RƯỜN

HỌ KH A HỌ

KH A KH A HỌ
MÔN Ậ L ỆU NAN

Ự NH ÊN

Ậ L ỆU
&M N

MỎN



ỂU LUẬN Ố N H ỆP
Đề tài

Quantum Dots Solar Cell

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Th.s NGÔ HẢI ĐĂNG
SINH VIÊN THỰC HIỆN
TƠ HỒNG TRƯƠNG

tp HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013


RƯỜN

HỌ KH A HỌ

KH A KH A HỌ
MÔN Ậ L ỆU NAN

Ự NH ÊN

Ậ L ỆU
&M N

MỎN



ỂU LUẬN Ố N H ỆP
ề tài:

Quantum Dots Solar Cell

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN:
Th.s NGÔ HẢI ĐĂNG
SINH VIÊN THỰC HIỆN:
TƠ HỒNG TRƯƠNG

tp HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013


Lời cảm ơn
Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, cảm ơn
thầy Th.s NGÔ HẢI ĐĂNG đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em tìm hiểu tài liệu và

chỉ dạy tận tình giúp em hoàn thành bài tiểu luận tốt nghiệp này.
Em xin gửi lời cảm ơn các thầy cô ở ở Khoa Khoa Học Vật Liệu, đặc biệt là
các thầy cô chuyên nghành Vật Liệu Nano & Màng Mỏng tại Trường Đại Học
Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG tp HỒ CHÍ MINH đã giảng dạy tận tình và hướng dẫn
em trong suốt bốn năm qua, và giúp đỡ em tích lũy những kiến thức vô cùng quý
báu.
Xin gửi những lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất tới các bạn lớp màng
mỏng K10 đã giúp đỡ mình trong những năm học qua.
Sinh viên
ơ Hồng rương


Mục lục
Mục lục ........................................................................................................................x
Mở đầu ........................................................................................................................1
1. Tổng quan về chấm lượng tử ............................................................................... 2
1.1. Chấm lượng tử là gì? ...................................................................................2
1.2. Tính chất chấm lượng tử .............................................................................3
1.2.1. Hiệu ứng bề mặt ...............................................................................3
1.2.2. Hiệu ứng giam giữ lượng tử ............................................................3
1.2.2.1. Hệ ba chiều (vật liệu khối) ..................... ............................4
1.2.2.2. Hệ hai chiều (giếng lượng tử) ................. ............................4
1.2.2.3. Hệ một chiều (dây lượng tử) ................... ............................5
1.2.2.4 Hệ không chiều (chấm lượng tử) ............. ............................6
1.2.2.5. Chế độ giam giữ ...................................... ............................7
1.2.3. Tính chất quang của chấm lượng tử ................................................8
2. ổng quan Pin mặt trời chấm lượng tử ............................................................ 11
2.1. Lịch sử và tiềm năng pin mặt trời ở Việt Nam ..........................................11
2.2. Các thế hệ pin mặt trời ..............................................................................13
2.2.1. Thế hệ thứ nhất ..............................................................................13

2.2.2. Thế hệ thứ hai ................................................................................13
2.2.3. Thế hệ thứ ba .................................................................................14
2.2.3.1. PMT dạng nano tinh thể.................................................... 14
2.2.3.2. PMT quang điện hóa ......................................................... 14
2.2.3.3. PMT polymer .................................................................... 14
2.2.3.4. PMT lai hóa giữa tinh thể ................................................. 15
2.3. Các thông số đặc trưng của pin mặt trời....................................................15
2.3.1. Dòng đoản mạch ISC ......................................................................15


2.3.2. Dòng tối ( Idark ) ...........................................................................16
2.3.3. Thế mạch hở ( VOC ) ......................................................................17
2.3.4. Công suất và hệ số lấp đầy của pin mặt trời ..................................17
2.3.5. Hiệu suất của pin mặt trời .............................................................. 19
2.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chấm lượng tử .............19
2.4.1 Cấu tạo pin mặt trời chầm lượng tử ................................................19
2.4.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chấm lượng tử ...................22
2.5. Những ứng dụng của pin mặt trời ............................................................ 22
2.6. Kết luận .................................................................................................... 27
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................28


Mở đầu
Nhu cầu về năng lượng của con người trong thế kỷ 21 là rất lớn. Trong khi đó
các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí đốt thiên nhiên ngày càng cạn kiệt
và được dự đoán sẽ khơng cịn trong khoảng 200 năm tới. Điếu này khiến cho nhân loại
đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng
lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là hướng
vô cùng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng toàn cầu trong thời đại công
nghiệp phát triển vũ bão ngày nay.

Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng sức gió ngày càng
được quan tâm, nhất là trong tình hình thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng của nước ta
trong mùa khô. Năng lượng Mặt trời được xem là rất ưu việt, đó là nguồn năng lượng
sạch và miễn phí. Hiện nay ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới đều có các
trung tâm năng lượng Mặt trời, tuy nhiên ở đây là pin mặt trời vô cơ với quá trình chế
tạo nghiêm ngặt và phức tạp.
Trong thời gian khoảng mười năm trở lại đây các khoa học đã tìm ra cơng nghệ
chế tạo pin mặt trời hữu cơ.Tuy có hiệu suất thấp hơn pin mặt trời vơ cơ nhưng loại pin
mặt trời này có quy trình chế tạo đơn giản và giá thành thấp.Mặt khác loại pin này đang
trong quá trình nghiên cứu nhằm tăng hiệu suất và tuổi thọ của pin.
Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng Mặt trời, trải dào từ vĩ độ 8’’Bắc
đến 23’’ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số
tổng xạ khá lớn từ 100- 175 kcal/cm 2 .năm. Do đó việc sử dụng Năng lượng Mặt trời
của nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế to lớn.

TƠ HỒNG TRƯƠNG

1


1. Tổng quan về chấm lượng tử
1.1. Chấm lượng tử là gì?
Chấm lượng tử (Quantum dots) là những tinh thể nano bán dẫn có kích thước
nhỏ hơn bán kính Bohr, là những hệ khơng chiều có thể giam được điện tử, tạo ra
các mức năng lượng gián đoạn như trong nguyên tử, nên còn được gọi là nguyên tử
nhân tạo. Những tinh thể nano bán dẫn được cấu tạo từ các cặp nguyên tố thuộc
những cặp phân nhóm như: II-VI, III-V, IV-VI, mỗi chấm lượng tử có thể chứa từ
100-1000 nguyên tử (hình 1.1), chẳng hạn như các chấm lượng tử CdS,CdSe,ZnS,
ZnSe…


Hình 1.1: Cấu trúc chấm lượng tử: (a) Cấu trúc của chấm lượng tử CdSe; (b) Chấm lượng
tử có cấu trúc lõi-vỏ bọc CdSe/ZnS

Chấm lượng tử được đặc biệt chú ý do tiềm năng ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh
vực như thơng tin liên lạc, chẩn đốn y học, sản xuất LED, pin mặt trời...Trong
chẩn đoán y học, chấm lượng tử là công cụ kiểm tra tế bào ung thư, theo dõi quá
trình phát triển của chúng. Trong tương lai, chấm lượng tử có thể được kết hợp với
liệu pháp hóa trị để chẩn đốn và điều trị ung thư. Chấm lượng tử cịn có thể sử
dụng làm cực dị trong thiết bị ghi hình ảnh sinh học thay thế cho chất nhuộm hữu
cơ do đặc tính bền hơn, nhờ đó có thể theo dõi q trình phát triển của tế bào trong
thời gian lâu hơn. Đối với cơng nghệ sản xuất LED thì đèn LED chấm lượng tử có
ưu điểm hơn đèn LED truyền thống nhờ khả năng phát xạ ở bất kỳ bước sóng nào
và việc sản xuất đèn LED phát ánh sáng trắng chất lượng tốt cũng có chi phí thấp
hơn đèn LED truyền thống. Trong lĩnh vực pin mặt trời, việc sử dụng chấm lượng
TƠ HỒNG TRƯƠNG

2


tử hiện rất được quan tâm. Trong khi pin mặt trời truyền thống chế tạo bằng vật liệu
bán dẫn có chi phí sản xuất cao, hiệu suất tối đa chỉ khoảng 33% thì pin mặt trời sử
dụng chấm lượng tử theo lý thuyết có thể đạt hiệu suất lên đến 60% với chi phí sản
xuất thấp hơn nhiều so với pin mặt trời truyền thống. Với những đặc tính thú vị của
mình, chấm lượng tử đã và đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà
khoa học trên thế giới, hứa hẹn những ứng dụng của nó sẽ cịn được mở rộng trong
nhiều lĩnh vực cơng nghệ, cuộc sống.
1.2. Tính chất chấm lượng tử
1.2.1. Hiệu ứng bề mặt
Khi vật liệu có kích thước càng nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và
tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng, do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất

khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu, nên khi kích
thước vật liệu giảm đi thì tỉ số diện tích/thể tích tăng đáng kể dẫn đến tính chất
quang điện sẽ khác, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng.
Đối với chấm lượng tử cịn có hiện tượng giam giữ lượng tử;
1.2.2. Hiệu ứng giam giữ lượng tử
Trong vật liệu bán dẫn khối, các điện tử trong vùng dẫn (và các lỗ trống
trong vùng hoá trị) chuyển động tự do trong khắp tinh thể. Do lưỡng tính sóng–hạt,
chuyển động của các hạt tải điện có thể được mơ tả bằng tổ hợp tuyến tính của các
sóng phẳng có bước sóng vào cỡ nano mét, nếu kích thước của khối bán dẫn giảm
xuống, xấp xỉ giá trị của các bước sóng này, thì hạt tải điện bị giam trong khối này
sẽ thể hiện tính chất giống như một hạt chuyển động trong một hộp thế, hệ hạt khi
đó được gọi là hệ bị giam giữ lượng tử.
Dưới đây hiệu ứng giam giữ lượng tử các hạt tải điện khi kích thước của vật
liệu giảm sẽ được xem xét bắt đầu từ một mơ hình điện tử đơn giản trong hệ ba
chiều (vật liệu khối), hệ hai chiều (giếng lượng tử), hệ một chiều (dây lượng tử) và
hệ không chiều (chấm lượng tử).

TƠ HỒNG TRƯƠNG

3


1.2.2.1 Hệ ba chiều ( vật liệu khối)
Trong hệ ba chiều, vật rắn được xem như tinh thể vô hạn theo cả ba chiều x,
y, z, chuyển động của các điện tử được mơ tả bằng tổ hợp tuyến tính của các sóng
phẳng có bước sóng rất nhỏ so với kích thước của vật liệu. Khi đó, năng lượng của
điện tử tự do phụ thuộc vào véctơ sóng k theo hàm parabol; các trạng thái phân bố
gần như liên tục (được biểu thị bằng các điểm trên hình 1.2a) và mật độ trạng thái
phân bố liên tục và tỷ lệ với căn bậc hai của năng lượng E1/2(hình 1.2b):


Hình 1.3(a) Năng lượng của điện tử tự do phụ thuộc vào véctơ sóng k theo hàm parabol;
(b) Mật độ trạng thái tính theo năng lượng đối vớiđiện tử tự do

1.2.2.2 Hệ hai chiều (giếng lượng tử)
Trong hệ hai chiều, các điện tử có thể vẫn chuyển động hồn tồn tự do trong
mặt phẳng x-y, nhưng chuyển động của chúng theo phương z sẽ bị giới hạn. Khi
kích thước của vật rắn theo phương z giảm xuống vào cỡ vài nano mét (nghĩa là
cùng bậc độ lớn với bước sóng De Broglie của hạt tải điện), thì hạt tải điện tự do
trong cấu trúc này sẽ thể hiện tính chất giống như một hạt chuyển động trong giếng
thế V(z), với V(z) = 0 bên trong giếng và V(z)=∞ tại các mặt biên. Vì khơng một
điện tử nào có thể ra khỏi vật rắn theo phương z, nên có thể nói điện tử bị giam
trong giếng thế.
Các điện tử vẫn có thể chuyển động tự do dọc theo các phương x và y, năng
lượng của điện tử tự do phụ thuộc vào kx, ky theo hàm parabol, các trạng thái (được
biểu thị bằng các điểm trên hình 1.3a) phân bố gần như liên tục. Trong khi đó,
TƠ HỒNG TRƯƠNG

4


chuyển động của các điện tử theo phương z bị giới hạn, các điện tử bị giam giữ
trong “hộp”. Chỉ có một số nhất định các trạng thái lượng tử hoá theo phương z
(nz=1,2… ) là được phép. Mật độ trạng thái đối với một trạng thái cho trước không
phụ thuộc vào năng lượng và có dạng hàm bậc thang (hình1.3b).

Hình 1.4.(a) Năng lượng của điện tử tự do phụ thuộc vào véc tơ sóng kx, ky, kz theo hàm
parabol; năng lượng của điện tử chỉ có thể nhận các giá trị gián đoạn ứng với (nz=1,2…)
theo phương z. (b) Mật độ trạng thái g2d (E) hệ hai chiều

1.2.2.3 Hệ một chiều ( dây lượng tử)

Khi kích thước vật rắn co lại theo cả hai chiều y, z ở kích thước vài nanomet
thì các điện tử chỉ có thể chuyển động tự do theo phương x , còn chuyển động của
chúng theo các phương y và z bị giới hạn bởi các mặt biên của vật. Một hệ như thế
được gọi là dây lượng tử.Trong hệ này, các hạt tải điện có thể chuyển động chỉ theo
một chiều và chiếm các trạng thái lượng tử hố ở hai chiều cịn lại. Phân bố các
trạng thái, cũng như phân bố các mức năng lượng tương ứng, theo phương song
song với trục x là liên tục (Hình 1.4a). Trong khi đó, chuyển động của các điện tử
dọc theo hai phương còn lại (phương y và phương z) bị giới hạn và các trạng thái
của chúng có thể tìm được bằng cách giải phương trình Schrưdinger sử dụng mơ
hình “hạt trong hộp thế”. Kết quả là các trạng thái và bị lượng tử hố, nhận các giá
trị gián đoạn (Hình 1.4b).

TƠ HỒNG TRƯƠNG

5


Hình 1.5. (a) Phân bố các mức năng lượng theo phương song song trục kx là liên tục và
dọc theo ky, kz là gián đoạn.(b)Mật độ trạng thái g1d(E) trục kx tỷ lệ
với E-1/ 2. Mỗi đường hyperbol trên hình tương ứng với một trạng thái
(ky, kz) riêng biệt

1.2.2.4 Hệ không chiều ( chấm lượng tử)
Khi các hạt tải điện và các trạng thái kích thích bị giam giữ trong cả ba chiều
thì hệ được gọi là một “chấm lượng tử”. Trong một chấm lượng tử, chuyển động
của các điện tử bị giới hạn trong cả ba chiều (Hình 1.5a), vì thế trong khơng gian k
chỉ tồn tại các trạng thái gián đoạn (kx, ky, kz), mỗi một trạng thái trong khơng gian
k có thể được biểu diễn bằng một điểm (Hình 1.5b). Như vậy, chỉ có các mức năng
lượng gián đoạn là được phép (Hình 1.5c). Các mức năng lượng này có thể được
biểu diễn như các đỉnh δ(delta) trong hàm phân bố một chiều đối với mật độ trạng

thái g0d(E) như đã chỉ ra trên (Hình 1.5d).

TƠ HỒNG TRƯƠNG

6


Hình 1.5. (a) Vật rắn bị co lại trong cả ba chiều.
(b) Vì hiệu ứng giam giữ, tất cả các trạng thái đều là gián đoạn và được biểu diễn bằng
một điểm trong khơng gian k ba chiều.
(c) Chỉ có các mức năng lượng gián đoạn là được phép.
(d) Mật độ trạng thái g0d(E) dọc theo một chiều

1.2.2.5 Chế độ giam giữ
Khi kích thước của chất bán dẫn giảm dần tới mức cỡ gần bán kính Borh
exiton của một cặp điện tử - lỗ trống (a B ) của chất bán dẫn đó thì điện tử trong chất
bán dẫn đó thể hiện ra ngoài là đã bị giam giữ lượng tử.
Trong các nghiên cứu của tác giả Kayanuma, đã phân chia thành các chế độ
giam giữ lượng tử theo kích thước sau:
 Chế độ giam giữ yếu
Trong trường hợp a >> aB, năng lượng liên kết của một exciton, Eex, là lớn
hơn năng lượng lượng tử của cả điện tử và lỗ trống, và phổ quang học của các chấm
lượng tử được xác định bởi giam giữ lượng tử của khối tâm exciton. Năng lượng
trạng thái exciton cơ bản được cho bởi:

TƠ HỒNG TRƯƠNG

7



  Eg  Ex 

2
2Ma 2

(1.1)

Ở đây Eg là năng lượng vùng cấm của bán dẫn và M = me*+ mh*là khối lượng dịch
chuyển của exciton (the exciton translation mass). Trường hợp này gọi là giam giữ
lượng tử yếu và có thể quan sát được trong các tinh thể có kích thước đủ lớn.
 Chế độ giam giữ trung gian
Trường hợp 2aB< a < 4aB, lỗ trống chuyển động trong thế năng trung bình và
được định xứ ở tâm của chấm lượng tử. Phạm vi chuyển động của lỗ trống xung
quanh tâm tinh thể nhỏ hơn rất nhiều so với bán kính của chấm lượng tử và sự phụ
thuộc kích thước của trạng thái exciton cơ bản có thể được mô tả như hành vi của
một donor định xứ tại tâm của chấm lượng tử.
 Chế độ giam giữ mạnh
Trường hợp này tương ứng với các chấm lượng tử nhỏ , khi a << aB. Với các
chấm lượng tử này, phổ quang học có thể được xem xét như phổ của chuyển dời
giữa các mức năng lượng lượng tử phụ thuộc kích thước của điện tử và lỗ trống,
tương tác Coulomb của điện tử và lỗ trống làm giảm năng lượng của các chuyển dời
này một chút. Các quy tắc chọn lọc chi phối các chuyển dời giữa các dải, giữa các
mức lượng tử phụ thuộc vào kích thước của dải dẫn và dải hoá trị, chuyển dời chỉ
được phép giữa các mức có cùng số lượng tử.
1.2.3. Tính chất quang của chấm lượng tử
Chấm lượng tử bán dẫn có những tính chất quang đặc biệt so với bán dẫn
khối. Khi bán kính một hạt nano tiếp cận đến kích thước của bán kính Bohr thì sự
chuyển động của điện tử và lỗ trống bị giam hãm bên trong hạt nano. Trong chế độ
giam giữ mạnh (bán kính của hạt: a << aB – bán kính Bohr của vật liệu khối tương
ứng), một cách gần đúng có thể coi điện tử và lỗ trống chuyển động độc lập và bỏ

qua tương tác Coulomb, dựa vào quy tắc lọc lựa quang, các chuyển dời quang được
phép xảy ra giữa các trạng thái điện tử và lỗ trống có cùng số lượng tử chính n và số
lượng tử quỹ đạo l. Do đó, phổ hấp thụ sẽ bao gồm các dải phổ gián đoạn như (hình

TƠ HỒNG TRƯƠNG

8


1.6) có vị trí cực đại tại năng lượng:
Enl  Eg 

 nl2
2 a 2
2

(1.2)

Như vậy so với bán dẫn khối, bề rộng vùng cấm mở rộng thêm một lượng:
E 

2
2 a 2
2

(1.3)

ΔE được gọi là năng lượng giam giữ lượng tử. Vì lý do này, quang phổ của các
chấm lượng tử trong chế độ giam giữ mạnh thể hiện sự gián đoạn và bị chi phối
mạnh bởi kích thước hạt.


Hình 1.6 mơ tả sơ đồ các mức năng lượng chấm lượng tử

Như vậy, một hệ quả quan trọng của sự giam giữ lượng tử là mở rộng của
năng lượng vùng cấm (dịch phổ về phía sóng ngắn hay thường gọi tắt là dịch về
phía sóng xanh) khi kích thước chấm lượng tử giảm, các mức năng lượng lượng tử
hóa tăng, do đó năng lượng tổng cộng của vùng cấm tăng và gây ra sự dịch xanh
của phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang. Sự phụ thuộc vào kích thước của độ rộng
vùng cấm đã trở thành công cụ hữu hiệu để chế tạo các vật liệu với tính chất quang
mong muốn và khả năng điều khiển các tính chất quang của các chấm lượng tử
(thơng qua kích thước) làm cho chúng có một vị trí quan trọng trong khoa học vật
liệu và các lĩnh vực như vật lý, hóa học, sinh học và ứng dụng kĩ thuật.
Sự giam hãm lượng tử có tác dụng rất lớn hình thành nên tính chất đặc trưng

TƠ HỒNG TRƯƠNG

9


của hệ chấm lượng tử. Do hiệu ứng suy giảm lượng tử mà cả hai phạm vi hấp thụ và
phát xạ của chấm lượng tử đều dịch về phía có năng lượng cao hơn khi kích thước
hạt giảm(hình 1.7).

Hình 1.7a: Phổ hấp thụ của chấm lượng tử với sự thay đổi kích thước hạt

Hình 1.7b: Sự thay đổi màu sắc chấm lượng tử CdSe theo kích thước hạt( dung dịch
chuyển màu từ xanh sang đỏ theo sự tăng dần kích thước hạt)

TƠ HỒNG TRƯƠNG


10


2. Tổng quan Pin mặt trời chấm lượng tử
2.1. Lịch sử và tiềm năng pin mặt trời ở Việt Nam
Năng

lượng

mặt trời đã được sử
dụng từ khi bắt đầu
có sự sống. Từ trước
công

nguyên,

con

người đã biết sử dụng
nhiệt năng từ mặt trời
để tạo ra lửa. Nhưng
với điều kiện
thuật

công

kỹ
nghệ

trước thế kỷ 19, năng

lượng mặt trời hầu như dừng lại ở việc sưởi ấm và làm khô vật dụng.
Đến năm 1883, pin mặt trời đầu tiên được chế tạo bởi Charles Fritts, một nhà
phát minh người Mỹ. Pin mặt trời này được tạo ra bằng cách đặt 1 lớp selenium trên
tấm kim loại sau đó phủ lá vàng lên. Tuy dịng điện sinh ra quá nhỏ để có thể sử
dụng, lĩnh vực pin mặt trời này đã thu hút sự chú ý của một số nhà khoa học và vẫn
tiếp tục được nghiên cứu.
Năm 1954, các nhà khoa học ở phịng thí nghiệm Bell của Mỹ đã phát minh
ra pin mặt trời silicon có hiệu suất 4%, sau đó tăng lên 11%. Pin silicon do phịng
thí nghiệm Bell tạo ra là pin mặt trời đầu tiên có điện năng sinh ra đủ để vận hành
các thiết bị điện thơng thường.
Kể từ đó, pin mặt trời đã được đầu tư nghiên cứu rất nhiều, đặc biệt là sau
khi giá dầu tăng nhanh từ cuối thế kỳ 20.
Ngày nay, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng được quan tâm hàng đầu
để thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Năng lượng mặt trời là
nguồn năng lượng to lớn, hầu như vô tận và đem lại nhiều lợi ích lâu dài: đó là

TƠ HOÀNG TRƯƠNG

11


nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, giảm tác động đến việc
thay đổi khí hậu…
Ở Việt Nam, cường độ chiếu sáng trung bình là 5 kWh/m2/ngày ở phần lớn
các tỉnh miền trung, miền nam, và khoảng 4 kWh/m2/ngày ở các tỉnh phía bắc nên
có tiềm năng rất lớn để phát triển pin mặt trời.
Từ 1975, pin mặt trời đã được nghiên cứu ở Viện vật lý. Năm 1976, pin mặt
trời đầu tiên được tạo ra trên lớp đơn tinh thể sillicon tại phòng nghiên cứu quang
điện của Trung tâm Nghiên cứu và Sử dụng Năng lượng mặt trời tại TP.HCM
(CERES) thuộc Viện Khoa học Việt Nam . Trong hơn 20 năm qua, nhiều loại pin

mặt trời khác đã được phát triển ở Viện khoa học và công nghệ Việt nam, ví dụ như:
Pin mặt trời đơn tinh thể silic, pin mặt trời polysilicon, pin mặt trời silic vơ định
hình, … Ngồi ra cịn có các dự án nghiên cứu về pin mặt trời chất màu nhạy quang
như đề tài trọng điểm ĐHQG TP HCM “Pin quang điện hóa trên cơ sở tinh thể nano
dioxit titan tẩm chất nhạy quang” do PGS. TS Nguyễn Thị Phương Thoa chủ nhiệm
được ĐHQG TP HCM đầu tư kinh phí, đề tài “ Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời trên
cơ sở vật liệu TiO2 và chất màu cơ kim” do TS. Nguyễn Thanh Lộc và TS. Nguyễn
Thế Vinh chủ nhiệm do Sở KHCN TPHCM quản lý…Đây được xem như là những
hướng phát triển mới cho pin mặt trời ở Việt Nam.
Trong đời sống, hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời cho gia đình bắt đầu
xuất hiện năm 1990 và phát triển dần dần. 1999, nhà máy điện mặt trời đầu tiên
được xây dựng ở Gia Lai do sự hợp tác của Tổ chức phát triển công nghệ- năng
lượng mới của Nhật Bản và Bộ khoa học công nghệ và môi trường Việt Nam. Năm
2009, Red Sun- công ty đầu tiên sản xuất pin mặt trời ở Việt nam- được xây dựng ở
Long An với công suất hằng năm 3-5 MWp. Ngồi ra có những cơng ty rất quan
tâm đến việc phát triển điện mặt trời và đã lên các dự án như : hệ thống mái nhà
điện mặt trời, hệ thống điện mặt trời resort ven biển ( tập đoàn Tuấn Ân), dự án thắp
sáng công cộng với năng lượng mặt trời ( tập đồn Kim Đỉnh)…Tuy số cơng ty đầu
tư hoạt động trong lĩnh vực năng lượng mặt trời vẫn cịn q ít so với tiềm năng của

TƠ HỒNG TRƯƠNG

12


nước ta, những dự án trên là tín hiệu tích cực cho nền công nghiệp năng lượng Việt
Nam.
2.2. Các thế hệ pin mặt trời
Chấm lượng tử có rất nhiều ứng dụng như: làm chất đánh dấu trong sensor
sinh học, nhận diện tế bào ung thư, làm đèn Led, pin mặt trời…Trong đề tài này, em

tìm hiểu những tính chất của chấm lượng tử ứng dụng trong pin mặt trời. Do đó,
phần này em xin trình bày một số tổng quan về pin mặt trời và các thông số đặc
trưng cho pin.
2.2.1. Thế hệ thứ nhất
Pin mặt trời có dạng khối, đơn tinh thể silic (pin mặt trời kiểu truyền thống)
với hiệu suất lý thuyết tối đa là 31%. Hiện nay phần lớn các pin mặt trời xuất hiện
trên thị trường vẫn là thế hệ pin mặt trời thứ nhất dùng silic đơn tinh thể với hiệu
suất 18%. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của giáo sư Martin Green (University of
New South Wales, Úc) hiện nay đã đạt kỷ lục 24.7% (trong phịng thí nghiệm).
Ưu điểm của pin này là phạm vi phổ hấp thụ rộng, độ linh động hạt tải cao.
Tuy nhiên, đòi hỏi kỹ thuật lắp đặt ,độ nguyên chất của silic phải gần như tuyệt đối,
giá thành đắt.
2.2.2. Thế hệ thứ hai
Pin mặt trời được chế tạo theo công nghệ màng mỏng, các loại vật liệu tạo
thành phong phú hơn như silic đa tinh thể, vơ định hình, CdTe, các loại hợp kim của
CIGS (gồm đồng, indium, gallium và selen) và các loại bán dẫn màng mỏng khác.
Ưu điểm của thế hệ pin mặt trời thứ hai là chi phí chế tạo ít tốn kém, lắp đặt đơn
giản hơn. Hiệu suất đạt khoảng 12-15%.
Dạng silic vơ định hình giá rẻ, có thể tạo thành những màng mỏng vừa ít tốn
kém nhiên liệu vừa có khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời 40 lần cao hơn silic
đơn tinh thể. Tuy nhiên , vì bản chất vơ định hình (điện tử di động khó khăn hơn

TƠ HỒNG TRƯƠNG

13


nhiều so với điện tử trong tinh thể) nên hiệu suất chuyển hoán thành điện chỉ bằng
phân nửa hiệu suất của silic đơn tinh thể. Các chất bán dẫn như indium galium
dislenide đồng và cadimium telluride có giá rẻ hơn rất nhiều so với silic đơn phân

tử, tuy nhiên do có khuyết tật cấu trúc nên hiệu suất khơng cao.
2.2.3. Thế hệ thứ ba
Thế hệ pin mặt trời này rất khác so với các thế hệ trước, không dựa vào lớp
chuyển tiếp p-n truyền thống . Thế hệ pin mặt trời này bao gồm: pin mặt trời dạng
nano tinh thể, pin mặt trời quang -điện –hóa, pin mặt trời chất màu nhạy quang, pin
mặt trời hữu cơ.
2.2.3.1 PMT dạng nano tinh thể
Các tế bào năng lượng mặt trời dựa trên nền silic với một lớp phủ các nano
tinh thể (các hạt nhỏ tinh thể nano hay các chấm lượng tử) như hạt bán dẫn PbSe,
CdTe, PbS.
2.2.3.2 PMT quang điện hóa (PEC)
Gồm một anode quang bán dẫn và một cathode kim loại được nhúng trong
4-

3-

dung dịch điện phân (K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6; I/I3; Fe(CN)6 /Fe(CN)6 ;muối
sulphide/sulphur). Q trình phân ly điện tích được thực hiện bởi chất bán dẫn và
chất điện phân. Thế hệ pin mặt trời này có ưu điểm lớn là giá thành rẻ hơn hẳn hai
thế hệ trước, việc lắp đặt và vận chuyển dễ dàng, kích thước và hình dạng của hệ rất
phong phú, có thể tùy chỉnh theo nhu cầu sử dụng. Tuy nhiên, hiệu suất thường
không cao và q trình chế tạo có thể gây ơ nhiễm mơi trường.
2.2.3.3 PMT polymer
Nguyên tắc chính là sự di chuyển điện tử từ một polymer/ phân tử cho điện tử
(electron donor) đến một polymer/phân tử nhận electron (electron acceptor), sự di
chuyển điện tử sẽ tạo thành dòng điện. Hiệu suất hiện nay khoảng 5-6%. Một trong
những pin mặt trời hữu cơ là pin mặt trời polymer-fullerene (C60: polymer là các

TƠ HỒNG TRƯƠNG


14


polymer liên hợp (-C=C-C=C-) như polyacetylene (PA), polypyrrole (PPy),
polyaniline (PAn)…, khi nối với các chất thêm vào (dopant) sẽ trở thành polymer
dẫn điện. Khi bị quang tử của ánh sáng mặt trời kích thích, polymer liên hợp
“phóng thích” các điện tử π và để lại nhiều lỗ trống trên mạch polymer, vì vậy
polymer được gọi là vật liệu loại p. Ngược lại, fullerene là vật liệu nhận điện tử rất
hiệu quả. Sau khi nhận điện tử fullerene mang điện tích âm nên được gọi là vật liệu
loại n.
2.2.3.4 PMT lai hóa giữa tinh thể nano/hữu cơ
Pin mặt trời lai hóa giữa tinh thể nano/hữu cơ là sự kết hợp của tinh thể nano
và hợp chất polymer .Pin mặt trời này cải thiện được hiệu suất hơn và thân thiện với
môi trường hơn.
Nguyên tắc hoạt động: polymer (P3HT-poly(3-hexylthiophene)) hấp thụ
photon của ánh sáng chiếu tới kích thích electron từ vùng cơ bản chuyển lên vùng
kích thích. Do mức năng lượng ở vùng kích thích của polymer cao hơn đáy vùng
dẫn của TiO2nên các electron sẽ chuyển từ phân tử polymer sang lớp TiO2và
khuếch tán ra lớp điện cực, còn polymer (PEDOT:PS) dẫn lỗ trống ra điện cực đối.
Dòng điện được sinh ra đi qua tải và trở lại kết hợp với lỗ trống, kết thúc một tiến
trình tuần hồn.
2.3. Các thơng số đặc trưng của pin mặt trời
Pin mặt trời là một hay một số thiết bị được thiết kế để chuyển đổi quang
năng thành điện năng một cách trực tiếp. Nền tảng của pin mặt trời là các tế bào mặt
trời (SC) hoạt động dựa vào hiệu ứng quang điện trong.
2.3.1. òng đoản mạch ISC
Dòng đoản mạch là dòng của hạt tải thiểu số bên trong pin mặt trời, hay là
dòng quang điện. Dòng đoản mạch phụ thuộc vào ánh sáng kích thích và bản thân
vật liệu làm pin mặt trời. Ta có cơng thức xác định mật độ dịng đoản mạch:
I SC  q  bs  E  QE  E dE


TƠ HỒNG TRƯƠNG

(2.1)

15


Trong đó, ISC là mật độ dịng đoản mạch, q là điện tích ngun tố, bs(E) là
mật độ quang thơng của ánh sáng kích thích, QE(E) là hiệu suất lượng tử của pin
mặt trời đó là xác suất mà một photon chiếu tới có khả năng sinh ra một electron
cho mạch ngồi, dE là năng lượng của photon kích thích tính trên một đơn vị diện
tích trong một đơn vị thời gian.
Pin mặt trời có hiệu suất cao tương ứng với ISC có giá trị lớn, ISC đạt giá trị
cực đại khi thế ra của pin mặt trời bằng 0 tương ứng trường hợp pin chưa nối với
mạch ngoài. Trong các giá trị ở công thức (2.1), ta thấy yếu tố quyết định làm thay
đổi hiệu suất của pin chính là hiệu suất lượng tử QE(E) và mật độ quang thơng bS.
Do đó cần phải lựa chọn vật liệu thích hợp làm pin, lựa chọn vị trí thích hợp để lắp
ráp pin mặt trời trong thực tế và hình dạng của pin mặt trời phải được tính tốn sao
cho QE(E) và bS đạt giá trị tối ưu.
2.3.2. Dòng tối ( Idark )
Nối pin với mạch ngồi có tải, khi khơng chiếu sáng vẫn có một sự chênh
lệch rất nhỏ về điện tích ở hai đầu pin do có một số lượng nhỏ hạt tải được sinh ra
do chuyển động nhiệt, điều này tạo ra ở mạch ngồi một dịng điện gọi là dịng tối
Idark. Mật độ dịng tối được tính theo công thức:
 KqVT

I dark V   I 0  e B  1






(2.2)

Trong đó: I0 là hằng số, V là thế ra của pin, kBlà hằng số Boltzmann, T là
nhiệt độ tuyệt đối.
Ta thấy dòng tối ngược chiều với dịng đoản mạch, do đó ta đưa vào giá trị
mật độ tổng cộng I và được xác định như sau:
I  I SC  I dark  I SC

TÔ HOÀNG TRƯƠNG

 KqVT

 I 0  e B  1





(2.3)

16


2.3.3. Thế mạch hở ( VOC )
Khi nối pin với mạch ngồi (có tải) và chiếu sáng, sự chênh lệch nồng độ hạt
tải rất lớn ở hai đầu của pin (electron phía n và lỗ trống phía p) sẽ khiến thế ra V
tăng lên dần, khi thế V đạt cực đại, người ta gọi nó là thế mạch hở, ký hiệu là VOCvà

được xác định theo công thức:
VOC 


KT  I SC
ln 
 1
q
 I0


(2.4)

Khi V=VOC thế (2.4) vào (2.2) ta có:
I dark

 IISC 1 
 I 0  e 0  1  I SC





(2.5)

Từ (2.5) ta rút ra kết luận: Khi V = VOC thì ISC= Idark, suy ra mật độ dòng tổng
cộng I = ISC– Idark= 0. Lúc này mạch ngồi khơng cịn dịng hạt tải nào, điều này
giống như việc ta áp pin vào một mạch điện bị hở và đo thế ra của pin.
2.3.4. Công suất và hệ số lấp đầy của pin mặt trời
Công suất của pin mặt trời được xác định theo công thức:

P  V .I

(2.6)

Trong đó: I nhận giá trị từ 0 đến ISC, V nhận các giá trị từ 0 đến VOC.
Khi I = 0, ta có V = VOC và khi V = 0, ta có I = ISC. Tại hai giá trị này ta có P =0.
Biểu diễn P trên đặc tuyến I-V của pin thể hiện qua hình.

TƠ HỒNG TRƯƠNG

17


Hình 2.1 Đường đặc tuyến I-V và đồ thị biểu diễn công suất của pin

Hệ số lấp đầy FF là thương số của công suất cực đại PMAX của pin mặt trời
với tích VOC và ISC:
FF 

I MPVMP
I SCVOC

(2.7)

Hình 2.2 Hệ số lấp đầy thể hiện qua đồ thị biểu diễn đường I-V

Trong đồ thị biểu diễn đường I-V ( hình 2.2), có thể hiểu hệ số lấp đầy là tỉ
số giữa diện tích hình chữ nhật tạo bởi điểm có cơng suất cực đại trên thực tế P max
và hình chữ nhật tạo bởi điểm có cơng suất cực đại trên lý thuyết PT.
Hệ số lấp đầy miêu tả chất lượng của pin mặt trời. Giá trị lý tưởng của hệ số

lấp đầy là bằng 1. Trong trường hợp này mọi điện tử sinh ra do hấp thụ photon đều
trở thành điện tử dẫn và khơng có mất mát dịng điện do điện trở. Thực tế hệ số lấp
TƠ HOÀNG TRƯƠNG

18


đầy thường có giá trị trong khoảng 0,5-0,8.
2.3.5. Hiệu suất của pin mặt trời
Hiệu suất của SC, ký hiệu là η, được tính theo cơng thức:


I V
I MPVMP
 FF SC OC
PIn
PIn

(2.8)

Trong đó: PIn là cơng suất ánh sáng chiếu tới, đặc trưng cho sự tán xạ hạt tải trong
suốt quá trình hoạt động của pin.
Trong các thơng số làm việc của pin mặt trời, bốn thông số quan trọng quyết
định tính chất của pin là; dịng đoản mạch ISC, thế mạch hở VOC, hệ số lấp đầy FF,
và hiệu suất pin η.
2.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chấm lượng tử
Pin mặt trời chấm lượng tử (QDSC) có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
tương tự như pin mặt trời chất màu nhạy quang (DSC). Điểm khác nhau giữa 2 loại
pin này là ở chất nhạy quang. Trong khi DSC dùng các phân tử chất màu như phức
chất của kim loại chuyển tiếp như Ru, Os, Fe với các phối tử dị vòng như pyridine

hay polypyridine 2 càng, 3 càng, đa càng để hấp thụ ánh sáng thì pin QDSC dùng
chấm lượng tử bán dẫn.
2.4.1 Cấu tạo pin mặt trời chầm lượng tử
Cấu tạo của một pin mặt trời chấm lượng tử (QDSC) bao gồm các thành
phần: Anode quang, dung dịch chất điện ly, cathode, được mơ tả như hình 2.3.

TƠ HỒNG TRƯƠNG

19


Hình 2.3 Cấu trúc pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang

 Anode quang
Thành phần được xem là quan trọng nhất trong một pin mặt trời chấm lượng
tử là anode quang, vì nó ảnh hưởng tới các thơng số của pin như: thế mạch hở VOC,
dòng ngắn mạch ISC, hệ số lấp đầy FF, hiệu suất pin. Cấu tạo của một anode quang
bao gồm màng dẫn điện trong suốt (TCO – transparent conducting oxides, thường là
thiết pha tạp Fluor (FTO) hoặc pha tạp Indium (ITO)). Trên màng dẫn điện trong
suốt này được phủ một lớp vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm rộng như
TiO2, ZnO, SnO2,…và được thiêu kết thành mạng lưới có khả năng vận chuyển điện
tử, thường là sử dụng Titan dioxit (TiO2) pha anatas, vì TiO2 có năng lượng vùng
cấm khá lớn khoảng 3.2 eV có thể hấp thụ một dãy sóng dài từ vùng khả kiến đến tử
ngoại rất thích hợp để ứng dụng làm pin. Chấm lượng tử (QDs) được hấp phụ trên
màng TiO2 để đóng vai trị là nguồn hấp thụ photon từ ánh sáng mặt trời và sau đó
chuyển đổi thành điện tử.
 Cathode
Điện cực cathode là một lớp màng mỏng Pt được phủ trên đế thủy tinh dẫn
TCO. Pt được bết tới là chất xúc tác hoạt tính mạnh dẫn điện trên điện cực đối.


TƠ HỒNG TRƯƠNG

20