Hình 1. Pin năng lượng mặt trời polymer không sử dụng fullerene cùng Giáo sư Olle Inganäs (phải) và Shimelis Admassie (trái) (Nguồn: Stefan Jerrevång/Linkoping University)
Vào ngày 19/4/2016, trang tin khoa học Phys.org đã đăng thông tin về kỉ lục thế giới mới của pin năng lượng mặt trời polymer (polymer solar cells - PSCs) không sử dụng fullerene (non-fullerene) [1]. Phát minh mới này là công trình của các nhà khoa học tại đại học Linköping (Thụy Điển) và Viện hàn lâm khoa học Trung Quốc (CAS) đã được công bố trên tạp chí khoa học nổi tiếng Advanced Materials [2].
Hầu hết các pin mặt trời hiện được bán trên thị trường làm từ các tinh thể silicon độ tinh khiết cao. Tuy nhiên, những năm gần đây pin mặt trời polymer nổi lên như một sự lựa chọn thay thế cho các pin mặt trời silicon do các ưu điểm như có khối lượng nhẹ hơn (lightweight), chi phí chế tạo rẻ hơn, có thể uốn được (flexible).
Hình 2. Nguyên lí hoạt động của polymer solar cells (Nguồn: http://today.slac.stanford.edu/.)
Nguyên lí hoạt động của PSCs có thể tóm tắt như sau: khi ánh sáng chiếu vào lớp vật liệu bán dẫn hữu cơ nằm giữa 2 điện cực anode và cathode sẽ sinh ra các hạt exciton. Exciton có thể hiểu như là trạng thái liên kết của một electron mang điện tích âm với một lỗ trống mang điện tích dương (hole). Ở trong vật liệu hữu cơ, lực liên kết Coulomb của electron và lỗ trống mang điện tích dương thường là rất lớn. Do đó để có thể tách được exiton thành các hạt điện tích dương và điện tích âm riêng biệt và tạo ra dòng điện, thông thường lớp vật liệu bán dẫn trong PSCs sẽ được làm từ hỗn hợp của một polymer dẫn điên đóng vai trò cho electron (donor) và một hợp chất hữu cơ dẫn điện khác đóng vài trò nhận electron (acceptor). Khi các hạt exciton di chuyển đến bề mặt của polymer và chất nhận electron (polymer/acceptor interface), hạt exciton sẽ được tách ra và di chuyển về 2 cực: electron di chuyển về anode (thường là điện cực nhôm Al) còn hạt điện tích dương sẽ di chuyển về cathode (thường là ITO) và sinh ra dòng điện. Để đạt hiệu suất chuyển đổi cao từ ánh sáng thành điện năng, PSCs thường sử dụng fullerene làm chất nhận electron.
Hình 3. Cấu tạo của fullerene hình cầu C60 (buckyball) (Nguồn: Wikipedia) và ITIC [2]
Fullerene là một phân tử của carbon, có cấu trúc rỗng dạng hình cầu (sphere), ellip (ellipsoid), ống (tube) hay các hình dạng khác. Các fullerene hình cầu được gọi là buckminsterfullerene (buckyballs), trông giống như quả bóng của môn bóng đá và dạng đồng phân này được dùng rất phổ biến để làm chất nhận electron trong PSCs. Nghiên cứu đầu tiên về ứng dụng của fullerene trong lĩnh vực pin năng lượng mặt trời được công bố vào năm 1992 [3].Trong đó Sariciftci và các cộng sự nghiên cứu sự truyền điện tích từ poly[2-methoxy-5-(20-ethylhexyloxy)-p-phenylene vinylene] (MEH-PPV) đến C60 (một dẫn xuất của fullerene). Không giống như các phân tử nhận electron khác, fullerene có cấu dạng đối xứng tròn nên nó rất dễ tương tác và nhận electron từ polymer donor, làm tăng hiệu suất của pin mặt trời dùng fullerene. Tuy nhiên, fullerene có nhược điểm là phổ hấp thu ánh sáng hẹp, dễ bị oxy hóa bởi ánh sáng (photo-oxidized) và dễ kết tụ (aggregation) dẫn đến việc hình thành các tinh thể (crystal) lớn ở nhiệt độ cao [4,5]. Sự hình thành tinh thể lớn ở nhiệt độ cao là rất bất lợi cho pin mặt trời, bởi vì nó sẽ làm giảm diện tích bề bặt (interfacial area) giữa polymer và fullerene và khiến cho việc phân tách hạt exciton để tạo ra dòng điện khó hơn.
Trong nghiên cứu của mình Giáo sư Jianhui Hou và các cộng sự đã sử dụng một sự kết hợp độc đáo giữa một polymer dẫn điện PDBDT (poly[(2,6-(4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)-benzo[1,2-b:4,5-b’]dithiophene))-alt-(5,5-(1’,3’-di-2-thienyl-5’,7’- bis (2ethyl hexyl)benzo[1’,2’-c:4’,5’-c’]dithiophene-4,8-dione)) và một phân tử nhỏ (small molecule) thay thế cho fullerene làm chất nhận electron là ITIC (3,9-bis(2-methylene-(3-(1,1-dicyanomethylene)-indanone))-5,5,11,11-tetrakis(4-hexylphenyl) dithieno [2,3-d:2’,3’-d’]-s-indaceno[1,2-b:5,6-b’]dithiophene). Hỗn hợp PBDB-T:ITIC có dải phổ hấp thu quang học rộng hơn so với hỗn hợp của PBDB-T:PC71BM (PC71BM là một dẫn xuất của fullerene). Ngoài ra, các pin mặt trời làm từ PBDB-T:ITIC cũng cho thấy một sự ổn định nhiệt tuyệt vời: hiệu suất chuyển đổi vẫn duy trì khi nhiệt độ được nâng lên mức 200 °C trong khi các pin mặt trời làm từ PBDB-T:PC71BM hiệu suất bị giảm đi đáng kể. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các pin PBDB-T:ITIC được ghi nhận là 11% - vượt hầu hết các pin năng lượng mặt trời sử dụng fullerene, cao nhất trong các pin mặt trời không sử dụng fullerene.
Việc chế tạo thành công pin năng lượng mặt trời polymer mới với hiệu suất cao, đáng tin cậy của nghiên cứu này đã mở ra một hướng mới trong công nghệ chế tạo PSCs không sử dụng fullerene và rút ngắn đáng kể những khó khăn cho việc thương mại hóa các PSCs.
Tác giả: Nguyễn Văn Tâm (NCS, Viện Công nghệ Kyoto, Nhật Bản)
Phản biện: Đồng Xuân Ban (NCS, Đại học Michigan, Ann Arbor)
Tài liệu tham khảo
1. Linköping University, New world record for fullerene-free polymer solar cells, Phys.org, 19 April 2016, http://phys.org/news/2016-04-world-fullerene-free-polymer-solar-cells.html
2. Wenchao Zhao et al. Fullerene-Free Polymer Solar Cells with over 11% Efficiency and Excellent Thermal Stability, Advanced Materials. 2016. DOI: 10.1002/adma.201600281
3. N. S. Sariciftci, L. Smilowitz, A. J. Heeger, and F. Wudl, Photoinduced Electron Transfer from a Conducting Polymer to Buckminsterfullerene, Science, 1992, 258, 1474–1476.
4. M. C. Scharber, D. Wuhlbacher, M. Koppe, P. Denk, C. Waldauf, A. J. Heeger, and C. L. Brabec, Design Rules for Donors in Bulk-Heterojunction Solar Cells Towards 10 % Energy Conversion Efficiency, Adv. Mater. 2006, 18, 789.
5. M. Jorgensen, K. Norrman, F. C. Krebs, Stability/degradation of polymer solar cells, Sol. Energy Mater. Sol. C. 2008, 92, 686.
