I. Tổng quan về vật liệu TiO2
Ôxít TiO2 được xem là một trong những vật liệu bán dẫn quan trọng với vùng cấm rộng (Eg = 3.2 eV). Khi chế tạo dưới dạng nano, TiO2 thể hiện nhiều tính chất hóa học và vật lý đặc biệt, được ứng dụng rộng rãi trong quang xúc tác, chế tạo sensơ, và các linh kiện điện sắc. Cấu trúc của TiO2 bao gồm các dạng thù hình như rutile, anatase và brookite. Trong đó, anatase được biết đến với hoạt tính quang hóa mạnh nhất. Việc nghiên cứu cấu trúc và tính chất của TiO2 không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các ứng dụng trong năng lượng tái tạo, đặc biệt là trong chế tạo pin mặt trời nhạy quang. Theo nghiên cứu, việc thay đổi kích thước và hình dạng của các hạt nano TiO2 có thể làm tăng hiệu suất làm việc của các linh kiện, từ đó tạo ra những sản phẩm pin mặt trời giá rẻ và hiệu quả hơn.
1.1 Cấu trúc của TiO2
Cấu trúc của TiO2 được hình thành từ các nguyên tử ôxy và titan sắp xếp theo dạng bát diện. Các dạng thù hình của TiO2 bao gồm rutile, anatase và brookite, trong đó rutile là dạng bền nhất với độ rộng khe năng lượng 3.02 eV. Anatase có hoạt tính quang hóa mạnh mẽ hơn với độ rộng khe năng lượng 3.23 eV. Brookite, mặc dù có một số tính chất ưu việt, nhưng không được xem xét trong nghiên cứu này do hoạt tính quang hóa yếu. Việc hiểu rõ cấu trúc của TiO2 là rất quan trọng để tối ưu hóa các ứng dụng trong quang xúc tác và năng lượng mặt trời.
1.2 Tính chất điện của tinh thể nano TiO2
Tính dẫn điện của tinh thể nano TiO2 được nghiên cứu thông qua việc tiếp xúc với dung dịch điện phân. Các nghiên cứu cho thấy rằng độ dẫn điện của TiO2 phụ thuộc vào cấu trúc và kích thước của hạt nano. Khi màng TiO2 có độ xốp cao, khả năng dẫn điện cũng tăng lên. Đặc biệt, các nghiên cứu cho thấy rằng tính chất điện của TiO2 có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh áp suất ôxy và nhiệt độ. Điều này mở ra khả năng ứng dụng TiO2 trong các linh kiện điện tử và pin mặt trời, nơi mà tính dẫn điện là yếu tố quyết định hiệu suất.
II. Thực nghiệm
Phương pháp chế tạo màng mỏng TiO2/CdS nano được thực hiện thông qua công nghệ bốc bay kết hợp ủ nhiệt. Phương pháp này cho phép tạo ra màng TiO2 với độ đồng nhất cao và khả năng điều chỉnh kích thước hạt nano. Các mẫu được chế tạo sẽ được phân tích bằng các phương pháp như kính hiển vi điện tử quét (SEM), phép đo phổ hấp thụ và đo đặc trưng quang điện hóa. Việc sử dụng các phương pháp này giúp đánh giá chính xác các tính chất quang điện của màng mỏng, từ đó tìm ra các điều kiện tối ưu cho việc chế tạo các điện cực dương TiO2 ứng dụng cho pin mặt trời.
2.1 Các phương pháp thực nghiệm
Các phương pháp thực nghiệm bao gồm bốc bay nhiệt, bốc bay bằng chùm tia điện tử, và chụp ảnh bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét. Phương pháp bốc bay nhiệt cho phép tạo ra màng TiO2 với độ tinh khiết cao, trong khi phương pháp bốc bay bằng chùm tia điện tử giúp kiểm soát kích thước và hình dạng của các hạt nano. Các mẫu chế tạo sẽ được phân tích bằng phép đo phổ hấp thụ để xác định khả năng hấp thụ ánh sáng và đo đặc trưng quang điện hóa để đánh giá hiệu suất quang điện của màng mỏng.
2.2 Thực nghiệm chế tạo mẫu
Quá trình chế tạo mẫu TiO2/CdS nano được thực hiện theo các bước cụ thể, bao gồm chuẩn bị vật liệu, thực hiện bốc bay và ủ nhiệt. Các mẫu được chế tạo sẽ được kiểm tra về cấu trúc và hình thái học thông qua kính hiển vi điện tử quét. Kết quả cho thấy rằng màng TiO2/CdS có cấu trúc đồng nhất và kích thước hạt nano phù hợp với yêu cầu ứng dụng trong pin mặt trời. Việc nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin về tính chất quang điện của màng mỏng mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các linh kiện quang điện hiệu quả hơn.
III. Kết quả và thảo luận
Kết quả nghiên cứu cho thấy màng mỏng TiO2/CdS có đặc điểm cấu trúc và hình thái học tốt, với khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại và khả năng chuyển đổi quang điện hiệu quả. Phổ hấp thụ của màng cho thấy sự cải thiện đáng kể so với các mẫu TiO2 đơn thuần. Đặc trưng quang điện hóa của màng mỏng cũng cho thấy khả năng tạo ra dòng điện quang tốt, điều này chứng tỏ rằng màng TiO2/CdS có tiềm năng lớn trong ứng dụng pin mặt trời. Việc phân tích các kết quả này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quang điện và đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc chế tạo các điện cực dương TiO2.
3.1 Đặc điểm cấu trúc và hình thái học của màng TiO2
Đặc điểm cấu trúc của màng TiO2 được phân tích thông qua kính hiển vi điện tử quét, cho thấy màng có cấu trúc đồng nhất và kích thước hạt nano phù hợp. Hình thái học của màng TiO2 cho thấy sự phân bố đồng đều của các hạt nano, điều này rất quan trọng cho hiệu suất quang điện. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc điều chỉnh các điều kiện chế tạo có thể ảnh hưởng đến hình thái học của màng, từ đó ảnh hưởng đến tính chất quang điện của nó.
3.2 Hình thái học bề mặt của màng mỏng composite TiO2 CdS
Hình thái học bề mặt của màng composite TiO2/CdS được phân tích để đánh giá sự tương tác giữa hai thành phần. Kết quả cho thấy rằng sự kết hợp giữa TiO2 và CdS tạo ra một bề mặt có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn, từ đó nâng cao hiệu suất quang điện. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc của màng mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các linh kiện quang điện hiệu quả hơn.
