(LUẬN VĂN THẠC SĨ) Chế tạo và nghiên cứu tính chất của màng mỏng TiO2 cấu trúc nano ứng dụng cho điện cực pin mặt trời quang - điện – hóa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN HIẾU CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MÀNG MỎNG TiO2 CẤU TRÚC NANO ỨNG DỤNG CHO ĐIỆN CỰC PIN MẶT TRỜI QUANG – ĐIỆN - HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO HÀ NỘI – 2014 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN HIẾU CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MÀNG MỎNG TiO2 CẤU TRÚC NANO ỨNG DỤNG CHO ĐIỆN CỰC PIN MẶT TRỜI QUANG – ĐIỆN - HÓA Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện Nano Mã số: Chương trình đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ CHÍNH QUY Người hướng dẫn khoa học: TS Ngô Quang Minh HÀ NỘI - 2014 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CẢM ƠN Luận văn hồn thành Phịng Vật liệu Ứng dụng quang sợi – Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, hướng dẫn TS Ngô Quang Minh Đầu tiên xin bày tỏ n iết ơn sâu sắc tới TS Ngơ Quang Minh, n ười thầy dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu giúp tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn thầy cô giáo, anh chị bạn học Khoa Vật lý kỹ thuật – Trườn Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội, tận tình giảng dạy bảo cho suốt nhữn năm học qua Tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất thầy/cô anh/chị phòng Vật liệu Ứng dụng quang sợi, nhữn n ười nhiệt tình đón óp ý kiến iúp đỡ tơi q trình nghiên cứu Luận văn hoàn thành với hỗ trợ kinh phí từ đề tài Nghiên cứu khoa học tự nhiên (NAFOSTED) mã số 103.03-2013.01 Cuối cùn , xin cảm ơn ạn è n ười thân tạo điều kiện iúp đỡ trình học tập nghiên cứu Hà Nội, ngày 29 tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Văn Hiếu TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan trình n hiên cứu riên hướn dẫn TS N ô Quan Minh Các kết quả, số iệu tron uận văn trun thực chưa côn ố tron ất kỳ trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Văn Hiếu TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỤC LỤC Trang V T TẮT V Ả ỂU MỞ ĐẦU ƢƠ 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ÔXIT TITAN VÀ PIN MẶT TRỜI QU Đ ỆN HÓA (PEC) ấ ậ ô (TiO2) 1.1.1 Tính chất chung TiO2 1.1.2 Các pha TiO2 1.1.2.1 Pha rutile 1.1.2.2 Pha anatase 1.1.2.3 Pha brookite 1.1.2.4 So sánh cấu trúc dẫn tới tính chất pha rutile pha anatase 1.1.3 Tính chất điện TiO2 10 1.1.4 Tính chất quang TiO2 11 1.1.4.1 Chiết suất màng mỏng TiO2 pha anatase TiO2 pha rutile 12 1.1.4.2 Sự liên hệ độ phản xạ R, độ truyền qua T chiết suất n 13 1.1.5 Ứng dụng TiO2 làm điện cực thu điện tử pin mặt trời DSSC 14 1.2 Vậ T Vật liệu Ti 15 2 pha tạp kim loại 15 2 iệu ứn plasmonic 16 1.2.3 Lớp tiếp xúc kim loại - bán dẫn hình thành tổ hợp nan kim loại:TiO2 17 1.3 Pin mặt trờ q đ n hóa (PEC) 19 1.3.1 Cấu tạo pin mặt trời quan điện hóa dạng DSSC 20 1.3.2 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời quan điện hóa dạng DSSC 22 1.3.3 Một số đặc trƣn pin mặt trời 24 i TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ƢƠ TRÚ 2: T ỰC NGHIỆM CH TẠO MÀNG MỎNG ƠXÍT TITAN CẤU Ơ VÀ Á P ƢƠ P ÁP P Â TÍ 26 ƣơ Cá ế t o màng mỏng 26 1 Phƣơn pháp phún xạ catốt (sputtering) 26 2.1.1.1 Nguyên lý trình chế tạo vật liệu bằn phƣơn pháp phún xạ catốt 26 1 Phƣơn pháp phún xạ cao tần (RF) 27 2 Phƣơn pháp quay phủ li tâm (spincoating) 28 Phƣơn pháp oxy hóa nhiệt 29 2 Cá ƣơ â 29 2 Phƣơn pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) 29 2 Phƣơn pháp nhiễu xạ tia X 31 2 Đo phổ hấp thụ 33 2 Đo đặc trƣn T ự -V 34 34 2.3.1 Thiết bị ụn cụ th n hiệm 34 a ệ thiết ị phún xạ cao tần mini – sputter ULVAC 34 ủ nhiệt 34 c áy quay phủ li t m spincoat r 3-8 34 ác ụn cụ cần thiết khác 34 2.3.2 Thực nghiệm chế tạo màng mỏng TiO2 34 2.3.2.1 Chế tạo màng mỏng Ti bằn phƣơn pháp phún xạ (sputtering) 35 2.3.2.2 Chế tạo màng mỏng TiO2 phƣơn pháp xy hóa nhiệt 37 2.3.3 Chế tạo tổ hợp nanô Au:TiO2 39 hế tạo tổ hợp nan :TiO2 40 ƢƠ 3: Ê ỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QU , Đ ỆN CỦA MÀNG MỎNG ƠXÍT TITAN 41 3.1 Phân tích ảnh hiể ế q ả â đ n tử quét FE-SEM 41 ả đ 43 ii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3 Ảnh hƣởn c n suất phún xạ tới tính chất quang màng mỏng TiO2 45 3.3.2 Ảnh hƣởng thời gian phún xạ tới tính chất quang màng mỏng TiO2 46 3.3.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ xử l tới tính chất quang màng mỏng TiO2 48 3.3.4 Ảnh hƣởng thời gian xử lý nhiệt tới tính chất quang màng mỏng TiO2 49 ặ ƣ ƢƠ I-V ỏ T 50 4: Ê ỨU TÍ ẤT QU ,ĐỆ Ủ TỔ P Ơ Ạ QÚY:ƠXÍT TITAN 52 ặ để ấ ấ q :TiO2 52 -đ T nh chất quan tổ hợp nan 2 T nh chất điện tổ hợp nan ặ để ấ :TiO2 53 u:TiO2 53 u:TiO2 55 :TiO2 56 Đặc điểm h nh thái h c tổ hợp nan ấu trúc tổ hợp nan T ấ q :TiO2 56 :TiO2 57 -đ :TiO2 58 4 T nh chất quan tổ hợp nan 4 T nh chất điện tổ hợp nan :TiO2 58 :TiO2 60 T UẬ 62 TÀ ỆU T Ả T V ỆT: 63 TÀ ỆU T Ả T : 63 T QUẢ Ô Ố, Á Á , T Ả 66 iii TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Cá ữ ế ắ CVD: Lắn đ n pha hóa h c Dye: Chất (nhạy) nhuộm mầu DSSC: Pin mặt trời dùng chất nhạy quang ITO: Màng mỏng dẫn điện suốt (In2O3:Sn) LSP : Plasmon định xứ PEC: Tế quan điện hóa PV: Pin quan điện PVD: Lắn đ n pha vật lý SEM: Kính hiển vi điện tử quét SSSC: Pin mặt trời dùng chất nhạy quang bán dẫn có vùng cấm hẹp SSP: Plasmon bề mặt XRD: Nhiễu xạ tia X Cá ý λ: ƣớc Sóng α: Hệ số hấp thụ ρ: Điện trở xuất η: Hiệu suất ω: Tần số hυ: ăn lƣợng ánh sáng θ: Góc nhiễu xạ Eg: Độ rộng vùng cấm I: ƣờn độ n điện V: Hiệu điện FF: Hệ số điền đầy JSC: Mật độ dàng ngắt mạch iv TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com VOC: Thế hở mạch q: Điện tích R: Điện trở T: Nhiệt độ t: thời gian Pmax: Cơng suất cực đại µe: Độ lịn động điện tử µh: Độ linh động lỗ trống e- : Điện tử eh: Lỗ trống h: Hằng số plack rB : Bán kính bohr kB: Hằng số Boltzman m : Cơng từ kim loại s : Cơng từ bán dẫn v TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC HÌNH VẼ nh 1: Sơ đồ năn lƣợng vùng dẫn vùng hóa trị TiO2(pha anatase) Hình 1.2: Titan oxit dạng bột Hình 1.3: Mơ tả cấu trúc phối tr đa điện TiO2 Hình 1.4: a) TiO2 pha rutile tự nhiên, b) cấu trúc tinh thể TiO2 pha rutile Hình 1.5: a) TiO2 anatase tự nhiên, b) cấu trúc tinh thể TiO2 pha anatase Hình 1.6: a) TiO2 brookite tự nhiên, b) cấu trúc tinh thể TiO2 brookite nh 7: Ơ sở thơng số ản TiO2: a) pha anatase, b) pha rutile Hình 1.8: Phổ quang dẫn màng mỏng TiO2 anatase rutile 12 nh 9: Đặc trƣn -V linh kiện pin mặt trời DSSC sử dụn điện cực TiO214 Hình 1.10: a) Plasmon khối; b) Plasmon bề mặt; c) plasmon bề mặt định xứ bề mặt 16 nh 11: h nh tổ hợp nan kim loại:TiO2 17 Hình 1.12: Sơ đồ năn lƣợng tiếp xúc kim loại bán dẫn loại n 17 nh 13: Sự truyền điện tử từ hạt nan u san Ti 18 Hình 1.14: Hiệu suất loại pin mặt trời phịng thí nghiệm 20 Hình 1.15: Mơ hình pin mặt trời DSSC 20 Hình 1.16: Cấu trúc pin mặt trời DSSC 21 Hình 1.17: Mơ tả cấu trúc lớp hoạt tính Cells 22 Hình 1.18: Quá trình xảy lớp nhạy quang từ lớp quang catơt TiO2 DSSC 23 Hình 1.19: Q trình hoạt động pin mặt trời DSSC 23 nh 20: a) Đƣờn đặc trƣn sán , ) ảnh hƣởng Rsh RS lên hệ số FF 24 Hình 2.1: Nguyên lý trình hình thành màng mỏng phún xạ catốt 26 nh 2: Sơ đồ phón điện phát sáng xoay chiều 27 vi TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com C ƣơ : GHIÊ CỨU TÍ H CHẤT QU G IỆ CỦ TỔ H P NANƠ I L ẠI QÚY:ƠXÍT TITAN hằm n n cao khả năn hấp thụ ánh sán mỏn Ti ứn ụn tron điện cực pin mặt trời, nhiều nhà khoa h c tron n oài nƣớc t m nhiều hƣớn n hiên cứu khác nhƣ n m, tẩm mỏn Ti với chất màu nhạy sán , chấm lƣợn tử oài ựa vào hiệu ứn plasmonic hạt nanơ kim loại (Au,Ag) óp phần tăn khả năn hấp thụ ánh sán mỏn Ti Tron khóa luận m xin tr nh ày số n hiên cứu hiệu ứn quan điện tổ hợp nanô Au:TiO2 tổ hợp nanô Ag:TiO2 chế tạo ằn phƣơn pháp quay phủ li tâm (spincoating), phƣơn pháp chế tạo đƣợc tr nh ày tron chƣơn 4.1 ặ đ ể ấ nanô Au:TiO2 Tổ hợp nanô Au:TiO2 đƣợc chế tạo ằn phƣơn pháp quay phủ u lên mỏn Ti 2, sau tr nh xử l nhiệt nhiệt độ 450o với thời ian iờ tron kh n kh ) nhƣ m tả phần ác kết n hiên cứu cấu trúc tổ hợp u:TiO2 ằn iản đồ nhiễu xạ tia X đƣợc h nh VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau T iO2 - M0 100 90 80 60 d=2.9291 Lin (Cps) 70 50 d=1.7837 d=2.0328 30 d=2.3490 d=2.5292 40 20 10 11 20 30 40 50 60 2-Theta - Scale File: The Anh-Vien KHVL-TiO2-M0.raw - Type: 2Th alone - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 ° C (Room) - Anode: Cu - Creation: 08/27/12 16:46:07 04-0784 (* ) - Gold, syn - Au - Y: 23.48 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 06-0416 (* ) - Indium Oxide - In2O3 - Y: 54.04 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056 Hình 4.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X tổ hợp nanô Au:TiO2 52 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 70 Từ iản đồ nhiễu xạ tia X h nh 1, chún t i thấy rằn tổ hợp nanô Au:TiO2 sau tr nh ủ nhiệt có đỉnh nhiễu xạ óc th ta: 25,21o; 37,80o; 48,04o; 53,80o; 62,61o lần lƣợt ứn với h mặt phẳn 101); 004); 200); 105); 211); 204) đối chiếu với thẻ chuẩn 21-1272 th đ y ch nh Ti pha anatase Và óc 38,20o 44,50o đỉnh nan u ác đỉnh c n lại thể đế T ầu hết đỉnh nhiễu xạ có cƣờn độ thấp nhƣn có độ án rộn lớn Điều chứn tỏ tổ hợp u:Ti đƣợc h nh thành ƣới ạn nan tinh thể hƣ ằn phƣơn pháp quay phủ li tâm kết hợp với tr nh xử l nhiệt, chún t i chế tạo đƣợc tổ hợp nanô Au:TiO2 nh ảnh -S ề mặt tổ hợp nan u:Ti Từ ảnh -S ề mặt, cho iết mỏn l nhiệt h nh thành nên hạt nan u có k ch thƣớc ~35nm u sau xử Hình 4.2: nh FE-SEM bề mặt tổ hợp nanô Au:TiO2 ấ q 4.2 4.2.1 T ấ q -đ nanô Au:TiO2 nanô Au:TiO2 Để đánh iá khả năn tăn cƣờn hấp thụ ánh sán tron v n khả kiến tổ hợp nanô Au:TiO2 chế tạo đƣợc m tiến hành khảo sát phổ hấp thụ UV-Vis ƣới h nh phổ hấp thụ UV-VIS tổ hợp nanô Au:TiO2 chế tạo đƣợc 53 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 4.3: ổ ấ t ụ của: TiO2 (a) v tổ ợ nanô Au:TiO2 (b) Từ kết phổ hấp thụ h nh 3) cho thấy mẫu có v n hấp thụ 380nm Phổ hấp thụ tổ hợp nanơ Au:TiO2 v n ƣớc són 545nm có đỉnh tăn cƣờn hấp thụ ết cho chún ta iết rằn sau có kim loại u ảnh -S h nh 2) làm cho mỏn Ti tăn hấp thụ v n ánh sán khả kiến Điều có n h a quan tr n hợp nanô Au:TiO2 vào làm điện cực cho pin mặt trời ứn ụn mặt hạt nanô cƣờn khả năn ứn ụn tổ quan hóa khác o tr nh xử l nhiệt có ảnh hƣởn lớn tới tr nh h nh thành đảo, hạt nanô u nên ƣới đ y m cũn xin tr nh ày số khảo sát ảnh hƣởn nhiệt độ xử l tới t nh chất quan tổ hợp nanơ Au:TiO2 Hình 4.4: P ổ ấ t ụ tổ ợ nan Au:TiO2 lý n iệt độ ác n au 54 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com nh 4 kết hấp thụ tổ hợp nan Au:TiO2 Từ kết chún ta thấy với mẫu u:TiO2 xử l nhiệt ƣới 300o kh n thay đổi nhiều so với mẫu chƣa xử l nhiệt ác mẫu u:TiO2 xử l nhiệt độ cao từ 400oC500o th xuất tăn cƣờn hấp thụ ánh sán v n ánh sán khả kiến ƣớc són 545nm) Điều có n h a xử l nhiệt nhiệt độ thấp ƣới 300o th mỏn u chƣa tạo thành hạt nanô u mà tồn ạn mỏn nên vật liệu TiO2 hƣn xử l nhiệt độ cao 400o th với nhiệt năn lớn kéo ài làm cho mỏn u ị nứt nẻ co cụm lại tạo thành đảo, hạt nanô u vật liệu Ti ẫn tới h nh thành tổ hợp nanô Au:TiO2 Do chiếu ánh sán vào hạt kim loại ph n cực mạnh tạo hiệu ứn plasmonic làm tăn cƣờn hấp thụ ánh sán Tuy nhiên xử l nhiệt độ cao năn lƣợn nhiệt lớn làm cho mỏn u ị co cụm càn mạnh h nh thành nên đảo, hạt nanơ u có k ch thƣớc nhỏ đồn ẫn tới đỉnh tăn cƣờn hấp thụ có xu hƣớn ịch chuyển v n ƣớc són n ắn tăn nhiệt độ xử l , thể đỉnh phổ hấp thụ mẫu xử l nhệt độ 500o 520 nm h nh 4 ) c n mẫu xử l 400o 550nm h nh 4c) Ở đ y m kh n khảo sát nhiệt độ xử l cao 500o v nhiệt độ 500o th Ti h nh thành nên pha rutil kh n mon muốn [7, 19, 29] o vậy, nhiệt độ 400oC500o đƣợc cho khoản nhiệt độ tối ứu để chế tạo tổ hợp nanô Au:TiO2 Để đánh iá khả năn làm điện cực cho pin mặt trời tổ hợp nanô Au:TiO2 m tiến hành khảo sát đặc trƣn -V hệ uto- a Pot ntionstat P S-30 ph n Vật liệu inh kiện ăn lƣợn , Viện hoa h c vật liệu 4.2.2 T ấ đ nanơ Au:TiO2 Hình 4.5: Đường đặc trưng I-V của: a) ng ỏng i 2, b) tổ ợ nanô Au:TiO2 55 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com nh đƣờn đặc trƣn -V tổ hợp nanô Au:TiO2 ết mạch hở n n ắn mạch tổ hợp nanô Au:TiO2 lần lƣợt 93,5mV 6,072μ /cm2 ản 1) So với kết từ ản ta thấy mạch hở n n ắn mạch tổ hợp nanô Au:TiO2 lớn nhiều so với hở mạch n ắn mạch mỏn Ti ản 1) Điều có đƣợc o có hạt u mỏn Ti làm tăn khả năn hấp thụ ánh sán đặc iệt v n ánh sán khả kiến nhƣ từ phổ hấp thụ tổ hợp nanô Au:TiO2 h nh 3) o đƣợc chiếu sán k ch th ch tổ hợp nanô Au:TiO2 hấp thụ đƣợc nhiều ánh sán hơn, làm tăn chuyển độn tham ia vào tr nh ẫn điện Bảng 4.1: Voc v Jsc mẫu TiO2 anatase v tổ ợ nanơ Au:TiO2 íc t íc đ n án sáng cực tím Tên mẫu Voc (mV) Jsc(A/cm2) TiO2 42,3 1,27 Au:TiO2 93,75 6,07 hƣ có xuất hạt nanơ u vật liệu Ti làm tăn khả năn hấp thụ ánh sán mỏn Ti ặt khác hạt nan cũn có đỉnh tăn cƣờn hấp thụ từ 400nm530nm 4.3 ặ đ ể 4.3.1 ặ đ ể ấ nanơ Ag:TiO2 nanơ Ag:TiO2 Hình 4.6: n F -S tổ ợ nanô Ag:TiO2 Do k ch thƣớc hạt sol-gel đ m quay phủ nanô Ag 10nm nhỏ k ch thƣớc hạt sol-gel Au 60nm ơn nữa, nồn độ mol sol-gel Ag 10-2 cũn 56 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com cao nhiều so với sol-gel Au 10-4M ên kết tinh tổ hợp nanơ Ag:TiO2 có k ch thƣớc hạt 1020nm h nh 4.6) nhỏ so với k ch thƣớc hạt tổ hợp nanô Au:TiO2 35nm ảnh h nh 1) cũn xếp ày Điều -S làm ảnh hƣởn tới cấu trúc t nh chất quan tổ hợp nanô chế tạo đƣợc Để iết r điều m cũn thực phép ph n t ch để đánh iá nhƣ nhiễu xạ tia X, UV-V S, đƣờn đặc trƣn -V ết n hiên cứu đƣợc ƣới đ y 4.3.2 Cấ nanô Ag:TiO2 Hình 4.7: iản đồ n iễu tia X tổ ợ nanô Ag:TiO2 Từ iản đồ nhiễu xạ tia X h nh ) chún ta thấy n oài đỉnh phổ vật liệu Ti T h nh 7a) c n có thêm đỉnh phổ ứn với óc 2 38,1o; 42,28o 64,5o lần lƣợt tƣơn ứn với h mặt phẳn 111), 200) 220) đối chiếu với thẻ chuẩn 21-1272 th đ y đỉnh nanơ ác đỉnh phổ có cƣờn độ thấp nhƣn lại có độ án rộn tƣơn đối lớn Điều chứn tỏ tổ hợp :TiO2 kết tinh thành tổ hợp nanô Ag:TiO2 ết hợp với ảnh -S h nh 6) iản đồ nhiễu xạ tia X h nh 7) chún ta kết luận tạo thành c n tổ hợp nanơ Ag:TiO2 ằn phƣơn pháp spincoatin có k ch thƣớc 1020nm hằm ứn ụn tổ hợp nanô Ag:TiO2 làm điện cực thu điện tử tron pin mặt trời, điều quan tr n t nh chất quan điện vật liệu o ƣới đ y m cũn xin tr nh ày số kết khảo sát t nh chất quan điện tổ hợp nanô Ag:TiO2 chế tạo đƣợc 57 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 4.4 T ấ q 4.4.1 T -đ ấ q Hình 4.8: nanô Ag:TiO2 nanô Ag:TiO2 ổ ấ t ụ của: a) ng ỏng i nh phổ hấp thụ mỏn Ti 2, b) tổ ợ nanô Ag:TiO2 tổ hợp nanô Ag:TiO2 Qua ph n t ch phổ hấp thụ UV-Vis h nh 48) chún ta thấy tổ hợp nanơ Ag:TiO2 có ạn phổ iốn với ạn phổ hấp thụ mỏn Ti Đặc iệt v n ánh sán từ 400nm600nm có xuất phổ tăn cƣờn hấp thụ ánh sán với đỉnh phổ hấp thụ 458,3nm Điều có n h a có mặt hạt nanô cũn tăn khả năn hấp thụ ánh sán mỏn Ti tron v n ánh sán khả kiến iện tƣợn có đƣợc o hạt nanơ ạc có ƣớc són cộn hƣởn plasmonic tron v n ánh sán từ 400nm  530nm Để thấy đƣợc khác iệt hiệu ứn plasmonic mỏn plasmonic tổ hợp nanô Ag:TiO2 m cũn thực chế tạo mỏn đế T khảo sát t nh chất quan ết phổ hấp thụ mỏn tổ hơp nanô Ag:TiO2 đƣợc r tron h nh 4.9 Phổ hấp thụ mỏn h nh 9a) cho iết v n và ƣớc són 473nm có đỉnh phổ tăn cƣờn hấp thụ Đ y ch nh đỉnh hấp thụ cộn hƣởn Plasmon đặc trƣn cho hạt nanô ạc hƣn đỉnh phổ hấp thụ tăn cƣờn tổ hợp nanô Ag:TiO2 458nm h nh ) o ta thấy rằn đỉnh phổ hấp thụ tổ hợp nanơ Ag:TiO2 ịch chuyển ph a ƣớc són n ắn iện tƣợn o có chuyển tiếp iữa hạt nanô vật liệu án ẫn Ti 58 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 4.9: ổ ấ t ụ của: a) ng ỏng g đế I , b) tổ ợ nanô Ag:TiO2 Qua đ y chún ta kết luận ằn phƣơn pháp spincoatin chún ta cũn chế tạo đƣợc tổ hợp nanơ Ag:TiO2 có khả năn tăn cƣờn hấp thụ v n ánh sán khả kiến Hình 4.10: ổ ấ t ụ của: a) tổ ợ nanô Au:TiO2, b) tổ ợ nanô Ag:TiO2 nh 10 phổ hấp thụ tổ hợp nanô Au:TiO2 phổ hấp thụ tổ hợp nanô Ag:TiO2 chế tạo ằn phƣơn pháp spincoatin ết phổ hấp thụ tổ hợp nanô Au:TiO2 có đỉnh hấp thụ tăn cƣờn ƣớc són 545nm, c n đỉnh hấp thụ tổ hợp nanô Ag:TiO2 458nm Tuy nhiên cƣờn độ hấp thụ tổ hợp nanô Au:TiO2 lại thấp nhiều so với tổ hợp nanơ Ag:TiO2 iện tƣợn có đƣợc o tổ hợp nanơ Ag:TiO2 kết tinh có k ch thƣớc nhỏ so với tổ hợp nanô Au:TiO2 oài th tổ hợp nanô Ag:TiO2 c n xếp ày đặc so với tổ hợp nanô Au:TiO2 điều đƣợc tron ảnh -S h nh 4.6) h nh 59 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com v mà cƣờn độ hấp thụ tổ hợp nanô Ag:TiO2 cao cƣờn độ hấp thụ tổ hợp nanô Au:TiO2 ết cũn tƣơn đối ph hợp với kết n hiên cứu m phỏn t nh tốn nhóm đƣợc c n ố tại ội n hị QUỐ T VỀ VẬT ỆU T Ê T VÀ Ô Ệ NANÔ Ầ T Ứ W S -2012), Thành phố on 31/10 - 2/11/2012 4.4.2 T ấ đ nanô Ag:TiO2 Để khảo sát t nh chất quan điện tổ hợp vật liệu m cũn tiến hành thực đo đƣờn đặc trƣn -V ƣới h nh 11 đƣờn đặc trƣn liệu với chất điện iải chứa a2S 0,1 l , điện cực đối lƣới Pt Hình 4.11: Đương đặc trung I-V của: a) ng ỏng i Au:TiO2, c) tổ ợ nanô Ag:TiO2 Bảng 4.2: ảng t ế ạc Tên ẫu -V tổ hợp vật 2, b) tổ ợ nanô Voc v d ng ng n ạc Jsc ẫu Voc(mV) Jsc(A/cm2) a – TiO2 42,3 1,27 b – Au:TiO2 93,75 6,07 c – Ag:TiO2 112,16 8,875 ết mạch hở n n ắn mạch tổ hợp nanô Ag:TiO2 chế tạo ằn phƣơn pháp spincoatin lớn lơn so với mạch hở vào n n ắn mạch tổ hợp nanô Au:TiO2 ết o tổ hợp nanơ Ag:TiO2 có k ch thƣớc nhỏ ày so với tổ hợp nanô Au:TiO2 minh chứn th n qua ảnh -SEM) 60 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ẫn tới chiếu sán tổ hợp nanô Ag:TiO2 hấp thụ đƣợc nhiều ánh sán đƣợc tron phổ hấp thụ tổ hợp nanơ Ag:TiO2 có cƣờn độ hấp thụ cao hơn) nên cho mạch hở n n ắn mạch cao Qua ta kết luận với phƣơn pháp spincoatin chún ta hồn tồn có khả năn chết tạo thành c n tổ hợp nanô kim loại:TiO2 có t nh chất quan điện mon muốn nhằm ứn ụn làm điện cực tron linh kiện chuyển đổi năn lƣợn quan điện ết luận: ằn phƣơn pháp quay phủ li t m spincoatin ) m chế tạo đƣợc tổ hợp nan u:TiO2 tổ hợp nano :TiO2 àn mỏn sau chế tạo có khả năn tăn cƣờn hấp thụ ánh sán v n khả kiến Đối với tổ hợp nano u:TiO2 đỉnh phổ hấp thụ ƣớc són 545nm, c n tổ hợp nano hấp thụ 458nm ết cho thấy khả năn ứn vào việc làm tăn hiệu suất pin mặt trời :TiO2 th có đỉnh phổ ụn hiệu ứn plasmonic 61 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ế ậ Tron luận văn m tr nh ày nội un liên quan đến việc n hiên cứu chế tạo mỏn Ti cấu trúc nan ứn ụn làm điện cực tron pin mặt trời hiên cứu chế hạt nano kim loại qu (vàng, ạc) đƣợc ph n ố đồn ề mặt mỏn Ti Tổ hợp chế tạo đƣợc có cấu trúc nano có khả năn tăn cƣờn hấp thụ v n ánh sán khả kiến ằn phƣơn pháp phún xạ catốt xử l nhiệt em chế tạo thành c n mỏn Ti anatas ) từ ia Ti n uyên chất àn Ti chế tạo đƣợc pha anatas cấu trúc nano k ch thƣớc hạt ~25nm) độ ày ~220nm Qua phân tích phổ hấp thụ cho iết Ti anatas ) có hấp thụ ƣớc sóng ~380nm Em chế tạo thành c n tổ hợp nano u:Ti 2, Ag:TiO2 nano Au, Ag có k ch thƣớc cỡ vài chục nanom t hi có óp mặt nano u (Ag) tron mỏn Ti 2, khả năn hấp thụ tổ hợp nano u:Ti (Ag:TiO2) đƣợc tăn cƣờn tron v n ánh sán nh n thấy, với đỉnh cộn hƣởn plasmon tƣơn ứn ƣớc sóng 545nm (458nm) k ch thƣớc hạt vàn vào khoản 35nm Ngoài ra, em c n thu đƣợc kết cho thấy đỉnh cộn hƣởn hấp thụ tổ hợp nano ịch ph a ƣớc són ài k ch thƣớc hạt vàn tăn lên ác kết thu đƣợc ph hợp với l thuyết t nh toán nhóm tổ hợp nano u:Ti 62 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com T ả ế : [1] Đặng Trần Chiến, “Chế tạo khảo sát tính chất màng oxit titan TiO2, oxit kẽm ZnO cấu trúc nanô ứng dụng l điện cực t u điện tử pin mặt trời cấu trúc vô – hữu cơ”, Luận án Tiến sỹ, Viện khoa h c vật liệu, 2011 [2] uyễn Đức h a, hiên cứu pin mặt trời hữu cơ, áo cáo đề tài n hiên cứu khoa h c c n n hệ cấp Viện V 2010, Viện & CN VN T [3] in uc ả ế nh: uqu an arti, “ ncr asin th ffici ncy of i al solar c lls y photon transitions at int rm iat l v ls,” Phys R v tt 78 26), 5014 1997) [4] A am , on al, Z Yamani, “ ff ct of transition m tal opin on photocatalitic activity of WO3 for water splitting under laser illumination: role of 3d-or itals,” atalys ommunication 5, 715-719 (2004) [5] A Hagfeldt, G Boschloo, Sun, loo, an P tt rsson, “Dye-sensitized solar cells,” h mical R vi ws 110, 6595-6663 (2010) [6] A L Linsebigler, G Lu, and T Y John, “Photocatalisis on Ti surfaces: principles, mechanisms, an s l ct r sults,” h m R v 95, 735-758 (2011) [7] S Richar s, “ ov l us s of titanium Ph.D.Thesis, EPFL (2002) ioxi for silcon solar c lls,” [8] anaor an Sorr l, “R vi w of th anatas to rutil phas transformation,” Journal of Materials Science 46, 855-874 (2011) [9] ar ar an prop rti s of titanium oxi Rusu, “Th influ nc of h at tr atm nt on th optical thin films,” at rials tt rs 56, 210-214 (2002) [10] W Schu rt an T unk l, “Spin coatin from a molecular point of view: its conc ntration r im s, influ nc of molar mass an istri ution,” at rials Research Innovations 7, 314 (2003) [11] E Pedrueza, J S Parramon, S Bosch, J L Valdes, and J P M Pastor, “Plasmonic lay rs as on u-nanoparticle-doped TiO2 for optoelectronics: structural an optical prop rti s,” anot chnolo y 24, 065202 2013) [12] G Cangiani, “ -initio study of the properties of TiO2 rutile and anatase polityp s,” Ph Th sis, P 2003) [13] o s, “ omparison of y - and Semiconductor-sensitized porous nanocrystallin liqui junction solar c lls”, J Phys Chem C 112, 17778-17787 (2008) [14] H Lina, A K Rumaizb, M Schulzc, D Wanga, R Rockd, C P Huanga, and S Shah, “Photocatalitic activity of puls las r posit Ti thin films,” Materials Science and Engineering B 151, 133 (2008) 63 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com [15] K Awazu, M Fujimaki, C Rockstuhl, J Tominaga, H Murakami, Y Ohki, N Yoshi a, an T Watana , “A Plasmonic Photocatalyst Consisting of Silver Nanoparticles Embedded in Titanium Dioxide” m h m Soc , 130 5), 1676 (2008) [16] L Kavan, M Grätzel, S E Gibert, C Klemenz, and H J Scheel, “ l ctroch mical an photoelectrochemical investigation of single-crystal anatas ”, J Am Chem Soc., 118, 6716-6723 (1996) [17] npo, S ohshi, itano, Y u, Tak uchi, an atsuoka, “Th preparation and characterization of highly efficient titanium oxide base photofunctional aat rials”, nnual R vi w of at rials R s arch 2005) [18] rätz l, “Photo l ctroch mical c ll,” atur 414, 338-344 (2001) [19] Tak uchi, S ohshi, T ura, an npo, “Pr paration of titanium silicon binary oxide thin film photocatalists by an ionized cluster beam deposition method: Their photocatalitic activity and photoinduced super-hy rophilicity,” Th Journal of Physical Chemistry B 107, 14278-14282 (2003) [20] V ozzi, “ mprovin th photocatalitic activity Ti for nvironmental applications: ff cts of opin an of surfac mo ification,” Ph th sis 38-50 (2011) [21] Q o, “A study on nanophotonic devices using photonic crystals and plasmonic nanostructures” Ph iss rtation - January, 2011, Ajou University, Suwon, Korea [22] R Debnath and J Chaudhuri, “ nhi itin ff ct of lP and SiO2 on the anatase and rutile transformation reaction: An x-ray an las r Raman stu y,” Journal of Materials Research 7, 3348-3351 (1992) [23] R n r r, “Sin l rystal natas inv sti ations,” Ph.D.Thesis, EPFL (2010) TiO2: Growth and surface [24] R S Rusu, Rusu, “ n th l ctrical of Ti Optoelectronics and Advanced Materials 7, 234 (2005) thin film,” ournal of [25] R R Talavera, S Rargas, R A Murillo, R M Campos, and E H Poniatowski, “ o ification of th phas transition t mp ratur s in titania op with various cation,” ournal of at rials R s arch 12, 439-443 (1997) [26] S (2007) r, “Plasmonics: fun am ntals an applications,” S 0-387-33150- [27] S , “ y -ensitized TiO2 thin-film solar cell research at the National R n wa l n r y a oratory R ),” Solar n r y at rials Solar lls 88, 1-10 (2005) 64 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com [28] S u n, Sosa, os s, , an oskovits, “Plasmonic photosensitization of a wide band gap semiconductor: converting plasmons to char carri rs” ano tt , 11 12), 5548 2011) [29] T an , Pham, , an V Pham, “Ti 2/CdS nanocomposite films: fabrication, characterization, electronic and optical prop rti s”, v at Sci.: NanoSci Nanotechnol 1, 012002-012005 (2010) [30] T M Razykov, C S Ferekides, D Morel, E Stefanakos, H S Ullal, and H Upa hyaya, “Solar photovoltaic electricity: Current status and future prospects”, Solar Energy (2011) [31] T M Wang, Studies on photocatalytic activity and transmittance spectra of TiO2thin film prepared by rf magnetron sputtering method, Surface and Coatings Technology 155(2) 141 (2002) [32] U Bach, D Lupo, P Comte, J E Moser, F Weissortel, J Salbeck, H Spr itz r, an rätz l, “Soli -state dye-sensitized mesoporous TiO2 solar cell with high photon-to- l ctron conv rsion ffici nci s”, atur 395, 583-585 (1998) [33] U i ol , “The surface science of titanium dioxide,” Surface Science Reports 48, 53-229 (2003) [34] W Y hoi, T rmin, an R offmann, “Th rol of m tal ion opants in quantum-sized TiO2: correlation between photoreactivity and charge carrier r com ination ynamics,” Phys h m 84, 13669-13679 (1994) [35] Z Wan an X u, “ a rication an l ctrochromic prop rti s of spin-coated TiO2 thin film from perpxo-polititanic aci ,” Thin Solid Film 352, 63-65 (1999) 65 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ế q ả b bá ả [1] Thi Hong Cam Hoang, Thanh Son Pham, The Anh Nguyen, Thuy Van Nguyen, Van Hieu Nguyen, t al , “ stu y on plasmonic a sorption nhanc m nt in Au:TiO2 nanocomposit ,” Th 6th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2012), Ha Long City, Vietnam, October 30 - November 2, 2012 Kỷ yếu Hội nghị IWAMSN2012, trang 96-98 [2] Nguyễn Văn iếu t al , “ hế tạo nghiên cứu tính chất quang-điện màng mỏng TiO2 cấu trúc nano,” Hội nghị Vật lý chất rắn Khoa h c vật liệu toàn quốc lần thứ 8-Thái Nguyên 4-6/11/2013 [3] Phạm Thanh Sơn, Nguyễn Thế Anh, uyễn Văn iếu, t al , “Vai tr nano Au việc nâng cao hiệu suất hấp thụ quan cho điện cực sử dụng vật liệu TiO2 cấu trúc nano,” Hội nghị Vật lý chất rắn Khoa h c vật liệu toàn quốc lần thứ 8-Thái Nguyên 4-6/11/2013 66 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ... VĂN HIẾU CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MÀNG MỎNG TiO2 CẤU TRÚC NANO ỨNG DỤNG CHO ĐIỆN CỰC PIN MẶT TRỜI QUANG – ĐIỆN - HÓA Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện Nano Mã số: Chương trình đào tạo. .. phún xạ tới tính chất quang màng mỏng TiO2 45 3.3.2 Ảnh hƣởng thời gian phún xạ tới tính chất quang màng mỏng TiO2 46 3.3.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ xử l tới tính chất quang màng mỏng TiO2 48 3.3.4... hiên cứu liên quan đến pin mặt trời chế tạo vật liệu án ẫn Ti 2, Zn cấu trúc nanô ác kết thu đƣợc cho thấy nhóm n hiên cứu tron nƣớc có khả năn triển khai ứn ụn pin mặt trời quan -? ?iện- hóa Việc chế