Nghiên cứu chế tạo vật liệu dẫn điện tử (ETL) và dẫn lỗ trống (HTL) định hướng ứng dụng cho pin mặt trời perovskite

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN TỬ (ETL) VÀ DẪN LỖ TRỐNG (HTL) ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO PIN MẶT TRỜI PEROVSKITE LÊ QUỐC TUẤN Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã đề tài: 17BKH-NANO08 Người hướng dẫn: TS Dương Thanh Tùng _ Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ – ĐHBK Hà Nội Hà Nội - Năm 2019 Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Tác giả luận văn : Lê Quốc Tuấn Đề tài luận văn : Nghiên cứu chế tạo vật liệu dẫn điện tử (ETL) dẫn lỗ trống (HTL) định hướng ứng dụng cho pin mặt trời perovskite Chuyên ngành : Vật lý kỹ thuật Mã số SV : CB170111 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 24 tháng 10 năm 2019 với nội dung sau: - Phần mở đầu chưa khớp với chương tiếp theo, chỉnh lại cho hợp logic: + Đã sửa lại phần mở đầu: Lý chọn đề tài “ …Trong khuôn khổ đề tài này, tập trung vào việc nghiên cứu chế tạo màng mỏng oxit dẫn điện tử - TiO2, lớp hấp thụ CH3NH3PbI3 và lớp bon dẫn lỗ trống định hướng ứng dụng cho pin mặt trời perovskite…” - Nội dung kết luận văn cần trình bày cho bám sát tên luận văn: + Đã bổ sung mục “3.4 Nghiên cứu chế tạo lớp dẫn lỗ trống bon bằng phương pháp gạt phủ” Các kết của luận văn bao gồm: chế tạo vật liệu dẫn điện tử (c-TiO2), vật liệu dẫn lỗ trống (Các bon), và ứng dụng chúng cấu trúc pin mặt trời FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/C Nội dung và kết phù hợp với tên của luận văn - Chương tổng quan lớp nghiên cứu sơ sài, bổ sung thêm phần nghiên cứu nước: + Bổ sung nghiên cứu pin mặt trời nước (trang 9-10) + Bổ sung tổng quan lớp nghiên cứu (mục 1.2.2, Trang 16-17) + Đã bổ sung số lượng tài liệu tham khảo từ 33 lên 63 (Trang 42-47) - Thống bước chế tạo quy trình chế tạo chương 2: + Điều chỉnh lại mục “quy trình chế tạo” thành “Các bước chế tạo” (mục 2.2, trang 19-21) - Hình ảnh cịn mờ, thống Việt hóa hình ảnh luận văn và chỉnh, xếp lại hình ảnh cho phù hợp: Luận văn Thạc sĩ Khoa học Lê Quốc Tuấn Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội + Đã chỉnh lại độ phân giải và Việt hóa hình: 1.1; 1.4; 1.5; 1.7; 1.8; 1.9; 2.1; 2.3; 3.3; 3.5; 3.6; 3.7; 3.11 - Bổ sung trích dẫn hình ảnh, đánh số lại cho thống cách đánh số hình ảnh luận văn + Đã bổ sung trích dẫn ảnh 1.1; 1.3; 1.5; 1.7; 2.2; 2.3; 2.4; 2.5; 2.6 - Các công thức luận văn cần chỉnh lại văn + Các công thức sử dụng luận văn đã chỉnh sửa lại lỗi đánh máy (Trang 13, 14) - Viết lại kết luận theo hướng cô đọng, xúc tích, tránh dài dịng lặp lại ý câu văn: + Đã sửa lại kết luận cho cô đọng rõ ràng (trang 40) - Chỉnh sửa lại câu chữ, định dạng văn bản, lỗi tả luận văn: + Đã rà soát và chỉnh sửa lại - Thêm thẻ chuẩn X-ray: + Thẻ chuẩn JCPDS Card no 07-0235 (Trang 35) Ngày tháng 11 năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Dương Thanh Tùng Lê Quốc Tuấn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Nguyễn Duy Hùng Luận văn Thạc sĩ Khoa học Lê Quốc Tuấn Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng kết khoa học trình bày luận văn thành nghiên cứu của thân suốt thời gian làm nghiên cứu chưa từng xuất hiện công bố của tác giả khác Các kết đạt xác trung thực Hà Nội, ngày tháng 11 năm 2019 Người cam đoan Lê Quốc Tuấn Luận văn Thạc sĩ Khoa học Lê Quốc Tuấn Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ trân trọng lời cảm ơn chân thành, sâu sắc đến thầy hướng dẫn TS Dương Thanh Tùng – ĐHBK Hà Nội, thời gian học tập làm luận văn tốt nghiệp thầy đã tận tình bảo, hướng dẫn tạo mọi điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Xin cảm ơn quý Thầy Cô của Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã quan tâm, tạo mọi điều kiện tốt cho học viên thời gian học tập nghiên cứu Xin cảm ơn quan tâm, chia sẻ của tập thể học viên Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành thí nghiệm kết đo mẫu luận văn Tôi xin gởi lời cảm ơn đến quý thầy đã giảng dạy tơi q trình học tập làm luận văn Chính nhờ tận tình của q thầy mà tơi đã có kiến thức q báu để vận dụng vào q trình cơng tác của Xin chân thành cảm ơn quan tâm, giúp đỡ động viên của lãnh đạo nacentech , anh chị em lớp cao học khóa 2017B thành viên gia đình của đã động viên về mặt tinh thần, giúp đỡ về mặt chuyên môn, chia sẻ sống học tập để tơi hồn thành khóa học Tác giả luận văn Lê Quốc Tuấn Luận văn Thạc sĩ Khoa học Lê Quốc Tuấn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ MỤC LỤC MỤC LỤC I DANH MỤC HÌNH VẼ III DANH MỤC BẢNG BIỂU V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT VI MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài .1 Lịch sử nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Tóm tắt đọng luận điểm đóng góp tác giả .4 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI .5 1.1 Giới thiệu tổng quan pin mặt trời .5 1.1.1 Pin mặt trời gì? 1.1.2 Phân loại pin mặt trời 1.1.3 Giới thiệu về pin măt trời Perovskite 1.1.4 Các thông số của pin mặt trời 11 1.2 Cơ sở lựa chọn lớp dẫn điện tử vả lỗ trống cấu trúc linh kiện pin mặt trời perovskite .14 1.2.1 Sự phù hợp về cấu trúc dải điện tử 14 1.2.2 Một số nghiên cứu về cấu trúc lớp pin mặt trời perovskite 16 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 18 2.1 Hóa chất thiết bị sử dụng 18 2.1.1 Hóa chất 18 2.1.2 Thiết bị sử dụng 19 2.2 Các bước chế tạo 20 2.2.1 Các bước chế tạo màng c-TiO2 20 2.2.2 Các bước chế tạo lớp hấp thụ kim halogen bằng phương pháp phun phủ bán tự động 20 2.2.3 Các bước chế tạo tế bào pin mặt trời Peorvskite cấu trúc FTO/TiO2/Perovskite/ Các bon 20 2.3 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu .21 2.3.1 Phương pháp đo phổ truyền qua UV-VIS .21 2.3.2 Phương pháp nghiên cứu hình thái bề mặt (SEM) 21 2.3.3 Phổ nhiễu xạ điện tử (XRD) .22 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Lê Quốc Tuấn I Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ 2.3.4 Phương pháp đo phổ quang huỳnh quang (PL) 23 2.3.5 Phương pháp khảo sát đặc tính quang điện bằng hệ đo keithley 4200 scs24 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .28 3.1 Nghiên cứu chế tạo lớp khóa điện tử c-TiO2 phương pháp phun phủ .28 3.1.1 Nghiên cứu cấu trúc hình thái, thành phần cấu trúc tinh thể của màng chế tạo .28 3.1.2 Nghiên cứu tính chất điện của màng chế tạo 30 3.2 Nghiên cứu chế tạo lớp hấp thụ kim halogen perovskite 32 3.3 Nghiên cứu đặc trưng I-V pin mặt trời kim halogen perovskite cấu trúc FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/C chế tạo 35 3.4 Nghiên cứu chế tạo lớp dẫn lỗ trống bon phương pháp gạt phủ37 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Lê Quốc Tuấn II Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Quang phổ ánh sáng mặt trời [29] Hình 1.2 Bảng hiệu suất pin mặt trời [30] Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể vật liệu CH3NH3PbI3 với cơng thức hóa học chung ABX3 Cation hữu CH3NH3 A (kích thước nhỏ) cation Chì Iốt chiếm B (màu xám) X (màu tím), tương ứng [31] Hình 1.4 Thông lượng photon mặt trời bề mặt trái đất so với bước sóng mật độ dịng ngắn mạch đạt từ tế bào pin mặt trời lý tưởng [44] 11 Hình 1.5 Xác định điểm Pmax đường đặc trưng I-V pin mặt trời 12 Hình 1.6 Cấu trúc dải điện tử pin mặt trời perovskite cấu trúc FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD/Au [45] 14 Hình 1.7 (a) Phổ đo quang UV-VIS mẫu màng perovskite, (b) phổ đo UPS mẫu màng perovskite [46] 14 Hình 1.8 (a) Cấu trúc FTO/TiO2/Perovskite/C, (b) dải điện tử pin mặt trời perovskite [47] 15 Hình 1.9 Cấu trúc pin mặt trời perovskite cấu trúc màng mỏng [49] 16 Hình 2.1 Thiết bị phun phủ (súng phun) 19 Hình 2.2 Máy đo quang phổ UV-VIS Viện Vật lý kỹ thuật – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [60] 21 Hình 2.3 Sơ đồ hệ đo hiển vi điện tử quét Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ – Trường ĐHBKHN [61] 22 Hình 2.4 Sơ đồ tán xạ tia X nguyên tử, Sơ đồ nhiễu xạ tia X tinh thể [50] 22 Hình 2.5 Sơ đồ chuyển dời quang học phân tử [62] 23 Hình 2.6 Cấu tạo phổ kế huỳnh quang đa thơng sớ đặt phịng thí nghiệm nano quang điện tử- Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ, Trường Đại học Bách khoa Hà nội 24 Hình 2.7 Đèn Xenon mô phỏng ánh sáng mặt trời tắt (trái) bật (phải) 25 Hình 2.8 Thiết bị kiểm tra nhanh giá trị hở mạch tế bào pin lượng mặt trời chế tạo 25 Hình 2.9 Tế bào pin perovskite kết nối với hệ đo keythley 4200 scs ánh sáng đèn Xenon mô phỏng ánh sáng mặt trời 26 Hình 2.10 Các thông số thiết lập đo pin mặt trời 26 Hình 2.11 Đường đặc trưng I-V thu sau thực phép đo 27 Hình 2.12 cơng thức tính tốn sử dụng hệ đo 27 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Lê Quốc Tuấn III Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hình 3.1 (a) Bề mặt đế FTO (b) Cấu trúc bề mặt mẫu TiO2 phủ lên đế FTO phương pháp quay phủ (c) Cấu trúc bề mặt mẫu TiO2 phủ lên đế FTO phương pháp phun phủ nhiệt phân 28 Hình 3.2 ảnh TEM mặt cắt phổ thành phần mẫu màng TiO2 đế FTO 29 Hình 3.3 Phổ nhiễu xạ tia X màng TiO2 đế FTO, Phổ nhiễu xạ tia X màng TiO2 đế thủy tinh thiêu kết nhiệt độ 500 ˚C 30 Hình 3.4 (a) tiếp xúc ohmic (b) schotkky (c) ohmic không tuyến tính [63] 30 Hình 3.5 Đường I-V mẫu FTO FTO/TiO2 với độ dày màng từ 20-100 nm 31 Hình 3.6 Đường I-V mẫu FTO FTO/TiO2 với độ dày màng từ 20-100 nm vẽ lại theo hàm log 31 Hình 3.7 Đường đặc tính I-V mẫu chế tạo với cấu trúc: FTO/TiO2(0100 nm)/Các bon 32 Hình 3.8 ảnh SEM mặt cắt mẫu CH3NH3PbI3 phủ bề mặt TiO2/FTO với điều kiện chế tạo khác 33 Hình 3.9 ảnh SEM bề mặt mẫu CH3NH3PbI3 phủ bề mặt TiO2/FTO với điều kiện chế tạo khác 34 Hình 3.10 Phổ Huỳnh quang theo bước sóng kích thích 34 Hình 3.11 Phổ nhiễu xạ tia X phổ hấp thụ/phát xạ mẫu màng MAPbI3 35 Hình 3.12 (a) Đường đặc trưng I-V số mẫu tế bào pin perovskite cấu trúc FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/Các bon theo điều kiện chế tạo lớp hấp thụ perovskite (b)-(e) Các giá trị VOC, Jsc, FF, PCE đo theo mẫu khác điều kiện chế tạo 36 Hình 3.13 Độ suy giảm hiệu suất theo thời gian mẫu pin mặt trời Perovskite chế tạo 36 Hình 3.14 Bột graphit sau rửa sàng lọc 37 Hình 3.15 (a) sơ đồ phương pháp gạt phủ, (b) keo bon graphite nghiền cùng chất kết dính, chất hoạt động bề mặt dung môi ethanol cối nghiền, (c) màng graphite phủ đế thủy tinh sau sấy 150 ˚C, (d) điện trở màng đo điện kế đa 38 Hình 3.16 Bột graphit sau rửa sàng lọc 38 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Lê Quốc Tuấn IV Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Danh mục hóa chất sử dụng 18 Bảng 3.2 Độ dẫn màng graphite chế tạo phương pháp gạt phủ phụ thuộc vào kích thước lưới lọc bột graphite 39 Luận vĠm bằng vật liệu bon đạt hiệu suất chuyển đổi quang điện 10% (hiệu suất tốt hiện loại pin 25.3%) Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo:  Nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ chế tạo pin mặt trời perovskite bằng phương pháp phun phủ cải thiện hiệu suất độ bền của pin Luận văn Thạc sĩ Khoa học Lê Quốc Tuấn 40 ... : Nghiên cứu chế tạo vật liệu dẫn điện tử (ETL) dẫn lỗ trống (HTL) định hướng ứng dụng cho pin mặt trời perovskite Chuyên ngành : Vật lý kỹ thuật Mã số SV : CB170111 Tác giả, Người hướng dẫn. .. bon dẫn lỗ trống định hướng ứng dụng cho pin mặt trời perovskite? ??” - Nội dung kết luận văn cần trình bày cho bám sát tên luận văn: + Đã bổ sung mục “3.4 Nghiên cứu chế tạo lớp dẫn lỗ trống. .. Giới thiệu về pin măt trời Perovskite 1.1.4 Các thông số của pin mặt trời 11 1.2 Cơ sở lựa chọn lớp dẫn điện tử vả lỗ trống cấu trúc linh kiện pin mặt trời perovskite