Hình 1 .3 so sánh kích thƣớc của vật liệu nano so với
Hình 1.9 Các quá trình hấp thụ và phát quang trong tinh thể
Sự kích thích mẫu đƣợc thực hiện qua hấp thụ vùng – vùng. Sau quá trình (1) này đã tạo ra những điện tử tự do ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị. Các quá trình tái hợp bức xạ của cặp exciton xảy ra tiếp theo là:
Tái hợp vùng – vùng
Tái hợp vùng – vùng (2), điện tử tự do ở vùng dẫn và lỗ trống tự do ở vùng hoá trị. Quá trình này có thể ghi nhận đƣợc ở nhiệt độ mẫu khá cao, khi không tồn tại trạng thái exciton trong tinh thể.
Tái hợp bức xạ exciton
Sự phân rã exciton (3) chỉ quan sát đƣợc ở những vật liệu hoàn hảo (sạch, cấu trúc tinh thể tốt), và ở nhiệt độ thấp sao cho năng lƣợng liên kết kT không vƣợt quá năng lƣợng liên kết exciton.
Tái hợp cặp Donor – acceptor
Khi trong chất bán dẫn có tạp chất donor (4) và acceptor (5) với nồng độ đủ cao, thì tƣơng tác Coulomb giữa donor và acceptor sẽ làm thay đổi năng lƣợng liên kết của chúng (so với khi tạp chất đứng cô lập). Khoảng cách năng lƣợng giữa các trạng thái donor và acceptor trong cặp là:
ℎ𝑣 = 𝐸𝑔 − 𝐸𝐷 − 𝐸𝐴 =𝑒2
𝜀𝑟 (1.18) trong đó, 𝑟 là khoảng cách giữa donor và acceptor trong cặp
𝑒 là điện tích của electron
𝜀 là hằng số điện môi của chất bán dẫn.
Khi electron trên donor tái hợp với lỗ trống trên acceptor thì năng lƣợng của photon phát ra đƣợc tính bằng biểu thức trên.
Tái hợp bức xạ trong nội bộ tâm
Quá trình chuyển dời (6) xảy ra trong nội bộ tâm. Các tâm phát quang này mang tính định xứ điạ phƣơng rất cao, sự tƣơng tác của các chuyển dời điện tử với
trƣờng tinh thể xung quanh thƣờng rất yếu. Năng lƣợng của các chuyển dời điện tử hoàn toàn do cấu trúc của tâm quy định. Các ion loại 4f (đất hiếm, phóng xạ), 3d (kim loại chuyển tiếp), tâm F trong nhóm Halogen kiềm, hay gốc phát quang phân tử có dạng phức có thể hoạt động trong tinh thể dƣới dạng những tâm giả cô lập nhƣ vậy.
Tái hợp bức xạ tâm
Các tái hợp (7), (8) tƣơng tự nhƣ (4), (5) nhƣng với các mức năng lƣợng donor và acceptor nằm sâu trong vùng cấm. Trong các trƣờng hợp này, ảnh hƣởng của trƣờng tinh thể tới các tái hợp cũng yếu hơn.
1.4. Pin mặt trời chấm lƣợng tử nhạy quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS
Cấu tạo của QDSSCs bao gồm 3 thành phần: anode quang TiO2 đƣợc gắn kết
CdS/CdSe/ZnS QDs, cathode Pt và dung dịch chất điện ly.
1.4.1. Chấm lƣợng tử CdS và chấm lƣợng tử CdSe
Trong không gian vectơ sóng k, năng lƣợng của điện tử và lỗ trống đƣợc biểu diễn là hàm số 𝐸(𝑘)có dạng parabol ở gần gốc toạ độ. Do cấu trúc và phân bố nguyên tử khác nhau trong tinh thể, các trạng thái năng lƣợng của hệ điện tử vùng dẫn và lỗ trống vùng hoá trị phân bố có các cực khác nhau trong không gian 𝐸(𝑘). Nếu nhƣ cực tiểu năng lƣợng vùng dẫn nằm ở 𝑘 = 0 và cực đại vùng hoá trị cũng xảy ra ở 𝑘 = 0 thì các chuyển dời điện tử là “thẳng” hay “trực tiếp” nhƣ hình 1.10(a). Khi các cực đại vùng hoá trị và cực tiểu vùng dẫn không nằm cùng giá trị 𝑘 thì các chuyển dời sẽ “không thẳng” hay “gián tiếp” nhƣ hình 1.10(b). Đây cũng là chuyển dời không đƣợc phép theo quy tắc chọn lọc ∆𝑘 = 0. Vì vậy, quá trình này cần phải có sự tham gia của hạt phonon để đảm bảo quy tắc bảo toàn xung lƣợng hay quy tắc chọn vectơ sóng.