Nghiên cứu cấu trúc và tính chất một số hệ vòng ngưng tụ chứa lưu huỳnh và silic ứng dụng trong chế tạo vật liệu quang điện.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
---------------

TRẦN NGỌC DŨNG

Nghiên cứu cấu trúc và tính chất một số hệ vòng ngưng tụ
chứa lưu huỳnh và silic ứng dụng trong chế tạo vật liệu quang
điện

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội - 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
---------------

TRẦN NGỌC DŨNG

Nghiên cứu cấu trúc và tính chất một số hệ vòng ngưng tụ
chứa lưu huỳnh và silic ứng dụng trong chế tạo vật liệu quang
điện

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
Mã số: 9440119

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Nguyễn Thị Minh Huệ
PGS.TS. Nguyễn Hiển

Hà Nội - 2022


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận án này là kết quả nghiên cứu của cá nhân tôi. Các
số liệu và tài liệu được trích dẫn trong luận án được thực hiện một cách trung thực.
Kết quả nghiên cứu này khơng trùng với bất cứ cơng trình nào đã được cơng bố
trước đó.
Tơi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

Hà Nội,

tháng năm 2022

Nghiên cứu sinh

Trần Ngọc Dũng


ii

LỜI CẢM ƠN
===**===
Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng tới cô PGS.TS.
Nguyễn Thị Minh Huệ và thầy PGS.TS. Nguyễn Hiển đã chỉ bảo, hướng dẫn, động
viên và giúp đỡ em tận tình trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận án.
Em cũng xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ nhiệt tình của NCS. Nguyễn Văn
Tráng, Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

trong suốt thời gian em hoàn thành luận án.
Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành nhất đến tồn thể Thầy, Cơ
trong Bộ mơn Hóa lý thuyết và Hóa lý và Bộ Mơn Hố học Hữu cơ cùng các Thầy,
Cô, các anh chị làm việc tại Trung tâm Khoa học tính tốn, Trường Đại học Sư
phạm Hà Nội đã tạo điều kiện cho em trong quá trình thực hiện đề tài của mình.
Cuối cùng, em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới những người thân trong gia
đình ln động viên và hỗ trợ em để em có thể tập trung trí lực hồn thành luận án
này.
Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, tháng năm 2022
Nghiên cứu sinh

Trần Ngọc Dũng


iii

MỤC LỤC
MỤC LỤC............................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT.................................................................. v
MỤC LỤC HÌNH ẢNH.......................................................................................... vii
MỤC LỤC BẢNG..................................................................................................... x
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài................................................................................................. 1
2. Mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu.......................................................................... 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................................... 3
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.......................................................... 4
5. Những điểm mới của luận án............................................................................... 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..................................................................................... 5

1.1.

Cơ sở lý thuyết về vật liệu quang điện hữu cơ................................................ 5

1.1.1. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của đi-ốt phát quang hữu cơ..............................5
1.1.2. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của pin mặt trời chất màu nhạy quang.............11
1.2.

Cơ sở lý thuyết hoá học lượng tử.................................................................. 16

1.3.

Cơ sở lý thuyết phản ứng Heck..................................................................... 19

1.4.

Hệ chất nghiên cứu....................................................................................... 22

1.4.1. Hệ chất ngưng tụ chứa lưu huỳnh................................................................. 22
1.4.2. Hệ chất ngưng tụ chứa silic........................................................................... 28
1.4.3. Tình hình nghiên cứu các hợp chất ngưng tụ chứa lưu huỳnh.......................33
1.4.4. Tình hình nghiên cứu các hợp chất ngưng tụ chứa silic................................ 36
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..................................................... 39
2.1.

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết................................................................ 39

2.1.1. Phương pháp phiếm hàm mật độ................................................................... 39
2.1.2. Phương pháp phiếm hàm mật độ phụ thuộc thời gian...................................43
2.1.3. Bộ hàm cơ sở................................................................................................ 45

2.1.4. Khả năng truyền dẫn điện tích....................................................................... 45
2.1.5. Phương pháp tính tốn hóa học lượng tử....................................................... 46
2.2.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.......................................................... 47

2.2.1. Hóa chất........................................................................................................ 48


iv

2.2.2. Dụng cụ và thiết bị........................................................................................ 48
2.2.3. Quy trình phản ứng alkenyl hóa BDT........................................................... 48
2.2.4. Phân tích cấu trúc sản phẩm.......................................................................... 49
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN................................. 50
3.1.

Hệ chất ngưng tụ chứa lưu huỳnh................................................................. 50

3.1.1. Nghiên cứu cấu trúc và tính chất hợp chất lưỡng cực dựa trên
dibenzothiophene ứng dụng làm vật liệu chất mang trong OLED thế hệ thứ
hai.....50
3.1.2. Tổng hợp 2-Alkenylbenzo[1,2-b:4,5-b’]dithiophene bằng hệ xúc tác
Pd/Cu/Ag và nghiên cứu cấu trúc bằng các phương pháp phổ thực nghiệm và tính
tốn lý thuyết........................................................................................................... 61
3.1.3. Thiết kế hệ chất bithiophene liên hợp chứa silole và một số dị vòng năm cạnh
cho vật liệu quang điện............................................................................................ 69
3.2. Hệ ngưng tụ chứa silic.................................................................................. 94
3.2.1. Nghiên cứu cấu trúc và tính chất quang điện của một số dẫn suất
dithienosilole........................................................................................................... 94

3.2.2. Nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng của cầu nối π đối với hệ chất hữu cơ dạng
D-π-A ứng dụng cho pin mặt trời polymer............................................................ 111
KẾT LUẬN CHUNG............................................................................................ 120
ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO....................................................... 121
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ....................................................... 122
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................... 123


v

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
Viết tắt
HOMO

Nguyên bản tiếng Anh
Highest occupied molecular

Tạm dịch
Orbital phân tử bị chiếm cao nhất

orbital
LUMO

Lowest unoccupied molecular

Orbital phân tử không bị chiếm thấp

orbital

nhất

OLED

Organic light emitting diode

Đi-ốt phát quang hữu cơ

DSSC

Dye sensitized solar cell

Pin mặt trời chất màu nhạy quang

OPV

Organic photovoltaics

Quang điện hữu cơ

OFET

Organic field effect transistor

Transistor hiệu ứng trường hữu cơ

OTFT

Organic thin-film transistor

Transistor màng mỏng hữu cơ

OSC

Organic semiconductors

Chất bán dẫn hữu cơ

AIE

Aggregation induced emission Phát xạ do tập hợp

ACQ

Aggregation caused quench

Dập tắt do tập hợp

HBMC

Heteronuclear Multiple Bond

Phổ tương quan liên kết

Correlation
HSQC

Heteronuclear Single

Phổ tương quan lượng tử đơn nhân

Quantum Coherence
DFT

Density functional theory

Thuyết phiếm hàm mật độ

TD-DFT

Time-dependent density

Thuyết phiếm hàm mật độ phụ thuộc

functional theory

thời gian

TTA

Triplet-triplet annihilation

Triệt tiêu triplet-triplet

HLCT

Hybridized local and charge

Lai hoá cục bộ và chuyển điện tích

transfer

TADF

Thermally activated delayed

Huỳnh quang trễ hoạt hóa nhiệt

fluorescence
IQE

Internal quantum efficiency

Hiệu suất lượng tử nội

EQE

External quantum efficiency

Hiệu suất lượng tử ngoại


vi

PLQE

Photoluminescence quantum

Hiệu suất phát quang lượng tử

efficiency
SOMO

Singly occupied molecular

Orbital phân tử singlet bị chiếm

orbital
SUMO

Singly unoccupied molecular

Orbital phân tử singlet không bị

orbital

chiếm

LDA

Local density approximation

Xấp xỉ mật độ địa phương

GGA

Generalized gradient

Gradient tổng quát

approximation
EA

Electron affinity

Ái lực electron

IP

Ionization potential

Thế oxi hoá

EHOMO

HOMO energy

Năng lượng HOMO

ELUMO

LUMO energy

Năng lượng LUMO

Egap

Band-gap energy

Năng lượng HOMO-LUMO

S0

Singlet ground state

Trạng thái singlet cơ bản

S1

First singlet excited state

Trạng thái kích thích singlet thứ nhất

T1

First triplet excited state

Trạng thái kích thích triplet thứ nhất

ES0

Singlet ground state energy

Năng lượng trạng thái singlet cơ bản

ES1

First singlet excited state

Năng lượng trạng thái kích thích

energy

singlet thứ nhất

First triplet excited state

Năng lượng trạng thái kích thích

energy

triplet thứ nhất

λh

Hole reorganization energy

Năng lượng tái tổ hợp cho electron

λe

Electron reorganization

Năng lượng tái tổ hợp cho lỗ trống

ET1

energy
λabs

Absortion wavelength

Bước sóng hấp thụ

λem

Emission wavelength

Bước sóng phát xạ


vii

MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Cấu tạo điốt phát quang hiện đại............................................................... 6
Hình 1.2: Cơ chế phát huỳnh quang của vật liệu hữu cơ: a) Huỳnh quang thông
thường; b) Triệt tiêu triplet-triplet; c) Lai hoá cục bộ và vận chuyển điện tích; d)
Huỳnh quang trễ hoạt hố nhiệt................................................................................. 8
Hình 1.3: Cấu hình spin của a) phân tử vỏ đóng và b) phân tử vỏ mở ở trạng thái
kích thích................................................................................................................. 10
Hình 1.4: Sơ đồ cấu tạo pin mặt trời chất màu nhạy quang..................................... 12
Hình 1.5: Cấu trúc chất màu N3 (bên trái) và N719 (bên phải)............................... 15
Hình 1.6: Sơ đồ phản ứng Heck............................................................................... 20
Hình 1.7: Cơ chế phản ứng Heck được đề xuất bởi Carbi và Candiani...................21
Hình 1.8: Cấu tạo phân tử thiophene....................................................................... 22
Hình 1.9: Một số cấu trúc ngưng tụ chứa thiophene................................................ 23
Hình 1.10: Cấu tạo hợp chất gốc M0....................................................................... 25
Hình 1.11: Cấu trúc của một chất màu nhạy quang chứa BDT................................ 26
Hình 1.12: Cấu trúc một dẫn xuất của BDT sử dụng trong thiết bị quang điện.......26
Hình 1.13: Cấu trúc hệ chất bithiophene................................................................. 28
Hình 1.14: Cấu tạo phân tử silole............................................................................ 29
Hình 1.15: Cấu trúc hệ chất dị vịng ngưng tụ dithienosilole................................... 30

Hình 1.16: Cấu trúc phân tử PBDTS-TZNT........................................................... 33
Hình 1.17: Cấu trúc các hợp chất dithiophene và dibenzothiophene.......................34
Hình 1.18: Cấu trúc các polymer chứa thiophene.................................................... 35
Hình 1.19: Cấu trúc các hợp chất dithiophene được ứng dụng trong DSSC............36
Hình 1.20: Một số hợp chất ngưng tụ chứa silic được ứng dụng làm vật liệu phát xạ
……………………………………………………………………………………...38
Hình 1.21: Một số hợp chất ngưng tụ chứa silic được ứng dụng làm vật liệu trùn
dẫn điện tích............................................................................................................38
Hình 2.1: Sơ đồ phản ứng alkenyl hóa BDT............................................................49


viii

Hình 3.1: Cấu trúc các hợp chất được nghiên cứu dựa trên các nhóm Cz, DBTa và
DBTb cùng cấu trúc các hợp chất tham khảo gồm CBP, Firpic, NPB và Bphen
đóng vai trị chất mang, vật liệu phát xạ, vật liệu vận chuyển lỗ trống và vận chuyển
electron.................................................................................................................... 50
Hình 3.2: Hình ảnh mức năng lượng HOMO và LUMO của các hợp chất được
nghiên cứu và các hợp chất tham chiếu (eV). a) Đối với các hợp chất Cz1-Cz7; b)
Đối với các hợp chất D1a-D7a; c) Đối với các hợp chất D1b-D7b......................... 53
Hình 3.3: Đồ thị của IP và EA của các hợp chất được nghiên cứu được so sánh với
các hợp chất tham chiếu (eV).................................................................................. 59
Hình 3.4: Sơ đồ tổng hợp và hiệu suất..................................................................... 61
Hình 3.5: Cấu dạng của hai đồng phân 3a-A và 3a-B............................................. 61
Hình 3.6: Phổ HSQC (bên trái) và phổ HMBC (bên phải) của hợp chất 3a............64
Hình 3.7: Phổ NOESY của 3a................................................................................. 65
Hình 3.8: Hình ảnh HOMO và LUMO cùng với mức năng lượng HOMO, LUMO
và Egap của các hợp chất (eV)..................................................................................68
Hình 3.9: Cấu trúc các hợp chất bithiophene được nghiên cứu...............................70
Hình 3.10: Góc nhị nhiện của các hợp chất DTSPh ở dạng trung hoà, anion và

cation....................................................................................................................... 74
Hình 3.11: Độ dài cầu nối trong các hợp chất DTSPh ở dạng trung hồ, anion và
cation....................................................................................................................... 74
Hình 3.12: Hình dạng và mức năng lượng HOMO, LUMO của các hợp chất (eV) a)
CPDT; b) DTP; c) DTSH; d) DTSMe; e) DTT; f) DTSPh...................................78
Hình 3.13: Phổ hấp thụ được mơ phỏng của các hợp chất bằng tính tốn TDB3LYP/6-31G(d, p) với mơ hình PCM trong dung mơi THF: a) CPDT; b) DTP; c)
DTSH; d) DTSMe; e) DTT; f) DTSPh.................................................................. 88
Hình 3.14: Phổ phát xạ của các hợp chất thu được từ tính tốn TD-DFT/B3LYP/631G (d, p) với mơ hình PCM trong dung môi THF. a) CPDT; b) DTP; c) DTSH; d)
DTSMe; e) DTT; f) DTSPh................................................................................... 93
Hình 3.15: Cấu trúc các hợp chất trong hệ dithienosilole........................................ 95
Hình 3.16: Mức năng lượng HOMO và LUMO của các hợp chất CBP, DTS và các
hợp chất 1-11......................................................................................................... 100


ix

Hình 3.17:a) Phổ hấp thụ của các hợp chất DTS, 1 – 5; b) Phổ phát xạ của các hợp
chất DTS, 1 – 5; c) Phổ hấp thụ của các hợp chất 6 – 11;d) Phổ phát xạ của các hợp
chất 6 - 11.............................................................................................................. 106
Hình 3.18: Cấu trúc các hợp chất 10a-10d............................................................ 109
Hình 3.19: Hình ảnh HOMO và LUMO của các hợp chất 10a-10d......................110
Hình 3.20: Hệ chất nghiên cứu PBDTS-TZNT.................................................... 112
Hình 3.21: Phân bố HOMO và LUMO của các hợp chất được thiết kế.................116
Hình 3.22: Phổ hấp thụ của các hợp chất được tính tốn trong mơi trường dung mơi
clobenzen............................................................................................................... 119


x

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 3.1: Một số thông số về moment lưỡng cực (Debye), độ dài liên kết ( Å) và
góc nhị diện (o) của các hợp chất được nghiên cứu ở trạng thái S0 và T1..........................53
Bảng 3.2: Giá trị năng lượng HOMO, LUMO, năng lượng ion hoá (IP), ái lực
electron (EA), năng lượng tái tổ hợp lỗ trống và electron và năng lượng triplet của
các hợp chất được nghiên cứu (eV)......................................................................... 55
Bảng 3.3: Thơng số q trình tổng hợp................................................................... 62
Bảng 3.4: Bảng phân tích các tín hiệu giao trên phổ HMBC của 3a........................ 65
Bảng 3.5: Năng lượng điểm đơn, năng lượng điểm khơng, năng lượng tồn phần và
năng lượng tương đối giữa các hợp chất được tính tốn ở mức B3LYP/6- 311+
+G(d,p).................................................................................................................... 66
Bảng 3.6: Độ dài của một số liên kết trong các hợp chất được tính tốn ở mức
B3LYP/6-311++G(d,p)............................................................................................ 67
Bảng 3.7: Giá trị năng lượng HOMO, LUMO, Egap, EA và IP của các hợp chất được
nghiên cứu (eV)....................................................................................................... 67
Bảng 3.8: Giá trị về góc nhị diện φ (o) và độ dài liên kết cầu nối C-C của các hợp
chất r (Å) ở dạng trung hoà, anion, cation và trạng thái kích thích singlet thứ nhất
(S1).......................................................................................................................... 71
Bảng 3.9: Giá trị IPv, EAv, năng lượng tái tổ hợp lỗ trống và electron của các hợp
chất được thiết kế. Tất cả các giá trị được thể hiện với đơn vị eV và thu được từ các
phép tính ở mức B3LYP/6-31G (d, p)...................................................................... 79
Bảng 3.10: Giá trị bước sóng hấp thụ cực đại, cường độ dao động và các bước
chuyển chính trong cả pha khí và dung mơi THF được tính tốn ở mức TDB3LYP/6-31G(d,p). Giá trị trong ngoặc là giá trị thực nghiệm................................ 83
Bảng 3.11: Bước sóng phát xạ cực đại, cường độ dao động và các bước chuyển
electron của các hợp chất được nghiên cứu trong cả pha khí và dung mơi THF (tính
tốn bằng phương pháp TD-DFT/B3LYP/6-31G(d, p)-PCM). Giá trị trong ngoặc là
giá trị thực nghiệm................................................................................................... 88
Bảng 3.12: Một số độ dài liên kết của các phân tử DTS, 1, 2, 3, 4, 5, 10 và 11 được
tính tốn ở dạng trung hoà, anion, cation và S1 cùng một số thông số thực nghiệm.
...................................................................................................................................96
Bảng 3.13: Một số độ dài liên kết của các phân tử 6, 7, 8 và 9 được tính tốn ở dạng

trung hồ, anion, cation và S1 cùng một số thông số thực nghiệm..........................97


xi

Bảng 3.14: Góc nhị diện của hợp chất 3, 10 và 11................................................... 98
Bảng 3.15: Mức năng lượng HOMO, LUMO, Egap và moment lưỡng cực của các
hợp chất 1-11........................................................................................................... 99
Bảng 3.16: Phần trăm đóng góp của các hợp phần trong hợp chất 1-11 vào HOMO
và LUMO.............................................................................................................. 101
Bảng 3.17: Bước sóng hấp thụ và phát xạ cực đại (nm), cường độ dao động và bước
chuyển dịch của các hợp chất................................................................................ 103
Bảng 3.18: Năng lượng tái tổ hợp lỗ trống, electron, IP, EA của các dẫn xuất DTS
(eV)....................................................................................................................... 108
Bảng 3.19: Năng lượng HOMO, LUMO, tái tổ hợp lỗ trống, tái tổ hợp electron
electron, IP và EA của các hợp chất 10a-10d (eV)................................................ 110
Bảng 3.20: Các giá trị cấu trúc của hệ chất............................................................ 113
Bảng 3.21: Sự thay đổi cấu trúc của các hợp chất ở trạng thái anion và cation so với
trạng thái trung hoà................................................................................................ 114
Bảng 3.22: Giá trị năng lượng HOMO và LUMO của các hợp chất (eV).............115
Bảng 3.23: Giá trị năng lượng ion hoá, ái lực electron dọc và đoạn nhiệt, năng
lượng tái tổ hợp electron và lỗ trống của các hợp chất (eV)..................................118
Bảng 3.24: Bươc sóng hấp thụ (nm), cường độ dao động f và bước chuyển orbital
của các hợp chất.................................................................................................... 118


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của các vật liệu quang điện đã góp phần
nâng cao đời sống con người. Vật liệu quang điện có mặt trong hầu hết mọi lĩnh vực
của cuộc sống, từ làm việc, học tập tới vui chơi, giải trí. Tuy nhiên, để có thể tiến
hành chế tạo thiết bị, các vật liệu quang điện vô cơ cần được tinh chế với độ tinh
khiết rất cao, kết tinh ở trạng thái tinh thể dưới các điều kiện sản xuất khắt khe. Vì
vậy, giá thành của các vật liệu quang điện vô cơ thường rất cao, kèm theo ô nhiễm
môi trường trong q trình sản xuất [1],[2]. Do đó, việc tìm ra các loại vật liệu
quang điện mới có thể khắc phục được những nhược điểm của các vật liệu vô cơ
truyền thống đã nhận được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu cũng như các
công ty sản xuất. Một số nghiên cứu từ những năm 70 của thế kỷ trước cho thấy khả
năng quang điện không chỉ tồn tại ở các vật liệu vơ cơ mà cịn xuất hiện ở trên một
số vật liêu hữu cơ [3],[4],[5]. Các vật liệu quang điện hữu cơ có nhiều ưu điểm so
với vật liệu vô cơ truyền thống như : giá thành thấp; dễ dàng chế tạo với bề mặt
rộng; khơng địi hỏi nhiệt độ cao trong q trình sản xuất. Hơn nữa, các vật liệu bán
dẫn hữu cơ không đòi hỏi độ tinh khiết cao như đối với các chất bán dẫn vơ cơ nên
có thể chế tạo các thiết bị trên nền thuỷ tinh, nhựa hay kim loại mà không gặp trở
ngại về các yếu tố ảnh hưởng đến mạng tinh thể [6]. Tuy nhiên, do độ bền nhiệt kém
và độ dẫn điện thấp nên vật liệu bán dẫn hữu cơ chưa thể thay thế hoàn toàn các vật
liệu bán dẫn vơ cơ trùn thống [7],[8]. Vì vậy, vật liệu quang điện hữu cơ thường
được ứng dụng trong để chế tạo đi-ốt phát quang hữu cơ, pin mặt trời hữu cơ,
transistor hiệu ứng trường và các loại cảm biến [9].
Các hợp chất dị vịng chứa lưu huỳnh đóng vai trị như một trong những mắt
xích quan trọng cấu thành nên các hợp chất quang điện hữu cơ. Trong đó, vịng
thiophene là vật liệu phổ biến nhất nhờ có tính chất bán dẫn và khả năng truyền tải
điện tích tốt [9]. Phân tử thiophene có cấu tạo vịng thơm năm cạnh, bao gồm một
nguyên tử lưu huỳnh liên kết với hợp phần butadien. Nguyên tử lưu huỳnh có hai
cặp electron chưa liên kết, một trong số đó tham gia vào việc hình thành tính thơm
cho

2

vịng. Ngun tử lưu huỳnh có độ phân cực cao do các electron lớp ngoài cùng quay
quanh các orbital lớn như 3s và 3p, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nhường
electron và hình thành các liên kết yếu. Hơn nữa, nguyên tử lưu huỳnh có thể tăng
số oxi hố nhờ có sự đóng góp của orbital 3d [10],[11]. Nhờ có các số oxi hố cao
mà ngun tử lưu huỳnh trong vịng thiophene có thể hình thành các nhóm chức
chứa nguyên tử oxygen và thể hiện các tính chất quang điện đặc biệt [12],[13].
Bên cạnh các hợp chất dị vòng chứa lưu huỳnh, một số dẫn xuất dị vòng chứa
silic đã được chú ý đến do có các tính chất electron đặc biệt [14],[15]. Trong đó,
vịng silole đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu. Silole có cấu tạo
tương tự với thiophene, nguyên tử lưu huỳnh trong thiophene được thay thế bằng
nguyên tử silic. Các dị vòng chứa silic thường có mức năng lượng LUMO thấp hơn
so với các dị tố khác do đó dẫn tới mức năng lượng HOMO-LUMO gap thấp hơn
[16]. Hơn nữa, trên nguyên tử silic cịn chứa 2 nhóm thế nên có thể tạo thành các
hợp chất đa dạng, dễ dàng điều chỉnh tính chất của vật liệu. Các nghiên cứu gần đây
về silole đã chỉ ra rằng các vật liệu dựa trên silole sở hữu một số đặc tính hấp dẫn.
Ví dụ như khả năng truyền tải điện tích tốt; hiệu suất phát quang lượng tử cao và độ
ổn định nhiệt tốt; thuận lợi cho các ứng dụng trong các thiết bị quang điện hữu cơ
[17]. Vì vậy, các hợp chất dị vòng chứa silic được kỳ vọng sẽ cho hiệu suất phát
quang và khả năng truyền dẫn điện tích tốt. Do đó, luận án này đề xuất khảo sát một
số các hệ ngưng tụ chứa lưu huỳnh và silic để nghiên cứu và so sánh tính chất
quang điện của chúng.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành hóa học lượng tử và sự tiến bộ của
cơng nghệ số, máy tính có thể tính tốn một cách nhanh chóng những phép tính
phức tạp và nhờ vậy đã có nhiều phần mềm tính tốn hóa học lượng tử ra đời như
Gaussian, Molcas, ADF, Turbomole, VAPS…Nhờ vậy, các phần mềm tính tốn và
phương pháp hóa học lượng tử trở thành một cơng cụ đắc lực trong việc nghiên cứu,
khảo sát các cấu trúc phân tử, cơ chế phản ứng hóa học trong các điều kiện khác
nhau mà đơi khi thực nghiệm rất khó thực hiện hoặc khơng thể thực hiện được. Bên

cạnh đó, nếu sử dụng phương pháp tính tốn hiện đại và bộ hàm cơ sở cao sẽ cho
kết quả rất gần với thực nghiệm. Trong khuôn khổ luận án này, các tính tốn hóa
học lượng tử sẽ


3

được sử dụng để khảo sát các hệ chất, từ đó đưa ra định hướng cho q trình tổng
hợp thực nghiệm sau này. Đồng thời, tính tốn hóa học lượng tử cịn giúp hỗ trợ,
giải thích thực nghiệm cũng như khảo sát các tính chất khó thực hiện trong điều
kiện thực nghiệm tại Việt Nam.
Với tất cả các lí do trên, tôi lựa chọn đề tài nghiên cứu với nội dung: “Nghiên
cứu cấu trúc và tính chất một số hệ vòng ngưng tụ chứa lưu huỳnh và silic ứng
dụng trong chế tạo vật liệu quang điện”.
2. Mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu
- Mục đích:
Mơ phỏng và dự đốn mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất của một số hệ
vòng ngưng tụ chứa lưu huỳnh và silic bằng các tính tốn hố học lượng tử. Kết quả
tính tốn được sẽ định hướng cho quá trình tổng hợp thực nghiệm các cấu trúc đã
được chọn lọc với tính chất ưu việt để ứng dụng trong vật liệu quang điện.
- Nhiệm vụ:
+ Thử nghiệm các phương pháp tính tốn hố lượng tử để lựa chọn phương
pháp tính tốn tối ưu nhất áp dụng cho hệ nghiên cứu.
+ Tối ưu hoá cấu trúc hình học của một số hệ vịng ngưng tụ chứa lưu huỳnh
và silic bằng phương pháp tính tốn hố học lượng tử đã lựa chọn.
+ Xác định và đánh giá tính bán dẫn, khả năng phát quang của các hệ vòng
ngưng tụ chứa silic và lưu huỳnh.
+ Các kết quả thu được từ tính tốn hố học lượng tử sẽ định hướng cho việc
lựa chọn các nhóm thế và cấu trúc mạch liên hợp nhằm tạo ra các phân tử với tính
chất mong muốn.

+ Đề xuất các cấu trúc tối ưu với các tính chất ưu việt nhất nhằm định hướng
tổng hợp thực nghiệm.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: các hợp chất ngưng tụ chứa lưu huỳnh và silic có tiềm
năng ứng dụng trong chế tạo vật liệu quang điện hữu cơ.


4

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc và tính chất quang
điện của các hợp chất dựa trên phương pháp phiếm hàm mật độ. Từ kết quả nghiên
cứu lý thuyết, chọn lựa và đề xuất các hợp chất tiềm năng cho quá trình tổng hợp
thực nghiệm.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Áp dụng các tính tốn hóa học lượng tử để làm rõ mối liên hệ giữa cấu trúc
phân tử của các hợp ngưng tụ chứa lưu huỳnh và silic với tính chất quang điện của
vật liệu.
- Nghiên cứu, thiết kế một số hợp chất có tính chất quang điện tốt hơn so với
các hợp chất hiện có về mặt lý thuyết, từ đó đưa ra đề xuất cho q trình tổng hợp
các hợp chất bán dẫn hữu cơ trong tương lai.
- Sử dụng tính tốn hóa học lượng tử để khẳng định sản phẩm thu được của
quá trình tổng hợp hữu cơ.
5. Những điểm mới của luận án
- So sánh một cách có hệ thống các hợp chất bithiophene với các nhóm thế
khác nhau như thiophene, silole, pyrole, ...
- Thay thế cầu nối thiophene trong hợp chất PBDTS-TZNT bằng các dị vòng
ngưng tụ khác đã cải thiện được khả năng truyền dẫn và hấp thụ ánh sáng của hợp
chất, điển hình như dị vịng DTS.
- Đã thay thế thành cơng tác nhân phản ứng AgOCOCF 3 bằng tác nhân Ag2O
trong phản ứng alkenyl hóa dẫn xuất BDT, qua đó giảm chi phí tiến hành phản ứng

trong khi hiệu suất phản ứng khơng thay đổi. Áp dụng hóa học tính tốn để chứng
minh sản phẩm của phản ứng alkenyl hóa BDT.


5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Cơ sở lý thuyết về vật liệu quang điện hữu cơ
Vật liệu quang điện hữu cơ là các chất rắn tồn tại ở dạng tinh thể phân tử hoặc
màng mỏng vơ định hình được tạo thành từ các phân tử hoặc polymer chứa liên kết
π được cấu tạo chủ yếu từ carbon và hidrogen, ngoài ra cịn có thể có các dị tố như
oxygen, lưu huỳnh, nitrogen... Vật liệu quang điện hữu cơ được chia thành hai loại
chính gồm polymer liên hợp và các phân tử nhỏ. Các phân tử nhỏ thường cấu tạo từ
các hợp chất đa vòng liên hợp với phân tử khối dưới 1000 đvC. Trong khi đó,
polymer được tạo nên từ các phân tử nhỏ liên hợp lại với nhau có cấu trúc tuần hồn
hoặc khơng tuần hồn, cho phép electron chuyển động tự do trong toàn phân tử.
Các vật liệu quang điện hữu cơ thu hút được sự chú ý của các nhà khoa học
nhờ các tính chất hố lý ưu việt như [18],[19]:
+ Chi phí sản xuất thấp, dễ dàng sản xuất ở quy mơ lớn.
+ Có khả năng chế tạo các thiết bị mỏng, nhẹ và dẻo.
+ Dễ dàng tuỳ biến vật liệu theo mục đích sử dụng.
Tuy có rất nhiều ưu điểm, các vật liệu này vẫn có những hạn chế nhất định,
đặc biệt về độ bền và khả năng dẫn điện [20]. Do đó, vật liệu quang điện hữu cơ chủ
yếu được nghiên cứu để ứng dụng trong các thiết bị quang điện như pin mặt trời
chất màu nhạy quang, đi-ốt phát quang hữu cơ, cảm biến,...
Trong khuôn khổ luận án này chúng tôi tập trung đề cập đến hai lĩnh vực: chế
tạo pin mặt trời chất màu nhạy quang và đi-ốt phát quang hữu cơ dựa trên vật liệu
quang điện hữu cơ.
1.1.1. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của đi-ốt phát quang hữu cơ
1.1.1.1. Cấu tạo của đi-ốt phát quang hữu cơ

Cấu trúc của những đi-ốt phát quang (OLED) ban đầu rất đơn giản, chỉ bao
gồm một lớp chất hữu cơ duy nhất đặt giữa hai điện cực âm và dương. Ví dụ như
OLED được chế tạo bởi Burroughes và cộng sự chỉ gồm một lớp poly(p-phenylene
vinylene), đạt hiệu suất lượng tử chỉ 0,05% [21]. OLED hai lớp đầu tiên chứa hai
lớp hữu cơ bao gồm lớp vận chuyển lỗ trống N,N′-Bis(3-methylphenyl)-N,N′diphenylbenzidine


6

kết hợp với lớp vật liệu phát xạ và vận chuyển electron là Alq 3 [21]. Bằng cách chèn
thêm lớp vận chuyển lỗ trống, hiệu suất lượng tử của OLED này đã được cải thiện
đáng kể, khoảng 100 lần so với OLED chỉ sử dụng một lớp anthracene, đạt 1% [21],
[22].

Hình 1.1: Cấu tạo điốt phát quang hiện đại
Hiện nay, sau nhiều thập kỷ phát triển nhanh chóng của cơng nghệ OLED, cấu
trúc của các OLED tiên tiến ngày càng trở nên phức tạp hơn, đặc biệt trong các
OLED được chế tạo bằng công nghệ bốc bay nhiệt. Các OLED nhiều lớp có thể bao
gồm bảy lớp chất hữu cơ khác nhau nằm giữa hai điện cực. Các lớp này thường bao
gồm lớp phun lỗ trống, lớp vận chuyển lỗ trống, lớp chặn electron, lớp phát xạ, lớp
chặn lỗ trống, lớp vận chuyển electron và lớp phun electron (Hình 1.1). Trong
OLED, các vật liệu hữu cơ thường được phân loại theo chức năng của chúng. Lớp
phun lỗ trống được đặt giữa cực dương và lớp vận chuyển lỗ trống, có tác dụng làm
giảm hàng rào năng lượng phun lỗ trống và tạo điều kiện cho việc vận chuyển lỗ
trống. Trong khi đó, lớp phun electron cũng có tác dụng tương tự đối với electron và
được

đặt

giữa

cực

âm

và

lớp

vận

chuyển

electron.

Poly

(3,4-

ethylenedioxythiophene): poly (4- styrenesulfonate) (PEDOT: PSS) và MoO3 là hai
vật liệu phun lỗ trống điển hình [23]. LiF và CsF là hai vật liệu phun electron được
sử dụng rộng rãi [24].
Lớp vận chuyển lỗ trống vận chuyển các lỗ trống được đưa từ lớp phun
electron vào lớp phát xạ để xảy ra quá trình tái tổ hợp với electron được đưa vào từ
lớp vận chuyển electron. Vì vậy vật liệu vận chuyển lỗ trống hoặc vật liệu vận
chuyển electron được thiết kế để có độ linh động của lỗ trống hoặc độ linh động
của electron cao.


7

N,N'-bis (naphthalen-1-yl)-N,N'-bis (phenyl)-2,2'-dimetylbenzidin (NPD) và Di-[4(N,N-ditolyl-amino)-phenyl]xyclohexan (TAPC) là các vật liệu vận chuyển lỗ trống
tốt [25]; Alq3 và 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BPhen) là những vật liệu vận
chuyển electron tốt [26]. Hai lớp chặn lỗ trống và chặn electron có tác dụng ngăn
khơng cho lỗ trống và electron đến điện cực đối diện, giới hạn chúng trong vùng tái
tổ hợp.
Lớp phát xạ là nơi xảy ra sự tái tổ hợp giữa lỗ trống và electron để tạo ra ánh
sáng. Bằng cách thay đổi vật liệu phát xạ, các OLED có thể phát xạ từ UV sang ánh
sáng đỏ và bao phủ toàn bộ vùng ánh sáng khả kiến. Đối với vật liệu phát huỳnh
quang, 4,4'-bis(carbazol-9-yl)biphenyl (CBP) phát ra trong tia cực tím gần đến tím
đậm, 4,4 '-bis (2,2' diphenyl vinyl) -1,1 '- biphenyl (DPVBi) có màu xanh da trời,
Alq3 có màu xanh lục và 4-(dicyanomethylene)-2-metyl-6-julolidyl-9-enyl4H-pyran
(DCM2) có màu đỏ [27]. Đối với vật liệu phát lân quang, FIrpic phát ra màu xanh
da trời, Ir(ppy)3 có màu xanh lục và PtOEP có màu đỏ [28]. Một số vật liệu hữu cơ
có thể đảm nhiệm nhiều chức năng trong OLED. Ví dụ: Alq3 có thể đóng vai trò vật
liệu phát xạ [21] và vật liệu vận chuyển electron [29], NPD có thể được sử dụng
như vật liệu phát xạ [30] hoặc vật liệu vận chuyển lỗ trống [25], CBP có thể được
sử dụng như vật liệu phát xạ [27] hoặc chất mang trong OLED hoạt động dựa trên
hiệu ứng phát xạ triplet [31].
Ánh sáng được phát ra từ OLED do quá trình electron kết hợp với lỗ trống tại
lớp vật liệu phát xạ. Tuỳ thuộc vào cách thức electron chuyển từ trạng thái kích
thích về trạng thái cơ bản, đi-ốt phát quang sẽ được chia thành các loại khác nhau.
1.1.1.2. Cơ chế phát xạ
a) Cơ chế singlet
Sự phát xạ của các chất phát huỳnh quang thông thường và chất phát huỳnh
quang chuyển đổi đều bắt nguồn từ các exciton singlet. Trong đó, các chất phát
huỳnh quang chuyển đổi có tỷ lệ sử dụng exciton cao hơn so với chất phát huỳnh
quang thơng thường vì chất phát huỳnh quang chuyển đổi có thêm q trình chuyển
đổi từ exciton triplet thành singlet, từ đó thu được 75% exciton triplet cho sự phát
quang.

8

Do đó, việc nghiên cứu các hợp chất phát huỳnh quang chuyển đổi là một phương
pháp hiệu quả để thu được OLED có hiệu suất cao và chi phí thấp. Hiện tại, có ba
loại chất phát huỳnh quang chuyển đổi: triệt tiêu triplet-triplet (TTA), lai hoá cục bộ
và vận chuyển điện tích (HLCT) và huỳnh quang trễ hoạt hóa nhiệt (TADF) (Hình
1.2). Đặc biệt, các chất phát quang TADF đã thu hút sự chú ý lớn trong những năm
gần đây do sở hữu hiệu suất vượt trội.

Hình 1.2: Cơ chế phát huỳnh quang của vật liệu hữu cơ: a) Huỳnh quang
thơng thường; b) Triệt tiêu triplet-triplet; c) Lai hố cục bộ và vận chuyển điện tích;
d) Huỳnh quang trễ hoạt hố nhiệt.
Chất phát huỳnh quang thơng thường
Trong chất bán dẫn hữu cơ, sự tái tổ hợp giữa các electron và lỗ trống sẽ tạo ra
các exciton singlet và triplet với tỷ lệ 1: 3 tuân theo giới hạn thống kê spin [32]. Do
đó giới hạn của hiệu suất lượng tử nội (𝐼𝐼 𝐼 𝐼 𝐼𝐼 , tỷ lệ của số lượng photon được tạo
ra so với số lượng điện tích được đưa vào) của OLED sử dụng chất phát huỳnh
quang thông thường chỉ đạt tối đa 25% do sự phân rã hình thành bức xạ của các
exciton singlet và sự phân rã khơng hình thành bức xạ của các exciton triplet (Hình
1.2a). Hiệu suất lượng tử ngoại tối đa (𝐼𝐼𝐼

𝐼𝐼𝐼

) của các thiết bị như vậy chỉ có thể

đạt khoảng 5% do các photon ánh sáng bị kẹt lại bên trong thiết bị. 𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 được
tính tốn thơng qua phương trình sau:

9

𝐼𝐼𝐼

𝐼 𝐼𝐼

=

𝐼𝐼𝐼𝐼

Φ𝐼𝐼 𝐼𝐼𝐼𝐼 =

𝐼𝐼𝐼

𝐼𝐼𝐼𝐼 (1.1)

Trong đó 𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 và 𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 lần lượt là hiệu suất lượng tử ngoại tối đa và hiệu
suất lượng tử nội tối đa. 𝐼𝐼 là hiệu suất tái tổ hợp electron-lỗ trống. 𝐼𝐼𝐼 là hiệu xuất
phát xạ của exciton, Φ𝐼𝐼 là hiệu suất phát quang lượng tử (PLQY) của lớp phát xạ
và
𝐼𝐼𝐼𝐼 là hiệu suất thoát của photon ánh sáng. Giá trị Φ𝐼𝐼 thường đạt 20% đối với
OLED có cấu trúc màng mỏng trên nền đế thuỷ tinh phủ ITO. Mặc dù có giới hạn
hiệu suất thấp, vật liệu loại này có được tuổi thọ lâu dài, đặc biệt đối với các chất
phát màu xanh lam [33].
Huỳnh quang trễ hoạt hoá nhiệt
Huỳnh quang trễ hoạt hoá nhiệt (TADF) hoặc huỳnh quang trễ loại E được coi
là thế hệ chất phát huỳnh quang ưu việt do có thể sử dụng tất cả các exciton triplet
và singlet để phát xạ [34]. Như thể hiện trong Hình 1.2d, các exciton nằm trên trạng
thái kích thích triplet thứ nhất có thể chuyển sang trạng thái singlet thứ nhất trong

phân tử thông qua q trình chuyển đổi ngược (RISC). Để kích hoạt q trình RISC
ở nhiệt độ phịng, u cầu độ chênh lệch giữa năng lượng của trạng thái singlet thứ
nhất và triplet thứ nhất (ΔEST) nhỏ hơn 0,2 eV.
Hằng số RISC (KRISC) có thể được biểu diễn thơng qua phân bố Boltzmann:
𝐼 𝐼 𝐼𝐼𝐼

∝ exp (−

∆ 𝐼𝐼

) (1.2)

𝐼𝐼 �

trong đó KB là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tính theo °C. Từ phương trình trên
có thể thấy giá trị ∆� �� nhỏ là điều kiện quan trọng thúc đẩy quá trình RISC diễn ra
nhanh.
b) Phát xạ doublet
Những hợp chất phát quang dựa trên các gốc thu hút sự chú ý và đạt được
nhiều đột phá về hiệu suất trong những năm gần đây [35]. Không giống các phân tử
phát xạ huỳnh quang và lân quang, các phân tử phát xạ gốc có số lẻ electron và ở
trạng thái vỏ mở do electron ngồi cùng chưa ghép đơi. Hình 1.3a là cấu hình spin
của các phân tử vỏ kín và vỏ mở ở trạng thái kích thích[35]. Khi phân tử vỏ kín
(phân tử huỳnh quang hoặc lân quang) bị kích thích, một electron sẽ được chuyển
đến LUMO, và electron vẫn ở lại HOMO. Trong trường hợp này, số lượng tử spin
thu được từ hai


electron này có thể là 0 hoặc 1, tương ứng với trạng thái singlet và trạng thái triplet
(Hình 1.3a) [36]. Tuy nhiên, các exciton triplet của các phân tử huỳnh quang hữu cơ

thông thường không thể chuyển sang trạng thái cơ bản để phát xạ ánh sáng. Điều
này là kết quả của nguyên lý loại trừ Pauli [32].

Hình 1.3: Cấu hình spin của a) phân tử vỏ đóng và b) phân tử vỏ mở ở trạng
thái kích thích.
Đối với một phân tử có vỏ mở, dù ở trạng thái cơ bản hay trạng thái kích thích
đều có hai electron độc thân, đồng nghĩa với trạng thái doublet. Khi electron duy
nhất ở trạng thái cơ bản tại orbital phân tử bị chiếm đơn lẻ cao nhất (SOMO) được
kích thích đến orbital đơn lẻ chưa bị chiếm thấp nhất (SUMO), electron này có thể
nhảy trở lại SOMO mà khơng gặp bất kỳ quy tắc cấm nào (Hình 1.3b). Vì vậy, hiệu
suất lượng tử nội của hợp chất phát quang gốc dựa trên cấu hình vỏ mở về mặt lý
thuyết có thể đạt được 100%.
c) Phát xạ triplet
Sự phát quang ở trạng thái kích thích triplet của các chất phát lân quang dựa
trên phức chất chứa Os(II) và Pt(II) đã được Ma và Forrest quan sát từ năm 1998
[37],[38]. Việc đưa các nguyên tử kim loại nặng vào bộ khung hữu cơ không chỉ
cho phép quá trình chuyển đổi bị cấm từ T1 đến S0, mà cịn thúc đẩy q trình
chuyển đổi nội phân tử của các exciton từ trạng thái S 1 đến T1 vì hiệu ứng ghép
spin-orbit mạnh [39]. Vì vậy, IQEmax của OLED phát lân quang có thể đạt 100% với
việc sử dụng đầy đủ các exciton. Sự phát triển nhanh chóng của các chất phát lân
quang đã tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành cơng nghiệp màn hình và chiếu
sáng. Cho đến nay, nhiều phức kim loại chuyển tiếp phát lân quang đã được sử dụng
để tạo ra các OLED hiệu quả cao, ví dụ như các phức chứa Ir(III), Pt(II), Au(III),
Os(II), Re(I), Ru(II) và Cu(I).


Trong số đó, phức chứa Ir(III) với các đại diện như Ir(ppy) 3, FIrpic và Ir(piq)3 được
sử dụng rộng rãi nhất vì hiệu suất phát xạ cao, thời gian tồn tại của exciton triplet
tương đối ngắn và dải màu rộng [40]. Tuy nhiên, những việc chế tạo các phức chất
này thường rất tốn kém do sử dụng các kim loại hiếm, độ bền không cao và không

thân thiện với môi trường. Do đó, các kim loại này cần được thay thế bằng các kim
loại ít độc hại và giá thành thấp.
Hiện nay, trong khi các OLED lân quang (PhOLED) màu đỏ và xanh lá cây đã
được ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo màn hình thương mại, PhOLED xanh
lam vẫn đang cần được phát triển thêm vì thời gian hoạt động ngắn hơn đáng
kể[41],[42]. Trong PhOLED, chất mang đã được chứng minh có vai trị quan trọng
trong hiệu suất của thiết bị[41],[42]. Do đó, việc thiết kế các vật liệu mới để làm
chất mang cho các PhOLED xanh lam đã và đang được quang tâm nghiên cứu trên
toàn thế giới. Chất mang thích hợp cho PhOLED xanh lam cần đáp ứng một số tiêu
chí quan trọng, bao gồm:
+ Mức năng lượng ở trạng thái triplet cao (trên 2,8 eV so với trạng thái cơ bản)
để tạo điều kiện cho q trình vận chuyển điện tích hiệu quả từ chất mang sang vật
liệu phát xạ [43].
+ Mức năng lượng HOMO, LUMO phù hợp với mức năng lượng HOMO,
LUMO của các lớp vật liệu khác trong OLED.
+ Có đặc tính trùn điện tích tốt và cân bằng [44].
1.1.2. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của pin mặt trời chất màu nhạy quang
Pin mặt trời chất màu nhạy quang (DSSC) thuộc loại tế bào quang điện thế hệ
thứ ba có khả năng chuyển đổi ánh sáng nhìn thấy thành năng lượng điện. DSSC
đang được tập trung nghiên cứu vì chi phí chế tạo thấp và cấu tạo đơn giản.
Pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy quang được chế tạo thành công lần đầu
tiên bởi hai nhà khoa học là Brian O'Regan và Michael Grätzel vào năm 1988. Dựa
trên nghiên cứu đó, các nhà khoa học đã chế tạo thành cơng pin mặt trời chất màu
nhạy quang có hiệu năng cao đầu tiên năm 1991 [45]. Michael Grätzel đã được trao
Giải thưởng Công nghệ Thiên niên kỷ 2010 cho phát minh này.


DSSC là một cơng nghệ đột phá có thể được sử dụng để sản xuất điện trong
nhiều điều kiện ánh sáng, cho phép người dùng chuyển đổi cả ánh sáng nhân tạo và
ánh sáng tự nhiên thành năng lượng để cung cấp năng lượng cho nhiều loại thiết bị

electron. Ưu điểm của DSSC là có thể hoạt động với cường độ ánh sáng thấp, hiệu
suất tối ưu, quy trình sản xuất cần ít năng lượng, thân thiện với mơi trường, có thể
chế tạo trên nhiều loại chất nền và tích hợp vào các sản phẩm linh hoạt. Hiệu suất
của DSSC đã liên tục tăng trong 20 năm qua, với mức kỷ lục được xác nhận đạt
14,52% [46].
1.1.2.1. Cấu tạo của DSSC

Hình 1.4: Sơ đồ cấu tạo pin mặt trời chất màu nhạy quang
Cấu tạo cơ bản một pin mặt trời chất màu nhạy quang gồm bốn thành phần sau
(Hình 1.4):
- Một điện cực cấu tạo từ một lớp oxit dẫn điện trong suốt (thường là TiO2)
được phủ trên bề mặt thuỷ tinh.
- Một lớp chất màu nhạy quang liên kết với bề mặt lớp TiO2 để hấp thụ ánh
sáng và hình thành các electron kích thích.
- Dung dịch điện ly chứa cặp chất oxi hoá khử (thường là I -/I3-) hồ tan trong
dung mơi hữu cơ có nhiệm vụ vận chuyển electron từ điện cực đối để hồn thành
q trình tái tổ hợp chất màu nhạy quang.