nghiên cứu tính chất quang của vật liệu chế tạo và mô phỏng một vài thông số trong pin mặt trời hữu cơ

1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Nguyễn Văn Giang
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
CHẾ TẠO VÀ MÔ PHỎNG MỘT VÀI THÔNG SỐ
TRONG PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Vật Lý Kỹ Thuật
HÀ NỘI - 2011
2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Văn Giang
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU
CHẾ TẠO VÀ MÔ PHỎNG MỘT VÀI THÔNG SỐ
TRONG PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Vật Lý Kỹ Thuật
Cán bộ hướng dẫn: TS. Đinh Văn Châu
Cán bộ đồng hướng dẫn: Th.S. Đỗ Ngọc Chung
HÀ NỘI – 2011
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tất cả những thầy cô và mọi người đã
giúp đỡ tôi hoàn thành khóa luận này!
Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Đinh Văn Châu – Khoa Vật lý kỹ
thuật & Công nghệ nano là thầy hướng dẫn của tôi. Thầy đã định hướng cho tôi biết
hướng đi của đề tài và chỉ cho tôi các bước thực hiện công việc. Thầy luôn ưu ái dành
nhiều thời gian để giảng giải cho tôi về các hiện tượng xảy ra trong quá trình thực

nghiệm và giúp tôi tìm giải pháp để mang lại các kết quả tốt hơn. Ngoài ra thầy cũng
giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi có thể hoàn thiện luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến ThS. Đỗ Ngọc Chung – Khoa Vật lý kỹ thuật & Công
nghệ nano là cán bộ đồng hướng dẫn của tôi. Anh là người trực tiếp hướng dẫn tôi
trong quá trình làm thực nghiệm. Anh luôn chỉ bảo tôi tận tình từ các công việc nhỏ
nhất và ngoài ra còn cho tôi nhiều kinh nghiệm trong cuộc sống.
Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô, cán bộ tại Khoa Vật lý kỹ thật & Công nghệ
nano đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi thực hiện công việc của mình.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn tất cả người thân, bạn bè đã luôn ủng hộ và động viên
tôi khi tôi thực hiện khóa luận này. Xin chúc tất cả mọi người luôn mạnh khỏe và đạt
được nhiều thành công!
3
TÓM TẮT NỘI DUNG
Khóa luận cung cấp cái nhìn tổng quan về pin mặt trời, tính chất quang của một
vài vật liệu phổ biến sử dụng để chế tạo pin mặt trời hữu cơ, cũng như mô phỏng sự
phân bố của từ trường ánh sáng, sự suy hao năng lượng ánh sáng khi pin hoạt động.
Một số pin có cấu trúc đơn lớp (ITO/MEH-PPV/Al) đã được chế tạo. Lớp bán dẫn hữu
cơ MEH-PPV trong pin là nơi diễn ra sự hình thành các exiton, tiền đề để chuyển hóa
quang năng thành điện năng. Phép đo IV trong điều kiện không chiếu sáng được thực
hiện đối với 2 mẫu pin có độ dày lớp hoạt quang khác nhau.
LỜI CAM ĐOAN
4
Tôi xin cam đoan tất cả các tài liệu tham khảo được tôi sử dụng trong khóa luận
này đều đã được tôi chú thích bằng ký hiệu và có danh sách đi kèm đầy đủ. Tôi xin
chịu mọi trách nhiệm nếu trích dẫn kết quả của tác giả khác mà không chú thích rõ
ràng!
MỤC LỤC
5
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 3

1.1. Giới thiệu 3
1.2. Cấu trúc của pin mặt trời hữu cơ 6
1.3. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời hữu cơ 8
1.4. Phân loại pin mặt trời hữu cơ 9
1.5. Vật liệu polymer dẫn trong pin mặt trời hữu cơ 11
1.6. Exciton 13
1.7. Các đặc tính của pin mặt trời hữu cơ 15
1.8. Mô phỏng sự suy giảm quang năng bên trong pin mặt trời hữu cơ 18
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU 24
2.1. Vật liệu và thiết bị 24
2.2. Quy trình chế tạo pin mặt trời đơn lớp 25
2.3. Phương pháp nghiên cứu 27
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 31
3.1. Tính chất quang của vật liệu 31
1. Điện cực truyền qua ITO 31
2. Màng hoạt quang MEH-PPV 33
3. Điện cực Nhôm 37
3.2. Mô phỏng suy hao năng lượng phân bố mật độ exiton 37
1. Hệ số hấp thụ và phản xạ của pin 38
2. Sự phân bố cường độ điện trường và suy hao năng lượng trong lớp MEH-PPV 41
3.3. Đường đặc tính I-V của pin 43
KẾT LUẬN 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO 46
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
6
- 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 occupied molecular orbital (quỹ đạo
phân tử lấp đầy cao nhất)
- IP Ionisation potential (thế ion hóa)
- ITO Indium tin oxide
- LED Light emitting device
- LUMO Lowest unoccupied molecular orbital (quỹ
đạo phân tử chưa lấp đầy thấp nhất)
- MEH-PPV Poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-
phenylene vinylene]
- PPV Poly(para-phenylene vinylene)
- PVK Poly(vinyl carbazole)
- VB Valence band (vùng hóa trị)
MỞ ĐẦU
7
Hiện nay, trên thế giới cũng như ở nước ta, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày
càng tăng. Trong khi đó, các nguồn năng lượng truyền thống như hóa thạch đã được
khai thác phần lớn và cũng là nguyên nhân chính gây ra sự tăng nồng độ cacbon dioxit
(CO
2
) trong môi trường. Ngày nay có khoảng 20.10
12
kg carbon dioxide được đưa vào
bầu khí quyển mỗi năm, chủ yếu là do đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch [20,8,25]. Các
cây xanh ngày nay không có khả năng hấp thụ lượng lớn CO
2
tăng thêm này. Kết quả
là nồng độ CO
2

trong khí quyển làm gia tăng đáng kể hiệu ứng nhà kính điều mà sẽ
làm tăng nhiệt độ bề mặt trái đất - tới 0.6-7.0
0
C năm 2100 [8]. Nhiệt độ bề mặt trái đất
đã tăng 0.3-0.6
o
C từ cuối thế kỷ 19 và mực nước biển đã tăng 10-25cm, hầu hết do các
hoạt động của con người [8].
Hậu quả của sự thay đổi nhiệt độ này đã gia tăng tần suất và mức độ nghiêm
trọng của thiên tai [25] và có thể có tác động tàn phá nhiều hơn đối với con người và
các dạng sống khác trên trái đất trong thập kỷ tới. Chính vì thế một yêu cầu cấp thiết
đang đặt ra với chúng ta là tìm ra các nguồn năng lượng mới và “sạch”.
Trong cuộc chạy đua tìm kiếm năng lượng tái tạo, việc chế tạo pin dựa trên sự
biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng, đang là một hướng đi mới trên
thế giới. Pin mặt trời hiện có trên thị trường được chế tạo từ các vật liệu vô cơ như
Silic. Với vật liệu này, người ta có thể chế tạo được pin có hiệu suất cao (khoảng
15%). Tuy nhiên, pin mặt trời từ tinh thể silic có giá thành cao, yêu cầu kỹ thuật lại
tinh vi. Hiện nay, pin mặt trời hữu cơ đang thu hút sự quan tâm của giới khoa học.
Mặc dù hiệu suất của loại pin này vẫn thấp hơn nhiều so với pin mặt trời từ silicon tinh
thể (hiệu suất khoảng 5%), nhưng chúng có nhiều ưu điểm như có thể được sản xuất
dễ dàng, giá rẻ và ít tác động đến môi trường.
Với các lý do trên chúng tôi lựa chọn thực hiện khóa luận: “Khảo sát tính chất
quang của vật liệu chế tạo và mô phỏng một vài thông số trong pin mặt trời hữu
cơ ”
a. Nội dung nghiên cứu :
- Tính chất quang, điện của vật liệu chế tạo pin mặt trời hữu cơ: điện cực truyền
qua ITO, lớp hoạt quang MEH-PPV, điện cực anode nhôm.
- Mô phỏng sự phân bố điện trường ánh sáng, sự suy giảm năng lượng ánh sáng
bên trong pin.
- Chế tạo tế bào pin mặt trời cấu trúc đơn lớp ITO/MEH-PPV/Al và khảo sát tính

chất điện của linh kiện.
b. Phương pháp nghiên cứu:
8
- Lý thuyết: Mô phỏng sự suy biến năng lượng ánh sáng, sự phân bố điện trường
ánh sáng trong pin, tương quan giữ hấp thụ và phản xạ trên bề mặt điện cực truyền qua
của pin dựa theo sự thay đổi chiết suất phức của từng lớp vật liệu khi bước sóng ánh
sáng tới thay đổi.
- Thực nghiệm: Màng polymer được được chế tạo bằng phương pháp quay phủ li
tâm (spin-coating). Màng kim loại nhôm (làm điện cực catot trong tế bào pin) được
chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt trong chân không. Cấu trúc hình thái học bề
mặt của màng polymer được khảo sát thông qua các phép đo như chụp ảnh kính hiển
vi điện tử quét trường (FESEM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM). Tính chất quang
của màng MEH-PPV được nghiên cứu qua phép đo phổ hấp thụ. Tính chất điện của
pin mặt trời sau khi chế tạo được đánh giá qua phép đo đặc tính IV
c. Ý nghĩa của đề tài:
Pin mặt trời hữu cơ là một giải pháp có nhiều triển vọng vì sử dụng công nghệ
đơn giản và giá thành thấp hơn nhiều so với các pin mặt trời vô cơ. Vì vậy việc nghiên
cứu chế tạo các pin mặt trời hữu cơ là một hướng đi đúng đắn. Tuy mới chỉ chế tạo các
pin với cấu trúc đơn giản nhưng các nội dung của đề tài là rất đáng quan tâm vì đây là
một hướng đi mới và chưa phổ biến tại Việt Nam.
CHƯƠNG 1
9
TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI
1.1 Giới thiệu
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 [5].
Trong các vật liệu bán dẫn, thực tế, dòng rò như trên được hiểu đơn giản là do
sự tái tổ hợp của các hạt tải bị kích thích. Dòng rò thường chủ yếu gây ra bởi các
khiếm khuyết hoặc bởi sai hỏng so với cấu trúc của vật liệu bán dẫn lý tưởng. Điều
này làm tăng sự xuất hiện của các mức năng lượng được cho phép trong vùng cấm.
Chỉ khi nào không có những sai hỏng, bức xạ tái tổ hợp mới xuất hiện trên phạm vi
10
rộng hơn, và duy trì như một kênh suy giảm vì nó không yêu cầu bất kì mức năng
lượng trung gian nào [5].
Các giả thiết về sự vắng mặt của hiện tượng tái hợp không bức xạ cho phép dự
đoán về giới hạn trên của hiệu suất chuyển đổi năng lượng của chất bán dẫn với độ
rộng vùng cấm cho trước cũng như điện áp hở mạch.
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. Các ký hiệu trong dấu ( ) thể hiện số lượng cho phép cho cơ chế mất mát cụ
thể trong ECD
Trong chất bán dẫn hữu cơ, việc 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
11
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
)
- 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
)
điện tử tới cực dương để tạo ra điện áp và sẵn sàng cung cấp cho mạch ngoài. Quá
trình chuyển hóa quang năng thành điện năng diễn ra như sau:
1. Sự hấp thụ photon
Trong hầu hết các thiết bị hữu cơ chỉ một phần nhỏ ánh sáng tới được hấp thụ vì
những lí do sau đây:
- Độ rộng vùng cấm của vật liệu bán dẫn hữu cơ quá lớn. Độ rộng vùng cấm
chỉ khoảng 1.1eV (1100nm) là phù hợp để hấp thụ 77% bức xạ mặt trời trên
trái đất [26] trong khi độ rộng vùng cấm của các polymer dẫn thường lớn
hơn 2eV.
- 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 các bán dẫn vô cơ như Silic do đó chỉ
khoảng 100nm là cần thiết để hấp thụ khoảng 60 – 90% nếu hiệu ứng phản
xạ ngược được sử dụng.
- 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.
2. Sự 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 chúng tái hợp với nhau và như vậy photon tới sẽ bị lãng phí [5].
Khoảng khuếch tán exciton trong vật liệu polymer thường vào khoảng 10nm [11,10,
26, 2]. Tuy nhiên một số chất màu như perylenes được cho là có chiều dài khuếch tán
exciton vào khoảng 100nm [15].
3. Sự phân tách hạt tải
Phân tách hạt tải xảy ra ở bề mặt tiếp xúc giữa chất bán dẫn với kim loại, tạp chất
(ví dụ Oxy) hay giữa các kim loại với đủ sự khác biệt về ái lực điện tử (EA) và điện
thế ion hóa (IA). Nếu sự khác biệt của lớp IA và EA là không đủ, các exciton có thể
12
chỉ nhảy lên vật liệu có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn mà không phân tách thành các điện
tích. Cuối cùng nó sẽ tái hợp lại mà không có sự đóng góp hạt tải vào dòng photon.
4. Vận chuyển hạt tải
Việc vận chuyển các hạt tải bị ảnh hưởng bởi sự tái tổ hợp trong khi đi đến các
điện cực. 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.
5. Sự thu thập hạt tải
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 lớp tiếp xúc. 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.
Chúng ta 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 cồng kềnh 3
chiều. Cũng cần lưu ý là việc ken xít cũng làm tăng hệ số hấp thụ [5] Để đáp ứng
những đòi hỏi riêng của hiệu quả chuyển đổi photon thành các điện tích, các thiết bị
với cấu trúc khác nhau đã được phát triển.
1.2 Cấu trúc của pin mặt trời hữu cơ
Hình 1.3 - Cấu trúc chung của 1 tế bào năng lượng mặt trời
Nói chung, pin mặt trời có cấu trúc gồm 3 phần chính: Anode, katode (điện cực),
tấm đế và lớp hoạt quang (Photoactive layer - chất vô cơ cho pin mặt trời vô cơ và chất
hữu cơ với pin mặt trời hữu cơ) như được mô tả trong Hình 1.3. Các lớp đệm có thể bổ
sung để tăng chất lượng của pin.
13
1. Tấm đế (substrate)
Được làm từ nhựa hoặc thủy tinh để có thể nâng đỡ được pin và trong suốt (vì
cần để cho ánh sáng có thể truyền qua được dễ dàng).
2. Lớp anode (phải trong suốt)
- Lớp anode yêu cầu phải được chế tạo bằng vật liệu trong suốt, có rào thế ΔE
a
giữa anode với lớp màng polymer tiếp xúc là nhỏ. Thông thường, để làm giảm
rào thế ΔE
a
, công thoát cho anode phải được nâng lên bằng cách sử dụng các
vật liệu phù hợp.
- Vật liệu dùng để chế tạo anode phải có độ ổn định cao theo thời gian. Vật liệu
thường được dùng là ITO (là hỗn hợp của In

2
O
3
và SnO
2
theo tỷ lệ In
2
O
3
/ SnO
2
= 9 / 1).
3. Lớp truyền lỗ trống
- Có tác dụng là tăng cường quá trình truyền hạt tải lỗ trống ra các cực, góp phần
kéo dài thời gian sống cho linh kiện.
- Yêu cầu với vật liệu truyền lỗ trống này là có nhiệt độ chuyển pha cao
(Tg>200
o
C) để tăng thời gian sống cho linh kiện, có khả năng truyền hạt tải cao
( = 10
-3
cm
2
/v.s ), và có khả năng hòa tan trong các dung môi hữu cơ.
- Vật liệu thường được dùng là: PVK hoặc PEDOT.
4. Lớp truyền điện tử
Hình 1.4 - Phân mức năng lượng giữa lớp truyền điện tử và cathode
- Có tác dụng tăng cường quá trình truyền dẫn điện tử.
- Đảm bảo sự cân bằng hạt tải.
- Lớp này phải ổn định với nhiệt độ và các tác nhân hóa học.

- Vật liệu thường được dùng là : LiF.
5. Lớp quang hoạt
14
- Đây là nơi hạt tải có độ linh động cao nên chúng phải có độ dày thích hợp để
đảm bảo exciton không bị dập tắt.
- Vật liệu yêu cầu có sự ổn định với nhiệt độ và các tác nhân hóa học, có khả
năng truyền điện tử tốt, và phát ra phổ dòng điện chạy trong vật liệu.
- Vật liệu thường được dùng cho lớp quang hoạt là: PPV, MEHPPV hoặc Alq3.
6. Lớp cathode
- Cathode có thể phản xạ ánh sáng và cần thỏa mãn rào thế ΔE
c
giữa cathode và
lớp màng polymer tiếp xúc là nhỏ nhất.
- Vật liệu thường sử dụng để chế tạo cathode là : Nhôm (Al), hoặc hợp kim
Nhôm - Mage (Mg/ Al) = 10/ 1. Hỗn hợp này thường được dùng do khả năng
chống oxy hoá, và ít bị ảnh hưởng của độ ẩm môi trường.
- Yêu cầu vật liệu làm cathode phải có công thoát thấp, dễ bốc bay trong chân
không.
1.3 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời hữu cơ
Cơ chế biến đổi năng lượng mặt trời thành dòng điện trong pin nói chung xảy ra
theo các bước sau:
- Điện tử bị quang tử kích thích nhảy lên trạng thái kích thích hình thành nên
exiton. Vì điện tử có điện tích âm (-) và lỗ trống mang điện dương (+) tạo nên
cặp âm dương (-)(+), hay là lỗ trống - điện tử (exciton), chúng liên kết với nhau
do lực hút tĩnh điện.
- Cặp (+)(-) phải được tách rời để điện tử hoàn toàn tự do đi lại tạo ra dòng điện.
Các exciton sẽ bị phân tách thành điện tử, lỗ trống tự do tại các địa điểm cụ thể
nào đó trong vật liệu hay bề mặt biên giữa vật liệu và các tạp chất (oxy, hydro,
v.v) hoặc bề mặt biên giữa vật liệu và các lớp vật liệu khác. Vùng exciton bị
phân tách thành điện tử, lỗ trống riêng rẽ gọi là vùng phân tách (dissociation).

Sau khi phân tách, điện tử sẽ di động trong vật liệu tiến đến cực dương và lỗ
trống di động trong vật liệu tiến đến cực âm. Dòng điện xuất hiện.
15
Hình 1.5- Quang tử trong ánh sáng mặt trời "đánh bật" và nâng điện tử lên dải dẫn
điện để lại lỗ trống (+) ở dải hóa trị. Cặp (+)(-) (lỗ trống - điện tử) còn gọi là exciton.
Hình 1.6 - Sơ đồ dịch chuyển điện tử trong polymer: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.
1.4 Phân loại pin mặt trời hữu cơ
Theo cấu trúc, pin mặt trời hữu cơ được phân theo 4 loại sau:
16
1. Cấu trúc đơn lớp

Hình 1.7 - Cấu trúc đơn lớp của pin mặt trời
Cấu trúc này chỉ bao gồm một vật liệu bán dẫn và thường được gọi tắt là thiết bị
kiểu Schottky hay điốt Schottky khi mà sự phân tách hạt tải xảy ra ở lớp tiếp xúc với
một điện cực trong khi lớp tiếp xúc với bề mặt kia có tính chất ohmics (tính dẫn điện)
[5]. Cấu trúc kiểu này khá đơn giản, miền hoạt quang (photoactive) thường rất mỏng
và hiệu xuất bị suy giảm do các hạt tải điện khi di chuyển qua vật liệu bị mất mát do
hiện tượng tái tổ hợp.
2. Cấu trúc 2 lớp

Hình 1.8 - Cấu trúc hai lớp của pin mặt trời
Ưu điểm của cấu trúc này là giảm hiện tượng tái hợp của các hạt tải điện do việc
giảm quãng đường di chuyển của chúng. Hạn chế của cấu trúc này là bề mặt tiếp xúc
nhỏ, giảm hiệu xuất phân tách exciton và do vậy làm giảm hiệu xuất chuyển hóa quang
năng thành điện năng của pin.
3. Cấu trúc hỗn hợp

Hình 1.9 - Cấu trúc hỗn hợp của pin mặt trời
17
Cấu trúc này khắc phục nhược điểm của cấu trúc 2 lớp. Nhờ vậy, hiệu xuất
chuyển hóa của pin được cải thiện do xác suất exciton di chuyển đến vùng phân tách
cũng như phân tách thành các hạt mang điện rất cao.
4. Cấu trúc nhiều lớp
Hình 1.10 - Pin mặt trời cấu trúc nhiều lớp.
Đây là cấu trúc mới được phát triển nhằm tận dụng ưu thế của các cấu trúc đã
trình bày ở trên. Đối với cấu trúc này, việc bổ sung lớp truyền tải giữa điện cực và lớp
quang hoạt làm hiệu xuất truyền hạt tải đến các điện cực, do vậy, hiệu suất của pin
được cải thiện. Hạn chế của cấu trúc này là một vài tính chất cơ học của vật liệu bán
dẫn hữu cơ cần được đáp ứng (nhiệt độ chuyển pha thấp) để tạo thành lớp trộn lẫn.
1.5 Vật liệu polymer dẫn trong pin mặt trời hữu cơ
1. Định nghĩa
Polymer dẫn điện là hợp chất hữu cơ có phân tử được cấu tạo từ các vòng
benzene, trong đó các liên kết đơn C-C và đôi C=C của các nguyên tử cacbon luân
phiên kế tiếp nhau. Có thể nói rằng polymer dẫn điện là những đồng đẳng của
benzene. Liên kết giữa các phân tử được thực hiện bằng lực Van der Waals. Do cấu
trúc của vòng benzene nên trong phân tử polymer dẫn điện có rất nhiều liên kết đôi
(hay còn gọi là liên kết π) kém bền vững dẫn đến trạng thái bất định xứ của điện tử dọc
chuỗi polymer. Các điện tử π có nhiều hoạt tính hóa học, rất dễ phản ứng nếu có điều
kiện thích hợp, chỉ cần một năng lượng nhỏ cũng đủ kích hoạt điện tử π sang trạng thái
khác. Do đó, các tính chất cơ bản trong đó có khả năng dẫn điện của polymer dẫn đều
có nguồn gốc từ những điện tử π linh động.
18
Hình 1.11 - Cấu trúc hóa học của một số loại polymer dẫn.
2. Cấu trúc vùng năng lượng
Sự chồng chập quỹ đạo của điện tử trong liên kết π dẫn đến việc năng lượng của
điện tử trong liên kết π tách thành hai mức năng lượng: mức năng lượng liên kết π và
mức năng lượng phản liên kết π*. Mức năng lượng π được gọi là mức HOMO, mức

năng lượng π* được gọi là mức LUMO. Sự tách thành hai mức năng lượng này dẫn
đến sự hình thành hai vùng năng lượng tương ứng LUMO và HOMO, chúng có tính
chất giống như vùng dẫn và vùng hoá trị của bán dẫn vô cơ (Hình 1.12)
Hình 1.12 - Sơ đồ mức năng lượng LUMO, HOMO và độ rộng vùng cấm của polymer
dẫn
Khe năng lượng được tạo thành giữa hai mức HOMO và LUMO được gọi là
vùng cấm của polymer dẫn điện. Các polymer dẫn điện khác nhau có độ rộng vùng
cấm khác nhau. Khi nhận được những kích thích phù hợp từ photon, điện trường v.v,
các điện tử có thể nhảy từ mức HOMO lên mức LUMO tạo ra cặp điện tử - lỗ trống
(exciton).
19
3. MEH-PPV
Hình 1.13 - Cấu trúc hóa học của MEH-PPV.
MEH-PPV có độ rộng vùng cấm cỡ 2.1eV [24] và có khả năng hấp thụ tốt nhất
bước sóng khoảng 500nm. Ngoài ra, MEH-PPV dễ bị hòa tan trong dung môi hữu cơ,
dễ trải màng và không yêu cầu nhiệt độ cao. Chính vì các đặc điểm như trên, MEH-
PPV được lựa chọn làm vật liệu hoạt quang trong pin mặt trời cũng như vật liệu phát
quang trong OLED.
1.6 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 Culông. Chúng được tạo ra khi vật liệu hoạt quang được
chiếu sáng (photon). Năng lượng cần thiết để tạo ra chúng phải lớn hơn hoặc bằng độ
rộng vùng cấm của vật liệu. Exciton là phần tử trung hoà điện có thể di chuyển tự do
khắp tinh thể và truyền năng lượng kích thích, nhưng không truyền điện tích. Khái
niệm exciton cũng được mở rộng cho các chất bán dẫn phân tử. 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 tại các điện cực. Ví dụ sự

phân tách exciton có thể xảy ra ở một bề mặt chỉnh lưu (liên kết Schottky) trong thiết
bị đơn lớp hoặc là xảy ra ở bề mặt biên giữa vật liệu bán dẫn cho và nhận điện tử. Bề
mặt đó càng lớn thì càng có nhiều exciton có thể chạm tới đó và bị phân tách. Ngoài
ra, khoảng khuếch tán nhỏ của exciton (thường vào khoảng 10nm) so với chiều dày
20
của màng cần thiết để hấp thụ phần lớn ánh sáng tới (thường > 100nm) làm cho nó khó
có thể đạt tới hiệu suất chuyển đổi cao trong tế bào năng lượng mặt trời.
1. Exciton trong pin mặt trời vô cơ
Năng lượng liên kết của exciton được ước tính khoảng 16meV nghĩa là các
exciton trở nên quan trọng chủ yếu ở nhiệt độ thấp (khi mà kT trở nên nhỏ so với Eb)
[17]. Không giống như các thành phần hạt của nó, một exciton vô cơ thì giống một
Boson hơn là một Fecmion, với thời gian sống được thể hiện bởi phương trình Bose-
Einstein. Các exciton có thể giảm năng lượng của mình thêm nữa nếu chúng được gắn
với những tạp chất hoặc khuyết tật. Vì chúng là Boson nên tất cả chúng có thể chiếm
giữ mức năng lượng thấp nhất (một lần) tạo ra những đỉnh nhọn trong ánh sáng phát ra
ở nhiệt độ thấp so các bức xạ tái tổ hợp của các thành phần điện tử và lỗ trống. Ở mật
độ cao và nhiệt độ thấp, khí exciton tự do có thể ngưng tụ để tạo ra cặp điện tử - lỗ
trống ở pha lỏng với nhiều tính chất thú vị [13].
2. Exciton trong pin mặt trời hữu cơ
Năng lượng liên kết E
b
của các exciton trong vật liệu bán dẫn hữu cơ – đặc biệt là
cho các polymer liên hợp như PPV và các dẫn xuất của nó – đã nhận được nhiều sự
tranh luận mạnh mẽ trong suốt nhiều năm qua. Giá trị E
b
dao động trong khoảng từ rất
nhỏ [4] so với giá trị trung bình (khoảng 0.4eV) tới giá trị rất cao (lên tới 0.95eV) [18]
đã được đề xuất. Tuy nhiên một sự bù đắp rõ ràng giữa các mức HOMO và LUMO
của vật liệu D/A vẫn cần được đáp ứng để exciton có thể phân rã ở nhiệt độ phòng.
Các exciton được phân loại như sau:

- Frenkel Exciton: Cặp điện tử lỗ trống liên kết khá mạnh và được giới hạn trong
một đơn vị nhỏ hơn một phân tử.
- Mott-Wannier exciton: Cặp điện tử lỗ trống liên kết yếu và bán kính của exciton
lớn cỡ hằng số mạng.
- Excton truyền điện tích: Exciton mở rộng hơn một vài phân tử liền kề [14]
- Exciton chuỗi liên hợp: Thuật ngữ này được sử dụng cho các chất bán dẫn
polymer để chỉ ra rằng những thành phần hạt tải nằm trên các chuỗi polymer
khác nhau. Nó có thể được coi là một exciton truyền điện tích.
- Exciton nội chuỗi: Thuật ngữ này cũng đề cập tới các chất bán dẫn polymer để
chỉ ra rằng các thành phần hạt tải nằm trên cùng một chuỗi polymer. Người ta
tin tưởng rằng các exciton chuỗi nội thể hiện cho loại exciton chính được hình
thành sau khi các polymer liên hợp chịu sự kích thích quang [9, 21, 22].
21
1.7 Các đặc tính của pin mặt trời
Một số thuật ngữ sau đây được dùng để xét các đặc tính của pin mặt trời.
- V
oc
Điện áp hở mạch
- I
sc
Dòng ngắn mạch
- FF Hệ số điền đầy
- η Hiệu suất của pin mặt trời
1. Dòng điên tạo ra trong pin mặt trời
Một pin mặt trời được chiếu sáng có thể thay thế cho một quả pin hay một máy
phát điện trong một mạch điện đơn giản. Khi không có tải thì dòng điện chạy qua
mạch được gọi là dòng ngắn mạch, I
sc.
Khi có tải, dòng điện sẽ nằm trong khoảng 0 tới
I

sc
và giá trị xác định bởi đặc tính IV. Dòng ngắn mạch được đưa ra bởi công thức sau
[12]:

sc
I QE(E)n( )dE
= ω
∫
(1.1)
Trong đó, n(
ω
) là thông lượng bức xạ mặt trời của các photon với năng lượng
E =
ω
.
và QE(E) là hiệu suất lượng tử, đại diện cho tính chất của vật liệu và được
định nghĩa là xác suất để một photon tới tạo ra một điện tử ở mạch ngoài. Thông
thường, QE(E) phụ thuộc vào các thông số của pin mặt trời như hệ số hấp thụ, hiệu
suất phân tách hạt tải và hiệu quả thu giữ hạt tải v.v.
2. Dòng tối
Một điôt cho một dòng lớn hơn khi một điện áp được cung cấp theo hướng phân
cực thuận hơn là hướng kia - phân cực ngược. Một tế bào pin mặt trời hoạt động như
một điôt dưới sự phân cực và dòng điện được tạo ra bởi sự phân cực này được gọi là
dòng tối. Hiệu điện thế có thể là kết quả của sự phân cực được áp dụng nhưng hiệu
điện thế cũng sẽ được tạo ra khi pin mặt trời được kết nối trong một mạch điện có tải
[12].
dark 0
B
qV
I (V) I (exp 1)

k T
= −
(1.2)
I
0
là không đổi với một pin mặt trời cho trước, V là điện thế áp, T là nhiệt độ, q là điện
tích nguyên tố và k
B
là hằng số Boltzmann’s. Dòng điện tổng cộng của pin mặt trời là
một hàm số của điện áp được cấp được gọi là đặc trưng dòng-thế và có thể được tính
22
xấp xỉ bằng tổng của dòng ngắn mạch và dòng tối. Điều này chỉ có giá trị với điôt lý
tưởng và được cho bởi công thức sau [12].

sc dark sc 0
B
qV
I(V) I I (V) I I (exp 1)
k T
= − = − −
(1.3)
Ở một vài giá trị điện áp, dòng tối sẽ phủ định dòng quang và dòng thực sẽ bằng
không. Điện áp này được gọi là điện áp hở mạch V
oc
Hình 1.14 - Mô tả đặc trưng IV. Đường cong IV trong bóng tối và ánh sáng được thể
hiện cùng với công suất như một hàm số của điện thế cung cấp. Điểm mà công suất
cực đại được chỉ ra cùng với Isc và Voc.
Từ biểu thức 3.3, điện áp hở mạch có thể được suy ra và được cho bởi công thức
3.4 [12].

sc
B
oc
0
I
k T
V log( 1)
q I
= +
(1.4)
Trong một mạch điện, pin mặt trời tương đương với một máy phát điện được kết
nối song song với một điôt. Điều này được chỉ ra trong hình1.15. Khi một điện thế
được cung cấp, dòng điện sẽ bị chia ra tại tải và điôt. Khi điện thế tăng lên điôt sẽ cho
phép nhiều dòng điện vượt qua một mức tối đa của điện thế.
3. Hiệu suất
Năng lượng được tạo ta bởi một pin mặt trời tại một điện áp cho trước được đưa
ra bởi công thức 1.5.

P I.V
=
(1.5)
Chú ý rằng pin mặt trời có thể hoạt động ở điện thế chỉ từ 0 đến Voc. Công suất
sẽ tăng lên với sự gia tăng của điện áp trước khi đạt giá trị cực đại tại V
m
và I
m
và sau
đó rơi về 0 tại Voc. Điều này được mô tả bởi hệ số lấp đầy, FF, được định nghĩa bằng
công thức sau:
23

m m
oc sc
V I
FF
V I
=
(1.6)
Hình 1.15 - Sơ đồ mạch điện tương đương với một pin mặt trời bằng cách sử dụng
một máy phát dòng điện bao gồm cả các điện trở ký sinh mô tả sự mất mát năng lượng
tại các biên tiếp xúc và tại dòng rò. Điện trở nối tiếp tiếp xúc, R
s
, là điện trở tại biên
tiếp xúc polymer-điện cực. Điện trở shunt, R
sh
mô tả một sự rò rỉ trên lớp polymer
giữa 2 điện cực [12].
Đối với một điện áp trên V
oc
pin mặt trời tiêu thụ năng lượng, và với sự gia tăng
điện thế, một số pin mặt trời có thể bắt đầu hoạt động như một điôt và phát ánh sáng.
4. Điện trở kí sinh
Trong thực tế một phần năng lượng sẽ chuyển qua dòng rò xung quanh tế bào và
bị mất đi tại nơi tiếp xúc. Các khiếm khuyết này có thể được mô tả với 2 giá trị điện
trở kí sinh. Để mô tả năng lượng mất mát trong dòng rò chạy quanh lớp polymer giữa
2 lớp tiếp xúc, một điện trở shunt – R
sh
được đưa ra. Với năng lượng bị mất mát trong
điện trở tại bề mặt giữa các điện cực và trong lòng các điện cực, một điện trở nối tiếp
Rs được đưa ra (Hình 1.15). Dòng được ước tính tại điểm P và điện thế sụt giảm trên

mạch được đánh giấu và mạch với điôt và điện áp cung cấp được sử dụng để thiết lập
phương trình 3.7 [12].
I
sc
– I
d
= I
Rsh
+ I
Rs
(1.7)
V + V
Rs
= V
Rsh
(1.8)
V + V
Rs
= V
d
(1.9)
24
Từ việc kết hợp các phương trình trên, một biểu thức cho dòng điện như là một
hàm số của điện áp cung cấp có thể đạt được (Phương trình 1.10) [12]

s
sc 0 sh
B
s sh
q(V I(V)R )

I I (exp( ) 1))R V
k T
I(V)
R R
−
− − −
=
+
(1.10)
Ảnh hưởng của các điên trở kí sinh lên đặc trưng IV được chỉ ra trong hình 1.16.
Rõ ràng, những khiếm khuyết được mô tả này sẽ làm giảm hệ số điền đầy và do đó
làm giảm hiệu suất của pin mặt trời.
Hình 1.16 - Ảnh hưởng của các điện trở kí sinh. Đường màu đen trong cả 2 biểu đồ
thể hiện cho trường hợp Rs = 0 và Rsh =
∞
. Bên trái là ảnh hưởng của điện trở chuỗi
Rs khi nó tăng lên. Bên phải là ảnh hưởng của việc giảm điện trở shunt - Rsh [12].
1.8 Mô phỏng sự suy giảm quang năng bên trong pin mặt trời hữu cơ
Như đã trình bày ở trên, quá trình đầu tiên để dòng điện trong pin mặt trời hữu cơ
được tạo ra đó là sự hình thành cặp điện tử lỗ trống (exiton) bởi sự hấp thụ năng lượng
của điện trường ánh sáng. Khi được tạo ra, exiton có thời gian sống được xác định
thông qua sự tái hợp phát xạ hay không phát xạ, hay bởi sự phân tách thành các hạt tải
tự do. Quá trình mong muốn chính là quá trình phân tách các exiton thành các hạt tải
tự do và có thể bắt giữ hạt tải này tại điện cực. Sự phân tách exiton thành hạt tải có thể
diễn ra nhờ tác động bởi một điện trường nào đó hoặc bởi tương tác của chính exiton
với bề mặt biên, với tạp chất hay với các khiếm khuyết nơi mà sự truyền điện tích có
thể diễn ra. Nguyên nhân do khoảng khuếch tán của exiton thường bị giới hạn nên chỉ
những exiton nào có vị trí phân tách nằm trong giới hạn khuếch tán mới là nhân tố để
hình thành nên dòng điện. 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
25