Nâng cao hiệu suất module pin quang điện cho buồng thu năng lượng của máy sấy nông sản dùng năng lượng mặt trời nhờ lớp truyền lỗ trống PEDOT + nc – TiO2

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

NÂNG CAO HIỆU SUẤT MODULE PIN QUANG ĐIỆN
CHO BUỒNG THU NĂNG LƯỢNG CỦA MÁY SẤY NÔNG SẢN
DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NHỜ LỚP TRUYỀN
LỖ TRỐNG PEDOT + nc – TiO2
Trần Thị Chung Thuỷ
Bộ môn Vật lý - Trường Đại học Thuỷ lợi, email:

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Máy sấy nông sản dùng năng lượng mặt
trời là một trong các ứng dụng khá phổ biến
và hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời vô tận
và quý giá.
Các kết quả chế tạo, nghiên cứu và khảo
sát sự hoạt động của máy sấy nông sản dùng
năng lượng mặt trời, trong đó buồng thu năng
lượng mặt trời có nhiệm vụ thu nhận và
chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiệt
đã được báo cáo [2]. Sau đó, máy sấy đã
được cải tiến nhờ sử dụng tấm thu năng
lượng mặt trời có khả năng kháng khuẩn, tự
làm sạch nhờ có lớp màng nano TiO2 [3].
Hiệu suất làm việc của máy tiếp tục được
cải thiện nhờ phương án tích hợp đồng thời
cơ chế chuyển đổi năng lượng mặt trời thành
nhiệt (hiệu ứng nhà kính) và điện (hiệu ứng
quang điện) [4]. Thế hệ máy sấy này được bổ
sung thêm các module pin mặt trời hữu cơ
nhằm chuyển đổi năng lượng mặt trời (quang

năng) thành điện năng để làm quay hệ thống
quạt, hỗ trợ q trình sấy khơ được nhanh và
hiệu quả hơn. Do vậy, tấm thu năng lượng
của buồng thu khơng chỉ là các tấm kính có
diện tích được tính tốn phù hợp với khối
lượng nơng sản cần sấy để chuyển đổi năng
lượng mặt trời thành nhiệt, mà còn có các tấm
pin quang điện được lắp đặt xen kẽ (hình 1).
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các
module pin quang điện phụ thuộc nhiều vào
công nghệ chế tạo, cấu trúc của pin. Module
pin mặt trời có kích thước 2 mm x 2,5 mm x
0,003 mm, cấu trúc 3 lớp ITO/MEH-PPV/Al,

có điện áp ngưỡng hoạt động là 2,25 V, mật
độ dòng điện đạt giá trị 7 mA/cm2 [4]. Với
kết quả này, cần đến 1500 module pin có cấu
trúc nêu trên để quay được một chiếc quạt
có thơng số kỹ thuật 50W-0,3 A, tương
đương với một tấm panel pin mặt trời có diện
tích 0,75 m2 .

Hình 1. Mơ hình máy sấy nơng sản dùng
năng lượng mặt trời, có buồng thu năng
lượng tích hợp việc thu nhận và chuyển đổi
năng lượng mặt trời thành nhiệt và điện [3]
Một vấn đề đặt ra là diện tích của tấm panel
sẽ là khá lớn nếu khối lượng nông sản cần sấy
lớn. Điều này làm cho kích thước và khối
lượng của máy sấy cồng kềnh. Bởi vậy, cấu

trúc của các module pin quang điện được tiếp
tục cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất chuyển
đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.
Thêm lớp chức năng truyền lỗ trống và
điện tử để tạo ra các pin mặt trời có cấu trúc
đa lớp thay thế cho các pin mặt trời cấu trúc
đơn lớp là một trong các giải pháp hiệu quả
nhằm tăng hiệu suất chuyển đổi quang năng
thành điện năng.

491


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

Trong báo cáo này, các module pin mặt
trời cấu trúc 04 lớp ITO/PEDOT + nc –TiO2
/MEH-PPV//Al được trình bày chi tiết. Lớp
truyền lỗ trống PEDOT + nc –TiO2 có tác
dụng tăng hiệu suất truyền lỗ trống về các
điện cực dương của pin, nhằm làm tăng dòng
quang điện cho mạch ngồi.

Hình 2. Ảnh AFM của lớp truyền lỗ trống
PEDOT và tổ hợp PEDOT + nc - TiO2
(30% wt)

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Lớp nhạy quang của module pin mặt trời

được chế tạo bằng công nghệ quay phủ li tâm
dung dịch gồm 2 mg polymer MEH-PPV + 1
ml dung môi xylene. Tốc độ quay phủ màng
là 1500 vòng/phút.
Lớp truyền lỗ trống được chế tạo từ tổ hợp
PEDOT và các hạt nanô TiO2 có kích thước
hạt trung bình là 5 nm. Bột nanơ TiO2 được
hòa trộn vào dung dịch PEDOT-PSS, tỷ lệ
phần trăm khối lượng của TiO2 trong hỗn
hợp 30% (30% wt). Dung dịch được khuấy
bằng máy khuấy từ và rung siêu âm trong 8
giờ để phân tán các hạt nanô TiO2 .
Các lớp màng chức năng của pin được xử
lý khô trong chân không ở điều kiện áp suất
1,5 MPa. Các điện cực dương (ITO) và điện
cực âm (Al) được bốc bay nhiệt trong điều
kiện chân không cao, cỡ 10-5 torr.
Các module pin mặt trời được chế tạo với
kích thước 2 mm x 2,5 mm x 0,003 mm, gồm
bốn lớp màng ITO/PEDOT + nc- TiO2 /
MEH-PPV/Al trên đế thuỷ tinh.
Cấu trúc hình thái học của các lớp được
chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử quét
(FESEM), độ truyền qua của màng truyền lỗ
trống được khảo sát bằng phổ hấp thụ, chiều
dày màng được khảo sát bằng phép đo trên
hệ Anpha – Step IQ Profiler. Hiệu suất hoạt
động của pin được khảo sát bằng phép đo đặc
trưng dịng thế (J-V).

Hình 3 là phổ truyền qua của màng
PEDOT và tổ hợp với nc - TiO2 . Kết quả cho
thấy màng có độ truyền qua cao trong vùng
khả kiến, khoảng 75 đến 85%, không ảnh
hưởng tới độ trong suốt của anot ITO, một
trong những yếu tố quan trọng đối với anot
của pin mặt trời.

Hình 3. Phổ truyền qua của lớp truyền
lỗ trống PEDOT (a) và tổ hợp PEDOT
+ nc - TiO2 (30% wt) (b)

Trên hình 4 là phổ tán xạ Raman của màng
PEDOT thuần khiết và tổ hợp PEDOT + ncTiO2 (30 wt.%). Các đỉnh phổ ứng với số
sóng đặc trưng cho PEDOT thuần khiết
khơng bị thay đổi trong mẫu tổ hợp. Kết quả
này cho thấy tổ hợp khơng làm thay đổi cấu
trúc hóa học của PEDOT. Sự liên kết cơ học
với sự xuất hiện của các biên tiếp xúc dị thể
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
PEDOT/TiO2 cấu trúc nanô là yếu tố quan
Kết quả chụp ảnh AFM (hình 2) cho thấy trọng làm giảm
xác suất bị bắt giữ tại các bẫy
trong màng tổ hợp, các hạt và đám hạt nanơ
của các điện tích tự do, đồng nghĩa với việc
TiO2 được phân tán khắp bề mặt của lớp tăng xác suất chuyển dời của các điện tích
polymer PEDOT, với kích thước được ước về các điện cực (tăng dịng quang điện ở
tính từ vài đến vài chục nanomét, hạt có kích mạch ngồi).
thước lớn nhất cỡ 50 nm.
492

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

Hình 5. Đặc trưng mật độ dịng - thế
(J-V) của module pin mặt trời 04 lớp

Hình 4. Phổ tán xạ Raman của lớp
truyền lỗ trống PEDOT và tổ hợp
PEDOT + nc - TiO2 (30% wt)
Chiều dày của màng được khống chế bằng
tốc độ quay phủ và chế độ xử lý khơ hợp lý để
đạt được cỡ 100 nm (hình 5), phù hợp với yêu
cầu của lớp truyền lỗ trống.

4. KẾT LUẬN

Đã chế tạo được các module pin mặt trời
có kích thước 2 mm x 2,5 mm x 0,003 mm,
cấu trúc 4 lớp ITO/PEDOT + nc – TiO2
/MEH-PPV/Al, có điện áp ngưỡng hoạt động
là 1,25 V, mật độ dòng điện đạt giá trị 10
mA/cm2 , tương ứng với hiệu suất chuyển đổi
quang điện là 7%.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO

Hình 5. Chiều dày lớp truyền lỗ trống
PEDOT + nc – TiO2 (30%.wt)
Kết quả khảo sát đặc trưng mật độ dòng thế (J-V) (hình 5) cho thấy linh kiện 04 lớp
có điện thế ngưỡng hoạt động là 1,25 V, với

mật độ dòng đạt giá trị 10 mA/cm2 , tương
ứng với hiệu suất quang điện là 7%. Trong
khi đó, linh kiện 03 lớp có điện thế ngưỡng
điện áp ngưỡng hoạt động là 2,25 V, mật độ
dòng điện đạt giá trị 7 mA/cm2 , tương ứng
với hiệu suất quang điện là 5% [4]. Kết quả
này cho thấy linh kiện 04 lớp có hiệu suất cao
hơn linh kiện 03 lớp, hứa hẹn có triển vọng
ứng dụng nếu tiếp tục được cải tiến trong các
nghiên cứu tiếp theo.

[1] C.L. Hii, S.V. Jangam, S.P. Ong and
A.S.Mujmdar. 2012. “Solar Drying:
Fundamentals,
Applications
and
Innovations”, ISBN: 978-981-07-3336-0.
[2] Trần Chung Thủy. 2015. “Tính tốn diện
tích tấm hấp thụ năng lượng cho buồng hấp
thụ nhiệt của máy sấy nông sản dùng năng
lượng Mặt trời”, Tuyển tập báo cáo HNKH
Trường Đại học Thủy lợi.
[3] Trần Chung Thủy. 2016. “Chế tạo máy sấy
nông sản mini dùng năng lượng Mặt trời”,
Tuyển tập báo cáo HNKH Trường Đại học
Thủy lợi.
[4] Trần Chung Thủy. 2017. “Nghiên cứu chế
tạo và khảo sát sự hoạt động của module pin
quang điện cho buồng thu năng lượng của
máy sấy nông sản mini dùng năng lượng

Mặt trời”, Tuyển tập báo cáo HNKH
Trường Đại học Thủy lợi.

493