1. Giới thiệu
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 trong môi trường. 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 silicon. 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. Khác với silicon tinh thể cần được sản xuất ở nhiệt độ rất cao, pin hữu cơ có thể được sản xuất dễ dàng, giá rẻ và ít tác động đến môi trường.
2. Polyme bán dẫn
Một trong những pin mặt trời hữu cơ là pin mặt trời polymer – fullerene (ví dụ C60). Các polymer này mang nối liên hợp (- C = C – C = C -) như polyacetylene (PA), polypyrrole (PPy), polyaniline (PAn), polythiophene (PT), poly (phenylene vinylene) (PPV) v.v… và các polymer dẫn xuất. Trong các polyme này, liên kết giữa các nguyên tử cacbon tạo thành khung cacbon có các liên kết đôi – đơn xen kẽ, hình thành các liên kết π chạy dọc theo khung cacbon (hình 1). Các điện tử π không định chỗ đó lấp đầy toàn dải nên các polyme liên hợp là các bán dẫn. Dải π bị lấp đầy được gọi là obital phân tử bị chiếm cao nhất (HOMO), và dải π* trống được gọi là obital phân tử không bị chiếm thấp nhất (LUMO). Hệ thống liên kết π này khi bị kích thích thì một điện tử nhảy từ HOMO lên mức LUMO.
(a)
(b)
Hình 1: a. Hệ thống liên kết đôi đơn xen kẽ trong polyacetylen; b)Các điện tử π không định chỗ trong polyme liên hợp
Khi polymer liên hợp kết hợp với dopant sẽ trở thành polymer dẫn điện. Khi đó, điện tử p đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra dòng điện. Khi có sự kích thích của ánh sáng mặt trời, polymer mang nối liên hợp “phóng thích” các điện tử p và để lại nhiều lỗ trống (+) trên mạch polymer. Vì vậy, polymer liên hợp được gọi là vật liệu loại p (p-type, p = positive = dương). Ngược lại, fullerene là vật liệu nhận điện tử rất hiệu quả; sau khi nhận điện tử fullerene mang điện tích âm nên được gọi là vật liệu loại n (n-type, n = negative = âm) (hình 4).
Hình 2: Quang tử trong ánh sáng mặt trời đánh bật điện tử ra khỏi mạch polymer của poly (3-hexylthiophene) (P3HT) và được nhận bởi [6,6]-PCBM C60 (một chất dẫn xuất của C60)
3. Nguyên lý hoạt động
Cơ chế biến đổi năng lượng mặt trời thành dòng điện trong pin nói chung xảy ra như sau: (1) điện tử bị quang tử kích thích nhảy lên trạng thái kích thích để lại một lỗ trống (+);
(2) 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) (hình 3), chúng liên kết với nhau do lực hút tĩnh điện;
(3) cặp (+)(-) phải được tách rời để điện tử hoàn toàn tự do đi lại tạo ra dòng điện. Những quang tử sẽ đánh bật điện tử ra khỏi mạng của vật liệu p tạo ra cặp âm dương (-) (+) (cặp điện tử – lỗ trống). Chỉ những cặp ở gần vùng chuyển tiếp p-n (p-n junction) mới bị phân tách. Sau khi phân tách, điện tử sẽ di động trong vật liệu n tiến đến cực dương và lỗ trống (+) di động trong vật liệu p tiến đến cực âm (hình 4a). Dòng điện xuất hiện. Thiếu một trong ba quá trình này, dòng điện không xảy ra.
Hình 3: Quang tử trong ánh sáng mặt trời “đánh bật” và nâng điện tử lên dải dẫn điện để lại lỗ trống (+) ở dải hóa trị. Cặp (+)(-) (lỗ trống – điện tử) còn gọi là exciton.
Hình 4: (a) Sự phân ly của cặp lỗ trống – điện tử (h+ và e-) tại mặt chuyển tiếp giữa vật liệu p và n. (b) Điện tử (e-) đi theo đường vân vật liệu n tiến đến cực dương, và lỗ trống (h+) theo đường vân vật liệu p tiến đến cực âm. Dòng điện xuất hiện.
Trong pin mặt trời dùng vật liệu hữu cơ, nguyên tắc chính là sự di chuyển điện tử từ một polymer/phân tử cho điện tử (electron donor (D) – bán dẫn loại p) đến một polymer/phân tử nhận điện tử (electron acceptor (A) – bán dẫn loại n). Sự di chuyển của điện tử sẽ tạo thành dòng điện.
Hình 5: Sơ đồ dịch chuyển điện tử trong polyme. a. Polyme hấp thụ ánh bức xạ mặt trời tạo cặp exiton khuyếch tán tới bề mặt chung donor – acceptor; b. Tại bề mặt tiếp xúc, điện tử chuyển tới acceptor, tạo cặp điện tử – lỗ trống; c. Sự phân tách cặp điện tử – lỗ trống tạo các hạt mang điện tự do; d. Các hạt mang điện tự do dịch chuyển theo các pha tới các điện cực; e. Sự tái hợp điện tử – lỗ trống trong donor; f. Sự tái hợp điện tử – lỗ trống tại bề mặt chung của donor – acceptor
Hình 6: Cấu tạo của pin mặt trời BHJ (bulk heterojunction)
3. Các mục tiêu đặt ra khi chế tạo pin mặt trời hữu cơ
Tăng khả năng hấp thụ ánh sáng
Các nhà khoa học đang cố gắng tìm kiếm các polyme dẫn có khả năng hấp thụ đến ánh sáng đỏ của bức xạ mặt trời. Hỗn hợp polyme – fullerene có khe dải năng lượng thấp, đã thay thế cho các dẫn xuất PPV. Các dẫn xuất của polythiophene, copolyme polypyrrole/thiazadole và thiophene/naphthene, có khả năng hấp thụ đến ánh sáng đỏ, có thể được ứng dụng trong quang điện.
Một cách khác là thay thế polyme truyền điện tử trong hỗn hợp bằng các chất màu tinh thể liên hợp, như anthrancence hoặc perylene, cho dải hấp thụ rộng hơn. Điều này cũng có thể đạt được khi dùng các hạt nano bán dẫn vô cơ hấp thụ ánh sáng đỏ, như CdSe nano dạng que có khả năng hấp thụ ánh sáng có bước sóng 700nm. Đặc biệt với CuInSe2 có khe năng lượng rất thấp (ở dạng khối khe năng lượng ~1 eV), hiện đang được dùng trong các hỗn hợp polyme – hạt nano.
Một xu hướng khác là dùng các chất màu nhạy sáng, thường là chất màu hữu cơ, người ta tạo một đơn lớp chất màu giữa donor và acceptor, lớp chất màu này có vai trò hấp thụ ánh sáng. Yoshino (Nhật Bản) đã đưa ra cấu trúc pin hữu cơ: donor – chất hấp thụ – acceptor.
Tăng sự phát dòng quang điện và tăng sự truyền điện tích
Bản chất độ linh động của các điện tử trong chất hữu cơ là kém, ngoài ra nó còn bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng bẫy điện tích của các tạp chất. Trong các nghiên cứu hiện nay, các polyme có độ linh động cao hơn như fluorene-triarylamine và các copolyme thiophene đã được sử dụng trong các thiết bị có cấu trúc hỗn hợp.
Để cải thiện sự truyền các electron, người ta đã thêm vào thành phần vô cơ là tinh thể nano TiO2. TiO2 có ưu điểm là rẻ, không độc, lại bền trong không khí, và có thể xử lý được ở dạng tấm cứng có cấu trúc nano. Ngoài ra, tinh thể dạng dài cũng được quan tâm, bởi khi kích thước tinh thể và hướng được khống chế thì chúng như các chất truyền electron. Người ta đã nghiên cứu các thiết bị mà sử dụng các chất màu tinh thể hình kim, CdSe nano dạng que và các ống nano cacbon. Bên cạnh đó, các chất chuyển điện tử hữu cơ có độ linh động và độ bền tốt hơn cũng đang được xem xét.
Sự điều chỉnh hình thái cấu trúc bề mặt
Trong thiết bị dị đầu nối phân tán, việc tạo dòng quang điện và truyền điện tích đều phụ thuộc vào hình thái cấu trúc bề mặt vật liệu. Dòng quang điện tạo ra phụ thuộc vào độ dài khuyếch tán exciton, còn sự truyền điện tích lại cần có đường dẫn đi từ bề mặt chung tới các điện cực (hình 4b). Trong thực tế, các vật liệu có xu hướng tách rời nhau ra khi trộn lẫn chúng với nhau. Người ta đã tập trung tìm cách điều chỉnh hình thái cấu trúc của hỗn hợp, có các hướng sau:
Khống chế hình thái cấu trúc hỗn hợp thông qua các điều kiện của quá trình xử lý, như: dung môi, áp suất, nhiệt độ chất nền.
Cấu trúc của pin.
Tổng hợp các copolyme donor-acceptors và các copolyme khối. Sự định vị các nhóm D và A trên cùng một khung cacbon có thể đảm bảo cho việc truyền điện tử từ D sang A hiệu quả, và tránh được sự phân tách pha. Với mục tiêu hấp thụ được các photon có bước sóng dài hơn so với các đơn polyme, người ta đã thiết kế các copolyme D-A. Điều này có thể cải thiện việc bẫy ánh sáng, nhưng việc tách điện tích có thể khó khăn hơn.
Dùng các màng hữu cơ hoặc vô cơ có cấu trúc xốp.
Độ bền và hiệu suất của pin
Các pin mặt trời hữu cơ không bền bởi hai nguyên nhân chính:
– Thứ nhất, nhiều polyme liên hợp không bền trong sự có mặt của oxi và ánh sáng, sinh ra các chất có khả năng phản ứng mạnh như peoxit, chất này phản ứng với vật liệu và làm suy biến hóa tính của vật liệu.
– Thứ hai là tính không bền của hỗn hợp donor – acceptor. Khi tạo lớp, các thành phần của hỗn hợp bị đông cứng lại, theo thời gian các thành phần này có thể tách nhau ra, làm giảm sự hòa trộn của hỗn hợp và hiệu quả tách điện tích. Vấn đề này đặc biệt quan trọng đối với hỗn hợp polymer – fullerene, trong đó fullerene có xu hướng tạo thành bó. Vì vậy, cần có giải pháp để khắc phục các vấn đề này.
4. Kết luận
Trong những năm gần đây, với sự lỗ lực nghiên cứu, các nhà khoa học đã đạt được những bước tiến đầy ấn tượng trong việc ứng dụng vật liệu hữu cơ vào pin mặt trời. Để tăng hiệu suất của pin thì cần cải thiện được việc hấp thụ ánh sáng, sự truyền điện tích và độ bền của vật liệu. Bằng sự điều chỉnh hình thái cấu trúc nano cùng với sự phát triển các vật liệu mới có khe năng lượng thấp, người ta hy vọng sẽ tạo được pin có hiệu suất đến 10%, hứa hẹn việc thương mại hóa loại pin này.
Hoahocngaynay.com
Nguồn Kim Thanh (pv-tech.vn)
