Tổng hợp và nghiên cứu các tính chất quang của nano bán dẫn CdS nhằm thay thế chất mầu nhạy quang của Pin mặt trời nhạy quang DSC

Khóa Luận Tốt Nghiệp 1 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh MỤC LỤC  1.1.3.1.Hệ ba chiều (vật liệu khối) 9 1.1.3.4.Hệ không chiều (chấm lượng tử hay Quantum dot) 12 1.2.3.1.Hiệu ứng giam giữ lượng tử 19 1.2.3.2.Sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm vào kích thước và cấu trúc 20 1.2.3.3.Hiệu ứng bề mặt [10] 20 1.6.Tính chất hoá học và vật lý của =nh thể CdS 37 1.7.2.Tính chất vật lý và thông số cấu trúc của bán dẫn CdS 38 2.1.2.Quy trình thực hiện 41 2.2.1.Chế tạo màng TiO2 bằng phương pháp in lụa 42 2.2.2.Tạo màng TiO2-CdS 43 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1.1.Phổ UV-Vis 44 3.2.1.1.Khảo sát theo số lớp màng TiO2 và theo nhiệt độ nung 51 3.2.1.2.Khảo sát thời gian ngâm màng TiO2 trong dung dịch CdS 53 3.2.2.Phân tích quang phát quang 54 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 56 4.1.Kết luận 56 4.2.Hướng phát triển 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 SVTH: Nguyễn Đằng Trai MSSV: 0713122 Khóa Luận Tốt Nghiệp 2 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh LỜI CẢM ƠN  Vậy là bốn năm đại học cũng sắp kết thúc - quãng thời gian không quá dài nhưng đối với bản thân con đó là một quá trình trải nghiệm, rèn luyện, giao lưu và học hỏi. Và con cũng nhận ra được rằng suốt bốn năm đó, ba mẹ và những người thân trong gia đình đã hết lòng lo lắng, chăm sóc và động viên con, tạo mọi điều kiện để con hoàn thành tốt việc học. Con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ba mẹ và những người thân trong gia đình đã luôn bên con trong suốt cuộc hành trình này. Thông qua kháo luận, em xin chân thành gửi lời tri ân sâu sắc đến thầy TS. Lâm Quang Vinh, TS. Nguyễn Thái Hoàng đã hướng dẫn, tạo điều kiện cho em được thực tập trong suốt thời gian qua. Em xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy cô, đặc biệt là thầy cô trong bộ môn Vật Lý Ứng Dụng đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức trong suốt những năm học vừa qua. Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các anh chị cao học khóa K18 và các anh trong Bộ môn Vật Lý Ứng Dụng đã giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình em làm khóa luận. Lời cuối cùng, cám ơn những người bạn của tôi, những người luôn sát cánh bên tôi chia sẻ những buồn vui trong quãng đời sinh viên, đặc biệt là lớp 07VLUD, tốt nghiệp ra trường, mỗi người sẽ lựa chọn cho mình một hướng đi riêng nhưng chúng ta hãy luôn nhớ về nhau các bạn nhé. Cám ơn các bạn rất nhiều. Người làm khóa luận Nguyễn Đằng Trai SVTH: Nguyễn Đằng Trai MSSV: 0713122 Khóa Luận Tốt Nghiệp 3 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh DANH MỤC HÌNH  Hình 1.1: Hệ không gian, mật độ trạng thái của vật liệu nói chung 11 Hình 1.2: Điện tử trong vật rắn ba chiều vô hạn theo cả ba chiều x, y, z 12 Hình 1.3: Điện tử trong vật rắn hai chiều (xy) 13 Hình 1.4: Điện tử trong hệ một chiều 14 Hình 1.5: Vật rắn không chiều 15 Hình 1.6: Chấm lượng tử có cấu trúc lõi-vỏ CdS/CdSe/ZnS 17 Hình 1.7: Sơ đồ năng lượng của bán dẫn khối và của chấm lượng tử 18 Hình 1.8: Sự phụ thuộc kích thước của độ rộng vùng cấm E g (d) của chấm lượng tử CdSe với bán kính hạt R 21 Hình 1.9: Phổ hấp thụ (nét liền) và phổ huỳnh quang (nét đứt) của CdS với sự thay đổi kích thước hạt 23 Hình 1.10: Hai phương pháp chính tổng hợp hạt nano 24 Hình 1.11: Dùng hợp chất hữu cơ thiol làm tác nhân ngăn chặn bề mặt 28 Hình 1.12: Phổ năng lượng mặt trời 32 Hình 1.13: Nguyên lý hoạt động của DSC 34 Hình 1.14: Pin mặt trời chấm lượng tử CdSe nhạy quang 36 Hình 1.15: Hệ máy đo UV-Vis 37 Hình 1.16: Sơ đồ chuyển mức năng lượng và các bước chuyển năng lượng trong phổ điện tử 37 SVTH: Nguyễn Đằng Trai MSSV: 0713122 Khóa Luận Tốt Nghiệp 4 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh Hình 1.17: Cơ chế phát xạ ánh sáng 38 Hình 1.18: Nhiễu xạ tia X trong mạng tinh thể 39 Hình 1.19: Mô hình đo nhiễu xạ tia X 40 Hình 1.20: Cấu tạo của CdS 41 Hình 1.21: Cấu trúc tinh thể CdS 42 Hình 2.1:Sơ đồ tổng hợp dung dịch CdS 44 Hình 2.2: Khung in lụa 45 Hình 3.1: Phổ hấp thụ của nano CdS sau 10 phút khuấy theo các tỉ lệ M khác nhau 47 Hình 3.2: Màu sắc của dung dịch nano CdS thay đổi theo nồng độ chất liên kết 49 Hình 3.3: Dung dịch CdS (M=0,1) bị kết tủa 50 Hình 3.4: Phổ nhiễu xạ tia X của bột CdS 51 Hình 3.5: Ảnh TEM của hạt nano CdS 53 Hình 3.6: So sánh phổ hấp thu của màng TiO 2 -CdS theo số lớp TiO 2 54 Hình 3.7: So sánh phổ hấp thu của màng TiO 2 -CdS theo nhiệt độ 55 Hình 3.8: Màu sắc của màng TiO 2 -CdS theo nhiệt độ nung 56 Hình 3.9: Phổ hấp thu của màng TiO 2 -CdS theo thời gian ngâm 56 Hình 3.10: Phổ quang phát quang của màng TiO 2 , màng CdS và màng TiO 2 -CdS 57 Hình 3.11: Quá trình chuyển điện tích từ CdS sang TiO 2 58 SVTH: Nguyễn Đằng Trai MSSV: 0713122 Khóa Luận Tốt Nghiệp 5 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh DANH MỤC BẢNG  Bảng 1.1: Thông số bán kính Bohr của một số chất bán dẫn 22 Bảng 1.2: Các thông số cấu trúc tinh thể của bán dẫn CdS 42 Bảng 3.1: Kết quả độ rộng vùng cấm và kích thước trung bình của nano CdS điều khiển theo nồng độ chất liên kết 49 Bảng 3.2: Kích thước hạt nano CdS thay đổi theo nhiệt độ 52 SVTH: Nguyễn Đằng Trai MSSV: 0713122 Khóa Luận Tốt Nghiệp 6 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh MỞ ĐẦU Cho tới nay, ứng dụng tốt nhất để sử dụng nguồn năng lượng mặt trời là Pin mặt trời. Từ khi ra đời loại Pin mặt trời đầu tiên cho tới nay, các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu, cải tiến với xu hướng nâng cao hiệu suất, hạ giá thành của Pin mặt trời để có thể sản xuất thương mại hóa. Pin mặt trời thế hệ thứ nhất có dạng khối (đơn tinh thể Silic) và thế hệ Pin mặt trời thứ hai (dạng màng mỏng) cho hiệu suất tương đối ở mức chấp nhận được, tuy nhiên, giá thành lại cao, lắp đặt khó khăn nên chưa được sử dụng rộng rãi [7]. Do đó, trong những năm gần đây, Pin mặt trời chất mầu nhạy quang (Dye Sensitized Solar Cells hay DSC) thuộc thế hệ Pin mặt trời thứ ba với ưu điểm là giá thành rẻ, dễ lắp đặt đang được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu nhằm cải tiến hiệu suất và độ bền của Pin DSC. Nano bán dẫn hay còn gọi là chấm lượng tử do có những tính chất ưu việt như: hiệu ứng kích thước lượng tử nghĩa là trong chấm lượng tử xảy ra hiện tượng sinh ra nhiều cặp exciton khi một photon bị hấp thụ và khả năng làm giảm sự mất mát năng lượng dưới dạng nhiệt xảy ra ở các pin thông thường. Hơn thế nữa, độ rộng vùng cấm của chấm lượng tử có thể được thay đổi thông qua điều khiển kích thước của chấm lượng tử để tối ưu hóa việc hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời [4]. Đây là những ưu điểm cho thấy có thể thay thế chất màu nhạy quang bằng chấm lượng tử nhằm nâng cao hiệu suất của Pin mặt trời nhạy quang. Và trong đề tài này, chúng tôi sẽ tổng hợp và nghiên cứu các tính chất quang của nano bán dẫn CdS nhằm thay thế chất mầu nhạy quang của Pin mặt trời nhạy quang DSC với mục đích là tăng hiệu suất và thời gian sử dụng của Pin. SVTH: Nguyễn Đằng Trai MSSV: 0713122 Khóa Luận Tốt Nghiệp 7 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Vật liệu có kích thước nano (vật liệu nano) [3] 1.1.1. Vật liệu nano Vật liệu nano với kích thước rất nhỏ, trong khoảng 1 nm đến 100 nm, có những tính chất thú vị khác hẳn so với vật liệu khối thường thấy. Sự thay đổi tính chất một cách đặc biệt ở kích thước nano được cho là do hiệu ứng bề mặt và kích thước tới hạn của vật liệu nano. Hiệu ứng bề mặt: Ở kích thước nano, tỷ lệ các nguyên tử trên bề mặt thường rất lớn so với tổng thể tích vật liệu. Các nguyên tử trên bề mặt đóng vai trò như các tâm hoạt động chính vì vậy các vật liệu nano thường có hoạt tính hóa học cao. Kích thước tới hạn: Các tính chất vật lý, hóa học như tính chất cơ, nhiệt, điện, từ, quang, … ở mỗi vật liệu đều có một kích thước tới hạn mà nếu kích thước vật liệu ở dưới kích thước này thì tính chất của nó không còn tuân theo các định luật đúng với vật liệu vĩ mô thường gặp. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt vì kích thước của nó (1 nm -100 nm) cũng nằm trong phạm vi kích thước tới hạn của các tính chất điện, từ, quang, … của vật liệu. Kích thước của vật liệu có thể giảm xuống đáng kể theo một chiều, hai chiều hoặc ba chiều. 1.1.2. Phân loại vật liệu nano theo kích thước Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomet. Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái: rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau (hình 1.1): • Vật liệu nano không chiều là vật liệu trong đó cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn chiều tự do nào cho điện tử. Ví dụ: đám nano (nanocluster), hạt nano (nanoparticle), . SVTH: Nguyễn Đằng Trai MSSV: 0713122 Khóa Luận Tốt Nghiệp 8 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh • Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều (bị cầm tù trong hai chiều còn lại). Ví dụ: ống nano (nanotube), dây nano (nanowire), . • Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai chiều tự do. Ví dụ: màng mỏng (thin film), . • Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay hỗn hợp nano (nanocomposite) trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nanomet, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. Hình 1.1: Hệ không gian, mật độ trạng thái của vật liệu nói chung. SVTH: Nguyễn Đằng Trai MSSV: 0713122 Khóa Luận Tốt Nghiệp 9 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh 1.1.3. Ảnh hưởng của kích thước trên vật liệu [10] 1.1.3.1. Hệ ba chiều (vật liệu khối) Hình 1.2: Điện tử trong vật rắn ba chiều vô hạn theo cả ba chiều x, y, z; (a) vật rắn khối được xem như tinh thể; (b) mỗi trạng thái điện tử với vectơ sóng (k x , k y , k z ) được biểu diễn bằng một điểm trong không gian mạng đảo k; (c) đối với vật rắn khối, năng lượng của điện tử tự do phụ thuộc vào k theo hàm parabol, các trạng thái phân bố gần như liên tục; (d) mật độ trạng thái g 3d (E) đối với điện tử tự do trong hệ ba chiều tỷ lệ với căn bậc hai của năng lượng E 1/2 . Vật rắn khối được coi như là một tinh thể vô hạn theo cả ba chiều x, y, z. Mỗi trạng thái điện tử với vectơ sóng được biểu diễn bằng một điểm trong không gian. Đối với vật rắn khối, năng lượng của điện tử tự do phụ thuộc vào k theo hàm parabol, các trạng thái phân bố gần như liên tục. Mật độ trạng thái đối với điện tử tự do trong hệ ba chiều tỷ lệ với căn bậc hai của năng lượng. Trong mô hình này, chuyển động của các điện tử được mô tả bằng tổ hợp tuyến tính của các sóng phẳng có bước sóng (λ) nhỏ hơn kích thước của vật rắn. SVTH: Nguyễn Đằng Trai MSSV: 0713122 Khóa Luận Tốt Nghiệp 10 CBHD: TS. Lâm Quang Vinh Hàm sóng của điện tử phải thỏa mãn điều kiện: ψ(x, y, z) = ψ(x + L x , y, z) ψ(x, y, z) = ψ(x,y + L y , Z) ψ(x, y, z) = ψ(x, y, z + L z ) Nghiệm của phương trình Schorodinger là tích của ba hàm sóng độc lập. 1.1.3.2. Hệ hai chiều (Vật liệu màng) Hình 1.3: Điện tử trong vật rắn hai chiều (xy); a) hệ không gian hai chiều là màng mỏng; b) mỗi trạng thái điện tử là một điểm trong không gian k; c) hàm năng lượng của elctron tự do là hàm parabol; d) mật độ trạng thái g 2d (E) đối với điện tử tự do trong hệ hai chiều không phụ thuộc vào E. Khảo sát một vật rắn có kích thước rất lớn theo các phương x, y nhưng kích thước (chiều dày) của nó theo phương z chỉ cỡ vài nanomet. Như vậy, các điện tử có thể chuyển động hoàn toàn tự do trong mặt phẳng (xy) và năng lượng của điện tử tự do phụ thuộc vào k x , k y theo hàm parabol, nhưng chuyển động của chúng theo phương z SVTH: Nguyễn Đằng Trai MSSV: 0713122 [...]... solar cells), Pin mặt trời quang- điện-hóa (PEC), Pin mặt trời chất màu nhạy quang (dye-sensitized solar cells), Pin mặt trời hữu cơ • Pin mặt trời dạng nano tinh thể Các tế bào năng lượng mặt trời dựa trên nền Silic với một lớp phủ các nano tinh thể (các hạt nhỏ tinh thể nano hay các chấm lượng tử) như hạt bán dẫn PbSe, CdTe • Pin mặt trời quang điện hóa (PEC) Gồm một anode quang bán dẫn và một cathode... cho pin 1.4.1 Các thế hệ pin mặt trời [15] Dựa vào lịch sử phát triển và cấu tạo của các loại Pin mặt trời, người ta phân thành bốn loại thế hệ Pin mặt trời SVTH: Nguyễn Đằng Trai MSSV: 0713122 Khóa Luận Tốt Nghiệp 26 CBHD: TS Lâm Quang Vinh 1.4.1.1 Thế hệ thứ nhất Cho tới hiện tại thì nguồn vật liệu chủ yếu để chế tạo Pin mặt trời trong thương mại là các đơn tinh thể (monocrystalline) Silic Pin mặt trời. .. của Silic đơn tinh thể Các chất bán dẫn như CIGS và CdTe có giá rẻ hơn rất nhiều so với Silic đơn phân tử, tuy nhiên do có khuyết tật cấu trúc nên hiệu suất không cao 1.4.1.3 Thế hệ thứ ba Thế hệ Pin mặt trời này rất khác so với các thế hệ trước, không dựa vào lớp chuyển tiếp p-n truyền thống Thế hệ Pin mặt trời này bao gồm: Pin mặt trời dạng nano tinh thể (nanocrystal (quantum dot) solar cells), Pin. .. quang (DSC) , thay thế chất mầu nhạy quang bằng các chấm lượng tử Pin mặt trời chấm lượng tử sử dụng vật liệu mesoporous TiO2 liên kết với chấm lượng tử CdSe (hình 1.14) Chấm lượng tử CdSe được lựa chọn vì phổ phát quang của chấm lượng tử CdSe trong vùng ánh sáng khả kiến từ 350 nm – 600 nm, tại vùng bước sóng này rất thuận lợi cho việc dùng các phương pháp quang phổ để nghiên cứu tính chất quang của vật... đều của CdS Do đó, phương pháp colloide liên kết bề mặt là một phương pháp thích hợp để tổng hợp CdS như chúng tôi mong muốn Phương pháp này đã được sử dụng thành công cho việc tổng hợp hạt nano bán dẫn CdS và CdSe từ trên mười năm nay Hợp chất hữu cơ được dùng để liên kết bề mặt là đơn giản, rẻ tiền và cho phép tối ưu hóa sự phân bố kích thước hạt Hạt nano bán dẫn được hình thành do những phản ứng của. .. các vùng năng lượng, do đó ảnh hưởng đến chất bán dẫn nhiều hơn các kim loại Trong các chất bán dẫn, các tính chất điện tử trên thực tế liên quan mật thiết với các chuyển dời giữa bờ vùng hóa trị và bờ vùng dẫn Ngoài tính chất gián đoạn của các mức năng lượng còn cần phải nhấn mạnh đến sự tồn tại của các mức năng lượng điểm 0 (zero-point energy) Trong chấm lượng tử ngay cả trong trạng thái cơ bản các. .. hiệu suất và tuổi thọ của Pin mặt trời Trong đó, chấm lượng tử cũng được sử dụng để chế tạo Pin mặt trời và còn có nhiều ứng khác như: làm chất đánh dấu trong sensor sinh học, nhận diện tế bào ung thư, làm đèn Led, … Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng chấm lượng tử với mục đích làm chất nhạy quang cho Pin mặt trời Do đó, phần này chúng tôi sẽ trình bày một số tổng quan về Pin mặt trời và các thông... cadimium telluride (CdTe), các loại hợp kim của CIGS (gồm đồng, indium, gallium và selen) và các loại bán dẫn màng mỏng khác Pin mặt trời thế hệ thứ hai chiếm khoảng 10% - 20% trong thị trường thương mại với hiệu suất đạt 12% - 15% Ưu điểm của thế hệ Pin mặt trời thứ hai là chi phí chế tạo ít tốn kém, khối lượng nhẹ thuận lợi cho thiết kế, lắp đặt Bên cạnh đó thế hệ Pin mặt trời thứ hai vẫn còn những... 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 và TS Nguyễn Thế Vinh chủ nhiệm, do Sở Khoa học công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh quản lý và nhóm Nguyễn Hồng Minh, Nguyễn Đức Nghĩa tại Đại học Bách Khoa Hà Nội phối hợp với Trường Đại học Hanyang Hàn Quốc đã và đang nghiên cứu theo hướng Pin mặt trời chất màu nhạy quang này Đây được... bởi các điện tử chyển từ lớp điện ly sau quá trình oxy hóa và làm “tái sinh” các phân tử chất màu, các quá trình này diễn ra liên tục và giúp cho lớp chất màu luôn ổn định D+ + e → D SVTH: Nguyễn Đằng Trai (1.20) MSSV: 0713122 Khóa Luận Tốt Nghiệp 33 CBHD: TS Lâm Quang Vinh 1.4.4 Pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang (Quantum Dot Sensitized Solar Cell) Dựa trên cơ sở Pin mặt trời chất mầuu nhạy quang . của Pin mặt trời nhạy quang. Và trong đề tài này, chúng tôi sẽ tổng hợp và nghiên cứu các tính chất quang của nano bán dẫn CdS nhằm thay thế chất mầu nhạy quang của Pin mặt trời nhạy quang DSC. rộng vùng cấm vào kích thước và cấu trúc 20 1.2.3.3.Hiệu ứng bề mặt [10] 20 1.6 .Tính chất hoá học và vật lý của =nh thể CdS 37 1.7.2 .Tính chất vật lý và thông số cấu trúc của bán dẫn CdS 38 2.1.2.Quy. lượng mặt trời là Pin mặt trời. Từ khi ra đời loại Pin mặt trời đầu tiên cho tới nay, các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu, cải tiến với xu hướng nâng cao hiệu suất, hạ giá thành của Pin mặt trời