Chế tạo và nghiên cứu các cấu trúc dị chất hữu cơ vô cơ ứng dụng trong pin mặt trời hữu cơ

I HC QUC GIA THNH PH H CH MINH TRNG I HC KHOA HC T NHIấN TRN HONG CAO SN CH TO V NGHIấN CU CC CU TRC D CHT HU C Vễ C NG DNG TRONG PIN MT TRI HU C LUN N TIN S VT Lí Thnh ph H Chớ Minh Nm 2014 I HC QUC GIA THNH PH H CH MINH TRNG I HC KHOA HC T NHIấN TRN HONG CAO SN CH TO V NGHIấN CU CC CU TRC D CHT HU C Vễ C NG DNG TRONG PIN MT TRI HU C Chuyờn ngnh: Quang hc Mó s chuyờn ngnh: 62 44 11 01 Phn bin 1: PGS TS Chu ỡnh Thỳy Phn bin 2: GS TSKH Lu Cm Lc Phn bin 3: PGS TS Nguyn Mnh Tun Phn bin c lp 1: PGS TS Nguyn Mnh Tun Phn bin c lp 2: TS Nguyn Th Thu Thy NGI HNG DN KHOA HC PGS TS Lờ Vn Hiu GS TS Nguyn Nng nh Thnh ph H Chớ Minh Nm 2014 LI CAM OAN Tụi xin cam oan lun ỏn ny l cụng trỡnh nghiờn cu ca tụi, nhúm tụi ph trỏch v thy hng dn Cỏc s liu, kt qu nờu lun ỏn ny l trung thc v cha c cụng b bt k cụng trỡnh no m tụi khụng tham gia Tỏc gi lun ỏn Trn Hong Cao Sn LễỉI CAM ễN Trong sut nhng nm thỏng nghiờn cu ti CH TO V NGHIấN CU CC CU TRC D CHT HU C Vễ C NG DNG TRONG PIN MT TRI HU C thc hin ti B mụn Vt lý ng dng, Khoa Vt lý Vt lý K thut v Khoa Khoa hc Vt liu Trng HKHTN- H Quc Gia Tp.HCM, tụi ó nhn c s giỳp tn tỡnh, chu ỏo vi tinh thn khoa hc v trỏch nhim cao ca quý thy cụ v cỏc ng nghip B mụn v Khoa Tụi xin phộp by t lũng bit n chõn thnh ca mỡnh ti: - PGS TS Lờ Vn Hiu ó hng dn tn tỡnh, giỳp v nhiu mt, ng viờn v truyn t nhng kinh nghim nghiờn cu khoa hc quý bỏu, to iu kin cho tụi nghiờn cu hon thnh ti - GS TS Nguyn Nng nh ó gi ý ti, tn tỡnh hng dn, ng viờn v truyn t nhng kinh nghim quý bỏu - PGS.TS Trn Quang Trung, TS Phan Bỏch Thng, TS Lờ V Tun Hựng, TS Lờ Trn, TS H Thỳc Chớ Nhõn, TS Lõm Quang Vinh, TS inh Sn Thch, TS Vừ Th Hnh Thu, cỏc Thy Cụ ó tn tỡnh giỳp v h tr cho tụi quỏ trỡnh hc v nghiờn cu - Ths Lờ Khc Tp, Lu Kin Quc, Nguyn Nguyờn Ngn, Nguyn Th ụng Tri, Lờ Hong Nam, Lờ Phỳc Quý, Phm Vn Thnh cựng cỏc bn ng nghip ó giỳp tụi rt nhiu quỏ trỡnh lm lun ỏn - Cỏc Thy Cụ Khoa Vt lý - Vt lý K Thut v Khoa Khoa hc Vt liu ó to iu kin thun li cho tụi hon thnh lun ỏn ny - Ba M, Gia ỡnh v bn bố ó ng viờn tụi sut thi gian va qua MC LC LI CAM OAN LI CM N MC LC DANH MC CC T VIT TT DANH MC BNG DANH MC HèNH V V TH M U TNG QUAN CHNG 1: Tng quan pin mt tri hu c v vt liu cu thnh 1.1 Pin mt tri hu c 1.1.1 Cỏc vt liu dựng cho pin mt tri hu c 1.1.1.1 Cỏc yờu cu ca Polymer dựng ch to PMT hu c cú hiu sut cao 1.1.1.2 P3HT 1.1.1.3 PCBM 12 1.1.2 Tớnh cht ca pin mt tri hu c 13 1.1.2.1 Nguyờn tc lm vic c bn v cu to PMT hu c 13 1.1.2.2 Vi tớnh cht ca PMT hu c vi lp quang hot P3HT:PCBM 16 1.1.2.3 Nhng hn ch ca pin mt tri hu c 20 1.1.3 Pin mt tri hu c lai húa 20 1.1.3.1 Gii thiu pin mt tri lai húa 20 1.1.3.2 Thnh phn cu to PMT lai húa 21 1.1.3.3 C ch hot ng PMT lai húa 22 1.1.3.4 Mt s cụng trỡnh nghiờn cu v PMT lai húa 22 1.2 ZnO v nano ZnO 24 1.2.1 ZnO 24 1.2.1.1 Cu trỳc tinh th ZnO 24 1.2.1.2 Cu trỳc nng lng 25 1.2.1.3 Mt s tớnh cht ca ZnO 25 1.2.2 Thanh nano ZnO (ZnO NRs) 26 1.2.2.1 Tớnh cht ca ZnO NRs 26 1.2.2.2 Mt s cụng trỡnh nghiờn cu v ZnO NRs 27 1.3 Mng a lp bỏn dn kim loi 30 1.3.1 Gii thiu v ITO v ZnO 31 1.3.1.1 Mt s c im ca ITO 31 1.3.1.2 Mng ZnO pha 32 1.3.2 Tớnh cht ca kim loi 1.3.3 Chuyn tip bỏn dn kim loi 1.4 Kt lun 33 34 35 THC NGHIM CHNG 2: Ch to v kho sỏt cỏc tớnh cht ca mng P3HT:PCBM v cỏc cu trỳc d cht P3HT:PCBM-lp m vụ c cho pin mt tri hu c 2.1 Thc nghim 2.1.1 Dng c thớ nghim v húa cht 2.1.2 Ch to mng P3HT, P3HT:PCBM theo phng phỏp ph quay v kho sỏt mt s tớnh cht mng 2.1.3 Ch to v nghiờn cu cu trỳc ITO/P3HT:PCBM theo nng v t l ca P3HT:PCBM 2.1.4 Ch to mng ZnO bng phng phỏp Solgel v nghiờn cu cu trỳc ITO/mng ZnO/P3HT:PCBM theo t l ca P3HT:PCBM 2.1.5 Ch to v nghiờn cu cu trỳc ITO/mng ZnO/P3HT:PCBM theo nhit v thi gian nhit 2.2 Kt qu v bin lun 2.2.1 Kho sỏt dy mng P3HT v P3HT:PCBM theo tc quay 2.2.2 Kho sỏt tớnh cht ca mng P3HT v P3HT:PCBM trờn thy tinh 2.2.3 Kho sỏt PMT cú cu trỳc ITO/ P3HT:PCBM/Al 2.2.4 Kho sỏt PMT cú cu trỳc ITO/mng ZnO/P3HT:PCBM/Al theo t l ca P3HT:PCBM 2.2.5 Kho sỏt PMT cú cu trỳc ITO/mng ZnO/ P3HT:PCBM/Al theo nhit v thi gian nhit 2.3 Kt lun CHNG 3: Ch to ZnO NRs v kho sỏt tớnh cht ca cỏc cu trỳc ITO/ZnO NRs/P3HT:PCBM v ITO/mm ZnO/ZnO NRs/P3HT:PCBM cho pin mt tri hu c 3.1 Ni dung thc nghim 3.1.1 Ch to ZnO NRs theo phng phỏp in húa 3.1.2 Ch to v kho sỏt PMT cú cu trỳc ITO/ ZnO NRs/P3HT: PCBM/Al v PMT cú cu trỳc ITO/lp mm ZnO/ZnO NRs/P3HT:PCBM/Al 3.2 Kt qu v bn lun 3.2.1 Kho sỏt s nh hng ca cỏc khỏc lờn quỏ trỡnh phỏt trin ca ZnO NRs Kt qu SEM 3.2.2 Kho sỏt s nh hng ca mt dũng in phõn lờn quỏ trỡnh phỏt trin ca ZnO NRs trờn ITO 37 37 37 39 41 41 42 43 43 44 48 53 60 67 68 68 68 73 73 73 78 3.2.3 Ch to ZnO NRs trờn ITO cú lp mm ZnO, bng phng phỏp in húa bc vi n dũng 1,20 mA/cm2 3.2.4 Ch to ZnO NRs trờn ITO/lp mm ZnO, bng phng phỏp in húa bc vi cỏc thụng s mt dũng v thi gian in phõn thay i 3.2.5 Kho sỏt cỏc tớnh cht ca cu trỳc ITO/mm ZnO/ZnO NRs 3.2.6 Ch to v kho sỏt PMT cú cu trỳc ITO/ZnO NRs/P3HT:PCBM/Al v PMT cú cu trỳc ITO/mm ZnO/ZnO NRs/Al 3.3 Kt lun 95 101 CHNG : Ch to v kho sỏt tớnh cht ca mng a lp oxit kim loi / kim loi ng dng lm mng in cc sut 4.1 Ch to v kho sỏt tớnh cht ca mng a lp GZO/Ag/GZO 4.1.1 Ch to mng a lp GZO/Ag/GZO 4.1.2 Tớnh cht ca mng a lp GZO/Ag/GZO 4.2 Ch to v kho sỏt cỏc tớnh cht ca mng a lp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO 4.2.1 Tớnh cht in ca mng a lp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO 4.2.2 Tớnh cht quang ca mng a lp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO 4.3 Ch to mng a lp ZnO/Cu/ZnO 4.3.1 Thc nghim 4.3.2 Kt qu v bn lun 4.4 Kt lun 102 102 102 105 109 111 112 114 114 114 121 PHN KT LUN 122 DANH MC CễNG TRèNH KHOA HC TI LIU THAM KHO PH LC 124 126 135 81 84 88 DANH MC CC Kí HIU, CH VIT TT AFM: Atomic force microscopy (Kớnh hin vi lc nguyờn t) AZO: ZnO pha nhụm BHJ: bulk heterojunction (chuyn tip d th th tớch) CIGS: Cu, Indium, gallium v selen CTO: Conductive tin oxide (oxit thic dn in) CVD: Chemical Vapour Deposition (phng phỏp lng ng húa hc) DC: Direct current (ngun mt chiu) EC: Nng lng vựng dn Eg: Nng lng vựng cm Ev: Nng lng húa tr Ex: Nng lng theo trc x Ey: Nng lng theo trc y Ez: Nng lng theo trc z GZO: ZnO pha Galium HOMO: Highest occupied molecular orbital (võn o phõn t liờn kt cú mc nng lng cao nht b chim) I: Cng dũng in IMI: ITO/Meltal/ITO (ITO/kim loi/ITO) Isc: Short circuited intensity (dũng ngn mch) ITO: SnO2 pha Indium J: Mt dũng kB: Hng s Boltzmann LCD: Liquid crystal display (mn tinh th lng) LED: Light Emitting Diode (diot phỏt sỏng) LUMO: Lowest unoccupied molecular orbital.(võn o phõn t phn liờn kt cú mc nng lng thp nht khụng b chim) n: Nng ht ti OLED: LED hu c OSC: Organic solar cell (pin mt tri hu c) p: Nng l trng P3HT: Poly 3-hexylthiophene PCBM: Phenyl-C61-butyric acid methyl ester PEDOT: Poly (3,4 ethylenedioxythiophene) PMT: Pin mt tri PSS: poly (styrenesulfonate) PL: Photoluminescence (quang phỏt quang) SC: Solar cell (pin mt tri) SEM: Scanning Electron Microscope (kớnh hin vi in t quột) TCO: Transparent conductive oxide (oxit dn in truyn sut) UV-Vis: Ultra Violet-visible (vựng t ngoi-thy c) VLS: Vapor- liquid- solid (hi-lng rn) V: Hiu in th Voc: Open circuit voltage (th h mch) XRD: X ray diffraction (nhiu x tia X) ZMZ: AZO/Metal/AZO (ZnO:Al/kim loi/ZnO:Al) ZnO NRs: Thanh nano ZnO : Hiu sut : Th húa 1D: Mt chiu DANH MC CC HèNH V V TH Hỡnh 1.1: Poly (3-hexythiophene) (P3HT) Hỡnh 1.2: Cỏc kiu kt hp ca hai 3-alkylthiophene Hỡnh 1.3: Cỏc kiu kt hp ca mono alkythiophene Hỡnh 1.4: Cỏc tinh th mng P3HT Hỡnh 1.5: PCBM Phenyl-C-61-butiric acid methy ester Hỡnh 1.6: Cu to ca cỏc dng pin mt tri hu c Hỡnh 1.7: S phõn ly in tớch ranh gii hai donor-acceptor Hỡnh 1.8: Ph hp th ca cỏc mng P3HT, PCBM v P3HT:PCBM Hỡnh 1.9: Gin XRD ca mng P3HT:PCBM cú v khụng nhit Hỡnh 1.10: nh TEM ca mng P3HT:PCBM vi cỏc nng khỏc Hỡnh 1.11: Cu trỳc pin mt tri lai húa Hỡnh 1.12: Mụ hỡnh mc nng lng v c ch chuyn in tớch pin mt tri lai húa Hỡnh 1.13: Cu trỳc lc lng Wurtzite Hỡnh 1.14: Cu trỳc vựng nng lng ca ZnO Hỡnh 1.15: nh SEM ZnO NRs trờn cỏc khỏc Hỡnh 1.16: nh SEM ZnO NRs phỏt trin vi nng mui Zn(NO3)2, (a) 0,0025 M, (b) 0,005 M, (c) 0,0075 M, (d) 0,01 M Hỡnh 1.17: Gin nng lng ti lp tip xỳc kim lai-bỏn dn Hỡnh 2.1: Quy trỡnh to mng P3HT:PCBM cu trỳc lai húa vụ c - hu c Hỡnh 2.2: Cỏc dung dch P3HT, PCBM v P3HT:PCBM chlorobenzene Hỡnh 2.3: th biu din dy mng theo tc quay Hỡnh 2.4: Gin miờu t dy ca mng thit b Stylus Hỡnh 2.5: Ph hp thu UV-Vis ca mng P3HT khụng nhit v nhit 110oC 10 phỳt Hỡnh 2.6: Ph hp th UV-Vis ca mng P3HT:PCBM khụng nhit v nhit 110oC 10 phỳt Hỡnh 2.7: nh AFM ca mng P3HT(1wt%), a- cha nhit, b- nhit 110oC, 10 phỳt Hỡnh 2.8: nh AFM ca mng P3HT:PCBM (1:1;1wt%), a- cha nhit, b- nhit 110oC, 10 phỳt Hỡnh 2.9: Gin nhiu x tia X ca mng P3HT (1wt%) (a) v P3HT:PCBM (b) cha nhit Hỡnh 2.10: Gin nhiu x tia X ca mng P3HT (1wt%) (a) v P3HT:PCBM (b) nhit 110oC, 10 phỳt 9 11 13 13 14 17 17 18 21 22 24 25 27 28 34 38 39 43 44 45 46 46 47 47 47 Hỡnh 2.11: S mc nng lng ca cu trỳc ITO/P3HT:PCBM/Al Hỡnh 2.12: Ph hp th UV-Vis ca mng P3HT:PCBM nng v t l khỏc Hỡnh 2.13: Gin XRD ca mng P3HT:PCBM nng v t l khỏc Hỡnh 2.14: nh SEM mt ct ngang ca cu trỳc ITO/P3HT:PCBM Hỡnh 2.15: H pin ITO /P3HT:PCBM/Al Hỡnh 2.16: Pin ó gn in cc Hỡnh 2.17: H nhỳng ch to mng Hỡnh 2.18: nh AFM v XRD ca ITO (a), Ph truyn qua UV-Vis ca ITO (b) Hỡnh 2.19: S túm tt quy trỡnh ch to mng ZnO Hỡnh 2.20: nh SEM mng ZnO, (a) mng ph lp, (b) mng ph lp Hỡnh 2.21: nh SEM ca mng ZnO ph lp (a) v ph lp phúng i 150K (b) Hỡnh 2.22: Ph hp th UV-Vis ca P3HT:PCBM (1wt%) t l 1:0,6,1:1 v 1:2 Hỡnh 2.23: Gin XRD ca mng P3HT:PCBM (1wt%) t l 1:0,66, 1:1 v 1:2 Hỡnh 2.24: Mt ct ngang ca cu trỳc ITO/mng ZnO/P3HT:PCBM Hỡnh 2.25: (a) PMT cú cu trỳc ITO/mng ZnO/P3HT:PCBM/Al, (b) s cỏc mc nng lng v c ch chuyn in tớch PMT ITO/mng ZnO/P3HT:PCBM/Al Hỡnh 2.26: c trng I-V ca h PMT ITO/mng ZnO /P3HT:PCBM/Al vi t l P3HT:PCBM 1:0,66, 1:1, 1:2, nng 1wt% Hỡnh 2.27: Ph hp th UV-Vis ca mng P3HT:PCBM (1:1,1wt%) theo nhit nhit khỏc 100oC, 110oC, 120oC, 130oC thi gian nhit 10 phỳt Hỡnh 2.28: Ph hp th UV-Vis ca mng P3HT:PCBM (1:1,1wt%) theo thi gian nhit khỏc nhau, nhit 130oC Hỡnh 2.29: nh AFM ca mng P3HT:PCBM nhit 110oC,120oC ,10 phỳt Hỡnh 2.30: nh AFM ca mng P3HT:PCBM nhit 130oC ;10 phỳt,30 phỳt Hỡnh 2.31: Gin XRD ca mng P3HT:PCBM (1:1,1wt%) cỏc nhit nhit 100oC, 110oC, 120oC, 130oC; thi gian nhit 10 phỳt Hỡnh 2.32: Gin XRD ca mng P3HT:PCBM (1:1,1wt%), nhit 130oC, a- 10 phỳt, b-20 phỳt, c-30 phỳt, d- 60 phỳt Hỡnh 2.33: c trng I-V ca h PMT ITO/mng ZnO/P3HT:PCBM/Al nhit theo cỏc nhit khỏc nhau, thi gian nhit 10 phỳt Hỡnh 2.34: c trng I-V ca h PMT ITO/ mng ZnO/P3HT:PCBM/Al nhit 130oC, thi gian nhit thay i Hỡnh 3.1: H in húa dựng ch to ZnO NRs Hỡnh 3.2: nh SEM ca ZnO NRs trờn kim loi Cu vi nng cht in li khỏc nhau, (a) ca mu KN1, (b) ca mu KN2 48 49 50 51 51 52 53 55 55 56 56 57 58 59 59 60 61 61 62 62 63 64 65 66 71 73 137 S di chuyn: nhng ion kim loi b hydrat húa dung dch di chuyn v phớa cathode di tỏc dng ca dũng in Quỏ trỡnh ny kộo theo s khuch tỏn v i lu S chuyn in tớch: vựng gn b mt cathode, ion kim loi b hydrat húa di chuyn vo lp khuch tỏn, ti õy cỏc ion ny sp xp thng hng Sau ú, chỳng chuyn vo lp Helmholtz, v b kh hydrat tr thnh cỏc ion kim loi Ion kim loi s b trung hũa bi cỏc in t dũng in cung cp v c hp th trờn b mt cathode Cỏc nguyờn t ny s dn phỏt trin thnh cỏc mm tinh th trờn b mt cathode Ti b mt cathode quỏ trỡnh kh ion kim loi luụn din ra, cỏc nguyờn t to thnh s c sp xp theo mt trt t ca mm tinh th hỡnh thnh nờn lp kim loi m Lp m in thng c to t nguyờn t n kim loi, s ph cựng lỳc hai hay nhiu hn hai nguyờn t kim loi cng cú th thc hin di iu kin thớch hp v thnh phn dung dch, in th, s phõn cc Quỏ trỡnh hỡnh thnh ZnO NRs trờn mng ITO in húa Nung núng dung dch Zn(NO3)2.6H2O bỡnh in phõn n mt nhit nht nh, ri cho dũng in cú cng n nh i qua Cỏc quỏ trỡnh chớnh xy theo th t sau: Trong dung dch, v c cỏc in cc xy liờn tip hai quỏ trỡnh, th nht Zn(NO3)2 b phõn li to thnh hai ion Zn2+ v NO3 , sau ú ion NO3 kt hp vi nc dung dch v hai in t dũng in cung cp to thnh hai ion NO2 v OH : Zn NO3 Zn 2NO3 (PL1.5) NO3 H 2O e NO2 2OH (PL1.6) Di tỏc dng ca lc in trng dũng in mt chiu sinh ra, thỡ ion Zn2+ i v phớa mng ITO c dựng lm cathode, to thnh mt lp Zn2+ trờn b mt Lp ny gm nhng ion khụng trói u m trung nhiu cỏc nh nhn trờn b mt ITO theo hiu ng mi nhn, nhng ion OH cng to thnh mt lp tip sau lp Zn2+ Ri c th cỏc lp xen k Cỏc phn ng ln lt xy ti õy l: 138 Zn 2OH Zn OH (PL1.7) Zn OH ZnO H O (PL1.8) ZnO NRs u tiờn phỏt trin nh hng theo chiu mt mng (002) bn cht cu trỳc lc lng Wurtzite Do ú s phỏt trin nh hng ca ZnO theo hng (001) cú liờn h cht ch n cu trỳc tinh th ca chỳng Cu trỳc tinh th ZnO bao gm: mt mt mng nonpolar l ( 100 ) vi phộp i xng C6v, mt mt mng Oxy c bn cú cc ( 001 ) v mt trờn cựng (top) cú cc bao gm tetrahedrae km cú mt phi t OH cui Mt mng ( 100 ) khụng cc (nonpolar), kộm i xng l mt bn vng nht ú cỏc mt cú cc vi nng lng b mt cao thỡ khụng bn vng Vỡ vy, hỡnh thỏi bn vng nht ca tinh th ZnO l lc lng vi xu hng c kộo di dc theo trc c Lp mm v s phỏt trin ca ZnO NRs trờn dung dch ó c kim soỏt theo sc cng ca mt phõn gii, ú l yu t then cht iu chnh hỡnh dng v hng ca cu trỳc phỏt trin trờn b mt mt Trờn thc t, sc cng mt phõn cỏch b chi phi mnh m bi nhiu yu t, nh l: nh hng cu trỳc ca cỏc ht trờn b mt v nhng sai hng trờn b mt ca chỳng Hỡnh PL1.2 Hng u tiờn (001) phỏt trin ZnO Nhúm nghiờn cu ca Chien Te Hsieh v cng s thuc khoa c khớ vt liu trng i hc Yuan Ze, i Loan [20] ó kho sỏt s hỡnh thnh ca cu trỳc ZnO NRs Nhúm nghiờn cu ó kt lun cú s nh hng ca cỏc thụng s nh nhit , thi gian, nng cht in li lờn quỏ trỡnh hỡnh thnh ZnO NRs Ngoi bn cht, b mt ca cng cú nh hng lờn cu trỳc nano c th l : 139 - Thụng s thi gian: nh hng trc tip chiu cao ca nano, thi gian in phõn cng di thỡ chiu cao ca nano cng tng nhng ng kớnh nano thỡ dng nh khụng b nh hng -Thụng s nhit : cú vai trũ quyt nh bỏm ớnh ca cỏc ZnO NRs lờn -Thụng s nng cht in li: cú vai trũ quyt nh mt ZnO NRs trờn Sc cng b mt ca cng gim ( g gh cao): s lm tng kh nng bỏm dớnh ca cỏc ht nano quỏ trỡnh hỡnh thnh nano Cỏc phng phỏp kho sỏt d bỏm dớnh ca ZnO NRs a Phng phỏp dũng nc xoỏy Khỏc vi cỏc phng phỏp o bỏm dớnh mng chỳng tụi tin hnh o bỏm dớnh bng dũng xoỏy nc Dựng bỡnh ng nc ct v cỏ t, cỏ t quay s to mt dũng xoỏy, sau ú cha ZnO NRs c nhỳng vo bỡnh nc, dũng nc ny s to thnh mt lc cun Nu ZnO NRs cú bỏm dớnh kộm s b cun trụi v búc b Phng phỏp siờu õm õy l phng phỏp dựng ty lam, thụng qua súng siờu õm, cỏc phn bỏm vo s c ty sch, nu nano c bỏm trờn ging nh cỏc phn t bi bn nú cng s b súng siờu õm ty b mt Sau ú em mu bng nc ct ri sy khụ 130oC 30 phỳt ri em chp SEM Ly kt qu SEM trc ỏnh siờu õm v sau ỏnh siờu õm so sỏnh ri ỏnh giỏ bỏm dớnh ca nanorod trờn c Phng phỏp spin õy l phng phỏp dựng lc li tõm kim tra bỏm dớnh ca mng Chỳng ta t mu lờn mỏy quay li tõm Cho mỏy chy v chỳng ta kim tra bỏm dớnh ca mng bng cỏch cho thờm vi git nc lờn mng Nu mu khụng cú bỏm dớnh tt di lc li tõm cỏc nano ZnO s b góy v vng cựng vi nc Da vo kt qu chp SEM trc v sau dựng phng phỏp spin ỏnh giỏ bỏm dớnh ca nano ZnO 140 PH LC : PHNG PHP TO MNG BNG PHN X MAGNETRON DC Hin trờn th gii cú nhiu phng phỏp ph mng c s dng to mng núi chung v mng oxide sut dn in (TCO) núi riờng nh: Phng phỏp m ion hot tớnh, phng phỏp bay hi ngng t húa hc, phng phỏp solgel, phng phỏp bc bay nhit, phng phỏp bc bay bng chựm electron mụi trng hot tớnh, phng phỏp xung laser, phng phỏp phỳn x Magnetron Mi phng phỏp u cú nhng c im riờng, vic la chn phng phỏp phự hp ph thuc vo nhiu yu t nh: loi vt liu to mng, vt liu , kớch thc , cỏc tớnh cht húa l cn t c Trong cụng trỡnh ny, phng phỏp phỳn x Magnetron DC c s dng nú cú mt s c im thớch hp hn cỏc phng phỏp khỏc vỡ bia s dng l bia dn in Phỳn x Phỳn x l hin tng cỏc nguyờn t b mt bia bt kỡ b bt cỏc ion hay nguyờn t khớ cú nng lng ln bn phỏ Phng phỏp ch to da trờn hiu ng ny gi l phng phỏp phỳn x Phỳn x l quỏ trỡnh truyn ng nng Vt liu ngun c to thnh dng cỏc tm bia (target) v c t ti in cc (thng l catt), bung c hỳt chõn khụng cao v np khớ him Di tỏc dng ca in trng, cỏc nguyờn t khớ him b ion húa, tng tc v chuyn ng v phớa bia vi tc ln v bn phỏ b mt bia, truyn ng nng cho cỏc nguyờn t vt liu ti b mt bia Cỏc nguyờn t c truyn ng nng s bay v phớa v lng ng trờn Cỏc nguyờn t ny c gi l cỏc nguyờn t b phỳn x Nh vy, c ch ca quỏ trỡnh phỳn x l va chm v trao i xung lng Phỳn x phn ng magnetron phng Phỳn x phn ng liờn quan n khớ hot tớnh c thờm vo quỏ trỡnh phỳn x, ú sn sinh vt liu thụng qua khớ hot tớnh phn ng vi vt liu bia c phỳn x Trong quỏ trỡnh phỳn x phn ng, cỏc loi ht sinh bi s trao i 141 ng lng gia cỏc ion bn phỏ bia v cỏc nguyờn t bia Tc phỳn x ph thuc vo cụng sut phỳn x (th v dũng cathode) a Cu to h phỳn x Magnetron Hỡnh PL2.1 H phỳn x magnetron H phỳn x magnetron DC c cu to nh sau : (hỡnh PL2.1) - Ant (v trớ t cn ph mng substrate) : Anode c ni t, cú th t vuụng gúc hoc song song i din vi cathode - Catt (v trớ ca bia lm bng vt liu to mng) : c cp th õm t 200 V 500 V, cỏch in vi b ngoi v cú nc gii nhit thi gian hot ng quỏ trỡnh phúng in - H nam chõm to t trng ca catt c b trớ sau cho catt gi vai trũ to cỏc ng sc t kớn T trng c to nờn s i cc gia cỏc nam chõm bờn ngoi v nam chõm gia v c khộp kớn nh tm st ni t gia cỏc nam chõm vi b Nguyờn lý hot ng Khi th õm c ỏp vo h, gia catt v ant sinh mt in trng E lm nh hng v truyn nng lng cho cỏc ht mang in cú h, bao gm cỏc ion v cỏc electron s cp ban u Cỏc ion dng di tỏc ng ca in trng, tin v phớa catt, p vo mt bia, lm gii phúng cỏc in t th cp Cỏc in t ny c gia tc in trng E 142 ng thi b tỏc ng ca t trng B T trng ny s gi in t gn catt theo qu o xon c Nh ú lm tng quóng ng t ca in t ti ant Trong quỏ trỡnh chuyn ng ca in t, in t s va chm vi cỏc nguyờn t hay phõn t khớ v sinh cỏc ion (s ion húa) Cỏc ion ny li tip tc c gia tc n catt v lm phỏt x nhng in t th cp Nh vy, nng in t s tng, s in t c sn sinh bng vi s in t mt i quỏ trỡnh tỏi hp, lỳc ú quỏ trỡnh phúng in t trỡ Lỳc ny, khớ phỏt sỏng trờn b mt bia, th phúng in gim v dũng tng nhanh Nhng in t nng lng cao sinh nhiu ion v nhng ion nng lng cao p vo catt lm phỳn x vt liu bia ng thi bc x cỏc in t th cp tip tc trỡ phúng in c c trng ca h Magnetron phng Theo lý thuyt phúng in khớ, s phõn b th Magnetron phng c chia lm vựng Vựng st th Catt (vựng I): in trng ln E k = Vk vựng ny in t ds th cp sinh t catt s c in trng gia tc i vo vựng ion húa theo hng trc giao ca nú Vựng ion húa (vựng II): Trong vựng ny in trng rt hn so vi E k in t cú nng lng ion húa cht khớ, va chm vi cỏc phn t khớ cỏc in t s mt nng lng v qu o Cycloid s nh dn, cũn cỏc ion sinh quỏ trỡnh ion húa s c gia tc vựng st th catt Vựng plasma (vựng III): in trng vựng ny cng rt hn so vi E k d Cỏc yu t nh hng n tc lng ng mng Tc lng ng mng bng phng phỏp phỳn x ph thuc vo dũng th, ỏp sut v nhit Trong hu ht cỏc trng hp phỳn x thỡ vic tng cụng sut phỳn x cng khụng nh hng nhiu n tc lng ng mng Mt khỏc nh chỳng ta thy s ion bn lờn cactt t l thun vi mt dũng Cho nờn yu t nh hng ln lờn tc lng ng mng chớnh l mt dũng hn l hiu in th t vo catt 143 Nh vy, trng hp cụng sut ca thit b hn ch thỡ chỳng ta nờn tng dũng phỳn x v gim in th trờn catt Vic tng dũng phỳn x cú th thc hin c bng cỏch gim ỏp sut, tng phỏt x in t, dựng t trng (magnetron), hay tng din tớch bia, gim khong cỏch bia- Khi cụng sut phỳn x c gi khụng i thỡ tc lng ng cng tng theo mt dũng, cú ngha l tng theo ỏp sut phỳn x Trong khong ỏp sut khụng ln lm, tc lng ng tng tuyn tớnh theo ỏp sut Khỏc vi ỏp sut, nhit l yu t phc tp, mt s trng hp, tc lng ng ph thuc rt mnh vo nhit PH LC 3: KHO ST NH HNG CA NNG HMTA LấN S PHT TRIN CA ZnO NRs TRấN ITO Theo [98] quỏ trỡnh in húa, HMTA úng vai trũ l cht xỳc tỏc to cỏc phn ng, giỳp ZnO phỏt trin theo cu trỳc 1D bng cỏch hn ch phỏt trin cỏc mt (101), (100) nh kh nng to cỏc ion OH- dung dch Do ú, nng HMTA cú nhiu nh hng n s hỡnh thnh ZnO NRs Trong thớ nghim ny chỳng tụi thay i nng HMTA, v gi nguyờn nng Zinc nitrate 0,005 M, nhit in húa 900C cũn cỏc thụng s cng dũng v thi gian in húa chỳng tụi chia thnh bc d iu khin kớch thc ca cỏc nano hn Bng PL3.1 iu kin thc nghim kho sỏt nh hng ca nng HMTA Tờn mu OM1 Cng ũng in (mA/cm2) Bc Bc 1,0 0,15 Thi gian in phõn (phỳt) Bc Bc 10 20 Nng (M) Zinc nitrate HMTA 0,0050 0,0000 OM2 0,0015 OM3 0,0025 OM4 0,0050 144 Hỡnh PL3.1 nh SEM ca cỏc mu OM1(a), OM2(b), OM3(c), OM4(d) Chỳng tụi tin hnh chp SEM (hỡnh PL3.1 ) v c cỏc kt qu nh sau: - mu OM1 cỏc nano ZnO cú s ng u v nh hng kộm Khong cỏch gia cỏc ln Chiu di cỏc nano vo khong 500 nm, ng kớnh khong 150 nm 200 nm - mu OM2 nano ZnO cú cu trỳc lc giỏc, s nh hng cỏc cú phn tng so vi cỏc mu OM1 Chiu di cỏc vo khong 600 nm, ng kớnh khong 150 nm 200 nm - mu OM3 cỏc nano mc khỏ ng u, trc giao vi Chiu di cỏc vo khong 700 nm, ng kớnh vo khong 200 nm Cỏc nano mc dy hn so vi mu OM2 - mu OM4 mt ZnO NRs rt ng u, nh hng khỏ tt trờn ITO Chiu di cỏc nano vo khong 1000 nm, ng kớnh khong 200 nm Cỏc thớ nghim trờn khụng nh hng nhiu n s hỡnh thnh cu trỳc tinh th ca nano ZnO, cỏc u cú cu trỳc lc lng v nh hng khỏ tt Cỏc thớ nghim cho thy chiu di cỏc nano cú tng (tuy khụng ỏng k), ng kớnh 145 khụng thay i nhiu iu ny cú th c gii thớch l nng OH - dung dch in phõn tng Theo Jagriti Gupta v cỏc ng s [48] s hỡnh thnh v nh hng ca nano dc theo trc c c u tiờn hn nng ion OH- dung dch cao Nh ta bit, ZnO cu trỳc wurzite cú th xem nh c to nờn t s xp chng ca cỏc mt O2- v Zn2+ dc theo trc c Mt tinh th (0001) c gii hn bi cỏc ion Zn, mt 000 c gii hn bi cỏc ion O, dn n s phõn cc cỏc mt tớch in trỏi du ny Khi nng OH- dung dch cao s lm tng s phõn cc gia cỏc mt tinh th, s phỏt trin theo mt (0001) b hn ch, v ú cú s u tiờn phỏt trin theo mt 000 tc theo hng hỡnh thnh nano Khi nng OH-gim, s u tiờn phỏt trin khụng ng hng trờn cng gim dn n s phỏt trin gn nh cõn bng theo cỏc hng (c th trng hp ny chiu di nano gim, ng kớnh gn nh khụng my thay i) Tuy nhiờn, mt cõu hi t l ti nng HTMA t giỏ tr bng 0, cú s hỡnh thnh cu trỳc tinh th ZnO, liu HTMA l ngun cung cp OH nht cho h in húa, trỡ s hỡnh thnh ZnO õy l im c bit phng phỏp in húa so vi cỏc phng phỏp khỏc nh thy nhit Nh ó trỡnh by phn trờn, quỏ trỡnh in húa, quỏ trỡnh khỏc xy cng to OH- : NO3- + H2O + e- NO2- + 2OH- (3.6) Do ú, dự khụng cú mt ca HTMA, cú ngun OH- cung cp cho cỏc phn ng, cho s hỡnh thnh ZnO NRs Tuy nhiờn, da vo cỏc kt qu t c cỏc thớ nghim trờn ta cú th thy, cú s cõn bng gia nng km nitrat v HTMA, nh hng ca cỏc nano ZnO tt hn, bờn cnh ú cng hn ch c khuyt im cỏc nano cú dng u nh - gc to Chớnh vỡ th, nhng thớ nghim sau chỳng tụi gi t l km nitrat v HTMA l 1:1 146 PH LC 4: CC H CH TO MNG V KHO ST TNH CHT H MNG Hỡnh PL4.1 H ph quay G3P-8 Spincoat Hỡnh PL4.2 H chõn khụng to mng theo phng phỏp phỳn x Hỡnh PL4.3 Bia Cu v bia gm ZnO 147 Hỡnh PL4.4 H magnetron vuụng dựng cho bia GZO v trũn cho bia Ti,Ag Hỡnh PL4.5 (a) Jasco V530, (b) Mỏy UV-Vis Halo RB-1 Hỡnh PL4.6 Mỏy o dy mng Stylus Dektak 6M 148 Hỡnh PL4.7 Mỏy XRD DIFFRAKTOMETER D500 Hỡnh PL4.8 (a) Mỏy FE SEM S-4800 HITACHI, JAPAN (b)Mỏy AFM Agilent 5500, USA (Kớnh hin vi quột u dũ lc nguyờn t), Khu CNC TP HCM Hỡnh PL4.9 H o quang phỏt quang Horiba Jobin Yvon ti phũng thớ nghim Quuang ph, B mụn Vt Lý ng Dng, HKH T nhiờn TP-HCM 149 Hỡnh PL4.10 H o I - V Keithley 2400 ca Khoa Vt Liu, (a) Source meter, (b) ốn phỏt x gi mt tri Hỡnh PL4.11 (a) H o hiu ng Hall hiu Ecopia HMS 3000 (b) H o in tr mng bng bn mi dũ ca PTN K thut cao Hỡnh PL4.12 H o dy mng bng dao ng tinh th thch anh: u dũ( a); detector( b) 150 Hỡnh PL4.13 H lũ nung chõn khụng (a), v h bc bay in cc Al (b) Hỡnh PL4.14 Cõn in t (a), lũ sy siờu õm (b), t sy chõn khụng (c) Hỡnh PL4.15 Lũ nung 1400oC (a), mỏy khuy t (b), t sy (c) 151 Hỡnh PL4.16 Polymer (a), Keo bc dựng gn in cc(b) Hỡnh PL4.17 Quỏ trỡnh ph polymer Hỡnh PL4.18 B mt mng polymer cỏc tc quay khỏc Hỡnh PL4.19 H pin trc v sau c gn in cc ngoi (a) H o hiu sut PMT PTN Húa lý ng dng (b) [...]... của các chất hữu cơ, theo nhiều nghiên cứu [81], nhằm cải thiện các nhược điểm này của bản chất hữu cơ, nhiều tác giả đã đưa thêm các pha vô cơ có cấu trúc nano vào, và bước đầu cũng đã có những hiệu ứng tích cực Vì vậy PMT hữu cơ lai hóa đang được quan tâm nghiên cứu 1.1.3 Pin mặt trời hữu cơ lai hóa 1.1.3.1 Giới thiệu pin mặt trời lai hóa Các vật liệu vô cơ như ZnO, TiO2 khác nhau về hoá tính, lẫn cấu. .. và độ trong suốt chấp nhận được và có thể chế tạo ở nhiệt độ thấp thích hợp cho việc dùng đế dẻo Đây là một ý tưởng mới và đã được thực hiện thành công Từ đó dẫn đến mục tiêu sau đây của luận án: 4 Nghiên cứu chế tạo các màng đa lớp oxit kim loại / kim loại nhằm mục đích làm điện cực trong suốt cho PMT hữu cơ Luận án tên: Chế tạo và nghiên cứu các cấu trúc dị chất hữu cơ vô cơ ứng dụng trong pin mặt. .. chế tạo; Pin mặt trời lai hóa và một số công trình nghiên cứu về PMT lai hóa ZnO và thanh nano ZnO, các công trình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng thanh nano ZnO Màng đa lớp oxit kim loại / kim loại ứng dụng làm điện cực trong suốt cho pin mặt trời hữu cơ Trong 3 chương tiếp theo trình bày phương pháp thực nghiệm và kết quả nghiên cứu của luận án Phần thực nghiệm gồm có 3 chương: Chương 2: Chế tạo và. .. pin mặt trời hữu cơ ”, đã tổng hợp các kết quả nghiên cứu theo các mục tiêu trên và gồm các phần sau: Mở đầu, tổng quan, thực nghiệm, kết luận và phụ lục Phần tổng quan gồm có 1 chương: Tổng quan về pin mặt trời hữu cơ và vật liệu cấu thành Giới thiệu các vật liệu dùng cho pin mặt trời hữu cơ, P3HT và PCBM; Nguyên tắc làm việc cơ bản và cấu tạo của PMT hữu cơ, sự phụ thuộc của hiệu suất PMT theo các thông... trời hữu cơ 1.1.2.1 Nguyên tắc làm việc cơ bản và cấu tạo của PMT hữu cơ Hình 1.6 Cấu tạo của các dạng pin mặt trời hữu cơ (a) -pin một lớp; (b) pin hai lớp; (c) -pin hỗn hợp; (d) -pin đa lớp Về nguyên tắc, PMT hữu cơ có cấu tạo như sau: Điện cực trong suốt để cho ánh sáng mặt trời chiếu vào, lớp polymer dẫn (lớp quang hoạt) nơi hấp thụ ánh sáng, hình thành các hạt tải và nơi di chuyển 14 của chúng và điện... tử trong pin mặt trời hữu cơ Các lớp hữu cơ quang hoạt trong các pin năng lượng mặt trời hữu cơ thường được xây dựng từ một hỗn hợp của polymer (như P3HT, MEH-PPV) và PCBM hình thành một mạng lưới gọi là dị thể phân tán trong thể tích Tính tan: PCBM có thể tan được trong dung môi hữu cơ (như clorobenzen; 1,2-diclorobenzene) đây chính là ưu điểm của PCBM so với C60 1.1.2 Tính chất của pin mặt trời hữu. .. trong suốt Chế tạo các màng đa lớp GZO/Ti/Ag/Ti/GZO, ZnO/Cu/ZnO bằng phương pháp phún xạ magnetron DC, bề dày các lớp oxít kim loại và kim loại được tính toán theo lý thuyết mô phỏng, màng đa lớp được chế tạo ở nhiệt độ phòng, ứng dụng màng đa lớp làm điện cực trong suốt cho PMT hữu cơ CÁC PHỤ LỤC PHẦN TỔNG QUAN 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ VÀ VẬT LIỆU CẤU THÀNH 1.1 Pin mặt trời hữu cơ. .. bước, chế tạo ZnO NRs trên ITO/mầm ZnO theo phương pháp điện phân 2 bước, khảo sát cấu trúc và hình thái học của ZnO NRs Chế tạo và khảo sát tính chất hấp thụ ánh sáng khả kiến, cấu trúc màng P3HT:PCBM và đặc trưng I-V của PMT có các cấu trúc dị chất ITO/ZnO NRs/P3HT:PCBM/Al và ITO/mầm ZnO/ZnO NRs/P3HT:PCBM/Al Chương 4: Chế tạo và khảo sát tính chất của các màng đa lớp oxit kim loại / kim loại ứng dụng. .. khảo sát các tính chất của màng P3HT:PCBM và cấu trúc dị chất P3HT:PCBM - lớp đệm vô cơ cho pin mặt trời hữu cơ Chế tạo màng P3HT, P3HT:PCBM trên đế thủy tinh bằng phương pháp phủ quay, khảo sát sự liên hệ giữa độ dày màng và vận tốc phủ quay Chế tạo màng P3HT:PCBM trên đế ITO và ITO/màng ZnO, khảo sát tính chất hấp thụ ánh sáng khả kiến, cấu trúc màng P3HT:PCBM theo giản đồ XRD, ảnh AFM và đặc trưng... cần được nghiên cứu để tiếp tục giải quyết là chế độ ủ nhiệt và tỉ lệ P3HT:PCBM 1.1.2.3 Những hạn chế của pin mặt trời hữu cơ Pin mặt trời hữu cơ có nhiều ưu điểm như hấp thụ được dải bước sóng rộng, dễ chế tạo, linh động trong nhiều mục đích sử dụng khác nhau Tuy nhiên, độ rộng vùng cấm của P3HT thấp nên sự lựa chọn vật liệu điện cực khó khăn hơn so với các hợp chất vô cơ khác Hơn nữa do các phân ... 1.1.2 Tớnh cht ca pin mt tri hu c 1.1.2.1 Nguyờn tc lm vic c bn v cu to ca PMT hu c Hỡnh 1.6 Cu to ca cỏc dng pin mt tri hu c (a) -pin mt lp; (b) pin hai lp; (c) -pin hn hp; (d) -pin a lp V nguyờn... 1: TNG QUAN PIN MT TRI HU C V VT LIU CU THNH 1.1 Pin mt tri hu c Pin mt tri hu c (OSC) l pin mt tri th h mi v ch mi phỏt trin chng 10 nm tr li õy Nu nhỡn vo cỏc thụng s ca OSC, so vi pin mt tri... cht ca pin mt tri hu c 13 1.1.2.1 Nguyờn tc lm vic c bn v cu to PMT hu c 13 1.1.2.2 Vi tớnh cht ca PMT hu c vi lp quang hot P3HT:PCBM 16 1.1.2.3 Nhng hn ch ca pin mt tri hu c 20 1.1.3 Pin mt