Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-O-1.9 CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ CHÌ SULFIDE (PBS), ỨNG DỤNG VÀO ĐIỆN CỰC ANODE QUANG TRONG PIN MẶT TRỜI CHẤM LƯỢNG TỬ NHẠY QUANG (QDSSCS) Nguyễn Nguyên Thiên Phú, Huỳnh Chí Cường, Lâm Quang Vinh Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ĐHQG - HCM Email: nguyenguyenthienphu@gmail.com TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, chấm lượng tử Chì Sulfide (PbS) chế tạo phương pháp Coloidal: Dung dịch Chì axetat TheoUreA dung môi Methanol kết hợp với tạo thành hợp phức (Pb-S), cho thêm chất bao PolyVynylpropidone (PVP) để giới hạn kích thước chấm lượng tử PbS Ứng dụng vào chế tạo điện cực anode quang pin mặt trời chấm lượng tử nhằm nâng cao hiệu suất pin Từ khóa: chấm lượng tử , PbS GIỚI THIỆU Chấm lượng tử tinh thể nano bán dẫn, có kích thước trung gian phân tử, nguyên tử vật liệu khối, gồm 100:1000 phân tử, nguyên tử; cấu trúc có giam hãm chiều không gian, mức lượng gần giống mức lượng nguyên tử chấm lượng tử gọi “nguyên tử nhân tạo” Chấm lượng tử chế tạo nhiều phương pháp Trong đó, phương pháp hóa ướt ( cụ thể kỹ thuật Coloidal phương pháp cho tinh thể nano chất lượng tốt nhất) Chì Sulfide PbS vật liệu bán dẫn phân lớp IV-VI với độ rộng vùng cấm hẹp (0.41eV), bán kính Borh Exition lớn (18nm) cho thấy hiệu ứng giam hãm lượng tử mạnh vùng hồng ngoại gần Ngoài ra, PbS có khối lượng điện tử lỗ trống nhỏ (0.75m0 0.8m0) tạo điều kiện cho việc định hướng điện tích màng chấm lượng tử để tăng tính linh động hạt tải độ dẫn Với đặc trưng trên, chấm lượng tử PbS thu hút nhiều công nghệ vật liệu quang học đặc biệt chế tạo pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang THÍ NGHIỆM Hóa chất Chì acetate trihidrat (Pb(CH3COO)2.3H2O, 99%), ThioUreA (SC(NH)2)99%), Polyvinylpyrrolidone (PVP), Methanol, keo TiO2 thương mại (Dyelsol, DSL18NR-T) Quy trình chế tạo chấm lượng tử PbS o o o o o Chì acetate trihidrat (Pb(CH3COO)2.3H2O) ThioureA (SC(NH)2) cho vào hai lọ thủy tinh khác Tiếp tục cho Methanol vào hai lọ (mỗi lọ 10 ml), sau khuấy tan vòng phút Methanol thêm vào đóng vai trò dung môi, hòa tan muối Pb(CH3COO)2.3H2O, SC(NH)2 tạo thành dung dịch muối suốt có nồng độ 0.05M Hai dung dịch muối cho tác dụng với nhau, khuấy tan phút tạo thành dung dịch phức hợp (Pb-S) có nồng độ 0.1M , suốt Cuối cùng, cho Polyvinylpyrrolidone (PVP) vào hỗn hợp , khoảng vài giây dung dịch bắt đầu đổi màu, ta thu chấm lượng tử PbS PVP trượng hợp đóng vai trò “chất bao” Dung dịch thu đổi màu nhanh hay chậm phụ thuộc vào khối lượng PVP thêm vào Kích thước hạt chấm lượng tử xác định gián tiếp qua việc đo phổ UV – Vis phổ XRD Chế tạo pin mặt trời chấm lượng tử PbS o Chế tạo màng TiO2 kính FTO Kính FTO kích thước 1.3 x 1.6 xử lí (đánh siêu âm, ngâm TiCl4 nồng độ 40mM 700C 30 phút, rửa lại cồn) Sau đó, kính FTO quét lớp keo TiO2 thương mại (Dyelsol, DSL 18NR-T) khung in lụa 43T (43 T mesh/inch) nung 500oC để kết tinh pha anatase 30 phút o Chế tạo điện cực anode quang TiO2/PbS ISBN: 978-604-82-1375-6 22 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Màng TiO2 ngâm dunng dịch chấm lượng tử PbS 10 giờ, sau màng lấy sấy khô 100oC 10 phút Màng TiO2 tiếp tục lấy rửa sơ qua nước cất, sấy khô 100oC 10 phút Ta hoàn thành điện cực anode quang TiO2/PbS o Chế tạo điện cực cathode Kính FTO với kích thước anode (1.3 x 1.6 cm) khoan lỗ nhỏ mm, xử lý anode không xử lý TiCl4 Sau đó, cathode quét lớp Pt thương mại (Platinum Dyesol, Úc) nung 450oC 30 phút o Ráp pin Điện cực anode cathode sau hoàn thành ghép với nhau, hai điện cực lơp nhựa dẻo Surlyn.Pin ép nhiệt máy ép nhiệt chân không nhiệt độ 180oC – 200oC , lớp surlyn nóng chảy dính chặt hai điện cực với Bơm chất điện ly polysulfide vào pin thông qua hai lỗ khoan, dán kín lỗ khoan, quét bạc vào hai vị trí tiếp xúc anode cathode để tăng khả dẫn dòng điện KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Khảo sát dung dịch chấm lương tử PbS Hình Giản đồ XRD PbS Hình Phổ UV-Vis dung dịch PbS QDs Từ giãn đồ nhiễu xạ tia X (Hình 1), thấy xuất đỉnh nhiễu xạ vị trí 2𝜃 = 25.960, 30.120, 43.070, 50.850 , 53.240, 69.120 ứng với mặt mạng (111), (200), (220), (310), (222), (331) pha cấu trúc tinh thể khối lập phương tâm mặt PbS Kết hợp với kết phổ UV –Vis (Hình 2), xác định vị trí đỉnh phổ bước sóng 603 nm (tương ứng với màu dunng dịch nâu đỏ) so với vật liệu khối PbS (Eg = 0.41eV) có bước sóng khoảng 3000 nm có dịch chuyển bước sóng ngắn Điều khẳng định chế tạo thành công chấm lượng tử PbS Dựa theo lý thuyết khối lượng hiệu dụng Brus tính kích thước chấm lượng tử 2.9 nm ISBN: 978-604-82-1375-6 23 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình Dung dich PbS sau chế tạo xong Khảo sát Anode TiO2/PbS Tiến hành ngâm tế bào pin chấm lượng tử 10 giờ.Sau đó, thực hiên chụp ảnh SEM anode TiO2 anode TiO2/PbS Hình Ảnh chụp SEM TiO2 Hình Ảnh chụp SEM TiO2/PbS Kết cho thấy: bề mặt TiO2 xuất nhiều dạng ốc đảo lỗ xốp bị lấp kín, chấm lượng tử PbS bám, hấp thụ lên bề mặt màng TiO2.Tuy nhiên, hạt phân bố không xếp chặt, không lấn sâu vào màng TiO2, chủ yếu bề mặt màng TiO2, kích thước lớn không đồng (có hạt lên tới 300 nm, có hạt khoảng 200 nm) PbS có hình thành màng TiO2 hay không, để chắn chụp phổ nhiễu xạ tia X để xác định cấu trúc tinh thể màng Hình Giãn đồ XRD màng TiO2/PbS ISBN: 978-604-82-1375-6 24 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Giãn đồ nhiễu xạ tia X xuất đỉnh nhiễu xạ vị trí 2𝜃 = 26.570, 29.700, 51.640, 62.080 tương ứng với mặt mạng (111), (200), (311), (400) PbS , điều khẳng đinh PbS hấp thu lên màng TiO2 Khảo sát pin mặt trời chấm lượng tử PbS Pin mặt trời sau chế tạo xong đánh giá tính đặc trưng dòng I – V đo hệ máy Keithley (Keithey model 2400 digital source meter, USA) kết hợp với hệ mô ánh sáng mặt trời Oriel Sol1A Mĩ Cường độ sang điều khiển pin chuẩn (Photodiode) chuẩn hóa Đo đặc trưng I – V hệ hai điện cực, điện cực làm việc nối với anode pin, điện cực đối nối với cathode pin Số liệu đường I – V xử lý phần mềm IV2400 Hình Đặc trưng I-V pin TiO2/PbS Bảng Các thông số QDSSCs TiO2/PbS Điện cực 1TiO2/PbS Jsc (mA/cm2) 1.0206 Voc (V) FF(%) η(%) 0.2794 0.1350 0.0385 Hiệu suất thu thấp, vài nguyên nhân ảnh hưởng đến kết như: Dung dịch chấm lượng tử PbS chế tạo có tính không ổn định cao, kích thước hạt lớn, không chen sâu vào màng TiO2, tồn bề mặt (hình 5.8, hình 5.14) Trong trình truyền tải điện tử bị bẫy (do điện cực anode quang bị lẫn tạp chất oxi chẳng hạn….) Ở vùng tiếp giáp chấm lượng tử điện cực, điện tử bị bẫy trình khác Điện cực Cathode sử dụng Pt với dung dịch chất điện ly S/S2- Mặc dù, Pt có điện trở kháng thấp điện cực cathode CoS CuS làm cho điện trở chuyện điện tích từ bề mặt kính thủy tinh dẫn đến Pt nhỏ so với trường hợp CoS CuS trình chuyển điện tích từ Pt đến hệ điện ly S/S2- trở nên khó khăn so với hai trường hợp lại KẾT LUẬN Chúng tổng hợp thành công chấm lượng tử PbS nhiệt độ phòng gắn kết vào điện cực anode quang ứng dụng pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang Kết cho thấy có gắn kết chấm lượng tử lên màng Tuy nhiên, kích thước hạt không đồng lớn, chưa xen sâu vào cấu trúc TiO2 Trong hướng nghiên cứu tiếp theo, khảo sát thông số điều khiển kích thước hạt, nhằm tăng cường khả hấp thu liên kết chấm lượng tử lên điện cực SYNTHESIZE LEAD SULFIDE (PBS) APPLY TO THE OPTICAL ANODE IN QUANTUM DOTS SENSITIZED SOLAR CELL (QDSSCS) ABSTRACT In this research, Lead sulfide (PbS) quantum dot was synthesized by Coloidal method: separate solutions of PbAc and TU in methanol were prepared These solutions were mixed to produce a PbAc–TU complex and then added Polyvinylpyrrolidone (PVP) to limit the size of PbS QDs Apply to the optical anode in quantum dot sensitised solar cell to improve efficiency of cell Key word: quantum dot, PbS TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Nghiêm, “Phủ màng Chì sulfite (PbS) kính thủy tinh dẫn điện băng phương pháp điện hóa ứng dụng làm Cathode cho pin mặt trời chấm lượng tử (QDSC)”,Luận văn thạc sĩ, Đại học Khoa học tự nhiên – ĐHQG Tp.HCM, 2013 ISBN: 978-604-82-1375-6 25 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Nguyễn Quốc Khánh, “Chế tạo khảo sát tính chất quang vật liệu tổ hợp nano CdSe/PMMA”, Luận văn thạc sĩ, Đại học Công nghệ - ĐHQG Hà Nội, 2012 Jayesh D.Patel, Frej Mighria, Abdellah Ajji, Tapas K Chaudhuri, “Morphology and size control of lead sulphide nanoparticles produced using methanolic lead acetate trihydrate–thiourea complex via different precipitation techniques”, Materials Chemistry and Physics, 132, 2014, pp 747 – 755 M Sasani Ghamsaria, S Radiman, M Ambar Yarmo, M.A Abdul Hamid,A Bananej, I Abdul Rahman, “Colloidal PbS nanocrystals with narrow photoluminescence spectra”, Materials Letters 65, 2011, pp 1381–1384 Minwoo Nama, Taeyoon Lee, Sungwoo Kim, Sejin Kim, Sang-Wook Kim, Kee-Keun Lee, “Two strategies to enhance efficiency of PbS quantum dot solar cells: Removing surface organic ligands and configuring a bilayer heterojunction with a new conjugated polymer”, Organic Electronics 15, 2014, pp 391–398 Umaima Elfurawi, MSci, “Optical and Electronic Properties of PbS Colloidal Nanocrystals”, University of Nottingham, 2012 Chunze Yuan, “The Study of II-VI Semiconductor Nanocrystal Sensitized Solar Cells”, Biotechnology Royal Institute of Technology Stockholm, 2012 Abdelrazek Mousa, “Synthesis and Characterization of PbS Quantum Dots”, Lund University, 2011 ISBN: 978-604-82-1375-6 26