Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của pin mặt trời dựa trên cấu trúc lai dây nano silic/poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate/graphen

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:57

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận văn nhằm tối ưu hóa sự kết hợp các tính chất đặc biệt của vật liệu SiNW và các vật liệu chức năng như polyme dẫn hay graphen nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của pin mặt trời dựa trên cấu trúc lai dây nano silic/poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate/graphen

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Châm NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA PIN MẶT TRỜI DỰA TRÊN CẤU TRÚC LAI DÂY NANO SILIC/POLY(3,4-ETHYLENEDIOXYTHIOPHENE):POLYSTYRENE SULFONATE/GRAPHEN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2020
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Châm NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA PIN MẶT TRỜI DỰA TRÊN CẤU TRÚC LAI DÂY NANO SILIC/POLY(3,4-ETHYLENEDIOXYTHIOPHENE):POLYSTYRENE SULFONATE/GRAPHEN Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440130.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Phạm Văn Trình PGS.TS. Lê Tuấn Tú Hà Nội - 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu do chính tôi − học viên Nguyễn Thị Châm, chuyên ngành Vật lý chất rắn, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Văn Trình và PGS.TS. Lê Tuấn Tú. Bản luận văn không sao chép từ bất kỳ tài liệu nào. Nếu bản luận văn này được sao chép từ bất kỳ tài liệu nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước đơn vị đào tạo và pháp luật. Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2020 Học Viên Nguyễn Thị Châm
LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Lê Tuấn Tú và TS. Phạm Văn Trình, những người đã trực tiếp giao đề tài và tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn toàn thể cán bộ trong phòng Vật liệu Cácbon nanô, Viện Khoa học Vật liệu đã cung cấp cơ sở vật chất và chỉ bảo tận tình em trong suốt quá trình làm thực nghiệm, nghiên cứu, hoàn thành luận văn. Em xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô giáo thuộc Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã chỉ bảo và giảng dạy em trong suốt những năm học qua cũng như việc hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến GS. Naoki Fukata tại viện NIMS, Nhật Bản đã luôn sẵn sàng ủng hộ, giúp đỡ tôi thực hiện một số phép đo và khảo sát tính chất vật liệu phục vụ cho luận văn. Nội dung của luận văn là một phần công việc của đề tài Độc lập trẻ cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam mã số ĐLTE00.03/19-20 và đề tài Nafosted mã số 104.06-2018.34 Cuối cùng, xin được bày tỏ tình cảm tới những người thân trong gia đình, các bạn trong tập thể lớp đã động viên, hỗ trợ em về mọi mặt. Em xin chân thành cảm ơn! Học viên: Nguyễn Thị Châm
MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 Chương 1. TỔNG QUAN................................................................................................ 3 1.1. Tổng quan về pin mặt trời ........................................................................................3 1.1.1. Năng lượng mặt trời .............................................................................................. 3 1.1.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ...................................................................3 1.1.4. Pin mặt trời cấu trúc lai vô cơ-hữu cơ ...................................................................8 1.2. Tình hình nghiên cứu về pin mặt trời trong nước ..................................................13 Chương 2. THỰC NGHIỆM .........................................................................................17 2.1. Chế tạo hỗn hợp PEDOT:PSS/Gr ...........................................................................17 2.2. Chế tạo SiNW .........................................................................................................20 2.3. Chế tạo pin mặt trời ................................................................................................ 21 2.4. Các phương pháp phân tích ....................................................................................22 2.4.1. Kính hiển vi điện tử quét .....................................................................................22 2.4.2. Phổ tán xạ Raman ................................................................................................ 23 2.4.3. Phổ FTIR và Phổ UV-VIS ...................................................................................24 2.4.4. Khảo sát độ dẫn bằng phương pháp đo điện trở bốn mũi dò............................... 25 2.4.5. Đặc trưng J-V .....................................................................................................26 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .....................................................................27 3.1. Kết quả biến tính Graphen ......................................................................................27 3.2. Tính chất của màng PEDOT:PSS/Gr .....................................................................28 3.3. Kết quả chế tạo SiNW ............................................................................................ 31 3.4. Đặc trưng tính chất của pin mặt trời .......................................................................33 3.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ graphen ........................................................................33 3.4.2. Ảnh hưởng của chiều dài SiNW ..........................................................................35 KẾT LUẬN ...................................................................................................................40 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ............................................................ 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 42
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CFs Carbon fibers Sợi các bon CNTs Carbon Nanotubes Ống nanô cacbon CVD Chemical Vapor Deposition Ngưng tụ pha hơi hoá học Energy Dispersive X-Ray Phổ tán xạ năng lượng tia EDX spectroscopy X Fourier Tranform Infrared FTIR Phổ hồng ngoại spectroscopy Gr Graphen Graphen J-V Current density- Voltage Đặc trưng dòng-thế Ống nanô cacbon đa MWCNTs Multi-Walled Carbon Nanotubes tường poly(3,4- PEDOT:PSS ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate SEM Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét SiNWs Silicon nanowires Dây nano Silic Ống nanô cacbon đơn SWCNTs Single-Walled Carbon Nanotubes tường UV-VIS Ultraviolet–visible spectroscopy Phổ hấp thụ hồng ngoại
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Phổ bức xạ mặt trời 3 Hình 1.2. Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hình 4 Hình 1.3. Hiệu ứng quang điện 5 Hình 1.4. Giá thành($/Wp) và hiệu suất của các thế hệ pin mặt trời 7 Hình 1.5. Hiệu suất cao nhất thu được của pin mặt trời dựa trên cấu trúc, 7 vật liệu khác nhau Hình 1.6. Pin mặt trời sử dụng SiNW với cấu trúc pn dạng lõi-vỏ 9 Hình 1.7. Pin mặt trời sử dụng cấu trúc hybrid Si NW/PEDOT:PSS có 10 hiệu suất 13.2% (a) SiNW, (b) SiNW sau khi được phủ PEDOT:PSS, (c) đặc trưng J-V và (d) hệ số phản xạ Hình 1.8. Các tính chất của pin mặt trời sử dung cấu trúc hybrid 11 SiNW/PEDOT:PSS/GO Hình 1.9. (a) Pin mặt trời sử dụng cấu trúc PEDOT:PSS/Si và GQDs, (b) 12 Đặc trưng J-V của pin mặt trời với nồng độ GQD khác nhau và (c) hiệu suất lượng tử ngoại của pin mặt trời Hình 1.10. Đặc trưng I/V của pin mặt trời sử dụng cấu trúc Au@TiO2 13 Hình 1.11 Pin mặt trời hữu cơ có hiệu suất chuyển đổi lớn hơn 10% 13 Hình 1.12 Đặc trưng I/V của pin mặt trời sử dụng cấu trúc 14 ITO/PEDOT/P3HT:PCBM/LiF/Al (WOSC) and ITO/ZnO/PEDOT/P3HT:PCBM/LiF/Al (BOSC) Hình 1.13 Mô hình cấu trúc của pin mặt trời sử dụng cấu trúc hybrid 15 SiNW/PEDOT:PSS/Gr và các điểm ưu việt của nghiên cứu Hình 2.1. Quy trình chế tạo pin mặt trời SiNW/PEDOT:PSS/Gr 17 Hình 2.2. Quy trình chế tạo hỗn hợp dung dịch PEDOT:PSS/Gr 18
Hình 2.3. (a) Ảnh SEM và (b) ảnh HRTEM của graphen chế tạo bằng 18 phương pháp bóc tách điện hóa có hỗ trợ plasma Hình 2.4. Qui trình biến tính gắn nhóm chức COOH lên ống graphen 19 Hình 2.5. Quy trình chế tạo SiNW bằng phương pháp ăn mòn hóa học 20 Hình 2.6. Quy trình chế tạo pin mặt trời SiNW/PEDOT:PSS/Gr và một số 21 thiết bị Hình 2.7. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét 23 Hình 2.8. (a) Sơ đồ hệ FTIR và (b) mô hình mẫu đo 24 Hình 2.9. Thiết bị đo UV-VIS (Jacos V670) 25 Hình 2.10. Sơ đồ đo điện trở bằng phương pháp 4 mũi dò (a) và thiết bị đo 25 JANDEL (b) Hình 2.11. Hệ đo đặc trưng J-V của pin mặt trời 26 Hình 3.1. Phổ Raman của Graphen và Gr-COOH 27 Hình 3.2. Phổ FTIR của Graphen và Gr-COOH 28 Hình 3.3. Ảnh SEM của màng PEDOT:PSS/Gr trên đế thủy tinh 29 Hình 3.4. Phổ Raman của màng PEDOT:PSS/Gr trên đế thủy tinh 29 Hình 3.5. UV-VIS của màng PEDOT:PSS/Gr trên đế thủy tinh 30 Hình 3.6. Điện trở và độ dẫn điện của màng PEDOT:PSS/Gr trên đế thủy 31 tinh Hình 3.7. SiNW được chế tạo theo thời gian khác nhau 1, 3, 6, 15, 30 và 31 60 phút trong hỗn hợp dung dịch HF 4.6M + AgNO3 0.02M Hình 3.8. Tốc độ hình thành SiNW theo thời gian ăn mòn 32 Hình 3.9. Quy trình chế tạo pin mặt trời cấu trúc lai n-Si/PEDOT:PSS/Gr 33 Hình 3.10. Đặc trưng J-V của pin mặt trời theo nồng độ Gr khác nhau 34
Hình 3.11. Hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời theo nồng độ Gr khác 35 nhau Hình 3.12. Ảnh hưởng của chiều dài SiNW đến sự hình thành cấu trúc lai 35 SiNW/PEDOT:PSS/Gr Hình 3.13. Hệ số phản xạ của pin mặt trời cấu trúc SiNW/PEDOT:PSS/Gr 36 với chiều dài SiNW khác nhau Hình 3.14. Hiệu suất lượng tử ngoại của pin mặt trời cấu trúc 37 SiNW/PEDOT:PSS/Gr với chiều dài SiNW khác nhau Hình 3.15. Đặc trưng J-V của pin mặt trời theo chiều dài SiNW khác nhau 38 Hình 3.16. Chuẩn hóa các thông số Jsc, Voc và FF của pin mặt trời theo 38 chiều dài SiNW khác nhau
MỞ ĐẦU Hiện nay các nguồn năng lượng truyền thống như dầu, khí đốt đang dần bị cạn kiệt do nhu cầu sử dụng tăng cao cùng với sự phát triển của loài người. Vì vậy, việc tìm ra những nguồn năng lượng mới để thay thế là hết sức cần thiết, trong những nguồn năng lượng đó, năng lượng mặt trời được coi như một nguồn năng lượng thay thế có tiềm năng nhất. Kể từ khi được phát hiện cho đến nay, đã có rất nhiều cấu trúc pin mặt trời được nghiên cứu và phát triển và được phân chia thành ba hệ pin mặt trời chính: (I) pin mặt trời trên cơ sở vật liệu Si khối (đơn tinh thể, đa tinh thể), (II) pin mặt trời trên cơ sở màng mỏng (CIGS, CdTe, DSSC, v.v...) và (III) pin mặt trời dựa trên các cấu trúc nano và vật liệu nano. Pin mặt trời thương mại hiện nay thường được chế tạo trên nền tảng vật liệu Si dạng khối không những đòi hỏi chi phí chế tạo cao mà còn hạn chế về mặt hiệu suất. Vì vậy, việc khai thác nguồn năng lượng này đang bị hạn chế rất nhiều bởi giá thành cung cấp quá cao so với nhưng nguồn năng lượng khác. Nhu cầu nghiên cứu những thế hệ pin mặt trời mới với hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, giá thành hạ và tuổi thọ dài là hết sức cần thiết. Nhiều cách tiếp cận đã được thực hiện để hạ thấp giá thành của pin mặt trời dựa trên nền tảng vật liệu Si, trong đó pin mặt trời Si sử dụng cấu trúc màng mỏng được phát triển là một giải pháp tiềm năng; tuy nhiên, pin mặt trời Si cấu trúc màng mỏng lại có hiệu suất thấp hơn so với pin mặt trời dạng khối do khả năng hấp thụ quang bị hạn chế bởi chiều dày của lớp vật liệu. Pin mặt trời hữu cơ được nghiên cứu phát triển với kỳ vọng là hạ được giá thành cung cấp. Tuy nhiên, vấn đề chính đối với pin mặt trời hữu cơ đó chính là hiệu suất chuyển đổi đạt được chưa cao và có độ ổn định thấp. Gần đây, thế hệ pin mặt trời dựa trên nền tảng sử dụng cấu trúc lai kết hợp vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ đã và đang nhận được sự kỳ vọng và quan tâm của các nhà nghiên cứu trong việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi bằng cách cải thiện khả năng hấp thụ quang và tập chung các hạt tải. Trong đó, vật liệu vô cơ dựa trên nền tảng dây nanô Si (SiNW) không những thể hiện khả năng hấp thụ tuyệt vời mà còn cung cấp diện tích bề mặt lớn khi so sánh với vật liệu Si dạng khối hay màng mỏng. Vì vậy, sử dụng cấu trúc SiNW vào các pin mặt trời đã thu hút được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học, các kỹ sư và các nhà phát triển công nghệ hướng tới khả năng nâng cao hiệu suất chuyển đổi và tiết kiệm chi phí sản suất khi so sánh với thế hệ pin mặt trời Si dạng khối và dạng màng. 1
Từ những lý do trên, tập thể thầy hướng dẫn và học viên đã lựa chọn thực hiện luận văn: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của pin mặt trời dựa trên cấu trúc lai dây nano silic/poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate/graphen”. Mục tiêu của luận văn i) Nghiên cứu quy trình chế tạo pin mặt trời cấu trúc lai SiNW/PEDOT:PSS. ii) Tối ưu hóa sự kết hợp các tính chất đặc biệt của vật liệu SiNW và các vật liệu chức năng như polyme dẫn hay graphen nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Pin mặt trời cấu trúc lai vô cơ/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 và hữu cơ. Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo các pin mặt trời cấu trúc lai là một hướng đi mới và nhiều triển vọng và có khả năng đáp ứng được những yêu cầu cấp bách về nghiên cứu khoa học cũng như những ứng dụng năng lượng trong thực tiễn. Đồng thời đề tài này cũng góp phần đẩy mạnh việc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng thực tiễn vật liệu graphen trong các linh kiện quang điện tử ở Việt Nam. Bố cục của luận văn Ngoài phần Mở đầu trình bày ý nghĩa và lý do lựa chọn vấn đề nghiên cứu và phần Kết luận về những kết quả đã đạt được, luận văn được cấu trúc trong 3 Chương: Chương 1 trình bày tổng quan về pin mặt trời và vật liệu graphen. Phần tổng quan về pin mặt trời trình bày các thế hệ pin mặt trời, đặc trưng tính chất và tình hình nghiên cứu về pin mặt trời ở trong nước. Chương 2 trình bày các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận văn, bao gồm phương pháp thực nghiệm chế tạo mẫu và các phương pháp khảo sát, đánh giá tính chất của vật liệu. Chương 3 trình bày kết quả nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thông số như nồng độ graphen, kích thước graphen và chiều dài dây nano Silic đến tính chất của pin mặt trời. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về pin mặt trời 1.1.1. Năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ các ngôi sao. Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỉ năm nữa. Con người đã biết sử dụng nguồn năng lượng này từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng mặt trời, nhưng vùng sa mạc. Từ sau cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng mặt trời càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời. Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay là điện mặt trời và nhiệt mặt trời. Hình 1.1. Phổ bức xạ mặt trời [1] 1.1.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời Pin mặt trời (pin điện quang, hình 1.2) là thiết bị sản xuất ra điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Khi ánh sáng chiếu tới các tế bào quang điện, nó sẽ sản sinh ra điện năng. Khi không có ánh sáng, các tế bào này ngưng sản xuất điện. Quá trình chuyển đổi này còn được gọi là hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang 3
điện điện là một hiện tượng điện – lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ. Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra. Hiện tượng: khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số thích hợp (lớn hơn một tần số ngưỡng đặc trưng cho mỗi kim loại), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và chuyển lên vùng dẫn tạo thành các điện tử tự do e- đồng thời để lại các lỗ trống mang điện dương, các hạt mang điện này di chuyển tạo ra dòng điện (gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect), hình 1.3. Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn tạo nên hiêu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn. Hình 1.2. Cấu tạo của một tế bào năng lượng mặt trời điển hình [2] 4
Hình 1.3. Hiệu ứng quang điện 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. 1.1.3. Sự phát triển của pin mặt trời Từ trước đến nay, các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than, dầu, khí đốt đã và đang được sử dụng như nguồn năng lượng truyền thống. Tuy nhiên, nguồn nhiên liệu này đang dần cạn kiệt vì hạn chế về số lượng và không thể tái tạo được. Không những thế, sản phẩm của chúng giải phóng một lượng lớn khí CO2, là một trong những tác nhân chính gây nên sự nóng lên toàn cầu. Vì vậy, tìm ra những nguồn năng năng lượng mới để thay thế và giải quyết sự nóng lên toàn cầu đang nhận được rất nhiều sự quan tâm. Các nguồn năng lượng tự nhiên như năng lượng sinh khối, năng lượng gió, năng lượng biển, năng lượng mặt trời là những nguồn năng lượng có tiềm năng lớn cho việc thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch và đóng vai trò quan trọng trong nỗ lực giảm nguồn khí thải CO2, tránh tác động xấu đến biến đổi khí hậu. Trong đó, năng lượng mặt trời được sử dụng rộng rãi và tiềm năng nhất. Do Việt Nam nằm ở vùng nhiệt đới cận xích đạo nên có số giờ nắng trung bình ngày khá cao, ở miền Nam trung bình đạt 6.5 giờ/ngày, miền Bắc là 4.1 giờ/ngày, một số địa phương có số giờ nắng trung bình ngày cao như Cần Thơ: 6.9 giờ/ngày, Đà Lạt: 6.1 giờ/ngày… Cường độ tổng lượng bức xạ trung bình ngày thuộc loại cao trên thế giới: 5 kWh/m2 (các khảo sát trên thế giới cho thấy cường 5
độ tổng lượng bức xạ trung bình ngày cao nhất đạt 7 kWh/m2, thấp nhất 2 kWh/m2). Những số liệu trên cho thấy pin mặt trời có tiềm năng phát triển rất lớn ở Việt Nam. Năm 1883, pin mặt trời đầu tiên trên thế giới được Charles Fritts chế tạo bằng cách phủ một lớp rất mỏng kim loại vàng lên bán dẫn selen, pin mặt trời này hoạt động dựa vào chuyển tiếp kim loại – bán dẫn và có hiệu suất khoảng 1%. Năm 1946, Russell Ohl phát minh ra pin mặt trời chuyển tiếp hai lớp bán dẫn đầu tiên. Năm 1954, pin mặt trời silic dạng khối được chế tạo có hiệu suất khoảng 6%; đến cuối thập niên 1980, pin mặt trời silic đã đạt đến hiệu suất 20%, các loại pin mặt trời khác cũng được phát triển và có hiệu suất cao (chủ yếu dựa trên nền GaAs). Năm 1989, pin mặt trời silic đã đạt đến hiệu suất 37%. Dựa vào lịch sử phát triển và cấu tạo của các loại pin mặt trời, người ta phân thành bốn thế hệ pin mặt trời: 1. Thế hệ thứ nhất: pin mặt trời dạng khối, đơn tinh thể silic (còn gọi là pin mặt trời kiểu truyền thống) được chế tạo từ đế silic, loại pin mặt trời này có hiệu suất rất cao, tuy nhiên giá thành đắt, khó lắp đặt, kích thước nhỏ. 2. Thế hệ thứ hai: pin mặt trời được chế tạo theo công nghệ màng mỏng, các loại vật liệu tạo thành phong phú hơn như silic đa tinh thể, vô định hình, CdTe (cadmium telurit), các hợp kim của CIGS (gồm đồng, indium, galium và selen) và các loại bán dẫn màng mỏng khác. Pin mặt trời thế hệ này có hiệu suất không cao bằng thế hệ đầu nhưng giá thành rẻ hơn, diện tích phơi sáng lớn hơn, gọn nhẹ hơn, có thể tích hợp nhiều chức năng hơn. 3. Thế hệ thứ ba: Pin mặt trời dạng nano tinh thể, pin quang – điện – hóa, pin mặt trời có thành phần hữu cơ như pin mặt trời nhuộm, pin mặt trời polymer. Ưu điểm lớn nhất của pin mặt trời thế hệ này là giá thành rẻ hơn hẳn hai thế hệ trước, việc lắp đặt và vận chuyển rất dễ dàng, kích thước và hình dạng của hệ rất phong phú và có thể tùy chỉnh theo nhu cầu sử dụng, tuy nhiên hiệu suất thường không cao và quá trình chế tạo có thể gây ô nhiễm môi trường. 4. Thế hệ thứ tư: Pin mặt trời lai vô cơ - hữu cơ, được chế tạo từ vật liệu nano tinh thể phủ trên ma trận nền polymer. Thế hệ pin mặt trời này cải thiện được hiệu suất so với 6
pin mặt trời thế hệ thứ ba và thân thiện với môi trường hơn. Hiện nay, pin mặt trời thế hệ thứ tư đang là hướng nghiên cứu được các nước phát triển chú trọng nhất. Hình 1.4. Giá thành($/Wp) và hiệu suất của các thế hệ pin mặt trời [3]. Hình 1.5. Hiệu suất cao nhất thu được của pin mặt trời dựa trên cấu trúc, vật liệu khác nhau [4] 7
Pin mặt trời thương mại hiện nay thường được chế tạo trên nền tảng vật liệu Si dạng khối không những đòi hỏi chi phí chế tạo cao mà còn hạn chế về mặt hiệu suất (Hình 1.4). Vì vậy, việc khai thác nguồn năng lượng này đang bị hạn chế rất nhiều bởi giá thành cung cấp quá cao so với nhưng nguồn năng lượng khác. Nhu cầu nghiên cứu những thế hệ pin mặt trời mới với hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, giá thành hạ và tuổi thọ dài là hết sức cần thiết. Nhiều cách tiếp cận đã được thực hiện để hạ thấp giá thành của pin mặt trời dựa trên nền tảng vật liệu Si, trong đó pin mặt trời Si sử dụng cấu trúc màng mỏng được phát triển là một giải pháp tiềm năng [3]. Tuy nhiên, pin mặt trời Si cấu trúc màng mỏng lại có hiệu suất thấp hơn so với pin mặt trời dạng khối do khả năng hấp thụ quang bị hạn chế bởi chiều dày của lớp vật liệu (Hình 1.5). Pin mặt trời hữu cơ được nghiên cứu phát triển với kỳ vọng là hạ được giá thành cung cấp. Tuy nhiên, vấn đề chính đối với pin mặt trời hữu cơ đó chính là hiệu suất chuyển đổi đạt được chưa cao và có độ ổn định thấp. 1.1.4. Pin mặt trời cấu trúc lai vô cơ-hữu cơ Pin mặt trời thương mại được nghiên cứu và chế tạo trên nền silic do có nguồn tài nguyên dồi dào (Si là nguyên tố phổ biến thứ 2 trên thế giới), dễ dàng chế tạo, không độc hại, có khả năng hoạt động bền bỉ trong thời gian dài [7]. Tuy nhiên, bề mặt silic phẳng có hệ số phản xạ ánh sáng cao nên hầu hết bức xạ mặt trời tới đều không được hấp thụ dẫn đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp. Do đó, các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu tìm ra các phương pháp làm giảm hệ số phản xạ của silic [6]. Trong đó, phương pháp tạo cấu trúc nano trên bề mặt silic được coi là một trong những phương pháp đầy hứa hẹn làm giảm hệ số phản xạ của silic [7]. Si cấu trúc nano làm tăng diện tích bề mặt dẫn đến giảm hệ số phản xạ, tăng khả năng hấp thụ ánh sáng, do đó tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng [8,9]. Thông thường có hai cách tạo cấu trúc nano silic là “từ trên xuống” và “từ dưới lên”. Nhiều phương pháp “từ dưới lên” đã được áp dụng để chế tạo dây nano silic như phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học [10-12], epitaxy chùm phân tử [13], bốc bay nhiệt [14-15]. Tuy nhiên, các phương pháp này thường khó thực hiện do cần có các hệ thiết bị phức tạp, đắt tiền, và chi phí vận hành đắt đỏ. Đối với phương pháp “từ trên xuống”, có 3 phương pháp thường được sử dụng là: phương pháp quang khắc [16], ăn mòn khô (RIE) [17], và ăn mòn ướt hay còn gọi là 8
ăn mòn hóa học (WCE) [16,17]. Trong đó, phương pháp quang khắc và ăn mòn khô thường tốn thời gian và chi phí đắt đỏ. Còn phương pháp ăn mòn ướt thì đơn giản, ít tốn thời gian, dễ thực hiện ngay ở nhiệt độ phòng. Không những thế, phương pháp ăn mòn hóa học dễ dàng chế tạo được số lượng lớn với cấu trúc đồng đều, phù hợp trong quy mô sản xuất công nghiệp. Gần đây, thế hệ pin mặt trời dựa trên nền tảng vật liệu cấu trúc nanô đã và đang nhận được sự kỳ vọng và quan tâm của các nhà nghiên cứu trong việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi bằng cách cải thiện khả năng hấp thụ quang và tập chung các hạt tải. Trong đó, vật liệu dây nanô Si (SiNW) không những thể hiện khả năng hấp thụ tuyệt vời mà còn cung cấp diện tích bề mặt lớn khi so sánh với vật liệu Si dạng khối hay màng mỏng. Vì vậy, sử dụng cấu trúc SiNW vào các pin mặt trời đã thu hút được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học, các kỹ sư và các nhà phát triển công nghệ hướng tới khả năng nâng cao hiệu suất chuyển đổi và tiết kiệm chi phí sản suất khi so sánh với thể hệ pin mặt trời Si dạng khối và dạng màng [17,18]. Hình 1.6. Pin mặt trời sử dụng SiNW với cấu trúc pn dạng lõi-vỏ [19] Garnett và cộng sự đã nghiên cứu và đề xuất cấu trúc pin mặt trời sự dụng SiNW với mục đích là tạo là được lớp tiếp giáp pn với diện tích lớn trên cơ sở cấu trúc lõi-vỏ. Tuy hiệu suất chuyển đổi của pin ban đầu đạt được có 0.5%, nhưng kết quả nghiên cứu đã mở ra hướng nghiên cứu mới về pin mặt trời (Hình 1.6) [19]. Ko và cộng sự nghiên 9
cứu phát triển pin mặt trời sử dụng SiNW dạng bất đối xứng. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ số phản xạ của pin mặt trời dạng này tương đối thấp (4-5%) và hiệu suất chuyển đổi đạt được là gần 8% [20]. Hình 1.7. Pin mặt trời sử dụng cấu trúc hybrid Si NW/PEDOT:PSS có hiệu suất 13.2% (a) SiNW, (b) SiNW sau khi được phủ PEDOT:PSS, (c) đặc trưng J-V và (d) hệ số phản xạ [28] Mặc dù vậy, tất cả các nghiên cứu về pin mặt trời sử dụng cầu trúc SiNW thường đòi hỏi những quy trình xử lý bán dẫn khá đắt đỏ, bao gồm các quy trình khuếch tán nhiệt độ cao, lắng đọng hóa học trong môi trường chân không cao và do đó sẽ dẫn đến tăng chi phí sản xuất của pin mặt trời. Vì lý do đó, pin mặt trời sử dụng cấu trúc lai kết hợp vật liệu SiNW và vật liệu hữu cơ đã, đang được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ [21- 23]. Cấu trúc pin mặt trời dạng này không chỉ yêu cầu nhiệt độ chế tạo thấp do đặc tính của vật liệu hữu cơ mà còn thực tế hóa khả năng giảm giá thành chế tạo bằng cách khai thác các loại vật liệu hữu cơ rẻ tiền và phong phú. Điều này hoàn toàn trái ngược với sự đắt đỏ của các thế hệ pin mặt trời chỉ sử dụng vật liệu Si [24,25]. Ngoài ra, các pin mặt trời này có thể có ích cho các ứng dụng ở những nơi yêu cầu trọng lượng thấp, tính linh hoạt cơ học và khả năng thay thế cao [26,27]. Hầu hết các báo cáo về pin mặt trời dựa trên nền tảng cấu trúc lai vô cơ/hữu cơ với hiệu suất chuyển đổi cao sử dụng một lớp 10
polyme dẫn mỏng là Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) bọc quanh các dây nanô Si để hình thành các lớp tiếp giáp. Park và các cộng sự đã nghiên cứu chế tạo pin mặt trời sử dụng cấu trúc hybrid SiNW/PEDOT:PSS, hiệu suất chuyển đổi thu được của cấu trúc này là 13.2% (Hình 1.7) [28]. Hình 1.8. Các tính chất của pin mặt trời sử dung cấu trúc hybrid SiNW/PEDOT:PSS/GO [30]. Vấn đề đặt ra ở đây là PEDOT có chuỗi polyme quá lớn để xâm nhập vào khoảng cách nhỏ giữa các SiNW, do đó không thể bao phủ một cách hoàn toàn bề mặt của các SiNW dẫn đến hệ quả làm giảm hiệu suất của thiết bị cũng như hình thành những bề mặt tiếp xúc dẫn đến độ dẫn không đồng nhất [29]. Một số lượng nhỏ các nghiên cứu đã được thực hiện để cải thiện khả năng làm việc ổn định với nhiệt độ, độ ẩm, giảm suy hao phẩm chất hóa học của vật liệu cũng như phân tán đồng đều lớp vật liệu polyme dẫn trên đế Si bằng cách sử dụng ống nanô cácbon, fullerenes, graphen oxide [30-32]. Graphen có các đặc tính tuyệt vời như trở kháng thấp, độ truyền qua cao, tính chất cơ học tốt, sự ổn định nhiệt và hóa học cao, đồng thời dễ dàng phân tán trong các dung môi khác nhau để kết hợp với nhiều loại vật liệu hữu cơ và/hoặc vô cơ trong dung dịch. 11