Tổng hợp nano bán dẫn cdse và nghiên cứu các thông số ảnh hưởng lên hiệu suất của pin mặt trời chấm lượng tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI PHỊNG THÍ NGHIỆM CƠNG NGHỆ NANO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG QN TỔNG HỢP NANO BÁN DẪN CdSe VÀ NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG LÊN HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI CHẤM LƢỢNG TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HCM - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI PHỊNG THÍ NGHIỆM CÔNG NGHỆ NANO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HOÀNG QUÂN TỔNG HỢP NANO BÁN DẪN CdSe VÀ NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG LÊN HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI CHẤM LƢỢNG TỬ Chuyên ngành: VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS.TS LÂM QUANG VINH TP HCM - 2015 [1] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH PHẦN – TỔNG QUAN 11 CHƢƠNG – PIN MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHẤM LƢỢNG TỬ BÁN DẪN .11 1.1 Pin mặt trời .11 1.1.1 Các hệ pin mặt trời 11 1.1.2 Nguyên lí hoạt động chung 13 1.1.3 Các thông số đặc trƣng pin mặt trời 14 1.1.3.1 Dòng ngắn mạch (ISC: Short Circuit) 14 1.1.3.2 Thế mạch hở (VOC: Open – Circuit Voltage) 15 1.1.3.3 Điểm có cơng suất cực đại (Pmax) .15 1.1.3.4 Thừa số lấp đầy (FF: fill factor) .16 1.1.3.5 Hiệu suất chuyển đổi lƣợng (η) .17 1.2 Vật liệu nano [12] 17 1.2.1 Hiệu ứng bề mặt 18 1.2.2 Hiệu ứng giam giữ lƣợng tử 18 1.2.2.1 Hệ ba chiều (vật liệu khối) 18 1.2.2.2 Hệ hai chiều (màng nano tinh thể) 19 1.2.2.3 Hệ chiều (dây lƣợng tử) 20 1.2.2.4 Hệ không chiều (chấm lƣợng tử) .21 1.3 Chấm lƣợng tử 22 1.3.1 Chấm lƣợng tử [10] 22 1.3.2 Tính chất quang chấm lƣợng tử 22 1.4 Pin mặt trời chấm lƣợng tử nhạy quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS .24 1.4.1 Chấm lƣợng tử CdS chấm lƣợng tử CdSe 24 HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [2] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh 1.4.1.1 Giới thiệu CdS QDs 25 1.4.1.2 Giới thiệu CdSe QDs 25 1.4.1.3 Cách tính kích thƣớc nồng độ CdSe 25 1.4.1.4 Chất điện ly .26 1.4.2 Nguyên lí hoạt động pin 26 1.4.2.1 Các trình tái hợp xảy 27 1.4.2.2 Vai trò CdS QDs CdSe QDs pin 28 1.4.3 Phƣơng pháp chế tạo lắng đọng chấm lƣợng tử bán dẫn 29 1.4.3.1 Phƣơng pháp SILAR [18] .29 1.4.3.2 Phƣơng pháp Colloide [2] 30 CHƢƠNG – CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT PHÂN TÍCH 32 2.1 Phân tích phổ hấp thụ UV-Vis [4] 32 2.2 Phƣơng pháp phổ huỳnh quang [3, 4] 33 2.3 Phƣơng pháp phân tích cấu trúc tinh thể nhiễu xạ tia X [3,4] .34 2.4 Phổ nhiễu xạ lƣợng tia X (EDS EDX) [3,4] 35 2.5 Phƣơng pháp nghiên cứu vi hình thái [3,4] 36 2.6 Phƣơng pháp phổ Raman [4] 37 2.7 Hệ đo tính pin mặt trời [3] 38 PHẦN – THỰC NGHIỆM 40 CHƢƠNG – QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 40 3.1 Tổng hợp CdSe QDs .40 3.1.1 Hóa chất dụng cụ 40 3.1.2 Quy trình tổng hợp 40 3.2 Chế tạo điện cực anode TiO2/CdSe TiO2/CdS/CdSe/ZnS 41 3.2.1 Tạo màng TiO2 đế FTO 41 3.2.2 Tạo điện cực anode TiO2/CdSe .42 3.2.3 Tạo điện cực anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS .42 3.3 Chế tạo điện cực cathode Pt ráp pin 43 3.3.1 Tạo điện cực cathode Pt 43 3.3.2 Kĩ thuật ráp pin 43 CHƢƠNG – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [3] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh 4.1 Khảo sát chấm lƣợng tử CdSe chế tạo đƣợc 44 4.1.1 Phổ nhiễu xạ tia X 44 4.1.2 Phổ hấp thụ phát quang .45 4.1.3 Ảnh hƣởng tỉ lệ Cd:Se đến tính chất chấm lƣợng tử CdSe .46 4.1.4 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng 49 4.1.5 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng 50 4.2 Khảo sát anode TiO2/CdSe .51 4.2.1 Thời gian ngâm màng TiO2 dung dịch chấm lƣợng tử CdSe 51 4.2.2 Ảnh hƣởng q trình nung chân khơng lên mẫu .52 4.2.3 Cấu trúc màng TiO2/CdSe QDs .55 4.2.4 Hiệu suất pin TiO2/CdSe QDs 57 4.3 Khảo sát ảnh hƣởng số lớp CdS lên bề mặt anode TiO2 .58 4.4 Khảo sát ảnh hƣởng lớp ZnS đến anode quang 66 4.4.1 Ảnh hƣởng số lớp ZnS 66 4.4.2 Ảnh hƣởng nồng độ dung dịch ion Zn2+ S2- 68 4.4.3 Nghiên cứu cấu trúc, thành phần tính chất anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS 70 4.4.3.1 Phƣơng pháp UV-Vis .70 4.4.3.2 Phƣơng pháp phổ phát quang 71 4.4.3.3 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X .72 4.4.3.4 Phƣơng pháp phổ Raman 73 4.4.4 Cấu trúc màng anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS 76 4.5 Hiệu suất pin QDSSC với anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS 77 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [4] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn đƣợc cảm ơn thông tin trích dẫn luận văn đƣợc rõ nguồn gốc Tác giả Nguyễn Hoàng Quân HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [5] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến tất quý thầy cô giảng dạy chƣơng trình cao học liên kết vật liệu linh kiện nano khóa phòng thí nghiệm công nghệ nano, trƣờng Đại học Công nghệ Hà nội – ĐHQG Hà nội Phòng thí nghiệm Cơng nghệ Nano – ĐHQG Tp.HCM, ngƣời truyền đạt cho tơi kiến thức hữu ích vật liệu linh kiện điện tử vi mô làm sở cho thực tốt luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn TS Lâm Quang Vinh tận tình hƣớng dẫn cho thời gian thực luận văn Mặc dù trình thực luận văn có giai đoạn khơng đƣợc thuận lợi nhƣng Thầy hƣớng dẫn, bảo cho nhiều kinh nghiệm thời gian thực đề tài Tôi xin gửi lời cám ơn đến anh chị cán bộ, học viên nghiên cứu phòng thí nghiệm Hóa lý ứng dụng – ĐHQG Tp.HCM, giúp đỡ nhiều giai đoạn đầu thực thí nghiệm nhƣ phân tích liệu, tạo điều kiện cho tơi có khả hồn thành đề tài Sau cùng, xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, ngƣời thân ngƣời bạn, bên cạnh quan tâm động viên, nhắc nhở nhƣ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học nhƣ thực luận văn Tp.HCM, tháng năm 2015 Học viên Nguyễn Hoàng Quân HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [6] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Cd (Cadmium) – Kim loại chuyển tiếp chu kì – nhóm IIB CIGS (CuIn1-xGaxSe2) – Hợp chất bán dẫn đồng, indium, gallium selen DPE (Diphenul Ether) – Dung môi hữu DSSC (Dye – Sensitized Solar Cell) – Pin mặt trời chất màu nhạy quang EDS (Energy – dispersive X-ray spectroscopy) – Kĩ thuật phân tích thành phần ngun tố hóa học tính chất mẫu Eg (Energy gap Band gap) – Năng lƣợng vùng cấm FF (Fill Factor) (%) – Hệ số lấp đầy FTO (Fluorine – doped tin oxide) – Thiết pha tạp TiO2 OA (Oleic Acid) – Chất tạo phức hoạt động bề mặt PMT – Pin mặt trời QDs (Quantum Dots) – Chấm lƣợng tử QDSSC (Quantum Dots – Sensitized Solar cell) – Pin mặt trời chấm lƣợng tử nhạy quang SC (Solar Cell) – Pin mặt trời SEM (Scanning Electron Microscope) – Kính hiển vi điện tử quét SILAR (Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction) – Phƣơng pháp phản ứng hấp thụ lớp ion liên tục VOC (Open Circuit Voltage) (V) – Thế mạch hở η (Power conversion efficiency) – Hiệu suất chuyển hóa lƣợng pin mặt trời HVTH: Nguyễn Hồng Quân [7] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Thông số pin mặt trời TiO2/CdSe 58 Bảng 4.2 Thông số pin mặt trời TiO2/CdS/CdSe theo số lớp CdS 65 Bảng 4.3 Thông số pin mặt trời chấm lƣợng tử nhạy quang với anode quang TiO2/CdS/CdSe TiO2/CdS/CdSe/ZnS 77 HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [8] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Một số cơng trình ứng dụng pin mặt trời .12 (a) Một modul pin mặt trời (b) Cánh đồng pin mặt trời (c) Pin mặt trời cung cấp điện gia [16] 12 Hình 1.2 Đặc trƣng I – V pin mặt trời điển hình điều kiện chiếu sáng (đƣờng liền nét) tối (đƣờng đứt nét) [30] 16 Hình 1.3 so sánh kích thƣớc vật liệu nano so với 17 nguyên tử phân tử, tế bào [9] 17 Hình 1.4 (a) Năng lƣợng điện tử tự phụ thuộc vào véctơ sóng theo hàm parabol; (b) Mật độ trạng thái tính theo lƣợng điện tử tự 19 Hình 1.5 (a) Năng lƣợng điện tử tự phụ thuộc vào véc tơ sóng kx, ky, kz theo hàm parabol; lƣợng điện tử nhận giá trị gián đoạn ứng với nz = 1, 2, … theo phƣơng z (b) Mật độ trạng thái D2d (E) hệ hai chiều .20 Hình 1.6 (a) Phân bố mức lƣợng theo phƣơng song song trục kx liên tục dọc theo ky, kz gián đoạn.(b)Mật độ trạng thái D1d(E), trục kx tỷ lệ với E-1/2 đƣờng hypebol hình tƣơng ứng với trạng thái (ky, kz ) riêng biệt 21 Hình 1.7 (a) Vật rắn bị co lại ba chiều (b) Vì hiệu ứng giam giữ, tất trạng thái gián đoạn đƣợc biểu diễn điểm không gian k ba chiều (c) Chỉ có mức lƣợng gián đoạn đƣơc phép (d) Mật độ trạng thái D0d(E) dọc theo chiều 21 Hình 1.8 Sự thay đổi màu sắc chấm lƣợng tử CdSe theo kích thƣớc hạt (dung dịch đƣợc xếp theo thứ tự tăng dần kích thƣớc hạt)[*] 22 Hình 1.9 Các trình hấp thụ phát quang tinh thể .23 Hình 1.10 Các chuyển dời chất bán dẫn 24 Hình 11 Mơ tả ngun lí hoạt động QDSSCs [25] .27 Hình 1.12 Quá trình truyền điện tử tái hợp hạt tải QDSSCs [25] 28 Hình 1.13 Phân bố lƣợng cấu trúc tầng TiO2/CdS/CdSe 29 (a) Mối quan hệ lƣợng vùng cấm TiO2, CdS CdSe dạng vật liệu khối 29 (b) Cấu trúc lƣợng vùng cấm sau tái phân bố electron bề mặt vật liệu CdS CdSe (mức Fermi liên kết dạng vật liệu khối) [29] 29 Hình 1.14 Các bƣớc chu trình SILAR [18] 30 Hình 1.15 Mơ hình tổng hợp CdS lắng đọng CdSe màng TiO2 [2] 31 Hình 2.1 Máy đo quang phổ hiệu Jasco V-670 32 Hình 2.2 Cơ chế quang phát quang 34 Hình 2.3 Sơ đồ nhiễu xạ tia X mạng tinh thể 35 Hình 2.4 Sơ đồ hệ kính hiển vi điện tử quét .36 Hình 2.5 Các trình tán xạ xảy .38 Hình 2.6 (a) Hệ mơ ánh sáng mặt trời Oriel Sol1A Mĩ, (b) máy đo đƣờng I – V Keithley 2400 39 Hình 3.1 Sơ đồ tổng hợp chấm lƣợng tử CdSe .41 HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [70] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh 4.4.3 Nghiên cứu cấu trúc, thành phần tính chất anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS 4.4.3.1 Phƣơng pháp UV-Vis SILAR ZnS cho ta thay đổi phổ hấp thụ: 1.4 1.2 1.0 TiO2CdSCdSe Zns1lop abs 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 400 500 600 700 800 buoc song Hình 4.28 Phổ hấp thụ thay đổi có ZnS Từ phổ UV-Vis, hình 4.28, nhận thấy độ hấp thụ anode quang SILAR lớp ZnS tăng cao so với màng TiO2/CdS/CdSe ban đầu, điều đƣợc giải thích nhƣ sau: o ZnS có độ rộng vùng cấm khoảng 3.6 eV tƣơng ứng cho bƣớc sóng hấp thu 345nm kết hợp với bƣớc sóng hấp thu TiO2 380nm (độ rộng vùng cấm TiO2 3.2 eV) giúp làm tăng độ hấp thụ anode quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS so với anode quang TiO2/CdS/CdSe o Mặt khác theo định luật Beer – Lamber, độ hấp thu quang A: HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [71] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh A= ε C L  Lớp ZnS kết hợp với TiO2, CdS, CdSe, hệ số hấp thụ quang vật liệu bị thay đổi so với anode ban đầu gồm TiO2, CdS, CdSe  Nồng độ lớp vật liệu tăng lên (nồng độ dung dịch SILAR Zn2+ 0.1M, Se2- 0.1M)  Phủ thêm lớp ZnS độ dày anode đƣợc tăng lên  Chính lý mà độ hấp thu quang A tăng lên Theo Zi-Xia Li Hao-Li Zhang [33], ZnS hoạt động nhƣ lớp thụ động để bảo vệ CdS QDs CdSe QDs khỏi tƣợng ăn mòn quang giúp cho ện tử quang đƣợc chuyển vào vùng dẫn TiO2 hiệu qủa Ngoài ra, lớp ZnS phủ bên ngồi lớp CdS/CdSe tạo nên rào mặt tiếp xúc lớp vật liệu nhạy quang chất điện ly (ZnS độ rộng vùng cấm rộng 3,6 eV, lớn nhiều so với CdS, CdSe) nên việc điện tử quang sinh bị rò rỉ chuyển qua chất điện ly thay vào TiO2 bị ức chế Do đó, mật độ IPCE dòng quang điện anode quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS cao nhiều Đây đặc điểm quan trọng chế tạo pin mặt trời chấm lƣợng tử nhằm nâng cao hiệu suất pin 4.4.3.2 Phƣơng pháp phổ phát quang TiO2/CdS/CdSe TiO2/CdS/CdSe/ZnS 4000 intensity 3000 2000 1000 400 500 600 700 800 900 buoc song Hình 4.29 Phổ phát quang màng TiO2/CdS/CdSe màng TiO2/CdS/CdSe/ZnS HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [72] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh Việc cƣờng đô ̣ phát quang giảm nhƣ (hình 4.29) chƣ́ng tỏ b ọc lớp ZnS giúp cho electron quang sinh CdSe không tái hơ ̣p dễ dàng Ngăn chă ̣n dòng tái hơ ̣p và việc điện tử bị bẫy tra ̣ng thái bề mă ̣t của chấ m lƣơ ̣ng tƣ̉ Do lớp ZnS thụ động hóa trạng thái bề mặt chấm lƣợng tử CdSe, giúp bảo vệ QDs CdSe không cho chúng phát triển xử lý nhiệt [6] ZnS còn có tác du ̣ng ngăn cản dòng điê ̣n tƣ̉ vào dung dich ̣ điê ̣n ly Đây đặc điểm quan trọng chế tạo pin mặt trời chấm lƣợng tử nhằm nâng cao hiệu suất pin để chứng minh điều vào khảo sát thông số đặc trƣng pin 4.4.3.3 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X TiO2 1400 TiO2/CdS TiO2/CdS/CdSe Intensity (Counts) 1200 TiO2/CdS/CdSe/ZnS 1000 800 600 400 200 20 30 40 50 60 Theta Hình 4.30 Phổ nhiễu xạ XRD mẫu Phổ nhiễu xạ XRD, hình 4.30, cho thấy ngồi đỉnh nhiễu xạ đặc trƣng TiO2 vị trí góc nhiễu xạ theta: 25o, 38o, 48o, 54o 55o [14], phổ nhiễu xạ HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [73] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh lớp màng QDs xuất đỉnh khác, đỉnh đặc trƣng mặt mạng (111), (220), (311) với góc nhiễu xạ 26o, 43o, 51o tƣơng ứng với cấu trúc lập phƣơng zinc blende chúng có cƣờng độ nhỏ thể cho cấu trúc nano Khi thay đổi thành phần màng vị trí góc nhiễu xạ giữ ngun, có chênh lệch nhẹ cƣờng độ đỉnh phổ, kết đƣợc so sánh với nghiên cứu H Moualkia [14], S Saravana Kumar [24], C.S Pathak [11] Thanh Tung Ha [26] nên kết luận lớp vật liệu CdS, CdSe, ZnS mà chúng tơi tổng hợp có cấu trúc lập phƣơng kích thƣớc nano 4.4.3.4 Phƣơng pháp phổ Raman 25000 intensity (arb.unints) 20000 TiO2/CdS/CdSe 15000 10000 5000 0 500 1000 1500 -1 raman shift (cm ) (a) HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [74] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh TiO2/CdS/CdSe/ZnS intensity(cnt) 10000 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 -1 raman shift(cm ) (b) Hình 4.31 (a) Phổ Raman màng TiO2/CdS/CdSe (b) TiO2/CdS/CdSe/ZnS TiO2/CdS/CdSe/ZnS Intensity (cnt) 6000 5000 4000 3000 ZnS ZnS 2000 200 400 600 800 4000 TiO2/CdS/CdSe Intensity (cnt) CdSe CdS CdSe CdS 3000 A.TiO2 A.TiO2 A.TiO2 A.TiO2 2000 200 400 600 800 Raman shift (cm-1) Hình 4.32 Phổ Raman phóng to TiO2/CdS/CdSe TiO2/CdS/CdSe/ZnS HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [75] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh Phổ Raman cho ta thấ y cấ u trúc anatase của màng TiO chiếm ƣu có chế ̣ dao ̣ng vùng s ố sóng từ 100 cm-1 tới 800 cm-1 là: 143, 400, 520, 640 cm−1 phù hợp với tính chất keo paste TiO2 18-NRT hãng Dyesol mà sử dụng Với dao động 300 cm-1 596 cm-1 phổ Raman TiO2/CdS/CdSe CdS với kích thƣớc nano Dựa vào phổ Raman ta thấy mode dao động phonon quang dọc LO (208 cm ) 2LO (420 cm-1) đặc trƣng cho dao động tinh thể CdSe Vật liệu CdSe khối có đỉnh LO số sóng 210 cm-1, có dịch chuyển số sóng thấp (208 cm-1) giam hãm không gian phonon chấm lƣợng tử [26] Ngồi có dao động 601 cm-1 nhƣng bị dao động TiO2 pha anatase chồng lấp -1 Theo kết nghiên cứu C.S Pathak S Saravana Kumar [11, 24], đỉnh Raman ZnS số sóng 259 cm-1 350 cm-1, so sánh với kết thực nghiệm nhóm chúng tơi thấy khơng trùng khớp, nhiên theo nghiên cứu M Abdulkbadar [17], loại vật liệu kích thƣớc khác chế độ chụp Raman phải khác nhau, cụ thể chụp (môi trƣờng bao quanh hạt nano) bƣớc sóng laser kích thích Máy đo Raman Olympus Bx41 Horiba Jobin Yvon sử dụng bƣớc sóng laser kích thích 632,81 nm cho chúng tơi vị trí dao động 217 cm-1 470 cm-1 phù hợp với kết M Abdulkbadar [17], nên kết luận ZnS hình thành HVTH: Nguyễn Hồng Qn [76] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh 4.4.4 Cấu trúc màng anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS Hình 4.33 Ảnh SEM anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS độ phóng đại 200K Ảnh SEM anode quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS đƣợc thể hình -11 Ở độ phóng đại 200k cho thấy lớp màng sau ngâm màng TiO2/CdS dung dịch CdSe sử dụng phƣơng pháp SILAR ZnS có cấu trúc xốp Các hạt tƣơng đối đồng đều, có kích thƣớc khoảng 25 – 40nm xếp chặt khít (a) (b) HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [77] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh (c) Hình 4.34 Ảnh SEM TiO2 (a), TiO2/CdS (b) TiO2/CdS/CdSe/ZnS (c) So sánh với ảnh SEM TiO2, TiO2/CdS thấy màng sau SILAR ZnS giữ đƣợc độ xốp nhƣ ban đầu Các lớp CdS, ZnS hấp phụ theo kiểu lớp – lớp, lớp trƣớc làm để lớp sau hình thành 4.5 Hiệu suất pin QDSSC với anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS Bảng 4.3 Thông số pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang với anode quang TiO2/CdS/CdSe TiO2/CdS/CdSe/ZnS Tên điện cực TiO2/CdS(4)/CdSe 200oC TiO2/CdS(4)/CdSe/ZnS 200oC FF JSC(mA/cm2) VOC (V) η (%) 0.362 6.840 0.490 1.214 0.38 6.960 0.498 1.436 HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [78] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh CdS/CdSe CdS/CdSe/ZnS I (mA/cm ) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 U (V) Hình 4.35 Đặc trưng I-V của anode TiO2/CdS/CdSe và TiO2/CdS/CdSe/ZnS Đặc tính IV pin mặt trời chấm lƣợng tử sử dụng cathode Pt anode TiO2/CdS/CdSe, TiO2/CdS/CdSe/ZnS đƣợc thể hình 4.35 bảng 4.3 Cả hai pin sử dụng loại cathode mạch hở tƣơng đối cao (trên 0.4V) Tuy nhiên, pin sử dụng cathode có lớp SILAR ZnS có tất thơng số vƣợt trội Dòng ngắn mạch loại pin đạt gần 7.0 mA/cm2,cao so với pin khơng có ZnS (4.1mA/cm2) hiệu suất cao (đạt 1.436% so với 1.214%) Nhƣ vậy, lớp ZnS hấp phụ lên anode quang TiO2/CdS/CdSe chu kỳ SILAR tạo nên khác biệt lớn cho hai loại pin chấm lƣợng tử Lớp ZnS tăng lƣợng photon hấp thu anode, làm tăng hiệu suất chuyển đổi lƣợng pin mà góp phần làm tăng mạch hở nhƣ cƣờng độ dòng ngắn mạch pin HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [79] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Trong q trình thực đề tài, tơi hồn thành mục tiêu đề ra:  Về tổng hợp chấm lƣợng tử CdSe:  Tổng hợp chấm lƣợng tử CdSe phƣơng pháp Colloide điều khiển kích thƣớc hạt CdSe theo thời gian phát triển tinh thể nhƣ nhiệt độ phản ứng  Bằng phƣơng pháp phân tích nhƣ phổ hấp thụ UV-Vis, phổ nhiễu xạ tia X xác định đƣợc kích thƣớc trung bình hạt nano CdSe (khoảng 2.3nm, nhỏ bán kính Bohr CdSe 5.6nm), cho hiệu ứng giam giữ lƣợng tử mạnh Khi kích thƣớc hạt giảm, đỉnh hấp thụ exciton thứ bị dịch chuyển phía bƣớc sóng ngắn, chứng tỏ có xảy hiệu ứng suy giam lƣợng tử  Từ phổ nhiễu xạ tia X xác định đƣợc hạt nano CdSe tổng hợp có cấu trúc lập phƣơng  Về chế tạo màng anode quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS làm điện cực cho pin mặt trời  Đã chế tạo thành công màng TiO2 phƣơng pháp in lụa, màng TiO2/CdS phƣơng pháp SILAR, màng TiO2/CdS/CdSe phƣơng pháp ngâm dung dịch nano CdSe màng TiO2/CdS/CdSe/ZnS phƣơng pháp SILAR  Từ phổ hấp thụ UV-Vis, phổ nhiễu xạ tia X, phổ Raman, ảnh SEM chúng tơi khảo sát tính chất màng, khẳng định có gắn kết nhƣ chuyển điện tích từ chấm lƣợng tử CdSe qua màng CdS, TiO2  Đã tạo đƣợc lớp thụ động bề mặt ZnS, có tác dụng ngăn cản dòng điện tử sinh anode vào dung dịch chất điện ly  Về chế tạo pin mặt trời  Tiến hành ráp pin mặt trời chấm lƣợng tử với anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS thành cơng, đo tính pin HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [80] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh Hƣớng phát triển Đề tài đƣợc mở rộng thêm vấn đề sau:  Khảo sát thêm ảnh hƣởng số đơn lớp ZnS lên tính chất phát quang, hấp thụ hạt nano CdSe nhƣ ảnh hƣởng thời gian thiêu kết phù hợp với nhiệt độ nung  Hiệu suất pin mặt trời chấm lƣợng tử liên quan trực tiếp tới khả gắn kết CdSe QDs lên màng TiO2 Đề tài phát triển theo hƣớng khảo sát khả hấp thụ CdSe QDs lên màng TiO2 cách thay lớp đệm CdS QDs nhƣ lớp ZnS vật liệu khác nhƣ PbS, ZnSe…  Phát triển theo hƣớng chấm lƣợng tử cấu trúc lõi-võ nhằm nâng cao hiệu suất pin CdSe bọc ZnS  Khảo sát độ bền pin theo thời gian điều kiện mơi trƣờng HVTH: Nguyễn Hồng Qn [81] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Dƣơng Đình Hiệp, Đặng Mậu Chiến, Huỳnh Thành Đạt, Lâm Quang Vinh, Lê Tuấn Anh, Dƣơng Thanh Tài, Hà Thanh Tùng, Nguyễn Thanh Nguyên, Tính chất quang màng mỏng lượng tử CdSe/TiO2 cho ứng dụng photonic, báo cáo khoa học công nghệ số 8, tháng 3/2013 [2] Huỳnh Lê Thuỳ Trang (2011), Tổng hợp nghiện cứu tính chất quang điện pin mặt trời chấm lượng tử- chất màu nhạy quang (QDS-DSC), luận văn thạc sĩ, trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM [3] Lê Vũ Tuấn Hùng, Lê Thị Quỳnh Anh, Phan Trung Vĩnh, Hồng Lƣơng Cƣờng, Huỳnh Chí Cƣờng, Đào Anh Tuấn, Nguyễn Thanh Lâm, Nguyễn Hữu Kế, Thực tập chuyên đề môn vật lý ứng dụng, Đại học Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM, 110-111 [4] Makoto Takagi, Các phương pháp phân tích hóa học, Dịch giả: Trần Thị Ngọc Lan, trang 209-211 [5] Nguyễn Quang Liêm, “Chấm lượng tử bán dẫn CdSe, CdTe, InP CuInS2: chế tạo, tính chất quang ứng dụng”, Bộ sách chuyên khảo ứng dụng phát triển công nghệ cao, 2011 [6] Nguyễn Thành Phƣơng (2012), “Tổng hợp chấm lượng tử CdSe chế tạo pin mặt trời chấm lượng tử nhằm nâng cao hiệu suất pin”, Luận văn thạc sĩ, Đại học Khoa học tự nhiên – ĐHQG Tp.HCM [7] Nguyễn Thị Hoài Phƣơng, Các loại solar cells, đề tài thuyết trình, cao học quang học – k21, Đại học Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM [8] Phạm Thị Tuyết Lan (2012) , “Mơ tối ưu hóa pin mặt trời hữu cấu trúc nano đa lớp”, luận văn thạc sĩ, trƣờng Đại học Công Nghệ HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [82] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh [9] Trần Thị Kim Chi (2010), Hiệu ứng kích thước ảnh hưởng lên tính chất quang CdS, CdSe CuInS2 , Luận án tiến sỹ khoa học vật liệu, Viện khoa học công nghệ Việt Nam [10] Vũ Đức Chính (2011), Nghiên cứu chế tạo, tính chất quang chấm lượng tử CdSe với cấu trúc lõi/ vỏ định hướng ứng dụng, luận án tiến sĩ, viện khoa học vật liệu, Hà Nội Tiếng Anh [11] C.S Pathak, V Agarwala, M.K Mandal (2012), “Mechano-chemical synthesis and optical properties of ZnS nanoparticles”, Physica B 407, pp 3309-3312 [12] David R Baker (2011), “On the advancement of quantum dot solar cell performance through enhanced charge carrier dynamics”, Doctor of Pholosophy, University of Notre Dame [13] David R Baker and Prashant V Kamat, “Photosensitization of TiO2 Nanostructures with CdS Quantum Dots: Particulate versus Tubular Support Architectures”, Advanced Function Materials, 19, 805-811 [14] H Moualkia, S Hariech, M.S Aida (2009), “Structural and optical properties of CdS thinfilms grown by chemical bath deposition” [15] Jianjun Tian, Rui Gao, Qifeng Zhang, Shengen Zhang, Yanwei Li, Jolin Lan, Xuanhui Qu, and Guozhong Cao (2012), “Enhanced Performance of CdS/CdSe Quantum Dot Cosensitized Solar Cells via Homogeneous Distribution of Quantum Dots in TiO2 Film”, The Journal of Physical Chemistry 116, 18655-18662 [16] Luque, Antonio, Hegedus, Steven (2003), Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, John Wiley & Sons, UK [17] M.Abdulkbadar and B Thomas (1995), “Study of Raman spectra of nanoparticles of CdS and ZnS”, Nanostructured Materials”, Vol 5, No 3, pp.289-298 [18] Md Anower Hossain (2012), Semiconductor – sensitized mesoscopic solar cell: from TiO2 to SnO2, Thesis submitted for the degree of doctor of philosophy department of materials science & engineering, national university of Singapore HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [83] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh [19] Melis Arin, Petra Lommens, Simon C Hopkins, Glem Pollefeyt, Johan Vander Eycken, Susagna Ricart, Xavier Granados, Bartek A Glowacki and Isabel Van Driessche, Deposition of photocatalytically active TiO2 films by inkjet printing of TiO2 nanoparticle suspensions obtained from microwave-assisted hydrothermal synthesis, Nanotechnology, Vol 23, 2012 [20] Ne´stor Guijarro, Teresa Lana-Villarreal, Qing Shen, Taro Toyoda, and Roberto Go´ mez (2010), “Sensitization of Titanium Dioxide Photoanodes with Cadmium Selenide Quantum Dots Prepared by SILAR: Photoelectrochemical and Carrier Dynamics Studies”, The Journal of Physical Chemistry 114, 21928-21937 [21] Peter Wiirfel (2005), “Physics of Solar cell”, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA [22] Qisui Wanga, Song Lia, Peng Liub, Xinmin Min, Bio-templated CdSe quantum dots green synthesis in the functional protein, lysozyme, and biological activity investigation, Materials Chemistry and Physis, Vol 137, 2012, 580-585 [23] Renbao Wang, Lei Wan, Haihong Niu, Qiong Ma, Shiding Miao, Jinzhang Xu (2013), “Quantum dots co-sensitized solar cells: a new assembly process of CdS/CdSe linked to mesoscopic TiO2-nano-SiO2 hybrid film”, Springer, US [24] S Saravana Kumar, M Abdul Khadar, S.K Dhara, T.R Ravindran, K.G.M Nair (2006), “Photoluminescence and Raman studies of ZnS nanoparticles implanted with Cu+ ions”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 435440 [25] Saim Emin, Surya P Singh, Liyuan Han, Norifusa Satoh, Ashraful Islam, (2011), “Colloidal quantum dot solar cells”, Solar Energy 85,1264–1282 [26] Thanh Tung Ha, Lam Quang Vinh, Nguyen Thai Hoang, Huynh Thanh Dat, “Performance of CdS/CdSe/ZnS quantum dot sensitized TiO2 mesopores for solar cells” [27] W William Yu, Lianhua Qu, Wenzhuo Guo, and Xiaogang Peng (2003), “Experimental determination of the extinction coefficient of CdTe, CdSe and CdS nanocrystals”, Chemistry of Materials, 15(14), pp 2854 - 2860 HVTH: Nguyễn Hoàng Quân [84] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS Lâm Quang Vinh [28] Xiao-Yun Yu, Jin-Yun Liao, Kang-Qiang Qiu, Dai-Bin Kuang, and Cheng-Yong Su, “Dynamic Study of Highly Efficient CdS-CdSe Quantum Dot-Sensitized Solar Cells Fabricated by Electrodeposition”, Acsnano, Vol.5, No.12, 9294-9500 [29] Yuh-Lang Lee and Yi-Siou Lo (2009), “Highly Efficient Quantum Dot Sensitized Solar Cell Based on Co-Sensitization of CdS/CdSe”, Advanced Function Materials, 19, 604-609 [30] Yunfei Zhou (2011), “Bulk-heterojunction Hybrid Solar Cells Based on Colloidal CdSe Quantum Dots and Conjugated Polymers”, DER ALBERT-LUDWIGSUNIVERSTÄT FREIBURG IM BREISGAU [31] Zhenxiao Pan, Hua Zhang, Kan Cheng, Yumei Hou, Jianli Hua and Xinhua Zhong (2012), “Highly efficient inverted type-1 CdS/CdSe core/shell structure QDSensitized solar cells”, Acsnano, Vol.6, No.5, 3982-3991 [32] Zhijie Wang, Shengchun , Xiangbo Zeng , Changsha Zhang , Mingji Shi , Furui Tan ,Zhanguo Wang , Junpeng Liu , Yanbing Hou c, Feng Teng , Zhihui Feng, (2008)“Synthesis of MDMO-PPV capped PbS quantum dots and their applicationto solar cells”, Polymer 49 4647–4651 [33] Zi-Xia Li, Yu-Long Xie, Hua Xu, Tian-Ming Wang, Zhu-Guo Xu, Hao-Li Zhang (2011), “Expanding the photoresponse range of TiO2 nanotube arrays by CdS/CdSe/ZnS quantum dots co-modification”, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 224, pp 25-30 Tài liệu internet htttp://www.undp.org/energy/ http://www.ics-vietnam.com http://www.nrel.gov http://www.solaronix.com HVTH: Nguyễn Hoàng Quân ... NANO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG QN TỔNG HỢP NANO BÁN DẪN CdSe VÀ NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG LÊN HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI CHẤM LƢỢNG TỬ Chuyên ngành: VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO. .. 58 Bảng 4.2 Thông số pin mặt trời TiO2/CdS /CdSe theo số lớp CdS 65 Bảng 4.3 Thông số pin mặt trời chấm lƣợng tử nhạy quang với anode quang TiO2/CdS /CdSe TiO2/CdS /CdSe/ ZnS 77 HVTH:... Vinh PHẦN – TỔNG QUAN CHƢƠNG – PIN MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHẤM LƢỢNG TỬ BÁN DẪN 1.1 Pin mặt trời 1.1.1 Các hệ pin mặt trời Năng lƣợng ảnh hƣởng đến tất khía cạnh đời sống xã hội, kinh tế môi trƣờng Trƣớc