Nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số tính chất lớp màng phủ sio2 tio2 chống phản xạ trên nền kính ứng dụng trong pin năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu chế tạo khảo sát số tính chất lớp màng phủ SiO2-TiO2 chống phản xạ kính ứng dụng pin lượng mặt trời VŨ ĐỨC HUY Huy.VD20202076M@sis.hust.edu.vn Ngành Khoa học Vật liệu GVHD 1: TS Đặng Quốc Khánh Chữ ký GVHD Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu – Đại học Bách Khoa Hà Nội GVHD 2: PGS.TS Nguyễn Vũ Giang Chữ ký GVHD Viện Kỹ thuật nhiệt đới- Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam HÀ NỘI, 4/2023 CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Vũ Đức Huy Đề tài luận văn: Nghiên cứu chế tạo khảo sát số tính chất lớp màng phủ SiO2-TiO2 chống phản xạ kính ứng dụng pin lượng mặt trời Chuyên ngành : Khoa học Vật liệu Mã số SV : 20202076M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày ……………….với nội dung sau: …………………………………………… ……………………………………… …………………………………………………………… ……………………… …………………………………………………………………………… ……… …………………………………………………………………………………… ……… …………………………………………………………………………… ……………………… …………………………………………………………… ……………………… Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CẢM ƠN Đầu tiên với kính trọng nhất, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới hai thầy TS Đặng Quốc Khánh PGS.TS Nguyễn Vũ Giang trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Tôi trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS Nguyễn Duy Cường, thầy giúp đỡ, dẫn dắt tạo điều kiện cho làm thực nghiệm nghiên cứu thời gian qua Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Thầy, Cô Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu, Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST) tạo điều kiện, giúp đỡ trang bị cho kiến thức quý giá trình học tập nghiên cứu Viện Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn đến tất anh, chị bạn sinh viên hai viện giúp đỡ tơi q trình thực luận văn Cuối cùng, tơi xin cảm ơn tới gia đình, ba mẹ anh chị em, người động viên giúp đỡ tơi để tơi hồn thành việc học Tơi khơng biết nói ngồi lời cảm ơn sâu chân thành sâu sắc tới người thân yêu tơi TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Trong luận văn này, màng chống phản xạ kín với độ truyền quang cao chế tạo phương pháp in gạt từ dung dịch phủ tổng hợp phương pháp Sol-gel Màng thiết kế bao gồm lớp phủ kính có bề dày mm độ truyền quang ~ 90% cho tổng độ dày khoảng 110-130 nm Kết nhiễu xạ tia X cho thấy màng tổng hợp nanocompozit SiO2 pha Anatase TiO2 sau nung 550oC mơi trường khơng khí với thời gian nung Màng tối ưu thiết kế với lớp phủ thứ chế tạo từ sol SiO2/TiO2 với tỷ lệ 3:1 màng xốp có vai trị làm tăng độ truyền quang lớp phủ thứ hai chế tạo từ sol Silica axit/TiO2 với tỷ lệ 3:1 phủ lần cho thấy màng nhận màng kín với độ truyền quang lên tới 96,8% bước sóng 550 nm Hiệu suất chuyển hố tính tốn với mẫu có màng phủ lên tới 108,1% so với mẫu thơng thường khơng có màng phủ Hơn nữa, với tồn pha Anatase TiO2 tạo cho màng màng siêu ưa nước với góc thấm ướt từ 0-6o Với màng ưa nước giọt sương mù giọt nước bề mặt màng nhanh chóng lan rộng bay giúp trì khả truyền ánh sáng theo thời gian kính phủ HỌC VIÊN Vũ Đức Huy MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 10 MỞ ĐẦU 11 CHƯƠNG TỔNG QUAN 14 1.1 Silic dioxit (Silica, SiO2) 14 Khái niệm cấu trúc tinh thể SiO2 14 Phân loại 16 Các tính chất silica 17 Ứng dụng 18 1.2 Titan dioxit (TiO2) 19 Cấu trúc tinh thể TiO2 19 Cơ chế quang xúc tác hiệu ứng ưa nước 21 Ứng dụng 21 1.3 Lớp phủ chống phản xạ 22 Khái niệm 22 Các loại lớp phủ chống phản xạ 25 1.4 Công nghệ chế tạo vật liệu nano SiO2/TiO2 28 Công nghệ chế tạo vật liệu nano 28 Quy trình sol-gel chế tạo vật liệu nano 30 1.5 Công nghệ chế tạo màng mỏng 33 Phún xạ magnetron 33 Lắng đọng xung laser 35 Lắng đọng hóa học 36 Phương pháp nhúng phủ 37 Phương pháp quay phủ 38 Phương pháp phun phủ 39 Phương pháp in gạt 40 1.6 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC 41 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 41 Tình hình nghiên cứu nước 42 Mục tiêu đề tài 43 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 44 2.1 Quy trình chế tạo 44 Dụng cụ trình thực nghiệm 44 Hóa chất 44 Tổng hợp Sol 45 Chế tạo màng 45 2.2 Các phương pháp phân tích cấu trúc, hình thái tính chất màng chống phản xạ 46 Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) 46 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 48 Phương pháp đo độ truyền qua (UV-Vis) 49 Phương pháp đo góc thấm ướt 50 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51 3.1 Phổ nhiễu xạ tia X màng phủ chống phản xạ 51 3.2 Màng phủ chống phản xạ lớp 52 3.3 Màng phủ chống phản xạ lớp 55 3.4 Hiệu suất chuyển hóa lượng thực tế dựa mô hệ thống pin lượng mặt trời 59 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62 4.1 Kết luận 62 4.2 Kiến nghị 62 Các báo khoa học công bố 63 Tài liệu tham khảo: 76 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Sơ đồ chuyển đổi ba dạng thù hình silica 14 Hình Cấu trúc tinh thể SiO2 15 Hình Cấu trúc tinh thể dạng thù hình TiO2 19 Hình Khối bát diện TiO2 20 Hình Sự truyền qua phản xạ ánh sáng qua môi trường truyền quang khác 23 Hình Sự giao thoa màng chống phản xạ 24 Hình So sánh đường cong phản xạ a, lớp phủ lớp MgF2 kính; b, lớp phủ lớp màng mỏng Al2O3-MgF2 kính c, lớp phủ ba lớp màng mỏng MgF2-ZrO2-CeF3 kính 25 Hình a, Sự chuyển đổi hệ số chiết suất thu lớp phủ chống phản xạ chiết suất gradient lớp phủ chống phản xạ lớp, b, Đường ánh sáng qua môi trường chiết suất gradient 26 Hình Hình ảnh cấu trúc mắt bướm đêm độ phóng đại khác 27 Hình 10 Phương pháp chế tạo vật liệu nano từ xuống 28 Hình 11 Phương pháp chế tạo vật liệu nano từ lên 29 Hình 12 Cấu tạo nguyên lý hoạt động phương pháp phún xạ Magnetron 34 Hình 13 Cấu tạo nguyên lý hoạt động phương pháp lắng đọng xung laser 35 Hình 14 Cấu tạo nguyên lý hoạt động phương pháp lắng đọng hóa học 36 Hình 15 Quy trình phương pháp nhúng phủ 37 Hình 16 Quy trình phương pháp quay phủ 38 Hình 17 Quy trình phương pháp phun phủ 39 Hình 18 Quy trình phương pháp in gạt 40 Hình 19 Quy trình chế tạo lớp phủ chống phản xạ Xianpeng Zhang cộng 42 Hình 20 Quy trình chế tạo màng chống phản xạ SiO2-TiO2 46 Hình 21 Mô tả nhiễu xạ tia X mặt phẳng tinh thể 47 Hình 22 Góc thấm ướt 50 Hình 23 Phổ nhiễu xạ tia X màng chống phản xạ với tỷ lệ SiO2:TiO2 khác 51 Hình 24 Kết độ truyền quang lớp màng chống phản xạ SiO2/TiO2 lớp phủ mặt kính với tỷ lệ khác 52 Hình 25 Ảnh hiển vi điện tử quét bề mặt màng chống phản xạ SiO2:TiO2 với tỷ lệ 3:1 lớp 53 Hình 26 Ảnh hưởng tỷ lệ CTAB:SiO2 tới hệ số chiết suất độ xốp màng chống phản xạ 54 Hình 27 Ảnh hiển vi điện tử quét mặt cắt màng chống phản xạ SiO2:TiO2 với tỷ lệ 3:1 lớp 55 Hình 28 Ảnh hiển vi điện tử quét bề mặt mặt cắt màng chống phản xạ với số lần phủ lớp thứ khác nhau, (a, b) lần, (c, d) lần, (e, f) lần (g, h) lần 56 Hình 30 Kết độ truyền quang lớp màng chống phản xạ SiO2/TiO2 sau phủ lớp thứ với lần khác 58 Hình 31 Góc thấm ướt lớp màng chống phản xạ SiO2/TiO2 sau phủ lớp thứ với lần khác 59 Hình 32 Tấm panel pin mặt trời sử dụng kính có lớp phủ chống phản xạ 60 Hình 33 Cường độ ánh sáng a) nguồn sáng, b) sau kính có màng phủ, c) sau kính khơng có màng phủ 60 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Một số đặc tính cấu trúc dạng thù hình TiO2 20 Bảng Một số Alkoxit thông dụng 32 Bảng Ưu điểm hạn chế phương pháp pún xạ magnetron 34 Bảng Ưu điểm hạn chế phương pháp lắng đọng xung laser 35 Bảng Ưu điểm hạn chế phương pháp lắng đọng hóa học 36 Bảng Ưu điểm hạn chế phương pháp nhúng phủ 38 Bảng Ưu điểm hạn chế phương pháp quay phủ 39 Bảng Ưu điểm hạn chế phương pháp phun phủ 39 Bảng Ưu điểm hạn chế phương pháp in gạt 40 Bảng 10 Các hóa chất dùng luận văn 44 Bảng 11 Khoảng cách dhkl mặt hệ tinh thể đơn giản 48 Bảng 12 Thông số đánh giá hiệu suất chuyển hóa 61 10 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 Tài liệu tham khảo: [1] Hoàng Nhâm , Hố học vơ (tập 2), Nhà xuất giáo dục, 2006 [2] Egon Wiberg, Nils Wiberg, A F Holleman, Inorganic chemistry, San Diego : Academic Press , Berlin , New York, 2001 [3] A Fujishima, K Hashimoto and T Watanabe, TiO2 Photocatalysis: Fundamentals and Applications, Tokyo: BKC Inc, 1999 [4] A Fujishima, K Honda, "Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode," Nature , vol 238, pp 37-38, 1972 [5] Kazuhito Hashimoto, Hiroshi Irie, Akira Fujishima, "TiO2 Photocatalysis: A Historical Overview and Future Prospects," Japanese Journal of Applied Physics, vol Vol 44, pp 8269-8285, 2005 [6] Trần Thị Đức, "Nghiên cứu chế tạo loại màng xúc tác quang TiO2 để xử lý chất độc hại khơng khí nước," Báo cáo tổng kết đề tài cấp Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, 2003 [7] Marius Stamate, Gabriel Lazar, "Application of titanium dioxide photocatalysis to create self-cleaning materials," Romanian Technical Sciences Academy, vol Vol 3, 2007 [8] Baojuan Xi, Lalit Kumar Verma, Jing Li, Charanjit Singh Bhatia, Aaron James Danner, Hyunsoo Yang, Hua Chun Zeng, "TiO2 thin films prepared via Adsorptive self-assembly for self-cleaning applications," ACS Applied Materials & Interfaces, pp 1093-1102, 2012 [9] Nandang Mufti, Ifa K R Laila , Hartatiek, Abdulloh Fuad, "The effect of TiO2 thin film thickness on self-cleaning glass properties," IOP Conf Series: Journal of Physics: Conf, 2017 [10] D.Regonini,C.R.Bowen, A.Jaroenworaluck, R.Stevens, "A review of growth mechanism, structure and crystallinity of anodized TiO2 nanotubes," Materials Science and Engineering: R: Reports, vol Vol 74, pp 377-406, 2013 76 [11] Shipra Mital Gupta, Manoj Tripathi, "A review of TiO2 nanoparticles," Physical Chemistry, vol Vol 16, p 1639–1657, 2010 [12] Muhammad Tayyab Noman, Muhammad Azeem Ashraf, Azam Ali, "Synthesis and applications of nano-TiO2: a review," Environmental Science and Pollution Research, p 3262–3291, 2018 [13] Xiaobo Chen, Samuel S Mao, "Titanium Dioxide Nanomaterials: Synthesis, Properties, Modifications, and Applications," Chem Rev, vol Vol 107, pp 2891 - 2959, 2007 [14] Kazuhito Hashimoto, Hiroshi Irie, Akira Fujishima, "TiO2 Photocatalysis: A Historical Overview and Future Prospects," Japanese Journal of Applied Physics, vol Vol 44, pp 8269-8285, 2005 [15] S Chattopadhyay, Y F Huang, Y J Jen, A Ganguly, K H Chen, L C Chen, "Anti-reflecting and photonic nanostructures," Materials Science and Engineering: R: Reports, vol Vol 69, pp 1-35, 2010 [16] S.-Y Lien, D.-S Wuu, W.-C Yeh, J.-C Liu, "Tri-layer antireflection coatings (SiO2/SiO2–TiO2/TiO2) for silicon solar cells using a sol–gel technique," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol Vol 90, pp 27102719, 2006 [17] B Sheldon, J S Haggerty, A G Emslie, "Exact computation of the reflectance of a surface layer of arbitrary refractive-index profile and an approximate solution of the inverse problem," Journal of the Optical Society of America, vol Vol 72, pp 1049-1055, 1982 [18] L Rayleigh, "On Reflection of Vibrations at the Confines of two Media between which the Transition is Gradual," Proceedings of the London Mathematical Society, pp 51-56, 1879 [19] P G Verly, J A Dobrowolski, R R Willey, "Fourier-transform method for the design of wideband antireflection coatings," Applied Optics, vol Vol 31, pp 3836-3846, 1992 77 [20] J Q Xi, M F Schubert, J K Kim, E F Schubert, M Chen, S.-Y Lin, W Liu, J A Smart, "Optical thin-film materials with low refractive index for broadband elimination of Fresnel reflection," Nature Photonics, vol Vol 1, pp 176-179, 2007 [21] D G Stavenga, S Foletti, G Palasantzas, K Arikawa, "Light on the motheye corneal nipple array of butterflies," Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, vol Vol 273, pp 661-667, 2006 [22] B E Yoldas, "Investigations of porous oxides as an antireflective coating for glass surfaces," Applied Optics, vol Vol 19, pp 1425-1429, 1980 [23] GS.TS Nguyễn Khắc Xương, Vật liệu kỹ thuật, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2016 [24] P.J Kelly, R.D Arnell, "Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications," Vacuum, vol Vol 56, pp 159-172, 2000 [25] Philipus N Hishimone, Hiroki Nagai and Mitsunobu Sato, Methods of Fabricating Thin Films for Energy Materials and Devices, 2020 [26] DH Lowndes , DB Geohegan, AA Puretzky, DP Norton, CM Rouleau, "Synthesis of Novel Thin-Film Materials by Pulsed Laser Deposition," Science, pp 898-903, 1996 [27] P HO, Handbook of Chemical Vapor Deposition: Principles, Technology and Applications, New York: William Andrew Inc, 1999 [28] Davor LončarevićŽeljko Čupić, "The perspective of using nanocatalysts in the environmental requirements and energy needs of industry," Industrial Applications of Nanomaterials, 2019 [29] Neacşu, I A., Nicoară, A I., Vasile, O R., & Vasile, B Ş, "Inorganic microand nanostructured implants for tissue engineering," Nanobiomaterials in Hard Tissue Engineering, pp 271-295, 2016 [30] A.S.H Makhlouf, "Current and advanced coating technologies for industrial applications," Nanocoatings and Ultra-Thin Films, 2011 78 [31] Voo, R., Mariatti, M., & Sim, L., "Properties of epoxy nanocomposite thin films prepared by spin coating technique," Journal of Plastic Film & Sheeting, p 331–346, 2011 [32] Muhammad A Butt, "Thin-Film Coating Methods: A Successful Marriage of High-Quality and Cost-Effectiveness—A Brief Exploration," Coatings, 2022 [33] Shui-Yang Lien, Dong-Sing Wuu, Wen-Chang Yeh, Jun-Chin Liu, "Trilayer antireflection coatings (SiO2/SiO2–TiO2/TiO2) for silicon solar cells using a sol–gel technique," Solar Energy Materials & Solar Cells, vol Vol 90, pp 2710-2719, 2006 [34] Xianpeng Zhang et al, "Multifunctional Antireflection Coatings Based on Novel Hollow Silica−Silica Nanocomposites," ACS Appl Mater Interfaces, vol Vol 6, pp 1415-1423, 2014 [35] N Đ Nghĩa, "Nghiên cứu chế tạo màng chống phản xạ vật liệu Si3N4 SiOx dùng cho pin lượng mặt trời," Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2012 [36] Longqiang Ye, Shuming Zhang, Qing Wang, Lianghong Yan, Haibing Lv, and Bo Jiang, "Mechanically stable single-layer mesoporous silica antireflective coating on solar glass," Royal Society of Chemistry, p 35818– 35822, 2014 [37] A Fujishima, K Hashimoto and T Watanabe, "TiO2 Photocatalysis: Fundamentals and Applications,," Tokyo: BKC Inc., 1999 79