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

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

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

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
)
- 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

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

- 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).

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

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:

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)

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

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 )

có bản chất sóng điện từ trường. Sử dụng phương trình chuẩn tắc do Ghosh và Feng
25