Luận án Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử CdSe ứng dụng trong pin mặt trời

Nội dung tài liệu: Luận án Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang của chấm lượng tử CdSe ứng dụng trong pin mặt trời

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN H THANH T NG T NG H P V NGHIÊN C U T NH CH T QUANG C A CH Ư NG T CdSe NG NG TRONG PIN T TRỜI U N N TI N S V T Tp. Hồ Chí Minh – 2015
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Hà Thanh Tùng T NG H P V NGHIÊN C U T NH CH T QUANG C A CH Ư NG T C S NG NG TRONG PIN T TRỜI Chuyên ngành: Quang Học Mã số: 62 44 11 01 Phản biện 1: GS.TSKH Vũ Xuân Quang Phản biện 2: PGS.TS Trần Hoàng Hải Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng Phản biện độc lập 1: PGS.TS Nguyễn Mạnh Sơn Phản biện độc lập 2: PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS HU NH TH NH ĐẠT 2. PGS.TS LÂM QUANG VINH Tp. Hồ Chí Minh – 2015
3. i T LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi i sự h ng dẫn của PGS.T u nh Thành t và PGS.TS Lâm Quang Vinh. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và ch a đ c ai công ố trong bất cứ công trình nào khác. Trong qu trình thực hiện luận n tôi đ c rất nhiều sự quan tâm gi p đ của qu c c T chức Thầy ô c c n c viên inh viên ia đình và ng nghiệp Tôi xin đ c bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến .T u nh Thành t và PGS.TS Lâm Quang Vinh, những ng ời thầy đã nhiệt tình h ng dẫn tôi trong suốt thời gian tôi làm nghiên cứu khoa h c, hết lòng gi p đ 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 tr ng cảm ơn i h c uốc ia T Tr ờng i h c hoa h c Tự nhiên tr ờng i h c ng Th p môn quang h c ứng ng hòng th nghiệm a ứng ng tr ng điểm đã t o điều kiện thuận l i cho tôi trong qu trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.T guy n Th i oàng c c anh ch m t i phòng h a l ứng ng đã gi p đ về thiết th nghiệm t o điều iện thuận l i cho tôi trong qu trình thực hiện luận n Sau cùng, tôi xin cảm ơn gia đình những ng ời thân, b n và đ c iệt là v tôi đã ủng h và h tr tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh. Tác giả luận án T T
4. ii T M C C T Trang ờ .. M ...ii . .vi viii .. ix Ầ ................................................................................................... 1 h ơng T Y T Ề s s ..................... 5 ơ s l thuyết về s ............................................................................................................. 5 iệu ứng giam giữ l ng t trong vật liệu n ẫn ..................................................................... 5 1.1.2 Mô hình lý thuyết khối l ng hiệu d ng ...................................................................................... 7 T nh chất quang của s ................................................................................................... 9 1.1.4 Khả năng hắc ph c gi i h n Shockley-Queisser của QDs trong QDSSCs: ............................. 12 ch s ph t triển T .................................................................................................................... 15 c đ i l ng đ c tr ng của PMT .................................................................................................... 18 ờng cong -V ......................................................................................................................... 18 òng ngắn m ch SC (Short – circuit current) ............................................................................ 19 1.3. Thế m ch h OC (Open – Circuit Voltage) .............................................................................. 19 ệ số lấp đầy ill actor ..................................................................................................... 20 iệu suất của T η E iciency) ............................................................................................. 21 6 X c đ nh điện tr ằng ph ơng ph p m t đ ờng cong I-V ....................................................... 21 ơ s l thuyết về pin s ........................................................................................................ 24 ấu tr c và nguyên l làm việc của s ............................................................................. 24 iện cực anốt quang ................................................................................................................... 25 iện cực atốt ............................................................................................................................ 26
5. iii T T ng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài n c ...................................................................... 28 Tình hình nghiên cứu trong n c ............................................................................................... 28 Tình hình nghiên cứu ngoài n c .............................................................................................. 28 1.5.3 Các nguyên nhân làm h n chế hiệu suất của QDSSCs............................................................... 32 1.5.4 Vấn đề cần nghiên cứu ............................................................................................................... 33 ết luận ch ơng ................................................................................... 34 h ơng T ..................................................................... 36 c ph ơng ph p t ng h p s ...................................................................................................... 36 h ơng ph p h a t olloi .................................................................................................. 36 h ơng ph p .................................................................................................................. 38 uy trình chế t o s s ng chất ao Thiol -SH) ............................................................ 39 2.3 T ng h p c c s ằng ph ơng ph p olloi v i tác nhân TOP. ......................................... 41 2.4 T o mẫu b t CdSe ............................................................................................................................. 43 uy trình chế t o MT ...................................................................................................................... 44 2.5.1 X l đế ẫn T ...................................................................................................................... 44 T o màng Ti 2 ằng ph ơng ph p in l a .................................................................................. 45 T o màng Ti 2/CdSe ................................................................................................................. 45 hế t o màng Ti 2 Zn ằng ph ơng ph p ................................................ 46 6 hế t o điện cực atốt ...................................................................................................................... 49 2.7 Hệ điện ly .......................................................................................................................................... 51 8 uy trình r p T s............................................................................................................. 52 2.9 Các thiết b đo t nh năng và điện tr trong QDSSCs ........................................................................ 53 2.9.1 Thiết b đo đ ờng đ c tr ng -V ................................................................................................ 53 2.9.2 Thiết b đo t ng tr điện hóa EIS ............................................................................................... 54 2.10 Các thiết b khác s d ng trong quá trình thực nghiệm .................................................................. 63 ết luận ch ơng ................................................................................... 63 h ơng T N LUẬ T s ............... 65 h ơng ph p h a o v i chất th đ ng hóa bề m t nhóm thiol (SH): ............................................ 65
6. iv T 3.1.1 Khảo sát theo tỉ lệ M .................................................................................................................. 66 3.1.2 Cấu trúc tinh thể s và so s nh ch th c h t v i c c ph ơng ph p h c nhau .......... 68 h ơng ph p h a o s d ng chất th đ ng bề m t TOP: .............................................................. 70 iều khiển ch th c thông qua các thông số (nhiệt đ và thời gian): ..................................... 71 3.2.2 Khuếch tán QDs CdSe trong dung môi và t o mẫu b t CdSe .................................................... 75 3.2.3 Phân tích cấu trúc của QDs CdSe bằng ph nhi u x tia X ....................................................... 75 Kết luận ch ơng ................................................................................... 76 h ơng T N C C ANỐT QUANG FTO/TiO2/QDs CdSe . 78 àng nano Ti 2. ............................................................................................................................... 78 hế t o T t c c s v i tác nhân thiol ............................................................................ 79 ấu tr c đ c tr ng hình th i của màng ..................................................................................... 79 T nh chất quang của màng hảo s t th o thời gian ngâm .......................................................... 83 ết quả chế t o T t s CdSe v i tác nhân thiol ..................................................................... 86 ải tiến s t s v i tác nhân TOP ........................................................................... 88 ết luận ch ơng ................................................................................... 94 h ơng Ê ỨU CH T O ANỐT QUANG CÓ CẤU TRÚC SONG SONG: FTO/TiO2/CdS/CdSe/ZnS NHẰM NÂNG CAO HI U SUẤT ................................................................................................................ 96 hế t o màng anốt quang TiO2 Zn ằng ph ơng ph p ................................... 96 uy trình t o màng anốt quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS ................................................................ 96 ấu tr c t nh chất quang của màng anốt quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS ...................................... 98 ết quả đo hiệu suất của pin ........................................................................................................... 105 ết quả đ nh gi s ằng đ ờng cong -V .................................................................... 105 hân t ch điện tr của s qua đ ờng cong -V .............................................................. 108 ết quả đo ph t ng tr điện h a .................................................................................................... 112 nh h ng của số vòng lên s ................................................................. 112 nh h ng của số vòng lên s ............................................................... 115 nh h ng của nhiệt đ nung lên s ............................................................................. 117
7. v T âng cao hiệu suất s trên cơ s màng anốt quang TiO2/CdS/CdSe(colloid)/ZnS. ............. 118 ết luận ch ơng ................................................................................. 123 h ơng 6 T s T Ê u u 2S, PbS ........................................................................................................ 125 6 uy trình chế t o c c điện cực catốt h c nhau .............................................................................. 125 6 uy trình chế t o màng catốt PbS ............................................................................................ 125 6 uy trình chế t o màng u .................................................................................................... 126 6 uy trình chế t o màng catốt Cu2S .......................................................................................... 127 6. ấu tr c của s .............................................................................................................. 129 6 hế t o s trên cơ s c c điện cực catốt h c nhau ............................................................. 129 ết luận ch ơng 6 ................................................................................. 131 T Ậ ........................................................................................... 132 ........................................................................................... 134 T ......................................................... 135 T T ....................................................................... 137 PH L C .............................................................................................. 156
8. vi T AN M C C C I U T VI T T T CB Conductor band: Vùng dẫn CBD h mical ath position: h ơng ph p lắng đ ng hóa h c CE ount r l ctro : iện cực catốt D ir ction: ng, chiều DOS Density of states: Mật đ tr ng thái DSSCs Dye-sensitized solar cells: Pin m t trời chất màu nh y quang EDS Energy dispersive X ray spectroscopy: Ph tán sắc năng l ng tia X EMA Effective Mass Approximation: Gần đ ng hối l ng hiệu d ng EIS Electrochemical Impedance Spectra: Ph t ng tr điện hóa FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope: Kính hiển vi điện t quét đ phân giải cao FTO Tin oxide flo: Thủy tinh dẫn I-V ờng đ c tr ng olt-Ampe NCs Semiconductor nanocrystals: Bán dẫn tinh thể nano MEG Multiple exciton generation: Sinh nhiều exciton PL Photoluminescence: Quang phát quang PMT in m t trời QDs Quantum dots: Chấm l ng t QDSSCs Quantum dots-sensitized solar cells: Pin m t trời chấm l ng t QW Quantum well: Giếng l ng t RS ri s r sistanc : iện tr nối tiếp RSH hunt r sistanc : iện tr song song SEM Scanning Electron Microscope: Kính hiển vi điện t quét
9. vii T SILAR Successive ionic layer adsorption and reaction: Phản ứng và hấp th ion TEM Transmission Electron Microscope: Kính hiển vi điện t truyền qua UV-Vis h hấp th t ngo i – hả iến VB Valence band: Vùng hóa tr XRD X Ray Diffraction: Ph nhi u x tia X
10. viii T AN M C C C N . : . : Kí c hạt của các mẫu v i tỉ lệ M khác nhau . : K t quả v í c trung bình của nano CdSe . : ả 2/CdSe . : ủ . : . : ệ ủ PMT í . : . : í ủ . : D, Rd, RS, RSH - ệ ủ . : D, Rd, RS, RSH - ệ ủ . : ệ ủ . : ả ệ ủ ủ . : ủ . : ệ ủ . : ủ . ả ủ ạ ệ c nhau.