Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc chất điện li đến đặc trưng của pin mặt trời cấu trúc Schottky đảo: FTO/chất điện li/chấm lượng tử PbS/Au-Ag

Tính toán lý thuyết sử dụng phần mềm SCAPS cho pin Schottky đảo: FTO/PEI/PbS loại p/Au-Ag (PEI: polyethyleneimine) cho thấy pin có hiệu suất chuyển hóa năng lượng tương đương pin tiếp xúc pn (FTO/TiO2/PbS loại p/Au-Ag). Tuy nhiên, giá trị thực nghiệm thấp hơn so với tính toán lý thuyết, chủ yếu do mật độ dòng mở Jsc (short-circuit current density) và hệ số điền đầy FF (fill-factor) thấp. Từ đó, chúng tôi cho rằng, lớp 4 điện li PEI ngoài việc làm giảm công thoát của FTO còn có tác dụng phụ là tạo thành lớp cách điện mỏng ngăn cản sự chuyển dịch điện tử từ lớp PbS sang đế dẫn điện FTO. Đề tài này được xây dựng để làm rõ mối quan hệ giữa tính chất hóa lý của lớp điện li đến tính chất hoạt động của pin Schottky đảo.

Được thực hiện bởi nhóm tác giả gồm Cơ quan chủ trì Qũy phát triển khoa học và công nghệ quốc gia cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài Mai Xuân Dũng với mục tiêu: Chế tạo và đo đặc trưng vôn - ampe của pin mặt trời cấu trúc Schottky đảo “FTO / chất điện li / lớp bán dẫn PbS loại p /Au-Ag” với các chất điện li khác nhau để làm sáng tỏ mối quan hệ giữa cấu trúc hóa học của chất điện li với tính chất quangđiện tử của pin; Tối ưu hóa pin Schottky đảo sử dụng chất điện li phù hợp tìm được ở bước a) để tăng hiệu suất chuyển hóa năng lượng của pin; Từ kết quả nghiên cứu sử dụng chấm lượng tử PbS đưa ra những định hướng dài hạn nhằm thay thế PbS bằng các họ chấm lượng tử thân thiện hơn với môi trường; Góp phần đào tạo nhân lực khoa học công nghệ đặc biệt trong lĩnh vực vật liệu nano và năng lượng tái tạo.

Đề tài đã sử dụng phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), quang phổ điện tử tia X (XPS), phổ hấp thụ UV-Vis-NIR, phổ phát xạ huỳnh quang PL để đặc trưng cấu trúc (kích thước hạt, sự phân bố kích thước hạt), xác định độ rộng vùng cấm Eg (energy gap) và ảnh hưởng của ion Clđến chất lượng hóa học bề mặt của chấm lượng tử PbS.

Chế tạo màng mỏng của chấm lượng tử PbS trên các loại đế khác nhau sử dụng phương pháp trao đổi phối tử pha rắn, từng lớp từng lớp một bằng kỹ thuật phủ quay. Chấm lượng tử sau khi tổng hợp tồn tại ở dạng hạt keo, bề mặt được bao phủ bởi một lớp oleic acid (OA) cách điện. Trong quá trình chế tạo màng mỏng, OA cần được thay thế bởi phối tử mới là 1,2-ethanedithiol (EDT). Một chu kỳ phủ quay gồm 4 bước như sau: nhỏ giọt dung dịch PbS-OA trong octane lên đế đang quay ở tốc độ ổn định; nhỏ giọt dung dịch EDT trong dung môi phân cực (acetonitrile); nhỏ giọt dung môi phân cực tính khiết (acetonitrile) và nhỏ giọt octane. Độ dày của lớp PbS phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch PbS-OA và số chu kỳ phủ quay. Tính chất dẫn điện của lớp PbS phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố bao gồm chất lượng bề mặt của PbS-OA, kích thước và độ đồng đều về kích thước của PbS-OA, dung môi phân cực sử dụng, phối tử mới và nhiệt độ thiêu kết màng mỏng PbS sau khi chế tạo.

Cấu trúc của pin được đặc trưng bằng kính hiển vi điện tử quét, đặc trưng voltampere ở điều kiện tối và điều kiện chiếu sáng được đo trên Keithley precision; solar simulator được sử dụng kết hợp với màng lọc và căn chỉnh với pin silic chuẩn để mô phỏng ánh sáng mặt trời ở điều kiện AO1,5. Hiệu suất quang điện ngoại EQE (external quantum efficiency) được đo sử dụng hệ đơn sắc để xác định hiệu suất lượng tử chuyển hóa quang điện ở các bước sóng khác nhau ở điều kiện open-circuit.

Trong quá trình thực hiện đo volt-ampere với pin Schottky đảo chúng tôi phát hiện ra một vấn đề hoàn toàn mới đó là sự ảnh hưởng của thế ngoài đặt vào đến hiệu suất chuyển hóa PCE (power conversion efficiency) của pin. Một số pin ban đầu hoàn toàn không làm việc, chứng tỏ có sự tiếp xúc trực tiếp giữa lớp PbS và FTO, nhưng khi áp thế ngoài vào điện cực Au-Ag, pin lại thể hiện khả năng chuyển hóa quang - điện. Từ phát hiện này chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu một cách có hệ thống sử dụng hai loại thiết bị là MSM (metal - semiconductor - metal) và transistor, trong đó lớp PbS được sử dụng làm lớp bán dẫn). Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng tính chất bán dẫn của lớp PbS phụ thuộc nhiều vào các ion linh động có mặt trong lớp PbS, đặc biệt là H+ .

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Tổng hợp chấm lượng tử PbS được bao bọc bởi oleic acid (PbS-OA); ảnh hưởng của ion Clđến tính chất quang của PbS-OA và tính chất điện tử của màng PbS. Chấm lượng tử (QDs) PbS dạng hạt keo với nhóm chức bề mặt là oleic acid (OA) đã được tổng hợp bằng phương pháp phun nóng (hot – injection). Ban đầu PbO2 được hòa tan trong hỗn hợp OA và octadecene (ODE) ở 120oC ở môi trường chân không để tạo thành lead oleate. PbO2 + 2OA à Pb(OA)2 + H2O

Sau khi loại bỏ nước hình thành, hỗn hợp được chuyển sang môi trường N2 và tiếp tục đun nóng đến nhiệt độ t (t thay đổi trong khoảng từ 80 đến 200 độ C). Tại nhiệt độ t, dung dịch của bis (trimethylsilyl) sulfide được phun nhanh vào dung dịch Pb(OA)2 và ngay sau đó làm nguội bình phản ứng bằng nước và nước đá. PbS-OA được làm sạch bằng cách kết tủa với ethanol, ly tâm và tái hòa tan trong hexane. PbS-OA trong hexane tiếp tục được kết tủa với ethanol, ly tâm và tái hòa tan trong hexane. Quá trình này được tiến hành lập đi lập lại 3 lần để thu được Pb-OA sạch. Để bền hóa bề mặt PbS-OA với ion kích thước nhỏ như Cl-, chúng tôi đã thay thế dung môi ethanol ở bước làm sạch thứ hai với dung dịch 0,1M của tetramethylammnium chloride (TMACl) hoặc của tetrabutylammonium chloride (TBACl) trong ethanol.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 16793/2019) tại Cục Thông tin KHCNQG.

Đ.T.V (NASATI)