ĐẠI hỌc QUỐC GIA hA TIOI TTƠ|ỜIIG ĐẠI hỌc cÔIIG HIGhỆ PhAI ThỊ QUÉ AITh chÉ TẠ0 MÀIIG MÓỎNG Ti0z/cedS cÂU TTúc HAH0 bAIIG cONG IIGhE bOc BAY KET hỢP Ủ HhIỆT VÀ KkhAO SAT Tilth chAT DIET, QUAIIG, QUAIIG ĐIỆN cUA chélIG LUẬN VĂN ThẠc SĨ hà Hội — 2010 MUc LUc KET MO DAU nà chơjơng 1: TÔIIG QUATI VE VAT LIEU Ti02 ` 1.1 cấu trúc của Ti0 TAT. au TU! ca 1Ù2 ; LIEU 1.2 Tính chất điện cua timh thé nan0 Tid, ThA 1.3 Tính chất quang xúc tác của Ti02 M.1 IIguyên lý cơ bản của quang xúc lác 1.2 cơ chế quang xúc tác của Ti0; 1.4 Pin mặt trời nhạy quang dựa lrên cấu trúc linh thể nanô Ti0; 1. Giải thích h0ạl động của pin mặt trời nhạy quang bằng lí thuyet 1.3 các yếu lố lr0ng pin mặt trời nhạy quang 1.4 Pin mặt trời nhạy quang c0mp0sile T102/cdS chojong 2: ThỰc IIGhIỆM 2.1 các phoJơng pháp thực nghiệm 2.1 Phơtơng pháp sốc say nhiệt 2.2 Phơtơng pháp sốc say dùng chùm tia điện lử 2.3 chụp ảnh sề mặt bằng kính hiên vi điện tử quét 2.4 Phép đ0 phổ hấp thụ 2.5 DO dac trong quang điện hóa 2.2 Thực nghiệm chế lạ0 mẫu chơjơng 3: KÉT QUÁ VÀ ThẢ0 LUẬN 3.1 Đặc điểm cấu trúc và hình thái học của màng Ti0a 3.2 hình thái học sề mặt của màng mỏng c0mp0sile Ti0z/cdS 3.3 Phổ hấp thụ của màng mỏng c0mp0sile Ti0z/cdS 3.4 Đặc trong quang điện hóa của màng mỏng cOmpOsite Ti02/cdS 1 26 26 26 27 30 31 32 34 36 36 38 41 42 46 47 Trang 1 ¬ = CMa 14 17 20 24 DAHh MỤC cÁc bẢIG, hìHh VẼ hình 1. cấu trúc sát diện của Ti0; hình 1.
cấu trúc ruhile hình 1. cấu trúc Analase hình 1. Pha sr00kile hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ đ0 điện hóa : 1.
Điện cực làm việc (Mẫu: Ti0;); 2. Điện cực đối P1. cấu trúc vùng năng lojợng của chat pan dẫn và sự hOat dong của chất sán dan khi dqjoc kich thích quang hóa hình 1. cơ chế quang xúc lác của Ti0; hình 1.
Quá trình ôxy h0á quang xúc lác trên hạt T10: nan0 hình 1. các quá trình vật lí xảy ra với các hạt lải không cân sằng khi chiếu xạ chuyên liếp p_n, với lớp A là lớp sán dẫn n và lớp b là lớp bán dẫn p hình 1. cấu †ạ0 của một pin mặt trời nhạy quang dựa lrên các nan0 linh thé Tid, hình 1. Sơ đồ nguyên lý làm việc của pin mặt trời nhạy quang hình 1.
Quá trình chuyên đổi điện tích giữa lớp màu và mạng linh thê Ti0;: 1. Melal — 10 — ligand charge †ranfer, 2. Tiêm điện tử và 3. Sự tái hợp điện tích.
Quá trình kích thích và sojớc dịch chuyên điện tích †r0ng chất nhạy màu hình 1. Sơ đồ mô !ả một lế sà0 quang điện nhạy màu làm từ linh thể Ti0; 3 hình 1. Sơ đồ dịch chuyên điện lích tr0ng hợp chất sán dẫn kiểu capped (a) và c0upled () hình 2. [Iguyên lý cơ sản của phoJơng pháp sốc say nhiệt hình 2.
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thiết sị bốc say bằng chòm tia điện lử †r0ng chân không Vbh — 75PI hình 2. Kính hiển vi điện tử quét hilachi FESEM S-4800 hình 2. Sự hấp thụ ánh sáng của một mẫu đồng nhất có chiều day d hình 2. Sơ đồ nguyên lý hệ Aul0Lap.
Điện cực làm việc (Mẫu Ti0;); 2. Điện cực đối (PĐ; Môi lrojờng giữa hai điện cực là chất điện phân IM Kcl và 0. Giản đồ về cơ chế truyền điện lich của lớp chuyển tiếp dị thể Ti0z/cdS hình 3. Ảnh FESEM chụp bề mặt của màng mỏng IT0/Ti0; hình 3.
Ảnh FESEM chụp bề mặt của màng mỏng IT0/Ti0z/70nm cdS hình 3. Ảnh FESEM chụp bề mặt của màng mỏng IT0/Ti0z/300nm cdS hình 3. Phổ hấp thụ UV—Vis của màng mỏng IT0/Ti0; và các màng mỏng ITO/Ti02/cdS hình 3. Phé I — V của màng mỏng IT0/Ti0; và màng IT0/Ti0z/cdS khi không có và có chiếu sáng hình 3.
Phé I — V của lất cả các màng mỏng IT0/Ti0;/cdS đã chế ta0 khi đojợc chiếu sáng MO DAU Pin mặt trời là thiết sị sản xuất điện trực liếp từ năng lơjợng mặt trời và đơojợc sử dụng rộng rãi ngày nay. Đây là giải pháp sử dụng nguồn năng lojợng sạch thay thề ch0 việc sử dụng nguồn năng lơjợng truyền thống đang dần cạn kiệt nhơi dầu mỏ, khí đốt. Vấn đề mấu chốt tr0ng nền công nghiệp hiện nay phát triển công nghệ đề giảm giá thành chế †ạ0 và nâng ca0 hiệu suất biến đổi quang điện của pin. Tế sà0 quang điện của pin mặt trời thực chất là một lớp chuyên liếp p—n dày và đã có rất nhiều l0ại vật liệu đojợc sử dụng đề chế a0 nó; luy nhiên hiện nay chất sán dẫn silic vẫn đojợc sử dụng nhiều nhất đ0 S¡ là vật liệu phố biến, đã và đang đơjợc sản xuất với số lojợng lớn đ0 có hiệu suất chuyên đổi quang điện ca0.
Tuy giá lhành lrên mỗi WaH của pin mặt lrời lrên nền linh thể silic đã giảm rất đáng kế lr0ng kh0ảng 10 năm trở lại đây, nhoỊng các thiết sị sử dụng năng lojợng mặt trời để chuyền thành điện năng vẫn còn rất đắt s0 với giá điện hiện nay mỗi hộ gia đình phải chi tra hang thang. Tlăm 1991, sự ra đời của “dye-sensiized s0lar cell (DSc)” — pin mat troi nhạy quang dựa lrên nền vật liệu Ti0; đã hứa hẹn là một vật liệu thay thé ré liền hơn nhiều s0 với pin mặt trời truyền thống. hiện nay, thế hệ pin mặt trời này đã đạt hiệu quả chuyền hóa đến 11% và một khả năng lhích nghỉ lốt với điều kiện đơjợc chiếu sáng †r0ng môi kh0ảng thời gian dài. Thực nghiệm với 8000 giờ chiếu sáng với cojờng độ gấp 2.5 lần ánh sáng mặt trời, và nhiệt độ 6 thực nghiệm là 80 — 90°c ch0 thấy hiệu suất chỉ sị giảm đi rat it, két qua của thí nghiệm này giúp la có thể lin loiởng vật liệu này có thể h0ạt động rất sền bỉ Ir0ng kh0ảng thời gian it nhất là 10 năm.
hiện nay hoJớng nghiên cứu sử dụng màng mỏng T10: nhơ| là điện cực thu điện tử tr0ng các linh kiện pin mặt trời kiểu mới (pin mặt trời Grazel — pin mat trời sử dụng vật liệu c0mp0sile) đặc siệt đơjợc quan lâm và ch0 thấy có rất nhiều triển vọng. IIgoời la nhận thấy sằng việc thay đổi kích thojớc và hình dạng của các nanô linh thể Ti0; có thể lăng đojợc hiệu suất làm việc của các linh kiện lên nhiều lần, điều này mở ra hojớng đi mới ch0 việc nghiên cứu chế lạ0 các pin mặt trời giá rẻ. có nhiều phoJơng pháp công nghệ khác nhau đã đơiợc sử dụng để chế 1ạ0 màng T10 có cấu lrúc nanô nho các phojong pháp nhúng ké0, quay phủ ly lâm hay phủ trải sử dụng công nghệ s0l-gel. Tuy nhiên gần đây nhiều công lrình nghiên cứu chỉ ra rằng sằng phoJơng pháp vật lý nhơi sốc bay chân không kết hợp ủ nhiệt không những có thê chế †a0 đơjợc màng Ti0; cau trúc nanô với độ đồng nhất ca0 mà còn có thể dễ dàng thay đổi đơjợc kích thơjớc và hình dạng của các hạt nan0 linh thé.
Đặc siệt với pho|ơng pháp này màng Ti0; có thê nhận đơqợc có độ tinh khiết ca0. Việc nghiên cứu chế lạ0 màng Ti0; cau tbc nan0 và khả0 sát các nh chất điện, quang, quang điện hóa của chúng không chỉ có ý nghĩa về kh0a học mà nó còn là cơ sở san đầu ch0 việc hơiớng lới chế †ạ0 pin mặt trời kiểu mới với giá thành hạ và kích thoJớc lớn ứng dụng vàO0 thực liễn. Với các mục đích nhơi trên, sau mội thời gian lập lrung chế lạ0 và nghiên cứu, màng mỏng T10› ứng dụng làm điện cực dojơng ch0 pin mặt lrời đã đơxợc chế lạ0 thành công, các kết quả khả0 sát sojớc đầu là khả quan. các kết quả thu đojợc về cấu lrúc và hình thái học cũng nhot lính chất điện, điện 8 quang và quang điện hóa của các mẫu chế lạ0 đã đơjợc liến hành khả0 sát, đánh giá để tìm ra các điểu kiện lối qu ch0 việc chế †ạ0 các điện cực dơtơng T10: ứng dụng ch0 pin mặt lrời, đáp ứng mục liêu an 10an nang lojong chO tojong lai.
DO đó Tôi chọn hơiớng nghiên cứu với nội dung: “chế †g0 màng mỏng Ti0⁄/lŠS cấu lóc nan0 sằng công nghệ sốc say kết hợp ti nhiệt và khá0 sái tính chất điện, quang, quang điện đủa chúng” làm đề tài khóa luận. bố cục của khóa luận gồm: >. chơJơng 1: Tổng quan về vật liệu Ti0;. Tr0ng phần lông quan này sẽ giới thiệu về cấu trúc và các lính chất điện, quang, quang điện của vật liệu nanô tinh thê Ti0:.
> __ chơJơng 2: Thực nghiệm. Phần thực nghiệm sẽ trình sày về phoJơng pháp chế †ạ0 mẫu và các phojơng pháp phân tích đánh giá phẩm chất của mẫu chế 1ạ0. > chojong 3: Két qua va tha0 luan. Đánh giá các kết quả đã dat đojợc, những hạn chế lr0ng quá trình nghiên cứu và doja ra các giải pháp mới.
> _ Kết luận chung. > Tai liéu tham khả0. Luận văn này đojợc h0àn thành dơjới sự kết hợp nghiên cứu và đà0 ta0 gitta KhOa Vat ly Ky thuat — Trojong Dai hoc công nghệ — Đại học Quốc gia hà Hội và Phòng công nghệ màng mỏng cấu lrúc nan0. 10 chŒ|ƠNG 1 TONG QUATI VE VAT LIEU Ti02 1.1 cấu trúc của Ti0› Ôxf Ti0; đơjợc xem là vật liệu sán dẫn vùng cắm rộng (với Eg = 3.
Vật liệu này khi đơjợc chế ‡a0 dơiới dạng kích thojớc nan0 ch0 thấy nhiều lính chất hóa, lý thú vị và đang rất đojợc quan lâm lr0ng nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau nhơ] lĩnh vực quang xúc lác, lr0ng nghiên cứu chế lạ0 sensơ, các linh kiện điện sắc và các linh kiện tich trữ và chuyền hóa năng logjong. Tr0ng vật liệu Ti0;, các nguyên tử ôxy và lilan sắp xếp †he0 cấu trúc sát diện (hình 1. nguyên tử Oxy ( nguyên tử Titan hinh 1. dấu lóc oái diện qia Tì0› Mỗi hình sát điện lrên đoøjợc c0i nhơi một ô cơ sở tr0ng mạng linh thé.
Tùy the0 6 mang bravais va vi tri tojong đối giữa các hình sát diện, Ti0; sẽ có các dạng thù hình: sr00kile, analase và ruHle. 11 Tutile: 1a trang thai tinh thé bền của Ti0;, pha rutile cé độ rộng khe năng lojợng 3,02 eV. Tulile là pha có độ xếp chặt ca0 nhất s0 với 2 pha còn lại, khối lojợng riêng 4,2 g/cm°. Tuhile có kiểu mang bravais tr phojong voi cac hình sái diện xếp liêp xúc nhau ở các đỉnh (hình 1.
dấu lúc eulile Anatase: 1a pha co h0ại tính quang h0á mạnh nhất lr0ng 3 pha. Analase có độ rộng khe năng lojợng 3,23 eV và khối lojong riêng 3,9 g/cmỶ.