Phan loai PMT

8/3/2019 Phan loai PMT

http://slidepdf.com/reader/full/phan-loai-pmt 1/15

PHÂN LOẠI PIN MẶT TRỜI

I. DỰA VÀO ĐỘ DÀY CỦA CHẤT QUANG HOẠT

Dựa vào độ dày của chất quang hoạt, người ta chia pin mặt trời thành các dạng: pin dạngkhối và pin màng mỏng. Trong pin dạng khối, toàn bộ khối vật liệu này đều là chất quang hoạt.

Còn trong loại pin màng mỏng, chỉ có một lớp mỏng chất quang hoạt được phủ phía dưới đáy

của tấm mang, được gọi là chất nền. Bề dày của lớp quang hoạt khoảng vài nanomet đến vài

micromet, trong khi pin dạng khối thường dày từ vài trăm micromet đến khoảng vài milimet

Pin mặt trời dạng lớp mỏng Pin mặt trời dạng khối

Loại pin màng mỏng có một ưu điểm quan trọng là chỉ sử dụng một lượng ít chất quang hoạt

và có thể tạo màng liên tục trong quá trình sản xuất. Điều này khác với việc tạo sản xuất theo mẻ

trong qui trình sản xuất pin dạng khối. Tuy nhiên, việc sản xuất pin màng mỏng vẫn còn gặp phải

một số vấn đề kĩ thuật chưa giải quyết được. như chưa sản xuất được tấm tế bào lớn hơn 25 cm 2.

Còn việc sử dụng những tấm tế bào nhỏ thường có khuyết điểm là gây ra tình trạng lệnh mối nối.

Trước đây, loại tế bào dạng lớp mỏng đơn tinh thể và đa tinh thể đã được sản xuất thử

nghiệm nhưng đã không đem lại được hiệu quả kinh tế. Loại pin mặt trời dùng silicon vô định

hình và dạng dùng hợp chất bán dẫn cũng đã được sản xuất thử nghiệm dưới dạng màng mỏng,

nhưng hầu hết những mẫu này có hiệu suất rất thấp khi sử dụng dưới ánh sáng mặt trời. Một số

khác thì tỏ ra kém bền. Vì vậy, cho đến thời điểm này, chỉ có những loại pin mặt trời dạng khối

đơn tinh thể và đa tinh thể là đạt được nhiều thành công nhất trong những ứng dụng thực tế.

II. DỰA VÀO CẤU TRÚC MỐI NỐI

http://www.google.com.vn/imgres?q=bulk+solar+panels&hl=en&sa=X&qscrl=1&nord=1&rlz=1T4GGHP_enVN451VN455&biw=979&bih=402&tbs=isz:m&tbm=isch&prmd=imvns&tbnid=gs3GvXnqNCUIvM:&imgrefurl=http://www.solarshop.co.uk/Solar-Panels/bulk-solar-panels/5-watt-bulk.html&docid=IzAWCkuj9paJDM&imgurl=http://www.solarshop.co.uk/Solar-Panels/solar-panel-images/5-watt-solar-panel-bulk-450x450.jpg&w=412&h=427&ei=fOXBTvmRF-KRiQf9xOCADg&zoom=1



Dựa vào cấu trúc mối nối, người ta chia pin mặt trời thành các dạng (a) pin có chuyển tiếp

pn đồng chất (homogeneous pn junction) (b) chuyển tiếp pn dị chất ( pn hetero junction), (c)

chuyển tiếp kim loại – bán dẫn Schottky, (d) chuyển tiếp pn đa tầng (pn multijunction), và

chuyển tiếp bán dẫn p-i-n ( p type-intrinsic-n type semiconductor junction)

a. Chuyển tiếp pn đồng chất

Chuyển tiếp đồng chất.

(Các hạt mang điện phải khuếch tán một khoảng Ln, L p trước khi tới được vùng chuyển tiếp)

Trong loại pin mặt trời có chuyển tiếp đồng chất, vật liệu bán dẫn ở cả hai phía chuyển tiếp

đều giống nhau, chỉ khác nhau ở chất được pha trộn vào (dopant). Vì vậy, khe dãy năng lượng

(band gap) sẽ tương đương nhau trên toàn khối vật liệu. Vì lí do này, hầu hết những cặp electron-

lỗ trống khi được tạo ra ở lớp trên sẽ tái kết hợp với nhau vì chúng khó di chuyển được tới vùng

chuyển tiếp.

b. Chuyển tiếp pn dị chất

Chuyển tiếp dị chất



(Các hạt mang điện hình thành ngay trong vùng chuyển tiếp nên dễ phân tách)

Ngược lại, chuyển tiếp pn dị chất được tạo nên từ hai khối chất bán dẫn khác nhau và được đặt

tiếp xúc nhau. Lớp vật liệu nằm ở trên tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời sẽ có khe dãy

năng lượng lớn hơn lớp nằm ở dưới. Kết quả lớp bán dẫn ở trên chỉ hấp thu được những bức xạcó mức năng lương cao, còn những tia bức xạ mặt trời có năng lượng thấp hơn sẽ đi xuyên lớp

này để đi vào vùng chuyển tiếp. Vì vậy những cặp electron và lỗ trống sẽ xuất hiện nhiều ở khu

vực chuyển tiếp này và dễ dàng di chuyển về các điện cực mà không bị tái hợp. Cấu trúc của pin

mặt trời chuyển tiếp dị chất thường có Gallium Arsenide-Gallium Aluminium Arsenide (GaAs-

GaAlAs), Cadmium Sulfide-Cupper sulfide (CdS-Cu2S), Cadmium Sulfide-Copper Indium

Diselenide (CdS-CdInSe2) hoặc Cadmium Telluride

c. Chuyển tiếp Schottky

Việc ghép một khối kim loại với chất bán dẫn có thể tạo nên chuyển tiếp ohmic (cho phép

dòng điện đi qua theo cả hai chiều) hoặc chuyển tiếp chỉnh lưu (chỉ cho dòng điện đi qua theo

một chiều duy nhất). Chuyển tiếp chỉnh lưu còn được gọi là chuyển tiếp Schottky. Chuyển tiếp

Schottky có lớp nghèo ( depletion layer) nằm trong phần vật liệu bán dẫn của chuyển tiếp. Lớp

nghèo này được tạo ra dưới tác dụng của điện trường. Điện trường này có tác dụng quét sạch

phần lớn các phần tử mang điện trong phần kim loại của chuyển tiếp. Chuyển tiếp Schottky

thường dễ chế tạo, nhưng những pin mặt trời làm từ loại chuyển tiếp này lại cho điện thế khá

nhỏ so với những loại chuyển tiếp pn thông thường.

d. chuyển tiếp pn đa tầng, chuyển tiếp bán dẫn p-i-n





Phân loại pin mặt trời theo thành phần chất quang hoạt

Dựa vào loại vật liệu được dùng để chế tạo pin mặt trời, người ta chia pin mặt trời thành các

dạng như sau: (a) dạng pin silic đơn tinh thể ( single crystal silicon cell), (b) pin silic đa tinh thể (

multicrystalline silicon cell), (c) pin silic vô định hình (amorphous silicon hay a-Si), (d) pin

gallium arsenide (GaAs), (e) pin copper indium (gallium) diselenide (CIS), (f) pin cadmium

tellutide (CdTe), (g) pin mặt trời hữu cơ (organic PV cell), (h) Pin mặt trời từ thuốc nhuộm (Dye

sensitized solar cell). Hiện tại chỉ có pin đơn tinh thể, đa tinh thể và silic vô định hình là được

sản xuất ở qui mô lớn cho thương mại.

a. Pin mặt trời silic đơn tinh thể



(a) (b)

Quá trình sản xuất silic đơn tinh thể: (a) lò luyện silic, (b) thiết bị kết tinh

Pin đơn tinh thể thuộc thế hệ pin mặt trời đầu tiên. Đây là loại pin có hiệu suất sử dụng cao

nhất (trung bình là 15%) và là dạng đơn giản nhất trong họ pin silic. Tuy nhiên, khuyết điểm lớn

nhất của pin silic đơn tinh thể là việc sản xuất loại pin này cần tiêu tốn rất nhiều năng lượng và

vật liệu silic. Qui trình sản xuất pin đơn tinh thể bao gồm một số bước chính như sau

Bước đầu tiên, nguyên liệu là SiO2 sẽ được cho vào lò nung hồ quang điện cực cacbon. Các

điện cực cacbon sẽ phóng hồ quang điện và đưa nhiệt độ của lò luyện lên khoảng hơn 2000 0C.

Phản ứng hóa học xảy ra như sau: SiO2 + 2C →

0t Si + 2CO. Silic thu được có độ tinh khiết là

99%. Quá trình này tiêu tốn khoảng 50 kWh để sản xuất được 1 kg silic.

Bước tiếp theo bao gồm nhiều quá trình phức tạp giúp tinh chế silic lên độ tinh khiết

99,9999 % (6 con số 9) thậm chí 99,999999999 % (11 con số 9). Độ nguyên chất phải ở mực gần

như tuyệt đối để bảo đảm sự di động dễ dàng của electron tạo ra dòng điện. Lúc này silic tồn tại

ở dạng tinh thể polime (polycrystalline silicon). Quá trình này tiêu thụ 200 kWh/kg silic.

Bước tiếp theo tinh thể polime silic được nấu chảy và một lượng tạp chất nhóm IIIA,

thường là bo, sẽ được cho vào để tạo vật liệu nền loại p. Thông qua quá trình pha tạp này người

ta có thể điều chỉnh điện trở của khối vật liệu nền. Nếu pha ít tạp chất, điện trở của vật liệu sẽ

tăng lên, làm cho miền nghèo mở rộng ra và làm tăng hiện tượng đoản mạch. Tuy nhiên điện trở

cao có thể làm giảm điện thế ngoài cảu pin. Ngược lại, nếu pha nhiều tạp chất, điện trở vật liệu

giảm xuống, sẽ làm giảm cường độ dòng quang điện do khi điện trở thấp những hạt dẫn



( electron và lỗ trống) sẽ dễ tái hợp hơn. Thực nghiệm cho thấy giá trị điện trở tối ưu của khối

vật liệu bán dẫn dùng làm pin mặt trời nằm trong khoảng từ 1 đến 3 ohm-cm.

Trở lại qui trình sản xuất, sau khi được pha tạp chất, khối vật liệu nóng chảy trên sẽ được

làm nguội và quá trình tái kết tinh bằng cách cho vào đó một ít tinh thể silic mầm. Sản phẩm của

quá trình này là những thổi silic đơn tinh thể có đường kính 4-6 inches và dài từ 3-5 feet.

Bước tiếp theo người ta sử dụng một loại lưỡi cưa đặc biệt để cắt các thỏi silic ra thành

những màng mỏng (wafer) có độ dày từ 200 đến 400 micromet.

Cũng tương tự như trên, những bước kết tinh và cắt lớp này cũng tiêu tốn rất nhiều năng lượng .

Thực ra quá trình cắt lớp silic chiếm khoảng 40-50% chi phí sản xuất pin silic đơn tinh thể.

Đến đây, những tấm bán dẫn loại p này sẽ được pha tạp chất để tạo lớp bán dẫn loại n.

Vật liệu để pha tạp ở giai đoạn này là một nguyên tố nhóm VA. Người ta cho luồng hơi photpho

đi qua những tấm bán dẫn mỏng. Lúc này một số nguyên tử photpho sẽ lên bề mặt trên của lớp bán dẫn và khuếch tán dần vào bên trong để hình thành nên lớp bán dẫn loại n rất mỏng. Đến đây

chuyển tiếp pn được tạo thành.

Hầu hết những pin mặt trời thương mại đều được sản xuất qua những bước như trên. Loại pin

này có cấu trúc n trên p (n-on-p tructure), nghĩa là lớp n, được tạo ra bằng phương pháp khuếch

tán, nằm trên lớp p. Do lớp khuếch tán (lớp n) có mật độ tạp chất cao nên trong lớp này thường

có nhiều điểm tái hợp các hạt dẫn. Do vậy khả năng di chuyển của những hạt dẫn đa số trong lớp

n thường không cao nên chúng ít đóng góp vào cường độ dòng của pin. Ngược lại, lớp p thường

được chế tạo để có ít tập chất hơn nên có ít điểm tái hợp hơn nên các hạt dẫn đa số trong lớp này

có khả năng khuếch tán xa hơn. Mặc khác, bán dẫn loại p có hạt dẫn đa số là các electron, và các

electron có khả năng khuếch tán tốt gấp hai lần khả năng khuếch tán của lỗ trống (là hạt dẫn đa

số của bán dẫn loại n). Vì vậy cường độ dòng của pin mặt trời chủ yếu được tạo nên từ lớp bán

dẫn loại p. Vì những lí do trên, người ta ưu tiên chế tạo lớp bán dẫn loại p ở dạng khối silic đơn

tinh thể, trong khí lớp n được hình thành bằng phương pháp ngưng tụ hơi photpho để giảm chi

phí sản xuất.

b. Pin mặt trời silic đa tinh thể



(a) (b)

Hình dạng phôi silic sau quá trình kết tinh: (a) silic đa tinh thể;(b) silic đơn tinh thể

Việc sản xuất pin mặt trời đa tinh thể thường tiêu tốn ít năng lượng hơn và chi phí sản xuất

thấp hơn so với loại pin silic đơn tinh thể. Tuy nhiên pin loại này có hiệu suất kém hơn khi sử

dụng. Những loại pin silic đa tinh thể có hiệu suất sử dụng ánh sáng khoảng 10 – 14%. Lớp vật

liệu quang hoạt tron pin đa tinh thể có nhiều đường biên tinh thể (crystalline boundary), cản trở

sự di động của electron làm giảm hiệu suất của pin.

Việc sản xuất pin silic đa tinh thể cũng trải qua hai bước đầu tiên ( tinh chế và nấu chảy silic)

giống như quy trình sản xuất pin đơn tinh thể. Tuy nhiên khối silic nóng chảy sau khi được pha

tạp chất nhóm IIIA sẽ được cho kiết tinh bằng cách làm nguội mà không sử dụng silic để tạo

mầm. Trong khi silic đơn tinh thể chỉ có thể kết tinh ở dạng thỏi hình trụ tròn, dạng này gây hao

phí vật liệu khi cắt thành dạng tấm hình chữ nhật, thì silic đa tinh thể lại có thể kết tinh dướidạng những khối vuông. Chính dạng này đã giúp việc sản xuất pin silic đa tinh thể tiết kiệm được

nhiều nguyên liệu hơn và giúp giảm giá thành sản phẩm. Ngoài ra, quá trình kết tinh silic đa tinh

thể cũng đồi hỏi ít năng lượng hơn và diễn ra nhanh hơn.

Ở những công đoạn tiếp theo, silic đa tinh thể cũng được cắt thành tấm mỏng và tạo lớp n

bằng phương pháp khuếch tán như tring qui trình sản xuất pin đơn tinh thể.

c. Pin mặt trời silic vô định hình

http://www.google.com.vn/imgres?q=Multicrystalline+Silicon&hl=en&sa=X&qscrl=1&nord=1&rlz=1T4GGHP_enVN451VN455&biw=1058&bih=434&tbm=isch&prmd=imvns&tbnid=rKFSQCJ6BIjZEM:&imgrefurl=http://www.apollonsolar.com/en/ApollonSolar-RD_Silicon.html&docid=d2rAVQj8Y4PdQM&imgurl=http://www.apollonsolar.com/userfiles/image/Photosil/Si_crystal%2520(Medium).jpg&w=1024&h=768&ei=qvHBTtXNBq6QiAegrJyRDg&zoom=1



Vật liệu silic vô định hình trong hợp chất với hidro (a-Si:H)

Pin silic vô định hình gần đây đang được đẩy mạnh nghiên cứu phát triển bằng cách dùng kĩ

thuật màng mỏng ( thin film technology). Loại này có giá thành thấp hơn pin silic đơn tinh thể và

đa tinh thể. Tuy nhiên, khuyết điểm lớn nhất của loại pin này là hiệu suất của chúng còn thấp, chỉ

khoảng 4-8% (pin thương mại) và nhanh chóng bị giảm chất lượng khi sử dụng ngoài trời. Loại

pin này thường thích hợp cho sử dụng trong nhà và dùng ánh sáng khuếch tán hơn là ánh sáng

trực tiếp. Vì vậy pin silic vô định hình thích hợp cho máy tính bỏ túi, đồng hồ electron, thiết bị

electron công suất thấp…

Silic vô định hình không có cấu trúc xác định. Do các nguyên tử silic nằm hỗn độn nên trong

cấu trúc có rất nhiều liên kết cộng hóa trị chưa hoàn chỉnh. Chính những dãy không hoàn chỉnh

này đóng vai trò như những tạp chất và giữ lại các phần tử mang điện và không cho chúng

chuyển động tự do. Đây là nguyên nhân khiến silic vô định hình được coi là chất bán dẫn có độdẫn kém nhất trong họ silic.

Tuy nhiên, khuyết điểm trên của silic vô định hình có thể được cải thiện bằng cách tạo hợp

chất với hidro. Sản phẩm là quá trình kết hợp này là hợp chất silic vô định hình-hidro (a-Si:H).

Trong dạng hợp chất này, hidro có nhiệm vụ thụ động hóa những khuyết tật của của trúc vô định

hình bằng cách lắp kín các liên kết cộng hóa trị chưa hoàn chỉnh. Vật liệu a-Si:H có dãy trống

khoảng 1,75 eV nên rất thích hợp co việc chế tạo pin dạng màng mỏng. Ngoài ra, để tăng độ bền

cho pin silic vô định hình người ta chèn một lớp silic vào giữa lớp bán dẫn loại p và bán dẫn loại

n (cấu trúc p-i-n). Với cải tiến này, pin silic vô định hình có tuổi thọ tăng lên đáng kể và có thể

sử được dưới ánh sáng trực tiếp.

d. Pin Gallium arsenide (GaAs cell)

Vật liệu GaAs có năng lượng dãy trống thấp, khoảng 1,43 eV nên rất phù hợp để sản xuất pin

mặt trời. Một pin GaAs đơn giản gồm lớp mỏng loại n và lớp loại p GaAs được tạo lên trên chất



nền thích hợp. Một dạng khác của pin GaAs được tạo ra bằng cách sử dụng tạp chất nhóm IIIA,

VA để tạo những lớp vật liệu p, n. Loại pin này rất thích hợp để sử dụng trong không gian.

Chúng có thể đạt đến 80% công suất lý thuyết và tạo ra được điện thế khoảng 0,8 – 0,9 V. Hiệu

quả sử dụng ánh sáng có thể vượt mức 20% và đạt đến mức 30%. Tuy nhiên do giá thành sản

phẩm pin GaAs rất cao nên loại pin này chỉ được ứng dụng trong ngành công nghiệp vũ trụ hoặc

những ứng dụng đặc biệt khác.

e. Pin Copper Indium (Gallium) Diselenide (CIS)

Vật liệu CIS có năng lượng dãy trống khoảng 1,0 eV. Việc kết hợp Ga vào vật liệu CIS có

thể làm tăng năng lượng dãy trống lên khoảng 1,1 eV. Chuyển tiếp trong pin CIS là chuyển tiếp

dị chất, với bán dẫn loại n là CdS và loại p là CIS. Pin CIS thường được chế tạo theo công nghệ

màng mỏng. Ưu điểm của loại pin này là giá thành thấp, hiệu suất khoảng 10%. Ngoài ra chúng

có độ bền cao hơn so với pin silic vô định hình khi sử dụng ngoài trời. Tuy nhiên khi nhiệt độ lêncao, hiệu suất của pin CIS sẽ giảm xuống đáng kể. Hiệu suất này có thể phục hồi nếu cho pin

cách li với ánh sáng một thời gian.

f. Pin cadmium telluride (CdTe)

Vật liệu CdTe có năng lượng dãy trống khoảng 1,44 eV. Pin CdTe thường được chế tạo dưới

dạng màng mỏng, chuyển tiếp dị chất với bán dẫn loại n là CdS và bán dẫn loại p là CdTe.

Cấu trúc pin CdTe

Ở đây, lớp dây dẫn phủ trên bề mặt lớp n không phải là kim loại mà là một lớp oxit. LớpEVA ( ethylene vinyl acetate) được sử dụng để bao bọc những tế bào mặt quang điện. Loại pin

này vẫn còn đang được thử nghiệm ngoài trời trong nhiều năm qua và đã cho kết quả tốt. Hiệu

suất sử dụng ánh sáng của pin CdTe khoảng 10% và điện thế tạo ra là 0,8 V. Trong tương lai gần

loại pin này sẽ được sản xuất cho thương mại.



g. Pin quang điện hữu cơ (Organic photovoltaic cell)

Đến nay, việc chế tạo pin mặt trời từ vật liệu hữu cơ được đặc biệt chú trọng nhờ vào các

phương pháp tổng hợp đơn giản, gia công dễ dàng, tạo được phim mỏng và có thể thiết kế để có

những trị số khe dải khác nhau. Những lợi điểm nầy làm giảm giá sản xuất và tạo điều kiện chosản xuất quy mô lớn. Trong pin mặt trời dùng vật liệu hữu cơ, nguyên tắc chính là sự di chuyển

electron từ một polymer/phân tử cho electron (electron donor) đến một polymer/phân tử nhận

electron (electron acceptor). Sự di chuyển của electron sẽ tạo thành dòng điện. Nhưng thực tế,

các electron không hoàn toàn tự do di chuyển, chúng thường bị tái hợp với các lỗ trống mang

điện dương và làm cho cường độ dòng giảm xuống.

Một trong những pin mặt trời hữu cơ là pin mặt trời polymer - fullerene. Polymer là các

polymer 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. Các polymer liên hợp khi kết hợp với tạp chất (dopants) sẽ trở thành polymer dẫn điện.

Khi có một kích hoạt bên ngoài, chẳng hạn như photon của ánh sáng mặt trời, polymer mang

nối liên hợp phóng thích các electron và để lại nhiều lỗ trống (+) trên mạch polymer. Vì vậy,

polymer liên hợp được gọi là vật liệu loại p . Ngược lại, fullerene là vật liệu nhận electron rất

hiệu quả; sau khi nhận electron fullerene mang điện tích âm nên được gọi là vật liệu loại n.



Photon trong ánh sáng mặt trời đánh bật electron ra khỏi mạch polymer của poly (3-

hexylthiophene) (P3HT) và được nhận bởi [6,6]-PCBM C60 (một chất dẫn xuất của C60).

Để tạo ra dòng điện, những photon sẽ đánh bật electron ra khỏi mạng của vật liệu p tạo

ra cặp âm dương (+)(-) (cặp electron - lỗ trống). Những cặp này khuếch tán trong vật liệu và chỉcó những cặp ở gần vùng chuyển tiếp p-n thì mới có sự phân tách hoàn toàn electron ra khỏi lỗ

trống. Tại đây, electron sẽ di động trong vật liệu n tiến đến cực dương và lỗ trống (+) di động

trong vật liệu p tiến đến cực âm và dòng điện xuất hiện.

Như vậy, để gia tăng hiệu suất chuyển hoán, diện tích của mặt (tiếp xúc) chuyển tiếp giữa

hai vật liệu p và n cần phải được cực đại hóa. Vì mặt chuyển tiếp là nơi tiếp xúc của hai vật liệu

khác nhau nên được gọi là mặt chuyển tiếp dị chất (hetero-junction). Đối với các vật liệu hữu cơ

việc cực đại hóa chỉ cần một phương pháp đơn giản là trộn hai vật liệu này tạo thành một

composite. Để cho sự di chuyển của electron và lỗ trống (+) đến điện cực không bị ùn tắt giữa

đường, mô dạng (morphology) composite cần có những đường vân liên tục của vật liệu p và n

đan xen vào nhau và tiếp nối đến điện cực để electron và lỗ trống (+) có thể di chuyển dễ dàng về

điện cực. Ngoài ra, vật liệu phải nguyên chất vì chất tạp, nếu có, sẽ trở thành rào cản chận đứng

sự di động của electron và lỗ trống (+). Đây là những đòi hỏi nhiều thử thách trong pin mặt trời

hữu cơ.



(a) Cấu trúc chuyển tiếp giữa vật liệu p và n. (b) Electron (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.

Sự lựa chọn vật liệu loại p rất quan trọng vì nó là nguồn cung cấp electron cho pin. Lý do

chính để chon polime liên hợp để làm vật liệu loại p là vì polymer liên hợp có tính bền trong

vùng ánh sáng thấy được, có thể tạo thành phim mỏng ở đơn vị micromet đến nanomét nhưng

vẫn có thể hấp thụ ánh sáng rất hiệu quả. Khe dải của những polymer liên hợp tiêu biểu có trị số

trong khoảng 1,5 - 2,5 eV nằm trong vùng quang phổ của ánh sáng mặt trời. Một ưu điểm khác là

khe dải có thể được thiết kế có trị số nhỏ hơn (~ 1 eV) để lợi dụng các photon có năng lượng

thấp. Đây là một ưu điểm vượt trội của polymer liên hợp vì có thể thực hiện dễ dàng hơn các

chất bán dẫn vô cơ. Dùng phương pháp tổng hợp hóa hữu cơ ta có thể điều chỉnh trị số khe dải

bằng cách gắn những nhóm chức (functional group) vào mạch polymer để thay đổi cấu trúc phân

tử hay tạo ra polymer liên hợp mới.

Sự lựa chọn vật liệu loại n cũng không kém phần quan trọng. Vật liệu này sẽ nhận

electron và kích thích sự phân ly của cặp (+)(-). Những chất có thể dùng làm vật liệu n là các loại

phân tử, những oxide với cấu trúc nano như TiO2, ZnO, hạt nano bán dẫn (semiconducting

nanoparticles) và fullerene.



Hiện nay, vật liệu loại p đang được nghiên cứu là chất dẫn xuất của PPV, poly

[methoxy (dimethyloctyloxy) - phenylene vinylene] (MDMO-PPV) và chất dẫn xuất của PT,

poly (3-hexylthiophene) (P3HT), và vật liệu loại n thông dụng là chất dẫn xuất của C60, PCBM

C60. Composite MDMO-PPV/PCBM C60, composite P3HT/PCBM C60 và các composite khác

đã được khảo luận chi tiết trong bài báo cáo tổng kết pin mặt trời hữu cơ của Mozer và Sariciftci.

Ảnh hưởng của mô dạng composite đến hiệu suất chuyển hoán được phân tích trong bài báo cáo

của Yang và Loos. Hai bài báo cáo này cho thấy những đóng góp kiên trì của các nhà khoa học

vào sự phát triển của pin mặt trời hữu cơ hơn 10 năm qua, từ một hiệu suất khiêm tốn 0,1 % cho

đến ngày hôm nay tăng đến 5 - 6 % tương đương với hiệu suất của phim silicon vô định hình. Dù

con số này chỉ bằng 1/10 của các hợp chất bán dẫn vô cơ thế hệ mới được đề cập bên trên, các

loại pin hữu cơ mỏng, mềm dẻo, giá rẻ, nhẹ và bền có thể sản xuất hàng loạt bằng phương pháp

in phun như đã làm cho đèn phát quang polymer (PLED).

h. Pin mặt trời từ thuốc nhuộm

Loại pin này mô phỏng quá trình quang hợp trong thực vật. Phản ứng quang hợp xảy ra trong

lá cây với sự hiện diện của ánh sáng mặt trời và diệp lục tố (chlorophill) biến nước được cung

cấp từ rễ và carbon dioxide (CO2) từ không khí thành đường glucose (năng lượng) và oxygen

theo một công thức đơn giản,

6H2O + 6CO2 C6H12O6 (đường glucose) + 6O2

Diệp lục tố cho màu xanh của lá, là chất xúc tác của phản ứng trên biến năng lượng mặt

trời thành hóa năng dưới dạng đường, duy trì sự sống còn của thực vật. Diệp lục tố nhận năng

lượng mặt trời, hay nói một cách khác, photon đánh bật electron của diệp lục tố thành electron

tự do gây ra những phản ứng dây chuyền để cuối cùng tạo ra đường. Thật ra, diệp lục tố là thuốc

nhuộm thiên nhiên do sự hấp thụ ánh sáng hiển thị màu xanh. Thuốc nhuộm spiro-MeOTAD

dùng trong pin mặt trời và diệp lục tố có cấu trúc vòng rất giống nhau mang nối liên hợp vớinhững electron linh động.



Cấu trúc nối liên hợp của diệp lục tố (chlorophill) và thuốc nhuộm spiro-MeOTAD.

Nhóm của giáo sư Michael Grätzel (Swiss Federal Institute of Technology, Thụy Sĩ) là

nhóm tiên phong nghiên cứu về pin thuốc nhuộm từ năm 1991. Ông và cộng sự dùng thuốc

nhuộm (thí dụ: spiro-MeOTAD) làm vật liệu loại p (cho electron) và oxide bán dẫn TiO2 làm vật

liệu loại n (nhận electron). Ngoài ra, các oxide bán dẫn khác như ZnO, Nb2O5, SnO2 cũng đã

được khảo sát. Đặc điểm của TiO2 là giá rẻ, rẻ hơn rất nhiều so với silicon. Tuy nhiên, cũng như

trường hợp pin polymer liên hợp – fullerene, vùng chuyển tiếp giữa hai vật liệu p và n phải được

cực đại hóa. Trước đây hiệu suất của pin thuốc nhuộm không cao lắm cho đến khi Grätzel vàcộng sự chế biến thành công tinh thể nano TiO2 ở thứ nguyên nanomet (15 - 20 nm). Tinh thể

nano TiO2 có thể phủ lên điện cực dưới dạng phim có những lỗ vi mô (micropores) với độ dày 5

- 20 micromet với diện tích tiếp xúc rất lớn. Nhờ những lỗ vi mô nầy một gram phim tinh thể

TiO2 có bề mặt là 80 - 200 m2. Các phân tử thuốc nhuộm len lỏi vào những lỗ vi mô làm diện

tích của vùng chuyển tiếp dị chất (hetero-junction) gia tăng hơn 1000 lần và nhờ vậy sự phân ly

cặp (+)(-) trở nên hiệu quả hơn.

Loại pin thuốc nhuộm này đạt đến hiệu suất 11 % gần bằng với hiệu suất của silicon đa

tinh thể và có thể sản xuất với giá 3 đến 4 lần rẻ hơn pin silicon. Tuy nhiên pin thuốc nhuộm chỉ

mới được thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệp và còn đang trong vòng nghiên cứu trước khi

được đưa ra thị trường.

Documents

Phan loai PMT