Phổ hấp thụ và phát xạ của chấm lượng tử cdse

0 LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành hướng dẫn khoa học thầy giáo, phó giáo sư, tiến sĩ Nguyễn Hồng Quảng Xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến Thầy - người đặt vấn đề, tận tình bảo dìu dắt em q trình thực hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn tới thầy giáo, cô giáo Khoa Vật lý trường Đại học Vinh truyền thụ kiến thức bổ ích cho tơi q trình học tập, nghiên cứu q trình hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn tới tập thể cán Phòng Đào tạo Sau đại học Nhà trường tạo điều kiện để chúng tơi hồn thành thủ tục theo quy định, giúp đỡ kết thúc khóa học với kết tốt đẹp Xin cảm ơn tập thể lớp Quang học 18 Đại học Sài gịn động viên tơi suốt q trình học tập thực bảo vệ luận văn Tinh thần đoàn kết giúp đỡ thành viên tập thể Quang học 18 ĐH Sài gịn giúp chúng tơi vượt qua khó khăn, thử thách sống để hồn thành khóa học Cuối cùng, tơi dành tình cảm biết ơn chân thành cho gia đình tơi, đặc biệt chồng, ba mẹ tơi động viên tơi nhiều q trình học tập, giúp đỡ tơi vượt qua thử thách để có ngày hôm Chân thành cảm ơn tất cả! Tp.HCM, tháng năm 2012 Tác giả Nguyễn Thị Hồng Phụng MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Danh mục bảng biểu hình vẽ Mở đầu .1 Chƣơng Tổng quan quang phổ hấp thụ quang phổ phát xạ 1.1.Tổng quan quang phổ 1.2 Quang phổ hấp thụ 1.3 Quang phổ phát xạ 16 Chƣơng Ứng dụng phổ hấp thụ phát xạ nghiên cứu vật liệu nano CdSe/TiO2 2.1 Giới thiệu hợp chất CdSe/TiO2 28 2.2 Phổ hấp thụ phát xạ vật liệu nano CdSe/TiO 36 2.3 Ứng dụng vật liệu nano CdSe/TiO 41 Kết luận 50 Tài liệu tham khảo 51 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Độ rộng tự nhiên số vạch phổ hấp thụ Bảng 1.2: Độ rộng kép số vạch phổ hấp thụ .10 Bảng 1.3: Độ nhạy nguyên tố theo phép đo AAS 13 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Sơ đồ khối máy quang phổ Hình 1.2: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động máy quang phổ lăng kính Hình 1.3: Độ rộng vạch phổ phát xạ hấp thụ Hình 1.4: Cấu trúc vạch phổ hấp thụ 11 Hình 1.5: Nửa độ rộng vạch phổ hấp thụ phát xạ 12 Hình 1.6: Quan hệ cường độ vạch phổ nồng độ C 21 Hình 1.7: Sự phụ thuộc cường độ vạch phổ vào nhiệt độ trung tâm plasma .22 Hình 2.1: Sự thay đổi màu sắc hạt nano vàng kích thước khác 29 Hình 2.2: Sự thay đổi màu sắc phụ thuộc vào kích thước hạt 30 Hình 2.3 Sơ đồ chế tạo chấm lượng tử CdSe từ tiền chất CdO .33 Hình 2.4: (a) Máy in lụa; (b) Khung in lụa; (c) Máy in lụa chế độ làm việc 34 Hình 2.5: Phổ hấp thụ CdSe (A) CdSe/TiO (B) thời gian ngâm khác 36 Hình 2.6: Phổ hấp thụ màng phim OTE TiO2 liên kết với CdSe sử dụng chất liên kết MPA Hình a: Phổ hấp thụ TiO2 , hình b,c,d,e: Phổ hấp thụ CdSe/TiO2 TiO2 có kích thước khác 0,2m, 0,5m, 1m 2m .38 Hình 2.7: Phổ hấp thụ phát xạ CdSe - MPA CdSe-MPA- TiO2 kích thích 387nm 39 Hình 2.8: Phổ quang phát quang (PL) mẫu CdSe/TiO2 nung nhiệt độ khác chân không 40 Hình 2.9: Phổ phát xạ chấm lượng tử CdSe CdSe/TiO kích thước chấm lượng tử CdSe 2,6 nm 3,7 nm 41 Hình 2.10: Mơ hình liên kết CdSe TiO2 (a), chuyển dịch điện tử từ CdSe sang TiO2 (b) 46 Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động pin mặt trời QDSSC 47 Hình 2.12: Đường đặc trưng V-A OTE/TiO2 OTE/TiO2/MPA/CdSe 48 Hình 2.13: So sánh mật độ dòng quang điện hiệu suất quang điện ứng với mẫu khác 49 MỞ ĐẦU Chúng ta biết cấu trúc vật liệu đóng vai trị quan trọng định tính chất chúng Để biết cấu trúc vật liệu, phương pháp phân tích quang phổ phương pháp sử dụng phổ biến Đặc biệt, nay, với phát triển vật lý học, thiết bị quang phổ đại đời phân tích cấu trúc vật liệu, giúp ta xác định định tính thành phần định lượng vật liệu, từ góp phần định hướng ứng dụng vật liệu kỹ thuật đời sống Trong năm gần đây, vật liệu nano quan tâm nhiều nhiều nhà khoa học, nhiều nhóm nghiên cứu phịng thí nghiệm quốc tế vả nước Lý mà vật liệu nano nhận quan tâm đặc biệt chúng có nhiều tính chất lý – hóa độc đáo mà vật liệu vĩ mơ có thành phần với chúng khơng có Một nhóm vật liệu ý chấm lượng tử (quantum dots), đặc biệt chấm lượng tử CdSe có pha tạp TiO2 (CdSe/TiO2) tiềm ứng dụng to lớn chúng quang học pin mặt trời, chất xúc tác quang, kỹ thuật đánh dấu tế bào, v.v Đối với loại vật liệu này, việc xác định tính chất chúng thường dựa phương pháp phân tích quang phổ (hấp thụ, phát xạ) Việc tìm hiểu quang phổ nói chung, phổ hấp thụ phát xạ vật liệu nano CdSe/TiO2 nói riêng góp phần nâng cao hiểu biết ứng dụng phép phân tích quang học nghiên cứu vật liệu nano nhu cầu cấp thiết Đó lý chúng tơi chọn đề tài “Phổ hấp thụ phát xạ chấm lƣợng tử CdSe/TiO2” cho luận văn thạc sĩ với mong muốn góp phần bổ sung kiến thức vai trò quang phổ học việc nghiên cứu cấu trúc tính chất vật liệu nano nói chung, vật liệu nano lai CdSe/TiO2 nói riêng Đề tài tập trung tìm hiểu quang phổ hấp thụ phát xạ vật liệu nano CdSe pha tạp TiO2, khảo sát mối liên hệ kích thước, cấu trúc vi mơ với đặc trưng quang phổ chúng (như hình dạng phổ, vị trí đỉnh phổ, chuyển dịch phổ, độ rộng bán phổ cường độ đỉnh phổ) để từ xác định tính chất vật liệu định hướng ứng dụng vật liệu khảo sát Về bố cục, phần mở đầu kết luận, nội dung Luận văn trình bày hai chương Chƣơng 1: Tổng quan quang phổ hấp thụ quang phổ phát xạ, trình bày cấu tạo nguyên tắc hoạt động máy quang phổ, đặc điểm phổ hấp thụ phát xạ ứng dụng quang phổ phân tích cấu trúc vật liệu; Chƣơng 2: Ứng dụng phổ hấp thụ phát xạ nghiên cứu vật liệu nano CdSe/TiO2, tìm hiểu kết nhóm nghiên cứu giới quang phổ hấp thụ phát xạ vật liệu nano CdSe/TiO2 khả ứng dụng nhóm vật liệu pin mặt trời hệ Phần kết luận tóm tắt kết đạt đề tài Phần Tài liệu tham khảo liệt kê cơng trình khoa học trích dẫn luận văn Mặc dù tác giả cố gắng tìm kiếm, phân tích, tổng hợp nguồn tài liệu khoa học nhất, luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả luận văn mong nhận đựơc ý kiến đóng góp, phê bình hình thức nội dung trình bày thầy giáo, giáo, bạn đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ QUANG PHỔ HẤP THỤ VÀ QUANG PHỔ PHÁT XẠ 1.1 Tổng quan quang phổ 1.1.1 Tương tác ánh sáng vật chất Khi ánh sáng tới bề mặt vật không suốt, phần ánh sáng thâm nhập vào bên vật liệu bị hấp thụ Phần ánh sáng lại phản chiếu từ bề mặt phản xạ, khúc xạ truyền qua Cái mà ta quan sát ánh sáng phản chiếu Phần ánh sáng phản chiếu từ bề mặt phụ thuộc vào bước sóng, cường độ chất chúng Ngoài vật ta thấy ánh sáng phản xạ từ chúng, ta cịn nhìn thấy số vật ánh sáng phát từ chúng Ví dụ, cục than cháy phát phần quan trọng ánh sáng phổ khả kiến; ta nhìn thấy buồng tối Các vật khác phòng, nhiệt độ thấp nhiều, phát xạ với cường độ nhỏ không đáng kể phần phổ khả kiến Như tất vật phát xạ điện từ với cường độ phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt Chỉ nhiệt độ cao nhiệt độ phòng nhiều, bề mặt vật phát lượng xạ phổ khả kiến đủ để ta dễ dàng quan sát Người ta gọi dạng xạ phát tác dụng nhiệt xạ nhiệt, dạng xạ phổ biến Khi vật phát xạ, lượng giảm nhiệt độ bù lại phần lượng mà vật nhận hấp thụ nhiệt độ vật khơng đổi, xạ nhiệt vật không đổi gọi xạ nhiệt cân 1.1.2 Khái niệm quang phổ Quang phổ hình ảnh ta thu có chùm ánh sáng chiếu tới vật Nó cơng cụ mạnh mẽ để biết tính mẫu cách xác định vị trí, cường độ đặc tính phổ bước sóng số lượng vạch phổ hấp thụ phát xạ mẫu Tóm lại, quang phổ tranh mà nhờ ta biết cấu trúc tính chất vật 1.1.3 Phép phân tích quang phổ Phương pháp phân tích quang phổ: phương pháp phân tích quang học dựa việc nghiên cứu tương tác xạ ánh sáng chất khảo sát hấp thụ xạ tác động hóa lý Phân tích quang phổ tên gọi chung cho hệ phương pháp phân tích quang học dựa sở ứng dụng tính chất quang học nguyên tử, ion, phân tử nhóm phân tử 1.1.4 Các đặc trưng quang phổ Tính chất vạch phổ cho ta biết phổ liên tục hay phổ vạch Vị trí vạch phổ cho ta biết cấu trúc vật chất Cường độ vạch phổ cho ta biết thành phần phần trăm chất có mẫu đo 1.1.5 Máy quang phổ Máy quang phổ thiết bị dùng để thu, phân li ghi lại phổ vùng phổ quang học định Vùng phổ dải phổ vật mẫu nghiên cứu từ sóng ngắn đến sóng dài Tùy theo phận dùng để phân tích ánh sáng máy dựa theo tượng vật lí (khúc xạ hay nhiễu xạ) mà người ta thường chia chúng thành hai loại + Máy quang phổ lăng kính: Đó máy quang phổ mà hệ tán sắc chúng chế tạo từ hay lăng kính Sự phân li ánh sáng dựa theo tượng khúc xạ ánh sáng qua hai môi trường có chiết suất khác (khơng khí thủy tinh hay khơng khí thạch anh) + Máy quang phổ cách tử: Là máy quang phổ mà hệ tán sắc cách tử phẳng hay lõm phản xạ Bản chất tán sắc ánh sáng nhiễu xạ tia sáng qua khe hẹp 1.1.6 Nguyên tắc cấu tạo Tuy có loại máy quang phổ khác nhau, nguyên tắc cấu tạo nhau, gồm phần Đó hệ trực chuẩn, hệ phân li hệ hội tụ chùm sáng  Hệ trực chuẩn phần đầu máy quang phổ: gồm hay hệ thống thấu kính ghép với hay hệ gương hội tụ khe hẹp (khe vào chùm sáng điều chỉnh được) đặt tiêu cự hệ thấu kính Hệ trực chuẩn có nhiệm vụ nhận tạo chùm sáng song song để hướng vào hệ tán sắc để phân li thành phổ  Hệ tán sắc: hệ thống lăng kính hay cách tử Hệ có nhiệm vụ phân li (tán sắc) chùm sáng đa sắc thành hệ thống tia đơn sắc, tức phân li nguồn sáng phức tạp nhiều bước sóng khác thành dải phổ chúng theo sóng riêng biệt lệch góc khác Nếu hệ tán sắc chế tạo lăng kính có máy quang phổ lăng kính Và ngược lại, hệ tán sắc cách tử ta có máy quang phổ cách tử Trong máy lăng kính, tia sóng ngắn bị lệch nhiều, sóng dài lệch ít, cịn máy cách tử ngược lại  Hệ buồng ảnh: hệ thống thấu kính hay hệ gương hội tụ mặt phẳng tiêu chùm sáng Hệ có nhiệm vụ hội tụ tia sáng có bước sóng sau qua hệ phân li lại với tạo ảnh khe máy mặt phẳng tiêu Đó vạch phổ Thêm vào số phận phụ khác để máy quang phổ hoạt động xác, dễ dàng có hiệu cao Ví dụ như: - Hệ thống gương hay thấu kính chiếu sáng khe máy 38 Bước sóng (nm) Hình 2.6 Phổ hấp thụ màng phim OTE TiO liên kết với CdSe sử dung chất liên kết MPA Hình a: Phổ hấp thụ TiO2, hình b,c,d,e: Phổ hấp thụ CdSe/TiO2 TiO2 có kích thước khác 0,2 m, 0,5m, m 2m[10] Ở hình 2.6a, phổ hấp thụ TiO2 có đỉnh phổ thấp Các hình cịn lại có thêm CdSe cường độ phổ hấp thụ tăng lên rõ rệt tăng kích thước TiO2 lớn Mặt khác bước sóng dịch chuyển phía đỏ, có mặt CdSe màng TiO 2, màng TiO2 dày CdSe hấp thụ nhiều nên cường độ phổ cao Về màu sắc, ta thấy ban đầu chưa ngâm dung dịch CdSe, màng TiO2 có màu trắng, sau ngâm kích thước TiO2 thay đổi ta thấy màu sắc CdSe/ TiO2 đậm dần Màu đậm tương ứng với bờ hấp thụ dịch phía bước sóng dài Phổ hấp thụ Phổ phát xạ 39 Bước sóng (nm) Hình 2.7 Phổ hấp thụ phát xạ CdSe - MPA CdSe-MPA- TiO2 kích thích 387nm.[10] Qua hình 2.7, ta thấy phổ hấp thụ CdSe - MPA CdSe-MPATiO2 không thay đổi cường độ bước sóng Nhưng phổ phát xạ có thay đổi rõ rệt Khi chưa có TiO2 đỉnh phổ khoảng 0,3 có bước sóng 552nm, có TiO đỉnh phổ 0,09 tức cường độ phổ giảm bước sóng dịch chuyển phía bước sóng ngắn 40 Hình 2.8 Phổ quang phát quang (PL) mẫu CdSe/TiO2 nung nhiệt độ khác chân khơng Như hình 2.8 thấy nung 1000C 2000C phát quang xảy mạnh thấy rõ hai đỉnh phát quang CdSe/TiO2 Điều chứng tỏ chưa có chuyển điện tử từ CdSe qua TiO2 nên bị kích thích lên vùng dẫn điện tử dao động lượng chuyển trạng thái đồng thời phát xạ Nhưng nhiệt độ tăng lên 2500C 3000C tượng phát quang yếu khơng cịn Điều giải thích sau: Khi khơng có mặt TiO2 electron CdSe sau hấp thụ ánh sáng nhảy lên vùng dẫn tạo thành cặp electron lỗ trống: CdSe + h  CdSe (h+ + e-) Sau cặp e/h tái hợp xạ: CdSe (h+ + e-)  CdSe + h ’ Nhưng với có mặt TiO2, q trình phát quang bị dập tắt tái hợp xạ electron vùng dẫn lỗ trống vùng hóa trị 41 CdSe giảm mạnh Lúc điện tử sau bị kích thích lên vùng dẫn CdSe, không tái hợp trở lại mà chuyển dời sang vùng dẫn TiO2: CdSe (h+ + e-) + TiO2  CdSe (h+) + TiO2 (e-) Cuối tái hợp với lỗ trống TiO2 bị bẫy khuyết tật điện tử thông qua dịch chuyển không phát xạ Vì ta quan sát thấy cường độ phát quang giảm mạnh Ngoài ra, bề mặt tinh thể bị oxi hóa gây dập tắt phát quang, nhiên theo kết nhà nghiên cứu đo XRD Raman khơng có oxi hóa bề mặt CdSe thành CdO Như vậy, dập tắt quang hoàn toàn chuyển dời điện tích từ CdSe sang TiO2 Mặt khác, nung nhiệt độ cao đỉnh phát quang CdSe/TiO có xu hướng dịch chuyển phía sóng dài Đó nhiệt độ nung tăng, vật liệu bị tinh thể hóa dẫn đến bờ hấp thụ dịch phía sóng dài Bước sóng (nm) 42 Hình 2.9 Phổ phát xạ CdSe gương CdSe/TiO kích thước chấm lượng tử CdSe 2,6nm 3,7nm.[6] Qua hình 2.9, ta thấy chưa có TiO2 đỉnh phát quang CdSe lớn kích thước hạt lớn bước sóng dịch chuyển phía bước sóng dài (đồ thị a c) Khi có mặt TiO2 tượng phát quang gần dập tắt , CdSe hấp thụ qua màng TiO2 Và ta thấy kích thước hạt nhỏ đỉnh phổ dịch chuyển phía bước sóng ngắn, tinh thể CdSe nhỏ dễ hấp thu màng TiO 2.3 Ứng dụng vật liệu nano CdSe/TiO2 Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu lượng ngày tăng Các nhà nghiên cứu tìm nguồn lượng để thay nguồn lượng dự trữ lượng gió, lượng hạt nhân,… Nhưng chúng đạt hiệu suất chưa cao, giá thành lớn, ô nhiễm mơi trường,…Trong hành trình tìm kiếm nguồn lượng đầy khó khăn này, lượng mặt trời nguồn lượng mang lại nhiều tiềm thách thức chinh phục người Việt Nam nước nằm gần vùng xích đạo trái đất nên có cường độ chiếu sáng cao, việc sử dụng nguồn lượng có nhiều thuận lợi Tuy nhiên, công nghệ sản xuất pin mặt trời cịn gặp nhiều khó khăn giá thành cao, kỹ thuật lắp đặt khó, hiệu suất chưa cao,… Trong phần ứng dụng này, tơi trình bày pin mặt trời chế tạo từ vật liệu nano CdSe/TiO2, loại vật liệu làm tăng hiệu suất pin mặt trời lên nhiều lần so với loại vật liệu trước 2.3.1 Pin mặt trời Pin mặt trời thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn diode n-p có ánh sáng mặt trời chiếu tới có khả tạo dịng điện nhờ hiệu ứng quang điện 43 2.3.2 Các hệ pin mặt trời Dựa vào lịch sử phát triển cấu tạo loại PMT, người ta phân thành bốn loại hệ PMT 2.3.2.1 Thế hệ thứ PMT dạng khối, đơn tinh thể silic (PMT kiểu truyền thống) với hiệu suất lý thuyết tối đa 31% Hiện phần lớn PMT xuất thị trường hệ PMT thứ dùng silic đơn tinh thể với hiệu suất 18% Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu giáo sư Martin Green (University of New South Wales, Úc) đạt kỷ lục 24.7% (trong phịng thí nghiệm) Ưu điểm pin phạm vi phổ hấp thụ rộng, độ linh động hạt tải cao Tuy nhiên, đòi hỏi kỹ thuật lắp đặt cao,độ nguyên chất silic phải gần tuyệt đối, giá thành đắt 2.3.2.2 Thế hệ thứ hai PMT chế tạo theo công nghệ màng mỏng, loại vật liệu tạo thành phong phú silic đa tinh thể, vơ định hình, CdTe, loại hợp kim CIGS (gồm đồng, indium, gallium selen) loại bán dẫn màng mỏng khác Ưu điểm hệ PMT thứ hai chi phí chế tạo tốn kém, lắp đặt đơn giản Hiệu suất đạt khoảng 12-15% Dạng silic vơ định hình giá rẻ, tạo thành phim mỏng vừa tốn nhiên liệu vừa có khả hấp thụ lượng mặt trời 40 lần cao silic đơn tinh thể Tuy nhiên, chất vơ định hình (điện tử di động khó khăn nhiều so với điện tử tinh thể) nên hiệu suất chuyển hoán thành điện phân nửa hiệu suất silic đơn tinh thể Các chất bán dẫn indium galium dislenide đồng cadimium telluride có giá rẻ nhiều so với silic đơn phân tử, nhiên có khuyết tật cấu trúc nên hiệu suất không cao 44 2.3.2.3 Thế hệ thứ ba Thế hệ PMT khác so với hệ trước, không dựa vào lớp chuyển tiếp p-n truyền thống Thế hệ PMT bao gồm: PMT dạng nano tinh thể, PMT quang - điện - hóa, PMT thuốc nhuộm nhạy quang, PMT hữu  PMT dạng nano tinh thể Các tế bào lượng mặt trời dựa silic với lớp phủ nano tinh thể (các hạt nhỏ tinh thể nano hay chấm lượng tử) hạt bán dẫn PbSe, CdTe  PMT quang điện hóa (PEC) gồm anode quang bán dẫn cathode kim loại nhúng dung dịch điện phân (K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6; I/I3; Fe(CN)64-/Fe(CN)63-; muối sulphide/sulphur).Q trình phân ly điện tích thực chất bán dẫn chất điện phân Thế hệ PMT có ưu điểm lớn giá thành rẻ hẳn hai hệ trước, việc lắp đặt vận chuyển dễ dàng, kích thước hình dạng hệ phong phú, tùy chỉnh theo nhu cầu sử dụng Tuy nhiên, hiệu suất thường không cao q trình chế tạo gây nhiễm mơi trường  PMT polymer Nguyên tắc di chuyển điện tử từ polymer/ phân tử cho điện tử (electron donor) đến polymer/phân tử nhận electron (electron acceptor), di chuyển điện tử tạo thành dòng điện Hiệu suất khoảng 5-6% Một pin mặt trời hữu PMT polymerfullerene (C60): polymer polymer liên hợp (-C=C-C=C-) polyacetylene (PA), polypyrrole (PPy), polyaniline (PAn)…, nối với chất thêm vào (dopant) trở thành polymer dẫn điện Khi bị quang tử ánh sáng mặt trời kích thích, polymer liên hợp “phóng thích điện tử để lại nhiều lỗ trống mạch polymer, polymer gọi vật liệu loại p Ngược lại, fullerene vật liệu nhận điện tử hiệu Sau nhận điện tử fullerene mang điện tích âm nên gọi vật liệu loại n 45  PMT thuốc nhuộm nhạy quang (DSC) Đây phát minh hai nhà khoa học Thụy Sĩ Micheal Grätzel Brian O’Regan nên cịn có tên gọi pin Grätzel Loại pin có triển vọng ứng dụng rộng rãi đời sống chế tạo từ vật liệu rẻ tiền, hiệu suất khoảng 11%, mức chấp nhận Quá trình sinh thành hạt tải DSC dựa vào chuyển mức vùng-vùng, vùng HOMO (Orbital phân tử cao lấp đầy) vùng LUMO (Orbital phân tử thấp trống) lớp nhuộm, hai vùng phân cách vùng cấm tương tự mức chuyển vùng hóa trị vùng dẫn chất bán dẫn 2.3.2.4 Thế hệ thứ tư PMT lai hóa tinh thể nano/hữu kết hợp tinh thể nano hợp chất polymer Thế hệ PMT cải thiện hiệu suất so với hệ PMT thứ ba thân thiện với môi trường Nguyên tắc hoạt động: polymer (P3HT) hấp thụ photon ánh sáng chiếu tới kích thích electron từ vùng chuyển lên vùng kích thích Do mức lượng vùng kích thích polymer cao đáy vùng dẫn TiO2 nên electron chuyển từ phân tử polymer sang lớp TiO khuếch tán lớp điện cực, polymer (PEDOT:PS) dẫn lỗ trống điện cực đối Dòng điện sinh qua tải trở lại kết hợp với lỗ trống, kết thúc tiến trình tuần hồn 2.3.2.5 Pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang (Quantum Dot Sensitized Solar Cell- QDSSC) Đây loại PMT thuộc hệ pin mặt trời thứ ba, sử dụng chấm lượng tử làm chất nhạy quang PMT chấm lượng tử sử dụng vật liệu TiO2 liên kết với chấm lượng tử CdSe Trong CdSe chất bán dẫn có vùng cấm (E g = 1,7eV), hấp thu toàn ánh sáng vùng khả kiến TiO 46 chất bán dẫn có vùng cấm rộng (E g = 3,2eV) nên photon có lượng lớn (thuộc vùng tử ngoại chẳng hạn) làm bứt electron Vì để tăng hiệu suất PMT người ta thường kết hợp với vật liệu có vùng cấm hẹp hơn, dễ dàng bứt electron với ánh sáng vùng khả kiến, điển hình CdS CdSe Hình 2.10 mơ tả chuyển điện tử từ CdSe sang TiO2 Hình 2.10 Mơ hình liên kết CdSe TiO (a), chuyển dịch điện tử từ CdSe sang TiO2.[10] a Nguyên lý hoạt động PMT chấm lượng tử CdSe Nguyên lý hoạt động pin tương tự DSC( PMT thuốc nhuộm nhạy quang), thay chất nhạy quang chấm lượng tử Ánh sáng chiếu vào qua lớp điện cực cathode, xảy trình sau (hình 2.11): 47 Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động QDSSC Tại anode: Ánh sáng hấp thụ chấm lượng tử CdSe kích thích electron từ trạng thái nguyên tử lên trạng thái kích thích S0 + hυ → S* Các electron kích thích chuyển sang vùng dẫn TiO2 dẫn đến nguyên tử CdSe trạng thái ion hóa S+ S* → S+ + e-(TiO2) Sau đó, lỗ trống chấm lượng tử CdSe tham gia trình oxi hóa - khử với ion chất điện ly để trở trạng thái bản: 2S+ + 3I - → 2S + I-3 Tại cathode: ion I-3 nhận electron cực góp Pt thành ion II-3 + 2e(Pt) → 3IDòng electron sau qua tải thu cực góp chuyển vào lớp điện ly (cặp oxy hóa-khử I-/I-3) thực trình oxy hóa khử để bù đắp lượng electron mà lớp chuyển vào chấm lượng tử, kết thúc q trình tuần hồn b Đường đặc trưng (V-A) pin mặt trời dùng CdSe/TiO ng điện (A) Hiệu điện (V) 48 Hình 2.12 Đường đặc trưng V-A OTE/TiO2 OTE/TiO2/MPA/CdSe[10] Ta thấy có kết hợp CdSe TiO cường độ dịng quang điện lớn ( gấp đơi cường độ dịng quang điện có TiO2 ) điều làm tăng hiệu suất PMT Những hình sau cho thấy khác rõ rệt dịng quang điện với vật liệu khác Hình 2.13 So sánh mật độ dòng quang điện hiệu suất quang điện ứng với mẫu khác nhau.[8] Kết luận chƣơng 49 Chương tìm hiểu vật liệu nano nói chung chấm lượng tử CdSe/TiO2 nói riêng Sự kết hợp hai vật liệu làm tăng tính chất quang điện điều thể qua việc phân tích phổ hấp thụ phát xạ chúng Sau nghiên cứu PMT sử dụng vật liệu lai làm tăng cường độ dịng quang điện lên nhiều Và điều góp phần làm tăng hiệu suất PMT KẾT LUẬN Với mục đích tìm hiểu tính chất quang học vật liệu CdSe/TiO2, khả ứng dụng vật liệu pin mặt trời, luận văn đạt kết sau: Nghiên cứu phổ hấp thụ phát xạ nguyên tử như: cấu trúc phổ, vị trí vạch phổ Nghiên cứu phổ hấp thụ phát xạ chấm lượng tử CdSe/TiO để thấy tính chất quang điện CdSe kết hợp với TiO2 Tìm hiểu ứng dụng vật liệu pin mặt trời Vật liệu bán dẫn có kích thước nanomet ứng dụng thu số kết Bên cạnh khả ứng dụng vật liệu nanơ nói chung, tinh thể bán dẫn CdSe TiO2 nói riêng, việc thực 50 hóa khả cịn gặp số thách thức khơng nhỏ Thứ để tinh thể CdSe, TiO2 thể tính chất ưu việt so với vật liệu truyền thống, hạt CdSe TiO2 phải tạo với kích thước đồng Ở thang nanơmét, ta biết điều khơng dễ dàng Việc thực hóa khả tiềm tàng vật liệu có kích thước nano nói chung cần có thêm nhiều nghiên cứu Đó định hướng tác giả có điều kiện tiếp cận 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Phước Anh, 2011, “ Nghiên cứu tính chất quang – điện pin mặt trời chất màu nhạy sáng sử dụng điện cực lai TiO2 – chấm lượng tử , Khóa luận tốt nghiệp, Hà nội [2] Trần Thị Kim Chi, 2010, “Hiệu ứng kích thước ảnh hưởng lên tính chất quang CdS, CdSe, CuInS , Luận án tiến sĩ khoa học Vật liệu, Hà Nội [3] Phạm Luận, 2006, “ Phương pháp phân tích phổ nguyên tử , Nhà xuất đại học quốc gia Hà Nội [4] Lý Ngọc Thủy Tiên, 2011, “ Phương pháp phân tích quang phổ , Cao học 19 [5] Nestor Guijarro,Teressa Lana – Villarreal, Ivan Mora – Sero, Juan Bisquert, and Roberto Gomez, 2009, “CdSe Quantum Dot – Sensitized TiO2 Electrodes: Effect of Quantum Dot Coverage and Mode of Attachment , J.Phys.Chem.C 2009, 113,4208-4214 [6] Anusorn Kongkanand, Kevin Tvrdy, Kensuke Takechi, Masaru Kuno, and Prashant V Kamat, 2008, “ Quantum Dot Solar Cells Tuning Photoresponse through Size and Shape Control of CdSe/TiO2 Architecture , J.Am.Chem.Soc,4013 [7] A B Kashyout, Hesham M A Soliman, Marwa Fathy, E A Gomaa, and Ali A Zidan, 2012, “CdSe QuantumDots for Solar Cell Devices , Int J Photoenergy, vol 2012, p 952610 [8] Jingshan Luo, Lin Ma, Tingchao He, Chin Fan Ng, Shijie Wang, Handong Sun, and Hong Jin Fan, 2012, “TiO2/(CdS, CdSe, CdSeS) Nanorod Heterostructures and Photoelectrochemical Properties , J Phys Chem C, 116, 11956 52 [9] Douglas R.Pernik, Kevin Tvrdy, James G Radich and Prashant V Kamat, 2011,“Tracking the Adsorption and Electron Injection Rates of CdSe Quantum Dots on TiO2 : Linked versus Direct Attachment , Journal of Physical Chemistry C, 115(27),pp 13511-13519 [10] Isvan Robel, Vaidyanathan Subramanian, Massaru Kuno, and Prashant V Kamat, 2006, “ Quantum Dot Solar Cell Havesting Light Energy with CdSe Nanocrystals Molecularly Linked to Mesoscopic TiO films , JACS,AI [11] Ivan Mora-Sero and Juan Bisquert, 2010, “Breakthroughs in the Development of Semiconductor-Sensitized Solar Cells , J Phy Chem Lett, vol.1 ,3046 [12]http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20t ren%20lop/Quang_hoc_ung_dung/New_1/Cham_luong_tu_va_gieng_luong_t u.pdf ... phổ hấp thụ phát xạ nguyên tử Từ cụ thể nghiên cứu phổ hấp thụ phát xạ chấm lượng tử CdSe/ TiO để ứng dụng việc nâng cao hiệu suất pin mặt trời chương 28 CHƢƠNG ỨNG DỤNG PHỔ HẤP THỤ VÀ PHÁT XẠ... tử lượngcủa nguyên tố hấp thụ xạ R số khí T nhiệt độ mơi trường hấp thụ 1.2.2.2 Cấu trúc vạch phổ hấp thụ Các vạch phổ hấp thụ có cấu trúc định vạch phổ phát xạ tương ứng với Nhưng vạch phổ hấp. .. quang phổ hấp thụ quang phổ phát xạ 1.1.Tổng quan quang phổ 1.2 Quang phổ hấp thụ 1.3 Quang phổ phát xạ 16 Chƣơng Ứng dụng phổ hấp thụ phát xạ nghiên cứu vật liệu nano CdSe/ TiO2