Luận văn thạc sĩ vnu uet tổng hợp nano bán dẫn cdse và nghiên cứu các thông số ảnh hưởng lên hiệu suất của pin mặt trời chấm lượng tử

Luận văn thạc sĩ phân tích vnu uet tổng hợp nano bán dẫn cdse và nghiên cứu các thông số ảnh hưởng lên hiệu suất của pin mặt, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Quân
• Người hướng dẫn: PGS. Lâm Quang Vinh
• Trường học: Đại học Quốc gia Tp.HCM
• Chuyên ngành: Vật Liệu Và Linh Kiện Nano
• Đề tài: Tổng Hợp Nano Bán Dẫn CdSe Và Nghiên Cứu Các Thông Số Ảnh Hưởng Lên Hiệu Suất Của Pin Mặt Trời Chấm Lượng Tử
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: PIN MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHẤM LƢỢNG TỬ BÁN DẪN
• 1.1. Pin mặt trời
• 1.2. Các thế hệ pin mặt trời
• 1.3. Nguyên lí hoạt động chung
• 1.4. Các thông số đặc trƣng của pin mặt trời
• 1.5. Dòng ngắn mạch (ISC: Short Circuit)
• 1.6. Thế mạch hở (VOC: Open – Circuit Voltage)
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT PHÂN TÍCH
• 3. CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tổng hợp nano CdSe và pin mặt trời

Nghiên cứu tổng hợp nano CdSe đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, đặc biệt là trong việc phát triển pin mặt trời chấm lượng tử. Nano CdSe, với tính chất quang học vượt trội, đã được chứng minh là một vật liệu hứa hẹn cho các ứng dụng quang điện. Việc hiểu rõ về cấu trúc và tính chất của nano CdSe là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của pin mặt trời chấm lượng tử.

1.1. Đặc điểm và tính chất của nano CdSe

Nano CdSe là một loại vật liệu bán dẫn có kích thước nano, nổi bật với tính chất quang học đặc biệt. Các nghiên cứu cho thấy rằng kích thước của chấm lượng tử CdSe ảnh hưởng đến tính chất quang học của nó, từ đó tác động đến hiệu suất của pin mặt trời. Việc điều chỉnh kích thước và hình dạng của nano CdSe có thể cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và tăng cường hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

1.2. Vai trò của nano CdSe trong pin mặt trời chấm lượng tử

Nano CdSe đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của pin mặt trời chấm lượng tử. Chúng giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra điện năng hiệu quả hơn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng nano CdSe trong cấu trúc pin có thể dẫn đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn so với các vật liệu truyền thống.

II. Thách thức trong nghiên cứu nano CdSe và pin mặt trời

Mặc dù nano CdSe có nhiều tiềm năng, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc phát triển và ứng dụng của nó trong pin mặt trời. Các vấn đề như độ ổn định, khả năng sản xuất hàng loạt và chi phí vẫn là những yếu tố cần được giải quyết.

2.1. Độ ổn định của nano CdSe trong môi trường

Một trong những thách thức lớn nhất là độ ổn định của nano CdSe khi tiếp xúc với môi trường. Các nghiên cứu cho thấy rằng nano CdSe có thể bị oxi hóa hoặc phân hủy khi tiếp xúc với độ ẩm và ánh sáng, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời. Cần có các biện pháp bảo vệ để tăng cường độ bền của vật liệu này.

2.2. Chi phí sản xuất và quy trình tổng hợp

Chi phí sản xuất nano CdSe vẫn còn cao, điều này hạn chế khả năng ứng dụng rộng rãi của nó trong pin mặt trời. Các phương pháp tổng hợp hiện tại cần được tối ưu hóa để giảm chi phí và tăng hiệu suất sản xuất. Việc phát triển các quy trình tổng hợp hiệu quả hơn sẽ là chìa khóa để đưa nano CdSe vào ứng dụng thực tế.

III. Phương pháp tổng hợp nano CdSe hiệu quả cho pin mặt trời

Để tối ưu hóa hiệu suất của pin mặt trời chấm lượng tử, việc lựa chọn phương pháp tổng hợp nano CdSe là rất quan trọng. Các phương pháp như SILAR và Colloidal đã được nghiên cứu và áp dụng để tạo ra các chấm lượng tử với kích thước và tính chất mong muốn.

3.1. Phương pháp SILAR trong tổng hợp nano CdSe

Phương pháp SILAR (Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction) là một trong những phương pháp hiệu quả để tổng hợp nano CdSe. Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác kích thước và hình dạng của chấm lượng tử, từ đó tối ưu hóa tính chất quang học của chúng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số trong quá trình SILAR có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất của pin mặt trời.

3.2. Phương pháp Colloidal trong tổng hợp nano CdSe

Phương pháp Colloidal cũng là một lựa chọn phổ biến để tổng hợp nano CdSe. Phương pháp này cho phép tạo ra các chấm lượng tử với kích thước đồng đều và tính chất quang học tốt. Việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng trong phương pháp Colloidal có thể giúp nâng cao hiệu suất của pin mặt trời chấm lượng tử.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nano CdSe trong pin mặt trời

Nano CdSe đã được ứng dụng trong nhiều loại pin mặt trời chấm lượng tử, cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng việc sử dụng nano CdSe có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của pin mặt trời, mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển năng lượng tái tạo.

4.1. Hiệu suất pin mặt trời chấm lượng tử sử dụng nano CdSe

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng pin mặt trời chấm lượng tử sử dụng nano CdSe có thể đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng lên đến 10-15%. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của nano CdSe trong việc phát triển các giải pháp năng lượng tái tạo hiệu quả hơn.

4.2. Ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo

Nano CdSe không chỉ được sử dụng trong pin mặt trời mà còn có thể được áp dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo khác như cảm biến quang học và thiết bị điện tử. Việc phát triển các ứng dụng này sẽ giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời và giảm thiểu tác động đến môi trường.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu nano CdSe

Nghiên cứu về nano CdSe và hiệu suất pin mặt trời chấm lượng tử đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Với những tiến bộ trong công nghệ tổng hợp và ứng dụng, nano CdSe có thể trở thành một trong những vật liệu chủ chốt trong tương lai của năng lượng mặt trời.

5.1. Triển vọng phát triển nano CdSe trong năng lượng tái tạo

Triển vọng phát triển nano CdSe trong năng lượng tái tạo là rất lớn. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện độ ổn định và hiệu suất của vật liệu này, từ đó mở rộng ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo.

5.2. Hướng nghiên cứu tương lai trong lĩnh vực pin mặt trời

Hướng nghiên cứu tương lai trong lĩnh vực pin mặt trời sẽ tập trung vào việc phát triển các vật liệu mới và cải tiến quy trình sản xuất. Việc kết hợp nano CdSe với các vật liệu khác có thể tạo ra những giải pháp năng lượng hiệu quả hơn, góp phần vào việc phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI PHÒNG THÍ NGHIỆM CÔNG NGHỆ NANO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HOÀNG QUÂN TỔNG HỢP NANO BÁN DẪN CdSe VÀ NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG LÊN HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI CHẤM LƢỢNG TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HCM - 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI PHÒNG THÍ NGHIỆM CÔNG NGHỆ NANO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HOÀNG QUÂN TỔNG HỢP NANO BÁN DẪN CdSe VÀ NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG LÊN HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI CHẤM LƢỢNG TỬ Chuyên ngành: VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: PGS. LÂM QUANG VINH TP. HCM - 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] [1] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.

Lâm Quang Vinh MỤC LỤC MỤC LỤC. 1 LỜI CAM ĐOAN. 5 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. 6 DANH MỤC BẢNG BIỂU.

7 DANH MỤC HÌNH ẢNH. 8 PHẦN 1 – TỔNG QUAN. 11 CHƢƠNG 1 – PIN MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHẤM LƢỢNG TỬ BÁN DẪN. Pin mặt trời.

Các thế hệ pin mặt trời. Nguyên lí hoạt động chung. Các thông số đặc trƣng của pin mặt trời. Dòng ngắn mạch (ISC: Short Circuit).

Thế mạch hở (VOC: Open – Circuit Voltage). Điểm có công suất cực đại (Pmax). Thừa số lấp đầy (FF: fill factor). Hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng (η).

Vật liệu nano [12]. Hiệu ứng bề mặt. Hiệu ứng giam giữ lƣợng tử. Hệ ba chiều (vật liệu khối).

Hệ hai chiều (màng nano tinh thể). Hệ một chiều (dây lƣợng tử). Hệ không chiều (chấm lƣợng tử). Chấm lƣợng tử.

Chấm lƣợng tử [10]. Tính chất quang của chấm lƣợng tử. Pin mặt trời chấm lƣợng tử nhạy quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS. Chấm lƣợng tử CdS và chấm lƣợng tử CdSe .24 HVTH: Nguyễn Hoàng Quân LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] [2] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.

Lâm Quang Vinh 1. Giới thiệu CdS QDs. Giới thiệu CdSe QDs. Cách tính kích thƣớc và nồng độ CdSe.

Chất điện ly. Nguyên lí hoạt động của pin. Các quá trình tái hợp có thể xảy ra. Vai trò CdS QDs và CdSe QDs trong pin.

Phƣơng pháp chế tạo và lắng đọng chấm lƣợng tử bán dẫn. Phƣơng pháp SILAR [18]. Phƣơng pháp Colloide [2] .30 CHƢƠNG 2 – CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT PHÂN TÍCH. Phân tích phổ hấp thụ UV-Vis [4].

Phƣơng pháp phổ huỳnh quang [3, 4]. Phƣơng pháp phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X [3,4]. Phổ nhiễu xạ năng lƣợng tia X (EDS hoặc EDX) [3,4]. Phƣơng pháp nghiên cứu vi hình thái [3,4].

Phƣơng pháp phổ Raman [4]. Hệ đo tính năng của pin mặt trời [3] .38 PHẦN 2 – THỰC NGHIỆM. 40 CHƢƠNG 3 – QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM. Tổng hợp CdSe QDs.

Hóa chất và dụng cụ. Quy trình tổng hợp. Chế tạo điện cực anode TiO2/CdSe và TiO2/CdS/CdSe/ZnS. Tạo màng TiO2 trên đế FTO.

Tạo điện cực anode TiO2/CdSe. Tạo điện cực anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS. Chế tạo điện cực cathode Pt và ráp pin. Tạo điện cực cathode Pt .43 CHƢƠNG 4 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .44 HVTH: Nguyễn Hoàng Quân LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] [3] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.

Lâm Quang Vinh 4. Khảo sát chấm lƣợng tử CdSe chế tạo đƣợc. Phổ nhiễu xạ tia X. Phổ hấp thụ và phát quang.

Ảnh hƣởng của tỉ lệ Cd:Se đến tính chất chấm lƣợng tử CdSe. Ảnh hƣởng của nhiệt độ phản ứng. Ảnh hƣởng của thời gian phản ứng. Khảo sát anode TiO2/CdSe.

Thời gian ngâm màng TiO2 trong dung dịch chấm lƣợng tử CdSe. Ảnh hƣởng quá trình nung chân không lên mẫu. Cấu trúc màng TiO2/CdSe QDs. Hiệu suất pin TiO2/CdSe QDs.

Khảo sát sự ảnh hƣởng của số lớp CdS lên bề mặt anode TiO2. Khảo sát ảnh hƣởng lớp ZnS đến anode quang. Ảnh hƣởng của số lớp ZnS .2 Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch ion Zn2+ và S2-. Nghiên cứu cấu trúc, thành phần và tính chất anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS.

Phƣơng pháp UV-Vis. Phƣơng pháp phổ phát quang. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X. Phƣơng pháp phổ Raman.

Cấu trúc màng anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS. Hiệu suất pin QDSSC với anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS .77 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN. 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 81 HVTH: Nguyễn Hoàng Quân LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] [4] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.

Lâm Quang Vinh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả Nguyễn Hoàng Quân HVTH: Nguyễn Hoàng Quân LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] [5] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.

Lâm Quang Vinh LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô đã giảng dạy trong chƣơng trình cao học liên kết vật liệu và linh kiện nano khóa 8 tại phòng thí nghiệm công nghệ nano, giữa trƣờng Đại học Công nghệ Hà nội – ĐHQG Hà nội và Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano – ĐHQG Tp.HCM, những ngƣời đã truyền đạt cho tôi kiến thức hữu ích về vật liệu và linh kiện điện tử vi mô làm cơ sở cho tôi thực hiện tốt luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Lâm Quang Vinh đã tận tình hƣớng dẫn cho tôi trong thời gian thực hiện luận văn. Mặc dù trong quá trình thực hiện luận văn có giai đoạn không đƣợc thuận lợi nhƣng những gì Thầy đã hƣớng dẫn, chỉ bảo đã cho tôi nhiều kinh nghiệm trong thời gian thực hiện đề tài.

Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các anh chị cán bộ, các học viên đang nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Hóa lý ứng dụng – ĐHQG Tp.HCM, đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong giai đoạn đầu thực hiện thí nghiệm cũng nhƣ phân tích dữ liệu, tạo điều kiện cho tôi có khả năng hoàn thành đề tài. Sau cùng, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến gia đình, ngƣời thân và những ngƣời bạn, luôn ở bên cạnh quan tâm động viên, nhắc nhở tôi cũng nhƣ luôn tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học cũng nhƣ thực hiện luận văn.HCM, tháng 8 năm 2015 Học viên Nguyễn Hoàng Quân HVTH: Nguyễn Hoàng Quân LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] [6] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS. Lâm Quang Vinh DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Cd (Cadmium) – Kim loại chuyển tiếp chu kì 5 – nhóm IIB CIGS (CuIn1-xGaxSe2) – Hợp chất bán dẫn của đồng, indium, gallium và selen DPE (Diphenul Ether) – Dung môi hữu cơ DSSC (Dye – Sensitized Solar Cell) – Pin mặt trời chất màu nhạy quang EDS (Energy – dispersive X-ray spectroscopy) – Kĩ thuật phân tích thành phần các nguyên tố hóa học và tính chất của mẫu Eg (Energy gap hoặc Band gap) – Năng lƣợng vùng cấm FF (Fill Factor) (%) – Hệ số lấp đầy FTO (Fluorine – doped tin oxide) – Thiết pha tạp TiO2 OA (Oleic Acid) – Chất tạo phức và hoạt động bề mặt PMT – Pin mặt trời QDs (Quantum Dots) – Chấm lƣợng tử QDSSC (Quantum Dots – Sensitized Solar cell) – Pin mặt trời chấm lƣợng tử nhạy quang SC (Solar Cell) – Pin mặt trời SEM (Scanning Electron Microscope) – Kính hiển vi điện tử quét SILAR (Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction) – Phƣơng pháp phản ứng và hấp thụ lớp ion liên tục VOC (Open Circuit Voltage) (V) – Thế mạch hở η (Power conversion efficiency) – Hiệu suất chuyển hóa năng lƣợng của pin mặt trời HVTH: Nguyễn Hoàng Quân LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] [7] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS. Lâm Quang Vinh DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Thông số của pin mặt trời TiO2/CdSe.2 Thông số của pin mặt trời TiO2/CdS/CdSe theo số lớp CdS.3 Thông số của pin mặt trời chấm lƣợng tử nhạy quang với các anode quang là TiO2/CdS/CdSe và TiO2/CdS/CdSe/ZnS .77 HVTH: Nguyễn Hoàng Quân LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] [8] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.

Lâm Quang Vinh DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Một số công trình ứng dụng pin mặt trời .12 (a) Một tấm modul pin mặt trời. (b) Cánh đồng pin mặt trời.2 Đặc trƣng I – V của một pin mặt trời điển hình ở điều kiện chiếu sáng (đƣờng liền nét) và trong tối (đƣờng đứt nét) [30].3 so sánh kích thƣớc của vật liệu nano so với .17 nguyên tử và các phân tử, tế bào [9].4 (a) Năng lƣợng của điện tử tự do phụ thuộc vào véctơ sóng theo hàm parabol; (b) Mật độ trạng thái tính theo năng lƣợng đối với điện tử tự do.5 (a) Năng lƣợng của điện tử tự do phụ thuộc vào véc tơ sóng kx, ky, kz theo hàm parabol; năng lƣợng của điện tử chỉ có thể nhận các giá trị gián đoạn ứng với nz = 1, 2, … theo phƣơng z. (b) Mật độ trạng thái D2d (E) hệ hai chiều.6 (a) Phân bố các mức năng lƣợng theo phƣơng song song trục kx là liên tục và dọc theo ky, kz là gián đoạn.7 (a) Vật rắn bị co lại trong cả ba chiều. (b) Vì hiệu ứng giam giữ, tất cả các trạng thái đều là gián đoạn và đƣợc biểu diễn bằng các điểm trong không gian k ba chiều.

(c) Chỉ có các mức năng lƣợng gián đoạn là đƣơc phép. (d) Mật độ trạng thái D0d(E) dọc theo một chiều.8 Sự thay đổi màu sắc chấm lƣợng tử CdSe theo kích thƣớc hạt (dung dịch đƣợc sắp xếp theo thứ tự tăng dần kích thƣớc hạt)[*]. Các quá trình hấp thụ và phát quang trong tinh thể. Các chuyển dời trong chất bán dẫn.

11 Mô tả nguyên lí hoạt động của QDSSCs [25] .12 Quá trình truyền điện tử và tái hợp của hạt tải trong QDSSCs [25]. Phân bố năng lƣợng trong cấu trúc tầng TiO2/CdS/CdSe .29 (a) Mối quan hệ năng lƣợng vùng cấm của TiO2, CdS và CdSe dạng vật liệu khối. Các bƣớc trong chu trình SILAR [18]. Mô hình tổng hợp CdS và lắng đọng CdSe trên màng TiO2 [2] .1 Máy đo quang phổ hiệu Jasco V-670.2 Cơ chế quang phát quang.3 Sơ đồ nhiễu xạ tia X trong mạng tinh thể.4 Sơ đồ hệ kính hiển vi điện tử quét.5 Các quá trình tán xạ có thể xảy ra.1 Sơ đồ tổng hợp chấm lƣợng tử CdSe .41 HVTH: Nguyễn Hoàng Quân LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] [9] Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.