DSpace at VNU: Nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ Halogen ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời

DSpace at VNU: Nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ Halogen ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời tài liệu...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Minh Tú

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU PEROVSKITE HỮU CƠ VÔ CƠ HALOGEN ỨNG DỤNG CHO PIN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Minh Tú

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU PEROVSKITE HỮU CƠ VÔ CƠ HALOGEN ỨNG DỤNG CHO PIN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành: HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ

Mã số: 60440119

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

TS Nguyễn Trần Thuật

HÀ NỘI – 2015

LờI CẢM ƠN!

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS Trương Thanh

Tú và TS Nguyễn Trần Thuật đã tận tình hướng dẫn để em hoàn thành tốt đề tài luận văn của mình

Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô, các anh chị và các bạn trong Bộ môn Hóa lý đặc biệt là Phòng thí nghiệm Hóa học các hợp chất cao phân tử, Phòng thực tập Hóa lý thuyết và Hóa lý - Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn này

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô, các anh chị và các bạn trong Trung tâm Nano và năng lượng - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài luận văn

Luận văn này được hoàn thành với sự giúp đỡ tài chính từ đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite vô cơ – hữu cơ ứng dụng cho lớp hấp thụ của pin mặt trời tiếp giáp dị thể”, mã số 103.02-2014.81, Trung tâm Nano và Năng lượng

- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội

Cuối cùng em xin cảm ơn bố mẹ, anh chị em cùng người thân và bạn bè

đã luôn cổ vũ, động viên em!

Em xin chúc tất cả mọi người luôn luôn mạnh khỏe và thành công!

Hà Nội Ngày 18 tháng 12 năm 2015

Học viên : Nguyễn Minh Tú

MụC LụC

MỞ ĐẦU 8 Chương 1 TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Giới thiệu về pin mặt trời Error! Bookmark not defined

1.1.1 Một số vấn đề về năng lượng Error! Bookmark not defined 1.1.2 Vài nét về pin năng lượng mặt trời Error! Bookmark not defined 1.1.3 Pin mặt trời perovskite Error! Bookmark not defined

1.2 Phương pháp chế tạo perovskite hữu cơ vô cơ halogen Error! Bookmark not defined

1.2.1 Phương pháp hóa học Error! Bookmark not defined 1.2.2 Phương pháp vật lý Error! Bookmark not defined

1.3 Tính chất đặc trưng và ứng dụng của perovskite hữu cơ vô cơ halogen Error! Bookmark not defined Chương 2 THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined 2.1 Hóa chất và dụng cụ Error! Bookmark not defined

2.1.1 Hóa chất Error! Bookmark not defined 2.1.2 Dụng cụ Error! Bookmark not defined

2.2 Thí nghiệm Error! Bookmark not defined

2.2.1 Tổng hợp tiền chất CH3 NH 3 X Error! Bookmark not defined

2.2.1.1 Tổng hợp tiền chất CH 3 NH 3 Br Error! Bookmark not defined

2.2.1.2 Tổng hợp tiền chất CH 3 NH 3 I Error! Bookmark not defined

2.2.2 Tổng hợp perovskite theo phương pháp hóa học Error! Bookmark not

defined

2.2.2.1 Tổng hợp CH 3 NH 3 PbI 3 bằng phương pháp hóa học Error!

Bookmark not defined

2.2.2.2 Tổng hợp CH 3 NH 3 PbI 2 Br bằng phương pháp hóa học Error!

Bookmark not defined

2.2.3 Tổng hợp perovskite bằng phương pháp vật lý Error! Bookmark not

defined

2.2.3.1 Phủ quay một lần Error! Bookmark not defined 2.2.3.2 Phủ quay một lần kết hợp nhúng Error! Bookmark not defined 2.2.3.3 Phủ quay hai lần Error! Bookmark not defined

2.3 Các phương pháp đánh giá đặc trưng tính chất Error! Bookmark not defined

2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined 2.3.2 Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân Error! Bookmark not

defined

2.3.3 Phương pháp phổ hồng ngoại Error! Bookmark not defined 2.3.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét Error! Bookmark not defined 2.3.5 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua Error! Bookmark not

defined

2.3.6 Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) Error!

Bookmark not defined

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Kết quả tổng hợp tiền chất CH 3 NH 3 X Error! Bookmark not defined 3.2 Kết quả tổng hợp perovskite bằng phương pháp hóa học Error! Bookmark not defined

3.3 Kết quả tổng hợp perovskite bằng phương pháp vật lý Error! Bookmark not defined

KếT LUậN Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC

Phụ lục 1 Các phương pháp đánh giá đặc trưng tính chất

Phụ lục 2 Công trình đã công bố có liên quan đến luận văn

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ minh họa ứng dụng pin mặt trời Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo pin mặt trời đơn giản Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo pin mặt trời silic Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Hình mô phỏng cấu trúc tinh thể perovskite Error! Bookmark not

defined

Hình 1.5 Sơ đồ phân loại perovskite Error! Bookmark not defined

Error! Bookmark not defined

Error! Bookmark not defined

Error! Bookmark not defined

Hình 1.9 Cấu tạo của pin mặt trời perovskite Error! Bookmark not defined

Hình 1.10 Sự dịch chuyển điện tử tự do và lỗ trống trong pin năng lượng mặt trời

có TiO 2 hình (a) và không có TiO 2 hình (b) Error! Bookmark not defined Hình 1.11 Sơ đồ cách tiến hành thí nghiệm tổng hợp perovskite Error! Bookmark

not defined

Hình 1.12 Hình minh họa quá trình phủ quay Error! Bookmark not defined

Hình 1.13 Hình minh họa khả năng lấy sáng của vật liệu perovskite vô cơ hữu cơ halogen (a), và sự nhảy e trong CH 3 NH 3 PbI 3 (b) Error! Bookmark not defined

Hình 2.1 Hình minh họa lắp ráp dụng cụ trong quá trình tổng hợp MAX và

MAPbX 3 bằng phương pháp hóa học Error! Bookmark not defined

Hình 2.2 Hình minh họa phủ quay một lần, một lần kết hợp nhúng và phủ quay hai

lần Error! Bookmark not defined

Hình 3.1 Giản đồ XRD của CH 3 NH 3 I, CH 3 NH 3 Br đã tổng hợp và PbI 2 thương mại

Error! Bookmark not defined

Hình 3.2 Phổ 1 H-NMR của CH 3 NH 3 Br, CH 3 NH 3 I tổng hợp và CH 3 NH 2 thương mại,

Hình 3.3 Giản đồ XRD của CH 3 NH 3 PbI 3 tổng hợp bằng phương pháp hóa học với

C (a), 100 o C (b) và 60 o C (c), và đỉnh nhiễu xạ chuẩn CH 3 NH 3 PbI 3 tứ phương (d) Error! Bookmark not defined

dung môi GBL ở các nhiệt độ 130 o C (a), 100 o C (b) và 60 o C (c) và đỉnh nhiễu xạ chuẩn CH 3 NH 3 PbI 3 tứ phương (d) trong khoảng 2 = 27 o

÷ 30 o Error! Bookmark not defined

Hình 3.6 Giản đồ XRD của CH 3 NH 3 PbI 3 tổng hợp với dung môi 130 o C (a), 100 o C (b), 60 o C (c) và các tiền chất CH 3 NH 3 I (d), PbI 2 (e) Error! Bookmark not

defined

Hình 3.7 Giản đồ XRD của CH 3 NH 3 PbI 3 - GBL (a), CH 3 NH 3 I 2 Br - GBL (b),

CH 3 NH 3 I 2 Br - DMF (c) tổng hợp ở 130 o C với các dung môi tương ứng và so sánh với đỉnh nhiễu xạ chuẩn của CH 3 NH 3 I 2 Br cấu trúc lập phương (d) Error!

Bookmark not defined

Hình 3.8 Giản đồ XRD của CH 3 NH 3 PbI 3 - GBL (a), CH 3 NH 3 I 2 Br - GBL (b),

CH 3 NH 3 I 2 Br - DMF (c) tổng hợp ở 130 o C với các dung môi tương ứng và so sánh

= 27 o ÷30 o Error! Bookmark not defined

Hình 3.9 Phổ 1 H-NMR của CH 3 NH 3 Br, CH 3 NH 3 I, CH 3 NH 3 PbI 2 Br, CH 3 NH 3 PbI 3 tổng hợp và CH 3 NH 2 thương mại Error! Bookmark not defined

Hình 3.10 Phổ FTIR của CH 3 NH 3 PbI 3 - GBL - 130 o C đã tổng hợp Error!

Bookmark not defined

Hình 3.11 Phổ FTIR của CH 3 NH 3 PbI 3 - GBL, 130 o C và CH 3 NH 3 PbI 2 Br - GBL,

130 o C đã tổng hợp Error! Bookmark not defined

Hình 3.12 Ảnh SEM của CH 3 NH 3 PbI 3 - GBL - 130 o C Error! Bookmark not

defined

Hình 3.13 Ảnh SEM của CH 3 NH 3 PbI 2 Br - GBL - 130 o C và CH 3 NH 3 PbI 2 Br - DMF -

130 o C . Error! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Vị trí các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể CH3NH3PbI3 lập phương Error! Bookmark not defined

Bảng 2 Vị trí các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể CH3NH3PbI3 tứ phương Error! Bookmark not defined

Bảng 3 Vị trí các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể CH3NH3PbI3 trực thoi Error! Bookmark not defined

Bảng 4 Công thức một số loại pin mặt trời perovskite vô cơ hữu cơ halogen đã

được nghiên cứu tổng hợp Error! Bookmark not defined

Bảng 5 Tỉ lệ thể tích CH3NH3Br : CH3NH3I trong quá trình pha dung dịch phủ quay

Error! Bookmark not defined

Bảng 7 Kết quả phủ quay CH3NH3PbI(3-x)Brx bằng phương pháp lý Error! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DMA: Dimetylacetamid DMF: N, N - Dimethyl formamide DMSO: Dimethyl sulfoxide

DSC: Pin mặt trời DSC với chất màu nhạy quang FTO: Flourine-doped tin oxide

GBL: Gamabuthylrolactone HRTEM: Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao

HTM: Vật liệu truyền dẫn lỗ trống IPA: Isopropan - 2 - ol

IR: Phổ hồng ngoại ITO: Indium-doped tin oxide NMR: Phổ cộng hưởng từ hạt nhân PCE: Hiệu suất chuyển đổi năng lượng SEM: Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét TCO: Oxit dẫn điện trong suốt

TEM: Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua UV- Vis: Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến

XRD: Nhiễu xạ tia X

MỞ ĐẦU

kinh tế - xã hội Các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí tự nhiên và than đá) hiện đang cung cấp phần lớn năng lượng cho toàn thế giới nhưng theo dự báo, nguồn năng lượng hoá thạch sẽ dần cạn kiệt trong thời gian tới Việc sử dụng năng lượng hóa thạch

hoạt động sản xuất trên thế giới đã thải vào khí quyển khoảng 200 triệu tấn CO2 [2] Điều này là một trong những nguyên nhân dẫn tới sự tăng nhiệt độ trái đất, tăng tần suất và mức độ nghiêm trọng của thiên tai gây tác động tàn phá nhiều hơn đối với con người và các dạng sống khác trên trái đất trong thập kỉ tới Trong bối cảnh này bài toán năng lượng đặt ra cho mỗi quốc gia không chỉ là đáp ứng đủ nhu cầu mà còn phải đảm bảo môi trường sống của con người Ở Việt Nam, nhà nước đã có nhiều đầu tư và định hướng phát triển các nguồn năng lượng sạch Theo đó, một trong số những nguồn năng lượng sạch

điện mặt trời đầu tiên của Việt Nam vừa đƣợc khởi công tại huyện Mộ Đức, Quảng Ngãi với tổng vốn đầu tƣ xây dựng 826 tỷ đồng, trên diện tích 24 ha với công suất thiết kế 19.2 MWp, áp dụng công nghệ quang điện mặt trời của Thái Lan

Năng lượng mặt trời được coi là năng lượng tái tạo liên tục, sạch và vô hạn Việc chế tạo các thiết bị chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện đã được các nhà khoa học quan tâm từ thế kỷ trước nhưng hiệu quả chưa cao Để nâng cao hiệu suất

chuyển đổi năng lượng các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu, các loại pin mặt trời có hiệu suất cao hơn Một trong số đó là pin mặt trời chế tạo từ vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen CH3NH3PbX3 (trong đó X: Cl, I, Br) Vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen CH3NH3PbI3 đã được tổng hợp thành công lần đầu tiên vào năm 2009 [16] và bước đầu cho thấy khả năng ứng dụng tốt cho lớp hấp thụ của pin mặt trời Kể từ đó đến nay, vật liệu này đã và đang được nghiên cứu rất nhiều và trở thành một chủ đề nghiên cứu hấp dẫn trên thế giới Chỉ trong vòng chưa đầy 5 năm, pin mặt trời dựa trên nền vật liệu này

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo Tiếng Việt

1 Vũ Đăng Độ (2004), Các phương pháp vật lý trong hóa học, NXB Đại học Quốc

gia Hà Nội, Hà Nội

2 Lý Ngọc Minh (2011), Cơ sở năng lượng và môi trường, NXB Khoa học và Kĩ

thuật, Hà Nội

3 Phạm Văn Nhiêu (2008), Một số phương pháp phổ ứng dụng trong hóa học,

NXB Đại học Quốc gia, Hà Nội

4 Trần Anh Phương (2014), Nghiên cứu, tổng hợp chất màu nhạy quang trên cơ sở

Luận văn Thạc sĩ khoa học, Đại học Sư phạm Hà Nội, Hà Nội

5 Nguyễn Đình Thành (2011), Cơ cở các phương pháp phổ ứng dụng trong hóa

học, NXB Khoa học và Kĩ thuật, Hà Nội

hóa học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội

Tài liệu tham khảo Tiếng Anh

7 Akihiro kojima, Kenjiro Teshima, Yasuo Shirai, Tsutomu Miyasaka (2009),

“Organometal Hali perovskite as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic

8 Antonio Diego Lozano-Gorrin (2012), Structural Characterization of New

Perovskites, INTECH, Spain, pp 107-123

9 Antonio Luque, Steven Hegedus (2011), Handbook of photovoltaic science and

engineering, John Wile & Sons, Ltd, pp 1-37

10 Chang Y H., Park C H., Matsuishi K (2004), “First-Principles Study of the

Structural and the Electronic Properties of the Lead-Halide-Based Inorganic Perovskites (CH3NH3)PbX3 and CsPbX3 (X= Cl, Br, I)”,

Journal of the Korean Physical Society, 44 (4), pp 889-893

Perovskite Structure”, Zeitschrift fur Naturforschung B, 33 (12), pp

1443-1445

12 Federico Brivio, Jarvist M Frost, Jonathan M Skelton, Adam J Jackson, Oliver

J Weber, Mark T Weller, Alejandro R Goñi, Aurélien M A Leguy, Piers R F

13 Feng Zhu, Long Men, Yijun Guo, Qiaochu Zhu, Ujjal Bhattacharjee, Peter M

Evolution and Single Particle Luminescence of Organometal Halide Perovskite

Nanocrystals”, ACS Nano, 9 (3), pp 2948-2959

14 H Mashiyama, Y Kurihara, T Azetsu (1998), “Disordered cubic perovskite

structure of CH3NH3X3 (X= Cl, Br, I)”, Journal of the korean Physiscal

Society, 32, S156-S158

15 Hui-Seon Kim, Chang-Ryul Lee, Jeong-Hyeok Im, Ki-Beom Lee, Thomas

Moehl, Arianna Marchioro, Soo-Jin Moon, Robin Humphry-Baker,

Jun-Ho Yum, Jacques E Moser (2012), “Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%”,

Scientific reports, 2, pp 592

16 Hyun Suk Jung, Nam-Gyu Park (2015), “Perovskite solar cells: from

materials to devices”, Small, 11 (1), pp 10-25

3245-3248

18 Jin Hyuck Heo, Sang Hyuk Im, Jun Hong Noh, Tarak N Mandal, Choong Sun Lim, Jeong Ah Chang, Yong Hui Lee, Hi-Jung Kim, Arpita Sarkar, Md K

inorganic-organic hybrid heterojunction solar cells containing perovskite compound and

(2013), “Chemical Management for Colorful, Efficient, and Stable

1764-1769

20 Meng Zhang, Miaoqiang Lyu, Dr Hua Yu, Dr Jung-Ho Yun, Qiong Wang,

Prof Lianzhou Wang (2015), “Stable and Low-cost Mesoscopic

hexylthiophene) Layer as a Hole Transporter”, Chemistry-A European

Journal, 21 (1), pp 434-439

21 Nam Joong Jeon, Jun Hong Noh, Young Chan Kim, Woon Seok Yang,

Seungchan Ryu, Sang Il Seok (2014), “Solvent engineering for high

performance inorganic-organic hybrid perovskite solar cells”, Nature

materials, 13 (9), pp 897-903

22 Nam-Gyu Park (2013), “Organometal perovskite light absorbers toward a 20%

Chemistry Letters, 4 (15), pp 2423-2429

23 Saman Ghanavi (2013), Organic-inorganic hybrid perovskites as light

absorbing/hole conducting material in solar cell, Master Thesis 30 hp

vt 2013, UPPSALA Universitet, Stockholm Arlanda, pp 1-37

24 Sneha A Kulkarni, Tom Baikie, Pablo P Boix, Natalia Yantara, Nripan

perovskites using a sequential deposition process”, Journal of Materials Chemistry

A, 2 (24), pp 9221-9225

25 Takeo Oku (2015), Crystal structure of CH 3 NH 3 PbI 3 and Related perovskite

Compounds Used for Solar Cells, The University of Shiga Prefecture,

Japan, pp 77-101