- Mô phỏng và tối ưu hóa pin mặt trời hữu cơ cấu trúc nano đa lớp. - ngành: Vật liệu và linh kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm). - Mô phỏng quá trình suy giảm năng lượng quang trong pin và trong từng cấu trúc của pin. - Đánh giá chất lượng mô phỏng và tối ưu hóa thông qua việc chế tạo và thử nghiệm, và khảo sát thông số cơ bản một số mẫu pin mặt trời hữu cơ.. - Pin mặt trời. - Linh kiện nano. - Pin mặt trời hữu cơ được hoạt đô ̣ng theo nguyên lý chuyển đổi ánh sáng thành điện năng thông qua việc sử dụng hợp chất hữu cơ hoạt quang phù hợp. - Mặc dù đã được phát triển từ cuối những năm 50 của thế kỷ truớc, pin mặt trời hữu cơ không được quan tâm đúng mức cho đến khi hợp chất polymer liệp hợp được ứng dụng làm chất hoạt quang trong linh kiện, làm tăng đáng kể hiệu suất của linh kiện. - Mặc dù vậy, hiệu suất của pin mặt trời hữu cơ vẫn thấp so với hiệu suất pin mặt trời vô cơ. - Tuy nhiên, do có rất nhiều ưu điểm, chẳng hạn như có thể tạo ra màng mỏng trên nhiều dạng vật liệu khác nhau, hay như có thể dễ dàng chế tạo với giá thành thấp, nên pin mặt trời hữu cơ vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triển, nhằm cải thiện hiệu suất chuyển hóa.. - Pin mặt trời hữu cơ là một trong những chủ đề quan trọng trong công nghiệp năng lượng cũng như trong an ninh năng lượng, không những của Việt Nam mà còn của rất nhiều quốc gia khác. - Chính vì vậy chúng tôi chọn đề tài luận văn của tôi là: “Mô phỏng và tối ưu hóa cấu trúc pin mặt trời hữu cơ cấu trúc nanô đa lớp”, nhằm mô tả sự khuếch tán của exciton được xử lý trong mô hình mô phỏng quá trình suy hao năng lượng quang bên trong pin và tối ưu hóa độ dày của các lớp khác nhau trong cấu trúc pin mặt trời hữu cơ.. - Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Pin mặt trời hữu cơ là một trong những chủ đề quan trọng trong công nghiệp năng lượng cũng như trong an ninh năng lượng, không những của Việt Nam mà còn của rất nhiều quốc gia khác. - Đề tài tập chung xử lý vấn đề tối ưu và mô phỏng hóa pin mặt trời hữu cơ cấu trúc đa lớp sử dụng lớp hoạt động quang poly(2- methoxy-5(2’-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene) (MEH-PPV) (finite diference method), bài toán mô tả sự khuếch tán của exiton được xử lý trong mô hình mô phỏng quá trình suy hao năng lượng quang bên trong pin. - Mô phỏng quá trình suy giảm năng lượng quang trong pin và trong từng cấu trúc của pin.. - Tổng Quan Về Pin Mặt Trời 1.1. - Giới thiệu về pin mặt trời. - 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 tích đó qua mạch điện ngoài. - 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. - Trên thực tế, một tế bào năng lượng mặt trời (hình 1.1) có thể được hình dung 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. - Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hình. - Ở 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. - Các bước chuyển đổi chi tiết và cơ chế mất mát trong tế bào năng lượng mặt trời.. - Hấp thụ ánh sáng Tạo thành Exciton Khuếch tán exciton Phân tách hạt tải Vận chuyển hạt tải Thu thập hạt tải. - Nguyên lý phân ly exciton và sự tách hạt tải trong một pin mặt trời hữu cơ heterojunction.. - Sự khác nhau giữa pin mặt trời vô cơ và hữu cơ. - Sự khác nhau cơ bản giữa pin mặt trời vô cơ và pin mặt trời hữu cơ là ở chỗ vật liệu được sử dụng để tạo thành chúng. - Dưới góc độ vật liệu, pin mặt trời hữu cơ được chia thành các loại sau đây:. - 1- Pin mặt trời hữu cơ chất màu nhạy sáng (Dye-sensitized OSCs) 2- Pin mặt trời phân tử (Molecular SCs). - 3- Pin mặt trời hữu cơ cao phân tử (polymeric SCs) 4- Pin mặt trời hữu cơ tổ hợp (Mixed SCs). - Hình 1.7 mô tả sơ đồ mạch của một pin mặt trời dựa vào cơ chế phát hạt tải bên trong SC. - Trong trường hợp của pin mặt trời hữu cơ, điện tử và lỗ trống liên kết chặt chẽ với nhau và tạo một exciton (hình 1.7).. - Các loại khác nhau của pin mặt trời hữu cơ 1. - Pin mặt trời đơn lớp. - Pin mặt trời này còn được gọi bằng tên Schottky OSC do đặc tính chuyển tiếp Schottky của thiết bị.. - Pin mặt trời dạng chuyển tiếp dị chất. - Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời hữu cơ. - So sánh sự khác biệt trong hình thành dòng điện của pin mặt trời hữu cơ và vô cơ có thể thể hiện trực quan bằng hình 1.12.. - Hình 1.12. - Cơ chế chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện trong thiết bị pin mặt trời vô cơ và hữu cơ.. - Nguyên lý cơ bản vận dụng cho mô phỏng sự suy giảm năng lượng quang bên trong pin mặt trời hữu cơ nằm ở chỗ coi ánh sáng kích hoạt pin có bản chất sóng điện từ trường. - Sử dụng phương trình chuẩn tắc do Ghosh và Feng đưa ra để mô tả quá trình chuyển hóa điện trường ánh sáng thành dòng điện trong pin. - Ánh sáng tới được xem xét là sóng phẳng.. - Phương trình toán học của điện trường và suy hao năng lượng quang của ánh sáng. - Cấu trúc m lớp trong thiết bị pin mặt trời. - Phương trình khuếch tán exciton trong linh kiện. - Do đó, phương trình 3.36 và ϴ, dòng quang điện có thể được tính toán như là:. - J q J (2.37) Dòng quang điện ngắn mạch trong pin mặt trời hữu cơ có thể được tính toán:. - Tối ưu hóa cấu trúc linh kiện. - Nếu xem xét sự phân bổ quang phổ của ánh sáng mặt trời I(λ), dòng tổng trong linh kiện có thể được xác định bằng phương trình sau đây. - Chiết suất phức của vật liệu theo bước sóng ánh sáng được xác định bằng phương pháp phân tích phổ elipsometric. - Hình 3.1 và 3.2 biểu diễn chiết suất thực và ảo tương ứng của vật liệu ITO, PEDOT, PCBM, Ca và Al được sử dụng trong mô hình cấu trúc linh kiện OPV.. - Chiết suất thực của vật liệu thay đổi theo bước sóng ánh sáng tới. - Chiết suất ảo của vật liệu thay đổi theo bước sóng ánh sáng tới. - Phân bố ánh sáng trong cấu trúc linh kiện. - Sự hấp thụ ánh sáng của từng lớp cấu trúc trong linh kiện thay đổi theo phổ ánh sáng mặt trời có bước sóng trong khoảng 300 đến 800 nm được xác định bằng công thức 2.25 và biểu diễn trong hình 3.3.. - Hệ số hấp thụ ánh sáng của vật liệu thay đổi theo bước sóng tới. - Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, màng ITO hấp thụ cực đại ở bước sóng 447 nm (2,76eV).. - Phản xạ và hấp thụ ánh sáng trên bề mặt thủy tinh của linh kiện. - Do lớp Al của linh kiện có độ dầy lớn hơn độ đâm xuyên của ánh sáng nên tổng lượng ánh sáng bị hấp thụ bởi linh kiện có thể được biểu diễn bằng A=1-Reflectance. - Phần ánh sáng bị hấp thụ bởi linh kiện thể hiện trong hình 3.4 (đường liền) phản ánh giới hạn cực đại phần quang năng thực tế có thể chuyển hóa thành dòng điện của linh kiện. - Theo kết quả tính toán, có thể thấy rằng linh kiện có thể chuyển hóa cực đại khoảng 95% ánh sáng tới ở bước sóng 320nm. - Tuy nhiên, điều này là không thể và nó chỉ có ý nghĩa trong đánh giá thiết kế linh kiện.. - Phân bố cường độ điện trường trong linh kiện. - Cường độ điện trường ánh sáng tại mỗi điểm trong linh kiện được tính toán bằng công thức 2.23. - Hình 3.5 biểu diễn sự phân bố giá trị MSE. - )của bước sóng và 750 nm bên trong linh kiện.. - Phân bố cường độ điện trường của một số ánh sáng tới trong linh kiện. - Như đã trình bày, mật độ exiton tỷ lệ với giá trị MSE của ánh sáng tới bên trong linh kiện, chỉ số chiết suất và cường độ hấp thụ ánh sáng của vật liệu. - Quan sát trên hình 3.5, nhận thấy rằng giá trị MSE bị gián đoạn tại bề mặt biên của các lớp vật liệu. - Hình 3.5 cũng cho thấy, với ánh sang tới khác nhau thì giá trị MSE trên mỗi lớp cũng sẽ khác nhau.. - Phân bố cường độ điện trường của ánh sáng bước sóng 550nm trong linh kiện: a- lớp PCBM dày 80nm. - Có thể thấy rằng, giá trị của MSE trong lớp hoạt quang PCBM bị ảnh hưởng rất mạnh bởi độ dầy của màng. - Điều này cho thấy, có thể điều chỉnh độ dày của lớp hoạt quang để thay đổi đặc tính của linh kiện. - Chính vì vậy, có thể coi mặt tiếp xúc PCBM/Ca là bề mặt biên bên trong linh kiện.. - Từ hình 3.5 và 3.6, có thể thấy rằng, bề mặt PEDOT/PCBM là bề mặt biên hoạt động chính của linh kiện. - Do vậy việc mở rộng diện tích bề mặt này là một trong những giải pháp để gia tăng hiệu suất chuyển hóa của linh kiện.. - Suy giảm năng lượng quang trong lớp hoạt quang. - Lớp hoạt quang là thành phần quan trọng trong linh kiện vì phần lớn exiton được sinh ra trong lớp này. - Khảo sát sự suy giảm năng lượng ánh sáng trong lớp hoạt quang sẽ có thể định tính đánh giá được đặc tính của linh kiện. - Nắng lượng ánh sáng tới cho tính toán suy giảm quang năng trong linh kiện được xác định ở điều kiện AM1.5 và biểu diễn trong hình 3.7.. - Năng lượng mặt trời tại điều kiện AM1.5. - Có thể nhận thấy rằng quang năng tiêu hao trong lớp hoạt quang bị ảnh hưởng chi phối bởi bước sóng. - Đây là kết quả đáng chú ý vì nếu lớp hoạt quang quá dầy, phần lớn exciton sẽ không thể đến được bề mặt biên PEDOT/PCBM để phân tách thành hạt tải và như vậy, có thể làm giảm hiệu suất chuyển hóa của linh kiện.. - Mật độ exiton tạo ra trong linh kiện. - Mật độ exciton được tính toán bằng phương trình 2.30 và được biểu diễn trong hình 3.9 theo các bước sóng và 750 nm.. - Giản đồ mật độ exciton trong lớp hoạt quang PCBM của linh kiện. - Với phổ ánh sáng mặt trời ở điều kiện AM1.5, giản đồ mật độ exciton theo vị trí được tính toán bằng phương trình 3.28 và thể hiện trong hình 3.10.. - Hình 3.10. - Giản đồ mật độ exciton trong lớp hoạt quang PCBM của linh kiện tại điều kiện chiếu sáng AM1.5. - Dựa theo nguyên lý dòng cực đại để tối ưu hóa bề dày lớp hoạt quang trong linh kiện với các điều kiện sau:. - Cấu trúc linh kiện:. - Giản đồ miêu tả sự phụ thuộc của mật độ dòng điện theo bề dày lớp quang hoạt được thể hiện trong hình 3.11.. - Hình 3.11. - Có thể thấy rằng, với độ dày khoảng 72nm, linh kiện sử dụng PCBM là vật liệu quang hoạt cho mật độ dòng lớn nhất. - Phép tối ưu được thực hiện với linh kiện sử dụng vật liệu P3HTPCBMBlend DCB làm vật liệu hoạt quang. - Kết quả được chỉ ra trong hình 3.12.. - Hình 3.12. - Theo kết quả trong hình 3.13, có thể dự đoán, linh kiện OPV sử dụng vật liệu P3HTPCBMBlend DCB sẽ cho cực đại dòng điện ngoài nếu bề dày của lớp hoạt quang trong khoảng 80nm.. - Nguyen Duc Nghia và cộng sự, Đề tài “Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời hữu cơ”, Đề tài cấp Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 2009-2010