)
Current Density (mA/cm
2
)
Maximized
point

Hình 3.11. Giản đồ mật độ dòng theo bề dày của lớp hoạt quang PCBM tại điều kiện
chiếu sáng AM1.5
Có thể thấy rằng, với độ dày khoảng 72nm, linh kiện sử dụng PCBM là vật liệu quang
hoạt cho mật độ dòng lớn nhất. Phép tối ưu được thực hiện với linh kiện sử dụng vật liệu
P3HTPCBMBlend DCB làm vật liệu hoạt quang. Kết quả được chỉ ra trong hình 3.12.
0 20 40 60 80 100 120 140
0
2
4
6
8
10
12
Layer thickness (nm)

Current Density (mA/cm
2
)
Maximized
Point

Hình 3.12. Giản đồ mật độ dòng theo bề dày của lớp hoạt quang P3HTPCBMBlend DCB tại
điều kiện chiếu sáng AM1.5
Theo kết quả trong hình 3.13, có thể dự đoán, linh kiện OPV sử dụng vật liệu
P3HTPCBMBlend DCB sẽ cho cực đại dòng điện ngoài nếu bề dày của lớp hoạt quang trong
khoảng 80nm.

Kết luận
Dựa vào kết quả mô phỏng, kích thước của từng lớp trong cấu trúc pin được tối ưu hóa.
Thông số về tính chất quang của vật liệu hoạt quang dạng donor: PEDOT và dạng acceptor:
[6,6]-phenyl-C61 –butyric acid (viết tắt là PCBM) được sử dụng trong mô phỏng và tối ưu
hóa. Phương pháp sai phân hữu hạn được sử dụng để giải các phương trình khuếch tán của
exciton và triển khai nó trong tính toán suy hao năng lượng quang trong pin khi pin ở chế độ
làm việc. Mật độ và cường độ dòng exiton qua bề mặt biên tiếp xúc của các lớp màng cũng
được tính toán. Trên cơ sở kết quả tính toán, độ dầy tối ưu của lớp màng PCBM được xác
định được là 72 nm tương ứng. Luận văn còn trình bày một số kết quả tính toán đối với
trường hợp bề mặt biên giữa hai lớp hoạt quang không phẳng. Ảnh hưởng của điều kiện biên
tới hệ số chuyển hóa của pin sử dụng hai vật liệu polymer hoạt quang trên cũng được khảo
sát.


References
Tiếng Việt
[1]. Nguyen Duc Nghia và cộng sự, Đề tài “Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời hữu cơ”, Đề
tài cấp Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 2009-2010

Tiếng Anh
[2]. A. Boudrioua, P. A. Hobson, B. Matterson, I. D. W. Samuel, W.L. Barnes, Synth.
Metas., 111, 545, (2001).
[3]. A. D’ Esormeaux, J. J. Max, and R. M. Leblanc. Photovoltaic and Electrical
Properties of Al/Langmuir-Blodgett films/Ag Sandwich Cells Incorporating Either
Chlorophyll a, Chlorophyll b, or Zinc Porphyrin Derivative. Journal of Physical
Chemistry, 97:6670, 1993.
[4]. A. K. Ghosh and T. Feng. Merocyanine organic solar cells. Journal of Applied
Physics, 49:5982, 1978.
[5]. A. N. Safonova, M. Joryb, B.J. Matterson, J.M. Luptona, M.G. Salt, J. A. E. Wasey,
W. L. Barnes, I. D. W. Samuel, Synth. Mets., 116, 145, (2001).
[6]. C. H. Lee, G. Yu, D. Moses and A.J. Heeger, Phys.Rev. B, 49, 2396 (1994).
[7]. C. W. Tang and A. C. Albrecht. Photovoltaic Effects of Metal-Chlorophyll-a-Metal
Sandwhich Cells. Journal of Chemical Physics, 62:2139, 1975.
[8]. Chau. V. Dinh, M. Kubouchi el al, Study on degradation behavior of a modified
polyethylene (sPE)-lining plasted steel substrate exposed to hydrochloric acid solution
environment, J. Sci. and Eng. CORROSION, 64:666, 2008.
[9]. D. Kearn and M.Calvin. Photovoltaic Effect and Photoconductivity in Laminated
Organic Systems. Journal of Chemical Physics, 29:950, 1958.
[10]. G.H. Wannier,Phys. Rev., 52, 191(1937)
[11]. H. B. DeVore. Spectral Distribution of Photoconductivity. Physical Review, 102:86,
1956.
[12]. H. B. DeVore. Spectral Distribution of Photoconductivity. Physical Review, 102:86,
1956.
[13]. http://www. refractiveindex.info/?group=METALS&material=Aluminium.
[14]. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), Second Assessment Report -
Climate Change 1995, (1995).
[15]. J. Cornil, A.J. Heeger, and J.L. Bredas, Chem. Phys.Lett. 272, 463 (1997).
[16]. J. J. M. Halls and R. H. Friend, Synth. Met. 85, 1307 (1996).
[17]. J. J. M. Halls, C. A. Walsh, N. C. Greeham, E. A. Marseglia, R. H. Friend, S. C.

Moratti, and A. B. Holmes. Efficient photodiodes from interpenetrating polymer
networks. Nature, 376:498, 1995.
[18]. J. J. M. Halls, K. Pichler, R. H. Friend, S. C. Morattiand A. B. Holmes, Appl. Phys.
Lett. 68, 3120 (1996).
[19]. J. Lund, R. Røge, R. Petersen, T. Larsen, “Polymer Solar Cells” (2006)
[20]. J. P. Wolfe and A. Mysyrowicz, Sci. Ameri., 250 No.3, 70 (1984)
[21]. K. C. Kao and W. Hwang, Electrical Transports in Solids - with Particular Reference
to Organic Semiconductors, Pergamon Press, Oxford (1981).
[22]. K. Y. Law, Chem. Rev. 93, 449,(1993).
[23]. L. A. A. Pettersson, L. S. Roman, O. Inganas, J. App. Phys., Vol 86, No. 1, 487,
(1999).
[24]. M. Chandross, S. Mazumdar, S. Jeglinski, X.Wei. Z.V. Vardeny, E.W. Kwock and
T.M. Miller, Phys.Condens.Matter 6, 1379 (1994).
[25]. M.A. Green Silicon Solar Cells. Advanced Principles and Practice, University of New
South Wales, Sydney, (1995).
[26]. N. F. Mott, Trans. Faraday Soc., 34 500 (1938).
[27]. P. Benett, Earth: The Incredible Recycling Machine”, Wayland (Publishers) Ltd, East
Sussex (1993).
[28]. R. H. Friend, G. J. Denton, J. J. M. Halls, N. T. Harrison, A. B. Holmes, A. Koehler,
A. Lux, S. C. Moratti, K. Pichler, N. Tessler and K. Towns, Synth. Met. 84, 463
(1997).
[29]. R. H. Friend, G. J. Denton, J. J. M. Halls, N. T.Harrison, A. B. Holmes, A. Koehler,
A. Lux, S. C.Moratti, K. Pichler, N. Tessler, K. Towns and H. F. Wittmann, Solid
State Communications 102, 249 (1997).
[30]. R. Könnenkamp et al,Phys. Rev. B, Vol. 60, No. 16, 11804 (1999).