Nghiên cứu tính chất điện tử của oxit TiO2 sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ DFT

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tính chất điện tử của oxit TiO2 bằng phương pháp phiếm hàm mật độ DFT, cung cấp cái nhìn sâu sắc về vật liệu này.

• Tác giả: Trần Văn Nam
• Người hướng dẫn: GS. Bạch Thành Công
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Chất Điện Tử Của Oxit TiO2 Pha Tạp Sử Dụng Phƣơng Pháp Phiếm Hàm Mật Độ DFT
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI DSSC VÀ VẬT LIỆU TIO2
• 1.1. Pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu DSSC
• 1.2. Cấu tạo của pin mặt trời DSSC
• 1.3. Nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu
• 1.4. Các thông số cơ bản của pin mặt trời DSSC
• 1.5. Các hướng nghiên cứu và phát triển hiện nay về pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu DSSC
• 1.6. Tổng quan về vật liệu TiO2
• 1.7. Cấu trúc và tính chất vật lý của TiO2
• 1.8. Các tính chất quang của vật liệu TiO2
• 1.9. Vật liệu TiO2 ứng dụng trong pin mặt trời DSSC
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ VÀ PHƢƠNG PHÁP LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ
• 2.1. Giới thiệu về các phương pháp lý thuyết cấu trúc điện tử
• 2.2. Giới thiệu về phương pháp trường tự hợp SCF Hartree-Fock và các phương pháp Post-SCF
• 2.3. Phương pháp phiếm hàm mật độ DFT
• 2.4. Phương pháp gần đúng Thomas-Fermi
• 2.5. Các định lý Hohengerg-Kohn
• 2.6. Các thách thức trong định lý Hohengerg-Kohn
• 2.7. Phương pháp Kohn-Sham
• 2.8. Phiếm hàm gần đúng mật độ địa phương (LDA - Local Density Approximation)
• 2.9. Phương pháp gần đúng gradient suy rộng (GGA)
• 2.10. Lý thuyết phiếm hàm mật độ trong Dmol3
• 2.11. Chiến lược vòng lặp tự hợp
• 2.12. Mô hình lý thuyết phiếm hàm mật độ trong Dmol3
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Các mô hình và thông số tính toán
• 3.2. TiO2 anatase không pha tạp
• 3.3. TiO2 anatase pha tạp
• 3.4. Ảnh hưởng gián tiếp của các tạp chất tới hoạt động quang điện của pin mặt trời DSSC với điện cực TiO2 pha tạp
• 3.5. Ảnh hưởng gián tiếp của các tạp kim loại đến hoạt động quang điện của pin mặt trời DSSC với điện cực TiO2 pha tạp
• 3.6. Sự cạnh tranh và kết hợp giữa các hiệu ứng liên quan đến việc thay đổi cấu trúc điện tử và thay đổi các khuyết tật bề mặt đến điện cực TiO2 pha tạp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tính chất điện tử của oxit TiO2

Nghiên cứu về tính chất điện tử của oxit TiO2 đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trong những năm gần đây. TiO2 là một vật liệu quan trọng trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực năng lượng tái tạo như pin mặt trời. Việc hiểu rõ về cấu trúc điện tử của TiO2 sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị quang điện. Phương pháp DFT (Density Functional Theory) đã được áp dụng rộng rãi để phân tích các tính chất này, cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách mà các tạp chất ảnh hưởng đến hoạt động quang điện của TiO2.

1.1. Tính chất điện tử của oxit TiO2 và ứng dụng

Oxit TiO2 có nhiều dạng tinh thể như anatase và rutile, mỗi dạng có tính chất điện tử khác nhau. Anatase thường được ưa chuộng trong các ứng dụng quang điện do có vùng cấm rộng và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt. Nghiên cứu cho thấy rằng việc pha tạp các nguyên tố kim loại vào TiO2 có thể cải thiện đáng kể tính chất quang học và tính chất điện của vật liệu này.

1.2. Phương pháp DFT trong nghiên cứu TiO2

Phương pháp DFT là một công cụ mạnh mẽ trong việc tính toán và mô phỏng tính chất điện tử của vật liệu. Phương pháp này cho phép nghiên cứu cấu trúc điện tử của TiO2 với độ chính xác cao, từ đó giúp hiểu rõ hơn về các cơ chế hoạt động của vật liệu trong các ứng dụng quang điện. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng DFT có thể dự đoán chính xác các mức năng lượng của HOMO và LUMO, từ đó xác định khả năng hấp thụ ánh sáng của TiO2.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu oxit TiO2

Mặc dù oxit TiO2 có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc tối ưu hóa hiệu suất của nó trong các ứng dụng quang điện. Một trong những vấn đề lớn nhất là hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời sử dụng TiO2 vẫn chưa đạt mức tối ưu. Các yếu tố như khả năng hấp thụ ánh sáng, sự truyền tải điện tử và sự tái tạo của chất nhạy màu đều ảnh hưởng đến hiệu suất này. Do đó, việc nghiên cứu và cải thiện các yếu tố này là rất cần thiết.

2.1. Thách thức trong việc cải thiện hiệu suất quang điện

Một trong những thách thức lớn nhất là làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của TiO2. Nghiên cứu cho thấy rằng việc pha tạp các nguyên tố như nitrogen hoặc carbon có thể cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng hồng ngoại. Tuy nhiên, việc này cũng có thể ảnh hưởng đến tính chất điện của vật liệu, do đó cần có các nghiên cứu sâu hơn để tìm ra sự cân bằng giữa khả năng hấp thụ và tính chất điện.

2.2. Vấn đề về sự ổn định của oxit TiO2

Sự ổn định của oxit TiO2 trong môi trường hoạt động cũng là một vấn đề quan trọng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng TiO2 có thể bị phân hủy hoặc mất tính chất điện khi tiếp xúc với các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Do đó, việc phát triển các lớp phủ bảo vệ hoặc cải thiện cấu trúc của TiO2 là cần thiết để đảm bảo hiệu suất lâu dài của các thiết bị quang điện.

III. Phương pháp DFT trong nghiên cứu tính chất điện tử của TiO2

Phương pháp DFT đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu tính chất điện tử của oxit TiO2. Phương pháp này cho phép mô phỏng và phân tích các đặc tính điện tử của TiO2 với độ chính xác cao. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng DFT có thể dự đoán chính xác các mức năng lượng của các quỹ đạo phân tử, từ đó giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của TiO2 trong các ứng dụng quang điện.

3.1. Cấu trúc điện tử của TiO2 qua phương pháp DFT

Nghiên cứu cấu trúc điện tử của TiO2 bằng phương pháp DFT cho thấy rằng TiO2 có hai dạng chính là anatase và rutile, mỗi dạng có cấu trúc điện tử khác nhau. Anatase có vùng cấm lớn hơn và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn so với rutile. Việc sử dụng DFT giúp xác định các mức năng lượng của HOMO và LUMO, từ đó đánh giá khả năng hấp thụ ánh sáng của TiO2.

3.2. Ảnh hưởng của tạp chất đến tính chất điện tử của TiO2

Việc pha tạp các nguyên tố kim loại vào TiO2 có thể cải thiện đáng kể tính chất điện của vật liệu. Các nghiên cứu bằng phương pháp DFT đã chỉ ra rằng tạp chất có thể tạo ra các mức năng lượng mới trong vùng cấm, từ đó cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu suất quang điện. Tuy nhiên, cần có các nghiên cứu sâu hơn để hiểu rõ hơn về cơ chế này.

IV. Ứng dụng thực tiễn của oxit TiO2 trong pin mặt trời

Oxit TiO2 đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị quang điện, đặc biệt là trong pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu (DSSC). TiO2 không chỉ có giá thành thấp mà còn có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt, giúp tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa cấu trúc và tính chất điện tử của TiO2 có thể dẫn đến những cải tiến đáng kể trong hiệu suất của pin mặt trời.

4.1. TiO2 trong pin mặt trời DSSC

Pin mặt trời DSSC sử dụng oxit TiO2 như một lớp bán dẫn chính. TiO2 có khả năng hấp thụ ánh sáng và truyền tải điện tử hiệu quả, giúp tăng cường hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc pha tạp TiO2 có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của pin mặt trời này.

4.2. Tiềm năng ứng dụng của TiO2 trong các lĩnh vực khác

Ngoài ứng dụng trong pin mặt trời, oxit TiO2 còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như chất xúc tác quang, vật liệu tự làm sạch và trong các thiết bị điện tử. TiO2 có khả năng kháng khuẩn và ổn định hóa học, làm cho nó trở thành một vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng công nghệ cao.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu oxit TiO2

Nghiên cứu về tính chất điện tử của oxit TiO2 bằng phương pháp DFT đã mở ra nhiều hướng đi mới trong việc tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị quang điện. Mặc dù còn nhiều thách thức, nhưng tiềm năng ứng dụng của TiO2 trong các lĩnh vực năng lượng tái tạo và công nghệ cao là rất lớn. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện tính chất điện tử và ổn định của TiO2 để phát triển các sản phẩm hiệu quả hơn.

5.1. Hướng nghiên cứu tương lai về TiO2

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới để tối ưu hóa tính chất điện tử của TiO2. Việc pha tạp các nguyên tố mới và nghiên cứu cấu trúc nano có thể mở ra những cơ hội mới trong việc cải thiện hiệu suất của các thiết bị quang điện.

5.2. Tiềm năng ứng dụng của TiO2 trong công nghệ xanh

Với sự phát triển của công nghệ xanh, oxit TiO2 có thể đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các giải pháp bền vững cho năng lượng và môi trường. Nghiên cứu về TiO2 không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của pin mặt trời mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong các lĩnh vực khác như chất xúc tác và vật liệu tự làm sạch.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU TiO2 là một trong các oxit kim loại thu hút đƣợc rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học nhờ sở hữu các tính chất có tính ứng dụng cao nhƣ là: tính quang xúc tác mạnh, ổn định về mặt hóa học, tính siêu thấm ƣớt và đặc biêt là khả năng phân tách phân tử nƣớc thành oxy và hydrogen thông qua phản ứng quang điện hóa. Không những vậy, đây cũng là một vật liệu giá rẻ nên nó đƣợc ứng dụng ở nhiều lĩnh vực trong đời sống nhƣ chế tạo tạo pin quang điện hóa học, sử dụng trong các lĩnh vực diệt khuẩn hay để chế tạo các vật liệu tự làm sạch. Trong những năm gần đây các nhà khoa học đã phát hiện ra một ứng dụng khác cho vật liệu TiO2, đó là sử dụng các màng TiO2 anatase để chế tạo các pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu viết tắt là DSSC (Dye- Sensitized Solar Cell). Sự ra đời của pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu đã hứa hẹn là một loại pin mặt trời rẻ tiền hơn nhiều so với pin mặt trời truyền thống.

Hiện nay, hệ pin mặt trời này đã đạt hiệu quả chuyển hóa đến 11% và một độ bền rất cao khi đƣợc chiếu sáng trong một khoảng thời gian dài. Tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng của loại pin mặt trời này chƣa cao, và phụ thuộc rất nhiều vào khẳ năng hấp thụ quang học của chất nhạy màu cũng nhƣ khẳ năng truyền điện tử từ chất màu qua lớp bán dẫn đến điện cực. Do đó nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng là vấn trọng tâm trong các nghiên cứu về pin mặt trời DSSC. Có khá nhiều hƣớng nghiên cứu khác nhau nhằm giải quyết vấn đề này nhƣ: Chế tạo các chất nhạy màu toàn sắc, sử dụng các chất nhạy màu là các chấm lƣợng tử, nghiên cứu phát triển các màng TiO2 xốp, sử dụng chất nhạy màu dạng rắn hoặc đƣa các nguyên tố tạp vào điện cực TiO2 nhằm thay đổi cấu trúc điện tử hoặc tính chất điện hóa bề mặt của điện cực.

Trong luận văn này, chúng tôi tập trung nghiên cứu ảnh hƣởng của sự pha tạp lên hoạt động quang điện của điện cực TiO2 dựa trên việc nghiên cứu cấu trúc điện tử và sự hình thành các sai hỏng bề mặt của vật liệu TiO2 pha tạp một 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] số nguyên tố kim loại khác nhau. Qua đó chỉ ra các ảnh hƣởng tích cực và tiêu cực của việc pha tạp tới hiệu suất của pin mặt trời DSSC. Luận văn gồm có 3 chƣơng  Chƣơng 1 - Tổng quan về pin mặt trời DSSC và vật liệu TiO2  Chƣơng 2 - Giới thiệu vềcác phƣơng pháp tính toán cấu trúc điện tử và phƣơng pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ.  Chƣơng 3 - Kết quả và thảo luận 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI DSSC VÀ VẬT LIỆU TIO2 1.

Pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu DSSC. Các thiết bị quang điện đều hoạt động dựa trên sự tách điện tích tại bề mặt phân cách giữa hai vật liệu có cơ chế dẫn khác nhau. Đến ngày nay lĩnh vực này chủ yếu tập trung vào các thiết bị liên kết pha rắn với chuyển tiêp bán dẫn p-n và thƣờng đƣợc làm từ silicon. Do đó việc chế tạo các thiết bị quang điện sử dụng chuyển tiếp p-n có một lợi thế là sử dụng đƣợc các kinh nghiệm và các vật liệu sẵn có của ngành công nghiệp bán dẫn.

Tuy nhiên các pin mặt trời loại này có một nhƣợc điểm khá lớn đó là giá thành sản xuất rất cao. Để khắc phục nhƣợc điểm này gần đây các nhà khoa học đã chế tạo thành công một loại pin mặt trời giá rẻ mới đó là pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu viết tắt là DSSC. Các pin mặt trời sử dụng chất màu (DSSC) đã cho chúng ta phƣơng thức thay thế đáng tin cậy về kinh tế và công nghệ cho các thiết bị quang điện kiểu liên kết p-n hiện nay. Trong các hệ truyền thống, chất bán dẫn đảm bảo cả hai nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng và vận chuyển hạt tải, ngƣợc lại, trong DSSC hai chức năng đó đƣợc tách biệt.

Ánh sáng đƣợc hấp thụ bởi chất nhạy màu, chất này đƣợc hấp phụ trên bề mặt của một chất bán dẫn có năng lƣợng vùng cấm rộng. Sự tách điện tích xảy ra trên bề mặt phân cách thông qua sự truyền (“ tiêm”) electron từ chất màu nhạy màu vào vùng dẫn của oxit bán dẫn (chất rắn). Các hạt tải di chuyển trong miền dẫn của chất bán dẫn tới điện cực. Việc dùng chất nhạy màu có miền phổ hấp thụ rộng liên kết với các lớp màng oxit tinh thể nano cho phép nâng cao hiệu suất chuyển hóa pin mặt trời.

Chúng ta đã thu đƣợc sự chuyển hóa đáng kể ánh sáng tới thành năng lƣợng điện trong một giải phổ rộng từ UV tới vùng IR gần. Hiệu suất chuyển hóa năng lƣợng mặt trời đạt hơn 10%. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Điều này mở ra triển vọng lớn trong việc sản xuất các pin mặt trời với giá thành rẻ hơn so với các công nghệ truyền thống. Một tính chất vô cùng đặc biệt của DSSC là nó rất ổn định với sự thay đổi nhiệt độ.

Cụ thể khi tăng nhiệt độ 200C đến 600C thì hiệu suất của pin thay đổi không đáng kể. Điều này vô cùng quan trọng bởi vì khi làm việc ở ngoài ánh sáng mặt trời thì nhiệt độ của pin nhanh chóng tăng lên 600C. Đây là một lợi thế lớn so với pin mặt trời vô cơ, bởi vì với pin mặt trời vô cơ sẽ giảm hiệu suất chuyển đổi lên tới 20% khi nhiệt độ tăng nhƣ vây. Cấu tạo của pin mặt trời DSSC.

Giản đồ mô tả cấu tạo của pin mặt trời DSSC Cấu tạo của pin mặt trời DSSC đƣợc mô tả nhƣ Hình 1.1 gồm 5 bộ phận chính sau - Một điện cực dẫn trong suốt: Điện cực dẫn này phải trong suốt với vùng ánh sáng nhìn thấy và phải dẫn điện. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] - Một màng kim loại oxide: Màng kim loại oxide này đƣợc phủ lên điện cực dẫn, yêu cầu với màng kin loại oxide này là phải trơ về mặt hóa học và bền để trống chịu đƣợc với các điều kiên môi trƣờng, ngoài ra nó còn cần phải có vùng cấm phù hợp để các điện tử có thể tiêm từ chất màu sang. Vật liệu thƣờng dùng cho màng kin loại oxide này là ZnO hay TiO2 vì đây là những vật liệu sẵn có trong tự nhiên và có giá thành rẻ dễ chế tạo. - Chất nhạy màu (Dye): Chất nhạy màu này đƣợc kết bám lên màng kin loại oxide có nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng vào tao ra các điện tử dẫn, yêu cầu đối với chất màu là phải có độ rộng khe HOMO và LUMO phù hợp để có thể hấp thụ đƣợc tối đa ánh sáng trong vùng khả kiên và tiêm đƣợc điện tử vào vùng dẫn của màng oxide kim loại.

Các chất màu phổ biến hiện nay chủ yếu là các phức chất của ruthenium. - Chất điện giải (Electrolyte): Chất điện giải này thực hiện một chu trình phản ứng oxy hóa khử có nhiệm vụ là tái tạo lại chất màu sau khi bị kích thích, bản thân nó lại đƣợc tái tạo thông qua các điện tử sau khi di chuyển qua các thiết bị tải đến điện cực âm (Cathode). Chất điên giải thƣờng đƣợc sử dụng là cặp iodide/triiodide. - Âm cực (Cathode): Thƣờng đƣợc phủ một lớp Pt để tạo điều kiên xúc tac cho phản ứng oxy hóa làm khôi phục chất điện giải.

Nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu. Nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời sử dụng chất nhạy màu DSSC đƣợc môt tả nhƣ trên giản đồ sau Hình 1. Đầu tiên dƣới sƣ kích thích của ánh sáng các điện tử của chất màu từ mức quỹ đạo cao nhất bị chiếm (Highest Occupied Molecular Orbital- HOMO) nhảy lên mức quỹ đạo thấp nhất bị chiếm (Lowest Unoccupied Molecular Orbital-LUMO), sau đó nó đƣợc tiêm vào lớp oxide bán dẫn, các phân tử chất màu 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] đƣợc tái tạo bởi quá trình oxy hóa khử của chất điện giải và cuối cùng thì chất điện giải lại đƣợc tái tạo thông qua các điện tử sau khi di chuyển qua các thiết bị tải bên ngoài. Phần quan trọng nhất của pin mặt trời DSSC này là một màng oxide bao gồm các hạt có kích thƣớc nano và nó đƣợc liên kết với nhau để cho phép sự dẫn các điện tử qua vùng này.

Vật liệu thƣờng đƣợc chọn để chể tạo là TiO2 dạng anatase ngoài ra còn có thể chọn một số loại oxide kin loại có vùng cấm rộng khác nhƣ ZnO [5], and Nb2O5 [25], đƣợc gắn lên bề mặt của màng tinh thể nano này là một đơn lớp màu của chất màu chuyển điện tích. Kết quả cuối cùng của sự kích thích quang học là sự tiêm điện tử vào vùng dẫn của kim loại oxide, trạng thái cơ bản của chất màu đƣợc trả lại về sau bởi sự cho điện tử từ chất điện giải. Thông thƣờng cấu tạo của chất điện giải là một hệ oxy hóa khử Ví dụ: nhƣ cặp iodide/triiodide. Các iodide đƣợc phục hồi bởi sự khử của triiodide tại điện cực đối, chu trình tiếp tục đƣợc bổ xung bởi các điện tử di chuyển thông qua các thiết bị tải bên ngoài.

Điện áp sinh ra dƣới sự chiếu sáng tƣơng ứng với sự chênh lệch mức Fermi của lớp bán dẫn và thế oxy hóa khử của chất điện giải. Toàn bộ quá trình sinh ra điện năng từ ánh sáng mà không có bất kỳ một sự biến đổi hóa học nào. Các thông số cơ bản của pin mặt trời DSSC là. Dƣới sự chiếu sáng đặc trƣng V-A của pin mặt trời đƣợc mô tả bởi phƣơng trình: I  I ph  I s (eqV / kbT  1) (1.1) Trong đó I ph là dòng quang điện, I s là dòng bão hòa cỡ 10-7 - 10-9A, V là thế hiệu dụng giữa hai cực của pin, q là giá trị điện tích cơ bản + Dòng ngắt mạch ISC Là dòng đƣợc đo đƣợc khi điện áp hiệu dụng V bằng không, khi đó I SC  I ph , I SC tăng đồng nghĩa với việc dòng quang điện tăng.

14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] + Thế hở mạch VOC Là thế đƣợc đo trong điều kiện không có thiết bị tải bên ngoài. Trong điều kiện này thì không có dòng giữa hai cực của pin I  0 .