2.2. Nghiên cứu cơ chế lắng đọng màng CIGS
Nói đến lắng đọng điện hóa tức là nói đến phản ứng điện cực. Phản ứng điện cực có thể diễn ra khá phức tạp gồm một chuỗi nhiều quá trình. Các phản ứng đơn giản chỉ bao gồm sự vận chuyển khối lượng của các điện tử hoạt tính đến bề mặt điện cực, sự dịch chuyển điện tích qua bề mặt, và sự vận chuyển của sản phẩm tạo thành trở lại dung dịch. Các phản ứng phức tạp hơn cịn có thêm các q trình hố học và bề mặt mà hoặc xảy ra trước hoặc sau sự dịch chuyển điện tích.
Tốc độ của phản ứng điện cực (hay dịng điện đo được) có thể bị kiểm sốt bởi q trình vận chuyển khối lượng của chất tham gia phản ứng hoặc quá trình dịch chuyển điện tử. Qúa trình nào xảy ra chậm hơn sẽ là quá trình xác định tốc độ của phản ứng. Khi phản ứng bị kiểm soát chỉ duy nhất bởi tốc độ mà ở đó các điện tử hoạt tính đi đến bề mặt (ví dụ, sự dịch chuyển điện tử xảy ra dễ dàng), thì dịng điện bị kiểm soát bởi sự vận chuyển khối lượng. Các phản ứng mà quá trình vận chuyển khối lượng đủ nhanh thì dịng điện đo được bị kiểm soát bởi sự dịch chuyển electron. Các phản ứng như vậy tuân theo mối quan hệ nhiệt động lực học.
Trong điều kiện cho phép, luận án chúng tơi quan tâm đến 2 q trình quan trọng đó là q trình dịch chuyển điện tích và q trình vận chuyển khối lượng. Như vậy để nghiên cứu động học quá trình lắng đọng màng CIGS, kỹ thuật Vol-Ampe vòng (CV) và kỹ thuật cân vi lượng dao động tinh thể thạch anh kết hợp điện hóa (EQCM) được sử dụng để khảo sát 2 quá trình này.
Các phản ứng đƣợc kiểm soát bởi sự vận chuyển khối lƣợng
Sự vận chuyển khối lượng xảy ra theo 3 cách khác nhau:
Khuếch tán - sự chuyển động tự phát dưới sự ảnh hưởng của gradient nồng độ,
từ nơi nồng độ cao đến nơi nồng độ thấp hơn, nhằm mục đích hướng đến độ chênh lệch nồng độ ít nhất.
Sự đối lưu - sự vận chuyển đến điện cực thông qua tổng chuyển động vật lý;
lực truyền chủ yếu cho đối lưu là năng lương cơ học bên ngoài kết hợp với khuấy hoặc đổ dung dịch hoặc quay hoặc lắc điện cực (ví dụ, đối lưu lực). Sự đối lưu cũng có thể xảy ra tự nhiên như kết quả của gradient mật độ.
Sự di trú - sự chuyển động của các hạt tích điện dọc theo điện trường (ví dụ, ở đây điện tích được mang đi qua dung dịch bởi các nhóm ion di chuyển).
Các dạng vận chuyển khối lượng được minh họa trong hình 2.2.
Thông lượng (J) (số đo chung của tốc độ vận chuyển khối lượng) tại điểm cố định, được định nghĩa như số phân tử xuyên qua một đơn vị diện tích của mặt phẳng tưởng tượng trong 1 đơn vị thời gian và được biểu diễn bằng đơn vị mol cm-2 s-1. Thông lượng đến điện cực được mơ tả bằng phương trình Nernst-Plank:
) , ( ) , ( ) , ( ) , ( ) , ( C x t V x t x t x RT zFDC x t x C D t x J (2.1) trong đó D là hệ số khuếch tán; C(x,t)/x là gradient nồng độ (tại khoảng cách x và thời gian t); (x,t)/x là gradient điện thế; z và C là điện tích và nồng độ của các điện tử hoạt tính; và V(x,t) là vận tốc thuỷ động lực học (theo phương x). Dòng điện i tỉ lệ thuận với thơng lượng và diện tích bề mặt điện cực (A):
nFAJ
i (2.2) Trong phương trình (2.1), trạng thái của hệ điện hóa hơi phức tạp khi 3 dạng vận chuyển khối lượng xảy ra đồng thời. Sự phức tạp này làm khó xác định mối liên hệ của dòng điện với nồng độ chất phân tích. Trạng thái của hệ có thể được đơn giản hố bằng cách chặn điện tử di trú thơng qua việc thêm vào 1 lượng thừa muối trơ. Sự thêm vào chất điện phân hỗ trợ với nồng độ cao này (so sánh với nồng độ của các ion điện tử hoạt tính) giúp làm giảm điện trường, tăng tính dẫn của dung dịch. Trong nghiên cứu của chúng tôi, chất điện phân hỗ trợ LiCl và KHP (Potassium Hydrogen Phthalate) đã được thêm vào dung dịch.Các hiệu ứng đối lưu