ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

----------------

TRẦN HOÀNG CAO SƠN

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC CẤU TRÚC
DỊ CHẤT HỮU CƠ VÔ CƠ
ỨNG DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

----------------

TRẦN HOÀNG CAO SƠN

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC CẤU TRÚC
DỊ CHẤT HỮU CƠ VÔ CƠ
ỨNG DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ

Chuyên ngành: Quang học
Mã số chuyên ngành: 62 44 11 01
Phản biện 1: PGS. TS. Chu Đình Thúy
Phản biện 2: GS. TSKH. Lưu Cẩm Lộc

CỨU CÁC CẤU TRÚC DỊ CHẤT HỮU CƠ VÔ CƠ ỨNG DỤNG TRONG PIN
MẶT TRỜI HỮU CƠ “ thực hiện tại Bộ môn Vật lý Ứng dụng, Khoa Vật lý – Vật
lý Kỹ thuật và Khoa Khoa học Vật liệu. Trường ĐHKHTN- ĐH Quốc Gia Tp.HCM,
tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình, chu đáo với tinh thần khoa học và trách nhiệm
cao của quý thầy cô và các đồng nghiệp ở Bộ môn và Khoa.
Tôi xin phép bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình tới:
-

PGS. TS Lê Văn Hiếu đã hướng dẫn tận tình, giúp đỡ về nhiều mặt, động viên
và truyền đạt những kinh nghiệm nghiên cứu khoa học quý báu, tạo điều kiện
cho tôi nghiên cứu hoàn thành đề tài.

-

GS. TS. Nguyễn Năng Định đã gợi ý đề tài, tận tình hướng dẫn, động viên và
truyền đạt những kinh nghiệm quý báu.

- PGS.TS. Trần Quang Trung, TS. Phan Bách Thắng, TS. Lê Vũ Tuấn Hùng,
TS. Lê Trấn, TS. Hà Thúc Chí Nhân, TS. Lâm Quang Vinh, TS. Đinh Sơn
Thạch, TS. Võ Thị Hạnh Thu, các Thầy Cô đã tận tình giúp đỡ và hỗ trợ cho
tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
-

Ths. Lê Khắc Tốp, Lưu Kiến Quốc, Nguyễn Nguyên Ngàn, Nguyễn Thị Đông
Tri, Lê Hoàng Nam, Lê Phúc Quý, Phạm Văn Thịnh cùng các bạn đồng
nghiệp đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận án.

-

Các Thầy Cô trong Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ Thuật và Khoa Khoa học Vật liệu

1.1.1.3 PCBM
12
1.1.2 Tính chất của pin mặt trời hữu cơ
13
1.1.2.1 Nguyên tắc làm việc cơ bản và cấu tạo PMT hữu cơ
13
1.1.2.2 Vài tính chất của PMT hữu cơ với lớp quang hoạt P3HT:PCBM
16
1.1.2.3 Những hạn chế của pin mặt trời hữu cơ
20
1.1.3 Pin mặt trời hữu cơ lai hóa
20
1.1.3.1 Giới thiệu pin mặt trời lai hóa
20
1.1.3.2 Thành phần cấu tạo PMT lai hóa
21
1.1.3.3 Cơ chế hoạt động trong PMT lai hóa
22
1.1.3.4 Một số công trình nghiên cứu về PMT lai hóa
22
1.2 ZnO và thanh nano ZnO
24
1.2.1 ZnO
24
1.2.1.1 Cấu trúc tinh thể ZnO
24
1.2.1.2 Cấu trúc năng lượng
25
1.2.1.3 Một số tính chất của ZnO
25

và khảo sát một số tính chất màng
2.1.3 Chế tạo và nghiên cứu cấu trúc ITO/P3HT:PCBM theo nồng độ
và tỉ lệ của P3HT:PCBM
2.1.4 Chế tạo màng ZnO bằng phương pháp Solgel và nghiên cứu cấu trúc
ITO/màng ZnO/P3HT:PCBM theo tỉ lệ của P3HT:PCBM
2.1.5 Chế tạo và nghiên cứu cấu trúc ITO/màng ZnO/P3HT:PCBM
theo nhiệt độ và thời gian ủ nhiệt
2.2 Kết quả và biện luận
2.2.1 Khảo sát độ dày màng P3HT và P3HT:PCBM theo vận tốc quay
2.2.2 Khảo sát tính chất của màng P3HT và P3HT:PCBM trên đế thủy tinh
2.2.3 Khảo sát PMT có cấu trúc ITO/ P3HT:PCBM/Al
2.2.4 Khảo sát PMT có cấu trúc ITO/màng ZnO/P3HT:PCBM/Al
theo tỉ lệ của P3HT:PCBM
2.2.5 Khảo sát PMT có cấu trúc ITO/màng ZnO/ P3HT:PCBM/Al
theo nhiệt độ và thời gian ủ nhiệt
2.3 Kết luận
CHƢƠNG 3: Chế tạo ZnO NRs và khảo sát tính chất của các cấu trúc
ITO/ZnO NRs/P3HT:PCBM và ITO/mầm ZnO/ZnO NRs/P3HT:PCBM
cho pin mặt trời hữu cơ
3.1 Nội dung thực nghiệm
3.1.1 Chế tạo ZnO NRs theo phương pháp điện hóa
3.1.2 Chế tạo và khảo sát PMT có cấu trúc ITO/ ZnO NRs/P3HT: PCBM/Al
và PMT có cấu trúc ITO/lớp mầm ZnO/ZnO NRs/P3HT:PCBM/Al
3.2 Kết quả và bàn luận
3.2.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của các đế khác nhau lên quá trình phát triển
của ZnO NRs – Kết quả SEM
3.2.2 Khảo sát sự ảnh hưởng của mật độ dòng điện phân lên quá trình phát triển
của ZnO NRs trên đế ITO

37

3.3 Kết luận

95
101

CHƢƠNG 4 : Chế tạo và khảo sát tính chất của màng đa lớp
oxit kim loại / kim loại ứng dụng làm màng điện cực trong suốt
4.1 Chế tạo và khảo sát tính chất của màng đa lớp GZO/Ag/GZO
4.1.1 Chế tạo màng đa lớp GZO/Ag/GZO
4.1.2 Tính chất của màng đa lớp GZO/Ag/GZO
4.2 Chế tạo và khảo sát các tính chất của màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO
4.2.1 Tính chất điện của màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO
4.2.2 Tính chất quang của màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO
4.3 Chế tạo màng đa lớp ZnO/Cu/ZnO
4.3.1 Thực nghiệm
4.3.2 Kết quả và bàn luận
4.4 Kết luận

102
102
102
105
109
111
112
114
114
114
121


EC: Năng lượng vùng dẫn
Eg: Năng lượng vùng cấm
Ev: Năng lượng hóa trị
Ex: Năng lượng theo trục x
Ey: Năng lượng theo trục y
Ez: Năng lượng theo trục z
GZO: ZnO pha tạp Galium
HOMO: Highest occupied molecular
orbital (vân đạo phân tử liên kết
có mức năng lượng cao nhất bị chiếm)
I: Cường độ dòng điện
IMI: ITO/Meltal/ITO (ITO/kim loại/ITO)
Isc: Short circuited intensity
(dòng ngắn mạch)
ITO: SnO2 pha tạp Indium
J: Mật độ dòng
kB: Hằng số Boltzmann
LCD: Liquid crystal display
(màn tinh thể lỏng)
LED: Light Emitting Diode
(diot phát sáng)
LUMO: Lowest unoccupied molecular
orbital.(vân đạo phân tử phản liên kết có mức
năng lượng thấp nhất không bị chiếm)

n: Nồng độ hạt tải
OLED: LED hữu cơ
OSC: Organic solar cell
(pin mặt trời hữu cơ)
p: Nồng độ lỗ trống



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Poly (3-hexythiophene) (P3HT)
Hình 1.2: Các kiểu kết hợp của hai 3-alkylthiophene
Hình 1.3: Các kiểu kết hợp của 3 mono alkythiophene
Hình 1.4: Các tinh thể con trong màng P3HT
Hình 1.5: PCBM Phenyl-C-61-butiric acid methy ester
Hình 1.6: Cấu tạo của các dạng pin mặt trời hữu cơ
Hình 1.7: Sự phân ly điện tích ở ranh giới hai miền donor-acceptor
Hình 1.8: Phổ hấp thụ của các màng P3HT, PCBM và P3HT:PCBM
Hình 1.9: Giản đồ XRD của màng P3HT:PCBM có và không ủ nhiệt
Hình 1.10: Ảnh TEM của màng P3HT:PCBM với các nồng độ khác nhau
Hình 1.11: Cấu trúc pin mặt trời lai hóa
Hình 1.12: Mô hình mức năng lượng và cơ chế chuyển điện tích
trong pin mặt trời lai hóa
Hình 1.13: Cấu trúc lục lăng Wurtzite
Hình 1.14: Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO
Hình 1.15: Ảnh SEM ZnO NRs trên các đế khác nhau
Hình 1.16: Ảnh SEM ZnO NRs phát triển với nồng độ muối
Zn(NO3)2, (a) 0,0025 M, (b) 0,005 M, (c) 0,0075 M, (d) 0,01 M
Hình 1.17: Giản đồ năng lượng tại lớp tiếp xúc kim lọai-bán dẫn
Hình 2.1: Quy trình tạo màng P3HT:PCBM trong cấu trúc lai hóa vô cơ - hữu cơ
Hình 2.2: Các dung dịch P3HT, PCBM và P3HT:PCBM trong chlorobenzene
Hình 2.3: Đồ thị biểu diễn độ dày màng theo vận tốc quay
Hình 2.4: Giản đồ miêu tả độ dày của màng trong thiết bị Stylus
Hình 2.5: Phổ hấp thu UV-Vis của màng P3HT khi không ủ nhiệt và ủ nhiệt
ở 110oC trong 10 phút
Hình 2.6: Phổ hấp thụ UV-Vis của màng P3HT:PCBM khi không ủ nhiệt và
ủ nhiệt ở 110oC trong 10 phút

45
46
46
47
47

47


Hình 2.11: Sơ đồ mức năng lượng của cấu trúc ITO/P3HT:PCBM/Al
Hình 2.12: Phổ hấp thụ UV-Vis của màng P3HT:PCBM
ở nồng độ và tỉ lệ khác nhau
Hình 2.13: Giản đồ XRD của màng P3HT:PCBM ở nồng độ và tỉ lệ khác nhau
Hình 2.14: Ảnh SEM mặt cắt ngang của cấu trúc ITO/P3HT:PCBM
Hình 2.15: Hệ pin ITO /P3HT:PCBM/Al
Hình 2.16: Pin đã gắn điện cực
Hình 2.17: Hệ nhúng chế tạo màng
Hình 2.18: Ảnh AFM và XRD của ITO (a), Phổ truyền qua UV-Vis của ITO (b)
Hình 2.19: Sơ đồ tóm tắt quy trình chế tạo màng ZnO
Hình 2.20: Ảnh SEM màng ZnO, (a) màng phủ 1 lớp, (b) màng phủ 2 lớp
Hình 2.21: Ảnh SEM của màng ZnO phủ 3 lớp (a) và phủ 2 lớp
độ phóng đại 150K (b)
Hình 2.22: Phổ hấp thụ UV-Vis của P3HT:PCBM (1wt%) tỉ lệ 1:0,6,1:1 và 1:2
Hình 2.23: Giản đồ XRD của màng P3HT:PCBM (1wt%)
tỉ lệ 1:0,66, 1:1 và 1:2
Hình 2.24: Mặt cắt ngang của cấu trúc ITO/màng ZnO/P3HT:PCBM
Hình 2.25: (a) PMT có cấu trúc ITO/màng ZnO/P3HT:PCBM/Al,
(b) sơ đồ các mức năng lượng và cơ chế chuyển điện tích trong PMT
ITO/màng ZnO/P3HT:PCBM/Al
Hình 2.26: Đặc trưng I-V của hệ PMT ITO/màng ZnO /P3HT:PCBM/Al với

57
58
59

59
60
61
61
62
62
63
64
65
66
71
73


Hình 3.3: Ảnh SEM của ZnO NRs trên đế thủy tinh /màng Cu với thời gian
điện phân khác nhau, (c) của mẫu CT1, (d) của mẫu CT2
Hình 3.4: Ảnh SEM của ZnO NRs trên đế thủy tinh /màng Cu/màng ZnO
với cường độ dòng điện khác nhau, (a) của mẫu CZI1, (b) của mẫu CZI2
Hình 3.5: Ảnh SEM của mẫu ZnO NRs trên đế thủy tinh /màng ZnO
với thời gian điện phân khác nhau (a) của mẫu ZT1, (b) của mẫu ZT2
Hình 3.6: Ảnh SEM bề mặt màng Cu và ZnO NRs trên đế màng Cu
Hình 3.7: Ảnh SEM bề mặt màng Cu/ZnO và ZnO NRs trên đế màng Cu/ZnO
Hình 3.8: Ảnh SEM bề mặt màng ZnO và ZnO NRs trên đế màng ZnO
Hình 3.9: Ảnh SEM của ZnO NRs mẫu OI1
Hình 3.10: Ảnh SEM của ZnO NRs mẫu OI2
Hình 3.11: Ảnh SEM của ZnO NRs mẫu OI3

75
76
77
77
77
78
79
79
79
80
80
80
81
82
82
82
83
83
84

85

85

85
86

87



94
Hình 3.41: Ảnh SEM của ZnO NRs trên đế ITO
94
Hình 3.42: Phổ hấp thu UV-Vis của P3HT:PCBM (1:1,1wt%) trong các cấu trúc
ITO/ZnO NRs/P3HT:PCBM và ITO/mầm ZnO/ZnO NRs/P3HT:PCBM 95
Hình 3.43: Giản đồ XRD của các cấu trúc ITO/ZnO NRs/P3HT:PCBM và
ITO/mầm ZnO/ZnO NRs/P3HT:PCBM
96
Hình 3.44: Ảnh SEM của ZnO NRs trên đế ITO
97
Hình 3.45: Ảnh SEM của ZnO NRs trên đế ITO/mầm ZnO
97
Hình 3.46: Ảnh SEM mặt cắt ngang của ITO/ZnO NRs/P3HT:PCBM
98
Hình 3.47: Ảnh SEM mặt cắt ngang của ITO/mầm ZnO/ZnO NRs/P3HT:PCBM
98
Hình 3.48: Hệ PMT ITO/ZnO NRs/P3HT:PCBM (a) và
hệ PMT ITO/mầm ZnO/ZnO NRs/P3HT:PCBM/Al (b)
99
Hình 3.49: Đặc trưng I-V của PMT ITO/ZnO NRs/P3HT:PCBM/Al và
PMT ITO/lớp mầm ZnO/ZnO NRs/P3HT:PCBM/Al
100
Hình 4.1: Sơ đồ buồng chân không
103
Hình 4.2: Sơ đồ quá trình lắng đọng màng với các bia GZO, Ag, Ti
104
Hình 4.3: Sự phụ thuộc điện trở mặt của màng vào bề dày của lớp Ag,
Sự phụ thuộc điện trở suất của màng vào bề dày của lớp Ag
105
Hình 4.4: Ảnh FE-SEM của các mẫu Ag có bề dày lần lượt

111
113
113
115
115
116
116
117
118
119
120

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Ảnh hưởng của Mw P3HT đến hiệu năng của PMT
Thí nghiệm của Minh Chung Wu với hệ P3HT-TiO2
Bảng 1.2: Một số thông số của ZnO
Bảng 2.1: Các thông số tạo màng P3HT, P3HT:PCBM theo vận tốc quay
Bảng 2.2: Các thông số tạo màng P3HT, P3HT:PCBM theo chế độ ủ nhiệt
Bảng 2.3: Các thông số tạo màng P3HT:PCBM trên đế ITO
theo tỉ lệ và nồng độ
Bảng 2.4: Các thông số tạo màng P3HT:PCBM trên đế ITO/màng Zn theo tỉ lệ
Bảng 2.5: Các thông số tạo màng P3HT:PCBM theo nhiệt độ ủ nhiệt
Bảng 2.6: Các thông số tạo màng P3HT:PCBM theo thời gian ủ nhiệt
Bảng 2.7: Các giá trị Jsc,Voc của cấu trúc ITO/P3HT:PCBM/Al
Bảng 2.8: Các thông số chế tạo dung dịch Solgel
Bảng 2.9: Các giá trị Jsc, Voc, FF và PCE của ITO/màng ZnO/ P3HT:PCBM/Al
Bảng 2.10: I-V của cấu trúc ITO/màng ZnO/P3HT:PCBM/Al theo nhiệt độ ủ nhiệt
Bảng 2.11: I-V của cấu trúc ITO/màng ZnO/P3HT:PCBM/Al theo thời gian ủ nhiệt
Bảng 3.1: Các thông số chế tạo ZnO NRs trên đế kim loại Cu


Bảng 4.5: Thông số tạo màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO
Bảng 4.6: Tính chất điện của màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO
và màng đơn lớp GZO
Bảng 4.7: Độ linh động, nồng độ hạt tải và điện trở suất của
màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/Ag và màng Ag
Bảng 4.8: Thông số tạo màng ZnO
Bảng 4.9: Sự phụ thuộc độ linh động, nồng độ hạt tải và
điện trở suất theo bề dày màng Cu
Bảng 4.10: Tính chất điện của màng đa lớp ZnO/Cu/ZnO và màng đơn lớp ZnO

74
75
76
78
84
86
95
99
100
106
107
107
108
111
112
112
114
117
119




2

1. Tham khảo tài liệu để tổng quan về những vấn đề dự định nghiên cứu và
định hướng cho thực nghiệm.
Về mặt thực nghiệm, dựa trên cấu trúc của một pin mặt trời hữu cơ với lớp
chuyển tiếp dị chất thể tích (BHJ), luận án tập trung nghiên cứu về các quá trình hấp thụ
ánh sáng mặt trời, sự hình thành exciton, sự phân ly chúng và thu gom các hạt tải điện
tự do về các điện cực. Cụ thể được trình bày ở mục 2, 3, 4 dưới đây
2. Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất lớp quang hoạt là hỗn hợp của
poly(3-hexylthiophene) (P3HT) và dẫn xuất của fullerene (PCBM) trong PMT hữu cơ.
Các màng mỏng polymer–fullerene có cấu trúc nano là một trong những vật liệu
nổi bật nhất để chế tạo PMT với chuyển tiếp dị chất thể tích (BHJ). Các tính chất của
P3HT và PCBM đã được nghiên cứu nhiều và được dùng để chế tạo PMT có hiệu suất
cao [38], [60], [68], [83], [100].
Một trong những yếu tố quan trọng để có hiệu suất cao của PMT là sự chế tạo
được lớp quang hoạt có bề dày và hình thái học thích hợp. Trong trường hợp lý tưởng,
polymer và fullerene phải có sự tách pha chừng 10-20 nm (quãng đường khuếch tán
của exciton), có diện tiếp xúc giữa hai pha rộng. Sau khi các hạt tải đã được phân ly,
hai pha đó phải tạo đường cho các hạt tải đến được các điện cực. Đến nay trên thực tế,
cấu hình lý tưởng đó vẫn chưa đạt được.
Theo hướng này sẽ nghiên cứu theo 3 nội dung sau:
 Chế tạo lớp quang hoạt P3HT:PCBM trên đế thủy tinh có sẵn màng điện cực
ITO bằng phương pháp phủ quay. Xác định vận tốc quay, tỉ lệ và nồng độ
của dung dịch để có bề dày màng cần thiết và đều.
 Nghiên cứu cấu trúc màng, tính chất quang và điện theo các hàm lượng
khác nhau của PCBM trong hỗn hợp và tác dụng của việc ủ nhiệt đến
thái học của màng nhằm nâng cao hiệu suất của PMT hữu cơ.
 Quá trình phân ly exciton và di chuyển của các hạt tải về các điện cực của

hạt tải đến điện cực.
Trong luận án này, các thanh nano ZnO được chế tạo bằng phương pháp điện hóa
hai bước nhằm có thể điều khiển được kích thước thanh nano theo yêu cầu sử dụng
trong PMT. Đây là ý tưởng mới và đã thực hiện thành công.
Một vấn đề khác cũng được quan tâm trong cấu trúc pin mặt trời hữu cơ là
điện cực trong suốt. Cho đến nay vật liệu để chế tạo điện cực trong suốt trong các


4

thiết bị quang điện nói chung và pin mặt trời nói riêng chủ yếu vẫn là ITO. Bên cạnh
những ưu điểm nổi bật thì vật liệu này cũng có những hạn chế. Vì vậy đã có nhiều
nghiên cứu để tìm vật liệu thay thế. Luận án này cũng đề xuất một giải pháp tạo
điện cực trong suốt bằng màng đa lớp oxit kim loại / kim loại có độ dẫn điện và
độ trong suốt chấp nhận được và có thể chế tạo ở nhiệt độ thấp thích hợp cho việc
dùng đế dẻo. Đây là một ý tưởng mới và đã được thực hiện thành công. Từ đó dẫn đến
mục tiêu sau đây của luận án:
4. Nghiên cứu chế tạo các màng đa lớp oxit kim loại / kim loại nhằm mục đích làm
điện cực trong suốt cho PMT hữu cơ.
Luận án tên: ”Chế tạo và nghiên cứu các cấu trúc dị chất hữu cơ vô cơ ứng
dụng trong pin mặt trời hữu cơ ”, đã tổng hợp các kết quả nghiên cứu theo các
mục tiêu trên và gồm các phần sau:
Mở đầu, tổng quan, thực nghiệm, kết luận và phụ lục.
Phần tổng quan gồm có 1 chương: Tổng quan về pin mặt trời hữu cơ và vật liệu
cấu thành. Giới thiệu các vật liệu dùng cho pin mặt trời hữu cơ, P3HT và PCBM;
Nguyên tắc làm việc cơ bản và cấu tạo của PMT hữu cơ, sự phụ thuộc của hiệu suất
PMT theo các thông số chế tạo; Pin mặt trời lai hóa và một số công trình nghiên cứu
về PMT lai hóa. ZnO và thanh nano ZnO, các công trình nghiên cứu chế tạo và
ứng dụng thanh nano ZnO. Màng đa lớp oxit kim loại / kim loại ứng dụng làm
điện cực trong suốt cho pin mặt trời hữu cơ. Trong 3 chương tiếp theo trình bày



PHẦN TỔNG QUAN


6

CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ
VÀ VẬT LIỆU CẤU THÀNH
1.1 Pin mặt trời hữu cơ
Pin mặt trời hữu cơ (OSC) là pin mặt trời thế hệ mới và chỉ mới phát triển
chừng 10 năm trở lại đây. Nếu nhìn vào các thông số của OSC, so với pin mặt trời
truyền thống, ta chưa thể đánh giá được hết tiềm năng của thiết bị này. Hiệu suất
cao nhất của OSC cho đến nay các nhà khoa học báo cáo được là 7% so với gần 20%
của pin mặt trời vô cơ. Tuy vậy, nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, hiệu suất 10% là
hoàn toàn có thể đạt được trong vài năm tới. Nhược điểm cố hữu của pin mặt trời
vô cơ là cồng kềnh, chi phí cho việc chế tạo và lắp đặt rất cao. Rẻ, tiện lợi, dễ chế tạo,
OSC được kỳ vọng sẽ làm tăng tỉ lệ sử dụng năng lượng mặt trời so với các
năng lượng hóa thạch truyền thống [13], [30], [95].
Trong OSC, để sinh được điện năng và tải được điện năng, tất nhiên là polymer
này phải dẫn điện được. Có rất nhiều loại polymer dẫn điện, tuy nhiên để đáp ứng
được các yêu cầu khắt khe về tính chất, khả năng gia công, và quan trọng hơn là
khả năng chịu môi trường, chỉ một số ít polymer dẫn đạt được [89], [97]. Pin mặt trời
với lớp hoạt tính là P3HT và PCBM được đánh giá là khả quan nhất về mặt tính chất.
Số lượng bài báo về loại pin mặt trời này chiếm số lượng khá cao trong tổng số các
nghiên cứu về OSC [34], [37], [53], [59], [68], [78], [91], [103].

1.1.1 Các vật liệu dùng cho pin mặt trời hữu cơ
1.1.1.1 Các yêu cầu của polymer dùng để chế tạo pin mặt trời hữu cơ

P3HT được tổng hợp bằng rất nhiều phương pháp, trong đó có 2 phương pháp
phổ biến nhất là trùng hợp điện hóa và trùng hợp oxy hóa khử. Quy trình sản xuất
P3HT cũng đã được đưa vào công nghiệp. Ưu thế của loại polymer này là dễ gia công,
có thể tan trong nhiều loại dung môi. P3HT được trùng hợp theo phương pháp
điện hóa và phương pháp hóa học cho những tính chất khác nhau. Rõ ràng nhất là hình
thái của P3HT sau khi được trùng hợp. Với phương pháp điện hóa, P3HT trùng hợp
dưới dạng màng phủ ngay trên đế mà ta mong muốn, trong khi với phương pháp
hóa học sản phẩm ở dạng bột.


8

b. Tính chất của P3HT
Quả là khó khăn khi muốn liệt kê và đi vào chi tiết hết tất cả các tính chất,
cũng như sự liên quan giữa chúng và các yếu tố trong quá trình tổng hợp. Do đó,
chúng tôi chỉ nêu lên những tính chất chung nhất và ảnh hưởng lớn đến phương pháp
gia công và tính chất quang điện của pin mặt trời polymer.
i . Hệ số hấp thụ và độ rộng vùng cấm
P3HT có hệ số hấp thụ  lớn trong miền bước sóng từ 300 nm đến 600 nm,
 ~ 105 cm-1 [35]. Độ rộng vùng cấm Eg của một chất hữu cơ thông thường được
định nghĩa là vùng năng lượng giữa HOMO và LUMO, P3HT có Eg = 1,9 eV.
Ở điều kiện bình thường mặt trời có sự phân bố năng lượng nằm trong khoảng 0,5 eV 3,0 eV. Như vậy P3HT, với Eg ~ 1,9 eV, chỉ hấp thụ được khoảng 27% năng lượng
mặt trời. Tính toán cho thấy giá trị tối ưu của Eg ~ 1,4 eV.
Độ rộng vùng cấm của polymer nào càng thấp, thì càng hấp thụ được nhiều
photon từ ánh sáng mặt trời. Một loại polymer dẫn khác cũng hay được sử dụng là
MEH-PPV, phổ hấp thụ ánh sáng cực đại ở bước sóng 900 nm (1,38 eV) [35].
ii . Khả năng gia công
Đây chính là ưu thế của P3HT so với các loại polymer dẫn. Cấu trúc của P3HT
gồm các nhánh dài C6 gắn trên các vòng thiophene. Chính các nhánh dài này đã tạo
điều kiện cho P3HT tan tốt trong rất nhiều loại dung môi bình thường.

trật tự. Điều này dẫn tới vi cấu trúc tinh thể với sự chồng chập vân đạo giữa các phân
tử tốt hơn và chuyển dời điện tích tốt hơn. Độ linh động của hạt tải có thể tăng từ
10-3cm2/V.s đến 10-1cm2/V.s. Độ linh động tổng cộng trong rr-P3HT chủ yếu
phụ thuộc vào độ dài trung bình của chuỗi polymer, mức độ regioregularity và
điều kiện chế tạo.


10

Mc Cullough đã nhận ra khi sử dụng NiCl2(dppe) làm chất xúc tác, sản phẩm
tạo thành có thể chứa đến 100% HT. Ngoài ra, đơn giản hơn, ta có thể tiến hành cho
xúc tác FeCl3 vào chậm để đạt được tỉ lệ HT cao. Chúng ta mong muốn đạt được
cấu hình này, vì cấu hình của P3HT ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của polymer,
bao gồm khả năng kết tinh, khối lượng phân tử, và quan trọng hơn là độ dẫn điện.
Các hệ π dài hơn của các Polythiophenes liên hợp tạo nên một trong các tính chất
lý thú của các vật liệu này: tính chất quang của chúng [35], [39]. Sự liên hợp dựa trên
sự chồng chập của các orbital π đòi hỏi các vòng thiophene phải đồng phẳng. Số vòng
đồng phẳng xác định độ dài liên hợp (độ dài liên hợp còn được xem như là quãng
đường mà điện tử có thể đi qua trong chuỗi). Độ dài liên hợp càng dài thì dải hấp thụ
trong miền khả kiến càng dịch về phía đỏ. Trên thực tế do quá trình tổng hợp hoặc do
các chuỗi bên cồng kềnh dẫn đến lệch với sự sắp xếp đồng phẳng. Sự xoắn của chuỗi
xương sống làm giảm độ dài liên hợp dẫn đến bước sóng bị hấp thụ ngắn hơn.
iv . Khả năng kết tinh
Khả năng kết tinh của P3HT phụ thuộc vào các yếu tố như: Khối lượng phân tử,
độ phân tán, cấu hình [63]. Đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố này
và có một số kết luận đáng chú ý sau:
P3HT có cấu trúc regioregular, hay chỉ có liên kết H-T, cho sản phẩm có độ
kết tinh cao hơn P3HT có sự xuất hiện ngẫu nhiên của liên kết H-T, H-H và T-T.
Có thể giải thích điều này dựa trên khả năng sắp xếp chặt chẽ và đều đặn của các
nhánh hexyl dài trên thiophene. Khi có liên kết H-H và T-T, cấu trúc đều đặn này