Trang 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ HƯƠNG CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA PIN MẶT TRỜI CẤU TRÚC LAI SILIC/PEDOT:PSS/ CHẤM LƯỢNG TỬ GRAPHENELUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ HƯƠNG CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA PIN MẶT TRỜI CẤU TRÚC LAI SILIC/PEDOT:PSS/ CHẤM LƯỢNG TỬ GRAPHENE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thái Nguyên - 2023 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THỊ HƯƠNG CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA PIN MẶT TRỜI CẤU TRÚC LAI SILIC/PEDOT:PSS/ CHẤM LƯỢNG TỬ GRAPHENE Ngành: Quang học Mã số: 84 40 110 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Phạm Văn Trình PGS.TS Nguyễn Văn Hảo Thái Nguyên - 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, với sự hướng dẫn của TS Phạm Văn Trình và PGS.TS Nguyễn Văn Hảo Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đây Những nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang Web được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo của luận văn Thái Nguyên, ngày 4 tháng 12 năm 2023 Học viên thực hiện đề tài Nguyễn Thị Hương ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Phạm Văn Trình và PGS.TS Nguyễn Văn Hảo, những người thầy trực tiếp dẫn dắt, chỉ bảo tận tình, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất và giúp đỡ tôi thực hiện luận văn này Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trong Viện Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên đã chỉ bảo và giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian vừa qua Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các nghiên cứu viên tại Phòng Vật liệu nano cacbon tại Viện Khoa học Vật liệu, GS Naoki Fukata tại Viện NIMS, Nhật Bản đã luôn sẵn sàng ủng hộ, giúp đỡ tôi thực hiện một số phép đo và khảo sát tính chất vật liệu phục vụ cho luận văn Cuối cùng, tôi xin bày tỏ tình cảm tới những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ, hỗ trợ tôi về mọi mặt giúp tôi học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận văn này Tôi xin chân thành cảm ơn! iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ HÌNH ẢNH vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục đích nghiên cứu 2 3 Phạm vi nghiên cứu 2 4 Phương pháp nghiên cứu 2 5 Bố cục của luận văn 2 6 Đóng góp của luận văn 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4 1.1 Tổng quan về pin mặt trời 4 1.1.1 Sự phát triển về pin mặt trời 4 1.1.2 Pin mặt trời lai hữu cơ-vô cơ 7 1.2 Tổng quan về chấm lượng tử graphen 9 1.2.1 Giới thiệu về chấm lượng tử graphen 9 1.2.2 Các phương pháp chế tạo vật liệu GQDs 12 1.2.3 Tính chất của vật liệu GQDs 15 iv 1.2.4 Ứng dụng của GQDs 19 CHƯƠNG 2 26 THỰC NGHIỆM 26 2.1 Nghiên cứu chế tạo vật liệu GQDs 26 2.1.1 Mục đích 26 2.1.2 Phương pháp chế tạo 26 2.2 Chế tạo pin mặt trời Si/PEDOT:PSS/GQDs 27 2.2.1 Mục đích 27 2.2.2 Phương phápchế tạo 27 2.3 Phương pháp nghiên cứu 29 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Kết quả chế tạo vật liệu GQDs 36 3.2 Kết quả nghiên cứu tính chất của màng mỏng PEDOT:PSS/GQDs 41 3.3 Kết quả nghiên cứu tính chất của pin mặt trời Si/PEDOT:PSS/GQDs 43 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AFM Atomic force microscope (Kính hiển vi lực nguyên tử) AuNP Gold nanoparticles (Hạt nano vàng) CD Carbon dots (chấm cacbon) CdTe Cadmium Telluride PCBM Phenyl-C61-butyricacidmethylester CIGS Cu(In,Ga)Se2 CNT Carbon nanotubes (Ống nano carbon) OIH Organic-Inorganic Hybrid (cấu trúc lai vô cơ-hữu cơ) DMF Dimethylformamide DSSC Dye-sensitized solar cell (Pin mặt trời nhạy màu) EQE External quantum efficiency (Hiệu suất lượng tử bên ngoài) FF Fill factor (Hệ số lấp đầy) FTIR Fourier transform infrared spectroscopy (Phổ hấp thụ hồng ngoại) GO Graphen Oxide GQDS Graphene Quantum dots (GQDS) Gr Graphene NP Nanoparticles (Hạt Nano) NR Nanorods (Thanh nano) NT Nanotube (Ống nano) NW Nanowire (Dây nano) OPV Organic photovoltaic (pin mặt trời hưu cơ) PCE Power conversion efficiency (Hiệu suất chuyển đổi quang điện) PEDOT poly (3, 4-ethylene dioxythiophene) PSC vi PSS QD Perovskite Solar cell (Pin mặt trời perovskite) poly (styrene sulfonate) SEM các chấm lượng tử vô cơ (Quantum dots, QD), hạt nano Sq (nanoparticles, NP), tinh thể nano (nanocrystal, NC), ống SSC nano (nanotube, NT) hoặc dây nano (nanowires, NW) UV Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) Square (Hình vuông) Silicon solar cell (Pin mặt trời silicon) Ultraviolet (Tử ngoại) vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các thế hệ pin mặt trời được nghiên cứu và phát triển cho tới 4 nay Hình 1.2 Hiệu suất cao nhất của pin mặt trời dựa trên cấu trúc, 5 vật liệu khác nhau Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin mặt trời vô cơ-hữu cơ 7 Hình 1.4 Các cấu trúc của pin mặt trời lai vô cơ – hữu cơ (a) dạng 8 màng mỏng, (b) dạng hỗn hợp và (c) dạng cấu trúc trật tự Hình 1.5 Pin mặt trời sử dụng cấu trúc lai Si NW/PEDOT:PSS có 9 hiệu suất 13,2% Hình 1.6 Số liệu thống kê về GQDs (a) tổng số công bố kể từ năm 10 2000, (b) trích dẫn các công trình đã xuất bản này từ năm 2010 và (c) các lĩnh vực nghiên cứu có sử dụng GQDs Hình 1.7 Tính chất và các ứng dụng của GQD 12 Hình 1.8 Các phương pháp chế tạo GQDs 12 Hình 1.9 Chế tạo GQDs bằng phương pháp từ trên xuống 13 Hình 1.10 Chế tạo vật liệu GQDs bằng phương pháp từ dưới lên 14 Hình 1.11 Phổ hấp thụ phân tán GQDs trong nước có kích thước 15 trung bình điển hình là 12, 17 và 22 nm và một tấm graphene Vị trí cực đại của phổ hấp thụ đối với GQDs được thể hiện bằng các vòng tròn được lấp đầy Hình nhỏ cho thấy năng lượng cực đại hấp thụ là hàm của kích thước GQDs viii Hình 1.12 Sơ đồ minh họa, kết quả đo tương ứng và phân tích 17 GQDs phụ thuộc vào kích thước và hình thái Hình 1.13 Sơ đồ biểu thị cơ chế của cảm biến sinh học huỳnh 20 quang để phát hiện dấu ấn sinh học ung thư phổi tế bào nhỏ Hình 1.14 Ứng dụng quang xúc tác của GQDs 21 Hình 1.15 Sơ đồ chế tạo GQDs chứa pin mặt trời dị vòng hữu 24 cơ/Si Hình 2.1 Quy trình chế tạo pin mặt trời cấu trúc lai 28 Si/PEDOT:PSS/GQDs Hình 2.2 Các thành phần chính của SEM 30 Hình 2.3 Cấu tạo máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 32 Hình 2.4 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier với các loại liên kết 33 khác nhau được hấp thụ trong các vùng gần đúng Hình 2.5 Nguyên lý phương pháp đo 4 mũi dò 34 Hình 2.6 Hệ đo đặc trưng J-V của pin mặt trời 35 Hình 3.1 Ảnh SEM của vật liệu (a) GO và (b) GQDs sau khi chế 36 tạo Hình 3.2 Ảnh AFM của vật liệu GO sau khi chế tạo 37 Hình 3.3 Ảnh AFM của vật liệu GQDs sau khi chế tạo 38 Hình 3.4 Phổ FTIR của vật liệu GO và GQDs sau khi chế tạo 39 Hình 3.5 Phổ Raman của vật liệu GO và GQDs sau khi chế tạo 39 Hình 3.6 Phổ UV-vis của GO và GQDs 40