Trình bày về phương pháp thực hiện chế tạo mẫu đồng thời cũng trình bày tóm tắt các phương pháp phân tích, khảo sát tính chất của mẫu đã chế tạo

LỜI CẢM ƠN Lời em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thị Thục Hiền, người tận tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt trình làm luận văn trình học tập, nghiên cứu trường Từ tận đáy lịng em xin kính chúc gia đình mạnh khoẻ đạt nhiều thành cơng nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô khoa Vật lý - Trường Đại học KHTN, đặc biệt thầy, cô giáo môn Vật lý Đại cương, Vật lý Chất rắn hướng dẫn tạo điều kiện cho em học tập hoàn thành luận văn Em xin cảm ơn Ban giám đốc cán Trung tâm Khoa học vật liệu tạo điều kiện giúp đỡ thực phép đo trình thực luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn lớp người thân Hà Nội, tháng 12 năm 2012 Nguyễn Văn Tuyên MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG 14 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 14 1.1.Tổng quan pin DSSC 14 1.1.1 Giới thiệu tổng quát pin mặt trời 14 1.1.2 Cấu tạo pin DSSC 14 1.1.3 Nguyên lý hoạt động pin DSSC .15 1.1.4 Các thông số đặc trưng pin mặt trời 16 1.1.5 Cơ chế truyền hạt tải ôxit kim loại 21 1.2 Một số tính chất vật liệu nano TiO2 26 1.2.1 Các pha tinh thể TiO2 .26 1.2.2 Một số tính chất hố học TiO2 27 1.2.3 Một số tính chất vật lý đặc trưng vật liệu nano TiO2 .28 1.3 Một số tính chất vật liệu ZnO 33 1.3.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu ZnO 33 1.3.2 Tính chất hố học ZnO 34 1.3.3 Cấu trúc vùng lượng ZnO 34 1.3.4 Tính chất điện quang ZnO 36 1.4 Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano .38 2/88 1.4.1 Phương pháp sputtering 39 1.4.2 Phương pháp lắng đọng xung laser (PLD) 40 1.4.3 Phương pháp lắng đọng chùm điện tử (PED) 41 1.4.4 Phương pháp sol-gel 41 1.4.5 Phương pháp thuỷ nhiệt 42 1.4.6 Phương pháp nhiệt phân 43 CHƯƠNG 44 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 44 2.1 Quy trình chế tạo mẫu 44 2.1.1 Hệ thực nghiệm .44 2.1.2 Các dụng cụ hoá chất sử dụng 47 2.1.3 Tiến hành chế tạo lớp đệm TiO2 phương pháp sol-gel 48 2.1.4 Tạo màng có cấu trúc cột nano TiO2 lớp đệm TiO2 phương pháp thuỷ nhiệt 50 2.2 Khảo sát tính chất màng 53 2.2.1 Phân tích cấu trúc giản đồ nhiễu xạ tia X .53 2.2.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 55 2.2.3 Phổ tán sắc lượng (EDX) 55 2.2.4 Phép đo huỳnh quang 56 2.2.5 Phổ tán xạ, hấp thụ truyền qua 57 2.2.6 Phổ tán xạ Raman 58 CHƯƠNG 59 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59 3.1 Nghiên cứu tính chất lớp đệm TiO2 .59 3.1.1 Nghiên cứu hình thái lớp đệm TiO2 ảnh SEM .59 3/88 3.1.2 Nghiên cứu cấu trúc lớp đệm TiO2 giản đồ XRD 60 3.1.3 Phổ EDX lớp đệm TiO2 61 3.1.4 Phổ hấp thụ, truyền qua lớp đệm TiO2 .62 3.1.5 Nghiên cứu phổ huỳnh quang lớp đệm TiO2 64 3.2 Nghiên cứu hình thái, tính chất màng cột nano TiO2 chế tạo phương pháp thuỷ nhiệt 65 3.2.1 Nghiên cứu hình thái màng cột nano TiO2 ảnh SEM 65 3.2.2 Nghiên cứu giản đồ XRD màng cột nano TiO2 74 3.2.3 Nghiên cứu phổ tán xạ Raman màng cột nano TiO2 75 3.2.4 Phổ hấp thụ truyền qua màng cột nano TiO2 .77 3.2.5 Nghiên cứu phổ huỳnh quang cột nano TiO2 79 KẾT LUẬN .81 TÀI LIỆU THAM KHẢO .82 4/88 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số thông số vật lý TiO2 pha anatase, rutile brookite 27 Bảng 1.2 Một số thông số vật lý ZnO cấu trúc Wurtzite .34 Bảng 1.3 Hằng số điện môi điện trường tĩnh tần số cao ZnO 38 Bảng 2.1 Các chế độ ủ nhiệt lớp đệm TiO2 50 Bảng 2.2 Các chế độ ủ thuỷ nhiệt để tạo màng cột nano TiO2 52 Bảng 3.1 Chế độ tiến hành thí nghiệm khảo sát hình thái cột nano TiO2 vào nồng độ tiền chất TBX .66 Bảng 3.2 Chế độ tiến hành thí nghiệm khảo sát hình thành cột nano TiO2 vào nhiệt độ ủ thuỷ nhiệt 68 Bảng 3.3 Chế độ tiến hành thí nghiệm khảo sát hình thành cột nano TiO2 vào lớp đệm 70 Bảng 3.4 Chế độ tiến hành thí nghiệm khảo sát hình thành cột nano TiO2 vào thời gian ủ thuỷ nhiệt 73 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc pin mặt trời DSSC dùng điện cực TiO2 15 Hình 1.2 Minh hoạ nguyên lý hoạt động pin DSSC 15 Hình 1.3 Đồ thị phụ thuộc mật độ dòng quang điện J vào hiệu điện V 17 Hình 1.4 Hiệu suất tổng thể pin mặt trời 19 Hình 1.5 Minh họa dịch chuyển điện tử vật liệu TiO2 để tới điện cực TiO2 tồn dạng (a) màng hạt nano (b) dạng ống (hoặc cột) nano 19 Hình 1.6 Trật tự đường electron lỗ trống chuyển tiếp p-n, bán dẫn khối (a), pin mặt trời chuyển tiếp lỏng hạt nano ôxit kim loại (b) pin mặt trời tiếp giáp lỏng ơxít kim loại chiều, ống nano (c) .22 Hình 1.7 Hình dạng màu sắc tinh thể anatase (a), rutile(b), brookite(c) bột TiO2 (d) .26 Hình 1.8 Các cấu trúc tinh thể TiO2 pha anatase (a), rutile (b) brookite (c)27 5/88 Hình 1.9 Đồ thị phụ thuộc (αhh)1/2 vào lượng photon (h ) 30 Hình 1.10 Vùng cấm số chất bán dẫn .30 Hình 1.11 Giản đồ minh hoạ cấu trúc vùng lượng electron TiO2 anatase (a) nano (b) khối .31 Hình 1.12 Minh hoạ chế quang xúc tác TiO2 33 Hình 1.13 Cấu trúc tinh thể ZnO ba dạng (a) Rocksalt, (b) Zinc blende (c) Wurtzite Hình cầu màu xám màu đen biểu thị cho nguyên tử Zn O 34 Hình 1.14 Cấu trúc vùng lượng ZnO 35 Hình 1.15 Biểu đồ biểu diễn trường tinh thể spin quỹ đạo chia vùng hoá trị ZnO thành vùng A, B C, nhiệt độ 4,2 K 36 Hình 1.16 Phổ huỳnh quang ZnO khối loại n 37 Hình 1.17 Sự tán sắc chiết suất ZnO Ec (a )và E||c (b) bên bờ hấp thụ 38 Hình 1.18 Nguyên lý phương pháp sputtering tạo màng mỏng 40 Hình 1.19 Nguyên lý lắng đọng xung laser 41 Hình 1.20 Nguyên lý lắng đọng chùm điện tử .41 Hình 1.21 Quá trình sol-gel trình xử lý để tạo dạng vật liệu khác 42 Hình 1.22 Cấu tạo nồi hấp 43 Hình 2.1 Ảnh máy rung rửa siêu âm Elma .45 Hình 2.2 Ảnh tủ sấy Memmert .45 Hình 2.3 Ảnh lò ủ mẫu Lenton .46 Hình 2.4 Máy quay phủ chế tạo phịng thí nghiệm mơn Vật lý đại cương - Khoa Vật lý - ĐH KHTN 46 Hình 2.5 Ảnh nồi hấp sử dụng để ủ thuỷ nhiệt mẫu 47 Hình 2.6 Sơ đồ khối mơ tả quy trình tạo sol .49 Hình 2.7 Minh hoạ trình quay phủ 50 Hình 2.8 Sơ đồ khối mơ tả quy trình tạo dung dịch tiền chất thuỷ nhiệt .51 Hình 2.9 Minh hoạ trình đưa đế ITO vào ống teflon 52 Hình 2.10 Nhiễu xạ tia X tinh thể 54 6/88 Hình 2.11 Thu phổ nhiễu xạ tia X 54 Hình 2.12 Nhiễu xạ kế tia X - SIEMENS D5005 .54 Hình 2.13 Tương tác chùm điện tử vật rắn 55 Hình 2.14 Kính hiển vi điện tử quét JSM 5410 LV .55 Hình 2.15 Sơ đồ khối hệ đo phổ huỳnh FL 3-22 .57 Hình 2.16 Hệ đo phổ huỳnh quang FL 3-22 57 Hình 2.17 Nguyên lý đo phổ hấp thụ .57 Hình 2.18 Hệ đo phổ hấp thụ UV-VIS 58 Hình 3.1 Ảnh SEM lớp đệm TiO2, mẫu SG04 .59 Hình 3.2 Giản đồ XRD lớp đệm TiO2 ủ nhiệt độ 350 o C, mẫu SG02 60 Hình 3.3 Giản đồ XRD lớp đệm TiO2 ủ nhiệt độ 450 o C, mẫu SG04 60 Hình 3.4 Giản đồ XRD lớp đệm TiO2 ủ nhiệt độ 500 o C, mẫu SG05 60 Hình 3.5 Phổ EDX lớp đệm TiO2 chế tạo phương pháp sol-gel 62 Hình 3.6 Phổ hấp thụ lớp đệm TiO2, mẫu SG05 62  Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc (αhh)1/2 vào lượng photon (h ), mẫu SG05 63 Hình 3.8 Phổ truyền qua UV - Vis - NR lớp đệm TiO2, mẫu SG05 63 Hình 3.9 Phổ truyền qua lớp đệm TiO2 ủ nhiệt độ khác nhau: 64 Hình 3.10 Phổ huỳnh quang lớp đệm TiO2, kích thích bước sóng 328 nm, mẫu SG05 64 Hình 3.11 Phổ huỳnh quang đế ITO với bước sóng ánh sáng kích thích 329 nm .65 Hình 3.12 Ảnh SEM cột nano TiO2 ủ thuỷ nhiệt với nồng độ tiền chất TBX khác 67 Hình 3.13 Ảnh SEM mẫu thuỷ nhiệt ủ nhiệt độ khác 69 Hình 3.14 Ảnh SEM màng cột nano TiO2 ủ thuỷ nhiệt trường hợp đế ITO có khơng có lớp đệm TiO2 .71 Hình 3.15 Ảnh SEM màng cột nano TiO2 ủ thuỷ nhiệt 22 giờ, nhiệt độ 150oC, mẫu TN13 .72 7/88 Hình 3.16 Ảnh SEM màng cột TiO2 chế tạo phương pháp thuỷ nhiệt với thời gian ủ thuỷ nhiệt khác nhau: 73 Hình 3.20 Phổ hấp thụ màng cột nano TiO2, mẫu TN10 .78 Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc (h)1/2 vào lượng photon (h), mẫu TN10 78 Hình 3.22 Phổ truyền qua UV-Vis- NR màng cột nano TiO2, mẫu TN10 79 8/88 BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT AM 1.5 Cường độ sáng mặt đất mặt trời chiếu góc 48,2o so với phương thẳng đứng CB (conduction band) Vùng dẫn C.E (counter electrode) Điện cực đối DAP (donor–acceptor pair) Cặp donor-aceptor DSSC (dye – sensitized solar cells) Pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu ĐH KHTN Đại học khoa học tự nhiên ĐH QGHN Đại học Quốc gia Hà Nội EDX (energy-dispersive X-ray Phổ tán sắc lượng tia X spectroscopy) FTO (fluorinated tin oxide) Kính phủ lớp dẫn điện suốt FTO HOMO (highwest Occupied Molecular Quỹ đạo phân tử lấp đầy cao Orbital) ITO (indium tin oxide) Kính phủ lớp dẫn điện suốt ITO LHE (light harvesting efficiency) Hiệu suất thu ánh sáng LUMO (lowest unoccupied molecular Quỹ đạo phân tử bỏ trống thấp orbital) PED (pulsed electron deposition) Lắng đọng xung chùm điện tử PLD (pulsed laser deposition) Lắng đọng xung lade SEM (scanning electron microscope) Kính hiển vi điện tử quét TBX (titanium butoxide) Chất titan butoxít TCO (transparents conducting oxide) Điện cực ơxít dẫn điện suốt TIP (titanium isopropoxide) Chất titan isopropoxit UV-Vis (ultraviolet - visible - Phổ tử ngoại - khả kiến spectroscopy) VB (valence band) Vùng hoá trị XRD (X-ray diffraction) Nhiễu xạ tia X 9/88 IPCE (incident photon to carrier Hiệu suất photon tới efficiency) EQE (external quantum efficiency) Hiệu suất lượng tử FF (fill factors) Hệ số lấp đầy 10/88