CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VẬT LIỆU
2.1. Cấu hình PMT plasmonics và các loại vật liệu liên quan
2.1.1.1. Thiết kế cấu hình PMT plasmonics
Hình 2.1. Sơ đồ ngun lí hoạt động của pin mặt trời plasmonics trạng thái rắn.
Dựa trên những cơ sở về lí thuyết như đã trình bày ở trên, chúng tơi đã chọn - thiết kế một cấu hình PMT plasmonic như được thể hiện trong Hình 2.1. Cấu trúc PMT plasmonic bao gồm một màng mỏng (khoảng 50 nm) TiO2 được phủ lên đế Glass/ITO(FTO) để tạo thành lớp block, lớp block này có vai trị chặn lỗ trống, đồng thời có thể truyền dẫn điện tử từ lớp hoạt động về phía điện cực FTO. Tiếp theo lớp block là lớp hoạt động (active layer) với cấu trúc Au/TiO2 để tạo thành điện cực hoạt động của pin (glass/FTO/TiO2/(Au/TiO2)). Điện cực đối là đế glass/ITO(FTO) khác được phủ lớp Pt. Giữa chúng là lớp màng PEDOT-PSS ở thể rắn đóng vai trị làm lớp dẫn lỗ trống từ điện cực đối sang điện cực hoạt động.
Nguyên tắc hoạt động: Khi PMT được chiếu sáng, các trạng thái plamon bề mặt (SP) trên hệ hạt nano Au được kích thích để tạo ra cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR). Q trình phân rã plasmon một phần sẽ kích thích để tạo cặp điện tử lỗ trống trực tiếp trong bán dẫn TiO2 (theo cơ chế truyền năng lượng plasmon do bởi sự tăng cường trường gần) và một phần sẽ tạo ra các điện tử và phun trực tiếp từ Au sang TiO2 (theo cơ chế truyền năng lượng plasmon do bởi quá trình phun hạt tải
trực tiếp). Theo báo cáo của R. Long và O. V. Prezhdo [24], điện tử xuất hiện bên trong TiO2 với xác suất cao (∼50 %) ngay lập tức khi có kích thích plasmonic. Trong 50 % trường hợp cịn lại, kích thích dải plasmon tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống trong hạt Au, và electron được chuyển đến bề mặt TiO2 với thời gian dưới 100 fs. Bên cạnh đó, khi so sánh một số loại PMT về hiệu suất sinh hạt tải và độ bền, các hạt nano Au được cho là tốt nhất (Bảng 2.1) [127].
Bảng 2.1. So sánh hiệu quả của một số loại PMT hoạt động trong 20 giờ, các hạt
nano Au có hiệu suất sinh hạt tải và độ bền là vượt trội so với các hạt nano Ag và Dye Z907 [127].
Loại Pin Hạt nano Au Hạt nano Ag Dye Z907
Cường độ bức xạ (mW.cm-2) 286 252 252 Dòng suy giảm sau 20 giờ bức xạ 29 % 42 % 58 %
Tổng số điện tử tạo ra trên 1 hạt 5,5.109 4,6.109 1,1.107 Trung bình số điện tử /hạt /giây 7,6.104 6,4.104 1,5.102
Hệ hạt Au/TiO2 cho thấy có tiềm năng lớn ứng dụng trong lĩnh vực PMT plasmonics. Tuy nhiên, đây là một lĩnh vực còn mới, các nghiên cứu chỉ là bước đầu nên hiệu suất của nó cịn chưa cao, đặc biệt là các PMT plasmonic trạng thái rắn. K. Yu và cộng sự [131] đã thử nghiệm các cấu trúc tế bào trạng thái rắn khác nhau trong đó các hạt nano Au tiếp xúc với TiO2 và các vật liệu dẫn lỗ trống (HTM) khác nhau, bao gồm poly (N-vinylcarbazole) (PVK), N, N′-bis (3-metylphenyl) -N, N′-diphenyl- [1,1′-biphenyl] -4,4′- diamine (TPD), CuI và CuSCN. Họ thu được Hiệu suất chuyển đổi quang điện (IPCE) tối đa rất thấp là 0,0024 % (với chất dẫn lỗ trống là PVK). Y. Takahashi và T. Tatsuma [129], [132] khi khảo sát cấu trúc gồm các hạt nano Au (Ag)/TiO2/ITO, đã cho thấy IPCE đạt được khoảng 0,4 % và 0,6 % tương ứng đối với các hạt nano Au và Ag.