Ảnh hưởng của chiều dày lớp TiO2 lên ựường ựặc trưng J-V khi chiếu sáng tế bào quang ựiện hóa ựược khảo sát. Khi ựó các mẫu màng TiO2 ựã chế tạo có cùng ựiều kiện công nghệ như mẫu T8. đó là các mẫu có cấu trúc dạng hạt nano xốp nhưng với chiều dày khác nhau. Các mẫu này ựều ựược phủ lớp CdS có cùng một chiều dày là 70 nm. Kết quả ựo ựường ựặc trưng J-V khi chiếu sáng ựượcthể hiện trên hình 3.22. Các giá trị VOC, JSC, hệ số ựiền ựày (FF) và hiệu suất (η) chuyển ựổi năng lượng tương ứng với các mẫu ựược trình bày trong bảng 3.7.
Hình 3.23 biểu diễn mối quan hệ giữa thế hở mạch, mật ựộ dòng ngắn mạch với chiều dày của màng TiO2. Theo ựó, chúng tôi thấy rằng giá trị thế hở mạch và mật ựộ dòng ngắn mạch tăng dần cùng với ựộ dày màng TiO2 và ựạt cực ựại ở ựộ dày 220 nm (442 mV,146 ộA/cm2), hiệu suất là 0,15 %. Khi ựộ dày của lớp TiO2 tiếp tục tăng, mật ựộ dòng giảm dần. Kết quả này có thể so với kết quả trong công bố [84]. Trong công bố này, CdS ựược phủ lên lớp TiO2 dày
-160 -140 -120 -100 d a a 120 nm b 320 nm c 60 nm d 220 nm e 520 nm J ( ộ
Hình 3.22: đặc trưng J-V sáng của màng TiO2/CdS với ựộ dày của lớp TiO2 khác nhau. đường a, b, c, d, e lần lượt tương ứng với ựộ dày 120 nm, 320 nm,
60 nm, 220 nm, 520 nm.
180 nm bằng phương pháp hóa học. Sau ựó màng TiO2/CdS ựược sử dụng làm ựiện cực thu ánh sáng cho pin quang ựiện hóa, dung dịch ựiện ly là LiI. Công suất chiếu sáng trên ựiện cực ~ 80 mW/cm2. Thế hở mạch và mật ựộ dòng ngắn mạch ựạt ựược ~200 mV và ~50 ộA/cm2.
Bảng 3.7: Giá trị dòng ngắn mạch, thế hở mạch, hệ số ựiền ựầy (FF), hiệu suất (η) ITO/TiO2/CdS với ựộ dày lớp TiO2 khác nhau.
độ dày TiO2 (nm) VOC (mV) JSC (ộA/cm2) FF η (%)
60 459 95 0,57 0,12
120 450 103 0,55 0,13
220 442 146 0,46 0,15
320 425 51 0,44 0,05
520 380 30 0,42 0,02
Như vậy với ựộ dày của lớp CdS cố ựịnh là 70 nm, thay ựổi ựộ dày của lớp TiO2, chúng tôi nhận thấy mật ựộ dòng ngắn mạch tăng cùng ựộ dày của lớp TiO2 và ựạt cực ựại tại 220 nm. Qua giá trị này, mật ựộ dòng ngắn mạch giảm
xuống 32 ộA/cm2 ở ựộ dày 520 nm. Sự phụ thuộc chiều dày của màng TiO2 ựược cho là liên quan ựến ựộ xốp của màng TiO2 khi tiến hành oxy hóa các lớp màng Ti có các chiều dày khác nhau.
0 100 200 300 400 500 600 380 400 420 440 460 Jsc ( ộ A /c m 2 ) Voc JscC ậé dộy mộng TiO2 (nm) 20 40 60 80 100 120 140 160 Vo c ( m V )
Hình 3.23: đồ thị sự phụ thuộc của VOC và JSC vào chiều dày lớp TiO2.
Như chỉ ra trên hình 3.24 là ảnh SEM chụp mặt cắt ngang của các màng TiO2 có ựộ dày 90 nm, 135 nm, 220 nm. Qua ảnh SEM, ta thấy rằng ựộ xốp màng TiO2 có sự thay ựổi rõ ràng theo chiều tăng của ựộ dày. Ở ựây có mối liên hệ giữa chiều dày màng TiO2 với chiều dày lớp màng Ti kim loại ban ựầu. để tăng chiều dày màng TiO2 thì nhất thiết phải tăng chiều dày của lớp Ti kim loại. Màng Ti kim loại có ựộ dày thấp khi ựược ựưa vào ủ nhiệt, các nguyên tử Ti bị oxy hóa tạo thành TiO2 có các chiều phát triển không bị hạn chế. Do ựó màng TiO2 ở ựộ dày thấp có ựộ xốp không cao (hình 3.24 a,b). điều này làm cho các hạt CdS khuếch tán vào màng ắt dẫn ựến mật ựộ dòng thấp. Hơn nữa, nếu màng quá mỏng thì khả năng các hạt CdS lắng ựọng trực tiếp lên ựế ITO sẽ cao do các vết nứt, sai hỏng trên màng nên hiệu quả tách hạt cặp tải giảm ựi. Khi tăng chiều dày màng Ti kim loại, trong quá trình ủ nhiệt các tinh thể TiO2 tạo thành có thể bị hạn chế một số chiều cho nên chúng phát triển tự do theo các chiều còn lại vì thế ựộ xốp cao hơn, (hình 3.24c). điều ựó dẫn ựến số lượng các hạt CdS khuếch tán vào màng TiO2 tăng lên và mật ựộ dòng tăng.
dòng giảm ựi. Mặt khác, thế hở mạch VOC giảm từ 459 mV xuống 442 mV là do khi chiều dày tăng lên sẽ dẫn tới sự mất mát ựiện tử do sự tái hợp trong quá trình di chuyển giữa các hạt TiO2 [53]. Hiện tượng này còn ựược gọi là hiệu ứng ựiện tử Ộpha loãngỢ, tức là mật ựiện tử dư thừa sẽ giảm ựi [93]. Hơn nữa, theo công thức ρ =Rvuôngừd , nếu chiều dày của màng TiO2 tăng sẽ dẫn ựến ựiện trở nối tiếp RS trong pin tăng lên [4] làm giảm thế quang ựiện và hệ số ựiền ựầy (FF) nên giảm hiệu suất của pin.
b
c
Hình 3.24: độ xốp của màng TiO2 (mẫu T8) phụ thuộc vào chiều dày.
Kết luận chương 3
1. đã chế tạo thành công ựược màng TiO2 anatase có cấu trúc nano lên trên các ựế thủy tinh có phủ lớp dẫn ựiện trong suốt ITO bằng phương pháp bốc bay chùm tia ựiện tử kết hợp xử lý nhiệt. Màng chế tạo ựược hoàn toàn ựơn pha, bám dắnh tốt với ựế, có ựộ xốp cao và có kắch thước hạt trong khoảng từ 17ọ30 nm.
2. đã tiến hành nghiên cứu các ựặc tắnh cấu trúc, hình thái học, tắnh chất ựiện và quang cũng như ảnh hưởng của các ựiều kiện công nghệ ựến các ựặc trưng của chúng. Kết quả chỉ ra cho thấy, bằng việc thay ựổi tốc ựộ bốc bay màng titan kim loại cũng như nhiệt ựộ ủ, có thể khống chế ựược kắch thước, hình dạng của các hạt nano tinh thể TiO2 cũng như ựộ xốp của màng. Nhiệt ựộ ủ cho các ựặc tắnh màng tốt nhất là 450 0C. đối với tốc ựộ bốc bay màng Ti chậm (0,15 nm/s) nhiệt ựộ ủ là 450 0C, màng ôxắt titan (TiO2) nhận ựược có cấu trúc sợi nano với ựường kắnh khoảng 30 nm và chiều dài sợi 300 nm Ờ 400 nm. Trong khi ựó, với tốc ựộ bốc bay màng Ti nhanh hơn (1 nm/s), nhiệt ựộ ủ 450 0C, chúng tôi thu ựược màng ôxắt titan (TiO2 ) cấu trúc hạt nano xốp với kắch thước hạt vào khoảng 17 ọ20 nm.
3. đã chế tạo thành công ựiện cực nano composit TiO2/CdS bằng việc sử dụng phương pháp bay hơi nhiệt trong chân không ựể phủ lớp màng nano tinh thể CdS lên trên các ựế TiO2 chế tạo ựược. Kết quả nghiên cứu cho thấy lớp CdS có cấu trúc nano với kắch thước hạt khoảng 20 nm. Các hạt CdS có sự xen phủ, ựiền ựầy vào các lỗ xốp của màng nano xốp TiO2. Chúng ựược xem là vật liệu bán dẫn nhạy sáng cho ựiện cực TiO2. Trong trường hợp này phổ hấp thụ của ựiện cực TiO2/CdS ựược cải thiện rất nhiều cả về ựộ hấp thụ lẫn vùng phổ. đặc biệt là sự mở rộng vùng phổ ra vùng khả kiến ở bước sóng 540 nm. đây là vùng gần với ựỉnh phổ mặt trời.
4. đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày màng TiO2 cũng như chiều dày lớp màng CdS tới các tắnh chất quang ựiện hóa của hệ ựiện cực. Chiều dày thắch hợp nhất cho màng TiO2 là khoảng 200 nm, với màng CdS là từ 70 ọ 100 nm. Khi ựó hiệu ứng quang ựiện hóa trên các ựiện cực là tốt nhất. Các ựại lượng trưng của ựiện cực này ựạt ựược: VOC = 442 mV, JSC = 146 ộA/cm2 và η = 0,15 %. Các kết quả này cũng có thể so sánh ựược với một số công bố của các nhóm tác giả khác như trong [84].
ZnO/CdS chế tạo bằng phương pháp bốc bay nhiệt kết hợp quá trình xử lý nhiệt.