Theo kết quả ở mục 4.9.2.1, lớp MEH-PPV dày 50 nm cho mật ựộ dòng ngắn mạch và thế hở mạch cao nhất nên chúng tôi phủ MEH-PPV với ựộ dày này lên ựiện cực ITO/ZnO/CdS và ITO/TiO2/CdS ựể tạo thành linh kiện pin SSSC dạng rắn. Hình 4.39 là ảnh SEM bề mặt của ựiện cực ITO/ZnO/CdS/MEH-PPV và ảnh linh kiện ITO/ZnO/CdS/MEH-PPV/Au. Có thể quan sát thấy lớp MEH-PPV thấm sâu vào trong các lỗ xốp, tạo thuận lợi cho sự trao ựổi ựiện tắch giữa lớp CdS và MEH- PPV khi ựược chiếu sáng. Hình 4.40a là ựặc trưng J-V khi chiếu sáng của linh
kiện pin SSSC dạng rắn có cấu trúc:
ITO/TiO2/CdS/MEH-PPV/Au và ITO/ZnO/CdS/MEH-PPV/Au.
Theo ựó các thông số của linh kiện ITO/TiO2/CdS/MEH-PPV/Au là: VOC = 345 mV; JSC = 7,7 ộA/cm2; FF = 0,32; η = 0,004 % và của linh kiện ITO/ZnO/CdS/MEH-PPV/Au là: VOC = 416 mV; JSC = 17 ộA/cm2, FF= 0,33; η = 0,01 %.
Hình 4.39: Ảnh SEM bề mặt ựiện cực ITO/ZnO/CdS/MEH-PPV và linh kiện ITO/ZnO/CdS/MEH-PPV/Au.
Hình 4.40: đặc trưng J-V khi chiếu sáng (a) và sơ ựồ năng lượng của linh kiện pin
mặt trời ITO/TiO2(hoặc ZnO)/CdS/MEH-PPV/Au(b).
Như vậy ựối với linh kiện sử dụng ZnO làm ựiện cực cũng cho hiệu suất cao hơn. điều này ựược lý giải như sau: Màng ZnO có ựộ xốp và ựộ linh của ựiện tử cao hơn ở màng TiO2 nên diện tắch tiếp xúc giữa MEH-PPV với CdS lớn hơn ở trường hợp của TiO2. Chắnh ựiều ựó ựã tạo ựiều kiện cho sự tách và tiêm ựiện tử khi ựược chiếu sáng. Kết quả này tuy thấp nhưng bước ựầu cho thấy việc rắn hóa pin SSSC là khả thi nếu chúng ta tìm ựược các vật liệu dẫn lỗ trống phù hợp.
0 100 200 300 400 -16 -12 -8 -4 0 V(mV) J ( ộ A /c m 2 ) 1 -ITO/TiO2/CdS/MEH-PPV/Au 2 -ITO/ZnO/CdS/MEH-PPV/Au 1 2 a)
nghiên cứu cho thấy màng ZnO có ựộ ựồng ựều và ựộ xốp cao. Chúng ựược xem như là các hạt nhỏ gắn với nhau theo kiểu ỘhoaỢ nano. Các cánh hoa có kắch thước 30 ọ 50 nm.
2. đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt ựộ ủ lên các ựặc tắnh của màng. Kết quả cho thấy khi nhiệt ủ tăng thì kắch thước hạt và ựộ xốp màng tăng theo. Tuy nhiên khi nhiệt ựộ tăng ựến 500 0C thì các hạt nano có sự liên kết mạnh với nhau dẫn ựến ựộ xốp màng giảm. Nhiệt ựộ ủ màng thắch hợp nhất cho màng ZnO có ựộ xốp cao là ở 450 0C. Ngoài ra tại nhiệt ựộ ủ này màng ZnO cho ựộ dẫn ựiện và khả năng ựáp ứng dòng quang ựiện là tốt nhất ựiều này cho thấy mật ựộ các tâm bắt trong màng là ắt nhất. Vì vậy nhiệt ựộ ủ ở 450 0C ựược xem là tối ưu cho màng ZnO có chất lượng tốt nhất.
3. Tương tự như ựối với trường hợp vật liệu TiO2, ựiện cực nano composit ZnO/CdS cũng ựược chế tạo thành công. Các kết quả nghiên cứu ảnh SEM, TEM cho thấy các hạt nano CdS có sự khuếch tán rất sâu vào các khe trống trong màng ZnO xốp. Các kết quả ựo phổ hấp thụ cho thấy ựiện cực có bờ vùng hấp thụ mở rộng ra vùng ánh sáng nhìn thấy tương ứng với vùng cực ựại của phổ mặt trời.
4. đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp ZnO và CdS lên các tắnh chất quang ựiện hóa của ựiện cực. Kết quả cho thấy với chiều dày màng ZnO vào khoảng 1200 nm và chiều dày lớp CdS từ 70 nm ựến 100 nm, ựiện cực cho hiệu ứng quang ựiện hóa mạnh nhất. Khi ựó thế hở mạch, dòng ngắn mạch và hiệu suất chuyển ựổi năng lượng ựạt cao nhất tương ứng là VOC = 575 mV, 1151 ộA/cm2 và η = 1,29 % (phủ CdS dày ~ 100 nm). Các kết quả này có thể so sánh ựược với một số kết quả ựã công bố như [23], [76], [79], [71], [22].
5. điện cực là tổ hợp màng ZnO/TiO2 cũng ựã ựược thử nghiệm chế tạo, khi phủ CdS cho hiệu suất lớn gấp hai lần ựiện cực TiO2/CdS (0,37 % so với 0,15 %). Linh kiện pin quang ựiện hóa trên cơ sở dùng ựiện cực ZnO/CdS với diện tắch là 1 cm2 làm ựiện cực thu ánh sáng. điện cực ựối là Au và chất ựiện ly là Na2S 0,1 M và KCl 1M ựã ựược chế tạo thử nghiệm thành công. Các thử nghiệm trong ựiều kiện chiếu sáng của ánh sáng mặt trời thực cho thế hở mạch, mật ựộ dòng ngắn mạch là VOC = 0,68 V, JSC = 3160 ộA/cm2 và hiệu suất η = 0,71 %.
6. đã thử nghiệm chế tạo linh kiện pin mặt trời quang ựiện dùng polyme dẫn là MEH-PPV làm chất ựiện ly rắn thay cho chất ựiện ly dạng lỏng. Các kết quả chỉ ra cho thấy linh kiện ựã thể hiện ựược hiệu ứng chuyển ựổi năng lượng với hiệu suất là 0,01 %. Mặc dù kết quả này còn rất thấp nhưng nó ựã cho thấy việc rắn hóa pin SSSC là khả thi nếu chúng ta tìm ựược các vật liệu polyme hoặc các vật liệu bán dẫn vô cơ phù hợp.
gần chục năm trở lại ựây. Với việc sử dụng và ựưa thành công các nano tinh thể bán dẫn CdS vào trong các màng ôxắt bán dẫn, chúng tôi là nhóm ựầu tiên trong nước ựã nghiên cứu và chế tạo ựược các ựiện cực làm việc cho linh kiện pin mặt trời quang ựiện hóa kiểu SSSC. Mặc dù ựây chỉ là những kết quả ban ựầu nhưng nó có ý nghĩa rất lớn trong việc ựịnh hướng và làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm chế tạo ựược các linh kiện ứng dụng vào thực tiễn. Dưới ựây là các kết luận chắnh mà luận án ựã thu ựược:
1. Bằng phương pháp bốc bay tạo màng kim loại kết hợp quá trình oxy hóa nhiệt ựã chế tạo thành công màng TiO2 và ZnO có cấu trúc nano xốp ựáp ứng yêu cầu làm ựiện cực dẫn ựiện tử trong cấu trúc pin mặt trời quang ựiện hóa. đây là phương pháp ựơn giản dễ thực hiện ựể chế tạo các màng mỏng có kắch thước lớn, ựộ sạch cao và bám dắnh tốt trên ựế, thắch hợp cho các nghiên cứu chế tạo pin mặt trời dạng SSSC.
2. đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các ựiều kiện công nghệ ựến các tắnh chất cấu trúc và hình thái học của các màng mỏng ôxắt nhận ựược. Cụ thể là: Ở nhiệt ựộ ủ 450 0C, tốc ựộ lắng ựọng màng Ti kim loại là 1 nm/s, màng TiO2 nhận ựược ở pha anatase, kắch thước hạt ~ 20 nm, ựộ xốp tương ựối cao. Ở nhiệt ựộ ủ 450 0C màng, ZnO cấu trúc lục giác, hình thái học có dạng ỘhoaỢ nano. Kắch thước hạt 25 nm ~37 nm. Ở cả hai loại màng ựều thể hiện tắnh chất ựiện, quang, quang ựiện tốt cho thấy màng có khả năng ựáp ứng các yêu cầu thu ựiện tử trong pin mặt trời dạng SSSC.
3. Bằng việc sử dụng phương pháp bốc bay lớp màng CdS lên TiO2 và ZnO xốp lần ựầu tiên chúng tôi ựã chế tạo ựược các ựiện cực nanocomposit TiO2/CdS; ZnO/CdS. Các kết quả chỉ ra rằng các hạt nano CdS ựã ựiền ựầy vào các lỗ xốp và tạo ra ựược sự xen phủ tốt giữa các hạt nano CdS với các hạt nano ôxắt bán dẫn trên ựế. Các hạt nano CdS ựã thể hiện vai trò là chất nhạy sáng
trong ựiện cực, cho phép dịch chuyển vùng phổ hấp thụ của các ựiện cực ra vùng ánh sáng nhìn thấy (520 nm) tới gần ựỉnh phổ mặt trời. điều này có ý nghĩa rất lớn trong việc chế tạo các linh kiện pin mặt trời hiệu suất cao.
4. Các kết quả nghiên cứu tắnh chất quang ựiện của các ựiện cực nanocomposit TiO2/CdS và ZnO/CdS cho thấy khi có mặt CdS hiệu suất chuyển ựổi quang ựiện tăng lên nhiều lần. Các giá trị VOC và JSC của TiO2 tăng từ 36 mV; 0,8 ộA/cm2 lên 442 mV; 146 ộA/cm2 hiệu suất là 0,15 %. Ở màng ZnO/TiO2/CdS hiệu suất ựạt 0,37 %. đối với màng ZnO, thế hở mạch tăng từ 261 mV lên 578 mV, dòng ngắn mạch tăng từ 30 ộA/cm2 lên 1151 ộA/cm2, hiệu suất ựạt khoảng 1,29 %.
5. đã nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp CdS cũng như chiều dày của lớp màng TiO2 và ZnO lên các tắnh chất ựặc trưng của các ựiện cực nanocomposit TiO2/CdS và ZnO/CdS. Chiều dày của màng TiO2 là 220 nm, của CdS là 70 nm cho thế hở mạch, dòng ngắn mạch và hiệu suất cao nhất. (VOC=442 mV, JSC=146 ộA/cm2, η=0,15 %). Ở màng ZnO/CdS với lớp ZnO dày 1200 nm, lớp CdS dày 70 nm cho thế hở mạch và dòng ngắn mạch và hiệu suất cao nhất (VOC= 575 mV, JSC=1151 ộA/cm2, η=1,29 %).
6. đã tiến hành thử nghiệm chế tạo linh kiện pin mặt trời SSSC với cấu trúc ITO/ZnO/CdS/(KCl 1M, Na2S 0,1M)/Au. Các ựiện cực có diện tắch 1 cm2 và ựược thử nghiệm trong ựiều kiện thực: linh kiện ựược chiếu sáng dưới ánh sáng mặt trời giữa trưa, quang mây. Các kết quả thử nghiệm cho thấy linh kiện thể hiện hiệu ứng quang ựiện rất tốt khi ựược chiếu sáng. Các ựại lượng hế hở mạch, dòng ngắn mạch và hiệu suất lần lượt là VOC = 0,68 V, JSC = 3160 ộA/cm2, η = 0,71 %.
7. Bước ựầu ựã tiến hành thử nghiệm thay thế chất ựiện ly lỏng bằng lớp
polyme dẫn MEH-PPV nhằm mục ựắch rắn hóa pin SSSC. Kết quả nhận ựược cho thấy linh kiện thể hiện ựược hiệu ứng quang ựiện (VOC = 416 mV, JSC =17 ộA/cm2 ựối với linh kiện ITO/ZnO/CdS/MEH-PPV/Au). Mặc dù hiệu suất còn thấp nhưng nó cho thấy khả năng chế tạo pin mặt trời SSSCdạng rắn là khả thi thông qua việc chọn các vật liệu polyme dẫn và vật liệu bán dẫn vô cơ thắch hợp.
2. Dang Tran Chien, Pham Duy Long, Pham Van Hoi, and Le Ha Chi (2011), "Nanocomposite thin film TiO2/CdS electrodes prepared by thermal evaporation process for photovoltaic applications", Communications in Physics 21. No. 1, pp.57-62.
3. Dang Tran Chien, Long Pham Duy, Hoi Van Pham (2010), ỘZnO/CdS bilayer used for electrode in photovoltaic devicesỘ, Proceedings of Advances in Optics Photonics Spectroscopy & Application VI, Hanoi, Vietnam, November 8-12, 2010, pp. 324-328.
4. Tran Chien Dang, Duy Long Pham, Huu Lam Nguyen, and Van Hoi Pham (2010), "CdS sensitized ZnO electrodes in photoelectrochemical cells", Adv.
Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 1, pp.035010-6.
5. Dang Tran Chien, Le Dinh Trong, Pham Duy Long, and Pham Van Hoi (2010), "Electronic and optical properties of the ZnO/CdS nanocomposite film prepared via thermal evaporation technique", Journal of Science 11,
pp.92-98 (Hanoi Pedagogical University No2). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
6. Tran Chien Dang, Duy Long Pham, Ha Chi Le, and Van Hoi Pham (2010), "TiO2/CdS nanocomposite films:fabrication, characterization, electronic and optical properties", Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol.1, pp.015002-5. 7. Le Ha Chi, Nguyen Nang Dinh, Phan Thi Que Anh, Pham Duy Long, Dang
Tran Chien, and Tran Thi Chung Thuy (2009), "Electrical and Optical Properties of the Hybrid TiO2 Nanocrystals-MEH-PPV Thin Films",
Communications in Physics 19, pp.243-248.
8. Dang Tran Chien, Pham Duy Long, Pham Van Hoi, Le Ha Chi, Do Xuan Mai, and Dang Van Thanh (2009), "Electrical and Optical Properties of the
TiO2/CdS Composite Nanoparticle Thin Films", Kỷ yếu Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu Toàn Quốc lần thứ 6 (SPMS-2009) 8-10/11/2009, đà nẵng, Tr.614-617.
CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
1. Le Ha Chi, Nguyen Nang Dinh, Pham Duy Long, Dang Tran Chien, Tran Thi Chung Thuy (2009), ỘStudy on electrical and optical properties of the hybrid nanocrystalline TiO2 and conjugated polymer thin filmsỢ,
Proceedings of Nano-Net 2009, Switzerland, LNICST, 20, pp. 84Ờ89
2. Le Ha Chi, Nguyen Nang Dinh, Pham Duy Long, Nguyen Van Chuc, Dang Tran Chien, Tran Thi Chung Thuy (2008), ỘElectrical and optical properties of the hybrid carbon nanotubes (CNTs) and conjugated polymeric materialỢ,
Proceedings of APCTP Ờ ASEAN Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (AMSN 2008), pp.717-720.
2. Ngô Quốc Quyền (2005), Tắch trữ và chuyển hóa năng lượng hóa học, vật
liệu và công nghệ, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội.
3. đặng đình Thống (2006), Pin mặt trời và ứng dụng, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
Tiếng Anh
4. Acik I. Oja, Katerski A., Mere A., Aarik J., Aidla A., Dedova T., Krunks M. (2009), "Nanostructured solar cell by spray pyrolysis: Effect of titania barrier layer on the cell performance", Thin Solid Films 517, pp.2443-2447. 5. Ahn Y. U., Kim E. J., Kim H. T., Hahn S. H. (2003), "Variation of structural
and optical properties of sol-gel TiO2 thin films with catalyst concentration and calcination temperature", Materials Letters 57, pp.4660-4666.
6. Ali YildIrIm M., Ates A. (2010), "Influence of films thickness and structure on the photo-response of ZnO films", Optics Communications 283, pp.1370-1377. 7. Amor S. B., Guedri L., Baud G., Jacquet M., Ghedira M. (2003), "Influence of
the temperature on the properties of sputtered titanium oxide films", Materials
Chemistry and Physics 77, pp.903-911.
8. Assim E. M. (2008), "Optical constants of TiO1.7 thin films deposited by electron beam gun", Journal of Alloys and Compounds 463, pp.55-61.
9. Badawy W., Decker F., Doblhofer K. (1983), "Preparation and properties of Si/SnO2 heterojunctions", Solar Energy Materials & Solar Cells 8, pp.363-369. 10. Bahedi K., Addou M., Jouad M. E., Sofiani Z., Oauzzani H. E., Sahraoui B. (2011), "Influence of strain/stress on the nonlinear-optical properties of sprayed deposited ZnO:Al thin films", Applied Surface Science 257, pp.8003-8005.
11. Baker D. R., Kamat P. V. (2009), "Photosensitization of TiO2 Nanostructures with CdS Quantum Dots: Particulate versus Tubular Support Architectures",
Advanced Functional Materials 19, pp.805-811.
12. Banfiel J. F., Veblen D. R. (1992), "Conversion of perovskite to anatase and TiO2 (B): a TEM study and the use of fundamental building blocks for under- -standing relationships among the TiO2 minerals", American Mineralogist
77, pp. 545-557.
13. Barnham K. W. J., Mazzer M., Clive B. (2006), "Resolving the energy crisis: nuclear or photovoltaics?", Nature Materials 5, pp.161-164.
14. Bentes L., Ayouchi R., Santos C., Schwarz R., Sanguino P., Conde O., Peres M., Monteiro T., Teodoro O. (2007), "ZnO films grown by laser ablation with and without oxygen CVD", Superlattices and Microstructures 42, pp.152-157. 15. Boschloo G., Edvinsson T., Hagfeldt A., Tetsuo S. (2006), Dye-Sensitized
Nanostructured ZnO Electrodes for Solar Cell Applications, Elsevier, Amsterdam,
pp. 227-254.
16. Breeze A. J., Schlesinger Z., Carter S. A., Brock P. J. (2001), "Charge transport in TiO2/MEH-PPV polymer photovoltaics", Physical Review B 64, pp.125205-9. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
17. Brown W. D., Grannemann W. W. (1978), "C-V characteristics of metal-titanium dioxidesilicon capacitors", Solid-State Electronics, 21, pp.837-846.
18. Castaựeda L., Alonso J. C., Ortiz A., Andrade E., Saniger J. M., Baựuelos J. G. (2003), "Spray pyrolysis deposition and characterization of titanium oxide thin films", Materials Chemistry and Physics 77, pp.938-944.
19. Curran J. S., Lamouche D. (1983), "Transport and kinetics in photoelectrolysis by semiconductor particles in suspension", The Journal of Physical Chemistry
87, pp.5405-5411.
20. Chang C.-H., Lee Y.-L. (2007), "Chemical bath deposition of CdS quantum dots onto mesoscopic TiO2 films for application in quantum-dot-sensitized solar cells", Applied Physics Letters 91, p053503.
Electrochemistry Communications 13 pp.331-334.
23. Chen M., Tang Y., Li B., Luo L. (2009), "Nanocrystalline CdS/ZnO Thin Films: Fabrication and Application to Solar Cells", Journal of Nanoscience and Nanotechno
-logy 9, pp.1505-1508.
24. Chen S., Paulose M., Ruan C., Mor G. K., Varghese O. K., Kouzoudis D., Grimes C. A. (2006), "Electrochemically synthesized CdS nanoparticle-modified TiO2 nanotube-array photoelectrodes: Preparation, characterization, and application to photoelectrochemical cells", Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 177, pp.177-184.
25. Chengyu W., Huamei S., Ying T., Tongsuo Y., Guowu Z. (2003), "Properties and morphology of CdS compounded TiO2 visiblelight photocatalytic nanofilms coated on glass surface", Separation and Purification Technology 32, pp.357-362. 26. Chérubin N. S. (2009), Dye-Sensitized Solar Cells Based on Perylene Deri-
-vatives, Ph.D.Thesis, EPFL.
27. Chou C.-Y., Lee C.-P., Vittal R., Ho K.-C. (2011), "Efficient quantum dot-sensitized solar cell with polystyrene-modified TiO2 photoanode and with guanidine thiocyanate in its polysulfide electrolyte", Journal of Power Sources 196, pp.6595-6602.
28. Chou T. P., Zhang Q., Cao G. (2007), "Effects of Dye Loading Conditions on the Energy Conversion Efficiency of ZnO and TiO2 Dye-Sensitized Solar Cells",
The Journal of Physical Chemistry C 111, pp.18804-18811.
29. de Jongh P. E., Vanmaekelbergh D. (1996), "Trap-Limited Electronic Trans- -port in Assemblies of Nanometer-Size TiO2 Particles", Physical Review Letters
77, pp.3427-3430.
30. Deb S. K. (2005), "Dye-sensitized TiO2 thin-film solar cell research at the