Điện cực trong suốt dẫn điện (Transparent conductive electrodes -TCE) là thành phần quan trọng của rất nhiều linh kiện quang điện tử như pin mặt trời, điốt phát quang, đầu thu quang, vv... TCE được sử dụng nhiều nhất hiện nay dựa trên nền tảng màng indium tin oxide (ITO) do vật liệu này có các đặc trưng ưu việt như điện trở thấp, độ truyền qua cao và công thoát lý tưởng. Tuy nhiên, việc sử dụng màng ITO đang gặp phải một số giới hạn như: giá thành cao, độ truyền qua bị giới hạn, giòn dễ gãy và nhạy cảm với môi trường axit.

Nhận thấy việc nghiên cứu chế tạo các vật liệu điện cực mới với sự ổn định, độ truyền qua cao, độ dẫn điện cao, mềm dẻo, nhẹ, vv... là một trong những hướng nghiên cứu rất cần thiết. Vì vậy, từ tháng 4/2017 đến tháng 4/2019 Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giao đề tài “Nghiên cứu chế tạo điện cực trên cơ sở vật liệu graphene/CNTs định hướng ứng dụng trong các linh kiện quang điện tử”, mã số VAST.CTVL.05/17-18 cho Viện Khoa học vật liệu chủ trì, do TS. Nguyễn Văn Chúc làm chủ nhiệm.

Sau 2 năm thực hiện đề tài đã tổng hợp thành công màng mỏng dẫn điện tổ hợp DWCNTs/PEDOT:PSS phủ trên đế thủy tinh. Kết quả phân tích cho thấy mẫu DWCNTs/PEDOT:PSS/thủy tinh với DWCNTs được phân tán trong dung môi ethanol cho kết quả tốt nhất với chiều dày lớp màng ~ 50 nm, độ truyền qua đạt 80% tại bước sóng 550 nm và điện trở ~ 14,5 Ω/; vật liệu tổ hợp graphene/DWCNTs. Kết quả phân tích cho thấy mẫu graphene/DWCNTs/PEDOT:PSS/thủy tinh với màng graphene/DWCNTs được tổng hợp bằng phương pháp lắng đọng hóa học pha hơi (CVD) nhiệt có điện trở thấp đạt ~ 790 Ω/□ với độ truyền qua đạt trên 80 % tại bước sóng 550 nm; vật liệu tổ hợp graphene/CNTs/PEDOT:PSS. Kết quả đo điện trở cho thấy, với cùng chiều dày lớp màng khoảng 50-60 nm, mẫu vật liệu graphene/DWCNTs/PEDOT:PSS có điện trở suất nhỏ hơn so với mẫu graphene/SWCNTs/PEDOT:PSS và graphene/MWCNTs/PEDOT:PSS. Đặc biệt, với cùng tỷ lệ CNTs: graphene = 10:1, điện trở của mẫu graphene/DWCNTs/PEDOT:PSS đạt giá trị ~65 Ω/□, thấp hơn điện trở của mẫu graphene/SWCNTs/PEDOT:PSS (~75 Ω/□) và của mẫu graphene/MWCNTs/PEDOT:PSS (~ 92 Ω/□). Độ truyền qua của các mẫu đạt trên 80% tại bước sóng 550 nm.

Thử nghiệm và so sánh hệ số điền đầy (FF), hiệu suất chuyển đổi () của pin mặt trời trên đế silic (Si) sử dụng màng tổ hợp vật liệu DWCNTs/PEDOT:PSS với vật liệu DWCNTs được phân tán trong 3 loại dung môi khác nhau: isopropanol, aceton và ethanol. Kết quả bước đầu cho thấy pin mặt trời sử dụng màng PEDOT:PSS/DWCNTs với DWCNTs được phân tán trong dung môi ethanol cho giá trị lớn nhất với FF đạt 68% và  đạt 5,35%. Với kết quả này có thể khẳng định rằng dung môi ethanol không những đã cải thiện khả năng phân tán đồng đều DWCNTs mà còn cải thiện khả năng bám dính và phủ kín đều vật liệu PEDOT:PSS/DWCNTs lên trên bề mặt đế điện cực, từ đó có thể đã giúp cải thiện quá trình khuếch tán và tái hợp giữa điện tử và lỗ trống tại lớp tiếp giáp giữa đế Si loại n và vật liệu PEDOT:PSS/DWCNTs (loại p).

Ngoài các kết quả đạt đã đạt được, đề tài đã công bố 02 bài báo trên tạp chí thuộc danh mục ISI, 01 bài báo trên tạp chí quốc gia; 03 bài báo trên kỷ yếu hội nghị khoa học trong nước; hỗ trợ đào tạo 01 tiến sĩ, 01 thạc sĩ và 02 cử nhân.

Nguồn tin: TS. Nguyễn Văn Chúc - Viện Khoa học vật liệu