Các loại vật liệu hữu cơ dùng trong pin mặt trời

Các loại vật liệu hữu cơ dùng trong pin mặt trời Pin mặt trời đang là một xu hướng năng lượng sạch trong tương lai không xa mà thế giới đang hướng tới. Để có thể triển khai rộng rãi kiểu năng lượng mới này, đòi hỏi một công nghệ mới nhằm giảm chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm. Nếu như pin mặt trời vô cơ cho hiệu suất khá cao nhưng lại gặp phải một số thách thức như công nghệ sản xuất phức tạp, dẫn đến giá thành pin cao, thì pin mặt trời dựa trên vật liệu hữu cơ lại giải quyết được vấn đề đó. Theo Petritsch, dựa vào tính chất cơ học và quá trình xử lý, các vật liệu bán dẫn hữu cơ dùng cho pin mặt trời có thể chia thành 3 loại chính: các chất không hòa tan, các chất hòa tan và tinh thể dạng lỏng. Dựa vào cấu trúc phân tử thì chúng còn được phân loại cụ thể hơn thành: oligome, monome, polyme. Các oligome và monome mà hấp thụ ánh sáng khả kiến còn được gọi là các chromophore, những chất có khả năng hòa tan được gọi dye (chất màu), còn không hòa tan được gọi là pigment. Hình 1: Sự phân loại bán dẫn hữu cơ theo tính chất cơ học và tính chất quá trình xử lý chúng 1. Pigment Hình 2 là các ví dụ tiêu biểu về các pigment quang điện. Trong đó perylen, axit perylentetracacboxylic diimit, phtalocyanin hoặc phtalocyanin kim loại, tạo cấu trúc khung cho nhiều phân tử được dùng trong pin mặt trời trên cơ sở chất màu gần đây. Fulleren (C60) và pentacen không tan trong hầu hết các dung môi, nên cũng được xem như là các pigment. Hình 2: Cấu trúc phân tử của các pigment được dùng cho pin mặt trời có hiệu suất cao. 2. Dye Để tạo các pin mặt trời dựa trên pigment yêu cầu phải lắng đọng các lớp hữu cơ bằng phương pháp hóa hơi chân không. Đây là phương pháp mất nhiều thời gian và phức tạp, đồng thời cũng không thể triển khai sản xuất với lượng nguyên liệu lớn trên bề mặt lớn. Thật may mắn rằng, có thể tổng hợp các pigment có khả năng hòa tan bằng cách thêm các mạch nhánh thích hợp vào phân tử, như đối với axit perylentetracacboxylic diimit và phtalocyanin. Cách này cũng hòa tan được các dẫn xuất fulleren như PCBM (hình 3). Hình 3: Một số polyme liên hợp phổ biến và các đại phân tử được dùng trong pin mặt trời hữu cơ 3. Polyme Tùy thuộc vào cấu trúc phân tử mà các polyme về có thể tan, không tan hay tinh thể lỏng, và đóng vai trò là chất cho hoặc nhận điện tử trong pin mặt trời. Hình 3 là cấu trúc phân tử của một số polyme bán dẫn. Trong đó, fulleren có vai trò là chất nhận điện tử và dẫn xuất PCBM có khả năng hòa tan, được dùng nhiều trong chế tạo pin mặt trời. 4. Tinh thể lỏng (liquid crystals) Các tinh thể lỏng chỉ mới xuất hiện gần đây như một loại vật liệu dùng cho pin mặt trời hữu cơ. Với loại này, các phần tử mang điện có độ linh động cao và độ dài khuyếch tán exciton lớn, điều này rất thuận lợi cho hoạt động của pin. Ở một khoảng nhiệt độ nào đó, tinh thể lỏng này có những tính chất nằm giữa chất rắn và chất lỏng. Các phân tử tinh thể lỏng có xu hướng sắp xếp theo một cấu trúc có trật tự giống như các tinh thể rắn nhưng lại có tính chất cơ học của chất lỏng