Luận án tiến sĩ vật lý: Tính chất quang của chấm lượng tử CdSe ứng dụng trong pin mặt trời - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Luận án Tiên sĩ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi đưới sự hướng dẫn của PGS.TS Huỳnh Thành Đạt và PGS.TS Lâm Quang Vinh. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Trong quá trình thực hiện luận án tôi được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý các Tổ chức, Thầy Cô, các bạn Học viên, Sinh viên, Gia đình và Đồng nghiệp. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Huỳnh Thành Đạt và PGS.TS Lâm Quang Vinh, những người thầy đã nhiệt tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian tôi làm nghiên cứu khoa học, hết lòng giúp đỡ tôi về vật chất và tinh thần trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh để tôi hoàn thành luận án này.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Đại học Quốc Gia TP.HCM, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, trường Đại học Đồng Tháp, Bộ môn quang học ứng dụng, Phòng thí nghiệm Hóa Lý ứng dụng trọng điểm ĐHQG HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng, các anh chị em tại phòng hóa lý ứng dụng đã giúp đỡ về thiết bị thí nghiệm, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Sau cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, những người thân, bạn bè và đặc biệt là vợ tôi, đã ủng hộ và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh. Tác giả luận án Hà Thanh Tùng ii MUC LUC Trang phu bia Trang Lời cam đoan.-- << ch Ki Ki Ki Ki Ki Hi Hi Hi Hi i0 0 i NMục lục.

<< - cọ HH HH HH n9 0.00901901901900 0888) ii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tat.ccccsssssscccceceesssseessseesseeeeees vi Danh mục các bảng.-- - << cọ ng ni min ng viii Danh mục các hình vẽ, đồ thị. CƠ SỞ LÝ THUYÉT VỀ QDs CdSe VÀ QDSSCs.1 Cơ sở lý thuyết về QDs CdSe .1 Hiệu ứng giam giữ lượng tử trong vật liệu bán dẫn.2 Mô hình lý thuyết khối lượng hiệu dụng.3 Tính chất quang của QDs CdSe.4 Khả năng khắc phục giới hạn Shockley-Queisser của QDs trong QDSSCs:. Lịch sử phát triển PMT IEI9 0o.2 Dòng ngắn mach Jgc (Short — CITCUIT CUTTTI).3 Thế mạch hở Vọc (Open — Circuit VOÏa€) .4 Hệ số lấp đầy FF (Fill faCtOT).6 Xác định điện trở bằng phương pháp một đường cong I-V .4 Cơ sở lý thuyết về pin QDSSCs.1 Cấu trúc và nguyên lí làm việc của QDSSCS.2 Điện cực anốt quang.3 Điện cực CatỐt. 26 ili Luận án Tiên sĩ 1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .3 Các nguyên nhân làm hạn chế hiệu suất của QDSSCs.4 Vấn đề cần nghiên cứu.

re 33 Kết luận chương Ì. Các phương pháp tổng hợp QDs.1 Phương pháp hóa ướt (CGOÏÍO1d). 63 3E 9*EEE2EES2 E2 2101111111111 rkrrer 36 2.2 Phương pháp SILAR. 2 Quy trình chế tao QDs CdSe sir dung chất bao Thiol (-SH]).3 Tổng hợp các QDs CdSe bằng phương pháp Colloid với tác nhân TOP.4 Tạo mẫu bột CdSe.5 Quy trình chế tạo PMTT.1 Xử lý dé dan FTO 2.2 Tạo màng TiO; bằng phương pháp in lụa.3 Tạo màng TIOz/CdSe.4 Chế tạo màng TiO;/CdS/CdSe/ZnS bằng phương pháp SILAR.6 Chế tạo điện cực CatỐt.4‹ŸŒđgXƠỔỞä.8 Quy trinh rap PMT QDSSCS.9 Các thiết bi do tinh năng và điện trở trong QDSSCS.

¿+ St k2 HH tr.1 Thiết bị đo đường đặc trưng Ï-V.2 Thiết bị đo tổng trở điện hóa EIS.---2-2¿©+++EE++22EE+tEEEEtEEEEESEEESEEEEeEEErrrrrrrrrrrrerrkee 54 2.10 Các thiết bị khác sử dụng trong quá trình thực nghiệm. KET QUA VA BIEN LUẬN TỎNG HỢP QDs CdSe.1 Phương pháp hóa keo với chất thụ động hóa bề mặt nhóm thiol (SH): .----:----+ 65 iv Luận án Tiên sĩ 3.2 Cấu trúc tỉnh thé QDs CdSe va so sánh kích thước hạt với các phương pháp khác nhau.2 Phương pháp hóa keo sử dụng chất thụ động bề mặt TOP: .1 Điều khiển kích thước thông qua các thông số (nhiệt độ và thời gian):.2 Khuéch tan QDs CdSe trong dung môi và tạo mẫu bột CdSc.-- 2 2 +SE+SE+EE+Eerxerxrrsre 75 3.3 Phân tích cầu trúc của QDs CdSe bằng phổ nhiễu xạ tia X.---2---52¿75cccccxcsccxee 75 Kết luận chương 3.nrrrrey 76 Chương 4. CHE TAO DIEN CUC ANOT QUANG FTO/TiO,/QDs CdSe .1 Màng nano TiO).2 Chế tạo PMT từ các QDs CdSe với tác nhân thiol.1 Cấu trúc, đặc trưng hình thái của màng.2 Tính chất quang của màng khảo sát theo thời gian ngâm.3 Kết quả chế tao PMT tir QDs CdSe với tác nhân thỉol.-ccccccc+ce+tEEEEEkirrrrrirrrriee 86 4.4 Cai tién QDSSCs tir QDs CdSe với tác nhân TOP.:--22222222++222EEE222111222221122211 tt 88 Kết luận Chương Ả. HT TH in.

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ANÓT QUANG CÓ CẤU TRÚC SONG SONG: FTO/TiO,/CdS/CdSe/ZnS NHAM NANG CAO HIEU SUAT "——.1 Chế tạo màng anốt quang TiO;/CdS/CdSe/ZnS bằng phương pháp SILAR.1 Quy trình tạo màng anốt quang TiOz/CdS/CdSe/ZnS.2 Cấu trúc, tính chất quang của màng anóốt quang TiO;/CdS/CdSe/ZnS.2 Kết quả đo hiệu suất của pin.1 Kết quả đánh giá QDSSCs bằng đường cong I-V.2 Phân tích điện trở của QDSSCs qua đường cong Ï-V .3 Kết qua đo phổ tông trở điện hóa.---2¿-22©++SC+++2EEE2EEEESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkrrErkrrrrkrrrrrrree 112 5.1 Ảnh hưởng của số vòng SILAR CdS lên QDSSCs.2 Ảnh hưởng của số vòng SILAR CdSe lên QDSSCs.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung lên QDSSCs Luận án Tiên sĩ 5.4 Nâng cao hiệu suất QDSSCs trên cơ sở mảng anốt quang TiOz/CdS/CdSe(colloid)/ZnS. 118 Kết luận chương 5. CHẾ TẠO QDSSCs TRÊN CƠ SỞ CÁC ĐIỆN CỰC CuS, CuzS, 7 125 6.1 Quy trình chế tạo các điện cực catốt khác nhau.1 Quy trình chế tạo màng catỐt PbS.---2-2¿+£+EE+++EEEEtEEEE+2EEEEEEEEvtEEEErErkrrerrkrrrrkrrrrk 125 6.2 Quy trình chế tạo màng CuS.3 Quy trình chế tạo màng catỐt CS .----2--2¿©+2+2++2E++t2EE++2EEEEEEEE+tEEEEvErkrrerrxrrrrrrrrrk 127 6.4 Câu trúc của l0) 9 dd d:L.2 Chế tạo QDSSCs trên cơ sở các điện cực catốt khác nhau.----2- 2 ©22++2+z++£rx++rxe+rxezrxe 129 Kết luận chương 6. SG 1S 1121 5121111 11 5101111 111 Hà HH TH HH Hay 132 KIỀN NGHỊ,.

G- G 111 1 51 5151111 11 5111111 111111 1x HH TH HH tay 134 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH. ¿G5 SE x SE ray 135 TÀI LIỆU THAM KHẢO.-- c SE 1 E5E 1E E1 511 11 8x rưêt 137 PHỤ LỤC.---- 1 221 1251151 2111121 11111111111 11111 111111100101 T1 0111 0 HH Hớy 156 vi Luận án Tiên sĩ DANH MUC CAC KY HIEU, TU VIET TAT CB Conductor band: Ving dan CBD Chemical Bath deposition: Phương pháp lắng đọng hóa học CE Counter electrode: Điện cực catốt D Direction: Hướng, chiều DOS Density of states: Mật độ trạng thái DSSCs Dye-sensitized solar cells: Pin mặt trời chất mau nhạy quang EDS Energy dispersive X ray spectroscopy: Phổ tán sắc năng lượng tia X EMA Effective Mass Approximation: Gan ding khdéi luong hiéu dung EIS Electrochemical Impedance Spectra: Phé tong trở điện hóa FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope: Kinh hién vi điện tử quét độ phân giải cao FTO Tin oxide flo: Thủy tỉnh dẫn I-V Duong dac trung Volt-Ampe NCs Semiconductor nanocrystals: Ban dan tinh thé nano MEG Multiple exciton generation: Sinh nhiéu exciton PL Photoluminescence: Quang phat quang PMT Pin mat troi QDs Quantum dots: Cham lượng tử QDSSCs Quantum dots-sensitized solar cells: Pin mặt trời chấm lượng tử QW Quantum well: Giéng luong tir Rs Series resistance: Dién tro nối tiếp Rsu Shunt resistance: Điện trở song song SEM Scanning Electron Microscope: Kinh hién vi điện tử quét Vii Luận án Tiên sĩ SILAR Successive ionic layer adsorption and reaction: Phản ứng và hấp thụ ion TEM Transmission Electron Microscope: Kinh hién vi điện tử truyền qua UV-Vis Phổ hấp thụ tir ngoai — khả kiến VB Valence band: Vùng hóa trị XRD X Ray Diffraction: Phổ nhiễu xạ tia X viii Luận án Tiên sĩ DANH MỤC CÁC BÁNG Bảng 1.1: Thống kê các công trình ngoài nước liên quan đến đề tài Bảng 3.1: Kích thước hạt của các mẫu với tỉ lệ M khác nhau Bảng 3.2: Kết quả về kích thước trung bình của nano CdSe Bảng 4.1: Bảng các thống kê phân trăm các thành phần trong màng TiOz/CdSe Bang 4.2: Các thông số đặc trưng của QDSSCs Bảng 4.3: Các thông số đặc trưng QDSSCs Bảng 4.4: Điện trở của PMT CdSe tính toán theo phương pháp vật lý.1: Thông tin các thành phần nguyên lỗ trong màng Bảng 5.2: Các thông số đặc trưng cho tính chất của pin Bảng 5.3: Gid tri Rp, Ra Rs, Rsy được xác định từ đường cong ]-V dưới điều kiện chiếu sáng các anốt quang khi thay đổi số vòng SILAR của CảS từ 1 đến 5Š vòng.4: Gid tri Rp, Ra Rs, Rsy được xác định từ đường cong ]-V dưới điều kiện chiếu sáng các anốt quang khi thay đổi số vòng SILAR của CdSe từ 1 đến 5 vòng.5: Các tham số điện hóa của QDSSCs thay đổi số vòng CảS từ 1 đến 5 lóp.6: Bảng các tham số điện hóa của QDSSCs khi thay đổi số vòng của CdSe từ 1 đến 5 lớp, CdS với 3 lớp và ZnS 2 lóp.7: Các thông số đặc trưng của QDSSCs Bảng 5.8: Các giá trị điện trở của QDSSCs Bảng 5.9: Các tham số đặc trưng của QDSSCs.1: Mô tả các thông số đặc trưng của các QDSSCs được chế tạo với các điện cực khác nhau. 1X Luận án Tiên sĩ DANH MỤC CÁC HÌNH Hình1.1: Đặc trưng trong không gian thực và tương tác của exciton trong bán dẫn.2: Hiệu ứng suy giảm luợng tử (QDs) nằm ở vị trí trung gian giữa vất liệu khối bán dẫn và phân tử.3: Mật? độ trạng thái của suy giảm một, hai và ba chiêu.4: Mô tá hàm sóng trong hồ thế khi kích thước hạt bị suy giảm ba chiều.5: Phổ hấp thụ (đường liên nét) và phổ PL (đường gẫy khúc) tương ứng với kích thước hạt khác nhau của QDs [35].6: Cau tric vùng năng lượng của vật liệu khối (a) với QDs (b, c) [35].7: M6é ta sự tái hợp điện tử-lỗ trống vùng CB với CV và sự tái hợp tại các mức bẫy trong cấu trúc năng lượng QDs ghi được qua phổ PL [157).9: Phổ 7G của QDs PbS voi nguồn bơm năng lượng photon <2, 7E,[68].10: Phổ TG của QDs PbS với nguôn bơm năng lượng photon > 2, 7E, [68].11: Mot s6 két qua quan sat hiéu wng MEG cho hiệu suất lượng tử cao trong cdc QDs [70], [135].12: Dé thi biéu dién méi liên hệ gitta hiéu suất và giá thành sản xuất của cdc thé hé PMT [19].13: Phổ mặt trời, kích thước của các QDs thay đổi tương ứng với khả năng hấp thụ ánh sáng và cầu trúc của PMT QDs.14: Giản đô đặc trưng ]-V của thiết bị PMT ở điều kiện to và chiếu sáng.15: Sự phụ thuộc của Vọc vào độ rộng vùng cấm của vật liệu [93].16: Sơ đồ mạch điện của PMT.17: Sơ đô mạch điện mô phỏng PMT.18; Cau tric ctia (a) DSSCs va (b) ODSSCs.19: Cấu trúc tỉnh thể của Cu¿S.20: Sw dich chuyén mức năng lượng của điện tử tại CB, đường lién nét là sự dịch chuyển điện tích theo mong muốn và các đường đứt nét đường tái hợp không đóng góp cho sự hình thành dòng điện [60]. Luận án Tiên sĩ Hình 2.