CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VẬT LIỆU
4.1. Kết quả chế tạo thử nghiệm pin mặt trời plasmonics Au/TiO2
4.1.1. Khảo sát đặc tính quang - điện của các điện cực trong suốt FTO vàITO khi ủ nhiệt trong các môi trường khác nhau ITO khi ủ nhiệt trong các môi trường khác nhau
Phổ truyền qua của các màng ITO và FTO được đo khảo sát và minh họa trong Hình 4.1, các kết quả thu được từ các màng ITO và FTO cho thấy rằng các đế glass/FTO có độ truyền qua tốt hơn glass/ITO trong dải bước sóng 400 - 500 nm. Tuy nhiên, màng ITO hoạt động tốt hơn trong dải bước sóng 500 - 600 nm. Do đó, độ truyền qua trung bình của chúng khơng chênh lệch nhiều (khoảng 84,86 %). Ngược lại, các biểu đồ về giá trị điện trở mặt được chèn vào trong Hình 4.1 xác
nhận rằng điện trở của FTO hầu như không thay đổi, nhưng kết quả lại thay đổi nhiều trong trường hợp của màng ITO.
Hình 4.1. Phổ truyền qua của màng ITO và FTO và hình chèn vào mơ tả điện trở
mặt của các màng.
Hình 4.1 là phổ truyền qua của màng ITO và FTO trong những điều kiện ủ ở
các môi trường khác nhau (các ký hiệu 0, Ar, Va và Am biểu thị một cách tương ứng
khi mẫu không ủ, ủ trong khí trơ Ar, trong chân không (Va) và trong khơng khí (Am)); Hình chèn vào là giá trị điện trở mặt của chúng.
Điều đáng chú ý là trong trường hợp khơng ủ, màng ITO có điện trở nhỏ hơn nhiều so với màng FTO (tương ứng là 6 Ω/□ và 14 Ω/□). Kết quả này có thể được giải thích là do nồng độ điện tử tự do trong vùng dẫn của ITO cao hơn FTO bởi các lí do sau: (i) số lượng nút khuyết ơ xy của ITO cao hơn FTO và (ii) độ hòa tan của Sn trong In2O3 tốt hơn của F trong SnO2. Khi các màng được ủ trong mơi trường khí
Argon, điện trở của màng ITO vẫn nhỏ hơn màng FTO (9 Ω/□ so với 14 Ω/□). Tuy nhiên, khi chúng được ủ trong môi trường chân không thấp, điện trở màng ITO cao hơn (19 Ω/□ so với 15 Ω/□) và cao hơn gần gấp đôi nếu chúng được ủ trong mơi trường khơng khí (27 Ω/□ so với 15 Ω/□). Những kết quả này cho thấy nên sử dụng màng ITO làm điện cực trong trường hợp khơng ủ hoặc ủ trong khí trơ. Ngược lại, nếu ủ trong mơi trường khơng khí thơng thường, màng FTO nên được sử dụng. Bởi vì các mẫu nghiên cứu của chúng tơi đều phải trải qua q trình ủ, nên chúng tơi lựa chọn sử dụng FTO làm điện cực quang trong các nghiên cứu tiếp theo.
4.1.2. Nghiên cứu phát triển quy trình cơng nghệ chế tạo thử nghiệm
4.1.2.1. Cấu hình PMT plasmonic dùng trong chế tạo thử nghiệm
Hình 4.2. Sơ đồ pin mặt trời chế tạo thử nghiệm với cấu hình glass/FTO/TiO2/
(Au/TiO2-Dye)/PEDOT:PSS/Pt/FTO/glass (bên trái) và glass/FTO/TiO2/(Au/TiO2- Dye)/ PEDOT:PSS/Ag (bên phải)
Trong luận án này chúng tôi đã chế tạo thử nghiệm mẫu pin mặt trời theo 2 cấu hình như mơ tả trong Hình 4.2 và một số hình ảnh chụp mẫu chế tạo thể hiện trong Hình
4.3.
+ Cấu hình 1: glass/FTO/TiO2/(Au/TiO2-Dye)/PEDOT:PSS/Pt/FTO/glass
Bước 1: Đế FTO cắt thành các phiến với kích thước 1 cm x 1,5 cm sau đó làm sạch bằng nước decon 90 (5 %), nước cất, aceton, cồn và cuối cùng là nước cất.
Bước 2: Dùng băng dính chân khơng (băng dính nhiệt) dán che 1 phần của đế FTO (phần này dùng để tạo contact ra bên ngoài).
Bước 3: Phún xạ một lớp Ti (khoảng 50 nm) lên trên các điện cực này, sau đó gỡ bỏ băng dính và cho vào lị ủ nhiệt (mơi trường khơng khí) ở nhiệt độ 450 oC trong 1 h để tạo lớp màng mỏng TiO2 (block layer). Dưới điều kiện nhiệt độ cao, Ti
sẽ bị ơ xi hố để tạo thành TiO2.
Ti + O2 (trong không khí) → TiO2 (4.1) Bước 4: Sau khi tạo được lớp Block layer, phần để hàn điện cực lại được dùng băng dính để che đi, sau đó tiến hành quay phủ dung dịch Au (0,1 – 10 %)/TiO2 lên trên các lớp này. Chiều dầy lớp màng Au/TiO2 được điều chỉnh thông qua số lần quay phủ. Loại bỏ lớp băng dính che điện cực và tiến hành ủ nhiệt ở 450
oC (mơi trường khơng khí) trong 30 phút.
Bước 5: Các điện cực Au/TiO2 sau khi chế tạo được ngâm trong dung dịch chất màu (Dye – N719 , 0,5 mM) trong khoảng 12 giờ để các phân tử chất mầu ngấm sâu vào trong lớp Au/TiO2. Sau khi ngâm, điện cực làm việc được lấy ra, rửa
nhẹ bằng cồn và được dùng ngay để ghép thành pin.
Bước 6: Chế tạo điện cực đối FTO/Pt: Đế glass/FTO được làm sạch, sau đó nhỏ dung dịch Chloroplatinic acid (H2PtCl6 5mM) trong propanol theo tỉ lệ 5 µl/1cm2, để bay hơi hết dung môi, đem ủ ở nhiệt độ ở 450 oC trong 30 phút. Quá trình nhiệt phân được diễn ra theo quá trình tăng của nhiệt độ theo loạt các phương trình sau:
(H3O)2PtCl6·nH2O → PtCl4 + 2 HCl + (n + 2) H2O (4.2)
PtCl4→PtCl2+Cl2 (4.3)
Hình 4.3. Một số mẫu pin Mặt trời đã chế tạo. (a) dựa trên Cấu hình 1 và (b) dựa
trên Cấu hình 2.
Bước 7: Quá trình ghép Pin được tiến hành như sau: Điện cực làm việc và điện cực đối được đặt song song sao cho phần đế glass hướng ra ngoài và hai mặt làm việc đối diện với nhau được đặt cách nhau một khoảng nhỏ, sau đó dùng keo cố định lại. Tiếp theo dung dịch PEDOT:PSS được tiêm đầy vào khoảng trống giữa hai điện cực làm việc rồi đặt vào trong tủ sấy ở 130 oC trong 10 phút.
Bước 8: Dùng keo bạc hàn dây điện lần lượt vào điện cực làm việc và điện cực đối để thu được một pin hồn chỉnh.
+ Cấu hình 2: glass/FTO/TiO2/(Au/TiO2-Dye)/PEDOT: PSS/Ag
Bước 1: Chuẩn bị điện cực FTO: Cắt nhỏ đế FTO thành các phiến 1 cm x 1,5 cm. Dùng băng dính nhiệt gắn lên bề mặt FTO và để thừa ra một phần khoảng 0,2 cm. Tiếp theo dùng bột Zn và axit HCl để ăn mòn lớp FTO ở phần đế thừa ra ở trên. Cuối cùng làm sạch đế FTO theo quy trình đã được trình bày trong các phần trước.
Bước 2 đến Bước 4: Làm giống như Bước 2 đến Bước 4 trong Cấu hình 1, chỉ khác là phần đế FTO đã bị ăn mòn cũng được dán băng dính che đi trong q trình chế tạo điện cực làm việc.
Bước 5: Dùng băng dính nhiệt dán để che hai đầu điện cực (một đầu là phần FTO đã bị ăn mòn, và một đầu là phần đế glass/FTO để thừa ra để hàn contact). Quay phủ một lớp PEDOT:PSS (khoảng 200 – 500 nm) lên bề mặt điện cực làm việc đã được chuẩn bị ở Bước 4. Cho mẫu vào tủ sấy ở 130 oC trong 10 phút.
Bước 6: Bỏ lớp băng dính che phần FTO đã bị ăn mịn. Dùng một chiếc mặt nạ (mask) che lên điện cực làm việc. Mặt nạ được thiết kế một cửa sổ hình trịn đường kính 3 cm và một khe hẹp dẫn ra một khoảng trống hình chữ nhật. Đặt mặt nạ sao cho hình trịn nằm chính giữa của điện cực làm việc và phần hình chữ nhật nằm trùng với
phần FTO đã bị ăn mòn trên đế glass. Đưa vào máy bốc bay chân không để bốc bay một lớp Ag (khoảng 500 nm) lên trên bề mặt mask. Cuối cùng tháo mặt nạ, gỡ băng dính và làm sạch cẩn thận các phần contact để thu được mẫu pin thử nghiệm.
4.1.3. Kết quả đo một số thông số quang điện trên mẫu PMT chế tạo thử nghiệm
Một số kết quả đo đặc trưng I-V tối sáng trên hệ thống mô phỏng năng lượng mặt trời ORIEN SOL 1A lớp ABB (thiết bị dùng một đèn xenon và tấm lọc đặc biệt để tạo ra một nguồn sáng có phổ gần giống phổ năng lượng mặt trời) của một số mẫu pin chế tạo thử nghiệm ban đầu với cấu trúc glass/FTO/(Au/TiO2-Dye)/
PEDOT:PSS/Pt/FTO/glass được biểu thị trên Hình 4.4. Trong đó các PMT được kí hiệu lần lượt là Cell-0, Cell-1, Cell-2, Cell-3 tương ứng với các mẫu có tỉ lệ Au khác nhau lần lượt là 0 %, 1 %, 2% và 5%.
Hình 4.4. Đặc trưng I-V của một số cell đã chế tạo thử nghiệm.
Các thông số cụ thể của pin được liệt kê trong Bảng 4.1. Trong đó VOC, ISC, JSC, Imax, Vmax lần lượt là thế hở mạch, cường độ dòng ngắn mạch, mật độ dòng ngắn
mạch, cường độ dòng điện tối đa và hiệu điện thế lớn nhất giữa hai cực của pin.
Bảng 4.1. Một số thông số đo thực nghiệm trên một số mẫu pin full-cell với cấu
Mẫu Voc (V) Isc (A) Jsc (mA/cm2) Imax (A) Vmax (V) Pmax (mW) HS điền đầy Hiệu suất (%) Cell-0 0,55 0,00162 4,24 0,00126 0,444 0,55998870 62,3 1,47 Cell-1 0,61 0,00173 4,51 0,00141 0,526 0,74322866 69,2 1,95 Cell-2 0,62 0,00184 4,81 0,00145 0,516 0,74966762 65,0 1,97 Cell-3 0,63 0,00188 4,89 0,00128 0,536 0,68917274 58,1 1,81
Từ các kết quả thu được biểu thị trong Hình 4.4 và Bảng 4.1 có thể thấy rằng một số mẫu pin chúng tơi chế tạo thử nghiệm đã cho thấy sự tăng cường về dịng quang điện của những mẫu pin có các hạt Au - Dye (glass/FTO/(Au/TiO2-Dye)/ PEDOT:PSS/Pt/FTO/glass) so với những mẫu khơng có Au chỉ có Dye (glass/FTO/ (TiO2-Dye)/PEDOT:PSS/Pt/FTO/glass. Hiệu suất của các mẫu chế tạo thử nghiệm này cỡ khoảng 1,4 – 2 %. Giá trị hiệu suất đã đạt được nằm trong khoảng giá trị trung bình so với một số kết quả đã cơng bố trên các tạp chí quốc tế [126, 127, 129].