Tổng quan
Đặt vấn đề
Trong bối cảnh khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu năng lượng của con người ngày càng gia tăng, trong khi các nguồn nhiên liệu truyền thống như than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên đang dần cạn kiệt Điều này đặt ra nguy cơ thiếu hụt năng lượng cho nhân loại Do đó, việc tìm kiếm và phát triển các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời trở thành một hướng đi quan trọng để đảm bảo an ninh năng lượng bền vững.
1.1.1 Sự tiêu thụ năng lượng hiện tại và trong tương lai
Theo thống kê, mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu năm 2004 đạt khoảng 15 terawatt (TW), chủ yếu từ năng lượng hóa thạch (87%) Sự phát triển công nghiệp hóa, gia tăng dân số và nâng cao phúc lợi sẽ làm tăng nhu cầu năng lượng trong tương lai Dự báo đến năm 2050, mức tiêu thụ năng lượng sẽ đạt 28 - 35 TW, đặt ra thách thức lớn khi các nguồn năng lượng hiện có không đủ đáp ứng nhu cầu.
Bảng 1.1 : Mức dự trữ các nguồn năng lượng hóa thạch [9]
Số năm khai thác còn lại 41 62 144 79
Số năm khai thác còn lại 22 91 4 ?
(*) Với giá thị trường 130 USD/kg
Tại diễn đàn chính sách an ninh năng lượng Châu Á – Thái Bình Dương (ASEM) lần thứ nhất diễn ra ở Việt Nam vào tháng 4 năm 2008, 45 nước thành viên đã thảo luận về vấn đề cấp bách: “làm thế nào để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của con người trong tương lai” Hiện nay, nguồn năng lượng đang bị giới hạn trong khi nhu cầu sử dụng lại tăng cao, đặc biệt là ở các khu vực và trên toàn thế giới Tình hình an ninh năng lượng đang trở nên nghiêm trọng hơn bao giờ hết, với việc sử dụng chủ yếu tập trung vào nguồn năng lượng hóa thạch.
Theo dự báo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu sẽ tiếp tục tăng trưởng ổn định, với nguồn năng lượng hóa thạch vẫn giữ vai trò chủ đạo cho đến năm 2030.
Bảng 1.2 : Dự đoán lượng tiêu thụ sơ cấp trên thế giới (Đơn vị: Triệu tấn dầu), [8] Dạng năng lượng
Thực tế Dự tính Tỷ lệ tăng
Nhu cầu năng lượng của từng nước, từng khu vực cũng không giống nhau
Nhu cầu năng lượng đang gia tăng mạnh mẽ tại các nước đang phát triển, dự kiến sẽ chiếm 50% tổng nhu cầu năng lượng toàn cầu vào năm 2030 Các nguồn năng lượng truyền thống như than, dầu mỏ và khí đốt đang dần cạn kiệt Trong khu vực ASEM, một số quốc gia như Brunei và Indonesia là những nhà xuất khẩu dầu khí, nhưng với tình hình nhu cầu năng lượng hiện tại, nhiều nước có thể phải đối mặt với nguy cơ phụ thuộc vào nhập khẩu năng lượng Theo dự báo từ giám đốc Trung tâm năng lượng ASEM, mức độ phụ thuộc này có thể đạt từ 49% đến 58%.
Việt Nam hiện đang xuất khẩu than với trữ lượng lớn, đặc biệt là tại Quảng Ninh với khoảng 10,5 tỷ tấn, trong đó đã thăm dò được 3,5 tỷ tấn than antraxit Đồng bằng sông Hồng dự báo tổng trữ lượng lên tới 210 tỷ tấn, cùng với các mỏ than ở các tỉnh khác khoảng 400 triệu tấn và 7 tỷ m3 than bùn chủ yếu ở miền Nam Tuy nhiên, việc khai thác và xuất khẩu than hiện nay chưa có chiến lược hợp lý, dẫn đến nguy cơ không bền vững Dự báo đến năm 2015, khả năng tiêu thụ than trong nước có thể vượt 90 triệu tấn, điều này cảnh báo rằng nếu không có chiến lược khai thác hợp lý, Việt Nam có thể trở thành nước nhập khẩu than hoặc phải đóng cửa một số nhà máy.
Bảng 1.3: Trữ lượng các mỏ than Quảng Ninh (ĐVT: Ngàn tấn)[4]
Tổng trữ lượng Trữ lượng khai thác lộ thiên
Trữ lượng khai thác lò bằng
Trữ lượng khai thác giếng đứng
Trữ lượng đã thăm dò
Trữ lượng mỏ đang khai thác
Trữ lượng các mỏ chuẩn bị khai thác
Bảng 1.4: Thống kê về than Việt Nam của EIA (ĐVT: Ngàn tấn)[8]
Theo Viện Năng lượng thuộc Bộ Công nghiệp, nếu không có sự đột phá lớn trong khả năng khai thác năng lượng từ năm 2010 trở đi, nguồn tài nguyên năng lượng trong nước sẽ không đủ để đáp ứng nhu cầu.
Hình 1.2: Dự báo nhu cấu năng lượng Việt Nam [4]
Việc khai thác năng lượng hóa thạch đang dẫn đến sự cạn kiệt nguồn tài nguyên này và gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường, bao gồm ô nhiễm, tàn phá rừng, xói mòn đất, tăng hiệu ứng nhà kính, tan băng và biến đổi khí hậu Theo thống kê, lượng khí CO2 thải bình quân đầu người ở các nước công nghiệp như Mỹ là 21 tấn/năm (năm 1990), Singapore là 10 tấn/năm, trong khi Việt Nam chỉ đạt 0,8 tấn/năm (năm 2003).
Hình 1.3: Mức tiêu thụ điện của Việt Nam [4]
Trước sự cạn kiệt của nguồn năng lượng truyền thống và nhu cầu sử dụng ngày càng gia tăng, các vấn đề về môi trường đang trở thành thách thức toàn cầu Điều này đã thúc đẩy việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế, trong đó năng lượng tái tạo nổi lên như một lựa chọn tối ưu.
Năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng bền vững, không bị cạn kiệt khi sử dụng, bao gồm thủy điện, gió, bức xạ mặt trời, địa nhiệt và thủy triều Ngoài ra, năng lượng tái tạo còn bao gồm sinh khối, được sản xuất từ các nguyên liệu hữu cơ như cây cối, rơm, trấu và các vật liệu hữu cơ khác, có khả năng tái sinh thông qua quá trình quang hợp Các nguồn năng lượng này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
Việc sử dụng năng lượng tái tạo mang lại nhiều lợi ích tích cực cho môi trường Tuy nhiên, lựa chọn mô hình năng lượng phù hợp phụ thuộc vào từng quốc gia Một số quốc gia ưu tiên năng lượng nguyên tử, trong khi những nước khác tập trung vào năng lượng mặt trời, gió, nước, thủy triều, địa nhiệt và sinh khối Sự lựa chọn này dựa trên điều kiện địa lý, nhu cầu và chính sách năng lượng của mỗi quốc gia.
Mặc dù đang trong giai đoạn khủng hoảng kinh tế, thị trường năng lượng tái tạo vẫn phát triển mạnh mẽ trong những năm qua Đây là xu hướng toàn cầu cần thiết để giải quyết vấn đề năng lượng và bảo vệ môi trường trong thế kỷ 21.
Trong giai đoạn 2005 - 2010, tổng công suất năng lượng tái tạo (NLTT) như điện mặt trời, điện gió, nhiệt điện, nước nóng NLMT và nhiên liệu sinh học đã tăng trung bình từ 15% đến gần 50% hàng năm, với điện mặt trời ghi nhận tốc độ tăng trưởng nhanh nhất Nhiên liệu sinh học và điện gió cũng có sự tăng trưởng đáng kể Trong khi đó, thủy điện nhỏ, điện và nhiệt sinh khối, cùng điện địa nhiệt tăng trưởng ở mức trung bình từ 3% đến 9% mỗi năm Đến năm 2009, NLTT đã đóng góp hơn 16% tổng tiêu thụ năng lượng cuối cùng toàn cầu.
Vào năm 2010, thị trường điện năng lượng tái tạo (NLTT) toàn cầu đã ghi nhận tổng công suất phát điện mới đạt 194 GW, chiếm khoảng 50% tổng công suất phát điện được xây dựng thêm trong năm Tỷ lệ điện năng sản xuất từ các nguồn sơ cấp khác nhau được trình bày trong Bảng 1.5.
Bảng 1.5: Tỷ lệ sản xuất điện năng của thế giới năm 2010 [9]
TT Nguồn sơ cấp Tỷ lệ (%)
Trong đó: Thủy điện nhỏ 16,1 và NLTT khác 3,3%
Đến năm 2010, tổng công suất phát điện năng lượng tái tạo (NLTT) trên thế giới đạt 4.950 GW, chiếm khoảng 25% tổng công suất phát điện và cung cấp gần 20% điện năng toàn cầu Trong đó, thủy điện nhỏ đóng góp một tỷ lệ lớn (16,1%) Nếu không tính thủy điện nhỏ, tổng công suất NLTT là 312 GW, tăng 25% so với năm 2009 Năng lượng gió có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất với công suất lắp thêm 39 GW trong năm 2010, tiếp theo là điện mặt trời với 17 GW Các quốc gia dẫn đầu về công suất phát điện NLTT vào cuối năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ) bao gồm Trung Quốc, Mỹ, Canada, Brazil, Ấn Độ và Đức.
Hình 1.4: Công suất phát điện xây dựng năm 2010 (không kể thủy điện nhỏ);
Phát điện NLTT có vai trò rất quan trọng ở khu vực châu Âu (EU) Năm
Định hướng của đề tài
Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu lý thuyết về pin năng lượng mặt trời Polymer MEH-PPV, bao gồm việc phân tích cấu trúc và nguyên lý hoạt động của loại pin này Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng xây dựng quy trình chế tạo pin Polymer MEH-PPV nhằm nâng cao hiệu suất và ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.
Nghiên cứu và xây dựng mô hình mô phỏng các module quang điện (PV) bao gồm việc tạo ra mô phỏng cho một pin quang điện thực tế, với các đặc tuyến về điện áp và công suất dưới các điều kiện độ rọi và nhiệt độ khác nhau Đồng thời, nghiên cứu cũng phát triển thuật toán bám điểm công suất cực đại cho pin mặt trời, nhằm tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.
Nhiệm vụ của luận văn
Nghiên cứu cách thức chế tạo pin mặt trời hữu cơ đơn lớp: điện cực truyền qua ITO, lớp hoạt quang MEH-PPV, điện cực anode nhôm
Mô hình hóa và mô phỏng pin mặt trời trong Matlab Simulink giúp khảo sát đường cong đặc tính I-V và xác định công suất cực đại của module quang điện Bên cạnh đó, việc áp dụng kỹ thuật MPPT với giải thuật P&O cổ điển và giải thuật INCOND cho phép tìm kiếm điểm công suất cực đại trong hệ thống nhiều module quang điện.
PV hoạt động dưới cùng điều kiện về độ bức xạ và nhiệt độ So sánh các giải thuật hiện có, bài viết tập trung vào việc xây dựng giải thuật bắt điểm công suất cực đại dựa trên mạng nơron và giải thuật INCOND.
Kết quả mong muốn đạt được
Chế tạo được pin mặt trời polymer MEH-PPV
Xây dựng được chương trình mô phỏng pin với các mức bức xạ khác nhau
Xây dựng được chương trình mô phỏng MPPT với các thuật toán nêu trên
Kiểm tra đặc tính của pin thông qua đo đạc và mô phỏng, từ đó đánh giá mô hình mô phỏng đã xây dựng.
Cở sở lý thuyết
Tổng quan về Polymer
Polymer là hợp chất cao phân tử được hình thành từ nhiều nhóm cấu trúc hóa học giống nhau, lặp đi lặp lại và liên kết với nhau thông qua liên kết đồng hóa trị.
Ví dụ: Nếu A là đơn vị phân tử, phản ứng trùng hợp (polymerization) sẽ cho ra một "xích" polymer có dạng :
Trong quá trình tổng hợp polymer, hàng nghìn đơn vị A được kết nối qua liên kết hóa học Ví dụ, nếu A là phân tử ethylene, sản phẩm thu được sẽ là polyethylene; nếu A là propylene, polymer sẽ là polypropylene Ngoài ra, các nhà hóa học còn có khả năng thực hiện phản ứng trùng hợp giữa hai đơn phân tử A và B để tạo ra copolymer, với mạch phân tử chứa cả A và B Tùy thuộc vào điều kiện phản ứng, A và B có thể liên kết một cách ngẫu nhiên.
AAABABBABABBBAABABBBBAABBBAB hoặc theo một thứ tự nhất định :
ABABABABABABABABABABABAB hoặc theo từng mảng :
Cấu trúc của copolymer bao gồm một thân polymer (AAAAAAAABBBBBBBBBBAAAAAAAAAABBBBBB hoặc AAAAAAAAAAAA) và các nhánh (BBBBBB), tương tự như thân cây và nhánh cây Những cấu trúc phân tử này ảnh hưởng đến các tính chất vật lý và cơ tính khác nhau Các nhà hóa học tổng hợp có khả năng thiết kế copolymer với nhiều cấu trúc đa dạng để đáp ứng các yêu cầu cụ thể cho từng ứng dụng.
Polyethylene (PE) là một polymer đơn giản nhất, nguyên liệu chính làm những túi nhựa gia dụng và là một vật liệu thường thấy trong cuộc sống hằng ngày
Hình 2.1 : Cấu trúc polyethylene 2.2 Polymer dẫn điện :
Polymer với các mối nối liên hợp có khả năng dẫn điện, được gọi là polymer dẫn (Conducting polymer), khác biệt so với các polymer thông thường Tính chất đặc biệt này đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực khác nhau, tạo ra thách thức cho các nhà khoa học và hóa học trong việc ứng dụng loại vật liệu mới này Năm 2000, giải Nobel hóa học được trao cho ba nhà khoa học Heeger, MacDiarmid và Shirikawa nhờ phát hiện tăng độ dẫn điện của polyaxetilen khi pha tạp iốt, mở ra một bước nhảy vọt cho nghiên cứu và ứng dụng của polymer dẫn điện.
Hình 2.2 : Cấu trúc Polyacetylen 2.2.2 Phân loại:
Các nghiên cứu chia ra làm ba loại polymer dẫn chính là:
Các polymer oxy hoá khử (Redox polymer) là những vật dẫn điện bao gồm các nhóm hạt tính oxi hoá/khử gắn kết với mạch polyme không hoạt động điện hoá Trong loại polymer này, sự vận chuyển electron diễn ra thông qua quá trình tự trao đổi electron liên tiếp giữa các nhóm oxi hoá/khử gần nhau, được gọi là chuyển electron theo bước nhảy.
Hình 2.3 : Quá trình Oxy hóa khử
Các polymer dẫn điện tử, hay còn gọi là kim loại hữu cơ, là những vật liệu có khả năng dẫn điện nhờ vào cấu trúc mạch cacbon với các nối đôi liên hợp dọc theo chuỗi polymer Quá trình dẫn điện diễn ra khi điện tử có thể di chuyển dọc theo chuỗi polymer nhờ tính linh động của điện tử π, hoặc chuyển từ chuỗi polymer này sang chuỗi polymer khác thông qua cơ chế electron hopping Một số loại polymer dẫn điện tử tiêu biểu bao gồm
Hình 2.4 : Cấu trúc của những polymer dẫn điện quan trọng
Trong dấu ngoặc là đơn vị phân tử (monomer), n là số đơn vị monomer có giá trị hàng nghìn, hàng chục nghìn
Polymer trao đổi ion, hay còn gọi là ion exchange polymer, là loại polymer chứa các cấu tử có hoạt tính oxy hóa khử liên kết với màng polymer dẫn ion Trong trường hợp này, các cấu tử có hoạt tính sẽ mang điện tích trái dấu so với màng polymer Để nâng cao tính năng của các polymer, chúng ta có thể kết hợp nhiều loại polymer khác nhau nhằm tạo ra những polymer có hoạt tính cao hơn.
Roth và cộng sự nhấn mạnh rằng quá trình chuyển điện tích vĩ mô trong các mạng polymer dẫn là sự kết hợp của nhiều cơ chế vận chuyển cục bộ Điều này bao gồm việc di chuyển các dạng mang điện dọc theo các mạch sợi có liên kết liên hợp và giữa các sợi khác nhau Khi xem polymer như một tập hợp các bó sợi, còn có sự chuyển giao các dạng mang điện tử giữa các bó sợi Các quá trình vận chuyển này được minh họa rõ ràng trong Hình 2.5.
Hình 2.5 : Cơ chế dẫn điện Roth của polyme dẫn
[AB] dẫn trong một chuỗi [BC] dẫn giữa các chuỗi
[CD] dẫn giữa các sợi [AD] quá trình chuyển điện tích vĩ mô
Khi điện tử di chuyển từ điểm A đến điểm B trong cùng một chuỗi polymer, ta gọi là dẫn điện trong chuỗi Nếu điện tử chuyển từ điểm B sang điểm C thuộc hai chuỗi polymer khác nhau, ta nói điện tử di chuyển giữa các chuỗi Khi điện tử chuyển từ A, B đến D, ta gọi là chuyển giữa các sợi Rolh đã giải thích cơ chế dẫn điện theo cách này.
Điện tử trong chuỗi polymer di chuyển nhờ các liên kết linh động, cho phép chúng di chuyển dọc theo chuỗi Khi các chuỗi xoắn lại gần nhau, các orbital của nguyên tử có thể lai hóa, tạo điều kiện cho điện tử chuyển động giữa các chuỗi polymer Sự chuyển động này diễn ra qua lại giữa các chuỗi và được giải thích dựa trên sự lai hóa orbital.
2.2.3.2 Cơ chế chuyền pha Kaoki
Theo Kaoki, trong pha của polymer, tồn tại các chuỗi có khả năng dẫn điện và các chuỗi không dẫn điện, tạo ra sự phân chia giữa vùng dẫn và vùng không dẫn.
Khi chuỗi polyme ở trạng thái oxy hoá, nó có các orbital trống có khả năng nhận hoặc cho điện tử Thông thường, các chuỗi này phân bố ngẫu nhiên trong màng polymer Dưới tác dụng của điện trường, các chuỗi có xu hướng duỗi ra theo một chiều nhất định Khi điện trường đủ mạnh, hiện tượng lan truyền pha xảy ra, khiến các pha không dẫn trở nên dẫn điện.
Hình 2.6 : Sơ đồ cơ chế lan truyền pha Kaoki
Trong giai đoạn đầu, các đoạn polymer ở trạng thái oxy hóa gần bề mặt điện cực sẽ định vị lại và hình thành vùng dẫn cục bộ Vùng dẫn này sau đó hoạt động như một điện cực mới, tiếp tục oxy hóa các vùng không dẫn ngay phía trên, biến chúng thành vùng dẫn Quá trình này lặp đi lặp lại theo thời gian, khiến vùng dẫn mở rộng đến mặt ngoài của màng polymer.
Cơ chế này liên quan đến phản ứng chuyển điện tích tại bề mặt phân chia giữa vùng dẫn và vùng không dẫn Các điểm oxy hóa và khử trong màng polymer, được hình thành từ quá trình tạo ra các khuyết tật radical ngẫu nhiên, sẽ được sắp xếp lại khi có điện thế áp đặt.
Sơ đồ cho thấy các điểm dẫn chủ yếu tập trung gần bề mặt điện cực nền và dần loãng ở vùng xa Những điểm dẫn bên ngoài bị bao bọc bởi vùng cách điện không tiếp xúc với nền Sự phát triển của vùng dẫn phụ thuộc vào việc tiếp nối các điểm dẫn và tiếp xúc điện với điện cực nền Để tiếp nối hiệu quả, các điểm dẫn polyme cần có cấu trúc tương thích.
Tổng quan về Pin quang điện
2.4 Tổng quan Pin quang điện:
Pin năng lượng mặt trời, còn gọi là pin quang điện hoặc tế bào quang điện, là các thiết bị bán dẫn chứa nhiều diod p-n Dưới tác động của ánh sáng mặt trời, chúng có khả năng tạo ra dòng điện có thể sử dụng được.
Cấu tạo của pin mặt trời bao gồm ba phần chính: Anode, Katode (điện cực), tấm đế và lớp hoạt quang, với lớp hoạt quang có thể là chất vô cơ cho pin mặt trời vô cơ hoặc chất hữu cơ cho pin mặt trời hữu cơ Ngoài ra, một số loại pin còn được trang bị các lớp đệm bổ sung nhằm nâng cao chất lượng hoạt động của pin.
2.4.1.1 Tấm đế (substrate) : Được làm từ nhựa hoặc thủy tinh để có thể nâng đỡ được pin và trong suốt (vì cần để cho ánh sáng có thể truyền qua được dễ dàng)
2.4.1.2 Lớp anode (phải trong suốt):
Lớp anode cần được chế tạo từ vật liệu trong suốt với rào thế ΔE a nhỏ giữa anode và lớp màng polymer tiếp xúc Để giảm rào thế ΔE a, công thoát cho anode phải được nâng cao bằng cách sử dụng vật liệu phù hợp Vật liệu chế tạo anode cũng cần có độ ổn định cao theo thời gian.
Hình 2.13 : Cấu trúc chung của 1 tế bào năng lượng mặt trời liệu thường được dùng là ITO (là hỗn hợp của In 2 O 3 và SnO 2 theo tỷ lệ In 2 O 3 / SnO 2
Vật liệu truyền lỗ trống đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường quá trình truyền tải lỗ trống ra các cực, giúp kéo dài thời gian sống cho linh kiện Để đảm bảo hiệu suất, vật liệu này cần có nhiệt độ chuyển pha cao (Tg > 200 °C), khả năng truyền hạt tải cao (≥ 10^-3 cm²/v.s) và có khả năng hòa tan trong các dung môi hữu cơ Các vật liệu thường được sử dụng bao gồm PVK và PEDOT.
Có tác dụng tăng cường quá trình truyền dẫn điện tử Đảm bảo sự cân bằng hạt tải
Lớp này phải ổn định với nhiệt độ và các tác nhân hóa học
Vật liệu thường được dùng là : LiF
2.4.1.5 Lớp quang hoạt : Đây là nơi hạt tải có độ linh động cao nên chúng phải có độ dày thích hợp để đảm bảo exciton không bị dập tắt
Vật liệu quang hoạt cần có sự ổn định với nhiệt độ và các tác nhân hóa học, đồng thời phải có khả năng truyền điện tử tốt và phát ra phổ dòng điện khi hoạt động Những vật liệu thường được sử dụng cho lớp quang hoạt bao gồm PPV, MEH-PPV và Alq3.
Hình 2.14 : Phân mức năng lượng giữa lớp truyền điện tử và cathode
Cathode có thể phản xạ ánh sáng và cần thỏa mãn rào thế ΔEc giữa cathode và lớp màng polymer tiếp xúc là nhỏ nhất
Vật liệu phổ biến cho cathode bao gồm nhôm (Al) và hợp kim nhôm - magiê (Mg/Al) với tỷ lệ 10/1 Hỗn hợp này được ưa chuộng nhờ khả năng chống oxy hóa và độ bền cao trước độ ẩm môi trường Để đảm bảo hiệu suất, vật liệu cathode cần có công thoát thấp và khả năng bốc bay dễ dàng trong điều kiện chân không.
Pin quang điện Polymer
PMT polymer, hay còn gọi là pin mặt trời hữu cơ (OSC - Organic solar cell), là loại pin mặt trời được sản xuất từ các polymer dẫn điện PMT polymer thuộc thế hệ thứ ba của pin quang – điện – hóa, tương tự như pin DSC.
Năm 1975, một nghiên cứu sinh ở Nhật Bản đã vô tình phát hiện ra loại polyacetylene (PA) mới, khác biệt hoàn toàn so với các loại PA trước đó Năm sau, nhóm nhà khoa học Nhật Bản do Hideki Shirakawa dẫn đầu đã tiến hành nghiên cứu loại vật liệu này, dẫn đến sự ra đời của polymer dẫn điện.
Thập niên 1980 chứng kiến sự cạnh tranh mạnh mẽ trong nghiên cứu về polymer dẫn điện giữa các quốc gia, dẫn đến việc chế tạo thành công các loại polymer này.
PA có độ dẫn điện ngang ngửa đồng, tuy nhiên những công trình này hầu như không ứng dụng được vào thực tiễn
Năm 2000, Alan J Heeger, Alan MacDiarmid và Hideki Shirakawa được trao giải Nobel hóa học về việc phát hiện và phát triển các polymer dẫn điện
Hạt nhân của OSC bao gồm polymer và chất hữu cơ dẫn điện, có khả năng hấp thụ photon Quá trình này diễn ra thông qua tiếp xúc ohmic với các điện cực bên ngoài, giúp phân tách các hạt tải như electron và lỗ trống, sau đó dẫn chúng về các điện cực.
Polymer dẫn điện là hợp chất hữu cơ cấu tạo từ các vòng benzene, với các liên kết C-C và C=C luân phiên Chúng được coi là đồng đẳng của benzene, với liên kết giữa các phân tử nhờ lực Van der Waals Cấu trúc vòng benzene mang lại nhiều liên kết đôi (liên kết π) không ổn định, dẫn đến trạng thái điện tử bất định dọc chuỗi polymer Những điện tử π này có hoạt tính hóa học cao, dễ phản ứng với một lượng năng lượng nhỏ, từ đó tạo ra khả năng dẫn điện của polymer.
Quá trình tạo thành polymer dẫn loại n và loại p trong các tế bào quang điện hữu cơ (OSC) khác biệt so với việc hình thành bán dẫn loại n và p Trong bán dẫn, nguyên tử gốc được thay thế bằng các nguyên tử tạp chất với số lượng electron hóa trị khác nhau, tạo ra electron hoặc lỗ trống trong vật liệu, đây là một quá trình thụ động quan trọng.
Polymer dẫn điện khác với các loại polymer thông thường ở chỗ các orbitan tái định xứ của chúng được điền đầy một phần bởi các electron Những electron này có khả năng nhận thêm electron qua quá trình khử hoặc cho đi electron qua quá trình oxi hóa, từ đó làm đầy hoặc làm trống hoàn toàn các orbitan Quá trình này dẫn đến sự hình thành của polymer dẫn điện loại n hoặc p, thể hiện sự "tự pha tạp" chủ động.
Một số loại polymer dẫn điện loại n (electron donor) và loại p (electron aceptor) thường dùng là :
Hình 2.15 : Một số loại polymer dẫn điện
Hiện nay, có bốn dạng OSC cơ bản: OSC một lớp, OSC hai lớp, OSC hỗn hợp và OSC ghép lớp Cấu trúc của bốn dạng OSC này được mô tả chi tiết dưới đây.
Hình 2.16: Pin mặt trời hữu cơ cấu trúc đơn lớp
Cấu trúc thiết bị Schottky, hay còn gọi là điốt Schottky, chỉ bao gồm một vật liệu bán dẫn, trong đó sự phân tách hạt tải xảy ra tại lớp tiếp xúc với một điện cực, trong khi lớp tiếp xúc còn lại có tính chất ohmic Thiết kế này khá đơn giản với miền hoạt quang thường rất mỏng, tuy nhiên, hiệu suất của nó có thể bị suy giảm do sự mất mát hạt tải điện khi di chuyển qua vật liệu, gây ra hiện tượng tái tổ hợp.
Pin mặt trời hữu cơ cấu trúc hai lớp có ưu điểm là giảm hiện tượng tái hợp của các hạt tải điện nhờ vào việc rút ngắn quãng đường di chuyển của chúng Tuy nhiên, hạn chế của cấu trúc này là bề mặt tiếp xúc nhỏ, dẫn đến hiệu suất phân tách exciton giảm, từ đó làm giảm hiệu suất chuyển hóa quang năng thành điện năng của pin.
Hình 2.18 : Pin mặt trời hữu cơ cấu trúc hỗn hợp
Cấu trúc này giúp khắc phục nhược điểm của cấu trúc 2 lớp, từ đó nâng cao hiệu suất chuyển hóa của pin Sự cải thiện này đến từ việc tăng xác suất exciton di chuyển đến vùng phân tách và tách thành các hạt mang điện.
2.5.1.4 Cấu trúc ghép lớp Đây là cấu trúc mới được phát triển nhằm tận dụng ưu thế của các cấu trúc đã trình bày ở trên Đối với cấu trúc này, việc bổ sung lớp truyền tải giữa điện cực và lớp quang hoạt làm hiệu xuất truyền hạt tải đến các điện cực, do vậy, hiệu suất của pin được cải thiện Hạn chế của cấu trúc này là một vài tính chất cơ học của vật liệu bán dẫn hữu cơ cần được đáp ứng (nhiệt độ chuyển pha thấp) để tạo thành lớp trộn lẫn
Hình 2.19 : Pin mặt trời hữu cơ cấu trúc ghép lớp
2.5.2 Các thông số cơ bản của pin mặt trời hữu cơ
Một số thuật ngữ sau đây được dùng để xét các đặc tính của pin mặt trời
Voc Điện áp hở mạch
FF Hệ số điền đầy
η Hiệu suất của pin mặt trời
2.5.2.1 Dòng điện tạo ra trong pin mặt trời
Một pin mặt trời được chiếu sáng có khả năng thay thế cho một viên pin hoặc máy phát điện trong mạch điện đơn giản Khi không có tải, dòng điện trong mạch được gọi là dòng ngắn mạch (I sc) Khi có tải, dòng điện sẽ nằm trong khoảng từ 0 đến I sc, và giá trị của nó được xác định bởi đặc tính IV Dòng ngắn mạch được tính toán theo công thức cụ thể.
Isc QE(E)n( )dE (2.1) Trong đó : n() là thông lượng bức xạ mặt trời của các photon với năng lượng
QE(E) là hiệu suất lượng tử, phản ánh đặc tính của vật liệu, được xác định là xác suất mà một photon đến sẽ tạo ra một điện tử trong mạch ngoài.
QE(E) phụ thuộc vào các thông số của pin mặt trời như hệ số hấp thụ, hiệu suất phân tách hạt tải và hiệu quả thu giữ hạt tải…
Một diode cho phép dòng điện lớn hơn khi điện áp được áp dụng theo hướng phân cực thuận so với hướng phân cực ngược Tương tự, một tế bào pin mặt trời hoạt động như một diode dưới sự phân cực, và dòng điện được tạo ra từ quá trình này được gọi là dòng tối Hiệu điện thế không chỉ phụ thuộc vào sự phân cực mà còn được sinh ra khi pin mặt trời được kết nối trong một mạch điện có tải.
I 0 : là không đổi với một pin mặt trời cho trước
T : là nhiệt độ, q : là điện tích nguyên tố k B : là hằng số Boltzmann’s
![Bảng 1.2: Dự đoán lượng tiêu thụ sơ cấp trên thế giới (Đơn vị: Triệu tấn dầu), [8]. - (Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu và chế tạo pin mặt trời dạng POLYMER](https://media.store123doc.com/figures/001/440/bang-du-doan-luong-tieu-gioi-don-trieu-1440073.png)
