-CdSe
2
3.2.1.1Khảo sát thời gian ngâm màng TiO
–CdSe
2 trong dung dịch CdSe
Hình 3.9: Phổ hấp thụ UV-Vis của màng TiO2
Chúng tôi tiến hành ngâm màng TiO
-CdSe theo thời gian ngâm
2 trong dung dịch CdSe trong thời gian 18h, 20h, và 22h. Từ hình 3.9 cho thấy khi ngâm màng TiO2 trong dung dịch CdSe thì bờ hấp thụ của TiO2 hẹp lại, bị dịch về phía đỏ, đó là do CdSe đã hấp thụ lên và liên kết với mạng lưới TiO2. Đồng thời, chúng ta thấy thời gian ngâm trong dung dịch CdSe đóng một phần quan trọng trong việc chấm lượng tử CdSe hấp thụ lên màng TiO2. Chấm lượng tử hấp thụ lên màng TiO2 càng nhiều thì quá trình chuyển điện tích từ CdSe sang TiO2 càng thuận lợi, đây là vấn đề thiết yếu trong pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang . Theo khảo sát, khi ngâm màng TiO2 trong dung dịch nanao CdSe theo các thời gian khác nhau 18h, 20h, 22h ta thấy bờ hấp thụ gần
như không thay đổi, tuy nhiên với thời gian 20h thì ta đư ợc độ hấp thụ CdSe lên TiO2
3.2.1.2Khảo sát nhiệt độ nung mẫu
là cao nhất. Do đó, chúng tôi chọn thời gian ngâm là 20h.
Hình 3.10: Phổ hấp thụ UV-Vis của màng TiO2
Từ hình 3.10 ta thấy nung nhiệt độ càng cao thì bờ hấp thu càng mở rộng về phía bước sóng dài. Mẫu không xử lý nhiệt và mẫu nung ở nhiệt độ 200
-CdSe xử lý nhiệt ở các nhiệt độ
khác nhau trong môi trường chân không
0C bờ hấp thụ không dịch chuyển nhiều, còn mẫu nung 3000C phổ mở rộng nhiều phía đỏ, có thể hấp thu toàn bộ vùng ánh sáng khả kiến. Điều này có thể giải thích như sau: khi hấp thụ lên TiO2, các chấm lượng tử CdSe đã liên kết với mạng lưới của TiO2 làm cho bờ hấp thụ dịch chuyển về phía đỏ. Ngoài ra việc tăng nhiệt độ nung làm cho vật liệu bị tinh thể hóa, dẫn đến bờ hấp thụ mở rộng.
Về màu sắc, như hình 3 .11 ta thấy ban đầu khi chưa ngâm dung dịch nano CdSe, màng TiO2 có màu trắng, sau khi ngâm và sử lý nhiệt màu sắc của màng TiO2-CdSe đậm dần theo nhiệt độ xử lý. Mẫu không xử lý nhiệt có màu vàng, mẫu xử lý ở 2000C có màu vàng cam, mẫu xử lý ở 3000C có màu nâu đỏ đậm. Màu càng đậm tương ứng bờ hấp thu càng dịch vềphía bước sóng dài.
Hình 3.11: Màu sắc của màng TiO2-CdSe theo nhiệt độ nung: (a) màng TiO2 trước
khi ngâm CdSe (b) không xử lý nhiệt; (c) xử lý 2000C; (d) xử lý 3000
3.2.2 Phân tích ảnh kính hiển vi điện tử quét phát xạtrường (FE-SEM)
C
Bề mặt hình thái học của màng TiO2 và màng TiO2 –CdSe được thể hiện trên hình 3.12. Từ hình (a) ta thấy bề mặt TiO2 có cấu trúc xốp, kích thước hạt tương đối đồng đều, có những khe nứt. Màng TiO2 –CdSe (hình b) không có sự khác biệt rõ rang vềkích thước giữa hạt nano CdSe và TiO2, một là do các hạt CdSe đã len vào bên trong mạng lưới TiO2 bằng qua các lỗ rỗng của TiO2, hay có thể do sự phát triển kích thước hạt bị cấm nên không phân biệt được chúng. Hơn nữa chúng ta thấy rằng khi chưa có CdSe (hình 3 .12 a) bề mặt TiO2 mịn hơn, còn khi phủ CdSe (hình 3.12 b) bề mặt TiO2 như có các ốc đảo tập trung nhiều hạt nano[20, 40, 24, 35, 21,16,41].
(a)
(b)
Hình 3.12: (a) Ảnh FE-SEM của màng TiO2 trên đế thủy tinh; (b) Ảnh FE-SEM của
Do đó, để biết rõ hơn thông tin v ề sự hấp thụ chấm lượng tử CdSe lên TiO2
3.2.3 Phân tích phổ nhiễu xạ tia X và phổ Raman
, chúng tôi tiến hành đo phổ nhiễu xạ tia X và phổ Raman.
3.2.3.1Phổ nhiễu xạ tia X
Hình 3.13: Phổ nhiễu xạ tia X của màng TiO2-CdSe nung 3000C trong chân không (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Từ phổ nhiễu xạ tia X (hình 3.13), chúng ta thấy có các đỉnh nhiễu xạ 25.370 ,37.760, 48.050, 54.380 tương ứng pha anatase của tinh thể TiO2 ứng với các mặt mạng (101),(004), (200), (211) và các đỉnh nhiễu xạ của tinh thể CdSe pha cấu trúc dạng lập phương (zinc blende) với các mặt mạng (111), (220), (311) [4, 29, 19]. Chứng tỏ CdSe đã được gắn lên TiO2
Khi CdSe chưa được gắn kết với TiO .
2 thì ở 3000C tinh thể nano CdSe đã chuyển sang dạng wurtzite (khảo sát ở mục 3.1.2.1), tuy nhiên khi có sự liên kết giữa CdSe và TiO2 đã ngăn sự biến đổi pha cấu trúc của tinh thể nano CdSe từ zinc
blende thành pha cấu trúc wurtzite. Ở 3000C khi hấp thụ lên TiO2
3.2.3.2 Phân tích phổ Raman
, CdSe vẫn tồn tại ở dạng zinc blende.
Để khảo sát tốt hơn thông tin của CdSe cũng như TiO2 chúng tôi tiến hành đo phổ Raman của vật liệu.
Hình 3.14: Phổ Raman của màng TiO2-CdSe nung các nhiệt độ khác nhau
Từ hình 3.14 cho thấy ở cả ba trường hợp (màng xử lý nhiệt, xử lý 2000 C, và 3000C) đều xuất hiện các đỉnh 145cm-1, 395cm-1, 518cm-1, 639cm-1 đặc trưng cho mode dao động của tinh thể TiO2 cấu trúc pha anatase và các mode dao động 1LO (205 cm-1) và 2LO (410cm-1) của tinh thể CdSe. Ngoài ra, với mẫu xử lý 3000
C xuất hiện một đỉnh ở 280 cm-1, đỉnh này xuất hiện là do dao động của chuỗi –Se-Se- hoặc các phối tử của CdSxSe1-x [15,25,19].
Như vậy, từ kết quả phổ nhiễu xạ tia X vả phổ Raman ta có thể kết luận rằng chấm lượng tửCdSe đã phân tán vào mạng lưới tinh thể TiO2
3.2.4 Phân tích phổ quang phát quang
.
Hình 3.15: Phổ PL của các màng
Để phân tích quá trình dịch chuyển điện tử của màng TiO2-CdSe chúng tôi tiến hành đo phổ quang phát quang.
Từ phổ quang phát quang của các mẫu (hình 3.15) ta thấy cường độ phát quang khi có mặt của TiO2 rất thấp so với khi chỉ có tinh thể nano CdSe. Và với nhiệt độ xử lý mẫu càng cao thì cường độ phát quang càng giảm mạnh. Điều này có thể giải thích như sau (hình 3.16):
Hình 3.16: Quá trình chuyển điện tích từ CdSe sang TiO2
Khi không có mặt TiO2 các electron của CdSe sau khi hấp thụ ánh sáng sẽ nhảy lên vùng dẫn hình thành các cặp electron và lỗ trống: CdSe + hυ → CdSe(h+
+ e-). Sau đó các cặp e/h sẽ tái hợp và bức xạ: CdSe(h+ + e-) → CdSe + hυ’. Nhưng với sự có mặt của TiO2, quá trình phát quang bị dập tắt do sự tái hợp bức xạ của electron ở vùng dẫn và các lỗ trống ở vùng hóa trị của CdSe giảm mạnh. Lúc này điện tử sau khi bị kích thích lên vùng dẫn của CdSe, không tái hợp trở lại mà chuyển dời sang vùng dẫn của TiO2: CdSe (h+ + e-) + TiO2 → CdSe(h+
) + TiO2(e- ). Cuối cùng tái hợp với lỗ trống của TiO2 hoặc bị bẫy trong các khuyết tật điện tử thông qua dịch chuyển không phát xạ. Vì vậy ta quan sát thấy cường độ phát quang giảm mạnh[6,10,24, 42,31,17,22].
Ngoài ra, nếu bề mặt tinh thể bị oxi hóa thì cũng sẽ gây dập tắt phát quang, tuy nhiên theo các kết quả đo XRD cũng như Raman thì không có hiện tượng oxi hóa bề mặt của CdSe thành CdO. Như vậy, sự dập tắt quang hoàn toàn do sự chuyển dời điện tích từ CdSe sang TiO2.
Mặt khác, khi nung nhiệt độ cao đỉnh phát quang của màng TiO2
Kết luận: Qua quá trình khảo sát tính chất quang của màng TiO
-CdSe có xu hướng dịch dần về phía sóng dài. Đó là do khi nhiệt độ nung tăng, vật liệu bị tinh thể hóa dẫn đến bờ hấp thụ càng dịch về phía sóng dài (phổ hấp thụ UV-Vis ở hình 3.10) do đóđỉnh phát quang dịch vềphía đỏ.
2-CdSe chúng tôi kết luận rằng: màng TiO2-CdSe được tạo thành bằng phương pháp ngâm trực
tiếp màng TiO2 trong dung dịch nano CdSe 20h với các nhiệt độ xử lý mẫu khác nhau đã cho thấy sự hấp thụ của CdSe lên mạng lưới TiO2. Đặc biệt từ phổ quang phát quang cho thấy sự dịch chuyển thành công của các hạt tải điện từ vùng dẫn CdSe sang vùng dẫn của TiO2
3.3 Đo tính năng pin[3,28, 30,34,36].
, đây là tính chất quan trọng trong việc ứng dụng tạo pin mặt trời.
Pin sau khi hoàn thiện (tiết diện 0.28cm2) được đo tính năng bằng máy potentiostat Keihley 2400 dưới cường độ chiếu sáng 100mW/cm2
Pin (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
, cường độ sáng được điều chỉnh bằng pin chuẩn đã đư ợc chuẩn hóa bởi nhà sản xuất theo chuẩn AM 1,5. Kết quảđo được:
ISC (mA/cm-1) VOC (V) FF
TiO2-CdSe 0.05 0.58 0.32
TiO2-CdSe(2000C) 0.12 0.40 0.24
TiO2-CdSe(3000C) 0.04 0.23 0.43
Hình 3.17: Đường đặc trưng I-V của pin mặt trời chấm lượng tử CdSe nhạy quang
Từ bảng 3.4 ta thấy việc xử lý nhiệt độ anode TiO2-CdSe giá trị dòng ngắn mạch và thế mạch hở cao hơn ở 2000C, còn ở 3000C lại giảm đi nhiều. Từ đường đặc trưng I-V (hình 3.17) ta thấy tính năng chuyển đổi thành dòng của PMT chúng tôi chế tạo không cao.
Điều này có thể do quá trình chuyển điện tử gặp khó khăn, có nhiều nguyên nhân để giải thích vấn đề này:
Các phản ứng tạo dòng tối lấn át hơn. Có ba hiện tượng làm tăng phản ứng dòng tối: (1) do sự tái hợp cặp electron/lỗ trống của TiO2; (2) do các electron của TiO2 tham gia phản ứng oxi hóa-khử với ion chất điện ly I3-; (3) do bề mặt TiO2 có những chỗ trống không bị TiO2 che phủ dẫn đến các electron của FTO tham gia phản ứng oxi-hóa khử với ion chất điện ly I3-
Hoặc các tác nhân hữu cơ vẫn còn bao phủ trên bề mặt làm điện trở tăng cao cản trở dòng điện.Ngoài ra, có thể do lượng chấm lượng tử liên kết với TiO
.
2 ít hiệu suất chuyển đổi dòng không cao.
So với các tác giả khác, như các nhóm tác giả K Prabakar [26], M.F. Kotkata [32] cho thấy các pin mặt trời chấm lượng tử CdSe mà chúng tôi chế tạo có dòng ngắn mạch thấp hơn, và tính năng pin không cao. Do tính năng hoạt động của pin chịu ảnh hưởng rất nhiều về công nghệ, ởđây chúng tôi chế tạo dựa trên những chất liệu tự sản xuất như hệ keo TiO2, cathode …chưa đạt độ ổn định và công nghệ không cao. Trong khi các nhóm tác giả khác hoàn toàn sử dụng hệ keo TiO2 và điện cực cathode thương mại đã đ ạt chuẩn nhất định. Do đó PMT chấm lượng tử nhạy quang chúng tôi chế tạo có nhiều tiềm năng phát triển.
Kết luận: Như vậy, chúng tôi đã tạo thành công màng TiO2- CdSe và khảo sát tính chất quang của màng. Từ đó, cho thấy đã có sự gắn kết cũng như quá trình chuyển điện tích giữa CdSe và TiO2. Việc đo tính năng hoạt động của pin đã cho các thông số về dòng ngắn mạch và thế hở mạch của pin, tuy các thông số này còn rất khiêm tốn do nhiều nguyên nhân trong quá trình chuyển đổi thành dòng điện của pin nhưng vẫn có nhiều tiềm năng phát triển.
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trong quá trình thực hiện đềtài, chúng tôi đã hoàn thành các mục tiêu đề ra:
Thứ nhất, về việc chế tạo chấm lượng tử CdSe, chúng tôi thu được kết quả như sau:
♦ Chúng tôi đã chế tạo thành công chấm lượng tử CdSe bằng phương pháp colloide và điều khiển kích thước hạt theo nồng độ chất bao và tỷ lệ Cd/Se.
♦ Bằng các phương pháp phân tích như phổ hấp thụ UV-Vis, phổ nhiễu xạ tia X, phổ Raman và ảnh TEM đã xác đ ịnh được kích thước trung bình của hạt nano CdSe là 3-4nm, với kích thước này (nhỏ hơn bán kính kích thích Borh 5.6nm) cho hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh. Đồng thời cho thấy khi kích thước hạt giảm thì bờ hấp thụ dịch chuyển về phía xanh. Và từ phổ quang phát quang ta cũng th ấy được điều này, chứng tỏ có hiệu ứng suy giảm lượng tử .
♦ Từ phổ nhiễu xạ tia X, chúng tôi xác định pha tinh thể của hạt nano CdSe chúng tôi đã tổng hợp là dạng lập phương. Đồng thời, khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên pha cấu trúc tinh thể cũng như kích thước hạt.
Thứ hai, về việc chế tạo màng TiO2
♦ Đã chế tạo thành công màng TiO
-CdSe làm điện cực anode cho pin mặt trời chúng tôi thu được kết quả sau:
2 bằng phương pháp in lụa và màng TiO2- CdSe bằng phương pháp ngâm trong dung dịch nano CdSe.
♦ Từ phổ hấp thụ UV-Vis, phổ nhiễu xạ tia X, phổ Raman, ảnh SEM chúng tôi đã khảo sát các tính chất của màng, cho thấy có sự hấp thụ của CdSe lên TiO2. Màng TiO2 được ngâm trong dung dịch nano CdSe trong 20h sẽ được xử lý ở các nhiệt độ khác nhau, thu được màng với TiO2 ở pha anatase và CdSe ở pha cấu trúc lập phương (zinc-blende).
♦ Từ phổ quang phát quang khẳng định được quá trình chuyển điện tích từ vùng dẫn CdSe sang vùng dẫn TiO2
Thứ ba, về vấn đề tạo pin: chúng tôi đã tạo pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang và đo tính năng của pin.
, điều này rất quan trọng trong việc ứng dụng làm pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang (QDSSC).
Tuy nhiên, đề tài còn những mặt hạn chế sau:
Do hạn chế vềđiều kiện thiết bị, kỹ thuật và thời gian nên chúng tôi chưa thể khảo sát thêm những vấn đềnhư: xác định được nồng độ hấp thu của chấm lượng tử CdSe lên màng TiO2 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chỉ dừng ở mức đo các thông số I
, thời gian sống của điện tử… SC, VOC
Hướng phát triển đề tài:
Trong tương lai, chúng tôi sẽ khảo sát các phương pháp hữu hiệu hơn để có thể hấp thụ nhiều chấm lượng tử CdSe lên màng TiO
, chưa nghiên cứu được những nguyên nhân làm giảm tính năng của pin
2 .
Khảo sát ảnh hưởng của kích thước, nhiệt độ xử lý chất nhạy quang-chấm lượng tử CdSe lên hiệu suất chuyển đổi của pin.
Có thể kết hợp nhiều lớp chấm lượng tử như CdS, CdSe, ZnS hoặc chất nhuộm để cải thiện hiệu suất chuyển đổi.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1] Đào Anh Huy (2009), Nghiên cứu và tổng hợp chấm lượng tửCdSe đểứng dụng
trong y sinh, Luận văn thạc sỹ, Trường Đại Học Cần Thơ
[2] Đặng Thị Mỹ Dung (2008), ), Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang của
màng nano CdS nhằm ứng dụng tạo cảm biến sinh học và quang xúc tác,
Luận văn thạc sỹ, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, TP Hồ Chí Minh [3] Nguyễn Thái Hoàng (2010), Nghiên cứu điều kiện chế tạo, tính năng của pin
mặt trời-chất màu nhạy quang (DSC) và động học các quá trình hóa lý xảy ra
trong pin, Luận án tiến sỹ hóa học, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, TP
Hồ Chí Minh
Tiếng Anh
[4] Alexandra E. Raevskaya, Alexander L. Stroyuk , Stephan Ya. Kuchmiy (2006), “Preparation of colloidal CdSe and CdS/CdSe nanoparticles from sodium selenosulfate in aqueous polymers solutions”, Journal of Colloid and Interface
Science 302, 133–141.
[5] A. P. Alivisatos, Science (Washington, DC) 271 (1996) 933.
[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”, JACS
[7] A.S. Khomane, P.P. Hankare (2009), “Structural, optical and electrical characterization of chemically deposited CdSe thin films”, Journal of Alloys
and Compounds, 489,605-608.
[9] Cheng-Chieh Chao, Kuan-Lin Chen, Joong Sun Park, Pei-Chen Su (2007), Quantum dot solar cells, MATSCI 316 Term Project
[10] E. Lifshitz, I. Dag, I. Litvin, G. Hodes, S. Gorer, R. Reisfeld, M. Zelner, H. Minti (1998), “Optical properties of CdSe nanoparticle films prepared by chemical deposition and sol-gel methods”, Chemical Physics Letters 288, 188- 196.
[11] Gerald Gourdin (2007), “Solar Cell Technology”, Introduction to Green Chemistry Fall
[12] Gunter Schmith (2004), “Nanoparticles: From theory to application”, WILEY- VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN: 3-527-30507-6.
[13] Janne Halme (2002), Dye-sensitized nanostructured and organic photovoltaic
cells: technical review and preliminary tests, Helsinki University of (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Technology
[14] Istva´n Robel,Vaidyanathan Subramanian, Masaru Kuno, and Prashant V. Kamat (2006), “Quantum Dot Solar Cells. Harvesting Light Energy with CdSe Nanocrystals Molecularly Linked to Mesoscopic TiO2 Films”, JACS
[15] Iván Mora-Seró, Vlassis Likodimos, Sixto Giménez, Eugenia Martínez- Ferrero, Josep Albero, Emilio Palomares, Athanassios G. Kontos, Polycarpos Falaras, and Juan Bisquert (2010), “Regeneration of CdSe Quantum Dots by Ru Dye in Sensitized TiO2
[17] Jennifer Hensel, Gongming Wang, Yat Li, and Jin Z. Zhang (2010), “Synergistic Effect of CdSe Quantum Dot Sensitization and Nitrogen Doping
Electrodes”, J. Phys. Chem. C XXXX, xxxx, 000. [16] J. Chen, D.W. Zhao, J.L. Song, X.W. Sun, W.Q. Deng, X.W. Liu, W. Lei