Tính chất dập tắt huỳnh quang của tổ hợp nano ứng dụng trong pin mặt trời hữu cơ (OSC)

1. Tính chất dập tắt huỳnh quang của tổ hợp nano ứng dụng trong pin mặt trời hữu cơ (OSC) Hội Nghị Nghiên Cứu Khoa Học Sinh Viên Cấp Trường Năm 2014 SV thực hiện: Nguyễn Thị Thùy Trang Nguyễn Thanh Bình GV hướng dẫn: GS.TS. Nguyễn Năng Định ThS. Trần Thị Thao Tóm tắt. Tính chất dập tắt huỳnh quang của tổ hợp nano ứng dụng trong pin mặt trời hữu cơ (OSC) tập trung vào nghiên cứu tính chất dập tắt huỳnh quang của hai loại tổ hợp nano cấu trúc MEH-PPV/nc-TiO2 và P3HT/nc-TiO2. Hai loại vật liệu này chứa chuyển tiếp dị chất nano được chế tạo bằng công nghệ trải phủ (spin-coating) và bốc bay chân không, nhằm khảo sát hiệu ứng và tính chất dập tắt huỳnh quang của polymer. Khi kích thích bước sóng 470 nm, hiệu ứng dập tắt huỳnh quang đều xảy ra ở cả hai vật liệu tổ hợp: cường độ quang huỳnh quang của polymer thuần khiết đã giảm đáng kể khi chúng được đưa vào một lượng nhỏ hạt nano ôxit titan. Hệ số dập tắt huỳnh quang tương đối của vật liệu P3HT/nc-TiO2 lớn hơn hẳn so với MEH-PPV/nc-TiO2. Khảo sát tính chất chuyển hóa quang-điện trên hai loại vật liệu cho thấy vật liệu tổ hợp P3HT/nc-TiO2 để chế tạo PMT hữu cơ thích hợp hơn so với MEH-PPV/nc-TiO2.Với cấu trúc đơn giản Al/ P3HT/nc-TiO2/ITO hiệu suất chuyển hóa quang điện (PEC) cũng đạt được giá trị 0,45% - giá trị này tuy nhở, nhưng cũng là gợi mở có ích cho các công trình nghiên cứu tiếp theo đối với PMT hữu cơ đa lớp nhằm nâng cao hiệu suất chuyển hóa của pin. Từ khóa: Pin mặt trời hữu cơ, màng tổ hợp nanô, hạt TiO2 kích thước nanô, tính chất dập tắt huỳnh quang, hiệu suất chuyển hóa quang điện Chế tạo các màng tổ hợp nanô • 1. Cácbướcchuẩnbịchothínghiệm • ChuẩnbịđiệncựctrongsuốtIn2O3:Sn (ITO); • Bộtnano TiO2cókíchthước 5 nm và 15 nm; • Bộtpolymer MEH-PPVvàP3HT • Cácdung môi, cồn, nướccất • 2. Cácbướctiếnhànhthínghiệm • Xửlíđế ITO bằng rung siêuâm: • Phahỗnhợp polymer vànanoôxit • Phủmàngbằngmáy Spin coating • Gianhiệt/ử mẫu (annealing) b. b. c. d. a. Hình 1. Các giai đoạn của quá trình quay phủ li tâm chế tạo màng mỏng Hình 2. Dung dịch chứa MEH-PPV/TiO2 (a),pin mặt trời cấu trúc Al/MEH-PPV/TiO2/ITO (b); pin mặt trời cấu trúc Al/P3HT/TiO2/ITO (c) và dung dịch chứa P3HT/TiO2 (d). Kết quả và thảo luận 1. Dập tắt huỳnh quang của tiếp xúc MEH-PPV/nc-TiO2 • Mẫu tổ hợp được kích thích tại bước sóng  = 470 nm (Hình 3) • Nhận thấy rằng cường độ quang huỳnh quang của mẫu tổ giảm rõ rệt so với mẫu MEH-PPV thuần khiết. • → Đó là hiệu ứng dập tắt huỳnh quang • Nguyên nhân xảy ra hiệu ứng dập tắt huỳnh quang là do các hạt nanô tinh thể TiO2 được đưa vào mẫu polymer thuần khiết • Từ phổ quang huỳnh quang (PL), xác định được hệ số dập tắt huỳnh quang tương đối (), bằng (1): (1) . (1) Hình 3. Phổ huỳnh quang của MEH-PPV (1) và tổ hợp MEH-PPV/TiO2 (2) 2. Dập tắt huỳnh quang của tiếp xúc P3HT/nc-TiO2 a. b. • Từ hình 4.a cho thấy P3HT : hấp thụ mạnh ở vùng bước sóng từ 450 nm đến 570 nm. • phát quang mạnh tại vùng bước sóng 720 nm ( (kích thích) = 325 nm) • Tương tự như đối với MEH-PPV, chúng tôi đã nhận được hiện tượng dập tắt huỳnh quang khi kích thích bước sóng chuẩn (470 nm) đối với P3HT thuần khiết và tổ hợp P3HT/nc-TiO2 (Hình 4.b). • So với MEH-PPV, phổ huỳnh quang của P3HT có đỉnh tại bước sóng dài hơn (~ 720 nm) và sự dịch đỉnh huỳnh quang về phái bước sóng ngắn (dịch xanh) đã nhận được rõ hơn (~ 5 nm). Trong khi đó đối với tổ hợp MEH-PPV/TiO2 độ dịch xanh này là không đáng kể. • Như kết quả nhận được của Yang và công sự, dịch xanh được giải thích là do các hạt nano TiO2 trộn vào trong polymer đã bẻ gẫy một phần chuỗi polymer, khiến cho khe năng lượng giữa HOMO – LUMO tăng lên một chút. a. b. Hình 4. Phổ hấp thụ (đường liền) và phát quang của P3HT (a); phổ huỳnh quang của P3HT (đường liền) và tổ hợp P3HT/nc-TiO2 (đường đứt) (b). 3.Giải thích hiệu ứng dập tắt huỳnh quang dựa trên cấu trúc vùng năng lượng • Khi polymer được trộn các hạt nano TiO2, e- sinh ra trên vùng LUMO không tái hợp với lỗ trống trên vùng HOMO như trong trường hợp trên là do tại biên tiếp xúc polymer/nc-TiO2 có rào thế âm (mức CB thấp hơn mức LUMO). e- chuyển động sang vùng dẫn của TiO2, còn h+ thì chuyển động ngược chiều. • Như vậy polymer đã không phát xạ ra photon, thay vào đó là quá trình tách hạt tải trái dấu, chuyển động về phía điện cực (+) và (-). Nhờ đó mà giữa hai điện cực hình thành một điện thế hở mạch. Đây chính là tính chất đặc biệt của chuyển tiếp dị chất khiến cho vật liệu tổ hợp nano được ứng dụng trong công nghệ pin mặt trời hữu cơ. 4. Hiệu suất chuyển hóa quang-điện của pin chứa vật liệu tổ hợp nanô polymer/nc-TiO2 Hình 5. Giản đồ cấu trúc vùng năng lượng của chuyển tiếp dị chất polymer dẫn/ TiO2, giá trị các mức năng lượng được so sánh với mức chân không • Với cùng công suất chiêu Pin = 56 mW/cm2 và áp dụng công thức (2) & (3) ta xác định được các thông số của pin: (2) (3) a. • OSC-2 có các thông số dòng và thế, cũng như hệ số FF lớn hơn, dẫn đến hiệu suất PEC lớn hơn hẳn so với OSC-1 Điều này cũng thể hiện ngay từ khi khảo sát phổ PL của hai loại vật liệu này và qua công thức (1) • Hiệu suất chuyển hóa quang-điện của OSC-2 lớn hơn hẳn so với OSC-1 gấp hơn 2,5 lần; cụ thể là: 0,45%/0,17% = 2,65 (lần). Do vậy màng P3HT/nc-TiO2 thích hợp cho pin mặt trời hơn. a. b. Hình 6. Đặc trưng dòng thế chế độ tối (---) và chiếu sáng () của Al/MEH-PPV/TiO2/ITO, OSC-1 (a) và Al/P3HT/TiO2/ITO, OSC-2 (b) . Bề dày của lớp tổ hợp ~ 180 nm, lớp nhôm – 100 nm Kếtluận Tài liệu tham khảo 1.T. M. Petrella, P. D. Cozzoli, M. L. Curri, M. Striccoli, P. Cosma, G. M. Farinola, F. Babudri, F. Naso, A. Agostiano, Thin Solid Films 451/452 (2004) 64. 2. V. M. Burlakov, K. Kawata, H. E. Assender, G. A. D. Briggs, A. Ruseckas, I. D. W. Samuel, Phycal Review 72 (2005) 075206. 3. K. J. Klabunde, Nanoscale Materials in Chemistry, John Wiley & Sons - 2001. 4. Nguyễn Năng Định, Vật lí kĩ thuật và Màng mỏng, Nhad xuất bản ĐHQGHN, Hà Nội - 2005 5. K. Kawata, V. M. Burlakov, M. J. Carey, H. E. Assender, G. A. D. Briggs, A. Ruseckas, I. D. W. Samuel, Sol. Energy Mater. Sol. Cells87 (2005) 715. 6. N. N. Dinh, N. M. Quyen, L. H. Chi, T. T. C. Thuy, T. Q. Trung, AIP Conf. Proc. 1169 (2009) 25. 7. N. N. Dinh, N. Th. T. Oanh, P. D. Long, M. C. Bernard, A. Hugot-Le Goff, Thin Solid Films 423 (2003) 70. 8. S. Ulum, N. Holmes, D. Darwis, K. Burke, A. L. D. Kilcoyne, Xiaojing Zhou, W. Belcher; P. Dastoor, Determining the structural motif of P3HT:PCBM nanoparticulate organic photovoltaic devices, Solar Energy Materials & Solar Cells 110 (2013) 43. 9. S. H. Yang, T. P. Nguyen, P. Le Rendu, C. S. Hsu, Compotes Part A: Appl. Sci. Manufact. 36, (2005) 509. • Hai loạivậtliệuchứachuyểntiếpdịchấtnanolàMEH-PPV/nc-TiO2vàP3HT/nc-TiO2đãđượcchếtạonhằmkhảosáthiệuứngvàtínhchấtdậptắthuỳnhquangcủa polymer. • Dướikíchthíchbướcsóngchuẩn ( = 470 nm), đốicảhaivậtliệutrênđềunhậnđượchiệuứngdậptắthuỳnhquang: cườngđộquanghuỳnhquangcủa polymer thuầnkhiếtđãgiảmđángkểkhichúngđượctrộnthêmmộtlượngnhỏ (5%kl) cáchạtnanoôxit titan. TrongđóhệsốdậptắttươngđốicủavậtliệuP3HT/nc-TiO2lớngấp 2,5 lầnhệsốdậptắtcủaMEH-PPV/nc-TiO2. • Khảosátchuyểnhóaquang-điệntrênhailoạivậtliệuchothấyvậtliệutổhợpP3HT/nc-TiO2đểchếtạo PMT hữucơthíchhợphơn so vớiMEH-PPV/nc-TiO2.VớitrúcđơngiảnAl/ P3HT/nc-TiO2/ITO hiệusuấtchuyểnhóaquangđiện(PEC) cũngđạtđượcgiátrị 0,45% - giátrịnàytuynhở, nhưnglàgợimởchocáccôngtrìnhnghiêncứutiếptheođốivới PMT hữucơđalớpnhằmnângcaohiệusuấtchuyểnhóacủa pin.