1.3.2 y ý đ p ặ ờ q đ DSSC
hi ánh sán chiếu tới, chất nhạy quan onor) hấp thụ ánh sán , điện tử
tự o chuyển lên trạn thái k ch th ch xiton*
tạo thành cặp điện tử và lỗ trốn
(e và h). hữn citon này chuyển độn khuếch tán tự o đến ờ iên của chất
acc pt r, điện tử và lỗ trốn ph n li Điện tử chuyển về hƣớn có ái lực mạnh là acc ptor, c n lỗ trốn chuyển về hƣớn n ƣợc lại - onor ứ nhƣ vậy các điện tử và lỗ trốn chuyển độn về hai ph a cực tạo thành n mạch n oài iệu ứn này i là hiệu ứn quan điện tron
Hình 1.18: Quá trình xảy ra ở lớp nhạy quang t lớp quang catôt TiO2 trong DSSC
Quá tr nh hoạt độn của pin mặt trời SS y -S nsitiz Solar ll) đƣợc m tả nhƣ sau ởi 6 quá trình chính sau:
1. Ánh sán chiếu tới, chất nhạy quan hấp thụ ánh sán , điện tử tự o
chuyển lên trạn thái k ch th ch citon * có mức năn lƣợn cao hơn.
2. Quá tr nh tiêm điện tử k ch th ch vào v n ẫn của án ẫn Ti 2.
3. ác điện tử i chuyển qua lớp án ẫn Ti 2 tới lớp ẫn, rồi vƣợt qua mạch
n oài tới điện cực đối
4. Điện tử ở điện cực đối i chuyển tới un ịch chất điện li: xảy ra sự nhƣờn điện tử tại điện cực đối quá trình ôxi hóa)
5. Điện tử tron un ịch chất điện li vừa đƣợc nhận điện tử sẽ nhƣờn điện tử lại cho chất nhạy quan , sau đó chuyển về trạn thái an đầu
phản ứn nhƣờn điện tử ( quá trình khử ) 6. Điện thế làm việc ở mạch n oài:
Hình 1.19: Quá trình hoạt động của pin mặt trời DSSC
- - 3 2 3I I e I 2e I 3 - -3 redox F ext E V V
ột cách tổn quát, quy tr nh hoạt độn của SS s có thể đƣợc iểu iễn ởi các phƣơn tr nh sau: ITOe TiO ITO e TiO S e TiO TiO S S S h ) ( ) ( ) ( 2 2 2 2 * * CE I 3 CE e 2 I S 2 I S 2 I 3 3 3 1.3.3 đặ ƣ ặ ờ
n đoản mạch SC là cƣờn độ n điện ở mạch n oài khi làm n ắt mạch n oài chập các cực ra của pin) ta có hiệu điện thế mạch n oài của pin V = 0
Thế hở mạch VOC là hiệu điện thế đƣợc đo khi mạch n oài của pin mặt trời hở
mạch hi đó mạch n oài có n = 0, điện trở mạch n oài là v hạn
Công suất ra cực đại (Pmax )
V I
Pmax max max (1.5)
Pmax là diện tích hình chữ nhật lớn nhất ên tron đƣờng cong Von-Ampe
trong hình 1.17a.
Hình 1.20: a) Đường đặc trưng sáng, b) sự ản ưởng của Rsh và RS lên hệ số FF
Hệ số điền đầ (FF)
ệ số điên đầy ) là tỷ số iữa c n suất ra cực đại và t ch số iữa cƣờn độ n n ắt mạch và thế hở mạch ệ số lấp đầy cho iết khuynh hƣớn iến đổi
P J V P P in SC OC FF. min max
n quan điện Để hệ số lớn th RS phải nhỏ nhất có thể, đồn thời Rsh nhỏ,
JSC iảm khi RS tăn [27].
J V V I OC SC FF max max (1.6)
Hiệu suất biến đổi quang điện của in ặt trời (η)
iệu suất iến đổi quan điện η) đặc trƣn cho khả năn làm việc của pin mặt trời, là tỷ số iữa c n suất ra cực đại và c n suất chiếu sán trên pin
C ƣơ 2: THỰC GHIỆ CHẾ TẠ À G Ỏ G ÔXÍT TITAN CẤU TRÚC NANÔ VÀ CÁC PHƢƠ G PHÁP PHÂ TÍCH
2.1 Cá ƣơ á ế ỏ
iện nay có nhiều phƣơn pháp để chế tạo các vật liệu ở ạn màn mỏn với chiều ày từ một vài lớp n uyên tử đến vài microm t ác phƣơn pháp chế tạo màn mỏn đƣợc sử ụn phổ iến hiện nay là:
- ắn đ n pha hơi hóa h c h mical Vapour position - CVD)
- ắn đ n pha hơi vật l Physical Vapour Deposition - PVD)
- ác phƣơn pháp sol- l, điện hóa, quay phủ li t m v v
- Phƣơn pháp phún xạ sputt rin )
- ăn cứ vào điều kiện thực tế, các tran thiết ị hiện có tại Viện hoa h c vật liệu Viện àn l m V ) m ch n phƣơn pháp phún xạ catốt R kết hợp với phƣơn pháp xy hóa nhiệt
2.1.1 P ƣơ á ( e )
2.1.1.1 y ý q á ế ậ bằ ƣơ á
Phún xạ catốt là kỹ thuật chế tạo màn mỏn ựa trên n uyên l truyền độn năn sử ụn các ion kh hiếm đƣợc tăn tốc tron điện trƣờn ắn phá ề mặt ia vật liệu, tách óc và truyền độn năn cho các n uyên tử vật liệu chuyển độn về ph a đế và lắn đ n trên đế tạo thành màn mỏn x m h nh 2 1)
Hình 2.1: Nguyên lý quá trình hình thành màng mỏng bằng phún xạ catốt
ăn lƣợn của các ion tới đƣợc chia làm hai phần cơ ản: một phần để ph n cắt các liên kết trên ề mặt ia vật liệu, tạo ra các n uyên tử, ph n tử, ion riên rẽ; phần c n lại đƣợc truyền thành độn năn cho các phần tử này tán xạ n ƣợc và lắn
là thế đặt vào iữa hai điện cực ăn lƣợn liên kết của ia vật liệu chủ yếu phụ thuộc vào ản chất hóa h c và trạn thái tồn tại của nó ối tƣơn quan iữa hai đại lƣợn này có ảnh hƣởn quan tr n đến hiệu suất quá tr nh lắn đ n
ựa vào n uồn cấp để uy tr n plasma tron quá tr nh phún xạ, n ƣời ta ph n loại kỹ thuật phún xạ ồm: Phún xạ một chiều ir ct urr nt Sputtering), phún xạ xoay chiều Ra io r qu ncy Sputt rin ) và phún xạ có sự trợ iúp của từ trƣờn (Magnetron Sputtering).
2.1.1.2 P ƣơ á ầ (RF)
Hình 2.2: Sơ đồ óng điện phát sáng xoay chiều
Đ y là kỹ thuật sử ụn điện áp xoay chiều để ia tốc cho các ion kh hiếm Điện áp đặt trên điện cực của hệ là n uồn xoay chiều tần số từ 1 z trở lên thƣờn là tần số són điện v tuyến cỡ 13 56MHz), iên độ tron khoản 0,5 đến
1kV ật độ n ion tổn hợp tới ia tron khoản 1m /cm2 áy phún xạ R
đƣợc thiết kế có tụ điện hép nối tiếp nhằm n n cao hiệu suất phún xạ. Vì dòng điện là xoay chiều nên có thể n các ia vật liệu kh n ẫn điện
Phún xạ cao tần có nhiều ƣu điểm hơn phún xạ cao áp một chiều, th ụ nhƣ điện áp thấp hơn, áp suất kh thấp hơn, tốc độ phún xạ lớn hơn và đặc iệt phún xạ ở tất cả các vật liệu từ kim loại đến oxit hay chất cách điện Tron khóa luận này thiết ị đƣợc sử ụn phún xạ các màn mỏn là hệ phún xạ cao tần mini - sputt r của U V , Viện hoa h c vật liệu, Viện Hàn lâm KH&CN VN h nh 2.3).
Hình 2.3: Hệ phún xạ cao tần mini-sputter của ULVAC
2.1.2 P ƣơ á q y âm (spincoating)
Phƣơn pháp quy phủ li t m là phƣơn pháp đơn iản chế tạo màn mỏn ựa trên cơ sở là các lực li t m sinh ra tron quá tr nh quay đế có phủ một lớp un ịch chứa chất tạo màn Tron suốt quá tr nh quay phủ li t m, lực li t m có tác ụn kéo căn , àn trải và tán mỏn un ịch chốn lại lực kết nh của un ịch và tạo thành màn mỏn o vậy tốc độ quay có ảnh hƣớn rất lớn tới độ ày của màn mỏn oài ra độ ày của màn mỏn cũn phụ thuộc vào độ nhớt, nồn độ un ịch và un m i [18].
ác iai đoạn quay phủ:
- iai đoạn 1 lắn đ n ): un ịch chất tạo màn đƣợc nhỏ lên trên ề mặt
đế
- iai đoạn 2 tăn tốc): Đế nhanh chón có tốc độ quay tới đạt đƣợc iá trị tối
đa th o yêu cầu
- iai đoạn thứ 3 kết thúc quay): à ia đoạn đế đƣợc quay với tốc độ ổn định
và độ nhớt của un ịch chi phối sự tán mỏn chiều ày màn iai đoạn này đƣợc m tả ởi sự tán mỏn ần ần ộ ày của chất lỏn , ẫn đến lớp mỏn phủ cuối c n đồn đều
- iai đoạn 4 ay hơi): Đ y là ia đoạn đế đƣợc quay với tốc độ kh n đổi và
ay hơi của un m i trở thành quá tr nh chủ yếu chi phối sự tán mỏn chiều ày của màn mỏn tron quá tr nh phủ
Theo Meyerhofer, do un m i ay hơi ra khỏi màn , độ nhớt un ịch tăn ẫn đến sự l hóa của un ịch sol trên ề mặt đế Độ ày của màn thu đƣợc từ phƣơn pháp quay phủ khá đồn đều Thiết ị đƣợc sử ụn là máy quay phủ 3-8, Viện Khoa h c vật liệu (h nh 2.5).
Hình 2.5: á qua ủ li tâm G3 - 8
2.1.3 P ƣơ á y
Phƣơn pháp oxy hóa nhiệt là phƣơn pháp tạo ra hợp chất của một chất với oxy tron m i trƣờn kh n kh iàu oxy ƣới tác ụn của nhiệt độ Đ y là
phƣơn pháp chủ yếu n để chế tạo màn mỏn Ti 2 từ màn mỏn Ti đƣợc chế
tạo từ phƣơn pháp phún xạ Tất cả các mẫu đều đƣợc thực hiện xử l nhiệt trên hệ l in r lu M STF55666C, Viện Khoa h c vật liệu Đ y là thiết ị với 3 v n nhiệt có thể ảo n nhiệt cao o vậy có thể ph hợp với việc điều chỉnh ch nh xác nhiệt độ cần thiết.
Hình 2.6: Lò ủ n iệt indberg lue STF55666C
2.2 Cá ƣơ á â
2.2.1 P ƣơ á ả ể đ ử q é (SE )
nh hiển vi điện tử quét Scannin l ctron icroscop - S ) là một loại k nh hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh của ề mặt mẫu vật với độ ph n iải cao ằn cách sử ụn một ch m điện tử hẹp quét trên ề mặt mẫu Ảnh của mẫu vật thu đƣợc th n qua việc hi nhận và ph n t ch các ức xạ phát ra từ tƣơn tác của ch m
điện tử với ề mặt mẫu vật nh hiển vi điện tử quét có điểm mạnh là ph n t ch mà kh n cần phá hủy mẫu vật và có thể hoạt độn ở ch n kh n thấp Sơ đồ khối k nh hiển vi điện tử quét đƣợc thể hiện trên h nh 2 7.
Hình 2.7: Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét
Việc phát các ch m tia điện tử tron S cũn iốn nhƣ việc tạo ra các ch m điện tử tron k nh hiển vi điện tử truyền qua, tức là điện tử đƣợc phát ra từ sún phón điện tử có thể là phát xạ nhiệt hay phát xạ trƣờn ), sau đó đƣợc tăn tốc Tuy nhiên, thế tăn tốc của S thƣờn chỉ từ 10 V-50 V v sự hạn chế của thấu k nh từ, việc hội tụ các ch m điện tử có ƣớc són nhỏ vào một điểm có k ch thƣớc nhỏ sẽ rất khó khăn Điện tử đƣợc phát ra, tăn tốc và hội tụ thành một ch m điện tử hẹp cỡ vài Å đến vài nanôm t) nhờ hệ thốn thấu k nh từ, sau đó đƣợc quét trên ề mặt mẫu nhờ các cuộn quét t nh điện Độ ph n iải của S đƣợc xác định từ k ch thƣớc ch m điện tử hội tụ, mà k ch thƣớc ch m điện tử này ị hạn chế ởi quan sai, ch nh v thế S kh n thể đạt đƣợc độ ph n iải tốt nhƣ T oài ra, độ ph n iải của S c n phụ thuộc vào tƣơn tác iữa vật liệu tại ề mặt mẫu vật và điện tử hi điện tử tƣơn tác với ề mặt mẫu vật, sẽ có các ức xạ phát ra, sự tạo ảnh tron S và các phép ph n t ch đƣợc thực hiện th n qua việc ph n t ch các ức xạ này, các ức xạ chủ yếu ồm:
+ Điện tử thứ cấp S con ary l ctrons): Đ y là chế độ hi ảnh th n ụn nhất của k nh hiển vi điện tử quét, ch m điện tử thứ cấp có năn lƣợn thấp thƣờn nhỏ hơn 50 V) đƣợc hi nhận ằn ốn nh n quan nhấp nháy V chún có năn lƣợn thấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ ề mặt mẫu với độ s u chỉ vài nanôm t, o vậy chún tạo ra ảnh hai chiều của ề mặt mẫu
+ Điện tử tán xạ n ƣợc ackscatt r l ctrons): Điện tử tán xạ n ƣợc là ch m điện tử an đầu khi tƣơn tác với ề mặt mẫu ị ật n ƣợc trở lại, o đó chún thƣờn có năn lƣợn cao Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hóa h c ở ề mặt mẫu, o đó ảnh điện tử tán xạ n ƣợc rất hữu ch tron việc ph n t ch thành phần hóa h c oài ra, điện tử tán xạ có thể n để hi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ n ƣợc, iúp cho việc ph n t ch cấu trúc tinh thể chế độ ph n cực điện tử) oài ra, điện tử tán xạ n ƣợc phụ thuộc vào các liên kết điện tại ề mặt mẫu nên có thể đ m lại th n tin về các đ men sắt điện
Tron n hiên cứu này, chún t i sử ụn k nh hiển vi điện tử quét -SEM S 4800 (Hitachi, hật ản) Viện Khoa h c vật liệu để khảo sát cấu trúc vi m của các vật liệu tổ hợp nh 2 8).
Hình 2.8: Kính hiển vi điện tử quét FE-SEM
2.2.2 P ƣơ á
hiễu xạ tia X XR -X ray ifraction) là thiết ị để khảo sát cấu trúc tinh thể
của vật liệu Xét một ch m tia X có ƣớc són chiếu tới một tinh thể chất rắn
ƣới óc θ o tinh thể có t nh chất tuần hoàn, các mặt tinh thể sẽ cách nhau nhữn khoản đều đặn , đón vai tr nhƣ nhữn cách tử nhiễu xạ và tạo ra hiện tƣợn nhiễu xạ tia X ếu ta quan sát các ch m tia tán xạ th o phƣơn phản xạ ằn óc tới) th hiệu quan tr nh iữa các tia tán xạ trên các mặt là:
∆ = 2 sinθ (2.1)
hƣ vậy, để có cực đại nhiễu xạ th óc tới phải thỏa mãn điều kiện: ∆ = 2 sinθ = nλ (2.2)
Ở đ y, n là các số n uyên nhận các iá trị 1, 2, 3
Đ y là định luật ra m tả hiện tƣợn nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể h n vào c n thức này ta thấy rằn với một mạn tinh thể có khoản cách iữa các mặt tinh thể là cố định và ch m tia X có ƣớc són kh n đổi, sẽ tồn tại nhiều óc θ thỏa mãn định luật ra ết quả trên ức tranh nhiễu xạ sẽ quan sát thấy có
hiện các đỉnh nhiễu xạ tại các óc θ khác nhau Vị tr của đỉnh nhiễu xạ phụ thuộc vào ƣớc són của tia X và cấu trúc tinh thể T nh chất tinh thể đƣợc xác định từ vị
tr và cƣờn độ của đỉnh nhiễu xạ Từ phƣơn tr nh Bragg, ta nhận thấy đối với một
hệ mặt phẳn tinh thể d xác định) th ứn với iá trị nhất định của ƣớc són tia X
sẽ có iá trị tƣơn ứn thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ ói cách khác, ằn thực
n hiệm trên máy nhiễu xạ tia X, chún ta sẽ nhận đƣợc tổ hợp của các iá trị dhkl
đặc trƣn cho các khoản cách mặt mạn th o các hƣớn khác nhau của một cấu trúc tinh thể ằn cách so sánh tổ hợp này với ản tra cứu cấu trúc tron các tệp ữ liệu về cấu trúc tinh thể hoặc của các mẫu chuẩn, ta có thể xác lập cấu trúc tinh thể của mẫu n hiên cứu
Hình 2.9: Sự tán xạ của chùm tia X trên bề mặt tinh thể
Hình 2.10: Sơ đồ ngu ên lý ương á n iễu xạ tia X
hiễu xạ kế tia X ao ồm a ộ phận cơ ản: n uồn tia X, mẫu và ộ thu