nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc chất nhạy sáng ruthenium đến tính chất pin mặt trời chất màu nhạy sáng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
I 3−

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Tài Lương

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC CHẤT
NHẠY SÁNG RUTHENIUM ĐẾN TÍNH CHẤT PIN
MẶT TRỜI CHẤT MÀU NHẠY SÁNG

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Vật lý kỹ thuật

HÀ NỘI - 2011

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Tài Lương

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC CHẤT
NHẠY SÁNG RUTHENIUM ĐẾN TÍNH CHẤT PIN
MẶT TRỜI CHẤT MÀU NHẠY SÁNG

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Vật lý kỹ thuật

Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồng Minh
Cán bộ đồng hướng dẫn: GS.TS. Nguyễn Đức Nghĩa

HÀ NỘI - 2011

ii


LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS Nguyễn Đức Nghĩa và TS
Nguyễn Hồng Minh phịng Hóa Học Nano – Viện Hóa Học đã tận tình hướng dẫn chỉ
bảo giúp em hồn thành tốt khóa luận tốt nghiệp đại học này.
Em xin cảm ơn các chú, các anh trong phịng Hóa Học Nano đã ủng hộ và tạo điều
kiện tốt nhất cho em thực hiện khóa luận thành cơng.
Em xin cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà Nội
đã dạy dỗ truyền đạt cho em những kiến thức quý báu mà em có thể áp dụng vào làm đề
tài nay và những kiến thức đó sẽ là hành trang cho em học tập và làm việc sau này.
Cuối cùng em xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè đã chia sẻ khó
khăn trong thời gian vừa qua.

Nguyễn Tài Lương

i


TĨM TẮT

Trong tình hình phát triển các nguồn năng lượng tái tạo hiện nay, năng lượng mặt
trời đã và đang được sử dụng phục vụ nhu cầu của con người, trong nguồn năng lượng

mặt trời thì pin mặt trời hữu cơ đang được nghiên cứu một cách mạnh mẽ và có nhiều
triển vọng ứng dụng vào mục đích thương mại. Điều này đã khiến tôi quyết định nghiên
cứu đề tài này, trong đề tài này đầu tiên là phần giới thiệu tổng quan về pin mặt trời hữu
cơ, các loại pin mặt trời hữu cơ và điển hình và nguyên lý hoạt động của chúng, phần tiếp
theo là nghiên cứu về pin mặt trời hữu cơ sử dụng chất màu nhạy sáng, nguyên lý hoạt
động của và hiệu suất chuyển hóa năng lượng, các đặc trưng của một linh kiện quang
điện. Nối tiếp phần này là phần nói về một chất rất quan trọng của pin mặt trời chất màu
nhạy sáng chính là chất màu nhạy sáng và cũng chính là mục tiêu của nghiên cứu của tơi
trong khóa luận này trong phần này nói về các chất màu nhạy sáng, các bước phát triển
của chất nhạy sáng và giải thích tại sao các chất nhạy sáng lại cho hiệu suất khác nhau.
Phần cuối cùng là phần thực nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm.

ii


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan bản khóa luận tốt nghiệp này của tơi là cơng trình nghiên cứu thực
sự của cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu khảo sát
tình hình thực tiễn và dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Hồng Minh và GS.
Nguyễn Đức Nghĩa. Các số liệu, mơ hình tính tốn và những kết quả trong khóa luận là
trung thực. Trong khóa luận của tơi có sự tham khảo, trích dẫn một số sách, bài báo, tạp
chí đã được ghi chú đầy đủ.

iii


MỤC LỤC
Hiệu suất quang điện của các chất nhạy sáng Rut-B1, HMP-11, HMP-12 trong
DSSCs dưới điều kiện AM 1.5 (100 mW/cm2).....................................................xvii

1.1. Giới thiệu về pin mặt trời hữu cơ nano..............................................................3
1.3. Vật liệu donor và acceptor.................................................................................8
1.4. Những hình thức cấu tạo Organic Solar Cell..................................................10
1.4.1. Loại cấu tạo Bi – layer dạng bán dẫn polyme/ C60; bán dẫn polyme/bán
dẫn polyme
10
1.4.2. Loại cấu tạo Bi – layer dạng Organic Dye/Đơn phân tử

10

1.4.3. Dạng polyme lai hạt vô cơ

12

Pin mặt trời..............................................................................................................12
JSC..........................................................................................................................12
(mA/cm2)................................................................................................................12
VOC.........................................................................................................................12
(V)........................................................................................................................12
FF.............................................................................................................................12
η12
(%)...........................................................................................................................12
Doped pentacence heterjontion...............................................................................12
7,7............................................................................................................................12
0,90..........................................................................................................................12
0,66..........................................................................................................................12
4,5............................................................................................................................12
Doped......................................................................................................................12
5,3............................................................................................................................12
iv

0,97..........................................................................................................................12
0,47..........................................................................................................................12
2,4............................................................................................................................12
Cu Phtalocyanine/C60 bilayer Cell.........................................................................12
13.............................................................................................................................12
0,53..........................................................................................................................12
0,52..........................................................................................................................12
3,6............................................................................................................................12
MDMO-PPV-PCBM...............................................................................................12
5,25..........................................................................................................................12
0,82..........................................................................................................................12
0,61..........................................................................................................................12
2,5............................................................................................................................12
Dye-sensitized Solar Cell with Ome TAD.............................................................12
512
0,90..........................................................................................................................12
0,56..........................................................................................................................12
2,56..........................................................................................................................12
1.5. Quantumdot và hiệu ứng thác điện tử (Electronic Avalance effective. Hightly
Effective Multiple exiton Generation – HEMEG)...................................................13
Chương 2.................................................................................................................14
PIN MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHẤT MÀU NHẠY SÁNG (DSSC).....................14
2.1. Giới thiệu pin mặt trời DSSC..........................................................................14
2.4. Các chất màu nhạy sáng (Dye - Photosensitizers)..........................................21

v

2.6. Những pin mặt trời nhạy quang DSSC dùng chất màu và chất điện ly pha rắn
25
2.7. Đặc trưng của một linh kiện quang điện..........................................................26
2.7.1. Thế hở mạch VOC

26

2.7.2. Dòng ngắn mạch JSC

27

3.1. Sự ảnh hưởng của cấu trúc chất màu nhạy sáng đến hiệu suất của pin mặt trời
nhạy sáng (DSSC).....................................................................................................30
4.1. Thực nghiệm....................................................................................................41
4.1.1. Hóa chất và vật liệu

41

Độ dày.....................................................................................................................42
(mm)........................................................................................................................42
Hệ số truyền qua......................................................................................................42
(%)...........................................................................................................................42
Điện trở mặt.............................................................................................................42
(Ω)...........................................................................................................................42
Độ đục.....................................................................................................................42
(%)...........................................................................................................................42
FTO..........................................................................................................................42
Thickness.................................................................................................................42
(nm).........................................................................................................................42
Dung sai bề dày.......................................................................................................42

(mm)........................................................................................................................42
Dung sai kích cỡ......................................................................................................42
(%)...........................................................................................................................42
Độ phẳng.................................................................................................................42

vi


3.2 mm.....................................................................................................................42
≥ 78..........................................................................................................................42
11-13........................................................................................................................42
≤ 8............................................................................................................................42
750...........................................................................................................................42
± 0.2.........................................................................................................................42
± 0.1.........................................................................................................................42
≤ 0.3%......................................................................................................................42
Tên thường gọi........................................................................................................42
Ruthenium-B1 (hay cịn gọi là "Rut-B1")..............................................................42
Tên hóa học.............................................................................................................42
cis-[Ru(H2dcbpy)(L)(NCS)2, ký hiệu Rut-B1, trong đó H2dcbpy = 4,4’dicarboxy-2,2’-bipyridine, và L = 4-(4-carbazole-9-yl-styryl)-4’-methyl-2,2’bipyridine (Rut-B1)..................................................................................................42
Cơng thức phân tử...................................................................................................42
C45H31N7O4RuS2.................................................................................................42
Khối lượng phân tử.................................................................................................42
898.97 g/mol............................................................................................................42
Tên thường gọi........................................................................................................43
HMP-11...................................................................................................................43
Tên hóa học.............................................................................................................43
cis-[Ru(H2dcbpy)(L)(NCS)2, ký hiệu HMP-11, trong đó H2dcbpy = 4,4dicarboxylic acid-2,2’-bipyridine, và L = 4,4’-bis-(4-(N-carbazolyl)-phenyl-2vinyl)-2,2’-bipyridine...............................................................................................43
Công thức phân tử...................................................................................................43
C64H42N8O4RuS2.................................................................................................43

vii


Khối lượng phân tử.................................................................................................43
1152.27 g/mol..........................................................................................................43
Tên thường gọi........................................................................................................44
HMP-12...................................................................................................................44
Tên hóa học.............................................................................................................44
cis-[Ru(H2dcbpy)(L)(NCS)2], ký hiệu HMP-12, trong đó H2dcbpy = 4,4’dicarboxylic acid-2,2’-bipyridine, và L = 4,4’-bis-(4-(3,6-dimethoxy-Ncarbazolyl)-phenyl-2-vinyl)-2,2’-bipyridine............................................................44
Công thức phân tử...................................................................................................44
C68H50N8O8RuS2.................................................................................................44
Khối lượng phân tử.................................................................................................44
1272.37 g/mol..........................................................................................................44
4.1.2. Các phương pháp phân tích sử dụng trong khóa luận

44

4.1.3.2. Hấp phụ chất mầu nhạy sáng vào màng TiO2...................................49
Đầu tiên là pha dung dịch chất mầu nhạy sáng (pha chất màu N3 và dùng 3
chất màu mới hoàn toàn: Rut-B1, HMP-11 và HMP-12), pha 10 mg mỗi loại chất
màu N3, Rut-B1, HMP-11 và HMP-12 lần lượt vào từng cốc chứa 50 ml dung
dịch (DMF) 99%. Dùng đũa thủy tinh khuấy kỹ và đợi cho chất mầu tan hết.......49
4.2. Kết quả và thảo luận........................................................................................51
4.2.1. Kết quả SEM đo màng xốp TiO2 trên đế FTO và màng Platin trên đế
FTO

51

Dyes.........................................................................................................................55
HOMO.....................................................................................................................55

(eV)..........................................................................................................................55
Band gap..................................................................................................................55
(eV)..........................................................................................................................55
viii


LUMO.....................................................................................................................55
(eV)..........................................................................................................................55
UV-Vis....................................................................................................................55
(λmax, nm)..............................................................................................................55
ε (M-1 cm-1)...........................................................................................................55
N3............................................................................................................................55
-5.52.........................................................................................................................55
1.68..........................................................................................................................55
-3.84.........................................................................................................................55
530...........................................................................................................................55
14,500......................................................................................................................55
Rut-B1.....................................................................................................................55
-5.41.........................................................................................................................55
2.39..........................................................................................................................55
-3.02.........................................................................................................................55
527...........................................................................................................................55
17300.......................................................................................................................55
HMP-11...................................................................................................................55
-5.38.........................................................................................................................55
2.05..........................................................................................................................55
-3.33.........................................................................................................................55
539...........................................................................................................................55
21,430......................................................................................................................55
HMP-12...................................................................................................................55

-5.40.........................................................................................................................55
ix


2.08..........................................................................................................................55
-3.32.........................................................................................................................55
536...........................................................................................................................55
21.436......................................................................................................................55
Dyes.........................................................................................................................57
JSC...........................................................................................................................57
(mA/cm2)................................................................................................................57
VOC.........................................................................................................................57
(V)............................................................................................................................57
FF.............................................................................................................................57
η57
(%)...........................................................................................................................57
N3............................................................................................................................57
10.17........................................................................................................................57
0.613........................................................................................................................57
4.23..........................................................................................................................57
Rut-B1.....................................................................................................................57
7.64..........................................................................................................................57
0.731........................................................................................................................57
3.57..........................................................................................................................57
HMP-11...................................................................................................................57
9.06..........................................................................................................................57
0.716........................................................................................................................57
4.11..........................................................................................................................57
HMP-12...................................................................................................................57
x

9.27..........................................................................................................................57
0.708........................................................................................................................57
4.46..........................................................................................................................57
STT..........................................................................................................................58
Mẫu..........................................................................................................................58
Mơ tả........................................................................................................................58
Diện tích..................................................................................................................58
(cm2).......................................................................................................................58
Dịng ra....................................................................................................................58
I(mA/cm2)...............................................................................................................58
Điện áp ra................................................................................................................58
U(V).........................................................................................................................58
158
Mấu 1.......................................................................................................................58
Dye N3.....................................................................................................................58
0.25..........................................................................................................................58
2.54..........................................................................................................................58
0.66..........................................................................................................................58
258
Mấu 2.......................................................................................................................58
Dye N3.....................................................................................................................58
0.25..........................................................................................................................58
2.53..........................................................................................................................58
0.65..........................................................................................................................58
358
xi

Mẫu 3.......................................................................................................................58
Dye Rut-B1..............................................................................................................58
0.25..........................................................................................................................58
1.89..........................................................................................................................58
0.62..........................................................................................................................58
458
Mẫu 4.......................................................................................................................58
Dye Rut-B1..............................................................................................................58
0.25..........................................................................................................................58
1.90..........................................................................................................................58
0.61..........................................................................................................................58
558
Mẫu 5.......................................................................................................................58
Dye HMP-11...........................................................................................................58
0.25..........................................................................................................................58
2.26..........................................................................................................................58
0.61..........................................................................................................................58
658
Mẫu 6.......................................................................................................................58
Dye HMP-11...........................................................................................................58
0.25..........................................................................................................................58
2.25..........................................................................................................................58
0.60..........................................................................................................................58
758
Mẫu 7.......................................................................................................................58
xii


Dye HMP-12...........................................................................................................58
0.25..........................................................................................................................58

2.30..........................................................................................................................58
0.68..........................................................................................................................58
858
Mẫu 8.......................................................................................................................58
Dye HMP-12...........................................................................................................58
0.25..........................................................................................................................58
2.29..........................................................................................................................58
0.67..........................................................................................................................58

Danh sách các ký hiệu viết tắt

xiii


- cường độ ánh sáng tại bề mặt trái
đất

AM 1.5

- 4,4’-dicarboxy-2,2’-bipyridine
DMF

- N,N-dimethylformamide

DSSC (Dye – sensitized Solar Cell)

- pin mặt trời hữu cơ sử dụng chất
màu nhạy sáng

Eg

- năng lượng vùng cấm(eV)

DAOSC (Donor – Acceptor Organic Solar Cell)
- Pin mặt trời dạng cho nhận
FF(fill factor)(%)

- pin mặt trời dạng cho nhận

FTO (fluorinated tin oxide)

- kính dẫn điện trong suốt FTO

HOMO (Highwest Occupied Molecular Orbital)
- Quỹ đạo phân tử lấp đầy cao nhất
IPCE (Incident photon to current conversion
efficiency)

- quỹ đạo phân tử lấp đầy cao nhất

MLCT (metal-to-ligand charge tranfer)

- sự dịch chuyển điện tích kim loạiligand

LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)
- Quỹ đạo phân tử bỏ trống thấp nhất
OSC (Organic solar cell)

- quỹ đạo phân tử bỏ trống thấp nhất

- hệ số điền đầy

- hiệu suất chuyển đổi dòng photon
thành điện

- pin mặt trời hữu cơ

SEM (Scanning Electron Microscope)
ε-molar extinciton coefficient (M-1cm-1)

- hệ số dập tắt phân tử

VOC (open circuit voltage)(V)

- thế hở mạch

ISC (short circuit photocurrent density)(mA/cm2)

- dòng ngắn mạch

λmax (wavelength of maximum absorption)(nm)

- bước sóng hấp thụ cực đại

η (power conversion efficiency)

- hiệu suất chuyển hóa năng lượng

Danh sách hình vẽ

xiv


1-1

Cấu tạo pin mặt trời DAOSC

4

1-2

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của DAOSC

5

1-3

Quá trình hình thành và phân ly exiton bởi quá trình PICT

6

1-4

Các chất donor tiêu biểu dùng trong OSC

1-5

Các chất aceptor tiêu biểu dùng trong OSC

9

2-1

Cấu trúc điển hình của một DSSC

16

2-2

Sự truyền điện tử thơng qua chất màu nhạy sáng

17

2-3

Mơ hình hoạt động của pin DSSC

18

2-4

Ảnh SEM của màng nano TiO2 (anatase) dùng trong DSSC

19

2-5

Cấu trúc hóa học của phức N3

21

2-6

Các dạng thù hình của TiO2

23

2-7

Vị trí vùng cấm của các chất bán dẫn khác nhau

24

2-8

Vai trò acceptor của TiO2 trong pin mặt trời

25

2-9

Đặc trưng J-V của OSC

29

3-1

Một số chất nhạy sáng điển hình

31

3-2

Hiệu suất chuyển đổi dòng photon tới của N719

33

3-3

Đặc trưng J-V của pin mặt trời dựa trên phức N719

33

3-4

Đặc trưng J-V của pin mặt trời dựa trên phức Ruthenium Black dye

34

3-5

Chất màu nhạy sáng Ruthenium chứa nhóm kỵ nước

35

3-6

Độ bền của linh kiện pin mặt trời sử dụng chất màu N-719 và Z-907

36

3-7

Chất nhạy sáng Ruthenium có hệ số dập tắt cao

37

3-8

Một số chất màu có hệ số dập tắt cao

38

xv

8-9


3-9

Cấu trúc phân tử của Rut-B1, HMP-11, và HMP-12

39

4-1

Phổ truyền qua của kính FTO trước và sau khi phủ lớp TiO2

41

4-2

Cấu trúc hóa học của Rut-B1

42

4-3

Cấu trúc hóa học của HMP-11

43

4-4

Cấu trúc hóa học của HMP-12

44

4-5

Mơ hình chế tạo một pin mặt trời hữu cơ

47

4-6

Cấu trúc và quy trình chế tạo DSSC

47

4-7

Màng TiO2 phủ lên đế FTO

48

4-8

Thấm màu cho cho lớp màng TiO2

49

4-9

Màng TiO2 trước (a) và sau khi được thấm màu (b)

50

4-10

Một pin mặt trời hoàn thiện

51

4-11

Ảnh SEM của màng TiO2 trên đế FTO

52

4-12

Ảnh SEM của màng Platin trên đế FTO

53

4-13

Phổ hấp thụ của các chất màu nhạy sáng Rut-B1, HMP-11, HMP-12
trong DMF

54

4-14

Đặc trưng J-V của DSSC sử dụng 3 chất nhạy sáng Rut-B1, HMP11, HMP-12 trong điều kiện tiêu chuẩn AM 1.5 (100 mW/cm2)

56

Danh sách bảng biểu

xvi


1-1

Hiệu suất của một số pin mặt trời hữu cơ

12

4-1

Các thông số của dung dịch chất điện li Iodolyte PMII-50

41

4-2

Các thơng số kỹ thuật của kính FTO

42

4-3

Các thơng số kỹ thuật của Rut-B1

42

4-4

Các thông số kỹ thuật của HMP-11

43

4-5

Các thông số kỹ thuật của HMP-12

44

4-6

Tính chất quang và điện hóa của các chất nhạy sáng Ru-B1, HMP11, HMP-12

55

4-7

Hiệu suất quang điện của các chất nhạy sáng Rut-B1, HMP-11,
HMP-12 trong DSSCs dưới điều kiện AM 1.5 (100 mW/cm2)

57

4-8

Kết quả đo các pin hoàn thiện dưới điều kiện giữa trưa

58

xvii


MỞ ĐẦU

Trong thế kỷ XXI năng lượng là vấn đề hàng đầu mà thế giới phải giải quyết( Theo
Richard Smalley, Nobel Laureate). Nhất là trong bối cảnh nguồn dầu mỏ bị cạn
kiệt, giá thành ngày càng lên cao, nguồn cung cấp khơng ổn định. Nguồn than đá
cũng có hạn và gây ơ nhiễm mơi trường. Vì vậy việc tìm kiếm nguồn năng lượng
khác mà có khả năng tái tạo đang đặt ra bài toán giải quyết của các nhà khoa học
trong mọi lĩnh vực. Những nguồn năng lượng triển vọng như năng lượng hạt nhân,

nhiệt hạch, năng lượng sinh học, năng lượng gió, năng lượng mặt trời…. So với
các nguồn năng lượng khác nguồn năng lượng mặt trời có những ưu điểm:
-

Nguồn năng lượng vơ tận

-

Trang thiết bị đơn giản

-

Có thể triển khai mọi nơi

-

Năng lượng sạch không gây ô nhiễm mơi trường.

Năng lượng mặt trời có thể sử dụng bằng nhiều công nghệ khác nhau:
-

Công nghệ quang điện: Photovoltaic Solar Cell

-

Công nghệ nhiệt mặt trời: Solarthermal (năng lượng mặt trời  nhiệt).

-

Phát điện mặt trời: Solar thermal power generation

-

Chiếu sáng: Lighting.

Chuyển hóa năng lượng mặt trời theo cơng nghệ chế tạo pin mặt trời đã được
nghiên cứu từ lâu. Pin mặt trời vô cơ đã đã được triển khai nghiên cứu, ứng dụng
trong hầu hết các nghành kinh tế, khoa học và công nghệ. Tuy nhiên pin mặt trời
vô cơ có cơng nghệ sản xuất phức tạp, giá thành cao. Để khắc phục những nhược
điểm của pin mặt trời vô cơ dựa trên silicon. Việc nghiên cứu thay thế bằng pin

1


mặt trời vô cơ đang được triển khai mạnh. So với pin vô cơ (Inorganic Solar cell),
pin mặt trời hữu cơ (Organic Solar Cell) OSC có những ưu điểm sau:
-

Cơng nghệ đơn giản

-

Tính mềm dẻo trong suốt

-

Dễ biến tính, có độ linh động cao

-

Nhẹ và giá thành thấp

Với những lợi ích và triển vọng mà pin mặt trời OSC mang lại và đặc biệt là pin
mặt trời sử dụng chất màu nhạy sáng DSSC, đã thôi thúc tôi thực hiện đề tài này.
Trong khóa luận em tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của chất màu nhạy sáng
tới hiệu suất chuyển hóa năng lượng của pin mặt trời chất màu nhạy sáng sử dụng
các chất màu mới Rut-B1, HMP-11, HMP-12 có hệ số dập tắt cao.

2


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ (OSC)

1.1. Giới thiệu về pin mặt trời hữu cơ nano
Từ những năm 1970 của thế kỷ trước. Pin mặt trời bán dẫn hữu cơ đã được nghiên
cứu chế tạo nhưng vì hiệu suất chuyển hóa thấp nên nó khơng được chú ý. Đến
năm 1986 C.tang của Eastman Kodak phát minh ra pin mặt trời hữu cơ trên cơ sở
hỗn hợp của Copper Phtalocyanine (CuPc) và Perylene tetracarboxtlic derivation
với hiệu suất chuyển hóa trên 1% mở ra triển vọng có thể phát triển ứng dụng loại
pin OSC. Sau đó là một loạt cơng trình khoa học và phát minh sáng chế về pin mặt
trời hữu cơ nano (NOSC). So với pin mặt trời vơ cơ, pin mặt trời hữu cơ nano có
những ưu điểm:
-

Cơng nghệ đơn giản, có khả năng tạo tấm lớn

-

Tính mềm dẻo, trong suốt

-

Dễ biến tính, có độ linh động cao

-

Nhẹ và giá thành thấp

Từ năm 1990 cùng với sự phát triển công nghệ nano các nhà khoa học đã có thể chế
tạo vật liệu hữu cơ, vật liệu lai có cấu trúc nano, màng mỏng nano mở ra triển vọng chế
tạo pin OSC có cấu trúc nano với hiệu suất chuyển hóa cao, có thể áp dụng trong mọi
nghành kinh tế quốc dân, trong mọi địa hình và hồn cảnh mơi trường.
Pin mặt trời hữu cơ có cấu trúc nano có thể chia thành hai loại chính:
-

Loại pin mặt trời hữu cơ Donor/Aceptor (D-A Solar Cell – D/A OSC)

-

Loại pin OSC cảm ứng thuốc nhuộm màu ( Dye-sensitized Solar Cell - DSSC).

1.2. Pin mặt trời hữu cơ dạng Donor/Aceptor
1.2.1. Cấu tạo DAOSC
Cấu tạo cơ bản của DAOSC bao gồm các thành phần chính : kim loại điện cực
dương/ bán dẫn hữu cơ/ kim loại điện cực âm. Để có hiệu suất chuyển hóa cao, điện cực
dương thường dùng là Indium Tin Oxit (ITO), điện cực âm là kim loại nhôm, canxi, vàng
3

bạc, bạch kim. Lớp bán dẫn hữu cơ hoạt tính quang có độ dày khoảng 100nm, bao gồm
lớp cho điện tử (electron Donor D) và lớp nhận điện tử (Electron Aceptor A). Tùy theo
công nghệ chế tạo lớp bán dẫn hữu cơ hoạt tính quang mà người ta chia thành các loại
sau:

Hình1-1: Cấu tạo pin mặt trời DAOSC
Có hai loại cấu trúc lớp bán dẫn hữu hoạt tính quang (hình 1-1):
- Cấu tạo lớp kép (bi – layer).
- Cấu tạo hỗn hợp chất D và A (Bulk heterojuntion).
Nguyên lý hoạt động
Cơ chế tạo dịng điện ở mạch ngồi:
Khi bị chiếu sáng, chất donor hấp thụ ánh sáng. Điện tử π tự do chuyển lên trạng
thái kích thích exiton π* tạo thành cặp điện tử và lỗ trống. Những exiton này chuyển động
khuếch tán tự do đến bờ biên của chất acceptor. Điện tử và lỗ trống phân ly. Điện tử
chuyển về hướng có ái lực mạnh là acceptor, cịn lỗ trống chuyển về hướng ngược lại là
donor (Hình 1-2).

4


Bi-layer

Bulk-heterojuntion

Hình 1-2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của DAOSC
Quá trình này làm điện tử và lỗ trống chuyển động về hai điện cực tạo thành dịng
điện mạch ngồi. Đó là hiệu ứng quang điện (Photovoltaic effect).
Quá trình hình thành exiton:
Hỗn hợp chất bán dẫn hữu cơ polyme và C60 khi bị ánh sáng chiếu vào, các điện tử π
chuyển lên trạng thái kích thích và tạo thành exiton. Trong cấu trúc của chất bán dẫn hữu

cơ có mạch liên hợp, quỹ đạo điện tử ngồi cùng có bốn điện tử thì ba điện tử liên kết σ
cịn một điện tử ở quỹ đạo pz, điện tử này liên kết với điện tử p z của cacbon kế bên để tạo
liên kết π. Vì vậy, điện tử mạch liên hợp dễ chuyển vị trạng thái theo dao động π π*.
Khi đó, điện tử của dải hóa trị chuyển sang dải dẫn. Năng lượng vùng cấm E g từ dải
hóa trị lên dải dẫn, giống như bán dẫn vơ cơ, có giá trị khoảng 1,5 – 3 eV, bằng năng
lượng của ánh sáng nhìn thấy. Vì vậy, khi chiếu ánh sáng nhìn thấy vào thì sẽ sinh ra
exiton nhờ chuyển vị π π*.

5


Sự khuyếch tán của exiton và sự phân ly điện tử/lỗ trống ở mặt biên D/A

Hình 1-3: Quá trình hình thành và phân ly exiton bởi quá trình PICT
Khi chiếu ánh sáng vào lớp bán dẫn hữu cơ/ C60 có hoạt tính quang, phân tử chất bán
dẫn hữu cơ nhận năng lượng của ánh sáng chuyển thành trạng thái kích thích exiton. Các
exiton này khuếch tán trong chất bán dẫn donor, quãng đường khuếch tán của nó có độ
dài khoảng 10 – 30 nm. Khoảng cách này là rất nhỏ so với độ dày của lớp bán dẫn hữu cơ
là 100 nm. Đây chính là nguyên nhân gây ra hiệu suất chuyển hóa thấp trong OSC. Trong
cấu trúc Bulk – heterojuntion của OSC đã khắc phục được nhược điểm này. Khi exiton
được sinh ra có thể khuếch tán mọi phương hướng vì vậy khi đến vùng biên bề mặt D/A
hoặc bề mặt tiếp xúc với điện cực, sự phân ly điện tử và lỗ trống xảy ra trước khi nó tái
kết hợp với thời gian rất nhanh. Trong trường hợp tái kết hợp phát ra năng lượng huỳnh
quang (photoluminescence). Thời gian các cặp điện tử và lỗ trống tái hợp xảy ra trong vài
6