Transcript Tính chất dập tắt huỳnh quang của tổ hợp nano ứng dụng trong pin

Tính chất dập tắt huỳnh quang của tổ hợp nano
ứng dụng trong pin mặt trời hữu cơ (OSC)
SV thực hiện: Nguyễn Thị Thùy Trang
Nguyễn Thanh Bình
Hội Nghị Nghiên Cứu Khoa Học
Sinh Viên Cấp Trường Năm 2014
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. Các bước chuẩn bị cho thí nghiệm
 Chuẩn bị điện cực trong suốt In2O3:Sn (ITO);
 Bột nano TiO2 có kích thước 5 nm và 15 nm;
 Bột polymer MEH-PPV và P3HT
 Các dung môi, cồn, nước cất
2. Các bước tiến hành thí nghiệm
 Xử lí đế ITO bằng rung siêu âm:
 Pha hỗn hợp polymer và nano ôxit
 Phủ màng bằng máy Spin coating
 Gia nhiệt/ử mẫu (annealing)
b.
b.
a.
Hình 1. Các giai đoạn của quá trình quay phủ li
tâm chế tạo màng mỏng
c.
d.
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):

PLp  PLc
PLp
% 
(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





(1)
a.
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.
b.
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
 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:
J  V  max

FF 
Jsc  Voc
FF  Jsc  Voc
PEC 
,
Pin
(2)
Các thông số
Voc (V)
Jsc (mA/cm2)
FF
PEC (%.)
OSC-1
0.14
1.24
0.54
0.17
OSC-2
0.24
1.43
0.64
0.45
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
(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.
Kết luận

Hai loại vật liệu chứa chuyển tiếp dị chất nano là MEH-PPV/nc-TiO2 và P3HT/nc-TiO2 đã được chế
tạo nhằm khảo sát hiệu ứng và tính chất dập tắt huỳnh quang của polymer.

Dưới kích thích bước sóng chuẩn ( = 470 nm), đối cả hai vật liệu trên đều nhận được hiệu ứng dập
tắt huỳnh quang: cường độ quang huỳnh quang của polymer thuần khiết đã giảm đáng kể khi chúng được
trộn thêm một lượng nhỏ (5%kl) các hạt nano ôxit titan. Trong đó hệ số dập tắt tương đối của vật liệu
P3HT/nc-TiO2 lớn gấp 2,5 lần hệ số dập tắt của MEH-PPV/nc-TiO2.

Khảo sát 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 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 là gợi mở cho các
công trình nghiên cứu tiếp theo đối với PMT hữu cơ đa lớp nhằm nâng cao hiệu suất chuyển hóa của pin.
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
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. Cells 87 (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.