Kính hiển vi điện tử quét là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật. Trong kính hiển vi điện tử quét, điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường...), sau đó được tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanômét) nhờ hệ thống thấu kính từ. Thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 0 kV đến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kính từ, việc hội tụ các chùm điện tử có bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn. Sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện. Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM không thể đạt được độ phân giải tốt như TEM. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này. Trong đó bức xạ tạo bởi các điện tử thứ cấp (secondary electrons) chính là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét. Chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với độ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu. Như vậy, chụp ảnh SEM là một trong những phương pháp rất hữu hiệu để nghiên cứu bề mặt của mẫu trong đó bức xạ tạo bởi các điện tử thứ cấp (secondary electrons) chính là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét. Chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với độ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu. Như vậy, chụp ảnh SEM là một trong những phương pháp rất hữu hiệu để nghiên cứu bề mặt của mẫu. Các ảnh SEM trong khóa luận này được đo trên kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường S - 4800 (hãng Hitachi - Nhật) thuộc Viện Khoa học Vật liệu, với độ phóng đại của hệ có thể lên đến 800.000 lần.
• Phổ hấp thụ UV-Vis
Phổ hấp thụ được đo bằng máy quang phổ UV-Vis OPTIZEN 2120 của Phòng phân tích - Viện hóa học. Máy quang phổ UV-VIS-NIR (ultraviolet-visible-near infrared
ranges spectrophotometer) sử dụng ánh sáng trong vùng tử ngoại gần, vùng khả kiến và vùng hồng ngoại gần.
Để xác định phổ hấp thụ của mẫu (dung dịch, khối, màng mỏng..) ta tiến hành thực hiện phép đo cường độ ánh sáng truyền qua mẫu và sẽ tính được cường độ ánh sáng bị hấp thụ do mẫu đo.
Cường độ ánh sáng bị hấp thụ bởi mẫu xác định: IS = I0 – IG
Để thu được phổ hấp thụ của mẫu, bước sóng ánh sáng tới sẽ được quét từ vùng hồng ngoại gần tới vùng tử ngoại gần (UV-VIS-NIR). Bước sóng mà tại đó IS thu được là nhỏ nhất chính là bước sóng mà hấp thụ của mẫu là cực đại, bước sóng này là đặc trưng cho từng mẫu.
Hệ số hấp thụ của mẫu được xác định bằng công thức:
. OD c d ε = Trong đó: - ε là hệ số hấp thụ. - OD là mật độ quang ánh sáng tới. - c là nồng độ dung dịch.
- d là độ dày của cuvett.
• Đặc trưng J-V
Hiệu suất chuyển đổi quang được đo với một chiếc đèn (450W, Oriel) mô phỏng ánh sáng mặt trời (AM = 1.5). Nguồn ánh sáng cung cấp cho mẫu là 100 mW/cm2. Máy được sử dụng là Keithley model 2400 digital do hãng Keithley ở USA sản xuất.
• Đo dòng và thế tức thời của pin năng lượng mặt trời
Sử dụng đồng hồ vạn năng để đo dòng điện và hiệu điện thế tức thời của pin năng lượng mặt trời.
4.1.3. Chế tạo DSSC
Ta có thể miêu tả quá trình chế tạo một DSSC hoàn chỉnh qua Hình 4-5:
Hình 4-5: Mô hình chế tạo 1 pin mặt trời hữu cơ
Hình 4-6: Sơ đồ quy trình chế tạo 1 pin DSSC
4.1.3.1. Tạo màng xốp TiO2 trên đế FTO
Các tấm FTO đã được cắt theo kích thước trên được làm sạch bằng dung dịch acetone hoặc ethanol tinh khiết, sau đó lấy các tấm FTO ra khỏi dung dịch acetone và đưa
Tạo lớp điện cực TiO2 : Anode
Tạo màng xốp TiO2 trên FTO
Hấp phụ chất màu vào màng TiO2
Tạo điện cực đối: Cathode
Tạo lớp Platin trên FTO
Ghép hai điện cực
Bơm dung dịch điện ly
vào lò sấy khô ở nhiệt độ 1000C. Chú ý phải sử dụng kẹp để di chuyển không được dùng tay tiếp xúc trực tiếp vào các tấm FTO để tránh tránh để lại dấu vân tay và bụi bẩn trên bề mặt tấm FTO.
Tạo màng TiO2 trên đế FTO
Sử dụng 0.11g bột TiO2 P25, pha thêm 8ml dung dịch ethanol sau đó nghiền trong cối mã não cho đến khi hỗn hợp thật đều và mịn. Lúc này hỗn hợp là một chất keo dẻo. Lưu ý, trong quá trình nghiền phải thật đều tay, tránh hiện tượng tạo bọt, đóng váng khô điều này rất ảnh hưởng đến việc phủ lớp màng TiO2 lên tấm kính FTO. Nếu bị tạo bọt thì khi phủ TiO2 lên tấm kính FTO thì lớp màng xốp sẽ không đều do các vị trí có bọt tạo thành các lỗ thủng không mong muốn trên lớp màng TiO2.
Do tấm FTO chỉ có một mặt dẫn điện nên cần dùng đồng hồ đo điện để xác định mặt dẫn điện của tấm. Sau đó dùng băng keo dán lên hai bên của tấm FTO cách nhau 1 cm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Quá trình phủ TiO2 lên tấm kính FTO: nhỏ một giọt hỗn hợp mà ta vừa có được vào tấm kính FTO. Dùng chiếc đũa thủy tinh gạt hỗn hợp trên tấm kính sao cho thật đều. Đợi 5 phút sau đó bóc băng dính ra rồi đem sấy khô ở 100oC trong vài phút. Tiếp theo, loại bỏ lớp TiO2 không cần thiết, chỉ để lại một diện tích 0.25 mm2 trên tấm kính.
Hình 4-7: Màng TiO2 phủ trên tấm kính FTO.
Nung mẫu để tạo màng xốp TiO2 trên đế FTO
Mẫu sau khi sấy khô sẽ được đem nung trong lò tới nhiệt độ 4500C trong vòng 45 phút. Các giai đoạn nung như sau:
- từ nhiệt độ phòng lên 1500C, giữ trong 10 phút. - từ 1500C tới 2500C, giữ trong 10 phút.
- từ 2500C tới 4500C, giữ trong 15 phút sau đó lấy mẫu ra.
Chúng ta chia giai đoạn trong khi nung là để có thể tạo được lớp màng TiO2 có độ xốp tốt nhất. Nếu gia nhiệt quá nhanh thì lớp màng mỏng có thể bị rạn nứt và độ xốp rất kém. Ngược lại, nếu quá trình tăng nhiệt quá chậm thì lớp màng lại quá mịn do quá trình tự sắp xếp phân tử của TiO2 và cũng tốn rất nhiều thời gian. Như vậy tìm một quy trình nung hợp lý là một điều rất quan trọng và với quy trình nung ở trên thu được lớp màng TiO2 có độ xốp và tính chất cơ lý tốt rất tốt.
4.1.3.2. Hấp phụ chất mầu nhạy sáng vào màng TiO2
Đầu tiên là pha dung dịch chất mầu nhạy sáng (pha chất màu N3 và dùng 3 chất màu mới hoàn toàn: Rut-B1, HMP-11 và HMP-12), pha 10 mg mỗi loại chất màu N3, Rut-B1, HMP-11 và HMP-12 lần lượt vào từng cốc chứa 50 ml dung dịch (DMF) 99%. Dùng đũa thủy tinh khuấy kỹ và đợi cho chất mầu tan hết.
Tiếp theo, ngay sau khi nhấc mẫu phủ màng TiO2 ra khỏi lò nung, đợi cho đến khi mẫu đang ở nhiệt độ 850C thì cho mẫu vào dung dịch chất mầu nhạy sáng đã pha sẵn.
Hình 4-8: Thấm màu cho lớp màng TiO2
Không nên để mẫu quá nóng, bởi vì nếu thế thì khi cho mẫu vào dung dịch chất màu nhạy sáng thì màng TiO2 sẽ bị rạn, bong tróc, thậm chí mẫu có thể bị rạn nứt. Còn nếu để nguội thì hơi nước ngoài không khí có thể dễ dàng xâm nhập vào lớp màng xốp TiO2 và gây ảnh hưởng rất xấu đến DSSC. Sau khoảng thời gian 24h thì nhấc mẫu ra. Sau khi
nhấc mẫu đã ngâm chất màu ra thì tráng qua bằng ethanol để loại bỏ phần chất màu dư trên bề mặt. Hình 4-9 mô tả quá trình trên:
a) b)
Hình 4-9: Màng TiO2 trước (a) và sau khi được thấm màu (b)
4.1.3.3. Tạo điện cực đối
Rửa sạch tấm FTO bằng acetol, sau đó sấy khô. Dùng muối keo Platin phủ một lớp mỏng lên mặt dẫn điện của kính FTO. Tiếp theo, nung tấm kính ở 4500C trong vòng 30 phút để các thành phần và dung môi của keo Platin bay hơi và phân hủy hết và để lại Platin bám trên bề mặt của tấm kính FTO. Để mẫu nguội, rồi ta thực hiện bước tiếp theo.
4.1.3.4. Ghép hai điện cực
Dùng hỗn hợp chất keo epoxy dùng trong pin mặt trời hữu cơ. Trộn hai thành phần của hỗn hợp theo tỷ lệ như trong hướng dẫn. Sau khi trộn thì dùng hỗn hợp này để gắn hai tấm kính FTO phủ lớp TiO2 và hấp phụ chất màu với tấm FTO phủ lớp Platin. Để một khoảng cách nhỏ ở giữa hai thành phần của pin và để hai khe nhỏ dùng cho việc bơm dung dịch điện ly. Sau khi ghép hai tấm điện cực thì để trong tủ kín khoảng vài giờ đến khi chất keo khô hoàn toàn.
4.1.3.5. Bơm dung dịch điện ly
Sử dụng một chiếc xi lanh nhỏ bơm dung dịch điện ly vào một trong hai khe hở đã để sẵn. Nhờ hiện tượng mao dẫn, dung dịch điện ly sẽ đi vào khe giữa 2 tấm kính. Bịt kín
hai đầu để hở. Như vậy, ta đã có một tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ sử dụng chất màu nhạy sáng.
Hình 4-10: Một pin mặt trời hoàn thiện
Pin đã chế tạo hoàn thiện được đem đo đặc trưng quan trọng I-V dưới điều kiện ánh sáng tự nhiên lúc trưa.