CHẾ TẠO THANH NANO ZnO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ********** Α  Ω ********** LÊ KHẮC TỐP CHẾ TẠO THANH NANO ZnO BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI Chuyên ngành: Vật Lý Vô Tuyến Điện Tử Mã số chuyên ngành: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS LÊ VĂN HIẾU TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2012 Luận văn thạc sĩ Vật lý LỜI CẢM ƠN Trên tất xin tỏ lòng tri ân cảm tạ đến Cha mẹ, anh em gia đình sinh thành nuôi dạy, giúp đỡ tạo điều kiện tốt chổ dựa tinh thần cho sống học tập để có kết ngày hôm Bằng lòng kính trọng sâu sắc em xin chân thành cám ơn PGS TS Lê Văn Hiếu, Thầy truyền dạy kiến thức, kinh nghiệm chuyên môn suốt trình học tập, tận tình hướng dẫn em hoàn thành tốt khoá luận giúp đỡ em nhiều vấn đề sống Con xin cảm ơn gia đình ba Dương, má Thu, em Tùng, em Bel, bà Cố giúp đỡ nhiều thời gian học cao học Em xin trân trọng cảm ơn thầy cô khoa Vật Lý, Khoa học Vật liệu, đặc biệt thầy cô môn Vật Lý Ứng Dụng trường ĐH KHTN trang bị cho em kiến thức quý báu trình học tập Xin gửi lời biết ơn chân thành đến anh Nguyễn Đức Hảo giúp đỡ, dẫn trao đổi nhiều kiến thức, kinh nghiệm hướng làm việc Cảm ơn em Thanh, Ngàn, Tường, Tri, Oanh, Ngọc cộng tác với thực thí nghiệm Tôi xin gửi lời yêu thương chân thành đến ân nhân, bạn bè đặc biệt bạn lớp cao học K19, bạn phòng thí nghiệm, anh chị em lớp bác sứ vụ K11 giúp đỡ tinh thần, kiến thức suốt trình học tập việc thực khoá luận Lê Khắc Tốp HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT : Thế hóa ITO: In2O3 – SnO2 Eg: Năng lượng vùng cấm PVD : Physical vapour deposition EC: Năng lượng vùng dẫn PL: Photoluminescence Ev: Năng lượng hóa trị PMT: Pin mặt trời I: Cường độ dòng điện LED: Diod phát quang J: Mật độ dòng OSC: Organic solar cell V: Hiệu điện SC: Solar cell kB: Hằng số Boltzmann η: Hiệu suất k: Véctơ sóng CIGS: Cu, Indium, gallium selen) n: Nồng độ hạt tải CVD: Chemical Vapour Deposition p: Nồng độ lỗ trống VLS: Vapor- liquid- solid Ex: Năng lượng theo trục x 1D : Một chiều Ey: Năng lượng theo trục y Pt : Bạch kim Ez: Năng lượng theo trục z SEM: Scanning Electron Microscope NRs: Nanorod (thanh nano) HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu tạo pin mặt trời đơn giản Hình 1.2: Sơ đồ lượng chuyển mức: (a) chuyển mức thẳng (b) chuyển mức xiên trực tiếp (c) chuyển mức xiên gián tiếp Hình 1.3: Hóa e,h cặp điện tử lỗ trống 11 Hình 1.4: Cấu trúc lượng tiếp xúc p-n chiếu sáng 12 Hình 1.5: Cấu trúc PMT lai hóa 13 Hình 1.6: Cơ chế dẫn điện polymer dẫn 15 Hình 1.7: Mô hình mức lượng chế chuyển điện tích PMT lai hóa 16 Hình 1.8: Đặc tuyến I-V PMT 18 Hình 2.1: Cấu trúc tinh thể ZnO 20 Hình 2.2: Các dạng sai hỏng điểm thường gặp 21 Hình 2.3: Một số hình thái cấu trúc 1D ZnO 23 Hình 2.4: Đường đặc trưng I-V: (a) hệ Au/ZnO, (b) Hệ Au/Ti/ZnO 25 Hình 2.5: Cường dộ dòng phát ZnO nanarod đế Si 550oC 26 Hình 2.6: Mật độ trạng thái lượng hình thái vật liệu khác 27 Hình 3.1: Mô hình hệ phún xạ DC 28 Hình 3.2: Mask (lưới) nhôm oxit 29 Hình 3.3: Mô hình mô chế tạo NRs phún xạ 29 Hình 3.4: Sơ đồ chế tạo NRs phương pháp hóa ướt 30 Hình 3.5: Nguyên tắc cấu tạo hệ VLS 31 Hình 3.6: Quá trình hình thành ZnO NRs VLS 32 Hình 3.7: Hệ điện hóa mô 32 Hình 3.8: ZnO NRs đế khác 36 Hình 3.9: ZnO NRs phát triển nhiệt độ: (a) 90°C, (b) 120oC, (c) 150oC, (d) 180°C 36 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý Hình 3.10: ZnO NRs phát triển với nồng độ muối Zn(NO3)2:(a) 0.0025 M (b) 0.005 M (c) 0.0075 M (d) 0.01 M 37 Hình 3.11 : Hệ quang phát quang 37 Hình 3.12: Sự nhiễu xạ tia X mặt mạng nguyên tử 38 Hình 3.13: Cấu tạo kính hiển vi điện tử quét SEM 39 Hình 4.1: Mô hình hệ điện hóa hoàn chỉnh a, Hệ điện hóa điều khiển nhiệt qua phận potentionstat b, Hệ điện hóa điều khiển nhiệt qua máy tính 42 Hình 2: Hệ potentiostat a, card potentiostat b, CPU gắn card potentiostat .43 Hình 4.3: Vị trí gắn Card potentionstat 44 Hình 4.4: Giao diện cài đặt phần mềm Framework 5.20 setup 44 Hình 4.5: Giao diện cài đặt bước thứ hai 45 Hình 4.6: Giao diện cài đặt bước cuối 45 Hình 4.7: Giao diện khởi động phần mềm 46 Hình 4.8: Các danh mục làm việc hệ điện hóa 46 Hinh 4.9: Giao diện danh mục điện hóa ổn 47 Hình 5.1: Bình điện phân ba cổ 49 Hình 5.2: Toàn cảnh hệ điện hóa dùng chế tạo ZnO NRs 49 Hình 5.3: Sơ đồ pha dung dịch 50 Hình 5.4: Hình SEM ZnO mẫu D1 51 Hình 5.5: Hình chụp SEM ZnO mẫu MD1 52 Hình 5.6: Hình chụp SEM ZnO MDZ1 53 Hình 5.7: Hình chụp SEM ZnO MZ1 54 Hình 5.8: Hình SEM bề mặt màng Cu ZnO NRs đế màng Cu 55 Hình 5.9: Hình SEM bề mặt màng Cu/ZnO ZnO NRs đế màng Cu/ZnO 55 Hình 5.10: Hình SEM bề mặt màng ZnO ZnO NRs đế màng ZnO 55 Hình 5.11: Hình SEM ZnO NRs mẫu I01 57 Hình 5.12: Hình SEM ZnO NRs mẫu I02 58 Hình 5.13: Hình SEM ZnO NRs mẫu I03 59 Hình 5.14: Hình SEM ZnO NRs mẫu I05 60 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý Hình 5.15: Hình SEM ZnO NRs mẫu I05M 60 Hình 5.16: Hình SEM ZnO NRs mẫu IF03 62 Hình 5.17: Hình SEM ZnO NRs mẫu IF06 63 Hình 5.18: Hình SEM ZnO NRs mẫu IF09 64 Hình 5.19: Hình SEM ZnO NRs mẫu IF12 65 Hình 5.20: Hình chụp mặt cắt ngang ZnO NRs 65 Hình 5.21: Quá trình hình thành ZnO NRs 67 Hình 5.22: Quy trình tạo mầm ZnO solgel 69 Hình 5.23: Hình SEM ZnO NRs: a) mẫu M0 mầm ZnO, b) mẫu M1, c) mẫu M2, d) mẫu M3, e) mẫu M4, f) mẫu M5 70 Hình 5.24: Hệ thí nghiệm khảo sát độ bám dính dòng nước xoáy 73 Hình 5.25: ZnO NRs trước sau khảo sát dòng nước xoáy 73 Hình 5.26: Máy spin 74 Hình 5.27: ZnO NRs trước sau khảo sát spin 74 Hình 5.28: Phổ truyền qua ZnO NRs, a) mẫu M5, b mẫu M1 75 Hình 5.29: a) mô hình đo đặc I-V NRs, b) NRs phủ lớp polymer cách điện 76 Hình 5.30 : Đường đặc trưng I-V màng ITO, ZnO-ITO ZnO NRs-ITO 76 Hình 5.31: Phổ phát quang PL ZnO NRss nhiệt độ phòng: (a) ZnO NRs đế Cu, (b) ZnO NRs đế ITO 78 Hình 5.32: Phổ Xray ZnO NRs với điều kiện ổn dòng khác 79 Hình 5.33: Sơ đồ tạo màng polymer dẫn 80 Hình 5.34: Hệ bốc bay dùng phủ điện cực nhôm (Al) 80 Hình 5.35: Pin mặt trời hoàn thiện 81 Hình 5.36: Đặc trưng I-V hệ pin chưa chiếu sáng 82 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 5.1: Bảng thông số thí nghiệm 50 Bảng 5.2: Thông số thí nghiệm ổn dòng 0.1mA/cm2 56 Bảng 5.3: Thông số thí nghiệm ổn dòng 0.2mA/cm2 57 Bảng 5.4: Thông số thí nghiệm ổn dòng 0.3mA/cm2 58 Bảng 5.5: Thông số thí nghiệm ổn dòng 0.5mA/cm2 59 Bảng 5.6: Thông số thí nghiệm ổn dòng bước thứ 0.3mA/cm2 61 Bảng 5.7: Thông số thí nghiệm ổn dòng bước thứ 0.6mA/cm2 62 Bảng 5.8: Thông số thí nghiệm ổn dòng bước thứ 0.9mA/cm2 63 Bảng 5.9: Thông số thí nghiệm ổn dòng bước thứ 1.2mA/cm2 64 Bảng 5.10: Thông số tạo lớp mầm ZnO 70 Bảng 5.11: Thông số thí nghiệm ổn điều khiển ZnO NRs HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG ĐẶT VẤN ĐỀ PHẦN TỔNG QUAN Chƣơng PIN MẶT TRỜI – PIN MẶT TRỜI LAI HÓA 1.1 Khái niệm lịch sử pin mặt trời 1.2 Nguyên tắc hoạt động PMT 1.2.1 Hấp thu bán dẫn 1.2.1.1 Các loại chuyển mức hấp thu bán dẫn 1.2.1.2 Các loại hấp thu bán dẫn 1.2.2 Quá trình phân ly truyền dẫn điện tích 1.3 PMT dựa vật liệu lai hóa 13 1.3.1 Thành phần cấu tạo PMT lai hóa 13 1.3.2 Cơ chế hoạt động PMT lai hóa 16 1.4 Các thông số đặc trưng PMT 16 Chƣơng VẬT LIỆU ZnO VÀ ZnO NANOROD 20 2.1 Giới thiệu vật liệu ZnO 20 2.1.1 Cấu trúc tinh thể ZnO 20 2.1.2 Sai hỏng tinh thể ZnO 20 2.1.3 Tính chất điện vật liệu ZnO 22 2.2 Vật liệu ZnO nanorod 22 2.2.1 Cấu trúc hình thái học 22 2.2.2 Tính chất ứng dụng ZnO nanorod 23 2.2.3 Mật độ trạng thái 26 Chƣơng CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ZnO NANOROD 28 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý 3.1 Phương pháp phún xạ 28 3.2 Phương pháp thủy nhiệt 30 3.3 Phương pháp CVD VLS 31 3.4 Phương pháp điện hóa 32 3.5 Một số phương pháp phân tích ZnO NRs 37 3.5.1 Phương pháp đo quang phát quang 37 3.5.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X 38 3.5.3 Phương pháp chụp ảnh SEM 39 3.5.4 Phương pháp đo độ bám dính 40 3.5.4.1 Khảo sát dòng nước xoáy 40 3.5.4.2 Khảo sát bám dính spin 41 3.5.4.3 Khảo sát độ bám dính phương pháp đánh siêu âm 41 Phần THỰC NGHIỆM 42 Chƣơng HỆ THỰC NGHIỆM 42 4.1 Cấu tạo hệ điện hóa (potentiostat) 42 4.2 Lắp đặt dụng hệ điện hóa: 43 Chƣơng THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 48 5.1 Thực nghiệm chế tạo ZnO nanorod 48 5.1.1 Hóa chất – Dụng cụ thí nghiệm - Pha hóa chất 48 5.1.2 Thực nghiệm tạo ZnO nanorod đế khác 50 5.1.2.1 Tạo ZnO nanorod đế đồng 51 5.1.2.2 Tạo ZnO nanorod đế thủy tinh phủ màng đồng 52 5.1.2.3 Tạo ZnO nanorod đế Cu/ZnO 53 5.1.2.4 Tạo ZnO nanorod màng ZnO 53 5.1.3 Tạo ZnO nanorod đế ITO 56 5.1.3.1 Ổn dòng bước 56 5.1.3.2 Ổn dòng bước 61 5.1.4 Giải thích trình hình thành ZnO NRs điện hóa 66 5.1.5 Điều khiển kích thước ZnO NRs 69 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý 5.1.6 Một số kết khảo sát khác ZnO NRs 72 5.1.6.1 Khảo sát bám dính ZnO NRs 72 5.1.6.2 Phổ truyền qua ZnO NRs 75 5.1.6.3 Đặc trưng I-V ZnO NRs 75 5.1.6.4 Phổ phát quang ZnO nanorod 77 5.1.6.5 Phổ Xray 78 5.2 Thực nghiệm tạo PMT 79 5.2.1 Thực nghiệm phủ lớp hữu 79 5.2.2 Thực nghiệm phủ điện cực nhôm (Al) 81 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 83 6.1 Kết luận 83 6.2 Hướng phát triển 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý Hình 5.24: Hệ thí nghiệm khảo sát độ bám dính dòng nước xoáy  Kết bàn luận Hình (5.23) ảnh SEM mẫu trước sau khảo sát dòng nước xoáy Hình 5.25: ZnO NRs trước sau khảo sát dòng nước xoáy Trên hình (5.23) thấy, diện rộng ZnO không thay đổi, tức không bị bong tróc Với phương pháp khảo sát này, bước đầu nhận thấy, NRs làm phương pháp điện hóa có độ bám dính tốt  Khảo sát bám dính spin 73 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý Trong đề tài này, khảo sát độ bám dính phương pháp spin với tốc độ 500 vòng/phút, spin phút Hình (5.24) máy spin dùng để tiến hành khảo sát độ bám dính, Bộ môn màng mỏng – khoa Vật liệu - trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hình 5.26: Máy spin  Kết bàn luận Hình 5.27: ZnO NRs trước sau khảo sát spin Hình (5.25) thấy khảo sát với tốc độ 500 vòng/ phút, ZnO không thay đổi diện rộng, tức không bị bong tróc Kết lần kiểm chứng độ bám dính tốt ZnO NRs đế Điều có ý nghĩa quan trọng việc ứng dụng ZnO NRs pin mặt trời LED Vì thí nghiệm phủ polymer dẫn đế có ZnO NRs tiến hành phủ quay với tốc độ 500 vòng/phút 74 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý 5.1.6.2 Phổ truyền qua ZnO NRs Hình 5.28: Phổ truyền qua ZnO NRs, a) mẫu M5, b mẫu M1 Hình (5.28) cho thấy ZnO nanorod với chiều dài 200 – 250nm (mẫu M5) có độ truyền qua tương đối thấp khoảng 65%, điều làm giảm hiệu suất PMT sử dụng ZnO NRs Tuy nhiên chiều dài mẫu giảm xuống khoảng 100 – 160 nm (mẫu M1) có độ truyền qua khoảng 80%, yếu tố quan trọng ứng dụng chế tạo PMT 5.1.6.3 Đặc trƣng I-V ZnO NRs Như trình bày phần tổng quan , ZnO NRs vật liệu có cấu trúc 1D nên có khã dẫn điện tốt vật liệu 2D, ZnO NRs ứng dụng PMT đóng vai trò kênh dẫn, truyền dẫn điện tích lớp hữu điện cực Vì thế, lớp ZnO ITO cần phải có tiếp xúc ohmic thật tốt Chúng tiến hành đo đặc trưng I-V nhằm kiểm chứng khả dẫn ZnO NRs Sau chế tạo ZnO NRs đế ITO tiến hành phủ lớp Polymer (PVA) cách điện, chắn phần điện cực phủ với lớp ITO bên dưới, lớp Polymer có 75 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý bề dày thấp nano, để lộ phần đầu NRs sau tiến hành bốc bay điện cực lên phần lớp NRs hình (5.29) Hình 5.29: a) mô hình đo đặc I-V NRs, b) NRs phủ lớp polymer cách điện Hình 5.30 : Đường đặc trưng I-V màng ITO, ZnO-ITO ZnO NRs-ITO 76 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý Từ kết kết luận tiếp xúc lớp ZnO NRs ITO tiếp xúc Ohmic, kết phù hợp với nhóm tác giả Park [31] Qua đó, lớp ZnO NRs đóng vai trò kênh dẫn tốt lớp ITO điện cực Đây tiền đề cho khảo sát sâu đặc trưng I – V, từ xác định khả dẫn điện (thông qua điện trở) cấu trúc ZnO NRs tạo 5.1.6.4 Phổ phát quang ZnO nanorod Hình 5.26 (a) ZnO NRs đế màng Cu, ta thấy xuất đỉnh 382nm với cường độ mạnh, đỉnh phát quang dịch chuyển vùng – vùng ZnO Bên cạnh xuất đỉnh khoảng 550 – 630nm với cường độ tương đối lớn, xuất đỉnh thứ hai ZnO NRs đế Cu nhiều sai hỏng, khuyết tật (có thể khuyết oxi mạng tinh thể ZnO) Khi khuyết tật hình thành đồng nghĩa với việc hình thành mức lượng khuyết tật vùng cấm ZnO, sai hỏng khuyết tật tạo nên mức khuyết tật tái hợp phát quang bước sóng khoảng 550 – 630nm [11] Chúng thấy đỉnh 550 – 630 ZnO đế Cu có cường độ lớn điều chứng tỏ sai hỏng khuyết tật ZnO NRs đế Cu nhiều Tuy nhiên hình 5.26 (b) ZnO NRs đế ITO đỉnh khoảng 575 - 600nm có cường độ yếu hơn, đồng nghĩa với sai hỏng khuyết tật ZnO NRs đế ITO hạn chế Kết cho thấy chế tạo ZnO NRs đế ITO phương pháp điện hóa cho kết cấu trúc ZnO sai hỏng, khuyết tật 77 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý Hình 5.31: Phổ phát quang PL ZnO NRs nhiệt độ phòng: (a) ZnO NRs đế Cu, (b) ZnO NRs đế ITO 5.1.6.5 Phổ Xray Hình (5.27) phổ Xray ZnO NRs đế ITO: (a) mẫu IF03, (b) mẫu IF06, (c) mẫu IF09, (d) mẫu IF12 Kết cho thấy xuất đỉnh mặt mạng (002) với cường độ lớn bốn mẫu IF03, IF06, IF09, IF12 điều cho thấy ZnO NRs tạo có cấu trúc lục giác xếp chặt Tuy nhiên hình 5.27 (a) xuất đỉnh khác ZnO ITO điều chứng tỏ cấu trúc NRs đế ITO thưa thớt cấu trúc ZnO NRs chưa tốt (đã kiểm chứng hình SEM mẫu IF03), trường hợp lại cấu trúc ZnO NRs tốt theo điều kiện thay đổi cường độ dòng điện Điều minh chứng rõ hình ảnh SEM mục 5.1.3.2 78 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý Hình 5.32: Phổ Xray ZnO NRs đế ITO với điều kiện ổn dòng khác 5.2 Thực nghiệm tạo PMT 5.2.1 Thực nghiệm phủ lớp hữu Sau tạo ZnO NRs đế ITO Chúng tiến hành chế tạo PMT hệ thứ tư, bước đầu tạo PMT tương theo mô hình hình (1.5) thực đo đặc trưng I -V Như trình bày mục (5.1.4.1) ZnO NRs có độ bám dính tốt, phủ polymer dẫn phương pháp spin không làm gãy ngã bong tróc Hỗn hợp P3HT PCBM cân theo tỉ lệ khối lựơng P3HT PCBM 1:1 hoà tan dung môi chlorobenzene để nồng độ 1wt% Sau hỗn hợp cần khuấy gia nhiệt 50oC liên tục 10h để hòa tan tạo thành hỗn hợp đồng Sơ đồ tạo màng polymer thực hiển hình (5.33) 79 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý Hình 5.33: Sơ đồ tạo màng polymer dẫn Hỗn hợp sau hòa tan tạo thành hỗn hợp đồng nhất, tiến hành thực phủ quay đế ITO đế ITO/ZnO NRs để tạo thành pin Trước tiến hành phủ quay, đế ITO làm cách đánh siêu âm, rửa acetol, ethanol, nước cất hai lần Còn đế ITO/ZnO NRs tẩy rửa phương pháp spin 500 vòng/phút với acetol Dung dịch polymer nhỏ trực tiếp lên lớp đệm buồng quay với môi trường khí trơ (N2) Màng phủ quay với tốc độ 1000 vòng/phút Kết thúc trình phủ, màng ủ nhiệt chân không nhiệt độ 100oC thời gian 10 phút 80 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý 5.2.2 Thực nghiệm phủ điện cực nhôm (Al) Hình 5.34: Hệ bốc bay dùng phủ điện cực nhôm (Al) Tiếp theo phủ điện cực Al phương pháp bốc bay Bốc bay Al áp suất 10-4 torr, dòng 50A Trong trình bốc bay tạo điện cực Al phải ý đến mép màng polymer (vị trí mép thường bị bong tróc, không đồng nên điện cực Al dễ tiếp xúc với điện cực ITO tạo thành tiếp xúc ohmic) Sau phủ điện cực Al điện cực ITO lau tolurent (vì trình phủ quay lớp polymer bị giăng dính vào lớp điện cực ITO) Chúng tiến hành nối dây cách dán keo Ag để tạo thành pin Hình 5.35: Pin mặt trời hoàn thiện 81 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý  Kết bàn luận Hình 5.36: Đặc trưng I-V hệ pin chưa chiếu sáng Hình 5.30 (a) kết đường đặc trưng I-V hệ pin không chiếu sáng [thuỷ tinh/ITO/ZnO NRs /P3HT:PCBM/Al] Do điều kiện thời gian thiết bị chưa tiến hành đo đặc trung I-V hệ pin chiếu sáng, hình 5.30 thể biến thiên dòng theo hiệu điện thế, thể đường đặc trưng I-V PMT (đặc trưng chuyển tiếp p-n) chưa thể tính hiệu suất pin Dựa vào kết này, hướng phát triển tương lai 82 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận - Trong đề tài tác giả trình bày chi tiết PMT lai hóa ảnh hưởng NRs đến hiệu suất PMT lại hóa Tác giả trình bày rỏ tính chất đặc trưng ZnO cấu trúc 1D, từ dẫn chứng ứng dụng thực tế vật liệu ZnO 1D đời sống khoa học - Việc chế tạo ZnO NRs nghiên cứu nhiều nước đặc biệt trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Việt Nam lần đâu tiền NRs chế tạo phương pháp điện hóa Trong phần tổng quan thực nghiệm tác giã trình bày chi tiết lý thuyết, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, trình hình thành NRs phương pháp điện hóa Đặc biệt tác giã dã xây dựng, cài đặt thành công hệ thí nghiệm điện hóa chế tạo NRs nghiên cứu chế tạo vật liệu nano thấp chiều - Kết thực nghiệm tác giả chế tạo ZnO NRs có cấu trúc lục giác, định hướng theo trục c trực giao với đế ITO, Đã khảo sát ảnh hưởng đế cường độ dòng điện đến trình phát triển cấu trúc ZnO NRs Đặc biệt tác giả mạnh dạn tách giá trị cường độ dòng điện thành giá trị ứng với bước trình điện phận Tác giả giải thích rỏ lý tách thành bước mặt chế nguyên lý hình thành NR strong điện phân - Đã điều khiển chiều dài, đường kính ZnO NRs chế tạo ZnO NRs có chiều dài từ 100-250nm, đường kính 30-70nm (mục 5.1.5) Kết phổ Xray, phổ PL (xuất đỉnh 382), phổ U-vis, đường đặc trưng I-V cho thấy NRs có độ tinh thể cao (mặt mạng 002), khuyết tật thấp, truyền qua tốt (trên 75%), tiếp xúc ohmic với ITO dẫn điện tốt Đặc biệt ZnO NRs có độ bám dính tốt mở triển vọng ứng dụng cho việc chế tạo PMT có cấu trúc lai hóa vô – hữu - Bước đầu thực nghiệm phủ polymer dẫn để chế tạo PMT có cấu trúc lai hóa (thế hệ thứ 4) đo đặc trưng I-V hệ pin cho thấy xuất hiệu ứng PMT, mở triển vọng hoàn thiện hệ PMT lai hóa có hiệu suất cao 83 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý 6.2 Hƣớng phát triển - Tiếp tục nghiên cứu khảo sát thông số ảnh hưởng lên trình hình thành phát triển ZnO NRs đường kính, chiều dài, cấu trúc - Nghiên cứu tính chất hiệu ứng truyền dẫn điện tích bề mặt tiếp xúc cấu trúc lai hóa PMT Đo độ dẫn tính toán độ dẫn vật liệu ZnO 1D - Chế tạo ZnO NRs có đặc tính phù hợp nhằm ứng dụng cảm biến khí, cảm biến sinh học, quang xúc tác, phát xạ trường… - Phủ lớp polymer dẫn đế NRs tạo PMT đo đặc trưng I-V, tính hiệu suất khảo sát ảnh hưởng NRs việc cải thiện hiệu suất PMT 84 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Khắc Tốp - Thiết lập số hệ thí nghiệm phục vụ thực tập giảng dạy trực quang môn học quang điện tử bán dẫn – khóa luận tốt nghiệp 2008 [2] Nguyễn Thị Thái Thanh - Nghiên cứu chế tạo ZnO nanorod loại đế - Khóa luận tốt nghiệp 2011 [3] Nguyễn Nguyên Ngàn - Nghiên cứu chế tạo màng mỏng hữu loại chuyển tiếp dị thể dùng cho pin mặt trời – Khóa luận tốt nghiệp 2011 [4] Nguyễn Trí Khoa, Phạm Kiên Trung – Pha tạp đậm lớp N+ P+ đế Si ứng dụng chế tạo PMT tiếp xúc P-N PMT màng mỏng cấu trúc PI-N – Khóa luận tốt nghiệp 2009 [5] La Phan Phương Hạ - Chế tạo khảo sát tính chất đặc trưng sợi nano ZnO (ZnO nanowires) – Luận Văn Thạc Sỉ Vật Lý 2011 [6] Võ Hồng Thái – Giao khoa hóa vô - Điện phân [7] Đặng Kim Triết – Bài giảng Điện hoác lý thuyết – Đại học công nghiệp Tp HCM [8] Trương Kim Hiếu, (2007), "Bài giảng vật lý quang bán dẫn" Đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh [9] ElifA rici,N SerdarS ariciftci - Hybrid Solar Cells Johannes Kepler UniversityL, inz,A ustria [10] Soo Jeong Jo, Teaho Ban, Amir Abidov, Jong Hwan Lee, Dokyung Lee, NoJin Park, Soon Wook Jeong, Joongho Ahn, Sungjin Kim Materials Science Forum 695 (2011) 81-84 [11] Jinping Liu, Xintang Huang, Yuanyuan Li, Xiaoxu Ji, Zikun Li, Xiang He, Fenglou Sun - Phys Chem 111, C 2007, 4990-4997 [12] C Borchers, S Mu1ller, D Stichtenoth, D Schwen, and C Ronning - J Phys Chem 110, B 2006, 1656-1660 86 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý [13] Chen Liangyuan, Liu Zhiyong, Bai Shouli, Zhang Keweia, Li Dianqinga, Chen Aifan, Chung Chiun Liub - Sensors and Actuators B 143 (2010) 620– 628 [14] Yakup Hames, Zuhal Alpaslan, Arif Kosemen, Sait Eren San, Yusuf Yerli Solar Energy 84 (2010) 426-431 [15] Soo Jeong Jo, Teaho Ban, Amir Abidov, Jeong Hwan Lee, Dokyung Lee, No Jin Park, Soon Wook Jeong, Joongho Ahn, Sungjin Kim - Metarials Science Forum 695 (2011) 81-84 [16] Qiaobao Zhang, Honghui Guoa, Zengfang Feng, Lingling Lin, Jianzhang Zhou, Zhonghua Lin - Electrochimica Acta 55 (2010) 4889–4894 [17] Honghui Guo, Jianzhang Zhou, Zhonghua Lin - Electrochemistry Communications 10 (2008) 146–150 [18] V.R Shinde, T.P Gujar , C.D Lokhande, R.S Mane, Sung-Hwan Han Materials Science and Engineering B 137 (2007) 119–125 [19] O Lupana, V.V Ursaki, G Chai, L Chow, G.A Emelchenko, I.M Tiginyanu, A.N Gruzintsev, A.N Redkin - Sensors and Actuators B 144 (2010) 56–66 [20] Ming – Ta Chen, Jyh-Ming Ting – Thin Solid Films 494 (2006) 250-254 [21] Juan Zhao, Zheng-Guo Jin, Tao Li, Xiao-Xin Liu - Journal of the European Ceramic Society 26 (2006) 2769–2775 [22] Forest Shih-Sen Chien, Chang-Ren Wang, Yu-Lin Chan, Hsiao-Lan Linb,Min-Hung Chenb, Ren-Jang Wu - Sensors and Actuators B 144 (2010) 120–125 [23] Chien-Te Hsieh, Shu-Ying Yang, Jia-Yi Lin - Thin Solid Films 518 (2010) 4884–4889 [24] Gyu-Chul Yi, ChunruiWang and Won Il Park Sci Technol 20 (2005) S22– S34 [25] Lee C J, Lee T J, Lyu S C, Zhang Y, Ruh H and Lee H J Appl Phys Lett 81 (2002) 3648 87 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý [26] Harnack O, Pacholski C, Weller H, Yasuda A and Wessels J M Rectifying Nano Lett (2003 )1097 [27] Hyunghoon Kim, Jin Young Moon, and Ho Seong Lee Electronic Materials Letters, Vol 5, No (2009), pp 135-138 [28] Seong Kyong Park, Jae Hyoung Park, Ki Young Ko, Sungho Yoon, Kyo Seon Chu,Woong Kim, and Young Rag Do Department of Chemistry, Kookmin UniVersity, Seoul 136-702, Korea, and Department of Materials Science and Engineering, Korea UniVersity, Seoul 136-713, Korea [29] Dianwu Wu , Mei Yang, Zhongbing Huang , Guangfu Yin, Xiaoming Liao, Yunqing Kang, Xianfu Chen, Hui Wang Journal of Colloid and Interface Science 330 (2009) 380–385 [30] R.H Fowler, L.W Nordheim, Proc R Soc London Ser A 119 (1928) 173 [31] Park W I, Yi G C, Kim J W and Park S M, Schottky nanocontacts on ZnO nanorod arrays Appl Phys Lett.82 (2003) 4358 [32] Liang Li, Shusheng Pan, Xincun Dou, Yonggang Zhu, Xiaohu Huang, Youwen Yang, Guanghai Li, and Lide Zhang J Phys Chem C 111 (2007), 7288-7291 [33] Takanezawa, K.; Hirota, K.; Wei, Q S.; Tajima, K.; Hashimoto, K., Efficient charge collection with ZnO nanorod array in hybrid photovoltaic devices J Phys Chem C 111, (19), 7218-7223 (2007) [34] C J Brabec., et al, Organic Photovoltaics, Springer , Germany (2003) [35] Zhifeng Liu, Lei E, Jing Ya, Ying Xin, “Growth of ZnO nanorods by aqueous solution method with electrodeposited ZnO seed layers”, Applied Surface Science 255 (2009) 6415–6420 [36] Wu J.J and S.C.Liu, “Low temperature growth of well – aligned ZnO nanorods by Chemical vapor deposition” Synth Met, 1999 102: p.1091 [37] Guanghai Li, HongQiang Wang, “In situ chemical etching synthesis of ZnO nanotips array”, Chinese academy of Sciences P.O.Box 1129, Heifei 230031 88 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu [...]... thước của ZnO NRs phù hợp nhằm ứng dụng trong PMT Bước đầu chúng tôi cũng sẽ phủ polymer dẫn để chế tạo PMT lai hóa vô cơ – hữu cơ và khảo sát sự ảnh hưởng của ZnO nanorod trong cấu trúc PMT này 5 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý PHẦN 1 TỔNG QUAN Chƣơng 1 PIN MẶT TRỜI – PIN MẶT TRỜI LAI HÓA 1.1 Khái niệm và lịch sử pin mặt trời Pin mặt trời (PMT) là thiết bị chuyển hóa quang... thạc sĩ Vật lý Trong đề tài này, chúng tôi sẽ nghiên cứu chế tạo thanh nano (nanorod: NRs) ZnO bằng phương pháp điện hóa trên các đế khác nhau, khảo sát các sự ảnh hưởng của đế đến quá trình hình thành và phát triển định hướng của thanh nano ZnO Chúng tôi cũng sẽ thay đổi giá trị của dòng điện thành từng bước (mỗi bước có giá trị dòng điện khác nhau) nhằm tìm ra điều kiện chế tạo thanh nano ZnO có tính... kênh truyền dẫn điện tích ra điện cực, vì thế điện tử dễ dàng được khuếch tán và phân ly ra điện cực [33] 1.3.1 Thành phần cấu tạo PMT lai hóa Pin mặt trời lai hóa (hybrid solar cell) còn gọi là PMT thế hệ thứ tư Đây là loại pin được “đan xen” giữa lớp hữu cơ và vô cơ (nanorod, nanowire, quantum dots …) [9,10,14] Trên hình (1.5) là mô hình đơn giản của pin mặt trời lai hóa sử dụng ZnO nanorod Hình 1.5:... chiều thì điện tử tự do được sinh ra trong quá trình hấp thu ánh sáng sẽ di chuyển một chiều theo chiều mở rộng, nên mất mát năng lượng của điện tử bị hạn chế Điều này sẽ làm cho vật liệu có hiệu suất lượng tử cao so với vật liệu hai hay ba chiều Vì thế ZnO NRs thường được làm hiệu ứng truyền dẫn trong pin mặt trời lai hóa hay trong LED lai hóa dị thể Trong cấu trúc lai hóa ZnO NRs sẽ đan xen tạo thành... lai hóa 13 HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý PMT lai hóa sử dụng NRs như hình (1.5) gồm có:  Màng ITO: Là màng dẫn điện trong suốt có điện trở thấp hơn 10Ω/cm2, độ truyền qua trên 80% trong vùng ánh sáng khả kiến đóng vai trò là điện cực của PMT  ZnO nanorod: ZnO nanorod có độ bám dính tốt được đâm xuyên vào trong vật liệu hữu cơ và đóng vai trò là kênh dẫn điện tích trong. .. biến thiên trong khoảng vài eV Phương trình tạo nút khuyết oxi và kẽm xen kẽ điện tích +2: Oox = ½ O2 (khí) + V o + 2e (2.1) Oox = ½ O2 (khí) + Zn i + 2e (2.2) Phương trình tạo nút khuyết oxi và kẽm xen kẽ điện tích +1: Oox = ½ O2 (khí) + V o +e (2.3) Oox = ½ O2 (khí) + Zni + e (2.4) Oxit, [2] 2.2 Vật liệu ZnO nanorod 2.2.1 Cấu trúc hình thái học Thanh nano ZnO hay còn gọi là ZnO nanorod (ZnO NRs)... năng thành điện năng dựa trên hiệu ứng quang điện nội, bằng cách hấp thu ánh sáng để sản sinh ra cặp điện tử lỗ trống và truyền tải dòng ra ngoài Năm 1839, nhà khoa học người Pháp là Becquerel đã phát hiện ra hiệu ứng quang điện, và đây được coi như cái mốc của PMT, tuy rằng hiệu ứng quang điện là hiện tượng quang điện ngoài Đến năm 1883, PMT đầu tiên được chế tạo Năm 1946, Russell Ohl chế tạo ra PMT... TÍCH ZnO NANOROD ZnO NRs nói riêng và vật liệu không gian 1D nói chung được tạo bằng nhiều phương pháp như phún xạ [20], hóa mềm [21], CVD VLS (chemical vapor deposition ) [22], điện hóa [17, 23] Mỗi phương pháp có những điểm mạnh riêng, trong đó phương pháp điện hóa là phương pháp có nhiều ưu điểm 3.1 Phƣơng pháp phún xạ Hình 3.1: Mô hình hệ phún xạ DC Trên hình (3.1) là mô hình đơn giản của hệ phún... trong môi trường nhưng khả năng hấp thụ toàn bộ quang phổ mặt trời là thấp, giá thành sản xuất cao nên hạn chế khả năng ứng dụng PMT hữu cơ có khả năng hấp thu quang năng rất cao nhưng hạn chế trong cơ chế truyền dẫn điện tích vì cơ chế truyền dẫn điện tích dựa trên mạng lưới các đường dẫn của hai chất thành phần trong lớp hỗn hợp Trong khi đó, việc tạo ra các đường dẫn này là yêu cầu khó đối với quá trình... Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ Vật lý Một trong những lợi điểm của phương pháp phún xạ là NRs có cùng thành phần với nguồn và độ bám dính tốt Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế là khó chế tạo NRs định hướng tốt, khó điều khiển các thông số của NRs như chiều dài, đường kính, khoảng cách của các chúng Một giải pháp nhằm chế tạo NRs có tính định hướng tốt bằng phương pháp phún xạ là dùng đế có chứa lưới ... 51 5.1.2.2 Tạo ZnO nanorod đế thủy tinh phủ màng đồng 52 5.1.2.3 Tạo ZnO nanorod đế Cu /ZnO 53 5.1.2.4 Tạo ZnO nanorod màng ZnO 53 5.1.3 Tạo ZnO nanorod đế ITO ... nhiên giống phương pháp phún xạ, phương pháp khó tạo ZnO NRs khó định hướng ZnO NRs Vì để tạo ZnO NRs phương pháp cần phải có lớp hạt vàng niken ban đầu để xúc tác nhằm phát triển ZnO NRs theo... cấu tạo hệ điện hóa đơn giản Hình 3.7: Hệ điện hóa mô 3.4.1 Khái niệm điện hóa Sự điện hóa trình oxi hóa - khử xảy bề mặt điện cực có dòng điện chiều qua dung dịch chất điện li hay chất điện