Đề tài: quantum dots solar cell
Đề tài Quantum Dots Solar Cell GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Th.s NGÔ HẢI ĐĂNG SINH VIÊN THỰC HIỆN TÔ HOÀNG TRƯƠNG tp HỒ CHÍ MINH, tháng 12 2013 : Quantum Dots Solar Cell GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.s NGÔ HẢI ĐĂNG SINH VIÊN THỰC HIỆN: TÔ HOÀNG TRƯƠNG tp HỒ CHÍ MINH, tháng 12 2013 Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, cảm ơn thầy Th.s NGÔ HẢI ĐĂNG đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em tìm hiểu tài liệu và chỉ dạy tận tình giúp em hoàn thành bài tiểu luận tốt nghiệp này. Em xin gửi lời cảm ơn các thầy cô ở ở Khoa Khoa Học Vật Liệu, đặc biệt là các thầy cô chuyên nghành Vật Liệu Nano & Màng Mỏng tại Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQG tp HỒ CHÍ MINH đã giảng dạy tận tình và hướng dẫn em trong suốt bốn năm qua, và giúp đỡ em tích lũy những kiến thức vô cùng quý báu. Xin gửi những lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất tới các bạn lớp màng mỏng K10 đã giúp đỡ mình trong những năm học qua. Sinh viên Mục lục x Mở đầu 1 1. T 2 1.1. Chấm lượng tử là gì? 2 1.2. Tính chất chấm lượng tử 3 1.2.1. Hiệu ứng bề mặt 3 1.2.2. Hiệu ứng giam giữ lượng tử 3 1.2.2.1. Hệ ba chiều (vật liệu khối) 4 1.2.2.2. Hệ hai chiều (giếng lượng tử) 4 1.2.2.3. Hệ một chiều (dây lượng tử) 5 1.2.2.4 Hệ không chiều (chấm lượng tử) 6 1.2.2.5. Chế độ giam giữ 7 1.2.3. Tính chất quang của chấm lượng tử 8 11 2.1. Lịch sử và tiềm năng pin mặt trời ở Việt Nam 11 2.2. Các thế hệ pin mặt trời 13 2.2.1. Thế hệ thứ nhất 13 2.2.2. Thế hệ thứ hai 13 2.2.3. Thế hệ thứ ba 14 2.2.3.1. PMT dạng nano tinh thể 14 2.2.3.2. PMT quang điện hóa 14 2.2.3.3. PMT polymer 14 2.2.3.4. PMT lai hóa giữa tinh thể 15 2.3. Các thông số đặc trưng của pin mặt trời 15 2.3.1. Dòng đoản mạch I SC 15 2.3.2. Dòng tối ( Idark ) 16 2.3.3. Thế mạch hở ( V OC ) 17 2.3.4. Công suất và hệ số lấp đầy của pin mặt trời 17 2.3.5. Hiệu suất của pin mặt trời 19 2.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chấm lượng tử 19 2.4.1 Cấu tạo pin mặt trời chầm lượng tử 19 2.4.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chấm lượng tử 22 2.5. Những ứng dụng của pin mặt trời 22 2.6. Kết luận 27 Tài liệu tham khảo 28 TÔ HOÀNG TRƯƠNG 1 Nhu cầu về năng lượng của con người trong thế kỷ 21 là rất lớn. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí đốt thiên nhiên ngày càng cạn kiệt và được dự đoán sẽ không còn trong khoảng 200 năm tới. Điếu này khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là hướng vô cùng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng toàn cầu trong thời đại công nghiệp phát triển vũ bão ngày nay. Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng sức gió ngày càng được quan tâm, nhất là trong tình hình thiếu hụt năng lượng nghiêm trọng của nước ta trong mùa khô. Năng lượng Mặt trời được xem là rất ưu việt, đó là nguồn năng lượng sạch và miễn phí. Hiện nay ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới đều có các trung tâm năng lượng Mặt trời, tuy nhiên ở đây là pin mặt trời vô cơ với quá trình chế tạo nghiêm ngặt và phức tạp. Trong thời gian khoảng mười năm trở lại đây các khoa học đã tìm ra công nghệ chế tạo pin mặt trời hữu cơ.Tuy có hiệu suất thấp hơn pin mặt trời vô cơ nhưng loại pin mặt trời này có quy trình chế tạo đơn giản và giá thành thấp.Mặt khác loại pin này đang trong quá trình nghiên cứu nhằm tăng hiệu suất và tuổi thọ của pin. Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng Mặt trời, trải dào từ vĩ độ 8’’Bắc đến 23’’ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100- 175 kcal/cm 2 .năm. Do đó việc sử dụng Năng lượng Mặt trời của nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế to lớn. TÔ HOÀNG TRƯƠNG 2 1. Tng quan v chng t 1.1. Chng t là gì? Chấm lượng tử (Quantum dots) là những tinh thể nano bán dẫn có kích thước nhỏ hơn bán kính Bohr, là những hệ không chiều có thể giam được điện tử, tạo ra các mức năng lượng gián đoạn như trong nguyên tử, nên còn được gọi là nguyên tử nhân tạo. Những tinh thể nano bán dẫn được cấu tạo từ các cặp nguyên tố thuộc những cặp phân nhóm như: II-VI, III-V, IV-VI, mỗi chấm lượng tử có thể chứa từ 100-1000 nguyên tử (hình 1.1), chẳng hạn như các chấm lượng tử CdS,CdSe,ZnS, ZnSe… Hình 1.1: Cấu trúc chấm lượng tử: (a) Cấu trúc của chấm lượng tử CdSe; (b) Chấm lượng tử có cấu trúc lõi-vỏ bọc CdSe/ZnS Chấm lượng tử được đặc biệt chú ý do tiềm năng ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực như thông tin liên lạc, chẩn đoán y học, sản xuất LED, pin mặt trời Trong chẩn đoán y học, chấm lượng tử là công cụ kiểm tra tế bào ung thư, theo dõi quá trình phát triển của chúng. Trong tương lai, chấm lượng tử có thể được kết hợp với liệu pháp hóa trị để chẩn đoán và điều trị ung thư. Chấm lượng tử còn có thể sử dụng làm cực dò trong thiết bị ghi hình ảnh sinh học thay thế cho chất nhuộm hữu cơ do đặc tính bền hơn, nhờ đó có thể theo dõi quá trình phát triển của tế bào trong thời gian lâu hơn. Đối với công nghệ sản xuất LED thì đèn LED chấm lượng tử có ưu điểm hơn đèn LED truyền thống nhờ khả năng phát xạ ở bất kỳ bước sóng nào và việc sản xuất đèn LED phát ánh sáng trắng chất lượng tốt cũng có chi phí thấp hơn đèn LED truyền thống. Trong lĩnh vực pin mặt trời, việc sử dụng chấm lượng TÔ HOÀNG TRƯƠNG 3 tử hiện rất được quan tâm. Trong khi pin mặt trời truyền thống chế tạo bằng vật liệu bán dẫn có chi phí sản xuất cao, hiệu suất tối đa chỉ khoảng 33% thì pin mặt trời sử dụng chấm lượng tử theo lý thuyết có thể đạt hiệu suất lên đến 60% với chi phí sản xuất thấp hơn nhiều so với pin mặt trời truyền thống. Với những đặc tính thú vị của mình, chấm lượng tử đã và đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới, hứa hẹn những ứng dụng của nó sẽ còn được mở rộng trong nhiều lĩnh vực công nghệ, cuộc sống. 1.2. Tính cht chng t 1.2.1. Hiu ng b mt Khi vật liệu có kích thước càng nhỏ thì tỉ số giữa số nguyên tử trên bề mặt và tổng số nguyên tử của vật liệu gia tăng, do nguyên tử trên bề mặt có nhiều tính chất khác biệt so với tính chất của các nguyên tử ở bên trong lòng vật liệu, nên khi kích thước vật liệu giảm đi thì tỉ số diện tích/thể tích tăng đáng kể dẫn đến tính chất quang điện sẽ khác, hay còn gọi là hiệu ứng bề mặt tăng. Đối với chấm lượng tử còn có hiện tượng giam giữ lượng tử; 1.2.2. Hiu ng giam gi ng t Trong vật liệu bán dẫn khối, các điện tử trong vùng dẫn (và các lỗ trống trong vùng hoá trị) chuyển động tự do trong khắp tinh thể. Do lưỡng tính sóng–hạt, chuyển động của các hạt tải điện có thể được mô tả bằng tổ hợp tuyến tính của các sóng phẳng có bước sóng vào cỡ nano mét, nếu kích thước của khối bán dẫn giảm xuống, xấp xỉ giá trị của các bước sóng này, thì hạt tải điện bị giam trong khối này sẽ thể hiện tính chất giống như một hạt chuyển động trong một hộp thế, hệ hạt khi đó được gọi là hệ bị giam giữ lượng tử. Dưới đây hiệu ứng giam giữ lượng tử các hạt tải điện khi kích thước của vật liệu giảm sẽ được xem xét bắt đầu từ một mô hình điện tử đơn giản trong hệ ba chiều (vật liệu khối), hệ hai chiều (giếng lượng tử), hệ một chiều (dây lượng tử) và hệ không chiều (chấm lượng tử). TÔ HOÀNG TRƯƠNG 4 1.2.2.1 Hệ ba chiều ( vật liệu khối) Trong hệ ba chiều, vật rắn được xem như tinh thể vô hạn theo cả ba chiều x, y, z, chuyển động của các điện tử được mô tả bằng tổ hợp tuyến tính của các sóng phẳng có bước sóng rất nhỏ so với kích thước của vật liệu. Khi đó, năng lượng của điện tử tự do phụ thuộc vào véctơ sóng k theo hàm parabol; các trạng thái phân bố gần như liên tục (được biểu thị bằng các điểm trên hình 1.2a) và mật độ trạng thái phân bố liên tục và tỷ lệ với căn bậc hai của năng lượng E 1/2 (hình 1.2b): Hình 1.3(a) Năng lượng của điện tử tự do phụ thuộc vào véctơ sóng k theo hàm parabol; (b) Mật độ trạng thái tính theo năng lượng đối vớiđiện tử tự do 1.2.2.2 Hệ hai chiều (giếng lượng tử) Trong hệ hai chiều, các điện tử có thể vẫn chuyển động hoàn toàn tự do trong mặt phẳng x-y, nhưng chuyển động của chúng theo phương z sẽ bị giới hạn. Khi kích thước của vật rắn theo phương z giảm xuống vào cỡ vài nano mét (nghĩa là cùng bậc độ lớn với bước sóng De Broglie của hạt tải điện), thì hạt tải điện tự do trong cấu trúc này sẽ thể hiện tính chất giống như một hạt chuyển động trong giếng thế V(z), với V(z) = 0 bên trong giếng và V(z)=∞ tại các mặt biên. Vì không một điện tử nào có thể ra khỏi vật rắn theo phương z, nên có thể nói điện tử bị giam trong giếng thế. Các điện tử vẫn có thể chuyển động tự do dọc theo các phương x và y, năng lượng của điện tử tự do phụ thuộc vào k x , k y theo hàm parabol, các trạng thái (được biểu thị bằng các điểm trên hình 1.3a) phân bố gần như liên tục. Trong khi đó, TÔ HOÀNG TRƯƠNG 5 chuyển động của các điện tử theo phương z bị giới hạn, các điện tử bị giam giữ trong “hộp”. Chỉ có một số nhất định các trạng thái lượng tử hoá theo phương z (n z =1,2… ) là được phép. Mật độ trạng thái đối với một trạng thái cho trước không phụ thuộc vào năng lượng và có dạng hàm bậc thang (hình1.3b). Hình 1.4.(a) Năng lượng của điện tử tự do phụ thuộc vào véc tơ sóng kx, ky, kz theo hàm parabol; năng lượng của điện tử chỉ có thể nhận các giá trị gián đoạn ứng với (n z =1,2…) theo phương z. (b) Mật độ trạng thái g2d (E) hệ hai chiều 1.2.2.3 Hệ một chiều ( dây lượng tử) Khi kích thước vật rắn co lại theo cả hai chiều y, z ở kích thước vài nanomet thì các điện tử chỉ có thể chuyển động tự do theo phương x , còn chuyển động của chúng theo các phương y và z bị giới hạn bởi các mặt biên của vật. Một hệ như thế được gọi là dây lượng tử.Trong hệ này, các hạt tải điện có thể chuyển động chỉ theo một chiều và chiếm các trạng thái lượng tử hoá ở hai chiều còn lại. Phân bố các trạng thái, cũng như phân bố các mức năng lượng tương ứng, theo phương song song với trục x là liên tục (Hình 1.4a). Trong khi đó, chuyển động của các điện tử dọc theo hai phương còn lại (phương y và phương z) bị giới hạn và các trạng thái của chúng có thể tìm được bằng cách giải phương trình Schrödinger sử dụng mô hình “hạt trong hộp thế”. Kết quả là các trạng thái và bị lượng tử hoá, nhận các giá trị gián đoạn (Hình 1.4b). [...]... http://en.wikipedia.org/wiki /Quantum_ dot _solar_ cell [6] http://en.wikipedia.org/wiki /Quantum_ dots [7] Mohammad A Halim, “Harnessing Sun’s Energy with Quantum Dots Based NextGeneration Solar Cell Nanomaterials 2013, 3, 22-47; doi:10.3390/nano3010022 [8] Sven R_hle, Menny Shalom, and Arie Zaban, Quantum- Dot-Sensitized Solar Cells” ChemPhysChem 2010, 11, 2290 – 2304, www.chemphyschem.org [9] James McDniel, quantum dots: ... nhiên-ĐHQG TpHCM [2] Nguyễn Thành Phương, quantum dots solar cell ,luận văn thạc sĩ vật lý, đại học khoa hoc tự nhiên-ĐHQG TpHCM [3] Lê Phước Anh, “Nghiên cứu tính chất quang - điện của pin mặt trời chất màu nhạy sáng sử dụng điện cực lai TiO2 - chấm lượng tử”, luận văn tốt nghiệp, trường đại học công nghệ-ĐHQG-HN iếng anh [4] Prashant V Kamat, Quantum Dot Solar Cells Semiconductor Nanocrystals as Light... www.chemphyschem.org [9] James McDniel, quantum dots: science and applications” Nanochemistry physics 3500 [10] AAKASH GUPTA, quantum dots in solar cell UE 5501, E.C.E.7th SEMESTER, U.I.E.T., PANJAB UNIVERSITY [11] Prof Martin A Green,”Third Generation Photovoltaics: Advanced Solar Energy Conversion”, Springer-Verlag (Berlin, Heidelberg, 2003) TÔ HOÀNG TRƯƠNG 30 ... mặt trời silic vô định hình, … Ngoài ra còn có các dự án nghiên cứu về pin mặt trời chất màu nhạy quang như đề tài trọng điểm ĐHQG TP HCM “Pin quang điện hóa trên cơ sở tinh thể nano dioxit titan tẩm chất nhạy quang” do PGS TS Nguyễn Thị Phương Thoa chủ nhiệm được ĐHQG TP HCM đầu tư kinh phí, đề tài “ Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời trên cơ sở vật liệu TiO2 và chất màu cơ kim” do TS Nguyễn Thanh Lộc... bởi điểm có công suất cực đại trên lý thuyết PT Hệ số lấp đầy miêu tả chất lượng của pin mặt trời Giá trị lý tưởng của hệ số lấp đầy là bằng 1 Trong trường hợp này mọi điện tử sinh ra do hấp thụ photon đều trở thành điện tử dẫn và không có mất mát dòng điện do điện trở Thực tế hệ số lấp TÔ HOÀNG TRƯƠNG 18 đầy thường có giá trị trong khoảng 0,5-0,8 2.3.5 Hiệu suất của pin mặt trời Hiệu suất của SC, ký... Sự giam hãm lượng tử có tác dụng rất lớn hình thành nên tính chất đặc trưng TÔ HOÀNG TRƯƠNG 9 của hệ chấm lượng tử Do hiệu ứng suy giảm lượng tử mà cả hai phạm vi hấp thụ và phát xạ của chấm lượng tử đều dịch về phía có năng lượng cao hơn khi kích thước hạt giảm(hình 1.7) Hình 1.7a: Phổ hấp thụ của chấm lượng tử với sự thay đổi kích thước hạt Hình 1.7b: Sự thay đổi màu sắc chấm lượng tử CdSe theo kích... hàm phân bố một chiều đối với mật độ trạng thái g0d(E) như đã chỉ ra trên (Hình 1.5d) TÔ HOÀNG TRƯƠNG 6 Hình 1.5 (a) Vật rắn bị co lại trong cả ba chiều (b) Vì hiệu ứng giam giữ, tất cả các trạng thái đều là gián đoạn và được biểu diễn bằng một điểm trong không gian k ba chiều (c) Chỉ có các mức năng lượng gián đoạn là được phép (d) Mật độ trạng thái g0d(E) dọc theo một chiều 1.2.2.5 Chế độ giam giữ... công nghiệp năng lượng Việt Nam 2.2 Các thế hệ pin mặt trời Chấm lượng tử có rất nhiều ứng dụng như: làm chất đánh dấu trong sensor sinh học, nhận diện tế bào ung thư, làm đèn Led, pin mặt trời…Trong đề tài này, em tìm hiểu những tính chất của chấm lượng tử ứng dụng trong pin mặt trời Do đó, phần này em xin trình bày một số tổng quan về pin mặt trời và các thông số đặc trưng cho pin 2.2.1 Thế hệ thứ . Đề tài Quantum Dots Solar Cell GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Th.s NGÔ HẢI ĐĂNG SINH VIÊN THỰC HIỆN TÔ. : Quantum Dots Solar Cell GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.s NGÔ HẢI ĐĂNG SINH VIÊN THỰC HIỆN: TÔ HOÀNG TRƯƠNG. như đề tài trọng điểm ĐHQG TP HCM “Pin quang điện hóa trên cơ sở tinh thể nano dioxit titan tẩm chất nhạy quang” do PGS. TS Nguyễn Thị Phương Thoa chủ nhiệm được ĐHQG TP HCM đầu tư kinh phí, đề