CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VẬT LIỆU
3.4. Nghiên cứu đặc tính quang điện hố của màng Au/TiO2
3.4.3. Sự tăng cường hiệu suất chuyển đổi quang điện bởi các hạt nano
Trên Hình 3.32 (a) và (b) lần lượt là phổ quét thế tuyến tính và hiệu suất chuyển đổi quang điện của các điện cực TiO2 (màu đỏ) và Au/TiO2 (màu xanh). Các
điện cực này được chế tạo trong những điều kiện tương tự nhau và được ủ trong mơi trường khơng khí tại nhiệt độ 450 oC trong 90 phút. Nồng độ Au (trong mẫu Au/TiO2) là 40
% về khối lượng.
Từ Hình 3.32 (a) có thể thấy rằng mật độ dòng tối đa đạt được đối với điện cực Au/TiO2 là khoảng 0,36 mA/cm2, lớn hơn đáng kể khi so với mật độ dòng tối đa đạt được của mẫu TiO2 (khoảng 0,21 mA/cm2). Sự tăng cường mật độ dịng quang điện đối với các điện cực có sự có mặt của các hạt nano Au thể hiện đặc tính truyền năng lượng cộng hưởng plasmonics từ các hạt nano Au sang TiO2 qua một số cơ chế như đã được trình bày trong chương 1 của luận án. Với cấu hình như mẫu nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi cho rằng ở đây cơ chế truyền năng lượng do bởi sự tăng cường trường gần bởi các hạt nano Au và cơ chế phun hạt tải trực tiếp từ Au sang TiO2 cùng đóng góp vào sự tăng cường dịng quang điện này. Hình 3.32 (b) là đường mơ tả hiệu suất chuyển đổi quang điện của các điện cực Au/TiO2 (hiệu suất cực đại là 0,17 %) và TiO2 (hiệu suất cực đại là 0,15 %). Hiệu suất được tăng cường của mẫu có Au khi so sánh với mẫu khơng có Au là khoảng 13,3 % (tăng từ 0,15 % lên 0,17
cao (nằm ở mức trung bình so với các cơng bố đã đề cập trong chương 1 của luận án). Trong thời gian tới chúng tơi sẽ cải tiến cấu hình PMT cũng như thay đổi một số phương pháp chế tạo (đặc biệt là lớp dẫn điện tử TiO2) để nhằm nâng cao hơn
nữa hiệu suất chuyển đổi quang - điện trên hệ vật liệu Au/TiO2.
Hình 3.32. Phổ qt thế tuyến tính (a) và Hiệu suất chuyển đổi quang – điện của các
màng TiO2 và Au/TiO2.
Kết luận chương 3
Trong chương này, phần kết quả chính của luận án liên quan đến việc chế tạo và khảo sát một số tính chất của vật liệu TiO2 và Au/TiO2 đã được trình bày. Một số kết luận có thể rút ra như sau:
- Màng TiO2 được chế tạo có chiều dày khoảng 700 – 1400 nm, với cấu trúc chủ yếu là pha anatase (chiếm khoảng 80 %). Độ rộng vùng cấm của nó khoảng 3,17 – 3,26 eV (được tính từ giản đồ Tauc) và có hai đỉnh huỳnh quang tại 3,00 và 2,40 eV tương ứng với các mức tái hợp của điện tử từ vùng dẫn và mức khuyết ơ xy về vùng hóa trị. Kĩ thuật ủ nhiệt là một phương pháp có thể làm thay đổi nồng độ khuyết ô xy trong vật liệu TiO2. Bằng cách ủ
nhiệt trong mơi trường chân khơng, có thể làm tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện của các màng TiO2 khi so sánh với các màng ủ trong mơi trường
khơng khí thơng
thường do sự tăng lên của nồng độ khuyết ô xy trong vật liệu TiO2. (Kết quả này công bố tại J. Electron. Mater., 50 (11), 2021.
- Dung dịch Au/TiO2 đã được chế tạo bằng phương pháp hóa khử với kích thước của các hạt nano Au đạt được nằm trong khoảng 3 – 20 nm và kết tinh dưới dạng tinh thể chủ yếu định hướng theo mặt (111). Bằng sự thêm vào của chất hoạt động bề mặt PVP và tốc độ cho vào của chất khử NaBH4, chúng tơi
có thể kiểm sốt được nồng độ và kích thước của các hạt nano Au. Dung dịch Au/TiO2 thể hiện rõ ràng đặc tính cộng hưởng plasmon khi suất hiện đỉnh hấp thụ nằm trong khoảng 500 – 600 nm (được cho là vùng đỉnh hấp thụ plasmon của các hạt nano Au). Kết quả này được công bố trong bài J Mater
Sci: Mater Electron 27, 11379–11389, 2016.
- Đỉnh phổ hấp thụ của màng Au/TiO2 đối với mẫu có sử dụng PVP khi chế tạo có sự dịch chuyển về phía bước sóng xanh so với mẫu khơng sử dụng PVP, điều đó do sự tồn tạo của lớp màng PVP bao quanh các hạt nano Au/TiO2. Tuy nhiên các màng này khi ủ đến nhiệt độ 450 oC thì đỉnh hấp thụ của các mẫu có và khơng có PVP khơng lệch nhau cho thấy màng bọc PVP đã bị phân huỷ hoàn toàn ở nhiệt độ 500 oC. Kết quả này được công bố trong bài J
Mater Sci: Mater Electron 28, 2075–2085, 2017.
- Kĩ thuật xử lí nhiệt có vai trị quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện của vật liệu TiO2. Tuy nhiên sự có mặt của các hạt
nano Au khiến cho quá trình truyền dẫn điện tử xảy ra phức tạp hơn khi có sự cạnh tranh của hai q trình ngược nhau đó là các hạt nano Au vừa làm tăng các hạt tải trong TiO2 nhờ quá trình truyền năng lượng cộng hưởng plasmon đồng thời các hạt nano Au lại hoạt động như các tâm bắt hạt tải điện của TiO2. Do vậy, trong một điều kiện cụ thể nao đó, các hạt nano Au có thể làm tăng hoặc làm giảm hiệu suất chuyển đổi quang của vật liệu bán dẫn TiO2
liền kề. Kết quả này được công bố trong bài Materials Science in
Semiconductor Processing, 127, 105714, 2021.
- Hiệu suất chuyển đổi quang điện của các điện cực có chứa Au/TiO2 tăng
khoảng 13% khi so sánh với các điện cực chỉ có TiO2. Sự tăng cường hiệu suất này có thể đến từ cả hai cơ chế truyền năng lượng plasmon là cơ chế tăng cường trường gần và cơ chế phun hạt tải trực tiếp.
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM PIN MẶT TRỜI PLASMONICS VÀ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CẤU HÌNH TÍCH HỢP
/a-Si/Au NPs/(Au/TiO2)