DSpace at VNU: Nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ Halogen ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời

DSpace at VNU: Nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ Halogen ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời tài liệu...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Minh Tú NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU PEROVSKITE HỮU CƠ VÔ CƠ HALOGEN ỨNG DỤNG CHO PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Minh Tú NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU PEROVSKITE HỮU CƠ VÔ CƠ HALOGEN ỨNG DỤNG CHO PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành: HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ Mã số: 60440119 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trƣơng Thanh Tú TS Nguyễn Trần Thuật HÀ NỘI – 2015 LờI CẢM ƠN! Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS Trương Thanh Tú TS Nguyễn Trần Thuật tận tình hướng dẫn để em hồn thành tốt đề tài luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô, anh chị bạn Bộ mơn Hóa lý đặc biệt Phòng thí nghiệm Hóa học hợp chất cao phân tử, Phòng thực tập Hóa lý thuyết Hóa lý - Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình thực đề tài luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô, anh chị bạn Trung tâm Nano lượng - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ em trình thực đề tài luận văn Luận văn hoàn thành với giúp đỡ tài từ đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite vô – hữu ứng dụng cho lớp hấp thụ pin mặt trời tiếp giáp dị thể”, mã số 103.02-2014.81, Trung tâm Nano Năng lượng - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Cuối em xin cảm ơn bố mẹ, anh chị em người thân bạn bè cổ vũ, động viên em! Em xin chúc tất người luôn mạnh khỏe thành công! Hà Nội Ngày 18 tháng 12 năm 2015 Học viên : Nguyễn Minh Tú i MụC LụC MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Giới thiệu pin mặt trời Error! Bookmark not defined 1.1.1 Một số vấn đề lượng Error! Bookmark not defined 1.1.2 Vài nét pin lượng mặt trời Error! Bookmark not defined 1.1.3 Pin mặt trời perovskite Error! Bookmark not defined 1.2 Phƣơng pháp chế tạo perovskite hữu vô halogen Error! Bookmark not defined 1.2.1 Phương pháp hóa học Error! Bookmark not defined 1.2.2 Phương pháp vật lý Error! Bookmark not defined 1.3 Tính chất đặc trƣng ứng dụng perovskite hữu vô halogen Error! Bookmark not defined Chƣơng THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 2.1 Hóa chất dụng cụ Error! Bookmark not defined 2.1.1 Hóa chất Error! Bookmark not defined 2.1.2 Dụng cụ Error! Bookmark not defined 2.2 Thí nghiệm Error! Bookmark not defined 2.2.1 Tổng hợp tiền chất CH3NH3X Error! Bookmark not defined 2.2.1.1 Tổng hợp tiền chất CH3NH3Br Error! Bookmark not defined 2.2.1.2 Tổng hợp tiền chất CH3NH3I Error! Bookmark not defined 2.2.2 Tổng hợp perovskite theo phương pháp hóa học Error! Bookmark not defined 2.2.2.1 Tổng hợp CH3NH3PbI3 phương pháp hóa học Error! Bookmark not defined 2.2.2.2 Tổng hợp CH3NH3PbI2Br phương pháp hóa học Error! Bookmark not defined ii 2.2.3 Tổng hợp perovskite phương pháp vật lý Error! Bookmark not defined 2.2.3.1 Phủ quay lần Error! Bookmark not defined 2.2.3.2 Phủ quay lần kết hợp nhúng Error! Bookmark not defined 2.2.3.3 Phủ quay hai lần Error! Bookmark not defined 2.3 Các phƣơng pháp đánh giá đặc trƣng tính chất Error! Bookmark not defined 2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined 2.3.2 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân Error! Bookmark not defined 2.3.3 Phương pháp phổ hồng ngoại Error! Bookmark not defined 2.3.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét Error! Bookmark not defined 2.3.5 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua Error! Bookmark not defined 2.3.6 Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) Error! Bookmark not defined Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Kết tổng hợp tiền chất CH3NH3X Error! Bookmark not defined 3.2 Kết tổng hợp perovskite phƣơng pháp hóa học Error! Bookmark not defined 3.3 Kết tổng hợp perovskite phƣơng pháp vật lý Error! Bookmark not defined KếT LUậN Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC Phụ lục Các phƣơng pháp đánh giá đặc trƣng tính chất Phụ lục Cơng trình cơng bố có liên quan đến luận văn iii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ minh họa ứng dụng pin mặt trời Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo pin mặt trời đơn giản Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo pin mặt trời silic Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Hình mơ cấu trúc tinh thể perovskite Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Sơ đồ phân loại perovskite Error! Bookmark not defined Hình 1.6 Hình mơ cấu trúc perovskite CH3NH3PbI3 lập phương (cubic) Error! Bookmark not defined Hình 1.7 Hình mơ cấu trúc perovskite CH3NH3PbI3 tứ phương (tetragonal) Error! Bookmark not defined Hình 1.8 Hình mơ cấu trúc perovskite CH3NH3PbI3 trực thoi (orthorhombic) Error! Bookmark not defined Hình 1.9 Cấu tạo pin mặt trời perovskite Error! Bookmark not defined Hình 1.10 Sự dịch chuyển điện tử tự lỗ trống pin lượng mặt trời có TiO2 hình (a) khơng có TiO2 hình (b) Error! Bookmark not defined Hình 1.11 Sơ đồ cách tiến hành thí nghiệm tổng hợp perovskite Error! Bookmark not defined Hình 1.12 Hình minh họa trình phủ quay Error! Bookmark not defined Hình 1.13 Hình minh họa khả lấy sáng vật liệu perovskite vô hữu halogen (a), nhảy e CH3NH3PbI3 (b) Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Hình minh họa lắp ráp dụng cụ trình tổng hợp MAX MAPbX3 phương pháp hóa học Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Hình minh họa phủ quay lần, lần kết hợp nhúng phủ quay hai lần Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Giản đồ XRD CH3NH3I, CH3NH3Br tổng hợp PbI2 thương mại Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Phổ 1H-NMR CH3NH3Br, CH3NH3I tổng hợp CH3NH2 thương mại, đo dung môi CD3OD (metanol - d4) Error! Bookmark not defined iv Hình 3.3 Giản đồ XRD CH3NH3PbI3 tổng hợp phương pháp hóa học với dung mơi GBL nhiệt độ 130 oC (a), 100 oC (b) 60 oC (c), đỉnh nhiễu xạ chuẩn CH3NH3PbI3 tứ phương (d) Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Giản đồ XRD CH3NH3PbI3 tổng hợp phương pháp hóa học với dung mơi GBL nhiệt độ 130 oC (a), 100 oC (b) 60 oC (c) đỉnh nhiễu xạ chuẩn CH3NH3PbI3 tứ phương (d) khoảng 2 = 27o÷ 30o Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Ảnh HRTEM tinh thể CH3NH3PbI3 tổng hợp với dung môi GBL nhiệt độ 130 oC (a) ảnh nhiễu xạ tương ứng (b) Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Giản đồ XRD CH3NH3PbI3 tổng hợp với dung môi 130 oC (a), 100 oC (b), 60 oC (c) tiền chất CH3NH3I (d), PbI2 (e) Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Giản đồ XRD CH3NH3PbI3 - GBL (a), CH3NH3I2Br - GBL (b), CH3NH3I2Br - DMF (c) tổng hợp 130 oC với dung môi tương ứng so sánh với đỉnh nhiễu xạ chuẩn CH3NH3I2Br cấu trúc lập phương (d) Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Giản đồ XRD CH3NH3PbI3 - GBL (a), CH3NH3I2Br - GBL (b), CH3NH3I2Br - DMF (c) tổng hợp 130 oC với dung môi tương ứng so sánh với đỉnh nhiễu xạ chuẩn CH3NH3I2Br cấu trúc lập phương (d) khoảng 2 = 27o÷30o Error! Bookmark not defined Hình 3.9 Phổ 1H-NMR CH3NH3Br, CH3NH3I, CH3NH3PbI2Br, CH3NH3PbI3 tổng hợp CH3NH2 thương mại Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Phổ FTIR CH3NH3PbI3 - GBL - 130 oC tổng hợp Error! Bookmark not defined Hình 3.11 Phổ FTIR CH3NH3PbI3 - GBL, 130 oC CH3NH3PbI2Br - GBL, 130 oC tổng hợp Error! Bookmark not defined Hình 3.12 Ảnh SEM CH3NH3PbI3 - GBL - 130 oC Error! Bookmark not defined v Hình 3.13 Ảnh SEM CH3NH3PbI2Br - GBL - 130 oC CH3NH3PbI2Br - DMF 130 oC Error! Bookmark not defined vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Vị trí nguyên tử cấu trúc tinh thể CH3NH3PbI3 lập phương Error! Bookmark not defined Bảng Vị trí nguyên tử cấu trúc tinh thể CH3NH3PbI3 tứ phương Error! Bookmark not defined Bảng Vị trí nguyên tử cấu trúc tinh thể CH3NH3PbI3 trực thoi Error! Bookmark not defined Bảng Công thức số loại pin mặt trời perovskite vô hữu halogen nghiên cứu tổng hợp Error! Bookmark not defined Bảng Tỉ lệ thể tích CH3NH3Br : CH3NH3I trình pha dung dịch phủ quay Error! Bookmark not defined Bảng Đỉnh nhiễu xạ CH3NH3I tổng hợp Error! Bookmark not defined Bảng Kết phủ quay CH3NH3PbI(3-x)Brx phương pháp lý Error! Bookmark not defined vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DMA: Dimetylacetamid DMF: N, N - Dimethyl formamide DMSO: Dimethyl sulfoxide DSC: Pin mặt trời DSC với chất màu nhạy quang FTO: Flourine-doped tin oxide GBL: Gamabuthylrolactone HRTEM: Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao HTM: Vật liệu truyền dẫn lỗ trống IPA: Isopropan - - ol IR: Phổ hồng ngoại ITO: Indium-doped tin oxide NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân PCE: Hiệu suất chuyển đổi lượng SEM: Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét TCO: Oxit dẫn điện suốt TEM: Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua UV- Vis: Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến XRD: Nhiễu xạ tia X viii MỞ ĐẦU Nhu cầu sử dụng lượng toàn cầu ngày tăng với phát triển kinh tế - xã hội Các nguồn lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí tự nhiên than đá) cung cấp phần lớn lượng cho toàn giới theo dự báo, nguồn lượng hoá thạch dần cạn kiệt thời gian tới Việc sử dụng lượng hóa thạch nguyên nhân gây tăng nồng độ CO2 môi trường Hàng năm, hoạt động sản xuất giới thải vào khí khoảng 200 triệu CO [2] Điều nguyên nhân dẫn tới tăng nhiệt độ trái đất, tăng tần suất mức độ nghiêm trọng thiên tai gây tác động tàn phá nhiều người dạng sống khác trái đất thập kỉ tới Trong bối cảnh toán lượng đặt cho quốc gia không đáp ứng đủ nhu cầu mà phải đảm bảo môi trường sống người Ở Việt Nam, nhà nước có nhiều đầu tư định hướng phát triển nguồn lượng Theo đó, số nguồn lượng đầu tư nghiên cứu phát triển hội nhập lượng mặt trời Nhà máy điện mặt trời Việt Nam vừa đƣợc khởi công huyện Mộ Đức, Quảng Ngãi với tổng vốn đầu tƣ xây dựng 826 tỷ đồng, diện tích 24 với cơng suất thiết kế 19.2 MWp, áp dụng công nghệ quang điện mặt trời Thái Lan Năng lượng mặt trời coi lượng tái tạo liên tục, vô hạn Việc chế tạo thiết bị chuyển đổi lượng xạ mặt trời thành điện nhà khoa học quan tâm từ kỷ trước hiệu chưa cao Để nâng cao hiệu suất chuyển đổi lượng nhà khoa học không ngừng nghiên cứu chế tạo loại vật liệu, loại pin mặt trời có hiệu suất cao Một số pin mặt trời chế tạo từ vật liệu perovskite hữu vô halogen CH3NH3PbX3 (trong X: Cl, I, Br) Vật liệu perovskite hữu vô halogen CH3NH3PbI3 tổng hợp thành công lần vào năm 2009 [16] bước đầu cho thấy khả ứng dụng tốt cho lớp hấp thụ pin mặt trời Kể từ đến nay, vật liệu nghiên cứu nhiều trở thành chủ đề nghiên cứu hấp dẫn giới Chỉ vòng chưa đầy năm, pin mặt trời dựa vật liệu TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo Tiếng Việt Vũ Đăng Độ (2004), Các phương pháp vật lý hóa học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Lý Ngọc Minh (2011), Cơ sở lượng môi trường, NXB Khoa học vàKĩ thuật, Hà Nội Phạm Văn Nhiêu (2008), Một số phương pháp phổ ứng dụng hóa học, NXB Đại học Quốc gia, Hà Nội Trần Anh Phương (2014), Nghiên cứu, tổng hợp chất màu nhạy quang sở phức chất bipiridin, định hướn ứng dụng pin mặt trời màng mỏng, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Đại học Sư phạm Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Đình Thành (2011), Cơ cở phương pháp phổ ứng dụng hóa học, NXB Khoa học Kĩ thuật, Hà Nội Nguyễn Đình Triệu (2012), Các phương pháp vật lý đại ứng dụng hóa học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Tài liệu tham khảo Tiếng Anh Akihiro kojima, Kenjiro Teshima, Yasuo Shirai, Tsutomu Miyasaka (2009), “Organometal Hali perovskite as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells”, Journal of the American Chemical Society, 131 (17), pp 6050-6051 Antonio Diego Lozano-Gorrin (2012), Structural Characterization of New Perovskites, INTECH, Spain, pp 107-123 Antonio Luque, Steven Hegedus (2011), Handbook of photovoltaic science and engineering, John Wile & Sons, Ltd, pp 1-37 10 Chang Y H., Park C H., Matsuishi K (2004), “First-Principles Study of the Structural and the Electronic Properties of the Lead-Halide-Based Inorganic Perovskites (CH3NH3)PbX3 and CsPbX3 (X= Cl, Br, I)”, Journal of the Korean Physical Society, 44 (4), pp 889-893 11 Dieter weber (1978), “CH3NH3PbX3, ein Pb (II)- System mit kubischer Perowskitstruktur/CH3NH3PbX3, 10 a Pb (II)- System with Cubic Perovskite Structure”, Zeitschrift fur Naturforschung B, 33 (12), pp 14431445 12 Federico Brivio, Jarvist M Frost, Jonathan M Skelton, Adam J Jackson, Oliver J Weber, Mark T Weller, Alejandro R Goñi, Aurélien M A Leguy, Piers R F Barnes, Aron Walsh (2015), “Lattice dynamics and orthorhombic, tetragonal, and cubic phases Physical Review B, 92 (14), pp vibrational spectra of the of methylammonium lead iodide”, 144308 13 Feng Zhu, Long Men, Yijun Guo, Qiaochu Zhu, Ujjal Bhattacharjee, Peter M Goodwin, Jacob W Petrich, Emily A.Smith, Javier Vela (2015), “Shape Evolution and Single Particle Luminescence of Organometal Halide Perovskite Nanocrystals”, ACS Nano, (3), pp 2948-2959 14 H Mashiyama, Y Kurihara, T Azetsu (1998), “Disordered cubic perovskite structure of CH3NH3X3 (X= Cl, Br, I)”, Journal of the korean Physiscal Society, 32, S156-S158 15 Hui-Seon Kim, Chang-Ryul Lee, Jeong-Hyeok Im, Ki-Beom Lee, Thomas Moehl, Arianna Marchioro, Soo-Jin Moon, Robin Humphry-Baker, JunHo Yum, Jacques E Moser (2012), “Lead iodide perovskite sensitized all-solidstate submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%”, Scientific reports, 2, pp 592 16 Hyun Suk Jung, Nam-Gyu Park (2015), “Perovskite solar cells: from materials to devices”, Small, 11 (1), pp 10-25 17 Jianhang Qiu, Keyou Yan, Min Zhong, Cheng Mu, He Yan and Shihe (2013), “All-solid-state hybrid solar cells based on a new Yang organometal halide perovskite and one-dimensional TiO2 nanowire arrays”, Nanoscale, (8), pp 3245-3248 18 Jin Hyuck Heo, Sang Hyuk Im, Jun Hong Noh, Tarak N Mandal, Choong Sun Lim, Jeong Ah Chang, Yong Hui Lee, Hi-Jung Kim, Arpita Nazeeruddin, Michael Gratzel, Sang II Seok (2013), 11 Sarkar, Md K “Efficient inorganic- organic hybrid heterojunction solar cells containing perovskite compound and polymeric hole conductors”, nature Photonics, (6), PP 486-491 19 Jun Hong Noh, Sang Hyuk Im, Jin Hyuk Heo, Tarak N Mandal, Sang Il (2013), “Chemical Management for Colorful, Efficient, and Organic Hybrid Nanostructured Solar Cells”, Nano Seok Stable Inorganic- letters, 13 (4), pp 1764- 1769 20 Meng Zhang, Miaoqiang Lyu, Dr Hua Yu, Dr Jung-Ho Yun, Qiong Wang, Prof Lianzhou Wang (2015), “Stable and Low-cost Mesoscopic CH3NH3PbI2Br Perovskite Solar Cells by using a Thin Poly (3 hexylthiophene) Layer as a Hole Transporter”, Chemistry-A European Journal, 21 (1), pp 434-439 21 Nam Joong Jeon, Jun Hong Noh, Young Chan Kim, Woon Seok Yang, Seungchan Ryu, Sang Il Seok (2014), “Solvent engineering for high performance inorganic-organic hybrid perovskite solar cells”, Nature materials, 13 (9), pp 897-903 22 Nam-Gyu Park (2013), “Organometal perovskite light absorbers toward a 20% efficiency low-cost solid-state mesoscopic solar cell”, The Journal of Physical Chemistry Letters, (15), pp 2423-2429 23 Saman Ghanavi (2013), Organic-inorganic hybrid perovskites as light absorbing/hole conducting material in solar cell, Master Thesis 30 hp vt 2013, UPPSALA Universitet, Stockholm Arlanda, pp 1-37 24 Sneha A Kulkarni, Tom Baikie, Pablo P Boix, Natalia Yantara, Nripan Mathews, Subodh Mhaisalkar (2014), “Band-gap tuning of lead halide perovskites using a sequential deposition process”, Journal of Materials Chemistry A, (24), pp 9221-9225 25 Takeo Oku (2015), Crystal structure of CH3NH3PbI3 and Related perovskite Compounds Used for Solar Cells, The University of Shiga Prefecture, Japan, pp 77-101 12 26 Tom Baikie, Yanan Fang, Jeannette M Kadro, Martin Schreyer, Fengxia Subodh G Mhaisalkar, Michael Graetzel, Tim J White (2013), crystal chemistry of the hybrid perovskite (CH3NH3)PbI3 Wei, “Sythesis and for solid-state sensitised solar cell applications”, Journal of Materials Chemistry A, (18), pp 5628-5641 27 Xin Xukai (2012), Dye- and quantum dot-sensitized solar cells based on nanostructured wide-bandgap semiconductors via an integrated experimental and modeling study, Graduate Theses and Dissertations, Iowa State University, U.S, pp 12527 28 Yukihiko Kawamura, Hiroyuki Mashiyama, Katsuhiko Hasebe (2002), “Structural study on cubic-Tetragonal transition of CH3NH3PbI3”, Journal of the Physical Society of Japan, 71 (7), pp 1694-1697 13 ... suất chuyển đổi lượng nhà khoa học không ngừng nghiên cứu chế tạo loại vật liệu, loại pin mặt trời có hiệu suất cao Một số pin mặt trời chế tạo từ vật liệu perovskite hữu vô halogen CH3NH3PbX3... KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Minh Tú NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU PEROVSKITE HỮU CƠ VÔ CƠ HALOGEN ỨNG DỤNG CHO PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành: HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ Mã số:... giúp đỡ tài từ đề tài Nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite vô – hữu ứng dụng cho lớp hấp thụ pin mặt trời tiếp giáp dị thể”, mã số 103.02-2014.81, Trung tâm Nano Năng lượng - Trường Đại học