TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN CỦA PIN MẶT TRỜI CHẤM LƯỢNG TỬ -CHẤT MÀU NHẠY QUANG (QDS-DSC)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN CỦA PIN MẶT TRỜI CHẤM LƯỢNG TỬ -CHẤT MÀU NHẠY QUANG (QDS-DSC) Học viên: Huỳnh Lê Thùy Trang CBHD: TS Lâm Quang Vinh PGS TS Dương Ái Phương I GIỚI THIỆU II.LÝ THUYẾT TỔNG QUAN III.KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe MÀNG TiO2 –CdSe (Anode) GHÉP VÀ ĐO TÍNH NĂNG PIN IV KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN I GIỚI THIỆU Pin mặt trời chất màu nhạy quang(DSC) (P.TN Hóa Lý Trường ĐH KHTN TP HCM) Hạn chế: _Hiệu suất chưa cao (6-7%) _Độ bền (do chịu nhiệt)… Thay chất nhạy quang chấm lượng tử Nguyên lý hoạt động: Chất màu nhạy quang nhận ánh sáng kích thích: S + hυ → S* S* → S + e (đến lớp TiO2) Chu trình chuyển điện 2e + I-3 → 3Itích tuần hồn pin 3I- +2S+→ 2S + I-3 + Chọn chấm lượng tử CdSe vì: _Dễ tổng hợp điều khiển kích thước hạt _Độ rộng vùng cấm CdSe (vật liệu khối)1.74eV tương đương 720 nm bán kính Bohr lớn 5,4 nm có hiệu ứng giam cầm lượng tử mạnh Dễ dàng khảo sát tính chất quang đồng thời hấp thụ toàn vùng khả kiến ánh sáng mặt trời MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ☻Tổng hợp thành cơng nghiên cứu tính chất quang chấm lượng tử CdSe ☻Chế tạo nghiên cứu tính chất quang màng TiO2 –CdSe (anode quang) ☻Ghép pin đo đặc trưng dòng, pin II LÝ THUYẾT TỔNG QUAN Hiệu ứng suy giảm lượng tử Vật liệu Eg(eV) λ(nm) aB (nm) Eb(meV) CdS 2.42 512 2.8 29 CdSe 1.74 712 5.4 16 GaN 3.42 360 2.8 GaP 2.26 550 10-6.5 13-20 Bán kính Bohr số chất bán dẫn Theo lý thuyết Kayanuma, vùng suy giảm lượng tử mạnh (R< 2aB), ta tính kích thước hạt: Kết thảo luận chấm lượng tử CdSe III KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Quy trình tổng hợp chấm lượng tử CdSe Phương pháp liên kết bề mặt Cần tối ưu hóa thơng số Tỷ lệ phản ứng Cd/Se Tỷ lệ chất bao Kết thảo luận chấm lượng tử CdSe Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ chất bao M=Mercaptoethanol/Sodium selenite pentahydrate Tỷ lệ chất bao phải chọn cho đủ lớn để ngăn chặn phát triển nhanh hạt nano M=6 M = 14 Phổ hấp thụ UV-Vis dung dịch nano CdSe Tỉ lệ M M=6 M=8 M=10 M=12 M=14 λ (nm) 464 445 441 421 384 Eg(d)(eV) 2.67 2.79 2.81 2.95 3.23 R(nm) 1.77 1.67 1.65 1.56 1.41 Nhận xét: -Tỷ lệ M tăng kích thước hạt giảm, đỉnh hấp thụ dịch phía xanh (độ rộng vùng cấm tăng) Hiệu ứng suy giảm lượng tử Thay đổi tỷ lệ chất bao để đạt kích thước mong muốn Chọn tỷ lệ M≥6 Kết thảo luận chấm lượng tử CdSe Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ R(Cd/Se) -Kích thước hạt tăng theo tỷ lệ phản ứng Cd2+ Se2-Độ rộng vùng cấm bị mở rộng so với vật liệu khối (1.74eV) Hiệu ứng suy giảm lượng tử Phổ hấp thụ UV-Vis dung dịch nano CdSe Tỉ số R R=2 R=3 R=4 R=5 R=6 R=8 R=10 R=12 λ(nm) 362 383 440 444 446 454 474 485 Eg(d)(eV) 3.43 3.24 2.82 2.79 2.78 2.73 2.62 2.56 R(nm) 1.32 1.28 1.65 1.67 1.68 1.72 1.82 1.89 Kết luận: Từ phổ UV-Vis bước đầu khẳng định hình thành chấm lượng tử CdSe -Điều khiển tỷ lệ chất bao tỷ lệ Cd/Se để đạt kích thước mong muốn 1 Kết thảo luận chấm lượng tử CdSe Phổ quang phát quang (PL) ☻Kích thước hạt giảm (ứng với tỷ lệ chất bao M tăng) , đỉnh phát quang dịch phía xanh hiệu ứng suy giảm lượng tử ☻Vạch phổ mở rộng bị dịch chuyển Stokes lớn so với phổ hấp thụ 0.95 eV Do xuất mức lượng bẫy bề mặt Phổ hấp thụ phổ quang phát quang dung dịch CdSe tỷ lệ R(Cd/Se) , khác tỷ lệ chất baoM Kết thảo luận chấm lượng tử CdSe Phổ XRD mẫu bột CdSe nung khơng khí Phổ Raman mẫu bột CdSe Công thức Scherrer: Nhiệt độ nung Có dịch chuyển đỉnh KẾT LUẬN: dao động quang 1LO 2LO Δ(2θ) Vị trí Kích CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe ĐÃ HÌNHvới vật liệu khối (1LO so THÀNH (độ) góc 2θ thước (độ) hạt (nm) Sấy 1000C 2.30 26.03 3.55 Nung 2000C 1.64 25.85 5.00 Nung 3000C 0.52 25.84 15.67 Nung 4500C 0.29 26.12 28.12 210cm-1 2LO 413cm-1 ♪ Hạt nano CdSe tồn pha cấu trúc lập phương với thay đổi nhiệt độ chuyển dần sang cấu trúc pha dạng wurtzite ♪ Kích thước hạt tăng dần theo nhiệt độ theo pha cấu trúc tinh thể 1 Kết thảo luận chấm lượng tử CdSe Ảnh TEM mẫu bột CdSe Hạt dạng hình cầu, kích thước 3nm phù hợp với tính tốn lý thuyết từ phổ UV-Vis phổ XRD Kết thảo luận: màng TiO2 –CdSe (anode quang) Quy trình chế tạo Xử lý Xử lý nhiệt Xử lý nhiệt Anode in lụa keo TiO2 Phương pháp in lụa Ngâm dd nano CdSe Hệ keo TiO2 cung cấp phịng thí nghiệm điện hóa trường đại học Khoa Học Tự Nhiên TP Hồ Chí Minh chế tạo phương pháp sol-gel thủy nhiệt với cấu trúc lỗ xốp, kích thước 20nm Nguyên lý : hình ảnh cần in khắc lụa theo nguyên tắc phần hình ảnh cần in để trống, phần lại phủ keo PVA Khi in, keo in lụa TiO2 xuyên qua lưới phần trống tạo hình trực tiếp lên vật liệu cần in Kết thảo luận: màng TiO2 -CdSe Phổ hấp thụ UV-Vis màng TiO2-CdSe theo thời gian ngâm ☻Bờ hấp thụ màng TiO2 phủ CdSe mở rộng so với bờ hấp thụ màng TiO2 ☻Thời gian ngâm 20h, màng có độ hấp thụ cao Phổ hấp thụ UV-Vis màng TiO2CdSe xử lý nhiệt nhiệt độ khác môi trường chân không ♠ Xử lý nhiệt độ cao bờ hấp thụ mở rộng phía đỏ kích thước hạt tăng theo nhiệt độ Bước đầu cho thấy chấm lượng tử CdSe hấp thụ lên TiO Quá trình xử lý nhiệt làm bờ hấp thụ mở rộng hơn, hấp thụ toàn vùng ánh sáng khả kiến Kết thảo luận: màng TiO2 -CdSe Hình thái học bề mặt màng Ảnh FE-SEM màng TiO2 /thủy tinh Ảnh FE-SEM màng TiO2 -CdSe/thủy tinh ☻Bề mặt TiO2 có cấu trúc xốp, kích thước hạt tương đối đồng ☻Màng TiO2–CdSe hình thái bề mặt có khác biệt so với màng TiO2  Chứng tỏ CdSe hấp thụ lên màng TiO2 Kết thảo luận: màng TiO2 -CdSe Phổ XRD màng TiO2 –CdSe xử lý 3000C chân không Phổ Raman màng TiO2-CdSe ♠Xuất đỉnh đặc trưng cho mode dao động tinh thể TiO2 cấu trúc pha anatase mode dao động 1LO (205 cm-1) 2LO (410cm-1) tinh thể CdSe ♠Mẫu xử lý 3000C có đỉnh 280 cm-1do dao động phối tử CdSxSe1-x Chứng tỏ CdSe gắn lên TiO2 ♣ Có đỉnh nhiễu xạ tương ứng pha anatase tinh thể TiO2 ♣ Các đỉnh nhiễu xạ tinh thể CdSe pha cấu trúc dạng lập phương (zinc blende) với mặt mạng (111), (220), (311) 2.Kết thảo luận màng TiO2 –CdSe (anode quang) Quá trình “bơm” điện tử từ CdSe sang TiO2 ☻ Khi mặt TiO2: CdSe + hυ → CdSe(h+ + e-) CdSe(h+ + e-) → CdSe + hυ’ ☻ Có mặt TiO2 cường độ phát quang giảm mạnh do: CdSe (h+ + e-) + TiO2 → CdSe(h+) + TiO2(e-) Cuối tái hợp với lỗ trống TiO2 bị bẫy khuyết tật điện tử thông qua dịch chuyển không phát xạ Phổ quang phát quang màng TiO2 -CdSe Điện tử dịch chuyển thành công từ CdSe sang TiO2 Kết phù hợp với số tác giả như: nhóm tác giả Anusorn , Ấn Độ (2008)[6]; nhóm tác giả Liping Liu, ĐH California (2009) [29] Kết thảo luận màng TiO2 –CdSe (anode quang) KẾT LUẬN VỀ MÀNG TiO2 -CdSe ♣ Bằng phương pháp ngâm trực tiếp màng TiO2 dd nano CdSe 20h cho thấy chấm lượng tử CdSe gắn kết với mạng lưới TiO2 ♣ Quá trình xử lý nhiệt làm bờ hấp thụ dịch phía đỏ, hấp thu toàn vùng ánh sáng khả kiến ♣Chấm lượng tử sau hấp thụ ánh sáng bơm điện tử thành công qua TiO Kết thảo luận : Pin mặt trời chấm lượng tử CdSe nhạy quang Hệ máy Keithley đo hiệu suất pin Việc xử lý nhiệt độ anode TiO2-CdSe giá trị dòng ngắn mạch mạch hở cao 2000C, cịn 3000C lại giảm nhiều Tính chuyển đổi thành dịng PMT chúng tơi chế tạo khơng cao Ngun nhân: ♫ Phản ứng tạo dịng tối cao ♫ Các tác nhân hữu bám bề mặt làm điện trở tăng cao cản trở dòng điện Đường đặc trưng I-V Pin ISC (mA/cm-1) VOC (V) TiO2-CdSe 0.05 0.58 TiO2-CdSe(2000C) 0.12 0.40 TiO2-CdSe(3000C) 0.04 0.23 ♫ Công nghệ chế tạo dựa nguyên liệu tự sản xuất, chưa hồn chỉnh thơng số, khơng có phịng … PMT chúng tơi có nhiều tiềm phát triển KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ☻Chúng chế tạo thành công chấm lượng tử CdSe phương pháp colloide điều khiển kích thước hạt theo nồng độ chất bao tỷ lệ Cd/Se ☻Đã chế tạo thành công màng TiO2 phương pháp in lụa màng TiO2-CdSe phương pháp ngâm dung dịch nano CdSe Khảo sát tính chất màng, cho thấy có hấp thụ CdSe lên TiO2, khẳng định q trình chuyển điện tích từ vùng dẫn CdSe sang vùng dẫn TiO2, điều quan trọng việc ứng dụng làm pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang ☻ Chúng tạo pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang đo tính pin Định hướng phát triển: ♣Khảo sát phương pháp hữu hiệu để hấp thụ chấm lượng tử CdSe lên màng TiO2 ♣Khảo sát ảnh hưởng kích thước, nhiệt độ xử lý chất nhạy quang-chấm lượng tử CdSe lên hiệu suất chuyển đổi pin ♣Có thể kết hợp nhiều lớp chấm lượng tử CdS, CdSe, ZnS chất nhuộm để cải thiện hiệu suất chuyển đổi ... sát tính chất quang đồng thời hấp thụ toàn vùng khả kiến ánh sáng mặt trời MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ? ?Tổng hợp thành công nghiên cứu tính chất quang chấm lượng tử CdSe ☻Chế tạo nghiên cứu tính chất quang. .. THUYẾT TỔNG QUAN III.KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe MÀNG TiO2 –CdSe (Anode) GHÉP VÀ ĐO TÍNH NĂNG PIN IV KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN I GIỚI THIỆU Pin mặt trời chất màu nhạy quang( DSC)... ánh sáng khả kiến ? ?Chấm lượng tử sau hấp thụ ánh sáng bơm điện tử thành công qua TiO Kết thảo luận : Pin mặt trời chấm lượng tử CdSe nhạy quang Hệ máy Keithley đo hiệu suất pin Việc xử lý nhiệt