1.4. Phương pháp chế tạo màng Au/TiO2 và ứng dụng của nó trong pin mặt
1.4.3.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Hình 1.20. Mơ hình và ảnh SEM bề mặt của các hạt nano Au trên bề mặt màng
thanh TiO2 chế tạo bằng phương pháp chiếu tia UV màng TiO2 sau khi nhúng vào dung dịch tiền chất HAuCl4 (phải) [110].
Bảng 1.3. Hiệu suất đạt được của một số màng Au(Ag)/TiO2
Vật liệu Phương pháp Hiệu suất TLTK
Au NPs/TiO2 film Self-assembly IPCE=1 % [127] Ag NPs/TiO2 film Self-assembly IPCE=0,5 % [127] Au NPs/TiO2 NRs Khử HAuCl4 bằng tia UV η = 0,94 % [110] Au NPs/TiO2 film Khử HAuCl4 bằng tia UV η = 1,27 % [126] Au NPs/TiO2 film Ngâm màng TiO2 trong dd Au NPs IPCE=1 % [18] Ag NPs/TiO2 film Ngâm màng TiO2 trong dd Ag NPs IPCE=4,1 % [18] Au NPs/TiO2 film Electrodeposite η = 0,014 % [129] Au NPs/TiO2 film Vapor deposite η = 0,016 % [129]
Au NPs/ZnO NRs Khử HAuCl4 bằng Na3C6H5O7 trong dd
chứa ZnO NRs η = 0,017 % [111] Au NPs/TiO2 film Foundry processes η = 0,2 % [17]
Để chế tạo màng Au/TiO2, phương pháp khá phổ biến là màng TiO2 được chế tạo trước, sau đó ngâm vào dung dịch có chứa các hạt nano Au hoặc dung dịch tiền chất của nó là HAuCl4 rồi chiếu tia UV để tạo ra hạt nano Au trong nền TiO2 [84], [97], [110], [126], [128]. Phương pháp này là một ý tưởng hay, nhưng vẫn còn nhược điểm như: một số tạp chất cịn lưu lại trong màng, khơng thể điều khiển được tỉ lệ phần trăm Au trong màng và độ thấm sâu của Au vào trong các màng TiO2 có độ dày cao là rất khó. Để khắc phục những nhược điểm đó, một số phương pháp mang tính chủ động hơn trong việc kiểm soát nồng độ Au trong màng TiO2 đã được khảo sát. Ví dụ như, các phương pháp lắng đọng bao gồm lắng đọng chân không (vapor deposit), mạ điện (electrodeposit) hay sử dụng quy trình đúc (foundry process), quy trình tự liên kết (self-assembly) để tạo ra từng lớp Au trên bề mặt TiO2 và kiểm sốt nồng độ của Au thơng qua số lần cũng như các thông số lắng đọng [17], [25], [125], [127], [129]. Tuy nhiên chưa mang lại hiệu quả cao do các hạt nano Au không được phân bố đều trong tồn bộ thể tích của màng mà chỉ tạo thành các lớp làm cho tác dụng của sự tăng cường trường gần là rất hạn chế, khả năng phun hạt tải trực tiếp từ Au sang TiO2 cũng khơng cao, khơng những thế với cấu hình như vậy, những cặp hạt tải được sinh ra rất khó để về được đến điện cực. Phương pháp được cho là khả dĩ hơn, đó là chế tạo hạt nano Au sau đó trộn nó với TiO2 hoặc chế tạo hạt nano Au
trong mơi trường có chứa TiO2, sau đó tạo màng từ dung dịch có chứa các hạt nano Au/TiO2 [86], [106], [108], [113], [128], [130]. Với cách làm này, người ta có thể kiểm sốt rất tốt nồng độ Au cũng như hình dạng và kích thước của nó, tuy nhiên sự phân bố đều của các hạt Au và khả năng tiếp xúc tốt giữa nó với TiO2 còn nhiều hạn chế. Mặc dù hệ hạt Au/TiO2 cho thấy có tiềm năng lớn trong các ứng dụng về PMT, tuy nhiên hiệu suất của nó vẫn cịn khá thấp như được chỉ ra trong Bảng 1.3.
Trong Hình 1.21, (a) Quy trình chế tạo dung dịch Au:TiO2 khi khuếch tán các hạt nano Au (được chế tạo từ lá cây Phyllanthus Embilica) vào dung dịch TiO2 [106]. (b và c) Ảnh TEM và SEAD của hệ hạt Au-Ag@TiO2 được chế tạo bằng cách khử tiền chất của Au và Ag bằng NaBH4 trong dung dịch có chứa TiO2 [86].
Hình 1.21. Quy trình chế tạo hệ hạt Au-Ag@TiO2 (a) và kết quả đo TEM (b),
SEAD (c) [86]
b)
a)
PMT plasmoinc trạng thái rắn cịn tồn tại một số khó khăn và thách thức nên hiệu suất của nó cịn rất thấp (khoảng trên dưới 1%), để nâng cao hiệu suất một số vấn đề chính cần quan tâm như sau:
- Tối ưu hóa sử dụng các vật liệu dùng trong PMT, chế tạo ra các cấu trúc plasmonics có đặc tính tốt (thí dụ đối với hệ Au/TiO2 có thể điều khiển được kích thước và tỷ lệ các hạt nao Au trong cấu hình, nghiên cứu để hiếu được các tác động của quy trình cơng nghệ và các điều kiện mơi trường ủ nhiệt lên tính chất của cấu hình plasmonics …).
- Cần nghiên cứu phát triển công nghệ tối ưu nhằm chế tạo các vật liệu, cấu hình tạo nên PMT có tính chất quang điện thích hợp.
- Tối ưu hóa thiết kế nhằm nâng cao hiệu suất của PMT.
- Có thể tích hợp cấu trúc plasmonics khác nhau vào PMT tạo ra loại PMT plasmonic cải tiến (the modified plasmonics Solar cell).
Trong luận án này sẽ quan tâm nghiên cứu một vài khía cạnh nêu trên.
Kết luận chương 1
- Đã nghiên cứu tổng quan các khía cạnh về cấu trúc plasmonics Au/TiO2 và ứng dụng của chúng trong chế tạo PMT plasmonics.
- Một PMT được tích hợp thêm cấu trúc plasmon được gọi là PMT plasmonics. Cấu trúc plasmon có thể được tích hợp ở mặt trước, mặt sau hoặc có thể được tích hợp vào các lớp hoạt động (lớp dẫn điện tử, dẫn lỗ trống) của pin. Các PMT được tích hợp cấu trúc plasmon có thể làm tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện phổ biến từ 10 - 30% (thậm chí có thể lớn hơn) khi so sánh với loại chưa được tích hợp. Sự tăng cường hiệu suất trong PMT plasmonics chủ yếu đến từ việc truyền năng lượng plasmon từ kim loại sang bán dẫn.
- Trên thế giới, nghiên cứu về PMT plasmonics thể rắn dựa trên hệ hạt nano Au(Ag)/TiO2 vẫn còn trong giai đoạn ban đầu hiện đang cịn có nhiều khó khăn thách thức nên hiệu suất đạt được cịn rất thấp (từ 0,01 – 1 %). Trong khi đó, ở Việt Nam hầu như chưa có những nghiên cứu về PMT plasmonics với cấu trúc lõi là Au/TiO2. Vì vậy luận án này đã chọn và tập trung nghiên cứu một số vấn đề về khoa học và phát triển công nghệ trong lĩnh vực này.