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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu không ngừng gia tăng trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống đang cạn kiệt nhanh chóng, với 37% từ dầu mỏ, 25% từ than đá và 23% từ khí đốt trong tổng công suất tiêu thụ khoảng 15 nghìn tỷ watt của nhân loại. Trong bối cảnh nguồn dự trữ bức xạ mặt trời đạt công suất khổng lồ khoảng 86 triệu tỷ watt, việc phát triển các thiết bị chuyển hóa quang điện hiệu suất cao và chi phí thấp trở thành mục tiêu hàng đầu. Mặc dù pin mặt trời silic thế hệ thứ nhất đạt hiệu suất trên 20%, chi phí sản xuất tinh thể độ tinh khiết cao vẫn là rào cản lớn. Pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang (QDSSC) thuộc thế hệ thứ ba nổi lên như một giải pháp đột phá nhờ khả năng hấp thụ quang phổ rộng và hiệu ứng đa exciton, nhưng hiệu suất thực tế còn bị giới hạn bởi sự tái hợp hạt tải tại các mặt phân giới.

Mục tiêu cụ thể của công trình là tổng hợp hạt nano bán dẫn CdSe dạng keo có kích thước kiểm soát trong khoảng 2 đến 3 nm, đồng thời thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc điện cực quang dị thể nhiều tầng TiO2/CdS/CdSe/ZnS. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano thuộc Đại học Quốc gia, hoàn thành trong năm 2015. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc nâng cao mật độ dòng ngắn mạch, gia tăng thế mạch hở và cải thiện hệ số lấp đầy của pin. Việc thiết lập cấu trúc phân tầng năng lượng dạng bậc thang giúp tăng tốc độ truyền điện tử lên hàng trăm femto giây và giảm thiểu đáng kể các kênh tổn hao năng lượng do tái hợp điện tích.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết hiệu ứng giam giữ lượng tử trong vật liệu bán dẫn không chiều (0D), mô hình khối lượng hiệu dụng Brus và lý thuyết truyền điện tích dị thể phân tầng. Khi kích thước hạt bán dẫn CdSe nhỏ hơn bán kính Bohr của exciton (khoảng 5.6 nm), độ rộng vùng cấm Eg mở rộng đáng kể so với vật liệu khối (1.74 eV ở 300K), tạo ra các mức năng lượng gián đoạn giống như nguyên tử nhân tạo. Hệ thống quang điện tích hợp mô hình phân bố năng lượng dạng bậc thang loại II (Type-II cascade alignment) giữa TiO2, CdS và CdSe, trong đó cực tiểu vùng dẫn và cực đại vùng hóa trị dịch chuyển dần theo thứ tự TiO2 < CdS < CdSe. Ba khái niệm cốt lõi chi phối toàn bộ cơ chế hoạt động bao gồm: sự hình thành và phân tách exciton, động học chuyển điện tử cực nhanh qua vùng dẫn TiO2, và sự thụ động hóa khuyết tật bề mặt bằng lớp phủ ZnS có vùng cấm rộng 3.6 eV.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu khảo sát trên 15 tổ hợp mẫu thực nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ tiền chất, nhiệt độ tổng hợp và số lớp phủ phân tầng. Quy trình chế tạo kết hợp phương pháp hóa học keo (Colloidal synthesis) ở 160°C đến 180°C để tạo hạt CdSe phân tán cao và phương pháp hấp phụ - phản ứng lớp ion liên tục (SILAR) tại nhiệt độ phòng để lắng đọng các màng CdS và ZnS trên đế màng xốp TiO2 in lụa (nung ở 500°C trong 30 phút).

Phương pháp phân tích quang học sử dụng phổ hấp thụ UV-Vis (máy Jasco V-670) và phổ huỳnh quang (PL) để xác định vị trí đỉnh hấp thụ exciton, tính toán năng lượng vùng cấm và nồng độ dung dịch hạt theo định luật Lambert-Beer. Cấu trúc tinh thể và kích thước hạt được phân tích bằng nhiễu xạ tia X (XRD Bruker D8 Advance với bức xạ Cu-Kα, bước sóng 1.54056 Å) kết hợp công thức Debye-Scherrer. Vi hình thái bề mặt và thành phần nguyên tố được định lượng bằng kính hiển vi điện tử quét FE-SEM và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS). Đặc trưng dòng - thế (I-V) của pin được đo đạc chính xác dưới bức xạ mô phỏng ánh sáng mặt trời tiêu chuẩn AM 1.5G với công suất chiếu sáng 100 mW/cm². Các phương pháp trên được lựa chọn nhờ độ chính xác cao, tính toàn diện trong việc liên kết cấu trúc vi mô với đặc tính quang điện hóa vĩ mô.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã mang lại những kết quả nổi bật về mặt cấu trúc và tính năng quang điện:

• Tổng hợp thành công chấm lượng tử CdSe có cấu trúc tinh thể lập phương zinc-blende với ba đỉnh nhiễu xạ XRD đặc trưng tại các góc 2θ = 25.4°, 42.2° và 49.7°, tương ứng với các mặt mạng (111), (220) và (311). Kích thước tinh thể tính toán đạt 2.79 nm, đồng nhất cao.
• Đỉnh hấp thụ exciton thứ nhất của hạt CdSe xuất hiện sắc nét tại bước sóng 509 nm, dịch chuyển mạnh về phía sóng ngắn so với bán dẫn khối (725 nm), xác nhận hiệu ứng giam giữ lượng tử mạnh. Tỷ lệ tiền chất Cd:Se tối ưu là 1.5:1 hoặc 1:1, giúp triệt tiêu các nút khuyết cation và giảm thiểu dải phát quang sai hỏng mạng.
• Màng anode quang cấu trúc bậc thang TiO2/CdS/CdSe với 4 chu trình lắng đọng SILAR cho lớp CdS đạt khả năng hấp thụ quang học mở rộng đến vùng bước sóng 730 nm, tăng cường khả năng thu nhận photon trong phổ ánh sáng khả kiến.
• Lớp thụ động hóa ZnS (1 đến 2 chu trình lắng đọng từ dung dịch 0.1M Zn2+ và S2-) bao phủ hoàn chỉnh các liên kết treo trên bề mặt, giảm thiểu tỷ lệ tái hợp hạt tải điện khoảng 35% đến 40%, từ đó cải thiện rõ rệt thế mạch hở Voc và hiệu suất chuyển hóa quang điện tổng thể của linh kiện.

Thảo luận kết quả

Cơ chế nâng cao hiệu suất của pin mặt trời QDSSC trong nghiên cứu này bắt nguồn từ sự tương tác đồng vận giữa lớp đồng nhạy quang CdS/CdSe và lớp bảo vệ ZnS. Cấu trúc vùng năng lượng dạng bậc thang tạo ra gradient thế năng thuận lợi: electron quang sinh từ CdSe nhanh chóng chuyển tiếp qua vùng dẫn của CdS rồi truyền vào vùng dẫn của màng TiO2 với thời gian chỉ từ 10^-10 đến 10^-8 giây. Đồng thời, các lỗ trống quang sinh được giữ lại ở vùng hóa trị của CdSe và nhanh chóng bị khử bởi cặp oxy hóa - khử sulfide/polysulfide (S2-/Sx2-) trong dung dịch điện ly chứa 0.2M KCl trong dung môi methanol/nước tỷ lệ 7:3.

Các dữ liệu đo đạc được mô tả trực quan thông qua đường cong đặc trưng I-V và bảng tổng hợp thông số quang điện. Khi chuyển từ cấu trúc màng đơn TiO2/CdSe sang cấu trúc dị thể TiO2/CdS/CdSe/ZnS, đường đặc trưng I-V dịch chuyển rõ rệt về phía mật độ dòng và điện thế cao hơn. Bảng so sánh các thông số cho thấy mật độ dòng ngắn mạch Jsc tăng gấp hơn 2 lần, thế mạch hở Voc tăng thêm từ 80 mV đến 120 mV và hệ số lấp đầy FF được cải thiện nhờ sự suy giảm điện trở tiếp xúc nội tại. Lớp mỏng ZnS đóng vai trò như một hàng rào thế ngăn cản electron trong màng TiO2 quay trở lại tái hợp với ion polysulfide trong dung dịch điện ly, giải quyết triệt để điểm nghẽn thất thoát dòng điện thường gặp ở các pin mặt trời chấm lượng tử truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm, bốn giải pháp cụ thể được đề xuất nhằm tiếp tục hoàn thiện và phát triển công nghệ pin mặt trời chấm lượng tử:

• Tối ưu hóa phản ứng trao đổi phối tử bề mặt (Ligand Exchange): Các nhóm nghiên cứu vật liệu nano cần tiến hành thay thế các phân tử axit oleic chuỗi dài bằng các phối tử vô cơ ngắn như ion halogenua (Cl-, I-) hoặc các hợp chất thiol ngắn (axit mercaptopropionic - MPA) trong vòng 3 đến 6 tháng tới, nhằm rút ngắn khoảng cách giữa các hạt nano và tăng mật độ dòng ngắn mạch Jsc lên thêm 20% đến 30%.
• Tự động hóa và chuẩn hóa quy trình lắng đọng SILAR: Các kỹ sư chế tạo linh kiện cần xây dựng hệ thống nhúng tự động có kiểm soát nhiệt độ và tốc độ khuấy trong vòng 6 đến 12 tháng, duy trì nồng độ tiền chất Zn2+ và S2- ở mức chuẩn 0.1M để kiểm soát độ dày lớp ZnS ở quy mô 1 đến 2 lớp nguyên tử, giảm sai số giữa các mẻ chế tạo xuống dưới 5%.
• Phát triển chất điện ly trạng thái rắn hoặc gel polymer: Các phòng thí nghiệm hóa lý liên kết cần thực hiện nghiên cứu thay thế dung dịch điện ly lỏng polysulfide bằng hệ chất điện ly gel polymer hoặc vật liệu dẫn lỗ trống rắn vô cơ (như CuS, CuInS2) trong lộ trình 12 đến 24 tháng, nhằm loại bỏ hoàn toàn nguy cơ bay hơi dung môi và nâng cao độ bền hoạt động của pin vượt mốc 1000 giờ chiếu sáng liên tục.
• Ứng dụng cấu trúc dị thể lai một chiều và không chiều (1D/0D): Các viện nghiên cứu năng lượng mới cần đẩy mạnh tích hợp dây nano hoặc ống nano TiO2 thẳng đứng kết hợp với chấm lượng tử CdS/CdSe/ZnS trong vòng 18 tháng, hướng tới mục tiêu tối ưu hóa đường truyền dẫn electron trực tiếp và đưa hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin QDSSC đạt từ 6% đến 8%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho bốn nhóm đối tượng chính:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật liệu nano, Vật lý chất rắn và Hóa lý: Tiếp cận quy trình tổng hợp hạt keo bán dẫn CdSe có độ phân tán cao, nắm vững kỹ thuật tính toán kích thước hạt qua phổ UV-Vis và công thức Debye-Scherrer từ giản đồ XRD.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) trong lĩnh vực quang điện và năng lượng tái tạo: Ứng dụng các thông số công nghệ về phương pháp SILAR, tỷ lệ phối trộn chất điện ly polysulfide và kỹ thuật thụ động hóa màng ZnS để thiết kế các module pin quang điện thế hệ mới với chi phí thấp.
• Giảng viên và cán bộ giảng dạy tại các trường đại học kỹ thuật: Sử dụng tài liệu như một giáo trình tham khảo chuyên sâu về cơ chế giam giữ lượng tử, động học truyền điện tích phân tầng và các phương pháp phân tích vật liệu tiên tiến như FE-SEM, EDS, Raman và I-V.
• Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và linh kiện quang điện tử: Tham khảo lộ trình công nghệ chế tạo điện cực màng xốp trên đế kính dẫn FTO và kỹ thuật ghép nối pin bằng màng nhựa Surlyn nhằm đánh giá tính khả thi trong chuyển giao công nghệ quy mô công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cấu trúc đồng nhạy quang CdS/CdSe lại vượt trội hơn màng đơn CdSe? Cấu trúc phân tầng tạo ra sự sắp xếp vùng năng lượng bậc thang loại II, trong đó năng lượng vùng dẫn tăng dần theo thứ tự TiO2 < CdS < CdSe. Cấu hình này tạo lực đẩy nội tại giúp electron quang sinh từ CdSe truyền qua CdS sang TiO2 nhanh hơn, đồng thời mở rộng dải hấp thụ quang học đến bước sóng 730 nm và giảm thiểu tái hợp điện tích.

Hiệu ứng giam giữ lượng tử tác động như thế nào đến hạt nano CdSe trong nghiên cứu? Khi kích thước hạt CdSe thu nhỏ xuống 2.79 nm (nhỏ hơn bán kính Bohr exciton 5.6 nm), các mức năng lượng bị lượng tử hóa gián đoạn. Độ rộng vùng cấm tăng từ 1.74 eV ở vật liệu khối lên khoảng 2.43 eV, khiến đỉnh hấp thụ exciton dịch chuyển từ 725 nm về 509 nm, cho phép điều khiển màu sắc và phổ hấp thụ theo kích thước hạt.

Lớp phủ ZnS đóng vai trò gì trong việc cải thiện hiệu suất pin mặt trời QDSSC? ZnS sở hữu vùng cấm rộng 3.6 eV, đóng vai trò như một lớp thụ động hóa bề mặt. Lớp màng này bịt kín các trạng thái bẫy khuyết tật trên bề mặt CdS/CdSe và hình thành hàng rào thế vật lý, ngăn chặn electron từ vùng dẫn TiO2 tái hợp ngược với các ion Sx2- trong dung dịch chất điện ly.

Phương pháp SILAR có những ưu điểm gì khi chế tạo các lớp màng bán dẫn? SILAR cho phép lắng đọng màng mỏng trực tiếp từ dung dịch ion ở nhiệt độ phòng với độ bám dính cao trên đế xốp TiO2. Phương pháp này giúp kiểm soát chính xác độ dày màng ở cấp độ lớp đơn nguyên tử thông qua số chu trình nhúng (tối ưu ở 4 chu trình cho CdS), chi phí thấp và không đòi hỏi thiết bị chân không phức tạp.

Tại sao chất điện ly polysulfide được chọn thay thế cho cặp oxy hóa - khử Iodide/Triiodide? Dung dịch Iodide/Triiodide (I-/I3-) có tính ăn mòn mạnh, dễ làm quang ăn mòn và phân rã các chấm lượng tử bán dẫn CdSe/CdS. Cặp oxy hóa - khử sulfide/polysulfide (S2-/Sx2-) kết hợp dung môi methanol/nước (tỷ lệ 7:3) duy trì tính ổn định hóa học cao, giảm sức căng bề mặt và khử nhanh lỗ trống quang sinh.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công hạt nano bán dẫn CdSe cấu trúc zinc-blende bằng phương pháp hóa học keo ở 160°C với kích thước đồng nhất 2.79 nm và đỉnh hấp thụ exciton sắc nét tại bước sóng 509 nm.
• Xác định tỷ lệ tiền chất Cd:Se tối ưu là 1.5:1, giúp giảm thiểu sai hỏng mạng tinh thể và triệt tiêu các bẫy tái hợp quang học không mong muốn.
• Chế tạo thành công anode quang cấu trúc dị thể TiO2/CdS/CdSe/ZnS bằng kỹ thuật in lụa kết hợp phương pháp SILAR 4 chu trình cho CdS và phủ màng thụ động hóa ZnS từ dung dịch ion 0.1M.
• Chứng minh cơ chế truyền điện tích dạng bậc thang loại II giúp gia tăng vượt bậc mật độ dòng ngắn mạch Jsc, nâng cao thế mạch hở Voc và cải thiện độ bền quang điện của pin.
• Cung cấp quy trình công nghệ chế tạo hoàn chỉnh, giá thành thấp, mở ra hướng ứng dụng thực tiễn cho pin mặt trời chấm lượng tử thế hệ mới.

Trong giai đoạn 12 đến 18 tháng tới, các nghiên cứu tiếp nối cần tập trung vào kỹ thuật trao đổi phối tử vô cơ chuỗi ngắn và phát triển chất điện ly trạng thái rắn để hoàn thiện độ bền linh kiện. Các nhà khoa học, chuyên gia công nghệ và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác chi tiết các thông số thực nghiệm trong công trình để ứng dụng và mở rộng quy mô nghiên cứu.

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.