Luận án tiến sĩ vật lý tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử cdse ứng dụng trong pin mặt trời

i T LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi u nh Thành PGS.T i h ng dẫn t PGS.TS Lâm Quang Vinh Các số liệu, kết luận án trung thực ch a đ c cơng ố cơng trình khác Trong qu trình thực luận n tơi đ qu c c T chức Thầy ô c c Tôi xin đ n c nhiều quan tâm gi p đ c viên inh viên c bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến ia đình ng nghiệp u nh Thành T PGS.TS Lâm Quang Vinh, ng ời thầy nhiệt tình h t ng dẫn suốt thời gian làm nghiên cứu khoa h c, hết lịng gi p đ tơi vật chất tinh thần thời gian làm nghiên cứu sinh để tơi hồn thành luận án Tơi xin trân tr ng cảm ơn h c Tự nhiên tr ờng nghiệm a ứng ih c ih c uốc ng Th p ng tr ng điểm ia T Tr ờng môn quang h c ứng ih c ng hoa hòng th t o điều kiện thuận l i cho tơi qu trình thực luận án Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.T phòng h a l ứng ng gi p đ thiết guy n Th i oàng c c anh ch mt i th nghiệm t o điều iện thuận l i cho qu trình thực luận n Sau cùng, tơi xin cảm ơn gia đình ng ời thân, b n đ c iệt v ủng h h tr suốt thời gian làm nghiên cứu sinh Tác giả luận án T T ii T M C C T Trang …………………………………………………………………… … M …………………………………………………………………………… ii ………………………………….……….vi ………………………………………………………………viii ………………………………… …………………ix Ầ h ơng s l thuyết T Y T s iệu ứng giam giữ l s ng t vật liệu 1.1.2 Mô hình lý thuyết khối l T nh chất quang Ề s n ẫn ng hiệu d ng s 1.1.4 Khả hắc ph c gi i h n Shockley-Queisser QDs QDSSCs: 12 ch s ph t triển cđ il T 15 ng đ c tr ng PMT 18 ờng cong -V 18 òng ngắn m ch 1.3 Thế m ch h OC SC (Short – circuit current) 19 (Open – Circuit Voltage) 19 ệ số lấp đầy ill actor 20 iệu suất T η E iciency) 21 X c đ nh điện tr s l thuyết pin ằng ph ơng ph p m t đ ờng cong I-V 21 s 24 ấu tr c nguyên l làm việc s 24 iện cực anốt quang 25 iện cực atốt 26 iii T T ng quan tình hình nghiên cứu n c 28 Tình hình nghiên cứu n c 28 Tình hình nghiên cứu ngồi n c 28 1.5.3 Các nguyên nhân làm h n chế hiệu suất QDSSCs 32 1.5.4 Vấn đề cần nghiên cứu 33 ết luận ch ơng h ơng 34 T 36 c ph ơng ph p t ng h p s 36 h ơng ph p h a t h ơng ph p 38 uy trình chế t o 2.3 T ng h p c c s s olloi 36 s ng chất ao Thiol -SH) 39 ằng ph ơng ph p olloi v i tác nhân TOP 41 2.4 T o mẫu b t CdSe 43 uy trình chế t o MT 44 2.5.1 X l đế ẫn T 44 T o màng Ti ằng ph ơng ph p in l a 45 T o màng Ti 2/CdSe 45 hế t o màng Ti Zn ằng ph ơng ph p 46 hế t o điện cực atốt 49 2.7 Hệ điện ly 51 uy trình r p T s 52 2.9 Các thiết b đo t nh điện tr QDSSCs 53 2.9.1 Thiết b đo đ ờng đ c tr ng -V 53 2.9.2 Thiết b đo t ng tr điện hóa EIS 54 2.10 Các thiết b khác s d ng trình thực nghiệm 63 ết luận ch ơng h ơng T h ơng ph p h a 63 N LUẬ T s 65 o v i chất th đ ng hóa bề m t nhóm thiol (SH): 65 iv T 3.1.1 Khảo sát theo tỉ lệ M 66 s 3.1.2 Cấu trúc tinh thể h ơng ph p h a iều khiển so s nh ch th c h t v i c c ph ơng ph p h c 68 o s d ng chất th đ ng bề m t TOP: 70 ch th c thông qua thông số (nhiệt đ thời gian): 71 3.2.2 Khuếch tán QDs CdSe dung môi t o mẫu b t CdSe 75 3.2.3 Phân tích cấu trúc QDs CdSe ph nhi u x tia X 75 Kết luận ch ơng h ơng 76 T àng nano Ti hế t o N C C ANỐT QUANG FTO/TiO /QDs CdSe 78 78 Tt c c s v i tác nhân thiol 79 ấu tr c đ c tr ng hình th i màng 79 T nh chất quang màng hảo s t th o thời gian ngâm 83 ết chế t o ải tiến st ết luận ch ơng h ơng Tt s CdSe v i tác nhân thiol 86 s v i tác nhân TOP 88 94 Ê ỨU CH T O ANỐT QUANG CÓ CẤU TRÚC SONG SONG: FTO/TiO /CdS/CdSe/ZnS NHẰM NÂNG CAO HI U SUẤT 96 hế t o màng anốt quang TiO2 Zn ằng ph ơng ph p 96 uy trình t o màng anốt quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS 96 ấu tr c t nh chất quang màng anốt quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS 98 ết đo hiệu suất pin 105 ết đ nh gi hân t ch điện tr s ằng đ ờng cong -V 105 s qua đ ờng cong -V 108 ết đo ph t ng tr điện h a 112 nh h ng số vòng nh h ng số vòng nh h ng nhiệt đ nung lên lên lên s 112 s 115 s 117 v T âng cao hiệu suất ết luận ch ơng h ơng s s màng anốt quang TiO2/CdS/CdSe(colloid)/ZnS 118 123 T sT Ê u u S, PbS 125 uy trình chế t o c c điện cực catốt h c 125 uy trình chế t o màng catốt PbS 125 uy trình chế t o màng u 126 uy trình chế t o màng catốt Cu2S 127 ấu tr c hế t o s 129 s s c c điện cực catốt h c 129 ết luận ch ơng 131 T Ậ 132 134 T T PH T 135 137 L C 156 vi T AN CB M CC C I U T VI T T T Conductor band: Vùng dẫn CBD h mical ath position: h ơng ph p lắng đ ng hóa h c CE ount r l ctro : iện cực catốt D ir ction: ng, chiều DOS Density of states: Mật đ tr ng thái DSSCs Dye-sensitized solar cells: Pin m t trời chất màu nh y quang EDS Energy dispersive X ray spectroscopy: Ph tán sắc l tia X EMA Effective Mass Approximation: Gần đ ng hối l EIS Electrochemical Impedance Spectra: Ph t ng tr điện hóa FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope: Kính hiển vi điện t quét đ phân giải cao FTO Tin oxide flo: Thủy tinh dẫn I-V ng hiệu d ng ờng đ c tr ng olt-Ampe NCs Semiconductor nanocrystals: Bán dẫn tinh thể nano MEG Multiple exciton generation: Sinh nhiều exciton PL Photoluminescence: Quang phát quang PMT in m t trời QDs Quantum dots: Chấm l QDSSCs Quantum dots-sensitized solar cells: Pin m t trời chấm l QW Quantum well: Giếng l ng t ng t RS ri s r sistanc : iện tr nối tiếp RSH hunt r sistanc : iện tr song song SEM ng Scanning Electron Microscope: Kính hiển vi điện t quét ng t vii T SILAR Successive ionic layer adsorption and reaction: Phản ứng hấp th ion TEM Transmission Electron Microscope: Kính hiển vi điện t truyền qua UV-Vis h hấp th t ngo i – iến VB Valence band: Vùng hóa tr XRD X Ray Diffraction: Ph nhi u x tia X viii T AN M CC C N : : Kí c hạt mẫu v i tỉ lệ M khác : K t v í c trung bình nano CdSe : ả 2/CdSe : ủ : : ệ ủ PMT í : : í : D, ủ Rd, RS, RSH - ệ - ệ ủ : D, Rd, RS, RSH ủ : ệ : ả ủ ệ : ệ : c ủ ủ : ủ ủ ủ ả ủ ệ ix T AN M CC C N exciton bán dẫn Hình1.1: Hình 1.2: Hiệu ứng suy giảm lu ng tử (QDs) nằm v trí trung gian v t liệu kh i bán dẫn phân tử ộ trạng thái suy giảm một, hai ba chi u Hình 1.3: M í Hình 1.4: Mơ tả hàm sóng h th Hình 1.5: Ph h p thụ ( í c hạt b suy giảm ba chi u ng li n nét) ph PL ( ng gẫ ú ) ứng v i c hạt khác QDs [35] ú Hình 1.6: C ù ng v t liệu kh i (a) v i QDs (b, c) [35] ện tử-lỗ tr ng vùng CB v i CV s tái h p Hình 1.7: Mơ tả s tái h ú mức bẫy c c qua ph PL [157] ện tử lỗ tr ng v t liệu bán dẫ Hình 1.8: (a) Mô tả s (b) mô tả trình sinh nhi u c p exciton (MEG) QDs [116] Hình 1.9: Ph TG QDs PbS v i nguồ b ≤ TG QDs PbS v i nguồ b Hình 1.10: ≥ Hình 1.11: Một s k t quan sát hiệu ứng MEG cho hiệu su 7Eg[68] 7Eg [68] ng tử cao QDs [70], [135] Hình 1.12: th biểu diễn m i liên hệ hiệu su t giá thành sản xu t th hệ PMT [19] nh 1.13: í ụ ú : : ả ủ ộ ủ ệ ệ : : ú 19: ú ủ b PMT ộ ộ OC ệ ù ủ ệ [93] ủ ủ ( ) ể ủ (b) 2S Hình 1.20: S d ch chuyển mứ d ch chuyể ả ủ PMT QDs ụ ứ ng củ ện tích theo mong mu ện [60] ện tử CB ng li n nét s ứ ng tái h p không é x T minh họa quy trình t ng h p QDs CdSe bằ Hình 2.1: – kim phân hủy ti n ch ứ ủ ( ) ứ b ụ ( ) (b) ( ) t ng h p dung d ch nano CdSe Hình 2.3: : ủ t ng h Hình 2.5: : QDs ả (b) ( ) ( ) Hình 2.7: (a) Máy in lụa; (b) Khung in lụa; (c) Máy in lụa : ộ : : : ạ í ả ủ ụ (a), TiO2 ộ ủ í ể kim ệ ỉ ể ể t quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS b : í é ủ ụ bằ ộ làm việc ụ bằ t quangs TiO2 vi kim ch t quangTiO2/CdSe bằ ả ả ủ ụ kim : ệ : ệ : ủ ệ t 2S cat t ệ ệ : : : : 0.38 cm2 Hình 2.19: Hình 2.20: ệ PMT QDSSCs ẫ PMT bằ ỉ ủ ồ kh i (a) thi t b Kethley 2400 (b) ện th xoay chi u áp vào hệ Hình 2.21: Ph Nyquist (a) ph Bode (b) Hình 2.22: ện dung xu t pin [14] ện ứng ẫ ệ í 72 Hà Thanh Tùng 73 Hà Thanh Tùng 74 Hà Thanh Tùng 75 Hà Thanh Tùng 76 Hà Thanh Tùng 77 Hà Thanh Tùng 78 Hà Thanh Tùng 79 Hà Thanh Tùng 80 Hà Thanh Tùng 81 Hà Thanh Tùng 82 Hà Thanh Tùng 83 Hà Thanh Tùng 84 Hà Thanh Tùng 85 Hà Thanh Tùng 86 Hà Thanh Tùng