TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN CỦA PIN MẶT TRỜI CHẤM LƯỢNG TỬ -CHẤT MÀU NHẠY QUANG (QDS-DSC)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN CỦA PIN MẶT TRỜI CHẤM LƯỢNG TỬ Học viên: Huỳnh Lê Thùy Trang CBHD: TS.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN CỦA PIN MẶT TRỜI CHẤM LƯỢNG TỬ

Học viên: Huỳnh Lê Thùy Trang CBHD: TS Lâm Quang Vinh PGS TS Dương Ái Phương

II.LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

III.KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

1 CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe

3 GHÉP VÀ ĐO TÍNH NĂNG PIN

IV KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN

S + hυ → S*υ → S*

S* → S+ + e (đến lớp TiO2)

3I- +2S+→ 2S + I

-3

2e + I

-3 → 3I

-Pin mặt trời chất màu nhạy quang(DSC) (P.TN Hóa Lý Trường

ĐH KHTN TP HCM)

Nguyên lý hoạt động:

Chất màu nhạy quang nhận

ánh sáng kích thích:

Chu trình chuyển điện tích tuần hoàn của pin

Thay thế chất nhạy quang bằng chấm lượng tử

Hạn chế:

_Hiệu suất chưa cao (6-7%) _Độ bền kém (do kém chịu nhiệt)…

Chọn chấm lượng tử CdSe vì:

_Dễ tổng hợp và điều khiển kích thước hạt _Độ rộng vùng cấm CdSe (vật liệu

khối)1.74eV tương đương 720 nm và bán kính Bohr khá lớn là 5,4 nm có hiệu ứng giam cầm lượng tử mạnh

Dễ dàng khảo sát tính chất quang đồng thời có thể hấp thụ toàn bộ vùng khả kiến của ánh sáng mặt trời

I GIỚI THIỆU

☻Tổng hợp thành công và nghiên cứu tính chất quang chấm lượng

tử CdSe.

☻Ghép pin và đo đặc trưng dòng, thế của pin.

☻Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của màng TiO2 –CdSe (anode quang)

II LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

Hiệu ứng suy giảm lượng tử

Vật liệu Eg(eV) (nm) ) aB (nm) ) Eb(m) eV)

Thυ → S*eo lý thυ → S*uyết của Kayanuma, trong vùng suy giảm lượng tử mạnhυ → S* (R< 2aB), ta có thυ → S*ể tínhυ → S* kíchυ → S* thυ → S*ước hυ → S*ạt:

Bán kínhυ → S* Bohυ → S*r của một số chυ → S*ất bán dẫn

Cần tối ưu hóa các thông số

Tỷ lệ chất bao

Quy trình tổng hợp chấm lượng tử CdSe

Tỷ lệ phản ứng Cd/Se

Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ chất bao

M=Mercaptoethanol/Sodium selenite

pentahydrate

Eg(d)(eV) 2.67 2.79 2.81 2.95 3.23

R(nm) 1.77 1.67 1.65 1.56 1.41

Tỷ lệ chất bao phải được chọn sao cho

đủ lớn để ngăn chặn sự phát triển rất

Phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch nano CdSe

Nhận xét:

-Tỷ lệ M tăng kích thước hạt giảm, đỉnh hấp thụ dịch về phía xanh (độ rộng vùng cấm tăng) Hiệu ứng suy giảm lượng tử

1 Kết quả và thảo luận về chấm lượng tử CdSe

Thay đổi tỷ lệ chất bao để đạt kích thước mong muốn

Chọn tỷ lệ M≥6

Tỉ số R R=2 R=3 R=4 R=5 R=6 R=8 R=10 R=12

λ(nm) 362 383 440 444 446 454 474 485

Eg(d)(eV) 3.43 3.24 2.82 2.79 2.78 2.73 2.62 2.56

R(nm) 1.32 1.28 1.65 1.67 1.68 1.72 1.82 1.89

Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ R(Cd/Se)

Phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch nano CdSe

-Kích thước hạt tăng theo tỷ lệ phản ứng giữa Cd2+ và Se

2 Độ rộng vùng cấm bị mở rộng hơn

so với vật liệu khối (1.74eV) Hiệu ứng suy giảm lượng tử

Kết luận: Từ phổ UV-Vis bước đầu khẳng định sự hình thành chấm lượng tử CdSe

-Điều khiển tỷ lệ chất bao và tỷ

lệ Cd/Se để đạt kích thước mong muốn

Phổ hấp thụ và phổ quang phát quang của các

dung dịch CdSe cùng tỷ lệ R(Cd/Se) , khác

nhau về tỷ lệ chất baoM

Phổ quang phát quang (PL)

☻Kích thước hạt giảm (ứng với tỷ lệ chất bao M tăng) , các đỉnh phát quang dịch về phía xanh do hiệu ứng suy giảm lượng tử

☻Vạch phổ mở rộng và bị dịch chuyển Stokes khá lớn so với phổ hấp thụ 0.95

eV Do sự xuất hiện của những mức năng lượng bẫy bề mặt.

1 Kết quả và thảo luận về chấm lượng tử CdSe

Nhiệt độ

nung

Δ(2θ) (độ)

Vị trí góc 2θ (độ)

Kích thước hạt (nm) Sấy 100 0 C 2.30 26.03 3.55

Nung 200 0 C 1.64 25.85 5.00

Nung 300 0 C 0.52 25.84 15.67

Nung 450 0 C 0.29 26.12 28.12

Phổ Raman của mẫu bột CdSe

Công thức Scherrer:

♪ Hạt nano CdSe tồn tại ở pha cấu trúc lập phương

và với sự thay đổi nhiệt độ nó sẽ chuyển dần sang cấu trúc pha dạng wurtzite

♪ Kích thước hạt tăng dần theo nhiệt độ cũng như theo pha cấu trúc tinh thể

Có sự dịch chuyển các đỉnh dao động quang 1LO và 2LO

so với vật liệu khối (1LO ở 210cm-1 và 2LO ở 413cm-1

KẾT LUẬN:

CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe ĐÃ HÌNH THÀNH

Ảnh TEM của mẫu bột CdSe

Hạt dạng hình cầu,

kích thước 3nm phù

hợp với tính toán lý

thuyết từ phổ UV-Vis

và phổ XRD

1 Kết quả và thảo luận về chấm lượng tử CdSe

Phương pháp in lụa

Hệ keo TiO2 được cung cấp bởi phòng thí nghiệm điện hóa trường đại học Khoa Học Tự Nhiên TP Hồ Chí Minh được chế tạo bằng phương pháp sol-gel và thủy nhiệt với cấu trúc

lỗ xốp, kích thước 20nm

Nguyên lý : hình ảnh cần in được khắc trên lụa theo nguyên tắc

phần hình ảnh cần in được để trống, phần còn lại được phủ keo

PVA Khi in, keo in lụa TiO2 sẽ đi xuyên qua lưới ở phần trống

tạo hình trực tiếp lên vật liệu cần in

in lụa keo TiO 2

Xử lý nhiệt

Xử lý nhiệt

Anode

Ngâm trong

dd nano CdSe

Xử lý sạch

Quy trình chế tạo

☻Bờ hấp thụ của màng TiO2 phủ CdSe mở

rộng so với bờ hấp thụ của màng TiO2

Phổ hấp thụ UV-Vis của màng TiO 2 -CdSe

theo thời gian ngâm

Phổ hấp thụ UV-Vis của màng TiO 2 -CdSe xử lý nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau trong môi trường chân không

☻Thời gian ngâm 20h, màng có độ hấp

thụ cao nhất

♠ Xử lý nhiệt độ càng cao bờ hấp thụ càng

mở rộng về phía đỏ do kích thước hạt tăng theo nhiệt độ

Quá trình xử lý nhiệt làm bờ hấp thụ mở rộng hơn, hấp thụ toàn bộ vùng ánh sáng khả kiến

2 Kết quả và thảo luận: màng TiO 2 -CdSe

Ảnh FE-SEM của màng TiO2 /thủy tinh Ảnh FE-SEM của màng TiO

2 -CdSe/thủy tinh

☻Bề mặt TiO2 có cấu trúc xốp, kíchυ → S* thυ → S*ước hυ → S*ạt tương đối đồng đều

☻Màng TiO2–CdSe hυ → S*ìnhυ → S* thυ → S*ái bề mặt có sự khυ → S*ác biệt so với màng TiO2  Chυ → S*ứng tỏ CdSe đã hυ → S*ấp thυ → S*ụ lên màng TiO2

Hình thái học bề mặt của màng

Phổ XRD của màng TiO 2 –CdSe xử lý 300 0 C

trong chân không

Phổ Raman của màng TiO 2 -CdSe

♣ Có các đỉnh nhiễu xạ tương ứng pha

anatase của tinh thể TiO2

♣ Các đỉnh nhiễu xạ của tinh thể CdSe pha

cấu trúc dạng lập phương (zinc blende) với

các mặt mạng (111), (220), (311)

Chứng tỏ CdSe đã được gắn lên TiO 2

♠Xuất hiện các đỉnh đặc trưng cho mode dao động của tinh thể TiO2 cấu trúc pha anatase và các mode dao động 1LO (205 cm-1) và 2LO (410cm-1) của tinh thể CdSe ♠Mẫu xử lý

3000C có đỉnh ở 280 cm-1do dao động của các phối tử của CdSxSe1-x

2 Kết quả và thảo luận: màng TiO 2 -CdSe

☻ Khi không có mặt TiO2:

CdSe + hυ → CdSe(h+ + e-)

CdSe(h+ + e-) → CdSe + hυ’

☻ Có mặt TiO2 cường độ phát quang giảm mạnh

do:

CdSe (h+ + e-) + TiO2 → CdSe(h+) + TiO2(e-)

Cuối cùng tái hợp với lỗ trống của TiO2 hoặc bị

bẫy trong các khuyết tật điện tử thông qua dịch

chuyển không phát xạ

Điện tử dịch chuyển thành công từ CdSe sang TiO2

Kết quả này cũng phù hợp với một

số tác giả như: nhóm tác giả Anusorn , Ấn Độ (2008)[6]; hoặc nhóm tác giả Liping Liu, ĐH California (2009) [29]

2 Kết quả và thảo luận màng TiO 2 –CdSe (anode quang)

KẾT LUẬN VỀ MÀNG TiO2 -CdSe

♣ Bằng phương pháp ngâm trực tiếp màng TiO2 trong dd nano CdSe 20h cho thấy chấm lượng tử CdSe đã gắn kết được với mạng lưới của TiO2

♣ Quá trình xử lý nhiệt làm bờ hấp thụ dịch về phía đỏ, hấp thu toàn bộ vùng

ánh sáng khả kiến

♣Chấm lượng tử sau khi hấp thụ ánh sáng đã bơm điện tử thành công qua TiO2

Pin ISC (mA/cm -1 ) VOC (V)

TiO2-CdSe 0.05 0.58

TiO2-CdSe(200 0 C) 0.12 0.40

TiO2-CdSe(300 0 C) 0.04 0.23

Đường đặc trưng I-V

Hệ máy Keithley đo hiệu suất pin

Việc xử lý nhiệt độ anode TiO 2 -CdSe giá trị dòng ngắn mạch và thế mạch hở cao hơn ở

200 0 C, còn ở 300 0 C lại giảm đi nhiều Tính năng chuyển đổi thành dòng của PMT chúng tôi chế tạo không cao

Nguyên nhân:

♫ Phản ứng tạo dòng tối cao

♫ Các tác nhân hữu cơ vẫn còn bám trên bề mặt làm điện trở tăng cao cản trở dòng điện.

♫ Công nghệ chế tạo dựa trên nguyên liệu tự sản xuất, chưa hoàn chỉnh thông

số, không có phòng sạch ….

PMT của chúng tôi vẫn có nhiều tiềm năng phát triển

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

☻Chúng tôi đã chế tạo thành công chấm lượng tử CdSe bằng phương pháp

colloide và điều khiển kích thước hạt theo nồng độ chất bao và tỷ lệ Cd/Se

☻Đã chế tạo thành công màng TiO 2 bằng phương pháp in lụa và màng TiO 2 -CdSe bằng phương pháp ngâm trong dung dịch nano CdSe Khảo sát các tính chất của màng, cho thấy có sự hấp thụ của CdSe lên TiO 2 , khẳng định được quá trình chuyển điện tích

từ vùng dẫn CdSe sang vùng dẫn TiO 2 , điều này rất quan trọng trong việc ứng dụng làm pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang

☻ Chúng tôi đã tạo pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang và đo tính năng của pin.

♣Khảo sát các phương pháp hữu hiệu hơn để có thể hấp thụ chấm lượng tử CdSe lên màng TiO2

♣Khảo sát ảnh hưởng của kích thước, nhiệt độ xử lý chất nhạy quang-chấm lượng tử CdSe lên hiệu suất chuyển đổi của pin

♣Có thể kết hợp nhiều lớp chấm lượng tử như CdS, CdSe, ZnS hoặc chất nhuộm để cải thiện hiệu suất chuyển đổi

Định hướng phát triển: