MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................i TÓM TẮT .................................................................................................................................ii LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................................iii DANH MỤC HÌNH VẼ..........................................................................................................vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................. viii ĐẶT VẤN ĐỀ...........................................................................................................................1 TỔNG QUAN ..........................................................................................................3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI................................................................3 1.1. Khái niệm và lịch sử pin mặt trời.............................................................................3 1.2. Các thế hệ pin mặt trời..............................................................................................4 1.2.1. Pin mặt trời thế hệ thứ I.....................................................................................4 1.2.2. Pin mặt trời thế hệ thứ II ...................................................................................5 1.2.3. Pin mặt trời thế hệ thứ III:.................................................................................5 1.2.4. Pin mặt trời thế hệ thứ IV..................................................................................6 1.3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc pin mặt trời quang điện hóa ..................................7 1.3.1. Cấu tạo PMT quang điện hóa ...........................................................................7 1.3.2. Nguyên lý làm việc PMT quang điện hóa .......................................................8 1.4. Ảnh hưởng của hình thái học lên các đặc trưng của pin mặt trời ........................10 1.5. Các thông số đặc trưng về pin mặt trời..................................................................13 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU ZnO NRs VÀ CHẤM LƯỢNG TỬ CdS..................................15 2.1. Vật liệu ZnO NRs ...................................................................................................15 2.1.1. Vật liệu ZnO.....................................................................................................15 2.1.2. Cấu trúc và tính chất ZnO nanorod ................................................................17 2.2. Vật liệu CdS ............................................................................................................19 2.2.1. Khái niệm Chấm lượng tử...............................................................................19 2.2.2. Chấm lượng tử CdS.........................................................................................19 2.2.3. Tính chất và ứng dụng chấm lượng tử CdS...................................................21 2.3. Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt kim loại...................................................21 2.3.1. Khái niệm plasmon bề mặt..............................................................................21 2.3.2. Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt.......................................................21 THỰC NGHIỆM....................................................................................................22 v CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ KỸ THUẬT PHÂN TÍCH...........22 3.1. Các phương pháp thực nghiệm ..............................................................................22 3.1.1. Phương pháp điện hoá.....................................................................................22 3.1.2. Phương pháp bốc bay nhiệt.............................................................................28 3.2. Các phương pháp phân tích....................................................................................29 3.2.1. Phép đo kính hiển vi điện tử quét SEM..........................................................29 3.2.2. Phép phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến (UVVIS)............................................30 3.2.3. Phép đo nhiễu xạ tia X.....................................................................................31 3.2.4. Phép đo quang huỳnh quang...........................................................................32 3.2.5. Phép đo đặc trưng IV .....................................................................................34 3.3. Thực nghiệm chế tạo mẫu ......................................................................................34 3.3.1. Chế tạo ZnO NRs làm điện cực làm việc bằng phương pháp điện hoá .......34 3.3.2. Chế tạo màng ZnOCdS và màng ZnOAuCdS ...........................................35 3.3.3. Thử nghiệm chế tạo pin quang điện hoá trên cơ sở cấu trúc ZnOCdS .......36 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................................38 4.1. Cấu trúc và hình thái học của ZnO NRs................................................................38 4.1.1. Cấu trúc tinh thể màng ZnO............................................................................38 4.1.2. Đặc điểm hình thái học của màng ZnO..........................................................38 4.1.3. Ảnh hưởng của điều kiện công nghệ tới thanh nano ZnO............................39 4.1.4. Tính chất quang của màng ZnO......................................................................43 4.2. Cấu trúc và hình thái học của ZnOCdS................................................................45 4.2.1. Cấu trúc tinh thể màng ZnOCdS ...................................................................45 4.2.2. Hình thái học bề mặt ZnOCdS ......................................................................46 4.2.3. Phổ hấp thụ của màng ZnOCdS ....................................................................47 4.3. Các đặc trưng tính chất của hệ vật liệu nano composite ZnOAuCdS ...............48 4.3.1. Hình thái học bề mặt ZnOAu.........................................................................48 4.3.2. Ảnh hưởng của Au đến tính chất quang màng tổ hợp ZnOAuCdS ...........49 4.4. Đặc trưng IV của pin mặt trời tổ hợp nano composite........................................52 4.4.1. Đặc trưng IV của pin mặt trời quang điện hoá trên cơ sở ZnOCdS ..........52 4.4.2. Đặc trưng IV của pin mặt trời quang điện hoá trên cơ sở ZnOAuCdS....53 KẾT LUẬN CHUNG.............................................................................................................55 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................57
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Đào Duy Cường NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI QUANG ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU ZnO/CdS CẤU TRÚC NANO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật HÀ NỘI - 2016 Đào Duy Cường ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Đào Duy Cường NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI QUANG ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU ZnO/CdS CẤU TRÚC NANO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Vật lý kỹ thuật Cán hướng dẫn: PGS.TS Phạm Duy Long (ký tên) HÀ NỘI - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, muốn bày tỏ lời cảm ơn đến PGS.TS Phạm Duy Long người thày hướng dẫn suốt thời gian làm việc nghiên cứu phòng Vật liệu Linh kiện Năng lượng thuộc Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Thày định hướng cho tư khoa học cho bước để thực khố luận Thày ln ưu dành nhiều thời gian để giảng giải cho trình xảy làm thực nghiệm giúp tơi tìm giải pháp mang lại kết tốt Tôi luôn trân trọng điều hết Tôi xin gửi lời cảm ơn đến anh Trần Quốc Đạt, TS Lê Hà Chi, anh Nguyễn Thành Trung anh chị phòng Vật liệu linh kiện lượng giúp đỡ, chia sẻ học quý báu thời gian làm thực nghiệm Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thày, cô khoa Vật lý kỹ thuật Công nghệ nano, Đại học Công nghệ dạy dỗ quan tâm đến suốt năm vừa qua Các thày cô người đặt móng cho tơi kiến thức Vật lý lĩnh vực Công nghệ nano để vũng vàng làm khoá luận tốt nghiệp đường nghiên cứu khoa học Bên cạnh đó, tơi phải cảm ơn những người bạn bên cạnh giúp đỡ chia sẻ khó khăn giúp tơi vượt qua trở ngại cuối quãng đời sinh viên Cuối để ngày hôm nay, xin dành lời cảm ơn gửi tới bố, mẹ gia đình, người ln quan tâm, dành tình u thương đến suốt thời gian qua Hà Nội, ngày 28 tháng 04 năm 2016 Tác giả khoá luận Đào Duy Cường i TÓM TẮT Với phát triển nay, pin mặt trời quang điện hố (Photoelectrochemical Cell) có vị lớn lĩnh vực pin mặt trời giá thành rẻ, có khả cho hiệu suất cao Khi sử dụng chất điện ly dạng lỏng thay cho chất điện ly dạng rắn, dễ dàng thay nên góp phần tăng tuổi thọ pin mặt trời Việc sử dụng ZnO NRs (Nanorods) thay cho TiO2 thông thường độ linh động điện tử cao nên ZnO NRs có cấu trúc 1D làm giảm tái hợp điện tử phân bố mật độ trạng thái, điều quan trọng cho vật liệu dẫn điện tử PMT Hơn nữa, ZnO loại bán dẫn điển hình có độ rộng vùng cấm thẳng (3.3eV) Nhờ hiệu ứng giam giữ lượng tử, vật liệu CdS có độ rộng vùng cấm tương đương với vùng ánh sáng khả kiến (Eg~2,42eV )sẽ cho phép phổ hấp thụ ZnO/CdS tốt ZnO hiệu suất phát quang lớn chiếu ánh sáng mặt trời Ngoài ra, CdS có đáy vùng dẫn cao đáy vùng dẫn ZnO nên thuận lợi cho việc chuyển điện tử kích thích từ CdS vào ZnO chiếu sáng Dựa sở pin mặt trời DSSC (Dye Sensitized Solar Cell), pin mặt trời sử dụng nano làm điện cực hoạt động sử dụng chất điện ly dạng lỏng thay cho chất nhuộm màu cho phép tái sử dụng độc hại với mơi trường Trong khố luận này, tơi thực chế tạo khảo sát tính chất màng tổ hợp ZnO/CdS phương pháp điện hoá phương pháp bốc bay nhiệt Sau đó, tìm điểm tối ưu chế tạo khảo sát hiệu ứng pin mặt trời quang điện hoá dựa vật liệu ZnO/CdS cấu trúc nano Từ khóa: Pin mặt trời, quang điện hoá, ZnO/CdS ii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan, khố luận tơi thực hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Duy Long Các số liệu, kết khoá luận tơi thực hiện, tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Tơi xin chịu trách nhiệm khố luận Hà Nội, tháng 04 năm 2016 Tác giả khoá luận Đào Duy Cường iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii LỜI CAM ĐOAN iii DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii ĐẶT VẤN ĐỀ TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 1.1 Khái niệm lịch sử pin mặt trời 1.2 Các hệ pin mặt trời 1.2.1 Pin mặt trời hệ thứ I 1.2.2 Pin mặt trời hệ thứ II 1.2.3 Pin mặt trời hệ thứ III: 1.2.4 Pin mặt trời hệ thứ IV 1.3 Cấu tạo nguyên lý làm việc pin mặt trời quang điện hóa 1.3.1 Cấu tạo PMT quang điện hóa 1.3.2 Nguyên lý làm việc PMT quang điện hóa 1.4 Ảnh hưởng hình thái học lên đặc trưng pin mặt trời 10 1.5 Các thông số đặc trưng pin mặt trời 13 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU ZnO NRs VÀ CHẤM LƯỢNG TỬ CdS 15 2.1 Vật liệu ZnO NRs 15 2.1.1 Vật liệu ZnO 15 2.1.2 Cấu trúc tính chất ZnO nanorod 17 2.2 Vật liệu CdS 19 2.2.1 Khái niệm Chấm lượng tử .19 2.2.2 Chấm lượng tử CdS .19 2.2.3 Tính chất ứng dụng chấm lượng tử CdS 21 2.3 Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt kim loại 21 2.3.1 Khái niệm plasmon bề mặt 21 2.3.2 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt .21 THỰC NGHIỆM 22 iv CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ KỸ THUẬT PHÂN TÍCH 22 3.1 Các phương pháp thực nghiệm 22 3.1.1 Phương pháp điện hoá .22 3.1.2 Phương pháp bốc bay nhiệt 28 3.2 Các phương pháp phân tích 29 3.2.1 Phép đo kính hiển vi điện tử quét SEM 29 3.2.2 Phép phổ hấp thụ tử ngoại- khả kiến (UV-VIS) 30 3.2.3 Phép đo nhiễu xạ tia X 31 3.2.4 Phép đo quang huỳnh quang 32 3.2.5 Phép đo đặc trưng I-V 34 3.3 Thực nghiệm chế tạo mẫu 34 3.3.1 Chế tạo ZnO NRs làm điện cực làm việc phương pháp điện hoá .34 3.3.2 Chế tạo màng ZnO/CdS màng ZnO/Au/CdS 35 3.3.3 Thử nghiệm chế tạo pin quang điện hoá sở cấu trúc ZnO/CdS 36 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 4.1 Cấu trúc hình thái học ZnO NRs 38 4.1.1 Cấu trúc tinh thể màng ZnO 38 4.1.2 Đặc điểm hình thái học màng ZnO 38 4.1.3 Ảnh hưởng điều kiện công nghệ tới nano ZnO 39 4.1.4 Tính chất quang màng ZnO 43 4.2 Cấu trúc hình thái học ZnO/CdS 45 4.2.1 Cấu trúc tinh thể màng ZnO/CdS 45 4.2.2 Hình thái học bề mặt ZnO/CdS 46 4.2.3 Phổ hấp thụ màng ZnO/CdS 47 4.3 Các đặc trưng tính chất hệ vật liệu nano composite ZnO/Au/CdS 48 4.3.1 Hình thái học bề mặt ZnO/Au .48 4.3.2 Ảnh hưởng Au đến tính chất quang màng tổ hợp ZnO/Au/CdS 49 4.4 Đặc trưng I-V pin mặt trời tổ hợp nano composite 52 4.4.1 Đặc trưng I-V pin mặt trời quang điện hoá sở ZnO/CdS 52 4.4.2 Đặc trưng I-V pin mặt trời quang điện hoá sở ZnO/Au/CdS 53 KẾT LUẬN CHUNG 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1:Hiệu suất chuyển đổi lượng pin trời qua giai đoạn[28] Hình 1.2 : Cấu trúc đơn giản pin mặt trời Sillic chiếu sáng Hình 1.3: Pin mặt trời nano composite[3] Hình 1.4: Cấu tạo pin mặt trời quang điện hoá Hình 1.5: Nguyên lý làm việc pin mặt trời quang điện hóa Trong So, S*, S+ trạng thái bản, kích thích ơxy hóa phân tử nhuộm màu 1,2,3,4,5 trình sinh, tách, vận chuyển, trao đổi hạt tải nhận lỗ trống.[1] Hình 1.6: Ảnh SEM màng ZnO (a), CdS/ZnO (b) đặc trưng J-V pin SSSC dùng điện cực CdS/ZnO [15] 11 Hình 1.7: Ảnh SEM màng ZnO cấu trúc ống nano đặc trưng J-V pin DSSC dùng điện cực ống nano ZnO/N3 [20] .11 Hình 1.8: Ảnh SEM bề mặt màng ZnO 2D (1); (2) đặc trưng J-V pin SSSC dùng màng (a)đơn lớp 2D (b)đa lớp 2D [8] 12 Hình 1.9: Màng ZnO cấu trúc (a)thanh nano,(b) “hoa” nano (c) đặc trưng J-V sáng tương ứng [19] 12 Hình 1.10: Đường đặc trưng I-V PMT 14 Hình 2.1: Cấu trúc tinh thể ZnO (a) Lập phương kiểu NaCl; (b) Lập phương giải kẽm; (c) Lục giác kiểu wurtzite [1] 15 Hình 2.2: Một số hình thái cấu trúc ZnO 1D [6] 17 Hình 2.3: Cấu trúc lập phương (a); cấu trúc lục giác (b) CdS 20 Hình 2.4: Sự kích thích dao động bề mặt lưỡng cực hạt nano 22 Hình 3.1: Mơ hình mơ tả hệ điện hóa với điện cực làm việc FTO điện cực đối Al phản ứng xảy hai đện cực(Thiết bị Autolab PGSTAT-30)[2] 25 Hình 3.2: (a) Mơ hình minh họa cho nguồn gốc việc áp vào hai điện cực (b) phản ứng xảy ta mặt tiếp xúc điện cực FTO Al với dung dịch điện ly (c) Mạch tương đương pin điện hóa tương ứng [2] 26 Hình 3.3: Mơ hình thể giai đoạn phát triển ZnO mọc đế FTO khơng cần lớp mầm phương pháp điện hóa Giai đoạn (1) sảy phản ứng điện hóa, giai đoạn (2) (3) xảy phản ứng thủy nhiệt điện hóa [2] 27 Hình 3.4: Ảnh chụp thiết bị bốc bay nhiệt VHD-30 28 Hình 3.5: Kính hiển vi điện tử quét phân giải cao Hitachi S-4800 .29 Hình 3.6: Hệ đo quang phổ hấp thụ Cary 5000 30 Hình 3.7: Sự nhiễu xạ tia X tinh thể 31 Hình 3.8: Hệ đo huỳnh quang phân giải cao, Viện khoa học Vật liệu 33 Hình 3.9: Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động hệ đo quang huỳnh quang[11] 33 Hình 3.10: (a) Mơ hình pin điện hố, (b) Các chuyển mức lượng pin[2] .35 Hình 3.11: Sơ đồ thực nghiệm chế tạo PMT quang điện hoá sở ZnO/CdS 37 Hình 4.1: Phổ XRD ZnO nuôi 100oC 38 Hình 4.2: Ảnh SEM mẫu ZnO chế tạo nhiệt độ 100 C 1h 39 Hình 4.3: Ảnh SEM bề mặt mẫu a) 60oC b)75oC c)90oC d) 100oC e) 120oC 40 Hình 4.4: Đồ thị thể phụ thuộc đường kính chiều dài vào nhiệt độ nuôi ZnO 41 Hình 4.5: Hình thái học bề mặt ZnO nồng độ a) 15mM, b) 25mM, c) 35mM 42 vi Hình 4.6: Phổ hấp thụ ZnO NRs nuôi ở100oC .43 Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc (αhϑ)2 vào hϑ phổ hấp thụ ZnO 44 Hình 4.8: Ảnh hưởng ủ nhiệt ZnO tới phổ phát quang .45 Hình 4.9: Phổ nhiễu xạ tia X màng ZnO/CdS 46 Hình 4.10: Ảnh FE-SEM (a) bề mặt ZnO/CdS; (b) mặt cắt ZnO/CdS hình chèn vào ZnO/CdS phóng to 46 Hình 4.11: (a) Ảnh hưởng CdS lên phổ hấp thụ ZnO; (b) So sánh phổ hấp thụ với độ dày CdS khác 47 Hình 4.12: Ảnh FE-SEM (a)bề mặt màng ZnO/Au; bề mặt bám dính Au ZnO với độ dày (a) 5nm, (b)8nm, (c) 13nm .48 Hình 4.13: Phổ hấp thụ hệ màng ZnO ZnO/Au 49 Hình 4.14: Phổ hấp thụ ZnO/Au với thay đổi độ dày Au 50 Hình 4.15: Phổ hấp thụ màng ZnO/Au/CdS với độ dày Au thay đổi 51 Hình 4.16: Phổ hấp thụ màng ZnO/Au/CdS độ dày CdS thay đổi 52 Hình 4.17: Đặc trưng I-V pin mặt trời ZnO/CdS phụ thuộc vào độ dày CdS 53 Hình 4.18: Đặc trưng I-V ZnO/CdS ZnO/Au/CdS 54 vii DSSC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT EDX FE-SEM - Dye Sensitized Solar Cell FTO - Energy Dispersive X-ray spectroscopy NRs - Field Emission Scaning Electron Microscope PEC - Fluorine doped Tin Oxide PL - Nanorods SSSC - Photo Electrochemical Cell UV - Photoluminescence XRD - Semiconductor Sensitized Solar Cell - Ultra Violet - X-ray Diffraction viii