Chế tạo và đánh giá hiệu suất vật liệu tổ hợp hệ hạt nano AuTiO2 ứng dụng trong pin mặt trời plasmonics

PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VẬT LIỆU

Sự phát triển của các hạt nano Au phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó một số yếu tố như tốc độ hình thành các mầm Au, mật độ các mầm Au trong dung dịch, năng lượng bề mặt của các hạt nano Au được tạo thành và sự có mặt của chất hoạt động bề mặt có thể được coi là những nhân tố chính ảnh hưởng đến kích thước của các hạt nano Au cuối cùng. Trong quy trình chế tạo các hạt nano Au, chúng tôi sử dụng chất khử là NaBH4 (đây là một chất khử rất mạnh nên tốc độ phản ứng diễn ra nhanh) để điều khiển tốc độ và mật độ hình thành của các mầm Au bằng cách điều chỉnh tốc độ đưa chất khử vào phản ứng. Cường độ SE phụ thuộc mạnh mẽ vào định hướng hình học của bề mặt được quét chùm tia điện tử, điều này làm cho nó nhạy với sự biến đổi của hình thái bề mặt nên được dùng để quan sát hình thái ba chiều của các bề mặt gồ ghề.

Trong chế độ nhiễu xạ, chùm điện tử phân tán đàn hồi được xử lý bằng cách sử dụng một loạt thấu kính để tạo thành hình ảnh trường sáng (BF) và trường tối (DF) để hiển thị các đặc điểm vi cấu trúc, bao gồm hạt và ranh giới hạt.

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CẤU TRÚC, QUANG ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU MÀNG TiO 2 và Au/TiO 2

Kết quả nghiên cứu chế tạo màng TiO 2

Có thể nhận thấy màng có cấu trúc khá xốp khi có thể quan sát thấy nhiều các khe và hốc nằm xen kẽ giữa các hạt hoặc đám hạt, điều này có thể làm tăng đáng kể diện tích bề mặt nên có nhiều thuận lợi trong các ứng dụng về quang xúc tác và quang điện hoá. Điều đó nghĩa là mẫu được ủ trong không khí (môi trường có nhiều ô xy hơn chân không) thì có nồng độ ô xy trong vật liệu TiO2 nhiều hơn hay nói cách khác là có nồng độ khuyết ô xy ít hơn do có sự bù ô xy vào các nút khuyết trong suốt quá trình ủ. Như vậy, từ kết quả EDX này có thể kết luận rằng việc ủ trong môi trường khác nhau có thể làm biến đổi nồng độ khuyết tật (khuyết ô xy) của mẫu ô xít titan. Cụ thể là, ủ trong môi trường không khí đã làm giảm nồng độ khuyết ô xy hay ngược lại, ủ trong môi trường chân không đã làm tăng nồng độ khuyết ô xy. - Kết quả đo FTIR. Hình chèn vào hình b) là khoảng cách vùng cấm năng lượng được tính.

Sự gia tăng của dòng quang điện là kết quả của sự gia tăng các điện tử được sinh ra do hấp thụ ánh sáng đồng thời khả năng thu điện tích (charge collection) của các điện cực được cải thiện nhờ sự suy giảm điện trở của vật liệu TiO2.

Khảo sát đặc điểm hình thái, cấu trúc và tính chất quang của màng Au/TiO 2

Như đã biết, sự tán xạ ánh sáng của các Au NP cũng như màng mỏng Au/TiO2 được bọc PVP là mối quan tâm nghiên cứu đặc biệt ngày nay cho nhiều ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực chuyển đổi năng lượng, nơi chúng được sử dụng để tăng hiệu suất của pin mặt trời, cách các hạt nano này tán xạ ánh sáng có tầm quan trọng thiết yếu đối với các nghiên cứu. Vì vậy khi Au/TiO2 có mặt PVP được ủ nhiệt độ thấp tại 160 oC (thấp hơn 175 oC), cấu trúc PVP vẫn chưa thay đổi nhiều nên các giá trị đỉnh của phổ hấp thụ cũng thay đổi rất ít xung quang giá trị khoảng 538 nm (Hình 3.25 b), nhưng khi ủ nhiệt ở nhiệt độ cao đối với các mẫu chứa PVP thì có sự dịch đỏ lớn hơn đáng kể. Khi nâng nhiệt độ lên cao hơn, vật liệu PVP bị phân hủy (tạo thành carbonic và hơi nước), dẫn đến sự dịch đỏ trong quang phổ hấp thụ: Mặt khác, khi PVP bị hấp phụ trên bề mặt của Au trong quá trình phản ứng hóa học, nó có thể giúp thay đổi tính chất điện tử của Au bằng cách tích lũy electron của liên kết C = O của phân tử PVP trên bề mặt Au trong hỗn hợp Au-PVP [154]–[156].

Trong nghiên cứu này, sự chuyển dịch màu đỏ của các đỉnh LSPR đối với các màng Au/TO2 so với các giá trị được báo cáo của Au (nguyên chất) có thể được cho là do sự gia tăng chiết suất của môi trường điện môi tại mặt phân cách giữa các hạt nano Au và TiO2.

Nghiên cứu đặc tính quang điện hoá của màng Au/TiO 2

Tuy nhiên, cách giải thích này không thể được sử dụng cho trường hợp dùng cấu hình Au/TiO2 làm photoanode, trong đó quá trình ủ chân không làm giảm dòng quang tối đa của photoanode Vac- AuTO (khoảng 1,9 lần) so với photoanode Air-AuTO, như đã thấy trong Hình 3.30 (b). Các phép đo được thực hiện trong dung dịch điện phân Kpi và kết quả trở kháng khi có và không có chiếu sáng bức xạ mặt trời lần lượt được trình bày trong Hình 3.31 (a) và (b) với sơ đồ mạch điện tương đương được hiển thị trong Hình 3.31 (c), trong đó thành phần R1/CPE1 đại diện cho trở kháng của lớp FTO và dung dịch điện phân, thành phần R2/CPE2 cân bằng phản ứng của vật liệu rời và thành phần R3/CPE3 đặc trưng cho sự có mặt của Au cũng như phản ứng bề mặt của TiO2. Với cấu hình như mẫu nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi cho rằng ở đây cơ chế truyền năng lượng do bởi sự tăng cường trường gần bởi các hạt nano Au và cơ chế phun hạt tải trực tiếp từ Au sang TiO2 cùng đóng góp vào sự tăng cường dòng quang điện này.

Tuy nhiên sự có mặt của các hạt nano Au khiến cho quá trình truyền dẫn điện tử xảy ra phức tạp hơn khi có sự cạnh tranh của hai quá trình ngược nhau đó là các hạt nano Au vừa làm tăng các hạt tải trong TiO2 nhờ quá trình truyền năng lượng cộng hưởng plasmon đồng thời các hạt nano Au lại hoạt động như các tâm bắt hạt tải điện của TiO2.

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM PIN MẶT TRỜI PLASMONICS VÀ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CẤU HÌNH TÍCH HỢP

Kết quả chế tạo thử nghiệm pin mặt trời plasmonics Au/TiO 2

Kết quả này có thể được giải thích là do nồng độ điện tử tự do trong vùng dẫn của ITO cao hơn FTO bởi các lí do sau: (i) số lượng nút khuyết ô xy của ITO cao hơn FTO và (ii) độ hòa tan của Sn trong In2O3 tốt hơn của F trong SnO2. Bước 7: Quá trình ghép Pin được tiến hành như sau: Điện cực làm việc và điện cực đối được đặt song song sao cho phần đế glass hướng ra ngoài và hai mặt làm việc đối diện với nhau được đặt cách nhau một khoảng nhỏ, sau đó dùng keo cố định lại. Kết quả đo một số thông số quang điện trên mẫu PMT chế tạo thử nghiệm Một số kết quả đo đặc trưng I-V tối sáng trên hệ thống mô phỏng năng lượng mặt trời ORIEN SOL 1A lớp ABB (thiết bị dùng một đèn xenon và tấm lọc đặc biệt để tạo ra một nguồn sáng có phổ gần giống phổ năng lượng mặt trời) của một số mẫu pin chế tạo thử nghiệm ban đầu với cấu trúc glass/FTO/(Au/TiO2-Dye)/.

Từ các kết quả thu được biểu thị trong Hình 4.4 và Bảng 4.1 có thể thấy rằng một số mẫu pin chúng tôi chế tạo thử nghiệm đã cho thấy sự tăng cường về dòng quang điện của những mẫu pin có các hạt Au - Dye (glass/FTO/(Au/TiO2-Dye)/. PEDOT:PSS/Pt/FTO/glass) so với những mẫu không có Au chỉ có Dye (glass/FTO/.

Nghiên cứu một số đặc tính cấu hình tích hợp /a-Si/Au NPs/(Au/TiO 2 ) cho PMT plasmonics cải tiến

Nhìn chung khi so sánh phổ hấp thụ giữa các mẫu chúng tôi có thế rút ra kết luận như sau: (i) tất cả các mẫu đều có đỉnh hấp thụ tại khoảng 300 nm, chúng tôi tin rằng đó là đỉnh hấp thụ của Au, tuy nhiên chưa có báo cáo liên quan công bố về đỉnh hấp thụ này của Au, vì vậy cần có thời gian để xác định tính chính xác của nó. Pin mặt trời (PMT) plasmonics là một trong những chủ đề được rất nhiều các nhà khoa học trên toàn thế giới quan tâm và nghiên cứu (hướng nghiên cứ này chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều ở Việt Nam), tuy nhiên các kết quả thu được về hiệu suất còn rất hạn chế do có nhiều khó khăn, thách thức. Đã nghiên cứu xử dụng các kĩ thuật phún xạ kết hợp ủ nhiệt xung quanh nhiệt độ thích hợp để chế tạo ra cấu hình plasmonic /a-Si/Au NPs/, đo khảo sát một số tính chất cấu trúc hình thái học, tính chất quang của chúng để tích hợp với cấu hình plasmonics Au/TiO2, tạo ra cấu hình tích hợp nhằm ứng dụng trong chế tạo PMT plasmonics cái tiến (modified plasmonics solar cell).

Một vài kết quả thu được trong luận án này vẫn còn đang nghiên cứu ở giai đoạn đầu (như ý tưởng tích hợp giữa hai cấu hình a-Si/Au NPs và Au/TiO2 tạo ra cấu trỳc lừi của PMT plasmonics cỏi tiến, chế tạo cỏc mẫu PMT plasmonics theo cấu hình đã định…), những vấn đề này sẽ được quan tâm nghiên cứu trong thười gian tới.