1
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
TRƢỜNG 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 (chữ hoa, 12pt, đậm, căn giữa)

3
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!


5
LỜI CAM ĐOAN
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!

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
CHƢƠNG 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

7
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
- 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

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

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.

10
CHƢƠNG 1
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

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
Bƣớc 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

)
- 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
)

12
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

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.

14
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

- 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
- 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.

15
- 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.

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

18
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

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).
20
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

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].

22
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.

qV
I (V) I (exp 1)
kT

(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
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].

23

sc dark sc 0
B
qV
I(V) I I (V) I I (exp 1)
kT
    
(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

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:

mm
oc sc
VI
FF
VI

(1.6)

24

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
25

s
sc 0 sh
B
s sh
q(V I(V)R )
I I (exp( ) 1))R V
kT
I(V)
RR

  


(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