Nguyên nhân khiến pin mặt trời polymer bậc ba có hiệu suất và độ ổn định cao

Các pin mặt trời polymer bậc ba cho thấy có hiệu suất chuyển đổi năng lượng rất hiệu quả, nhưng chưa hoàn toàn rõ nguyên nhân. Một nhóm nhà khoa học thuộc Đại học Tsukuba và Đại học Hiroshima, Nhật Bản đã nghiên cứu kỹ lưỡng các PSC đang hoạt động. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Điện tử Linh hoạt.

PSC thường chứa một vật liệu là chất bán dẫn loại p, được trộn với một vật liệu là chất bán dẫn loại n. Pha trộn này là sự kết hợp phù hợp của các hạt mang điện tích - lỗ trống và electron, tạo ra dòng điện khi ánh sáng mặt trời chiếu vào tế bào pin.

Sự kết hợp của hai thành phần này được gọi là PSC nhị phân. Nhưng gần đây các nhà khoa học phát hiện được, thêm một thành phần bổ sung vào hỗn hợp sẽ tạo ra Pin mặt trời polymer (PSC) bậc ba, tăng cường hiệu suất chuyển đổi năng lượng (PCE) và độ ổn định của pin mặt trời. Nhưng chưa có công trình nghiên cứu nào được tiến hành.

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành đo bằng Quang phổ cộng hưởng spin điện tử (ESR) trong khi PSC đang hoạt động. Phương pháp này giúp các nhà khoa học có thể quan sát hoạt động của các electron và lỗ trống khi tế bào pin được chiếu xạ bằng ánh sáng mặt trời và phát hiện được nguyên lý hoạt động của pin ở cấp độ phân tử .

Tác giả nghiên cứu, GS Itaru Osaka và GS Kazuhiro Marumoto cho biết, những thử nghiệm thực tế cho thấy, sự tích tụ điện tích theo thời gian khiến cho hiệu suất của các tế bào pin mặt trời polymer suy giảm.

Trong khi các hệ thống pha trộn nhị phân, vật liệu loại p và vật liệu loại n được trộn với nhau để tạo thành một lớp quang hoạt trung tâm của PSC, các hệ thống pha trộn bậc ba có thể tạo ra điện hiệu quả bằng cách thêm vật liệu thành phần thứ ba loại n cho hệ thống trộn nhị phân, tăng cường hiệu suất chuyển đổi công suất (PCE).

Nhóm nghiên cứu sử dụng ESR để xem xét một hệ thống PSC, tạo thành từ polymer PTzBT (loại p) và chất nhận fullerene phân tử lớn PC61BM (loại n).

Được biết, nếu thêm một phân tử chất nhận phi fullerene (loại n), được gọi là ITIC vào hệ thống sẽ gia tăng chỉ số PCE và sự ổn định của tế bào pin. Do đó các nhà khoa học đã nghiên cứu kỹ các PSC có và không có ITIC để xác định nguyên nhân.

Thực nghiệm quang phổ ESR cho thấy, dòng điện ngắn mạch suy giảm do sự tích tụ của các điện tử trong PC61BM và các lỗ trống trong PTzBT. Thêm ITIC sẽ làm giảm sự tích tụ này bằng việc tăng cường định hướng cho các phân tử polymer PTzBT dạng chuỗi trong lớp quang hoạt, tăng hiệu suất và độ ổn định.

Thí nghiệm này cho thấy bức tranh cấp độ phân tử về tác động của ITIC trên một hệ thống PSC tiềm năng, giải thích cơ chế tăng cường độ ổn định, mối tương quan giữa tích tụ ít điện tích hơn và độ ổn định cao hơn, giúp cho sự phát triển các pin mặt trời polymer hiệu quả và ổn định hơn để có thể đưa vào thực tế sử dụng.