Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử cdse ứng dụng trong pin mặt trời

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN H THANH T NG T NG H P V NGHIÊN C U T NH CH T QUANG C A CH Ư NG T TRONG PIN CdSe T TRỜI U N N TI N S V T Tp Hồ Chí Minh – 2015 NG NG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Hà Thanh Tùng T NG H P V NGHIÊN C U T NH CH T QUANG C A CH Ư NG T C S NG NG TRONG PIN Chuyên ngành: Quang Học Mã số: 62 44 11 01 Phản biện 1: GS.TSKH Vũ Xuân Quang Phản biện 2: PGS.TS Trần Hoàng Hải Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng Phản biện độc lập 1: PGS.TS Nguyễn Mạnh Sơn Phản biện độc lập 2: PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS HU NH TH NH ĐẠT PGS.TS LÂM QUANG VINH Tp Hồ Chí Minh – 2015 T TRỜI i T LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng u nh Thành PGS.T i h ng dẫn t PGS.TS Lâm Quang Vinh Các số liệu, kết luận án trung thực ch a đ c công ố công trình khác Trong qu trình thực luận n đ qu c c T chức Thầy ô c c Tôi xin đ n c nhiều quan tâm gi p đ c viên inh viên c bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến ia đình ng nghiệp u nh Thành T PGS.TS Lâm Quang Vinh, ng ời thầy nhiệt tình h t ng dẫn suốt thời gian làm nghiên cứu khoa h c, hết lòng gi p đ vật chất tinh thần thời gian làm nghiên cứu sinh để hoàn thành luận án Tôi xin trân tr ng cảm ơn h c Tự nhiên tr ờng nghiệm a ứng ih c ih c uốc ng Th p ng tr ng điểm ia T Tr ờng môn quang h c ứng ih c ng hoa hòng th t o điều kiện thuận l i cho qu trình thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.T phòng h a l ứng ng gi p đ thiết guy n Th i oàng c c anh ch mt i th nghiệm t o điều iện thuận l i cho qu trình thực luận n Sau cùng, xin cảm ơn gia đình ng ời thân, b n đ c iệt v ủng h h tr suốt thời gian làm nghiên cứu sinh Tác giả luận án T T ii T M C C T Trang …………………………………………………………………… … M …………………………………………………………………………… ii ………………………………….……….vi ………………………………………………………………viii ………………………………… …………………ix Ầ h ơng s l thuyết T Y T s iệu ứng giam giữ l s ng t vật liệu 1.1.2 Mô hình lý thuyết khối l T nh chất quang Ề s n ẫn ng hiệu d ng s 1.1.4 Khả hắc ph c gi i h n Shockley-Queisser QDs QDSSCs: 12 ch s ph t triển cđ il T 15 ng đ c tr ng PMT 18 ờng cong -V 18 òng ngắn m ch 1.3 Thế m ch h OC SC (Short – circuit current) 19 (Open – Circuit Voltage) 19 ệ số lấp đầy ill actor 20 iệu suất T η E iciency) 21 X c đ nh điện tr s l thuyết pin ằng ph ơng ph p m t đ ờng cong I-V 21 s 24 ấu tr c nguyên l làm việc s 24 iện cực anốt quang 25 iện cực atốt 26 iii T T ng quan tình hình nghiên cứu n c 28 Tình hình nghiên cứu n c 28 Tình hình nghiên cứu n c 28 1.5.3 Các nguyên nhân làm h n chế hiệu suất QDSSCs 32 1.5.4 Vấn đề cần nghiên cứu 33 ết luận ch ơng h ơng 34 T 36 c ph ơng ph p t ng h p s 36 h ơng ph p h a t h ơng ph p 38 uy trình chế t o 2.3 T ng h p c c s s olloi 36 s ng chất ao Thiol -SH) 39 ằng ph ơng ph p olloi v i tác nhân TOP 41 2.4 T o mẫu b t CdSe 43 uy trình chế t o MT 44 2.5.1 X l đế ẫn T 44 T o màng Ti ằng ph ơng ph p in l a 45 T o màng Ti 2/CdSe 45 hế t o màng Ti Zn ằng ph ơng ph p 46 hế t o điện cực atốt 49 2.7 Hệ điện ly 51 uy trình r p T s 52 2.9 Các thiết b đo t nh điện tr QDSSCs 53 2.9.1 Thiết b đo đ ờng đ c tr ng -V 53 2.9.2 Thiết b đo t ng tr điện hóa EIS 54 2.10 Các thiết b khác s d ng trình thực nghiệm 63 ết luận ch ơng h ơng T h ơng ph p h a 63 N LUẬ T s 65 o v i chất th đ ng hóa bề m t nhóm thiol (SH): 65 iv T 3.1.1 Khảo sát theo tỉ lệ M 66 s 3.1.2 Cấu trúc tinh thể h ơng ph p h a iều khiển so s nh ch th c h t v i c c ph ơng ph p h c 68 o s d ng chất th đ ng bề m t TOP: 70 ch th c thông qua thông số (nhiệt đ thời gian): 71 3.2.2 Khuếch tán QDs CdSe dung môi t o mẫu b t CdSe 75 3.2.3 Phân tích cấu trúc QDs CdSe ph nhi u x tia X 75 Kết luận ch ơng h ơng 76 T àng nano Ti hế t o N C C ANỐT QUANG FTO/TiO /QDs CdSe 78 78 Tt c c s v i tác nhân thiol 79 ấu tr c đ c tr ng hình th i màng 79 T nh chất quang màng hảo s t th o thời gian ngâm 83 ết chế t o ải tiến st ết luận ch ơng h ơng Tt s CdSe v i tác nhân thiol 86 s v i tác nhân TOP 88 94 Ê ỨU CH T O ANỐT QUANG CÓ CẤU TRÚC SONG SONG: FTO/TiO /CdS/CdSe/ZnS NHẰM NÂNG CAO HI U SUẤT 96 hế t o màng anốt quang TiO2 Zn ằng ph ơng ph p 96 uy trình t o màng anốt quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS 96 ấu tr c t nh chất quang màng anốt quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS 98 ết đo hiệu suất pin 105 ết đ nh gi hân t ch điện tr s ằng đ ờng cong -V 105 s qua đ ờng cong -V 108 ết đo ph t ng tr điện h a 112 nh h ng số vòng nh h ng số vòng nh h ng nhiệt đ nung lên lên lên s 112 s 115 s 117 v T âng cao hiệu suất ết luận ch ơng h ơng s s màng anốt quang TiO2/CdS/CdSe(colloid)/ZnS 118 123 T sT Ê u u S, PbS 125 uy trình chế t o c c điện cực catốt h c 125 uy trình chế t o màng catốt PbS 125 uy trình chế t o màng u 126 uy trình chế t o màng catốt Cu2S 127 ấu tr c hế t o s 129 s s c c điện cực catốt h c 129 ết luận ch ơng 131 T Ậ 132 134 T T PH T 135 137 L C 156 vi T AN CB M CC C I U T VI T T T Conductor band: Vùng dẫn CBD h mical ath position: h ơng ph p lắng đ ng hóa h c CE ount r l ctro : iện cực catốt D ir ction: ng, chiều DOS Density of states: Mật đ tr ng thái DSSCs Dye-sensitized solar cells: Pin m t trời chất màu nh y quang EDS Energy dispersive X ray spectroscopy: Ph tán sắc l tia X EMA Effective Mass Approximation: Gần đ ng hối l EIS Electrochemical Impedance Spectra: Ph t ng tr điện hóa FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope: Kính hiển vi điện t quét đ phân giải cao FTO Tin oxide flo: Thủy tinh dẫn I-V ng hiệu d ng ờng đ c tr ng olt-Ampe NCs Semiconductor nanocrystals: Bán dẫn tinh thể nano MEG Multiple exciton generation: Sinh nhiều exciton PL Photoluminescence: Quang phát quang PMT in m t trời QDs Quantum dots: Chấm l QDSSCs Quantum dots-sensitized solar cells: Pin m t trời chấm l QW Quantum well: Giếng l ng t ng t RS ri s r sistanc : iện tr nối tiếp RSH hunt r sistanc : iện tr song song SEM ng Scanning Electron Microscope: Kính hiển vi điện t quét ng t vii T SILAR Successive ionic layer adsorption and reaction: Phản ứng hấp th ion TEM Transmission Electron Microscope: Kính hiển vi điện t truyền qua UV-Vis h hấp th t ngo i – iến VB Valence band: Vùng hóa tr XRD X Ray Diffraction: Ph nhi u x tia X viii T AN M CC C N : : Kí c hạt mẫu v i tỉ lệ M khác : K t v í c trung bình nano CdSe : ả 2/CdSe : ủ : : ệ ủ PMT í : : í : D, ủ Rd, RS, RSH - ệ - ệ ủ : D, Rd, RS, RSH ủ : ệ : ả ủ ệ : ệ : c ủ ủ : ủ ủ ủ ả ủ ệ 72 Hà Thanh Tùng 73 Hà Thanh Tùng 74 Hà Thanh Tùng 75 Hà Thanh Tùng 76 Hà Thanh Tùng 77 Hà Thanh Tùng 78 Hà Thanh Tùng 79 Hà Thanh Tùng 80 Hà Thanh Tùng 81 Hà Thanh Tùng 82 Hà Thanh Tùng 83 Hà Thanh Tùng 84 Hà Thanh Tùng 85 Hà Thanh Tùng 86 Hà Thanh Tùng [...]... thiol và TOP đ nh h ết quả nghiên cứu t nh chất quang của ng ứng s ng của c c s đ thời gian n ng đ chất ao ơn nữa sự ảnh h ằng ph ơng ng trong s c thông qua ph hấp th và ph Quang phát quang (PL), c c ph ơng ph p x c đ nh l s ch th c h t và đ nh gi chất ng của c c tham số lên t nh chất quang h c cũng đ 2+ /Se2- nhiệt c trình bày 3 T h ơng 4 trình ày c c ết quả chế t o màng mỏng -TiO2 qua các nghiên cứu. .. th ơng m i Đ - ối t ng nghiên cứu là c c s t màng; c c màng anốt quang TiO2 - h m vi nghiên cứu: đ c t ng h p ng ung ch s; c c PMT ghiên cứu chế t o PMT trên cơ s s CdSe trong ph m vi phòng th nghiệm T ng h p thành công QDs có tính chất quang m nh nhằm ứng d ng trong PMT Nghiên cứu chế t o thành công màng anốt quang theo cấu trúc song song nhằm nâng cao hiệu suất của pin Nghiên cứu thành công quy trình... p thụ ứng v ù ồ th , (b) giả ện tử ỉnh phát quang của QDs Hình 3.4: Ph nhiễu xạ tia X của bột CdSe nung Hình 3.5: Ph ồ tái h p củ các nhiệ ộ khác nhau ẫ bột CdSe : Quy trình t ng h p QDs CdSe sử dụng tác nhân b m t TOP : Ph h p thụ UV-VIS và PL của các dung d ch nano CdSe và màu s c của dung d ch nano CdSe theo nhiệ ộ hình thành m m : í c khác nhau khi chi u UV : Ph h p thụ UV-VIS và PL của các... Thay thế chất màu nh y quang bằng các QDs khắc ph c đ pin DSSCs c nh c điểm của 4 T t ngh a h c nữa là công nghệ chế t o đơn giản hơn so v i PMT truyền thống giảm gi thành sản xuất suất của pin để c thể ứng o đ trong t ơng lai ch ng ta c thể nâng cao hiệu ng trong cu c sống 5 T C ơ CƠ SỞ T UY T VỀ QDs CdSe VÀ QDSSCs Trong ch ơng này trình bày l thuyết về c c t nh chất quang điện của T nh chất quang. .. quan tâm đến Pin m t trời (PMT) chấm l ng t (QDs) (QDSSCs trên cơ s chất nền là TiO2, lo i pin này có nhiều u điểm hơn so v i PMT chất nhu m nh y quang (DSSCs) vì DSSCs chỉ hấp th đ l o đ ch a tận d ng hết ph năng c ánh sáng m t trời trong vùng khả kiến ng ánh sáng m t trời trong vùng h ng ngo i đ ng thời chất màu là chất ch u nhiệt kém nên không bền Ngoài những nh chất nhu m là vì c điểm của DSSCs,... ng JSC ph thu c vào c c thông số sau:  iện t ch của T: để ỏ qua iện t ch của pin ch ng ta th ờng t nh mật đ của òng ngắn m ch trên cm2  ố photon t i c ngh a là n ph thu c vào c ờng đ  ãy ph của nh s ng t i: trong c c ph p đo nh s ng chiếu vào ãy ph đ c chuẩn h a th o ph m t trời T nh chất quang h c của T: c qu trình hấp th phản x truyền qua mất m t X c suất thu nhận điện t của pin: liên quan đến... anốt quang QDs-TiO2 3/ Nghiên cứu nâng cao hiệu suất của QDSSCs uận n đ c trình ày v i 6 ch ơng: h ơng trình ày l thuyết liên quan đến t nh chất quang điện của nh : hiệu ứng giam giữ l ng t ph thu c vào ch th c của s so v i Bohr của vật liệu hối cùng thành phần, cấu tr c vùng năng l CdSe thu đ l ng t c t mô hình gần đ ng hối l quan s t t ph hấp th cấu tr c tinh tế n nh ng của c c s ng, c c hiệu ứng. .. th i ề m t và thời gian sống của điện t 1.3 T ở VOC (Open – Circuit Voltage) Thế m ch h OC là điện thế cực đ i của T hi hông c m ch ngoài nối v i pin T ph ơng trình 4 hi 0 thì ta thu đ c iểu thức của thế m ch h : 20 T (1.15) h ơng trình trên mô tả sự ph thu c của thế m ch h vào òng ngh ch đảo io ảo hòa và òng IL hi chiếu s ng OC ph thu c m nh vào c c qu trình tái h p trong pin và ph thu c vào đ r ng... tâm của vấn đề cần nghiên cứu cũng đ 1.1 Cơ ở Q c làm rõ C S Theo lý thuyết l t và CB thì r ng vùng năng l ng ng t , vùng hóa tr (VB) của chất bán dẫn đ hi photon đến kích thích QDs điện t c lấp đầy điện VB nhảy lên CB, ch th ch đầu tiên t ơng ứng v i m t điện t trong CB và m t l trống trong VB, hình thành m t c p điện t - l trống t o nên các giả h t g i là xciton và năng l Eb  ng liên kết Eb của. .. M CC C N ủa exciton trong bán dẫn Hình1.1: Hình 1.2: Hiệu ứng suy giảm lu ng tử (QDs) nằm v trí trung gian giữa v t liệu kh i bán dẫn và phân tử ộ trạng thái của suy giảm một, hai và ba chi u Hình 1.3: M í Hình 1.4: Mô tả hàm sóng trong h th Hình 1.5: Ph h p thụ ( í c hạt b suy giảm ba chi u ng li n nét) và ph PL ( ng gẫ ú ) ứng v i c hạt khác nhau của QDs [35] ú Hình 1.6: C ù ng của v t liệu kh i (a) ... h p thành công QDs có tính chất quang m nh nhằm ứng d ng PMT Nghiên cứu chế t o thành công màng anốt quang theo cấu trúc song song nhằm nâng cao hiệu suất pin Nghiên cứu thành công quy trình công... tâm đến Pin m t trời (PMT) chấm l ng t (QDs) (QDSSCs s chất TiO2, lo i pin có nhiều u điểm so v i PMT chất nhu m nh y quang (DSSCs) DSSCs hấp th đ l o đ ch a tận d ng hết ph c ánh sáng m t trời. .. tác nhân thiol TOP đ nh h ết nghiên cứu t nh chất quang ng ứng s ng c c s đ thời gian n ng đ chất ao ơn ảnh h ằng ph ơng ng s c thông qua ph hấp th ph Quang phát quang (PL), c c ph ơng ph p x