(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của pin mặt trời dựa trên cấu trúc lai dây nano silic poly(3,4 ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate graphen
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.49 MB, 57 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Nguyễn Thị Châm
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA
PIN MẶT TRỜI DỰA TRÊN CẤU TRÚC LAI DÂY NANO
SILIC/POLY(3,4-ETHYLENEDIOXYTHIOPHENE):POLYSTYRENE
SULFONATE/GRAPHEN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - 2020
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Nguyễn Thị Châm
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA
PIN MẶT TRỜI DỰA TRÊN CẤU TRÚC LAI DÂY NANO
SILIC/POLY(3,4-ETHYLENEDIOXYTHIOPHENE):POLYSTYRENE
SULFONATE/GRAPHEN
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 8440130.02
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Phạm Văn Trình
PGS.TS. Lê Tuấn Tú
Hà Nội - 2020
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này là cơng trình nghiên cứu do chính tơi −
học viên Nguyễn Thị Châm, chuyên ngành Vật lý chất rắn, khoa Vật lý, trường
Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội hoàn thành dưới sự hướng
dẫn của TS. Phạm Văn Trình và PGS.TS. Lê Tuấn Tú. Bản luận văn không sao
chép từ bất kỳ tài liệu nào. Nếu bản luận văn này được sao chép từ bất kỳ tài liệu
nào tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước đơn vị đào tạo và pháp luật.
Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2020
Học Viên
Nguyễn Thị Châm
LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Lê Tuấn Tú và
TS. Phạm Văn Trình, những người đã trực tiếp giao đề tài và tận tình hướng dẫn
em hồn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn toàn thể cán bộ trong phịng Vật liệu Cácbon
nanơ, Viện Khoa học Vật liệu đã cung cấp cơ sở vật chất và chỉ bảo tận tình em
trong suốt quá trình làm thực nghiệm, nghiên cứu, hồn thành luận văn.
Em xin được bày tỏ lịng biết ơn đối với các thầy cô giáo thuộc Khoa Vật lý,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã chỉ bảo và
giảng dạy em trong suốt những năm học qua cũng như việc hoàn thành luận văn
này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến GS. Naoki Fukata tại viện NIMS, Nhật Bản
đã luôn sẵn sàng ủng hộ, giúp đỡ tôi thực hiện một số phép đo và khảo sát tính
chất vật liệu phục vụ cho luận văn.
Nội dung của luận văn là một phần công việc của đề tài Độc lập trẻ cấp Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam mã số ĐLTE00.03/19-20 và đề tài
Nafosted mã số 104.06-2018.34
Cuối cùng, xin được bày tỏ tình cảm tới những người thân trong gia đình,
các bạn trong tập thể lớp đã động viên, hỗ trợ em về mọi mặt.
Em xin chân thành cảm ơn!
Học viên: Nguyễn Thị Châm
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
Chương 1. TỔNG QUAN................................................................................................ 3
1.1. Tổng quan về pin mặt trời ........................................................................................3
1.1.1. Năng lượng mặt trời .............................................................................................. 3
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ...................................................................3
1.1.4. Pin mặt trời cấu trúc lai vô cơ-hữu cơ ...................................................................8
1.2. Tình hình nghiên cứu về pin mặt trời trong nước ..................................................13
Chương 2. THỰC NGHIỆM .........................................................................................17
2.1. Chế tạo hỗn hợp PEDOT:PSS/Gr ...........................................................................17
2.2. Chế tạo SiNW .........................................................................................................20
2.3. Chế tạo pin mặt trời ................................................................................................ 21
2.4. Các phương pháp phân tích ....................................................................................22
2.4.1. Kính hiển vi điện tử quét .....................................................................................22
2.4.2. Phổ tán xạ Raman ................................................................................................ 23
2.4.3. Phổ FTIR và Phổ UV-VIS ...................................................................................24
2.4.4. Khảo sát độ dẫn bằng phương pháp đo điện trở bốn mũi dò............................... 25
2.4.5. Đặc trưng J-V .....................................................................................................26
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .....................................................................27
3.1. Kết quả biến tính Graphen ......................................................................................27
3.2. Tính chất của màng PEDOT:PSS/Gr .....................................................................28
3.3. Kết quả chế tạo SiNW ............................................................................................ 31
3.4. Đặc trưng tính chất của pin mặt trời .......................................................................33
3.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ graphen ........................................................................33
3.4.2. Ảnh hưởng của chiều dài SiNW ..........................................................................35
KẾT LUẬN ...................................................................................................................40
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CÔNG BỐ ............................................................ 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 42
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
CFs
Carbon fibers
Sợi các bon
CNTs
Carbon Nanotubes
Ống nanô cacbon
CVD
Chemical Vapor Deposition
Ngưng tụ pha hơi hoá học
Energy Dispersive X-Ray
spectroscopy
Fourier Tranform Infrared
spectroscopy
Phổ tán xạ năng lượng tia
X
Gr
Graphen
Graphen
J-V
Current density- Voltage
Đặc trưng dòng-thế
MWCNTs
Multi-Walled Carbon Nanotubes
Ống nanơ cacbon đa
tường
PEDOT:PSS
poly(3,4ethylenedioxythiophene):polystyrene
sulfonate
SEM
Scanning Electron Microscopy
Kính hiển vi điện tử quét
SiNWs
Silicon nanowires
Dây nano Silic
SWCNTs
Single-Walled Carbon Nanotubes
Ống nanô cacbon đơn
tường
UV-VIS
Ultraviolet–visible spectroscopy
Phổ hấp thụ hồng ngoại
EDX
FTIR
Phổ hồng ngoại
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1.
Phổ bức xạ mặt trời
3
Hình 1.2.
Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hình
4
Hình 1.3.
Hiệu ứng quang điện
5
Hình 1.4.
Giá thành($/Wp) và hiệu suất của các thế hệ pin mặt trời
7
Hình 1.5.
Hiệu suất cao nhất thu được của pin mặt trời dựa trên cấu trúc,
vật liệu khác nhau
7
Hình 1.6.
Pin mặt trời sử dụng SiNW với cấu trúc pn dạng lõi-vỏ
9
Hình 1.7.
Pin mặt trời sử dụng cấu trúc hybrid Si NW/PEDOT:PSS có
hiệu suất 13.2% (a) SiNW, (b) SiNW sau khi được phủ
PEDOT:PSS, (c) đặc trưng J-V và (d) hệ số phản xạ
10
Hình 1.8.
Các tính chất của pin mặt trời sử dung cấu trúc hybrid
SiNW/PEDOT:PSS/GO
11
Hình 1.9.
(a) Pin mặt trời sử dụng cấu trúc PEDOT:PSS/Si và GQDs, (b)
Đặc trưng J-V của pin mặt trời với nồng độ GQD khác nhau và
(c) hiệu suất lượng tử ngoại của pin mặt trời
12
Hình 1.10.
Đặc trưng I/V của pin mặt trời sử dụng cấu trúc Au@TiO2
13
Hình 1.11
Pin mặt trời hữu cơ có hiệu suất chuyển đổi lớn hơn 10%
13
Hình 1.12
Đặc trưng I/V của pin mặt trời sử dụng cấu trúc
ITO/PEDOT/P3HT:PCBM/LiF/Al
(WOSC) and ITO/ZnO/PEDOT/P3HT:PCBM/LiF/Al (BOSC)
14
Hình 1.13
Mơ hình cấu trúc của pin mặt trời sử dụng cấu trúc hybrid
SiNW/PEDOT:PSS/Gr và các điểm ưu việt của nghiên cứu
15
Hình 2.1.
Quy trình chế tạo pin mặt trời SiNW/PEDOT:PSS/Gr
17
Hình 2.2.
Quy trình chế tạo hỗn hợp dung dịch PEDOT:PSS/Gr
18
Hình 2.3.
(a) Ảnh SEM và (b) ảnh HRTEM của graphen chế tạo bằng
phương pháp bóc tách điện hóa có hỗ trợ plasma
18
Hình 2.4.
Qui trình biến tính gắn nhóm chức COOH lên ống graphen
19
Hình 2.5.
Quy trình chế tạo SiNW bằng phương pháp ăn mịn hóa học
20
Hình 2.6.
Quy trình chế tạo pin mặt trời SiNW/PEDOT:PSS/Gr và một số
thiết bị
21
Hình 2.7.
Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử qt
23
Hình 2.8.
(a) Sơ đồ hệ FTIR và (b) mơ hình mẫu đo
24
Hình 2.9.
Thiết bị đo UV-VIS (Jacos V670)
25
Hình 2.10.
Sơ đồ đo điện trở bằng phương pháp 4 mũi dò (a) và thiết bị đo
JANDEL (b)
25
Hình 2.11.
Hệ đo đặc trưng J-V của pin mặt trời
26
Hình 3.1.
Phổ Raman của Graphen và Gr-COOH
27
Hình 3.2.
Phổ FTIR của Graphen và Gr-COOH
28
Hình 3.3.
Ảnh SEM của màng PEDOT:PSS/Gr trên đế thủy tinh
29
Hình 3.4.
Phổ Raman của màng PEDOT:PSS/Gr trên đế thủy tinh
29
Hình 3.5.
UV-VIS của màng PEDOT:PSS/Gr trên đế thủy tinh
30
Hình 3.6.
Điện trở và độ dẫn điện của màng PEDOT:PSS/Gr trên đế thủy
tinh
31
Hình 3.7.
SiNW được chế tạo theo thời gian khác nhau 1, 3, 6, 15, 30 và
60 phút trong hỗn hợp dung dịch HF 4.6M + AgNO3 0.02M
31
Hình 3.8.
Tốc độ hình thành SiNW theo thời gian ăn mịn
32
Hình 3.9.
Quy trình chế tạo pin mặt trời cấu trúc lai n-Si/PEDOT:PSS/Gr
33
Hình 3.10.
Đặc trưng J-V của pin mặt trời theo nồng độ Gr khác nhau
34
Hình 3.11.
Hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời theo nồng độ Gr khác
nhau
35
Hình 3.12.
Ảnh hưởng của chiều dài SiNW đến sự hình thành cấu trúc lai
SiNW/PEDOT:PSS/Gr
35
Hình 3.13.
Hệ số phản xạ của pin mặt trời cấu trúc SiNW/PEDOT:PSS/Gr
với chiều dài SiNW khác nhau
36
Hình 3.14.
Hiệu suất lượng tử ngoại của pin mặt trời cấu trúc
SiNW/PEDOT:PSS/Gr với chiều dài SiNW khác nhau
37
Hình 3.15.
Đặc trưng J-V của pin mặt trời theo chiều dài SiNW khác nhau
38
Hình 3.16.
Chuẩn hóa các thơng số Jsc, Voc và FF của pin mặt trời theo
chiều dài SiNW khác nhau
38
MỞ ĐẦU
Hiện nay các nguồn năng lượng truyền thống như dầu, khí đốt đang dần bị cạn kiệt
do nhu cầu sử dụng tăng cao cùng với sự phát triển của lồi người. Vì vậy, việc tìm ra
những nguồn năng lượng mới để thay thế là hết sức cần thiết, trong những nguồn năng
lượng đó, năng lượng mặt trời được coi như một nguồn năng lượng thay thế có tiềm
năng nhất. Kể từ khi được phát hiện cho đến nay, đã có rất nhiều cấu trúc pin mặt trời
được nghiên cứu và phát triển và được phân chia thành ba hệ pin mặt trời chính: (I) pin
mặt trời trên cơ sở vật liệu Si khối (đơn tinh thể, đa tinh thể), (II) pin mặt trời trên cơ sở
màng mỏng (CIGS, CdTe, DSSC, v.v...) và (III) pin mặt trời dựa trên các cấu trúc nano
và vật liệu nano. Pin mặt trời thương mại hiện nay thường được chế tạo trên nền tảng
vật liệu Si dạng khối khơng những địi hỏi chi phí chế tạo cao mà còn hạn chế về mặt
hiệu suất. Vì vậy, việc khai thác nguồn năng lượng này đang bị hạn chế rất nhiều bởi
giá thành cung cấp quá cao so với nhưng nguồn năng lượng khác. Nhu cầu nghiên cứu
những thế hệ pin mặt trời mới với hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, giá thành hạ và
tuổi thọ dài là hết sức cần thiết. Nhiều cách tiếp cận đã được thực hiện để hạ thấp giá
thành của pin mặt trời dựa trên nền tảng vật liệu Si, trong đó pin mặt trời Si sử dụng cấu
trúc màng mỏng được phát triển là một giải pháp tiềm năng; tuy nhiên, pin mặt trời Si
cấu trúc màng mỏng lại có hiệu suất thấp hơn so với pin mặt trời dạng khối do khả năng
hấp thụ quang bị hạn chế bởi chiều dày của lớp vật liệu. Pin mặt trời hữu cơ được nghiên
cứu phát triển với kỳ vọng là hạ được giá thành cung cấp. Tuy nhiên, vấn đề chính đối
với pin mặt trời hữu cơ đó chính là hiệu suất chuyển đổi đạt được chưa cao và có độ ổn
định thấp. Gần đây, thế hệ pin mặt trời dựa trên nền tảng sử dụng cấu trúc lai kết hợp
vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ đã và đang nhận được sự kỳ vọng và quan tâm của các
nhà nghiên cứu trong việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi bằng cách cải thiện khả năng
hấp thụ quang và tập chung các hạt tải. Trong đó, vật liệu vô cơ dựa trên nền tảng dây
nanô Si (SiNW) không những thể hiện khả năng hấp thụ tuyệt vời mà cịn cung cấp diện
tích bề mặt lớn khi so sánh với vật liệu Si dạng khối hay màng mỏng. Vì vậy, sử dụng
cấu trúc SiNW vào các pin mặt trời đã thu hút được sự quan tâm rất lớn của các nhà
khoa học, các kỹ sư và các nhà phát triển công nghệ hướng tới khả năng nâng cao hiệu
suất chuyển đổi và tiết kiệm chi phí sản suất khi so sánh với thế hệ pin mặt trời Si dạng
khối và dạng màng.
1
Từ những lý do trên, tập thể thầy hướng dẫn và học viên đã lựa chọn thực hiện
luận văn: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của pin mặt trời dựa trên cấu
trúc
lai
dây
nano
silic/poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene
sulfonate/graphen”.
Mục tiêu của luận văn
i) Nghiên cứu quy trình chế tạo pin mặt trời cấu trúc lai SiNW/PEDOT:PSS.
ii) Tối ưu hóa sự kết hợp các tính chất đặc biệt của vật liệu SiNW và các vật liệu
chức năng như polyme dẫn hay graphen nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi của pin
mặt trời.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Pin mặt trời cấu trúc lai vơ cơ/hữu cơ là một giải pháp có nhiều triển vọng vì sử
dụng cơng nghệ đơn giản và giá thành thấp hơn nhiều so với các pin mặt trời vơ cơ và
hữu cơ. Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo các pin mặt trời cấu trúc lai là một hướng đi mới
và nhiều triển vọng và có khả năng đáp ứng được những yêu cầu cấp bách về nghiên
cứu khoa học cũng như những ứng dụng năng lượng trong thực tiễn. Đồng thời đề tài
này cũng góp phần đẩy mạnh việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng thực tiễn vật liệu
graphen trong các linh kiện quang điện tử ở Việt Nam.
Bố cục của luận văn
Ngoài phần Mở đầu trình bày ý nghĩa và lý do lựa chọn vấn đề nghiên cứu và phần
Kết luận về những kết quả đã đạt được, luận văn được cấu trúc trong 3 Chương:
Chương 1 trình bày tổng quan về pin mặt trời và vật liệu graphen. Phần tổng quan
về pin mặt trời trình bày các thế hệ pin mặt trời, đặc trưng tính chất và tình hình nghiên
cứu về pin mặt trời ở trong nước.
Chương 2 trình bày các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận văn, bao gồm
phương pháp thực nghiệm chế tạo mẫu và các phương pháp khảo sát, đánh giá tính chất
của vật liệu.
Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số như
nồng độ graphen, kích thước graphen và chiều dài dây nano Silic đến tính chất của pin
mặt trời.
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về pin mặt trời
1.1.1. Năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời,
cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt ngun tử khác phóng ra từ các ngơi sao.
Dịng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết
nhiên liệu, vào khoảng 5 tỉ năm nữa. Con người đã biết sử dụng nguồn năng lượng này
từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và trên quy
mơ rộng thì mới chỉ thực sự vào thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng
lượng mặt trời, nhưng vùng sa mạc. Từ sau cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm
1968 và 1973, năng lượng mặt trời càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công nghiệp
phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời. Các
ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay là điện mặt trời và nhiệt mặt trời.
Hình 1.1. Phổ bức xạ mặt trời [1]
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Pin mặt trời (pin điện quang, hình 1.2) là thiết bị sản xuất ra điện năng từ các chất
bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới các tế bào quang
điện, nó sẽ sản sinh ra điện năng. Khi khơng có ánh sáng, các tế bào này ngưng sản xuất
điện. Quá trình chuyển đổi này còn được gọi là hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang
3
điện điện là một hiện tượng điện – lượng tử, trong đó các điện tử được thốt ra khỏi vật
chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ. Hiệu ứng quang điện đôi khi được
người ta dùng với cái tên hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra.
Hiện tượng: khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần
số thích hợp (lớn hơn một tần số ngưỡng đặc trưng cho mỗi kim loại), các điện tử sẽ hấp
thụ năng lượng từ các photon và chuyển lên vùng dẫn tạo thành các điện tử tự do e- đồng
thời để lại các lỗ trống mang điện dương, các hạt mang điện này di chuyển tạo ra dòng
điện (gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta
có hiệu ứng quang điện ngồi (external photoelectric effect), hình 1.3. Các điện tử không
thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung
cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là cơng thốt). Điện tử phát xạ
ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi
được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử khơng bật ra khỏi bề
mặt, thốt ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển
động trong lòng của khối vật dẫn tạo nên hiêu ứng quang điện trong (internal
photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật
dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn.
Hình 1.2. Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hình [2]
4
Hình 1.3. Hiệu ứng quang điện
Việc chuyển đổi từ ánh sáng mặt trời thành dịng điện địi 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 ngồi. 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.
1.1.3. Sự phát triển của pin mặt trời
Từ trước đến nay, các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than, dầu, khí đốt đã và
đang được sử dụng như nguồn năng lượng truyền thống. Tuy nhiên, nguồn nhiên liệu
này đang dần cạn kiệt vì hạn chế về số lượng và không thể tái tạo được. Không những
thế, sản phẩm của chúng giải phóng một lượng lớn khí CO2, là một trong những tác nhân
chính gây nên sự nóng lên tồn cầu. Vì vậy, tìm ra những nguồn năng năng lượng mới
để thay thế và giải quyết sự nóng lên tồn cầu đang nhận được rất nhiều sự quan tâm.
Các nguồn năng lượng tự nhiên như năng lượng sinh khối, năng lượng gió, năng lượng
biển, năng lượng mặt trời là những nguồn năng lượng có tiềm năng lớn cho việc thay
thế nguồn nhiên liệu hóa thạch và đóng vai trị quan trọng trong nỗ lực giảm nguồn khí
thải CO2, tránh tác động xấu đến biến đổi khí hậu. Trong đó, năng lượng mặt trời được
sử dụng rộng rãi và tiềm năng nhất. Do Việt Nam nằm ở vùng nhiệt đới cận xích đạo
nên có số giờ nắng trung bình ngày khá cao, ở miền Nam trung bình đạt 6.5 giờ/ngày,
miền Bắc là 4.1 giờ/ngày, một số địa phương có số giờ nắng trung bình ngày cao như
Cần Thơ: 6.9 giờ/ngày, Đà Lạt: 6.1 giờ/ngày… Cường độ tổng lượng bức xạ trung bình
ngày thuộc loại cao trên thế giới: 5 kWh/m2 (các khảo sát trên thế giới cho thấy cường
5
độ tổng lượng bức xạ trung bình ngày cao nhất đạt 7 kWh/m2, thấp nhất 2 kWh/m2).
Những số liệu trên cho thấy pin mặt trời có tiềm năng phát triển rất lớn ở Việt Nam.
Năm 1883, pin mặt trời đầu tiên trên thế giới được Charles Fritts chế tạo bằng cách
phủ một lớp rất mỏng kim loại vàng lên bán dẫn selen, pin mặt trời này hoạt động dựa
vào chuyển tiếp kim loại – bán dẫn và có hiệu suất khoảng 1%. Năm 1946, Russell Ohl
phát minh ra pin mặt trời chuyển tiếp hai lớp bán dẫn đầu tiên. Năm 1954, pin mặt trời
silic dạng khối được chế tạo có hiệu suất khoảng 6%; đến cuối thập niên 1980, pin mặt
trời silic đã đạt đến hiệu suất 20%, các loại pin mặt trời khác cũng được phát triển và có
hiệu suất cao (chủ yếu dựa trên nền GaAs). Năm 1989, pin mặt trời silic đã đạt đến hiệu
suất 37%.
Dựa vào lịch sử phát triển và cấu tạo của các loại pin mặt trời, người ta phân
thành bốn thế hệ pin mặt trời:
1. Thế hệ thứ nhất: pin mặt trời dạng khối, đơn tinh thể silic (còn gọi là pin mặt trời kiểu
truyền thống) được chế tạo từ đế silic, loại pin mặt trời này có hiệu suất rất cao, tuy
nhiên giá thành đắt, khó lắp đặt, kích thước nhỏ.
2. Thế hệ thứ hai: pin mặt trời được chế tạo theo công nghệ màng mỏng, các loại vật
liệu tạo thành phong phú hơn như silic đa tinh thể, vơ định hình, CdTe (cadmium telurit),
các hợp kim của CIGS (gồm đồng, indium, galium và selen) và các loại bán dẫn màng
mỏng khác. Pin mặt trời thế hệ này có hiệu suất khơng cao bằng thế hệ đầu nhưng giá
thành rẻ hơn, diện tích phơi sáng lớn hơn, gọn nhẹ hơn, có thể tích hợp nhiều chức năng
hơn.
3. Thế hệ thứ ba: Pin mặt trời dạng nano tinh thể, pin quang – điện – hóa, pin mặt trời
có thành phần hữu cơ như pin mặt trời nhuộm, pin mặt trời polymer. Ưu điểm lớn nhất
của pin mặt trời thế hệ này là giá thành rẻ hơn hẳn hai thế hệ trước, việc lắp đặt và vận
chuyển rất dễ dàng, kích thước và hình dạng của hệ rất phong phú và có thể tùy chỉnh
theo nhu cầu sử dụng, tuy nhiên hiệu suất thường khơng cao và q trình chế tạo có thể
gây ơ nhiễm môi trường.
4. Thế hệ thứ tư: Pin mặt trời lai vô cơ - hữu cơ, được chế tạo từ vật liệu nano tinh thể
phủ trên ma trận nền polymer. Thế hệ pin mặt trời này cải thiện được hiệu suất so với
6
pin mặt trời thế hệ thứ ba và thân thiện với môi trường hơn. Hiện nay, pin mặt trời thế
hệ thứ tư đang là hướng nghiên cứu được các nước phát triển chú trọng nhất.
Hình 1.4. Giá thành($/Wp) và hiệu suất của các thế hệ pin mặt trời [3].
Hình 1.5. Hiệu suất cao nhất thu được của pin mặt trời dựa trên cấu trúc, vật
liệu khác nhau [4]
7
Pin mặt trời thương mại hiện nay thường được chế tạo trên nền tảng vật liệu Si
dạng khối không những địi hỏi chi phí chế tạo cao mà cịn hạn chế về mặt hiệu suất
(Hình 1.4). Vì vậy, việc khai thác nguồn năng lượng này đang bị hạn chế rất nhiều bởi
giá thành cung cấp quá cao so với nhưng nguồn năng lượng khác. Nhu cầu nghiên cứu
những thế hệ pin mặt trời mới với hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, giá thành hạ và
tuổi thọ dài là hết sức cần thiết. Nhiều cách tiếp cận đã được thực hiện để hạ thấp giá
thành của pin mặt trời dựa trên nền tảng vật liệu Si, trong đó pin mặt trời Si sử dụng cấu
trúc màng mỏng được phát triển là một giải pháp tiềm năng [3]. Tuy nhiên, pin mặt trời
Si cấu trúc màng mỏng lại có hiệu suất thấp hơn so với pin mặt trời dạng khối do khả
năng hấp thụ quang bị hạn chế bởi chiều dày của lớp vật liệu (Hình 1.5). Pin mặt trời
hữu cơ được nghiên cứu phát triển với kỳ vọng là hạ được giá thành cung cấp. Tuy
nhiên, vấn đề chính đối với pin mặt trời hữu cơ đó chính là hiệu suất chuyển đổi đạt
được chưa cao và có độ ổn định thấp.
1.1.4. Pin mặt trời cấu trúc lai vô cơ-hữu cơ
Pin mặt trời thương mại được nghiên cứu và chế tạo trên nền silic do có nguồn
tài nguyên dồi dào (Si là nguyên tố phổ biến thứ 2 trên thế giới), dễ dàng chế tạo, khơng
độc hại, có khả năng hoạt động bền bỉ trong thời gian dài [7]. Tuy nhiên, bề mặt silic
phẳng có hệ số phản xạ ánh sáng cao nên hầu hết bức xạ mặt trời tới đều không được
hấp thụ dẫn đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp. Do đó, các nhà khoa học đã tập
trung nghiên cứu tìm ra các phương pháp làm giảm hệ số phản xạ của silic [6]. Trong
đó, phương pháp tạo cấu trúc nano trên bề mặt silic được coi là một trong những phương
pháp đầy hứa hẹn làm giảm hệ số phản xạ của silic [7]. Si cấu trúc nano làm tăng diện
tích bề mặt dẫn đến giảm hệ số phản xạ, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng, do đó tăng
hiệu quả chuyển đổi năng lượng [8,9].
Thơng thường có hai cách tạo cấu trúc nano silic là “từ trên xuống” và “từ dưới
lên”. Nhiều phương pháp “từ dưới lên” đã được áp dụng để chế tạo dây nano silic như
phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học [10-12], epitaxy chùm phân tử [13], bốc bay
nhiệt [14-15]. Tuy nhiên, các phương pháp này thường khó thực hiện do cần có các hệ
thiết bị phức tạp, đắt tiền, và chi phí vận hành đắt đỏ.
Đối với phương pháp “từ trên xuống”, có 3 phương pháp thường được sử dụng
là: phương pháp quang khắc [16], ăn mịn khơ (RIE) [17], và ăn mòn ướt hay còn gọi là
8
ăn mịn hóa học (WCE) [16,17]. Trong đó, phương pháp quang khắc và ăn mịn khơ
thường tốn thời gian và chi phí đắt đỏ. Cịn phương pháp ăn mịn ướt thì đơn giản, ít tốn
thời gian, dễ thực hiện ngay ở nhiệt độ phịng. Khơng những thế, phương pháp ăn mịn
hóa học dễ dàng chế tạo được số lượng lớn với cấu trúc đồng đều, phù hợp trong quy
mô sản xuất công nghiệp. Gần đây, thế hệ pin mặt trời dựa trên nền tảng vật liệu cấu
trúc nanô đã và đang nhận được sự kỳ vọng và quan tâm của các nhà nghiên cứu trong
việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi bằng cách cải thiện khả năng hấp thụ quang và tập
chung các hạt tải. Trong đó, vật liệu dây nanô Si (SiNW) không những thể hiện khả
năng hấp thụ tuyệt vời mà cịn cung cấp diện tích bề mặt lớn khi so sánh với vật liệu Si
dạng khối hay màng mỏng. Vì vậy, sử dụng cấu trúc SiNW vào các pin mặt trời đã thu
hút được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học, các kỹ sư và các nhà phát triển công
nghệ hướng tới khả năng nâng cao hiệu suất chuyển đổi và tiết kiệm chi phí sản suất khi
so sánh với thể hệ pin mặt trời Si dạng khối và dạng màng [17,18].
Hình 1.6. Pin mặt trời sử dụng SiNW với cấu trúc pn dạng lõi-vỏ [19]
Garnett và cộng sự đã nghiên cứu và đề xuất cấu trúc pin mặt trời sự dụng SiNW
với mục đích là tạo là được lớp tiếp giáp pn với diện tích lớn trên cơ sở cấu trúc lõi-vỏ.
Tuy hiệu suất chuyển đổi của pin ban đầu đạt được có 0.5%, nhưng kết quả nghiên cứu
đã mở ra hướng nghiên cứu mới về pin mặt trời (Hình 1.6) [19]. Ko và cộng sự nghiên
9
cứu phát triển pin mặt trời sử dụng SiNW dạng bất đối xứng. Kết quả nghiên cứu cho
thấy hệ số phản xạ của pin mặt trời dạng này tương đối thấp (4-5%) và hiệu suất chuyển
đổi đạt được là gần 8% [20].
Hình 1.7. Pin mặt trời sử dụng cấu trúc hybrid Si NW/PEDOT:PSS có hiệu suất
13.2% (a) SiNW, (b) SiNW sau khi được phủ PEDOT:PSS, (c) đặc trưng J-V và (d) hệ
số phản xạ [28]
Mặc dù vậy, tất cả các nghiên cứu về pin mặt trời sử dụng cầu trúc SiNW thường
địi hỏi những quy trình xử lý bán dẫn khá đắt đỏ, bao gồm các quy trình khuếch tán
nhiệt độ cao, lắng đọng hóa học trong mơi trường chân khơng cao và do đó sẽ dẫn đến
tăng chi phí sản xuất của pin mặt trời. Vì lý do đó, pin mặt trời sử dụng cấu trúc lai kết
hợp vật liệu SiNW và vật liệu hữu cơ đã, đang được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ [2123]. Cấu trúc pin mặt trời dạng này không chỉ yêu cầu nhiệt độ chế tạo thấp do đặc tính
của vật liệu hữu cơ mà cịn thực tế hóa khả năng giảm giá thành chế tạo bằng cách khai
thác các loại vật liệu hữu cơ rẻ tiền và phong phú. Điều này hoàn toàn trái ngược với sự
đắt đỏ của các thế hệ pin mặt trời chỉ sử dụng vật liệu Si [24,25]. Ngoài ra, các pin mặt
trời này có thể có ích cho các ứng dụng ở những nơi yêu cầu trọng lượng thấp, tính linh
hoạt cơ học và khả năng thay thế cao [26,27]. Hầu hết các báo cáo về pin mặt trời dựa
trên nền tảng cấu trúc lai vô cơ/hữu cơ với hiệu suất chuyển đổi cao sử dụng một lớp
10
polyme
dẫn
mỏng
là
Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)
(PEDOT:PSS) bọc quanh các dây nanơ Si để hình thành các lớp tiếp giáp. Park và các
cộng sự đã nghiên cứu chế tạo pin mặt trời sử dụng cấu trúc hybrid SiNW/PEDOT:PSS,
hiệu suất chuyển đổi thu được của cấu trúc này là 13.2% (Hình 1.7) [28].
Hình 1.8. Các tính chất của pin mặt trời sử dung cấu trúc hybrid
SiNW/PEDOT:PSS/GO [30].
Vấn đề đặt ra ở đây là PEDOT có chuỗi polyme quá lớn để xâm nhập vào khoảng
cách nhỏ giữa các SiNW, do đó khơng thể bao phủ một cách hồn toàn bề mặt của các
SiNW dẫn đến hệ quả làm giảm hiệu suất của thiết bị cũng như hình thành những bề
mặt tiếp xúc dẫn đến độ dẫn không đồng nhất [29]. Một số lượng nhỏ các nghiên cứu đã
được thực hiện để cải thiện khả năng làm việc ổn định với nhiệt độ, độ ẩm, giảm suy
hao phẩm chất hóa học của vật liệu cũng như phân tán đồng đều lớp vật liệu polyme dẫn
trên đế Si bằng cách sử dụng ống nanơ cácbon, fullerenes, graphen oxide [30-32].
Graphen có các đặc tính tuyệt vời như trở kháng thấp, độ truyền qua cao, tính chất cơ
học tốt, sự ổn định nhiệt và hóa học cao, đồng thời dễ dàng phân tán trong các dung môi
khác nhau để kết hợp với nhiều loại vật liệu hữu cơ và/hoặc vô cơ trong dung dịch.
11
Ngồi ra, graphen có thể được sản xuất quy mơ lớn với giá thành thấp với công nghệ
hiện nay. Do đó, graphen đã được sử dụng với vai trị là điện cực trong suốt, lớp vận
chuyển điện tử, lớp vận chuyển lỗ trống, hoặc kết hợp với các polyme dẫn trong việc
chế tạo pin mặt trời cấu trúc lai vô cơ/hữu cơ. Uma và các cộng sự đã nghiên cứu chế
tạo pin mặt trời sử dụng cấu trúc hybrid SiNW/PEDOT:PSS kết hợp với graphen oxide
(GO), cấu trúc cho thấy sự tăng cường khả năng giam giữ ánh sáng và tăng diện tích lớp
tiếp giáp hơn so với cấu trúc pin không sử dụng GO, hiệu suất đạt được của pin mặt trời
thu được là 9.57% cao hơn so với pin mặt trời khơng có GO (8.31%) (Hình 1.8) [30].
Gần đây, Tsai và các cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng GQDs vào pin mặt trời cấu
trúc hybrid Si/PEDOT:PSS, kết quả cho thấy hiệu suất pin mặt trời tăng lên đến 13.22%
và 16.5% (Hình 1.9) [33]. Sự tăng cường hiệu suất được cho là do sự cải thiện tính
quang, điện bởi quá trình tăng độ dẫn điện của PEDOT:PSS và chuyển đổi photon vùng
ánh sáng có bước sóng ngắn [33]. Tuy nhiên, hiện chưa có nhiều nghiên cứu nào được
thực hiện để hiểu được bản chất của sự cải thiện hiệu suất chuyển đổi pin mặt trời hybrid
khi có thêm các thành vật liệu nano cacbon. Đây chính là vấn đề cịn thiếu sót của vấn
đề nghiên cứu này.
Hình 1.9. (a) Pin mặt trời sử dụng cấu trúc PEDOT:PSS/Si và GQDs, (b) Đặc trưng JV của pin mặt trời với nồng độ GQD khác nhau và (c) hiệu suất lượng tử ngoại của pin
mặt trời [33]
12
1.2. Tình hình nghiên cứu về pin mặt trời trong nước
Hiện nay hướng nghiên cứu về pin mặt trời cũng đang được nghiên cứu phát triển
ở một số nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa Học vật liệu như nhóm nghiên cứu của PGS.
Phạm Duy Long ở phòng Vật liệu Năng lượng. Nhóm nghiên cứu của PGS. Long đã có
nhiều năm kinh nghiệm làm việc về pin mặt trời và hiện nay đang tạp chung vào hướng
nghiên cứu công nghệ chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu cấu trúc perovskite lai hữu
cơ – vô cơ, sử dụng chất nhạy màu (DSSC) nhằm ứng dụng cho pin mặt trời với hiệu
suất đạt được khoảng 2% (Hình 1.10). Nhóm nghiên cứu của PGS. Long đạt được những
kết quả thành công ban đầu được thể hiện qua các cơng trình đã được cơng bố trong và
ngồi nước [34-38].
Hình 1.10. Đặc trưng I/V của pin mặt trời sử dụng cấu trúc Au@TiO2 [38]
Hình 1.11. Pin mặt trời hữu cơ có hiệu suất chuyển đổi lớn hơn 10% [39]
13
Tại Viện Hóa học, nhóm nghiên cứu của TS. Hồng Mai Hà cũng đang tập chung
nghiên cứu chế tạo pin mặt trời trên cơ sở vật liệu bán dẫn hữu cơ. Nhóm nghiên cứu
của TS Hà đã chế tạo thành cơng pin mặt trời hữu cơ có độ bền cao, hiệu suất > 9% mà
không cần sử dụng fullerene làm chất nhận (Hình 1.11). Ngồi ra quy trình chế tạo được
đề xuất tương đối đơn giản khi không cần sử dụng các phương pháp xử lý nhiệt, phụ
gia… để nâng cao đặc tính của linh kiện pin mặt trời [39-42].
Tại Đại học Quốc Gia Hà Nội, nhóm nghiên cứu của GS. Nguyễn Năng Định,
TS. Nguyễn Phương Hoài Nam – Trường Đại Học Công nghệ,cũng đang tập chung
nghiên cứu chế tạo pin mặt trời trên cơ sở vật liệu bán dẫn hữu cơ và chấm lượng tử với
hiệu suất đạt được khoảng 2% (Hình 1.12) [43-46]. Nhóm nghiên cứu của PGS. Phạm
Hồng Quang, Đại học Khoa học tự nhiên cũng đang nghiên cứu chế tạo pin mặt trời
nhưng dựa trên cấu trúc màng mỏng CIGS [47,48].
Hình 1.12. (a) Giản đồ năng lượng và (b) đặc trưng I/V của pin mặt trời sử dụng cấu trúc
ITO/PEDOT/P3HT:PCBM/LiF/Al (WOSC) và ITO/ZnO/PEDOT/P3HT:PCBM/LiF/Al (BOSC) [44]
Tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, các nhóm nghiên cứu của PGS. Mai Anh Tuấn
–ITIMS, TS. Nguyễn Duy Cường tại Viện AIST và một số nhóm nghiên cứu khác cũng
đang tập chung nghiên cứu chế tạo pin mặt trời trên cơ sở DSSC. Các kết quả nghiên
cứu của nhóm nghiên cứu đã và đang được cơng bố trên các tạp chí quốc tế và trong
nước uy tín [49-54].
Tại Đại học Quốc Gia HCM, nhóm nghiên cứu của PGS Đặng Mậu Chiến (INT)
đang nghiên cứu chế tạo pin mặt trời trên cơ sở vật liệu màng mỏng Si. Nhóm nghiên
cứu của PGS Nguyễn Thị Phương Thoa – Đại học Khoa học Tự Nhiên cũng đang nghiên
14
cứu chế tạo pin mặt trời trên cơ sở DSSC và chấm lượng tử. Các kết quả nghiên cứu
cũng được các nhóm nghiên cứu cơng bố trong thời gian gần đây [55,56].
Ngồi các nhóm nghiên cứu nêu trên, rất nhiều nhóm nghiên cứu khác từ các
trường Đại học như Đại học Tôn Đức Thắng, Đại học Duy Tân, Đại Học Thái Nguyên,
Đại học Đà Nẵng, v.v... cũng đang tập chung nghiên cứu về pin mặt trời.
Như vậy, có thể thấy rằng hướng nghiên cứu về pin mặt trời đang thu hút được
rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngồi nước. Đây là hướng nghiên
cứu có tiềm năng ứng dụng cao nhằm góp phần vào việc giải quyết các vấn đề an toàn
năng lượng trong tương lai. Vấn đề cốt lõi của các nghiên cứu liên quan đến chủ đề này
đó là làm thế nào chế tạo được pin mặt trời có hiệu suất chuyển đổi cao nhất nhưng đồng
thời đảm bảo được giá thành hợp lý nhất khi so sánh với các nguồn năng lượng khác.
Từ các nhận xét tổng quan trên có thể nhận thấy rằng nghiên cứu ứng dụng vật
liệu graphen vào pin mặt trời cấu trúc hybrid SiNW/PEDOT:PSS là một vấn đề nghiên
cứu tương đối mới không chỉ ở Việt Nam mà cịn trên thế giới. Tính khả thi của nghiên
cứu được xây dựng dựa trên một số cơ sở khoa học được trình bày như trên hình 1.13:
Hình 1.13. Mơ hình cấu trúc của pin mặt trời sử dụng cấu trúc hybrid
SiNW/PEDOT:PSS/Gr và các điểm ưu việt của nghiên cứu
15
-
Hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời được cải thiện do SiNW tạo ra diện tích vùng
chuyển tiếp lớn và giảm hệ số phản xạ.
-
Vật liệu chức năng hóa bao gồm polyme dẫn (PEDOT:PSS) và graphen được kỳ
vọng sẽ làm giảm chi phí chế tạo, nâng cao hiệu quả do giảm nhiệt độ chế tạo, sử
dụng các vật liệu hữu cơ phong phú và khả năng làm việc ổn định với điều kiện
nhiệt độ, độ ẩm khác nhau.
-
Vật liệu Graphen được sử dụng nhằm khai thác tính chất điện tử ưu việt để cải
thiện khả năng hấp thụ các photon. Đồng thời, với sự xuất hiện của graphen được
chức năng hóa phân tán đồng đều sẽ làm cho các chuỗi polyme của PEDOT:PSS
ngắn lại để tăng khả năng bám dính cũng như xâm nhập vào các khe của các dây
nano Si qua đó tăng cường được hiệu suất chuyển đổi.
Do vậy, chúng tôi đề xuất đề tài: “Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời sử dụng cấu
trúc lai dây nano Silic/PEDOT:PSS/Graphen” và hướng tới 2 mục tiêu chính như sau:
i) Nghiên cứu quy trình chế tạo pin mặt trời sử dụng cấu trúc lai
SiNW/PEDOT:PSS/Graphen
ii) Tối ưu hóa sự kết hợp các tính chất đặc biệt của vật liệu SiNW và các vật liệu
chức năng như polyme dẫn hay graphen nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi của
pin mặt trời.
16
