Đề tài : Chế tạo và khảo sát các tính chất của màng ôxít titan (tio2), ôxít kẽm (zno) cấu trúc nano ứng dụng làm điện cực thu điện tử trong pin mặt trời quang điện hóa

Đề tài Chế tạo và khảo sát các tính chất của màng ôxít titan (TiO2), ôxít kẽm (ZnO) cấu trúc nano ứng dụng làm điện cực thu điện tử trong pin mặt trời quang điện hóa Luận văn tiến sĩ 2013 MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN . i LỜI CAM ðOAN . ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ . vii DANH MỤC BẢNG BIỂU . .xiii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT . xv MỞ ðẦU . i Chương 1 Pin mặt trời quang ñiện hóa dạng SSSC-Vật liệu ôxíttitan (TiO2) và ôxít kẽm (ZnO) . 5 1.1 Pin mặt trời quang ñiện hóa dạng SSSC . 5 1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển của pin mặt trời . 5 1.1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của pin mặt trời quang ñiện hóa SSSC .10 1.1.3 Các ñại lượng ñặc trưng của pin mặt trời . 20 1.2 Một số tính chất cơ bản của vật liệu ôxít titan (TiO2) và ôxít kẽm (ZnO) . 22 1.2.1 Vật liệu ôxít titan (TiO2) . .22 1.2.2 Vật liệu ôxít kẽm (ZnO) 25 1.3 Vật liệu bán dẫn nhạy sáng CdS trong pin mặt trời quang ñiện hóa SSSC . 26 1.4 Ảnh hưởng của các ñiều kiện công nghệ lên tính chấtcủa màng mỏng TiO2và ZnO . 28 1.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ủ lên hình thái cấu trúc .2 8 1.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ủ lên tính chất quang 3 0 1.5 Ảnh hưởng của các tính chất màng mỏng TiO2 và ZnO cấu trúc nano lên hiệu suất của pin mặt trời quang ñiện hóa . 31 1.5.1 Ảnh hưởng của hình thái học .31 1.5.2 Ảnh hưởng của ñộ xốp . .34 1.5.3 Ảnh hưởng của chiều dày màng . .36 1.6 Ảnh hưởng của TiO2 pha anatase và rutile . 38 Kết luận chương 1 . 39 Chương 2 Công nghệ, kỹ thuật phân tích và thực nghiệm chế tạo màng mỏng.40 2.1 Các phương pháp chế tạo màng mỏng 4 0 2.1.1 Phương pháp bốc bay nhiệt . . 41 2.1.2 Phương pháp bốc bay chùm tia ñiện tử . .42 2.2 Phương pháp oxy hóa nhiệt 42 2.3 Các kỹ thuật phân tích . . 43 2.3.1 Phương pháp chụp ảnh hiển vi ñiện tử quét . 43 2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X . 43 2.3.3 Phép ño chiều dày màng . 44 2.3.4 ðo phổ hấp thụ . 45 2.3.5 ðo ñáp ứng dòng theo thời gian (I-t) . 45 2.3.6 ðo ñặc trưng J-V . .46 2.4 Phương pháp xác ñịnh hiệu suất của pin mặt trời 46 2.5 Thực nghiệm chế tạo màng TiO2, ZnO, TiO2/CdS và ZnO/CdS . 47 2.5.1 Chế tạo màng TiO2 47 2.5.2 Chế tạo màng ZnO . .48 2.5.3 Chế tạo màng TiO2/CdS và ZnO/CdS . .49 2.6 Tế bào quang ñiện hóa sử dụng ñiện cực TiO2/CdS và ZnO/CdS . 50 2.7 Thử nghiệm chế tạo pin quang ñiện hóa dạng SSSC 51 Kết luận chương 2 . 53 Chương 3 Màng ôxít titan (TiO2) và ôxít titan/sunfua cadimi (TiO2/CdS) .54 3.1 ðặc ñiểm cấu trúc và hình thái học của màng TiO2 54 3.1.1 ðặc ñiểm cấu trúc của màng TiO2 54 3.1.2 Ảnh hưởng của ñiều kiện công nghệ lên cấu trúc của màng TiO2 .55 3.1.2.1 Ảnh hưởng của tốc ñộ lắng ñọng và nhiệt ñộ ủ lên ñặc tính cấu trúc . 55 3.1.2.2 Ảnh hưởng của tốc ñộ lắng ñọng và nhiệt ñộ ủ lên hình thái màng . 60 3.2 Tính chất ñiện, quang, quang ñiện hóa của màng TiO2 63 3.2.1 Nhiệt ñộ ủ ảnh hưởng lên sự ñáp ứng dòng quang ñiệntheo thời gian 63 3.2.2 Tính chất quang của màng TiO2 65 3.3 Tính chất quang ñiện của màng TiO2 67 3.4 Chế tạo và khảo sát các ñặc trưng tính chất của màng TiO2/CdS 68 3.4.1 Cấu trúc và hình thái học của màng TiO2/CdS 68 3.4.2 Phổ hấp thụ của màng TiO2/CdS . 70 3.4.3 ðáp ứng dòng quang ñiện của ñiện cực TiO2và TiO2/CdS khi chiếu sáng 71 3.4.4 Tính chất quang ñiện hóa của màng TiO2/CdS .72 3.5 Ảnh hưởng của hình thái học màng TiO2lên ñặc trưng J-V 7 4 3.6 Ảnh hưởng chiều dày lớp CdS lên ñặc trưng J-V của pin quang ñiện hóa . 75 3.7 Ảnh hưởng chiều dày lớp TiO2lên ñặc trưng J-V của pin quang ñiện hóa 77 Kết luận chương 3 . 81 Chương 4 Màng ôxít kẽm (ZnO) và ôxít kẽm/sunfua cadimi (ZnO/CdS) 82 4.1 ðặc ñiểm cấu trúc và hình thái học của màng ZnO . 82 4.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ủ lên cấu trúc và hình thái học của màng ZnO .83 4.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ủ lên hình thái học của màng 88 4.2 Tính chất ñiện, quang, quang ñiện của màng ZnO 90 4.2.1 Tính chất ñiện của màng ZnO .90 4.2.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ủ lên ñộ dẫn ñiện 90 4.2.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ủ lên sự ñáp ứng dòng quang ñiện . 91 4.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ủ lên tính chất quang của màng ZnO .92 4.2.3 Tính chất quang ñiện của màng ZnO 96 4.3 Chế tạo và ñặc trưng tính chất của màng ZnO/CdS 97 4.3.1 Cấu trúc và hình thái học của màng ZnO/CdS 97 4.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ủ lên cấu trúc màng ZnO/CdS 99 4.4 Phổ hấp thụ của màng ZnO/CdS . 100 4.4.1 Ảnh hưởng của chiều dày CdS lên phổ hấp thụ của màng ZnO/CdS 101 4.4.2 Tính chất quang ñiện hóa của màng ZnO/CdS 102 4.4.3 Cơ chế tách cặp hạt tải tại liên bề mặt CdS/ZnO khiñược chiếu sáng . 103 4.4.4 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ ủ lên tính chất quang ñiện hóa của màng ZnO/CdS . 104 4.5 Sự ñáp ứng dòng quang ñiện của ñiện cực ZnO/CdS . 105 4.6 Ảnh hưởng của chiều dày CdS lên ñặc trưng J-V của pin mặt trời quang ñiện hóa . 106 4.7 Ảnh hưởng chiều dày lớp ZnO lên ñặc trưng J-V của pin mặt trời quang ñiện hóa . 108 4.8 ðiện cực thu ánh sáng là màng ZnO/TiO2 113 4.8.1 Cấu trúc và hình thái học của màng ZnO/TiO2/CdS 114 4.8.2 ðặc trưng J-V của pin quang ñiện hóa sử dụng ñiện cực ZnO/TiO2/CdS . 115 4.9 Linh kiện pin mặt trời quang ñiện hóa SSSC . 116 4.9.1 Linh kiện pin mặt trời SSSC sử dụng chất ñiện ly lỏng 117 4.9.2 Linh kiện pin mặt trời SSSC sử dụng chất ñiện ly rắn 118 4.9.2.1 ðặc trưng J-V của linh kiện ITO/TiO2/MEH-PPV/Au . 118 4.9.2.2 ðặc trưng J-V của linh kiện pin quang ñiện hóa SSSCdạng rắn . 120 Kết luận chương 4 . 122 KẾT LUẬN CHUNG . 124 CÁC CÔNG TRÌNH ðà CÔNG BỐ . 126 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN . . 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 128 MỞ ðẦU Thế kỷ 20 ñã chứng kiến dân số tăng gấp bốn lần và nhu cầu tiêu thụ năng lượng của con người tăng lên 16 lần. Năm 2005, tổngsố năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới vào khoảng 15 TW và dự tính con số này sẽ là 30 TW vào năm 2030. Trên thực tế, hơn 85 % năng lượng sử dụng hiện nay là từ dầu, than ñá và khí tự nhiên. Không những số lượng nhiên liệu có hạn ñó không thể ñáp ứng ñược nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng của con người mà sự ñốt cháy chúng còn làm sinh ra 21,3 tỷ tấn CO 2 mỗi năm [56]. ðiều này góp phần làm trái ñất nóng lên. Vì vậy mà việc tìm kiếm những nguồn năng lượng mới sạch, giá rẻ và dồi dào trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Trong số những nguồn năng lượng mới như năng lượng sinh khối (biomass), gió, nước v.v . thì không có nguồn nănglượng nào có thể ñáp ứng ñược nhu cầu của con người bằng năng lượng vô hạn từ mặt trời. Hàng năm mặt trời mang ñến trái ñất một năng lượng là 120 000 TW [142]. ðiều ñó có nghĩa là nếu năng lượng duy nhất mà con người sử dụng là ñiện mặt trời thì chỉ cần với hiệu suất 10 %, loài người mới dùng hết có 0,1 % số năng lượng ñó [43, 72]. Chính vì tiềm năng to lớn của năng lượng mặt trời mà năm 2007 thếgiới ñã chi 148 tỷ USD (bằng 5 lần năm 2004) ñể tìm cách biến nguồn năng lượng này thành ñiện năng với hiệu suất cao, giá thành thấp [56]. ðể ñiện mặt trời thực sự góp phần ñáng kể vào ñời sống con người như các nguồn năng lượng ñiện khác thì cần phải nâng cao hiệu suất, cải tiến công nghệ chế tạo và không dùng vật liệu ñộc hại [13]. Một trong số các hướng nghiên cứu ñó là pin mặt trời giá rẻ nhằmthay thế các loại pin mặt trời silic truyền thống ñắt tiền. Năm 1991, giáo sư Gratzel ñã phát minh ra loại pin mặt trời dùng chất nhuộm màu DSSC (Dye-Sensitized Solar Cells) với hiệu suất ñạt ñược ~ 11 %. Bộ phận chính của loại pin này là ñiện cực dùng vật liệu bán dẫn TiO 2 nano xốp có tẩm các chất nhuộm màu như cơ kim, hữu cơ. Tuy nhiên theo tính toán lý thuyết, pin DSSC chỉ ñạt hiệu suất tối ña ~20 % [116, 145]. Hơnnữa giá thành của các chất nhuộm rất ñắt tiền. Do ñó việc nghiên cứu thay thế chúng bằng các hạt bán dẫn nano có vùng cấm phù hợp ñã thu hút ñược sự quan tâm của nhiều nhà khoa học 2 trên thế giới. Vì thế mà pin mặt trời SSSC (Semiconductor-Sensitized Solar Cell) ra ñời. Trong loại pin này, người ta sử dụng các hạt bán dẫn nano làm chất nhạy sáng cho ñiện cực ôxít bán dẫn nano xốp TiO 2 và ZnO thay cho chất nhuộm màu. Pin SSSC bắt ñầu ñược chú ý từ khi Serpone và cộng sựchứng minh rằng CdS bám trên các hạt TiO 2 sẽ tiêm ñiện tử vào TiO 2 khi ñược chiếu sáng [111]. Tiềm năng của nó rất lớn bởi khả năng cho hiệu suất cao do có thể ñiều khiển dễ dàng kích thước của các hạt bán dẫn nhạy sáng nhằm hấp thụ toàn bộ phổ bức xạ từ UV ñến khả kiến và hồng ngoại gần [56]. Hiệu suất chuyển ñổi năng lượng cực ñại theo tính toán lý thuyết của pin SSSC lên tới 44 % [116, 145]. Các ưuñiểm trên cho thấy pin SSSC rất có triển vọng là loại pin mặt trời giá rẻ ñồng thời có thể cho hiệu suất cao. Cũng như pin DSSC, ñiện cực ôxít bán dẫn có vùng cấm rộng như TiO2 , ZnO ñóng vai trò hết sức quan trọng trong pin SSSC.Các vật liệu ôxít bán dẫn này khi ñược chế tạo dưới dạng màng có cấu trúc nano sẽdẫn tới sự hình thành mạng lưới các hạt liên kết với nhau cho phép quá trình dẫn ñiện tử có thể diễn ra. ðây ñược xem như là một ñặc tính hết sức quan trọng trong việc nghiên cứu chế tạo các linh kiện quang ñiện tử ñặc biệt là pin mặt trời. Mặt khác cấu trúc nano xốp của các ñiện cực ôxít bán dẫn TiO 2 và ZnO cho phép tăng diện tích tiếp xúc với các hạt nano bán dẫn nhạy sáng thường là CdS, CdSe, InP, PbS, Khi nhúng các ñiện cực nano xốp vào chất ñiện ly sẽ tạo ra diện tích tiếp xúc rất lớn giữa các hạt bán dẫn nhạy sáng với chất ñiện ly hoặc chất dẫn lỗ trống. Khi ñó màng mỏng ôxít ñóng vai trò như một ñiện cực thu ñiện tử. Do ñó việc chế tạo các ñiện cực TiO 2 và ZnO cấu trúc nano có các tính chất quang ñiện phù hợp cho việc tách và vận chuyển ñiện tử là ñiều hết sức cần thiết cho pin mặt trời quang ñiện hóa dạng SSSC. ðây cũng là mục tiêu chính của luận án. Ở Việt Nam việc nghiên cứu chế tạo vật liệu ôxít bán dẫn như TiO 2 và ZnO có cấu trúc nano ñã ñược tiến hành nghiên cứu nhằm mục ñích chế tạo các loại sensors, hay các vật liệu phát quang. Tuy nhiên việc nghiên cứu chế tạo các vật liệu màng mỏng TiO2 và ZnO cấu trúc nano có các tính chất phù hợp với yêu cầu của việc chế tạo linh kiện pin mặt trời chưa ñược quan tâm nhiều. 3 Chính vì vậy chúng tôi chọn ñề tài: “Chế tạo và khảo sát các tính chất của màng ôxít titan (TiO2 ),ôxít kẽm (ZnO) cấu trúc nano ứng dụng làm ñiện cực thu ñiện tử trong pin mặt trời quang ñiện hóa ”. Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu chế tạo ñiện cực thu ñiện tử trên cơ sở các màng mỏng TiO 2 và ZnO cấu trúc nano làm tiền ñề cho việc nghiên cứu chế tạo các linh kiện pin mặt trời dạng SSSC. Nội dung nghiên cứu:
Chế tạo màng mỏng vật liệu các ôxít bán dẫn titan (TiO 2 ) và ôxít kẽm (ZnO) cấu trúc nano có ñộ ñồng ñều cao, có các tínhchất ñiện, quang phù hợp với mục ñích sử dụng làm ñiện cực thu ñiện tử cho pin mặt trời dạng SSSC.
Chế tạo màng TiO2 /CdS và ZnO/CdS với yêu cầu CdS có thể thẩm thấu sâu trong màng TiO 2 và ZnO. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ ñến hai ñiện cực TiO 2 /CdS và ZnO/CdS làm thay ñổi các thông số ñặc trưng của pin mặt trời quang ñiện hóa dạng SSSC. Từ ñó tìm ra qui trình công nghệ phù hợp nhất.
Thử nghiệm chế tạo và khảo sát các thông số ñặc trưng của linh kiện pin quang ñiện hóa dạng SSSC dựa trên các ñiện cực ôxít bán dẫn ñược tẩm chất nhạy sáng là các hạt bán dẫn CdS chế tạo ñược. ðối tượng nghiên cứu của luận án: Ôxít titan (TiO2 ) và ôxít kẽm (ZnO). Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu ñược sử dụng trong luận án là phương pháp thực nghiệm. Các mẫu màng ñược chế tạo bằng hai phương pháp bốc bay nhiệt và bốc bay chùm tia ñiện tử kết hợp quá trình xử lý nhiệt. Hình thái, cấu trúc tinh thể và các tính chất của vật liệu ñược nghiên cứu bằng các phương pháp chụp ảnh dùng kính hiển vi ñiện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X, phổ hấp thụ UVVIS, phương pháp ño Hall. Các ñặc trưng của pin mặt trời quang ñiện hóa ñược khảo sát chủ yếu bằng phương pháp ño ñặc trưng J-Vkhi chiếu sáng. 4 Tính mới và ý nghĩa khoa học của luận án:
Bằng phương pháp truyền thống, ñã chế tạo ñược màngmỏng cấu trúc nano xốp ñối với hai vật liệu ôxít titan (TiO 2 ) và ôxít kẽm (ZnO) có ñộ sạch cao, bám ñế tốt. Các màng mỏng ôxít bán dẫn này có cấu trúc ñáp ứng yêu cầu làm ñiện cực dẫn ñiện tử trong suốt cho pin mặt trời dạng SSSC.
Với việc chế tạo thành công lớp CdS cấu trúc nano ñóng vai trò là chất nhạy sáng thẩm thấu trong màng TiO 2và ZnO, ñiện cực TiO 2 /CdS, ZnO/CdS ñã mở rộng phổ hấp thụ ñến vùng khả kiến. ðiều ñó có thể cho phép nâng cao hiệu suất của các linh kiện quang ñiện.
ðã thử nghiệm chế tạo một số cấu trúc pin mặt trời SSSC dùng chất ñiện ly lỏng và chất ñiện ly rắn, ño các thông số của pin: như thế hở mạch, dòng nối tắt, hiệu suất.
Các kết quả của luận án có thể so sánh ñược với kếtquả của một số công bố trên thế giới gần ñây và làm cơ sở khoa học ban ñầucho hướng nghiên cứu tiếp theo về loại pin mặt trời thế hệ mới này. Bố cục của luận án: Luận án gồm có 142 trang trong ñó có 94 hình vẽ, ñồthị và 22 bảng biểu, 149 tài liệu tham khảo ñược chia thành 4chương. Cụ thể như sau: Chương 1: Pin mặt trời quang ñiện hóa dạng SSSC-Vật liệu ôxít titan (TiO 2 ) và ôxít kẽm (ZnO) Chương 2: Công nghệ, các kỹ thuật phân tích và thực nghiệm chế tạo màng mỏng Chương 3: Màng mỏng ôxít titan (TiO 2 ) và ôxít titan/sunfua cadimi (TiO 2 /CdS) Chương 4: Màng mỏng ôxít kẽm (ZnO) và ôxít kẽm/sunfua cadimi (ZnO/CdS) Các kết quả chính của luận án ñược công bố trong 8 bài báo ở các tạp chí, kỷ yếu hội nghị khoa học chuyên ngành trong và ngoài nước. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Nguyễn Ngọc Long (2007), Vật lý chất rắn, NXB ðại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội. 2. Ngô Quốc Quyền (2005), Tích trữ và chuyển hóa năng lượng hóa học, vật liệu và công nghệ, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội. 3. ðặng ðình Thống (2006), Pin mặt trời và ứng dụng, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. Tiếng Anh 4. Acik I. Oja, Katerski A., Mere A., Aarik J., Aidla A., Dedova T., Krunks M. (2009), "Nanostructured solar cell by spray pyrolysis: Effect of titania barrier layer on the cell performance", Thin Solid Films 517, pp.2443-2447. 5. Ahn Y. U., Kim E. J., Kim H. T., Hahn S. H. (2003), "Variation of structural and optical properties of sol-gel TiO 2 thin films with catalyst concentration and calcination temperature", Materials Letters 57, pp.4660-4666. 6. Ali YildIrIm M., Ates A. (2010), "Influence of films thickness and structure on the photo-response of ZnO films", Optics Communications 283, pp.1370-1377. 7. Amor S. B., Guedri L., Baud G., Jacquet M., Ghedira M. (2003), "Influence of the temperature on the properties of sputtered titanium oxide films", Materials Chemistry and Physics 77, pp.903-911. 8. Assim E. M. (2008), "Optical constants of TiO 1.7 thin films deposited by electron beam gun", Journal of Alloys and Compounds 463, pp.55-61. 9. Badawy W., Decker F., Doblhofer K. (1983), "Preparation and properties of Si/SnO 2 heterojunctions", Solar Energy Materials & Solar Cells 8, pp.363-369. 10. Bahedi K., Addou M., Jouad M. E., Sofiani Z., Oauzzani H. E., Sahraoui B. (2011), "Influence of strain/stress on the nonlinear-optical properties of sprayed deposited ZnO:Al thin films", Applied Surface Science 257, pp.8003-8005. 129 11. Baker D. R., Kamat P. V. (2009), "Photosensitization of TiO 2 Nanostructures with CdS Quantum Dots: Particulate versus Tubular Support Architectures", Advanced Functional Materials 19, pp.805-811. 12. Banfiel J. F., Veblen D. R. (1992), "Conversion of perovskite to anatase and TiO 2 (B): a TEM study and the use of fundamental building blocks for under- -standing relationships among the TiO 2 minerals", American Mineralogist 77, pp. 545-557. 13. Barnham K. W. J., Mazzer M., Clive B. (2006), "Resolving the energy crisis: nuclear or photovoltaics?", Nature Materials 5, pp.161-164. 14. Bentes L., Ayouchi R., Santos C., Schwarz R., Sanguino P., Conde O., Peres M., Monteiro T., Teodoro O. (2007), "ZnO films grown by laser ablation with and without oxygen CVD", Superlattices and Microstructures 42, pp.152-157. 15. Boschloo G., Edvinsson T., Hagfeldt A., Tetsuo S. (2006), Dye-Sensitized Nanostructured ZnO Electrodes for Solar Cell Applications, Elsevier, Amsterdam, pp. 227-254. 16. Breeze A. J., Schlesinger Z., Carter S. A., Brock P. J. (2001), "Charge transport in TiO 2 /MEH-PPV polymer photovoltaics", Physical Review B 64, pp.125205-9. 17. Brown W. D., Grannemann W. W. (1978), "C-V characteristics of metal-titanium dioxidesilicon capacitors", Solid-State Electronics, 21, pp.837-846. 18. Castañeda L., Alonso J. C., Ortiz A., Andrade E., Saniger J. M., Bañuelos J. G. (2003), "Spray pyrolysis deposition and characterization of titanium oxide thin films", Materials Chemistry and Physics 77, pp.938-944. 19. Curran J. S., Lamouche D. (1983), "Transport and kinetics in photoelectrolysis by semiconductor particles in suspension", The Journal of Physical Chemistry 87, pp.5405-5411. 20. Chang C.-H., Lee Y.-L. (2007), "Chemical bath deposition of CdS quantum dots onto mesoscopic TiO 2 films for application in quantum-dot-sensitized solar cells", Applied Physics Letters 91, p053503.

i LỜI CẢM ƠN Em xin cảm ơn TS. Phạm Duy Long và PGS.TS. Phạm Văn Hội ñã hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn các cán bộ nghiên cứu trong Phòng Vật liệu và Linh kiện năng lượng-Viện Khoa học vật liệu-Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam ñã giúp ñỡ tôi trong thời gian làm nghiên cứu sinh ở ñó. Tôi xin ñược cảm ơn GS.TS. ðào Trần Cao, PGS.TS. Lê Văn Hồng, PGS. TS. Nguyễn Hữu Lâm, TS. ðỗ Hùng Mạnh, TS. Phạm Văn Vĩnh, NCS. ðặng Văn Thành và các giảng viên, nghiên cứu viên thuộc những ñơn vị sau ñây:  Phòng thí nghiệm trọng ñiểm-Viện Khoa học vật liệu- Viện KH&CN Việt Nam;  Phòng Vật lý Vật liệu từ và Siêu dẫn-Viện Khoa học vật liệu-Viện KH&CN Việt Nam;  Viện Vật lý kỹ thuật, Trường ðại học Bách khoa Hà Nội;  Phòng Vật liệu và Ứng dụng quang sợi-Viện Khoa học vật liệu-Viện KH&CN Việt Nam;  Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, Trường ðại học Công nghệ-ðại học Quốc gia Hà Nội;  Khoa Vật lý,Trường ðại học Khoa học Tự nhiên-ðại học Quốc gia Hà Nội;  Khoa Khoa học vật liệu và Kỹ thuật, Trường ðại học Quốc gia Chiao Tung Hsin Chu, ðài Loan;  Khoa Vật lý, Trường ðại học Sư phạm Hà Nội. ñã có những góp ý quí báu, tìm kiếm tài liệu và thực hiện các phép ño cho tôi trong thời gian làm luận án. Tôi xin cảm ơn Trường ðại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội ñã tạo ñiều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian tôi làm nghiên cứu sinh. Cuối cùng, nhưng không kém phần quan trọng ñó là vợ và các con tôi ñã ñộng viên, giúp ñỡ và dõi theo từng bước ñi của tôi trong suốt thời gian làm luận án này. Xin cảm ơn sự giúp ñỡ to lớn của tất cả mọi người! ii LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Duy Long và PGS. TS. Phạm Văn Hội. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án ðặng Trần Chiến iii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT xv MỞ ĐẦU i Chương 1 Pin mặt trời quang ñiện hóa dạng SSSC-Vật liệu ôxít titan (TiO 2 ) và ôxít kẽm (ZnO) 5 1.1 Pin mặt trời quang điện hóa dạng SSSC 5 1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển của pin mặt trời 5 1.1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của pin mặt trời quang điện hóa SSSC 10 1.1.3 Các đại lượng đặc trưng của pin mặt trời 20 1.2 Một số tính chất cơ bản của vật liệu ôxít titan (TiO 2 ) và ôxít kẽm (ZnO) 22 1.2.1 Vật liệu ôxít titan (TiO 2 ) 22 1.2.2 Vật liệu ôxít kẽm (ZnO) 25 1.3 Vật liệu bán dẫn nhạy sáng CdS trong pin mặt trời quang điện hóa SSSC 26 1.4 Ảnh hưởng của các điều kiện công nghệ lên tính chất của màng mỏng TiO 2 và ZnO 28 1.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên hình thái cấu trúc 28 1.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên tính chất quang 30 1.5 Ảnh hưởng của các tính chất màng mỏng TiO 2 và ZnO cấu trúc nano lên hiệu suất của pin mặt trời quang điện hóa 31 1.5.1 Ảnh hưởng của hình thái học 31 1.5.2 Ảnh hưởng của độ xốp 34 1.5.3 Ảnh hưởng của chiều dày màng 36 iv 1.6 Ảnh hưởng của TiO 2 pha anatase và rutile 38 Kết luận chương 1 39 Chương 2 Công nghệ, kỹ thuật phân tích và thực nghiệm chế tạo màng mỏng .40 2.1 Các phương pháp chế tạo màng mỏng 40 2.1.1 Phương pháp bốc bay nhiệt 41 2.1.2 Phương pháp bốc bay chùm tia điện tử 42 2.2 Phương pháp oxy hóa nhiệt 42 2.3 Các kỹ thuật phân tích 43 2.3.1 Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét 43 2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X 43 2.3.3 Phép đo chiều dày màng 44 2.3.4 Đo phổ hấp thụ 45 2.3.5 Đo đáp ứng dòng theo thời gian (I-t) 45 2.3.6 Đo đặc trưng J-V 46 2.4 Phương pháp xác định hiệu suất của pin mặt trời 46 2.5 Thực nghiệm chế tạo màng TiO 2 , ZnO, TiO 2 /CdS và ZnO/CdS 47 2.5.1 Chế tạo màng TiO 2 47 2.5.2 Chế tạo màng ZnO 48 2.5.3 Chế tạo màng TiO 2 /CdS và ZnO/CdS 49 2.6 Tế bào quang điện hóa sử dụng điện cực TiO 2 /CdS và ZnO/CdS 50 2.7 Thử nghiệm chế tạo pin quang điện hóa dạng SSSC 51 Kết luận chương 2 53 Chương 3 Màng ôxít titan (TiO 2 ) và ôxít titan/sunfua cadimi (TiO 2 /CdS) 54 3.1 Đặc điểm cấu trúc và hình thái học của màng TiO 2 54 3.1.1 Đặc điểm cấu trúc của màng TiO 2 54 3.1.2 Ảnh hưởng của điều kiện công nghệ lên cấu trúc của màng TiO 2 55 3.1.2.1 Ảnh hưởng của tốc độ lắng đọng và nhiệt độ ủ lên đặc tính cấu trúc 55 3.1.2.2 Ảnh hưởng của tốc độ lắng đọng và nhiệt độ ủ lên hình thái màng 60 3.2 Tính chất điện, quang, quang điện hóa của màng TiO 2 63 v 3.2.1 Nhiệt độ ủ ảnh hưởng lên sự đáp ứng dòng quang điện theo thời gian 63 3.2.2 Tính chất quang của màng TiO 2 65 3.3 Tính chất quang điện của màng TiO 2 67 3.4 Chế tạo và khảo sát các đặc trưng tính chất của màng TiO 2 /CdS 68 3.4.1 Cấu trúc và hình thái học của màng TiO 2 /CdS 68 3.4.2 Phổ hấp thụ của màng TiO 2 /CdS 70 3.4.3 Đáp ứng dòng quang điện của điện cực TiO 2 và TiO 2 /CdS khi chiếu sáng 71 3.4.4 Tính chất quang điện hóa của màng TiO 2 /CdS 72 3.5 Ảnh hưởng của hình thái học màng TiO 2 lên đặc trưng J-V 74 3.6 Ảnh hưởng chiều dày lớp CdS lên đặc trưng J-V của pin quang điện hóa 75 3.7 Ảnh hưởng chiều dày lớp TiO 2 lên đặc trưng J-V của pin quang điện hóa 77 Kết luận chương 3 81 Chương 4 Màng ôxít kẽm (ZnO) và ôxít kẽm/sunfua cadimi (ZnO/CdS) 82 4.1 Đặc điểm cấu trúc và hình thái học của màng ZnO 82 4.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên cấu trúc và hình thái học của màng ZnO 83 4.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên hình thái học của màng 88 4.2 Tính chất điện, quang, quang điện của màng ZnO 90 4.2.1 Tính chất điện của màng ZnO 90 4.2.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên độ dẫn điện 90 4.2.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên sự đáp ứng dòng quang điện 91 4.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên tính chất quang của màng ZnO 92 4.2.3 Tính chất quang điện của màng ZnO 96 4.3 Chế tạo và đặc trưng tính chất của màng ZnO/CdS 97 4.3.1 Cấu trúc và hình thái học của màng ZnO/CdS 97 4.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên cấu trúc màng ZnO/CdS 99 4.4 Phổ hấp thụ của màng ZnO/CdS 100 4.4.1 Ảnh hưởng của chiều dày CdS lên phổ hấp thụ của màng ZnO/CdS 101 4.4.2 Tính chất quang điện hóa của màng ZnO/CdS 102 4.4.3 Cơ chế tách cặp hạt tải tại liên bề mặt CdS/ZnO khi được chiếu sáng 103 vi 4.4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên tính chất quang điện hóa của màng ZnO/CdS . 104 4.5 Sự đáp ứng dòng quang điện của điện cực ZnO/CdS 105 4.6 Ảnh hưởng của chiều dày CdS lên đặc trưng J-V của pin mặt trời quang điện hóa . 106 4.7 Ảnh hưởng chiều dày lớp ZnO lên đặc trưng J-V của pin mặt trời quang điện hóa . 108 4.8 Điện cực thu ánh sáng là màng ZnO/TiO 2 113 4.8.1 Cấu trúc và hình thái học của màng ZnO/TiO 2 /CdS 114 4.8.2 Đặc trưng J-V của pin quang điện hóa sử dụng điện cực ZnO/TiO 2 /CdS 115 4.9 Linh kiện pin mặt trời quang điện hóa SSSC 116 4.9.1 Linh kiện pin mặt trời SSSC sử dụng chất điện ly lỏng 117 4.9.2 Linh kiện pin mặt trời SSSC sử dụng chất điện ly rắn 118 4.9.2.1 Đặc trưng J-V của linh kiện ITO/TiO 2 /MEH-PPV/Au 118 4.9.2.2 Đặc trưng J-V của linh kiện pin quang điện hóa SSSC dạng rắn 120 Kết luận chương 4 122 KẾT LUẬN CHUNG 124 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 126 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO 128 vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của pin mặt trời truyền thống. a) Tiếp xúc pn khi đạt trạng thái cân bằng; b) Sơ đồ năng lượng khi chiếu sáng [134]. 6 Hình 1.2: Hiệu suất của các loại pin mặt trời trong phòng thí nghiệm trên thế giới [106]. 10 Hình 1.3: Cấu tạo của pin mặt trời quang điện hóa 11 Hình 1.4: Nguyên lý làm việc của pin mặt trời quang điện hóa. Trong đó S 0 , S*, S + là các trạng thái cơ bản, kích thích và oxy hóa của các phân tử nhuộm màu. 1,2,3,4,5 là các quá trình sinh, tách, vận chuyển, trao đổi hạt tải và nhận lỗ trống. 13 Hình 1.5: Các bước cơ bản của việc sinh cặp hạt tải do chiếu sáng [51]. 15 Hình 1.6: Sự hình thành lớp điện tích không gian tại bề mặt bán dẫn và dung dịch: (a) vùng phẳng, (b) lớp tập trung, (c) lớp nghèo, (d) lớp nghịch đảo. 16 Hình 1.7: Giản đồ cấu trúc vùng năng lượng của tiếp xúc giữa hạt nano tinh thể ôxít TiO 2 và nano tinh thể bán dẫn CdS [125]. 19 Hình 1.8: Các quá trình di chuyển của điện tử trong điện cực TiO 2 nano xốp khi nhúng trong chất điện ly [49]. 20 Hình 1.9: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời. 21 Hình 1.10: a) Đặc trưng sáng của pin mặt trời. b) Sự ảnh hưởng của R sh và R s lên FF của pin mặt trời 22 Hình 1.11: Ô cơ sở và các thông số cấu trúc của pha: a) Anatase; b) Rutile. 24 Hình 1.12: Cấu trúc tinh thể của ZnO. (a) Lập phương kiểu NaCl; (b) Lập phương giải kẽm; (c) Lục giác kiểu wurtzite [97]. 26 Hình 1.13: Cấu trúc lập phương (a); cấu trúc lục giác (b) của CdS. 27 Hình 1.14: Ảnh SEM của màng ZnO ở các nhiệt độ ủ: (a) 600 0 C, (b) 750 0 C, (c) 900 0 C và (d) 1050 0 C [68]. 28 Hình 1.15: Ảnh SEM của màng TiO 2 chế tạo bằng phương pháp sol-gel ủ ở các nhiệt độ khác nhau [5]. 29 viii Hình 1.16: Sự ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên kích thước hạt và độ rộng vùng cấm của màng TiO 2 [88]. 30 Hình 1.17: Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên độ rộng vùng cấm của màng ZnO [6]. 31 Hình 1.18: Ảnh SEM của màng ZnO (a), ZnO/CdS (b) và đặc trưng J-V của pin SSSC dùng điện cực ZnO/CdS [23]. 32 Hình 1.19: Ảnh SEM của màng ZnO cấu trúc ống nano và đặc trưng J-V của pin DSSC dùng điện cực ống nano ZnO/N3 [78]. 32 Hình 1.20: Ảnh SEM bề mặt màng ZnO 2D (1); (2) đặc trưng J-V của pin SSSC dùng màng đơn lớp 2D (a) đa lớp 2D (b) [22]. 33 Hình 1.21: Màng ZnO cấu trúc thanh nano (a), “hoa” nano (b) và đặc trưng J-V sáng tương ứng (c) [62]. 33 Hình 1.22: a) Đặc trưng J-V của pin DSSC với các điện cực có độ dày khác nhau; b) Ảnh hưởng của độ dày điện cực lên V OC và J SC [93]. 36 Hình 1.23: a) Hiệu suất chuyển đổi quang điện phụ thuộc vào độ dày màng TiO 2 [143]; b) Sự phụ thuộc của J SC và V OC vào chiều dày của màng TiO 2 của một pin DSSC dùng chất nhuộm màu là thuốc đỏ [53]. 37 Hình 1.24: Ảnh bề mặt màng TiO 2 pha rutile (a), anatase (b) và đặc trưng J-V của linh kiện pin DSSC dùng điện cực thu điện tử tương ứng [30, 99]. 38 Hình 2.1: (a) Thiết bị đo chiều dày bằng dao động thạch anh; (b) Ảnh SEM mặt cắt của màng TiO 2 cho biết độ dày màng. 45 Hình 2.2: Mô hình màng ôxít bán dẫn TiO 2 hoặc ZnO được bốc điện cực nhôm. 46 Hình 2.3: Đường đặc trưng J-V sáng của một pin mặt trời quang điện hóa (a); Đồ thị sự phụ thuộc của công suất ra P vào hiệu điện thế V (b). 47 Hình 2.4: Sơ đồ cấu tạo của tế bào quang điện hóa. 51 Hình 2.5: Ảnh chụp màng ITO/ZnO (a), điện cực ITO/ZnO/CdS (b). 51 Hình 2.6: Qui trình lắp ráp linh kiện ITO/ ZnO/CdS/điện ly/Au 52 ix Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng Ti bốc bay bằng chùm tia điện tử kết hợp với quá trình ủ nhiệt. 54 Hình 3.2: a) Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu T1, T2, T3 và b) mẫu T4, T5. 56 Hình 3.3: Sự phụ thuộc của hằng số mạng vào nhiệt độ ủ của các mẫu T1, T2, T3. 58 Hình 3.4: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng Ti lắng đọng ở tốc độ 1 nm/s và ủ ở các nhiệt độ 350 0 C (mẫu T6), 400 0 C (mẫu T7), 450 0 C (mẫu T8). 58 Hình 3.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ lên tỷ số c/a của các mẫu T1,T2,T3 (tốc độ lắng đọng màng Ti 0,15 nm/s) và T6, T7, T8 (tốc độ lắng đọng màng Ti 1 nm/s). 60 Hình 3.6: Ảnh SEM bề mặt và cạnh của các mẫu (a,b) T1; (c,d) T2; (e,f) T3; (g,h) T5. 61 Hình 3.7: Ảnh SEM bề mặt và cắt ngang của màng Ti ủ tại các nhiệt độ: (a,b) T6 (tốc độ lắng đọng màng Ti 1 nm/s, nhiệt độ ủ 350 0 C); (c,d) T7 (tốc độ lắng đọng màng Ti 1nm/s, nhiệt độ ủ 400 0 C); (e,f) T8 (tốc độ lắng đọng màng Ti 1nm/s, nhiệt độ ủ 450 0 C). 62 Hình 3.8: Đồ thị (I-t) của các mẫu T1,T2,T3,T6,T7,T8. 64 Hình 3.9: Phổ hấp thụ của: 1) Các mẫu T1, T2, T3 và 2) Các mẫu T6, T7, T8. 65 Hình 3.10: 1) Đồ thị biểu diễn (αdhυ) 1/2 theo hàm f(hυ) của các mẫu T1, T2, T3) và 2) mẫu T6, T7, T8. 66 Hình 3.11: Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và tốc độ lắng đọng màng Ti lên độ rộng vùng cấm của mẫu màng TiO 2 . 66 Hình 3.12: Đồ thị đặc trưng J-V sáng của các mẫu T3 và mẫu T8 67 Hình 3.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng TiO 2 /CdS. 69 Hình 3.14: Ảnh SEM của màng TiO 2 /CdS. (a) bề mặt, (b) mặt cắt ngang. 69 Hình 3.15: Phổ hấp thụ UV-VIS của màng TiO 2 /CdS, với các độ dày khác nhau của CdS. 70 Hình 3.16: Đồ thị đáp ứng dòng khi chiếu sáng của điện cực ITO/TiO 2 (a) và ITO/TiO 2 /CdS (b). 71 x Hình 3.17: Đặc trưng J-V khi chiếu sáng điện cực TiO 2 và TiO 2 /CdS 73 Hình 3.18: Giản đồ năng lượng của cấu hình pin quang điện hóa sử dụng điện cực TiO 2 /CdS. 74 Hình 3.19: Đồ thị đặc trưng J-V sáng của điện cực TiO 2 /CdS (TiO 2 là mẫu T3- b, T8-a). 75 Hình 3.20: Đặc trưng J-V sáng của điện cực TiO 2 /CdS với chiều dày lớp CdS lần lượt là a) 0 nm, b) 10 nm, c) 30 nm, d) 70 nm, e) 140 nm, f) 200 nm, g) 300 nm [125]. 76 Hình 3.21: Đồ thị sự phụ thuộc của thế hở mạch và dòng ngắn mạch của pin quang điện hóa sử dụng điện cực TiO 2 /CdS vào các độ dày khác nhau của màng CdS. 77 Hình 3.22: Đặc trưng J-V sáng của màng TiO 2 /CdS với độ dày của lớp TiO 2 khác nhau. Đường a, b, c, d, e lần lượt tương ứng với độ dày 120 nm, 320 nm, 60 nm, 220 nm, 520 nm. 78 Hình 3.23: Đồ thị sự phụ thuộc của V OC và J SC vào chiều dày lớp TiO 2 . 78 Hình 3.24: Độ xốp của màng TiO 2 (mẫu T8) phụ thuộc vào chiều dày. 80 Hình 4.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng ZnO bốc bay nhiệt kết hợp ủ nhiệt. 82 Hình 4.2: Ảnh SEM bề mặt (a) và cạnh (b) của màng ZnO. 83 Hình 4.3: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng Zn ủ tại các nhiệt độ khác nhau. 84 Hình 4.4: Sự phụ thuộc của ứng suất vào nhiệt độ ủ màng Zn. 86 Hình 4.6: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng ZnO ở các độ dày khác nhau (a); Sự phụ thuộc của ứng suất vào độ dày màng (b). 87 Hình 4.5: Sự phụ thuộc của kích thước hạt nano tinh thể vào nhiệt độ ủ. 87 Hình 4.7: Ảnh SEM bề mặt của các màng Z3, Z4, Z5. 89 Hình 4.8: Ảnh SEM màng Z4 ở độ phóng đại 50 ngàn lần. 89 Hình 4.9: Đồ thị I-V của màng ZnO khi chiếu ánh sáng khác nhau. 91 Hình 4.10: Đồ thị (I-t) của màng ZnO ở các nhiệt độ ủ khác nhau 92 Hình 4.11: Phổ hấp thụ UV-VIS và độ rộng vùng cấm tính từ các đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của (αdhν) 2 vào f(hν) của màng ZnO dày ~600 nm (1,2); Màng ZnO dày 800 nm (3,4); Màng ZnO dày ~1200 nm (5,6). 93 [...]... t o các v t li u màng m ng TiO2 và ZnO c u trúc nano có các tính ch t phù h p v i yêu c u c a vi c ch t o linh ki n pin m t tr i chưa ñư c quan tâm nhi u 3 Chính vì v y chúng tôi ch n ñ tài: “Ch t o và kh o sát các tính ch t c a màng ôxít titan (TiO2) ,ôxít k m (ZnO) c u trúc nano ng d ng làm ñi n c c thu ñi n t trong pin m t tr i quang ñi n hóa ” M c tiêu c a lu n án: Nghiên c u ch t o ñi n c c thu. .. PVD : L ng ñ ng pha hơi v t lý PEC : T bào quang ñi n hóa QDSC : Pin m t tr i dùng ch m lư ng t làm ch t nh y quang Redox : C p oxy hóa kh SSSCs : Pin m t tr i dùng ch t bán d n làm ch t nh y quang SEI : B m t ti p xúc gi a bán d n và ch t ñi n ly TCO : Màng ôxít d n ñi n trong su t XRD : Nhi u x tia X WE : ði n c c làm vi c 2 Các ký hi u ρ : ði n tr su t λ : Bư c sóng η : Hi u su t α : H s h p th ω :T... (TiO2) và ôxít k m (ZnO) Chương 2: Công ngh , các k thu t phân tích và th c nghi m ch t o màng m ng Chương 3: Màng m ng ôxít titan (TiO2) và ôxít titan/ sunfua cadimi (TiO2/CdS) Chương 4: Màng m ng ôxít k m (ZnO) và ôxít k m/sunfua cadimi (ZnO/CdS) Các k t qu chính c a lu n án ñư c công b trong 8 bài báo y u h i ngh khoa h c chuyên ngành trong và ngoài nư c các t p chí, k 5 Chương 1 PIN M T TR I QUANG. .. n t trên cơ s các màng m ng TiO2 và ZnO c u trúc nano làm ti n ñ cho vi c nghiên c u ch t o các linh ki n pin m t tr i d ng SSSC N i dung nghiên c u: Ch t o màng m ng v t li u các ôxít bán d n titan (TiO2) và ôxít k m (ZnO) c u trúc nano có ñ ñ ng ñ u cao, có các tính ch t ñi n, quang phù h p v i m c ñích s d ng làm ñi n c c thu ñi n t cho pin m t tr i d ng SSSC Ch t o màng TiO2/CdS và ZnO/CdS v i... ns hν : Năng lư ng ánh sáng xvi Eg : ð r ng vùng c m quang JSC : M t ñ dòng ng n m ch VOC : Th h m ch q : ði n tích R : ði n tr R : ði n tr vuông I : Cư ng ñ dòng ñi n V : Hi u ñi n th FF : H s ñi n ñ y Rsh : ði n tr sơn Rs : ði n tr n i ti p T : Nhi t ñ t : Th i gian d : ð dày màng Pmax : Công su t c c ñ i µe : ð linh ñ ng c a ñi n t µh : ð linh ñ ng c a l tr ng e- : ði n t eh : : L tr ng ε : Bi n... BI U B ng 1. 1: M t vài tính ch t quan tr ng c a TiO2 pha anatase và rutile 23 B ng 1. 2: Các tính ch t c a ZnO c u trúc wurtzite [100] 25 B ng 1. 3: M t s tính ch t c a CdS [60] 27 B ng 1. 4: Các ñ c trưng c a pin DSSC ph thu c vào ñ x p màng TiO2 34 B ng 1. 5: Di n tích và ñ x p c a màng TiO2 ph thu c vào nhi t ñ [66] 35 B ng 1. 6: Các ñ i lư ng ñ c trưng c a pin DSSC s d... Hall Các ñ c trưng c a pin m t tr i quang ñi n hóa ñư c kh o sát ch y u b ng phương pháp ño ñ c trưng J-V khi chi u sáng 4 Tính m i và ý nghĩa khoa h c c a lu n án: B ng phương pháp truy n th ng, ñã ch t o ñư c màng m ng c u trúc nano x p ñ i v i hai v t li u ôxít titan (TiO2) và ôxít k m (ZnO) có ñ s ch cao, bám ñ t t Các màng m ng ôxít bán d n này có c u trúc ñáp ng yêu c u làm ñi n c c d n ñi n t trong. .. halogen và ñèn UV 97 B ng 4. 5: VOC và JSC ph thu c vào nhi t ñ c a ñi n c c ZnO/CdS 104 B ng 4. 6: S ph thu c c a ñ dày l p CdS trong ñi n c c ZnO/CdS lên hi u su t c a t bào quang ñi n hóa 107 B ng 4. 7: Hi u su t c a t bào quang ñi n hóa ph thu c vào ñ dày c a màng ZnO trong ñi n c c ZnO/CdS (ñ dày CdS ~70 nm) 109 B ng 4. 8: Các thông s ño J-V c a linh ki n pin. .. DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ CH VI T T T 1 Các ch vi t t t CE : ði n c c ñ i CVD : L ng ñ ng pha hơi hoá h c CBD : L ng ñ ng hóa h c Dye : Ch t (nh y) nhu m màu DSSC : pin m t tr i dùng ch t nh y quang HOMO : Qu ñ o phân t ñi n ñ y cao nh t ITO : Màng m ng d n ñi n trong su t (In2O3:Sn) JCPDS : Th tiêu chu n v gi n ñ nhi u x tia X LUMO : Qu ñ o phân t không ñi n ñ y th p nh t nc : Tinh th kích thư c nano mét... Hình 1. 3: C u t o c a pin m t tr i quang ñi n hóa ði n c c làm vi c (Photoanode ): Trong pin m t tr i quang ñi n hóa PEC, ñi n c c làm vi c ñóng vai trò quy t ñ nh ñ n hi u su t c a linh ki n Nó g m hai thành ph n chính Thành ph n th nh t là l p màng m ng ôxít bán d n c u trúc nano x p như ôxít bán d n TiO2 và ZnO ñư c ph lên ñi n c c trong su t d n ñi n (ITO ho c FTO) Nó ñóng vai trò là l p thu và v n . chất của màng ôxít titan (TiO 2 ) ,ôxít kẽm (ZnO) cấu trúc nano ứng dụng làm ñiện cực thu ñiện tử trong pin mặt trời quang ñiện hóa ”. Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu chế tạo ñiện cực thu. 1. 3: Cấu tạo của pin mặt trời quang điện hóa 11 Hình 1. 4: Nguyên lý làm việc của pin mặt trời quang điện hóa. Trong đó S 0 , S*, S + là các trạng thái cơ bản, kích thích và oxy hóa của các. liệu các ôxít bán dẫn titan (TiO 2 ) và ôxít kẽm (ZnO) cấu trúc nano có độ đồng đều cao, có các tính chất điện, quang phù hợp với mục đích sử dụng làm điện cực thu điện tử cho pin mặt trời dạng