Nghiên cứu chế tạo chấm lượng tử CdSe và màng TiO2-CdSe làm điện cực anode cho pin mặt trời

Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 1
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
Hình 1.1: Cấu trúc chấm lượng tử: (a) Cấu trúc của chấm lượng tử CdSe; (b) Chấm lượng tử có cấu
trúc lõi-vỏ bọc CdSe/ZnS…………………………………………13 2
Hình 1.1: Cấu trúc chấm lượng tử: (a) Cấu trúc của chấm lượng tử CdSe; (b) Chấm lượng tử có cấu
trúc lõi-vỏ bọc CdSe/ZnS 10
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS. Lâm Quang Vinh và
thầy PGS. TS. Dương Ái Phương đã hướng dẫn tận tình giúp em hoàn thành tốt
luận văn này.
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 2
Em cũng xin gửi lời trân trọng cảm ơn đến thầy TS. Nguyễn Thái Hoàng đã
tạo điều kiện và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực nghiệm bên phòng thí
nghiệm điện hóa.
Cảm ơn tất cả các bạn của lớp Cao học K18, đặc biệt là những người bạn thân
thiết luôn bên cạnh tôi những lúc khó khăn. Và cảm ơn các bạn, các anh chị, các em
sinh viên ở phòng thí nghiệm quang phổ đã chia sẻ, trao đổi kiến thức cùng tôi
trong suốt quá trình làm luận văn.
Cảm ơn bạn Phạm Thị Hiền, em Chu Minh Hân và các bạn, anh chị phòng thí
nghiệm điện hóa đã giúp đỡ tận tình để tôi có thể hoàn thành tốt quá trình thực
nghiệm.
Sau cùng xin gửi lời cảm ơn đến những người thân yêu. Con cảm ơn ba má,
chị gái, em trai và những người thân trong gia đình đã luôn ủng hộ con, là chỗ dựa
cho con. Và cảm ơn Cường rất nhiều, vì tất cả những điều tốt đẹp Cường dành cho
Trang.
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Cấu trúc chấm lượng tử: (a) Cấu trúc của chấm lượng tử CdSe; (b) Chấm
lượng tử có cấu trúc lõi-vỏ bọc CdSe/ZnS…………………………………………13
Hình 1.2 : Sơ đồ năng lượng của bán dẫn khối và của chấm lượng tử…………….14

Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 3
Hình 1.3 Đặc trưng trong không gian thực và tương tác của exciton trong bán
dẫn………………………………………………………………………………….14
Hình 1.4: Phổ hấp thụ của chấm lượng tử với sự thay đổi kích thước hạt…………16
Hình 1.5: (a) Hệ vật rắn khối ba chiều; (b) Hệ hai chiều (Vật liệu màng); (c) Hệ một
chiều (Dây lượng tử); (d) Hệ không chiều (chấm lượng tử)……………………….16
Hình 1.6: Dùng hợp chất hữu cơ thiol làm tác nhân ngăn chặn bề mặt……………21
Hình 1.7: Đặc tuyến I-V và giá trị MP của SC…………………………………….29
Hình 1.8: Nguyên lý hoạt động của DSC………………………………………….30
Hình 1.9: Quá trình bơm điện tử trong pin mặt trời chấm lượng tử CdSe nhạy
quang……………………………………………………………………………….32
Hình 1.10: Sơ đồ chuyển mức năng lượng và các bước chuyển năng lượng trong
phổ điện tử…………………………………………………………………………33
Hình 1.11: Cơ chế phát xạ ánh sang……………………………………………….34
Hình 1.12 Các mode dao động của tinh thể……………………………………… 36
Hình 1.13: Hệ máy Keithley đo hiệu suất pin…………………………………… 37
Hình 2.1: Sơ đồ tổng hợp dung dịch nano CdSe………………………………… 39
Hình 2.2: (a) Máy in lụa; (b) Khung in lụa; (c) Máy in lụa ở chế độ làm việc…….40
Hình 2.3: Điện cực cathode Pt…………………………………………………… 42
Hình 2.4: (a) Sơ đồ cấu tạo của pin mặt trời chấm lượng tử CdSe; (b) Máy ép điện
cực………………………………………………………………………………….43
Hình 2.5: Một pin mặt trời chấm lượng tử CdSe được ghép hoàn chỉnh………….43
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 4
Hình 3.1: Phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch keo nano CdSe theo tỷ lệ chất bao
khác nhau………………………………………………………………………… 44
Hình 3.2: Màu sắc của dung dịch nano CdSe thay đổi theo nồng độ chất bao… 46
Hình 3.3: Phổ hấp thụ của dung dịch keo nano CdSe với các tỉ lệ R = Cd/Se khác
nhau……………………………………………………………………………… 47

Hình 3.4: Phổ nhiễu xạ tia X của bột CdSe nung ở các nhiệt độ khác nhau…… 49
Hình 3.5: Đồ thị phân bố kích thước hạt theo nhiệt độ nung…………………… 51
Hình 3.6: Phổ Raman của bột CdSe…………………………………………… …52
Hình 3.7: Ảnh TEM của mẫu bột nano CdSe……………….…………………… 53
Hình 3.8: Phổ hấp thụ và phổ quang phát quang của các dung dịch CdSe cùng tỷ lệ
R(Cd/Se) = 8, khác nhau về tỷ lệ chất baoM………………………………….… 54
Hình 3.9: Phổ hấp thụ UV-Vis của màng TiO
2
-CdSe theo thời gian ngâm……….56
Hình 3.10: Phổ hấp thụ UV-Vis của màng TiO
2
-CdSe xử lý nhiệt ở các nhiệt độ
khác nhau trong môi trường chân không……………………………………… …57
Hình 3.11: Màu sắc của màng TiO
2
-CdSe theo nhiệt độ nung…………………….58
Hình 3.12: (a) Ảnh FE-SEM của màng TiO
2
trên đế thủy tinh; (b) Ảnh FE-SEM của
màngTiO
2
-CdSe trên đế thủy tinh ……………………………………………… 59
Hình 3.13: Phổ nhiễu xạ tia X của màng TiO
2
-CdSe nung 300
0
C trong chân
không……………………………………………………………………………….60
Hình 3.14: Phổ Raman của màng TiO
2

-CdSe nung các nhiệt độ khác nhau…… 61
Hình 3.15: Phổ PL của các màng………………………………………………. 62
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 5
Hình 3.16: Quá trình chuyển điện tích từ CdSe sang TiO
2
…………………….….62
Hình 3.17: Đường đặc trưng I-V của pin mặt trời chấm lượng tử CdSe nhạy
quang……………………………………………………………………………….64
Hình 3.18: Kết quả đo các thông số quang điện của PMT chấm lượng tử CdSe nhạy
quang của các nhóm tác giả nước ngoài………………………………………… 66
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thông số bán kính Bohr của một số chất bán dẫn…………… ……….25
Bảng 3.1: Kết quả độ rộng vùng cấm và kích thước trung bình của nano CdSe điều
khiển theo nồng độ chất bao…………………………………………………….…45
Bảng 3.2: Kết quả độ rộng vùng cấm và kích thước trung bình của nano CdSe điều
khiển theo tỷ lệ R………………………………………………………………… 47
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 6
Bảng 3.3: Kích thước hạt CdSe thay đổi theo nhiệt độ…………………… …… 50
Bảng 3.4: Các thông số quang điện của pin với chấm lượng tử CdSe …… …… 64
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, khi xã hội ngày càng hiện đại, sự phát triển mạnh
mẽ của công nghiệp khiến cho nhu cầu về năng lượng càng trở nên cấp thiết hơn
bao giờ hết. Nguồn nhiên liệu, tài nguyên đang dần cạn kiệt khiến con người phải
tìm kiếm những nguồn năng lượng mới đề thay thế như thủy điện, nhiệt điện, điện
hạt nhân, sức gió, năng lượng mặt trời… Tuy nhiên, nguồn năng lượng mặt trời là
nguồn năng lượng được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm nghiên cứu bởi ánh
sáng mặt trời là nguồn năng lượng khổng lồ, trong 10 phút truyền xạ, quả đất nhận
Huỳnh Lê Thùy Trang

Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 7
một năng lượng khoảng 5.10
20
J (500 tỷ tỷ Joule), tương đương với năng lượng tiêu
thụ của toàn thể nhân loại trong vòng một năm. Trong 36 giờ truyền xạ, mặt trời
cho chúng ta một năng lượng bằng tất cả các giếng dầu của quả đất. Năng lượng
mặt trời vì vậy gần như vô tận và đặc biệt nó không phát sinh loại khí nhà kính và
khí gây ô nhiễm[3].
PTN trọng điểm Hóa Lý Ứng Dụng – Trường ĐH Khoa học Tự nhiên –
ĐHQG – HCM đã chế tạo thành công Pin mặt trời nhạy Quang (DSC), tuy nhiên
vẫn còn nhiều hạn chế như hiệu suất, độ ổn định của Pin do sử dụng chất điện ly dễ
bay hơi v.v.
Mặt khác, chấm lượng tử (nano bán dẫn) đã được nhiều nhà khoa học trên thế
giới lao vào nghiên cứu do khi nguyên tử hay phân tử bị giam hãn trong không gian
3 chiều thì tính chất quang và điện sẽ có nhiều tính chất đặc biệt so với vật liệu
khối. Hơn thế nữa, độ rộng vùng cấm của chấm lượng tử có thể điều khiển được
thông qua điều khiển kích thước hạt để có thể tối ưu hóa việc hấp thụ năng lượng
ánh sáng mặt trời[26], đây là một trong những ưu điểm nhằm thay thế chất mầu
nhạy quang bằng chấm lượng tử nhằm nâng cao hiệu suất của Pin mặt trời nhạy
quang DSC.
Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng vật liệu CdSe là đối tượng nghiên
cứu chính cho chấm lượng tử và dùng để thay thế chất nhạy quang vì nó dễ dàng
tổng hợp bằng phương pháp colloide ở nhiệt độ thấp và độ rộng vùng cấm CdSe ở
dạng vật liệu khối là 1.74eV tương đương 720 nm và bán kính Bohr khá lớn là 5,4
nm, đây là ưu điểm cho việc tổng hợp hạt nano có hiệu ứng giam cầm lượng tử dẫn
đến tính chất quang và điện khác với vật liệu khối đồng thời có thể hấp thụ toàn bộ
vùng khả kiến của ánh sáng mặt trời, mục tiêu đề tài bao gồm:
► Tổng hợp chấm lượng tử CdSe, điều khiển kích thước hạt theo các thông số
và phân tích các tính chất quang của hạt nano CdSe
►Chế tạo màng TiO

2
-CdSe và nghiên cứu tính chất quang của màng.
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 8
►Ráp pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang và khảo sát tính chất điện của pin.
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Lý thuyết tổng quan về chấm lượng tử
1.1.1 Vật liệu cấu trúc nano [1]
Vật liệu nano là loại vật liệu có kích thước từ 1-100nm với rất nhiều tính chất
khác biệt so với vật liệu khối của chúng. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do
kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của
vật liệu. Khi kích thước của vật liệu giảm xuống đáng kể theo một chiều, hai chiều
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 9
hoặc ba chiều thì tính chất vật lý: tính chất cơ, nhiệt, điện, từ, quang có thể thay một
cách đột ngột.
 Phân loại vật liệu nano:
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nanomét. Về
trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Hiện
nay vật liệu nano được tập trung nghiên cứu chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến
chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:
• Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không
còn chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano
• Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước
nano, điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano,
ống nano,
• Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước
nano, hai chiều tự do, ví dụ, màng mỏng,
• Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó
chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nanomét, hoặc cấu trúc của nó có

nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
1.1.2 Chấm lượng tử
1.1.2.1 Chấm lượng tử là gì? [1,2]:
Chấm lượng tử (Quantum dots) là những tinh thể nano bán dẫn có kích thước
nhỏ hơn bán kính Bohr, là những hệ 0 chiều có thể giam được điện tử, tạo ra các
mức năng lượng gián đoạn như trong nguyên tử. Những tinh thể nano bán dẫn được
cấu tạo từ các cặp nguyên tố thuộc những cặp phân nhóm như: II-VI, III-V, IV-VI,
mỗi chấm lượng tử có thể chứa từ 100-1000 nguyên tử (hình 1.1), chẳng hạn như
các chấm lượng tử CdS,CdSe,ZnS, ZnSe…
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 10
Hình 1.1: Cấu trúc chấm lượng tử: (a) Cấu trúc của chấm lượng tử CdSe; (b)
Chấm lượng tử có cấu trúc lõi-vỏ bọc CdSe/ZnS
1.1.2.2 Cấu trúc vùng năng lượng trong chấm lượng tử[2,18,27,32].
Trong chất bán dẫn khối, những hạt điện tích không bị tác động bởi các nút
mạng, phổ năng lượng có giá trị liên tục. Trạng thái có năng lượng thấp nhất của
vùng dẫn và trạng thái có năng lượng cao nhất của vùng hóa trị cách nhau một khe
vùng gọi là vùng cấm. Vùng hóa trị của chất bán dẫn chứa đầy điện tử, còn vùng
dẫn rỗng. Hàm mô tả sự phụ thuộc của năng lượng vào véctơ sóng E(k) đối với
electron và lỗ trống đều có dạng parabol (hình1.2). Sự liên tục của các mức năng
lượng trong bán dẫn khối làm năng lượng vùng cấm của hệ ổn định và không đổi.
Hình 1.2 : Sơ đồ năng lượng của bán dẫn khối và của chấm lượng tử
Đối với chấm lượng tử, các mức năng lượng trong hệ không còn liên tục nữa
mà tách biệt nhau tạo thành những mức năng lượng gián đoạn. Khi điện tử bị kích
thích bởi một photon sẽ nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, trong không gian thực
hai điện tích tương tác với nhau hình thành nên cặp điện tử và lỗ trống gọi là
exciton. Exciton giống như một cặp electron-lỗ trống quay xung quanh hạt nhân
như trong nguyên tử hydro(hình1.3).
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 11

Hình 1.3 Đặc trưng trong không gian thực và tương tác của exciton trong bán
dẫn
Vì vậy, bán kính Bohr của exciton có thể liên hệ qua biểu thức:
Trong đó, ε
∞
là tần số cao liên quan đến hằng số điện môi của môi trường, m
0
là
khối lượng của điện tử tĩnh. Bán kính Bohr của exciton nano bán dẫn lớn hơn nhiều
so với bán kính của nguyên tử hydro. Đây là đại lượng đặc trưng cho từng vật liệu
khác nhau (bảng 1.1).
Vật liệu E
g
(eV)
λ(nm)
a
B
(nm) E
b
(meV)
CdS 2.42 512 2.8 29
CdSe 1.74 712 5.4 16
GaN 3.42 360 2.8
GaP 2.26 550 10-6.5 13-20
InP 1.35 920 11.3 5.1
GaAs 1.42 870 12.5 5
Bảng 1.1: Thông số bán kính Bohr của một số chất bán dẫn
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 12
Khi bán kính của một hạt nano tiếp cận đến kích thước của bán kính Bohr thì

sự chuyển động của điện tử và lỗ trống bị giam hãm bên trong hạt nano. Sự giam
hãm của các hạt mang điện tích trong không gian ba chiều dẫn đến độ rộng vùng
cấm bị mở rộng. Do sự giới hạn dịch chuyển của cặp điện tử và lỗ trống dẫn đến
khoảng cách giữa các vùng năng lượng tăng lên. Trong vùng năng lượng bị suy
giảm của các hạt mang điện tích, thì động năng bị lượng tử hóa và mức năng lượng
bị tách thành những mức riêng biệt. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng suy giảm lượng
tử.
Sự giam hãm lượng tử có tác dụng rất lớn hình thành nên tính chất đặc trưng
của hệ chấm lượng tử. Do hiệu ứng suy giảm lượng tử mà cả hai phạm vi hấp thụ và
phát xạ của chấm lượng tử đều dịch về phía có năng lượng cao hơn khi kích thước
hạt giảm(hình 1.4).
Hình 1.4: Phổ hấp thụ của chấm lượng tử với sự thay đổi kích thước hạt
1.1.2.3 Ảnh hưởng của kích thước từ vật liệu khối đến chấm lượng tử [5,12]
Trong phần này, chúng tôi sẽ mô tả ảnh hưởng của sự suy giảm kích thước lên
tính chất quang của vật liệu.
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 13
Hình 1.5: (a) Hệ vật rắn khối ba chiều; (b) Hệ hai chiều (Vật liệu màng); (c) Hệ
một chiều (Dây lượng tử); (d) Hệ không chiều (chấm lượng tử)
Đối với hệ ba chiều (vật liệu khối): vật rắn được xem như một tinh thể vô
hạn theo cả ba chiều x, y, z. Hàm phân bố năng lượng phụ thuộc vào k theo hàm
parabol, các trạng thái phân bố liên tục. Mật độ trạng thái g
3d
(E) đối với electron tự
do tỷ lệ với căn bậc hai của năng lượng.
Khi có sự suy giảm theo một chiều (vật liệu màng), tức các electron có thể
chuyển động hoàn toàn tự do trong mặt phẳng (xy), nhưng chuyển động của chúng
theo phương z bị giới hạn. Trong chuyển động theo các phương x và y năng lượng
của electron tự do phụ thuộc vào k
x

, k
y
theo hàm parabol, các trạng thái phân bố liên
tục. Còn trong chuyển động theo phương z năng lượng của electron nhận các giá trị
gián đoạn với n
z
=1,2…. Mật độ trạng thái trong vật rắn hai chiều với một trạng thái
k
z
cho trước không phụ thuộc vào năng lượng và có dạng bậc thang.
Khi kích thước vật rắn co lại theo cả hai chiều y, z ở kích thước vài nanomét
thì các điện tử chỉ có thể chuyển động tự do theo phương x và bị giới hạn theo
phương y và z. Một hệ như vậy gọi là hệ một chiều hay dây lượng tử. Hàm phân bố
năng lượng liên tục theo phương x và gián đoạn theo cả hai phương y, z. Mật độ
trạng thái g
1d
(E) dọc theo trục k
x
tỷ lệ với E
-1/2
. Mỗi đường hyperbol tương ứng với
một trạng thái (k
y
, k
z
) riêng biệt.
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 14
Và cuối cùng sự suy giảm lượng tử xảy ra ở cả ba chiều (hệ không chiều) hình
thành chấm lượng tử. Vì hiệu ứng giam giữ lượng tử đều xảy ra ở tất cả các chiều

nên tất cả các trạng thái đều gián đoạn. Mật độ trạng thái dọc theo một chiều là các
hàm Delta Dirac tương ứng với những trạng thái riêng biệt. Điều này dẫn đến những
tính chất vật lý, hóa học của vật liệu thay đổi hoàn toàn.
Có nhiều phương pháp để tính toán được kích thước hạt thông qua các mức
năng lượng của các chấm lượng tử. Trong luận văn này chúng tôi sẽ sử dụng mẫu lý
thuyết khối lượng hiệu dụng để tính kích thước hạt[2]:
Khi một điện tử bị kích thích lên vùng dẫn sẽ tạo ra một lỗ trống trong vùng
hóa trị hình thành một giả hạt exciton. Do hiệu ứng suy giảm lượng tử, điện tử coi
như bị bẫy trong một giếng thế cầu bất định có bán kính R, bán kính này tương ứng
với kích thước tinh thể nano. Mặt khác những hạt bị bẫy sẽ chịu một thế tương tác
Coulomb giữa điện tử và lỗ trống. Trong vùng suy giảm yếu (R>a
B
) tương tác
Coulomb yếu hơn so với vùng suy giảm mạnh (R<a
B
). Theo lý thuyết của Brus,
năng lượng ở tầng kích thích đầu tiên:
Số hạng đầu tiên đặc trưng cho sự suy giảm lượng tử, tỉ lệ nghịch với R
2
. Số hạng
thứ hai đặc trưng cho tương tác Coulomb. Số hạng thứ ba đặc trưng cho sự liên hệ
về mặt không gian giữa electron-lỗ trống, số hạng này thường rất nhỏ so với hai số
hạng trên .
Trong vùng suy giảm mạnh sự dịch chuyển điện tử từ trạng thái năng lượng cơ
bản 1S
e
lên mức 1S
h
biểu diễn qua hệ thức:
Kayanuma đã dựa vào mô hình này để giải thích trong vùng suy giảm yếu

R>4a
B
, trong vùng suy giảm trung bình 2a
B
<R<4a
B
và vùng suy giảm mạnh R>a
B
,
trong vùng này tính toán xấp xỉ bán kính hạt cho dịch chuyển mức năng lượng đầu
tiên qua biểu thức:
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 15
Trong đó E
*
Ry
là năng lượng hiệu dụng Rydberg. Tuy nhiên trong vùng suy
giảm mạnh thì có sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm khi kích thước hạt rất nhỏ.
1.1.3 Các phương pháp tổng hợp nano bán dẫn[1]
1.1.3.1 Các phương pháp vật lý
 Phương pháp hình thành từ pha khí: gồm các phương pháp độ bốc bay
nhiệt cao (CVD), nhiệt phân, nổ điện, đốt laser, plasma. Nguyên tắc của phương
pháp này là hình thành pha hơi ở nhiệt độ cao để tách các phân tử dễ bay hơi khỏi
nguồn vật liệu và sau đó tích tụ lại trên đế. Nhiệt phân là phương pháp có từ rất lâu,
được dùng để tạo các vật liệu đơn giản như cacbon, silicon. Phương pháp đốt laser
có thể tạo được nhiều loại vật liệu. Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có
thể dùng để chế tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng không thích hợp chế tạo vật
liệu hữu cơ vì nhiệt độ của nó có thể lên tới 9000
0
C. Kết quả thu được bằng phương

pháp này thường ở dưới dạng màng.
 Phương pháp sputtering (bắn phá ion): Các nguyên tử được tách ra khỏi
nguồn rắn nhờ quá trình va đập của các ion khí, chẳng hạn Ar
+
, sau đó tích tụ trên
đế. Thường dùng để chế tạo màng bán dẫn đa tinh thể (như CdS).
1.1.3.2 Các phương pháp hóa học
Hầu hết các phương pháp hóa ướt (thủy nhiệt, sol-gel,micelle đảo,colloide)
đều nhằm mục đích khống chế quá trình kết tinh của các hạt nhằm thu được kích
thước, hình dạng với các tính chất : tính chất hóa học (thành phần vật liệu khối,tiếp
xúc giữa các bề mặt…), tính chất cấu trúc (cấu trúc tinh thể hoặc vô định hình, dạng
thù hình…) mong muốn. Việc khống chế này có thể thực hiện được qua quá trình
tổng hợp. Các vật liệu được chế tạo rất đa dạng, có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ,
kim loại. Chính vì những ưu điểm đó mà vai trò của hóa học trong khoa học vật liệu
ngày càng phát triển mạnh mẽ.
 Phương pháp sol-gel: Là một phương pháp rất phổ biến trong các lĩnh vực
vật liệu gốm, quá trình sol-gel được hình thành từ sự thủy phân và polyme hóa các
tiền chất kim loại alkoxide hoặc muối kim loại vô cơ.
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 16
Phương pháp sol-gel chủ yếu dựa trên hai phản ứng: thủy phân tạo sol và
ngưng tụ hình thành gel, quá trình ngưng tụ tạo cầu nối kim loại-oxit-kim loại (M-
O-M) là cơ sở cấu trúc cho các mạng oxit kim loại, quá trình này sẽ tiếp tục cho đến
khi hình thành mạng lưới trong toàn dung dịch.
 Phản ứng thủy phân (phản ứng 1.6) thay thế nhóm alkoxide (-OR) trong liên
kết kim loại-alkoxide bằng nhóm hydroxyl (-OH) để tạo thành liên kết kim loại-
hydroxyl.
M(OR)
n
+ xHOH → M(OR)

n-x
(OH)
x
+ xROH (1.6)
 Phản ứng ngưng tụ (phản ứng 1.8) tạo nên liên kết kim loại-oxit-kim loại, là
cơ sở cấu trúc cho các màng oxit kim loại. Phản ứng ngưng tụ diễn ra theo 2 kiểu:
• Ngưng tụ rượu:
M(OH)(OR)
n-1
+ M(OR)
n
→ (OR)
n-1
M-O-M(OR)
n-1
+ ROH (1.7)
• Ngưng tụ nước:
M(OH)(OR)
n-1
+ M(OH)(OR)
n-1
→ (OR)
n-1
M-O-M(OR)
n-1
+ H
2
O (1.8)
Tốc độ thủy phân và quá trình ngưng tụ ảnh hưởng đến cấu trúc và hình dạng
của oxit kim loại tạo thành. Yếu tố ảnh hưởng đến qui trình sol-gel gồm khả năng

phản ứng của alkoxide kim loại, môi trường pH của dung dịch phản ứng, tỉ lệ của
nước và alkoxide kim loại, nhiệt độ phản ứng, tính chất của dung môi, các phụ gia.
Khi thay đổi một thông số của qui trình thì sẽ thu được sự khác nhau về vi cấu trúc
và hóa học bề mặt.
 Phương pháp tổng hợp thủy nhiệt: Phương pháp này được thực hiện trong
dung môi phân cực (nước, formamide, )với sự có mặt của các phân tử khuôn gốc
hữu cơ cho ra các sản phẩm zeolite. Tổng hợp thủy nhiệt thường tiến hành trong cái
nồi hấp (autoclave) bằng thép chịu áp suất cao và nhiệt độ trong bình thường cao
hơn nhiệt độ sôi của dung môi nước. Nhiệt độ và lượng dung dịch bên trong phải
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 17
lớn để đủ tạo áp suất lớn bên trong autoclave. Quy trình thủy nhiệt tạo được oxit
kim loại có kích thước hạt siêu mịn.
 Phương pháp colloide: Tính chất quang của tinh thể nano phụ thuộc vào
kích thước, do đó muốn đạt được sự phân bố về kích thước hẹp phải điều kiển cẩn
thận sự phát triển của nano trong dung dịch colloide. Có nhiều phương pháp hóa
học để chế tạo hạt nano bán dẫn, tuy nhiên trong nghiên cứu này chúng tôi chỉ quan
tâm đến phương pháp tạo hạt nano ở nhiệt độ thấp và tạo ra sự phân bố kích thước
hạt đồng đều của CdSe. Do đó, phương pháp colloide liên kết bề mặt là một phương
pháp thích hợp để tổng hợp CdSe như chúng tôi mong muốn.
Phương pháp này đã được sử dụng thành công cho việc tổng hợp hạt nano bán
dẫn CdS và CdSe từ trên mười năm nay. Hợp chất hữu cơ được dùng để liên kết bề
mặt là đơn giản, rẻ tiền và cho phép tối ưu hóa sự phân bố kích thước hạt. Hạt nano
bán dẫn được hình thành do những phản ứng của những thành phần Cd
2+
với khí
selen dưới sự điều khiển của hợp chất hữu cơ liên kết bề mặt. Ví dụ xuất phát từ
cadimium acetate Cd(Ac)
2
theo phản ứng sau: Cd

2+
+ H
2
Se → CdSe + 2H
+

Phương pháp này cần tối ưu hóa những thông số như tỷ số mol Cd/Se và hợp
chất hữu cơ liên kết bề mặt.
Quá trình phát triển của hạt coi như là sự tăng tuyến tính của phản ứng polyme
hữu cơ giữa ion cadimium với selen, vì vậy sự phát triển hạt tăng dần. Để ngăn chặn
sự phát triển của hạt, nhiều tác giả đã dùng nhóm thiol như là tác nhân ngăn chặn bề
mặt. Herron và các cộng sự [43] đã mô tả phản ứng giữa ion Cd
2+
- thiol Cd
2+
-S để
điều khiển sự hình thành của dung dịch nano CdS. Việc dùng hợp chất hữu cơ như
thiol để ngăn chặn sự kết tủa và đồng thời nhằm bảo vệ bề mặt không bị oxy hóa
với sự tối ưu hóa những mức bẫy điện tử được tạo ra. Vì vậy thông số liên kết bề
mặt cần được tối ưu hóa trong nghiên cứu này.
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 18
Cd
2+
S
2-
Cd
2+
S
2-

CdS
CdS
+
+
thiol
= Agent de surface
1-10nm
cluster
propagation
Précipitation
CdS
Hình 1.6: Dùng hợp chất hữu cơ thiol làm tác nhân ngăn chặn bề mặt
1.2 Pin mặt trời (PMT)
Chấm lượng tử có rất nhiều ứng dụng như: làm chất đánh dấu trong sensor
sinh học, nhận diện tế bào ung thư, làm đèn Led, pin mặt trời…Trong đề tài này,,
chúng tôi sử dụng chấm lượng tử với mục đích làm chất nhạy quang cho PMT. Do
đó, phần này chúng tôi sẽ trình bày một số tổng quan về PMT và các thông số đặc
trưng cho pin.
1.2.1 Các thế hệ pin mặt trời [11]
Dựa vào lịch sử phát triển và cấu tạo của các loại PMT, người ta phân thành
bốn loại thế hệ PMT:
1.2.1.1 Thế hệ thứ nhất:
PMT có dạng khối, đơn tinh thể silic (PMT kiểu truyền thống) với hiệu suất lý
thuyết tối đa là 31%. Hiện nay phần lớn các PMT xuất hiện trên thị trường vẫn là
thế hệ PMT thứ nhất dùng silic đơn tinh thể với hiệu suất 18%. Tuy nhiên, nhóm
nghiên cứu của giáo sư Martin Green (University of New South Wales, Úc) hiện
nay đã đạt kỷ lục 24.7% (trong phòng thí nghiệm).
Ưu điểm của pin này là phạm vi phổ hấp thụ rộng, độ linh động hạt tải cao.
Tuy nhiên, đòi hỏi kỹ thuật lắp đặt ,độ nguyên chất của silic phải gần như tuyệt đối,
giá thành đắt.

1.2.1.2 Thế hệ thứ hai:
PMT được chế tạo theo công nghệ màng mỏng, các loại vật liệu tạo thành
phong phú hơn như silic đa tinh thể, vô định hình, CdTe, các loại hợp kim của
CIGS (gồm đồng, indium, gallium và selen) và các loại bán dẫn màng mỏng khác.
Ưu điểm của thế hệ PMT thứ hai là chi phí chế tạo ít tốn kém, lắp đặt đơn giản hơn.
Hiệu suất đạt khoảng 12-15%.
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 19
Dạng silic vô định hình giá rẻ, có thể tạo thành những phim mỏng vừa ít tốn
kém nhiên liệu vừa có khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời 40 lần cao hơn silic
đơn tinh thể. Tuy nhiên , vì bản chất vô định hình (điện tử di động khó khăn hơn
nhiều so với điện tử trong tinh thể) nên hiệu suất chuyển hoán thành điện chỉ bằng
phân nửa hiệu suất của silic đơn tinh thể.
Các chất bán dẫn như indium galium dislenide đồng và cadimium telluride có
giá rẻ hơn rất nhiều so với silic đơn phân tử, tuy nhiên do có khuyết tật cấu trúc nên
hiệu suất không cao.
1.2.1.3 Thế hệ thứ ba:
Thế hệ PMT này rất khác so với các thế hệ trước, không dựa vào lớp chuyển
tiếp p-n truyền thống . Thế hệ PMT này bao gồm: PMT dạng nano tinh thể, PMT
quang -điện –hóa, PMT chất màu nhạy quang, PMT hữu cơ.
 PMT dạng nano tinh thể: các tế bào năng lượng mặt trời dựa trên nền
silic với một lớp phủ các nano tinh thể (các hạt nhỏ tinh thể nano hay các chấm
lượng tử) như hạt bán dẫn PbSe, CdTe.
 PMT quang điện hóa (PEC): gồm một anode quang bán dẫn và một
cathode kim loại được nhúng trong dung dịch điện phân (K
3
Fe(CN)
6
/K
4

Fe(CN)
6
;
I/I
3
; Fe(CN)
6
4-
/Fe(CN)
6
3-
; muối sulphide/sulphur). Quá trình phân ly điện tích được
thực hiện bởi chất bán dẫn và chất điện phân. Thế hệ PMT này có ưu điểm lớn là
giá thành rẻ hơn hẳn hai thế hệ trước, việc lắp đặt và vận chuyển dễ dàng, kích
thước và hình dạng của hệ rất phong phú, có thể tùy chỉnh theo nhu cầu sử dụng.
Tuy nhiên, hiệu suất thường không cao và quá trình chế tạo có thể gây ô nhiễm môi
trường.
 PMT polymer:
Nguyên tắc chính là sự di chuyển điện tử từ một polymer/ phân tử cho điện tử
(electron donor) đến một polymer/phân tử nhận electron (electron acceptor), sự di
chuyển điện tử sẽ tạo thành dòng điện. Hiệu suất hiện nay khoảng 5-6%.
Một trong những pin mặt trời hữu cơ là PMT polymer-fullerene (C
60
): polymer
là các polymer liên hợp (-C=C-C=C-) như polyacetylene (PA), polypyrrole (PPy),
polyaniline (PAn)…, khi nối với các chất thêm vào (dopant) sẽ trở thành polymer
dẫn điện. Khi bị quang tử của ánh sáng mặt trời kích thích, polymer liên hợp
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 20
“phóng thích” các điện tử π và để lại nhiều lỗ trống trên mạch polymer, vì vậy

polymer được gọi là vật liệu loại p. Ngược lại, fullerene là vật liệu nhận điện tử rất
hiệu quả. Sau khi nhận điện tử fullerene mang điện tích âm nên được gọi là vật liệu
loại n.
1.2.1.4 Thế hệ thứ tư:
PMT lai hóa giữa tinh thể nano/hữu cơ là sự kết hợp của tinh thể nano và hợp
chất polymer . Thế hệ PMT này cải thiện được hiệu suất hơn so với thế hệ PMT thứ
ba và thân thiện với môi trường hơn.
Nguyên tắc hoạt động: polymer (P3HT) hấp thụ photon của ánh sáng chiếu tới
kích thích electron từ vùng cơ bản chuyển lên vùng kích thích. Do mức năng lượng
ở vùng kích thích của polymer cao hơn đáy vùng dẫn của TiO
2
nên các electron sẽ
chuyển từ phân tử polymer sang lớp TiO
2
và khuếch tán ra lớp điện cực, còn
polymer (PEDOT:PS) dẫn lỗ trống ra điện cực đối. Dòng điện được sinh ra đi qua
tải và trở lại kết hợp với lỗ trống, kết thúc một tiến trình tuần hoàn.
1.2.2 Tiềm năng và hướng phát triển trong tương lai của pin mặt trời[9,11]
Chúng ta biết rằng, các photon mang nhiều năng lượng khác nhau và chỉ có
những photon nào mang năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng vùng cấm thì
mới có thể “đánh bật” điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và trở thành điện tử tự
do tạo ra dòng điện.
Đối với silic độ rộng vùng cấm khoảng 1.1eV tương đương với năng lượng
của tia hồng ngoại. Phổ ánh sáng mặt trời bao gồm tia hồng ngoại (năng lượng
<1.7eV), ánh sáng khả kiến (năng lượng từ 1.7-3.3eV) và tia tử ngoại (>3.3eV).
Như vậy, phần lớn ánh sáng mặt trời từ tia hồng ngoại đến tia tử ngoại đều có khả
năng “đánh bật” điện tử ra khỏi mạng silic. Hiệu suất lý thuyết tối đa của PMT silic
là 31 % được định đoạt bởi độ rộng vùng cấm 1,1 eV của silic. Những photon có
năng lượng nhỏ hơn 1,1 eV không thể tham gia và photon có năng lượng lớn hơn sẽ
bị thất thoát đi phần dư thừa ở dạng nhiệt. Hai nguyên nhân này đưa đến sự thất

thoát 69 % năng lượng mặt trời trong silic. Đó là chưa kể sự thất thoát gây ra bởi
cấu trúc vật liệu (tinh thể hay vô định hình), phản xạ bề mặt và phương pháp sản
xuất. Nếu ta dùng những vật liệu bán dẫn với những độ rộng vùng cấm khác nhau
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 21
và liên kết những vật liệu này thành một cấu trúc chuyển tiếp đa tầng (multi-
junction) để hấp thụ quang tử mặt trời ở các mực năng lượng khác nhau, hiệu suất
chuyển hoán sẽ phải gia tăng.
Năm 2002, các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Quốc gia, Lawrence
Berkeley National Laboratory (Mỹ), thiết kế các hợp chất bán dẫn chứa indium (In),
gallium (Ga) và nitrogen (N) cho đèn phát quang diode. . Khi hợp chất bán dẫn
InGaN được chế tạo, các nhà khoa học Mỹ khám phá ra là bằng sự điều chỉnh tỉ lệ
của In và Ga, khe dải của hợp chất InGaN có thể biến thiên liên tục từ 0,2 đến 3,4
eV bao gồm toàn thể quang phổ mặt trời. Các nhà khoa học ở Lawrence Berkeley
vừa làm vật liệu cho đèn diode vừa cho pin mặt trời. Trở ngại chính là sự tốn kém
trong việc sản xuất, cấu trúc này vì vậy không thể trở thành một sản phẩm phổ cập,
các loại pin này là nguồn điện hữu hiệu để vận hành vệ tinh. Chỉ cần kết hợp hai
tầng InGaN được thiết kế có độ rộng vùng cấm 1,1 eV và 1,7 eV, hiệu suất dễ dàng
đạt đến 50 %. Mười hai tầng InGaN có khe dải bao gồm toàn thể quang phổ mặt
trời sẽ cho hiệu suất 70 %.
Gần đây (năm 2006), một số chất bán dẫn đã được thiết kế để tối ưu hóa trị số
độ rông vùng cấm, gia tăng hiệu suất và đồng thời giảm giá thành sản xuất. Trong
một cuộc triển lảm quốc tế về năng lượng mặt trời (2006), công ty Sharp Solar
(Nhật Bản), một trong những công ty lớn và uy tín trên thế giới sản xuất pin mặt
trời, đã ra mắt một panô pin mặt trời có hiệu suất đột phá 36% mà vật liệu là hợp
chất bán dẫn của các nguyên tố ở cột III (aluminium, gallium, indium) và cột V
(nitrogen, arsenic) trong bảng phân loại tuần hoàn. Cũng vào năm 2006 công ty
Boeing - Spectrolab (Mỹ) dùng chất bán dẫn với một công thức được giữ bí mật có
thể chuyển hoán 41% năng lượng mặt trời. Mười tháng sau đó, viện nghiên cứu
quốc gia Lawrence Berkeley National Laboratory (Mỹ) lại chế tạo một loại pin mặt

trời dùng chất bán dẫn zinc-manganese-tellium với hiệu suất 45 %. Những con số
này rất ấn tượng, nhưng phải nói rằng panô của Sharp Solar dù ở 36 % nhưng đã
đạt tới trình độ hữu dụng của một thương phẩm về giá trị thực tiễn cũng như giá cả.
Hiện nay, việc nghiên cứu PMT được phát triển mạnh trên mặt sản xuất làm
giảm giá thành, tối ưu hóa vật liệu hiện có để nâng cao hiệu suất và tìm kiếm những
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 22
vật liệu bán dẫn với các trị số độ rộng vùng cấm thích hợp. Nền công nghệ nano
đang là chủ lực để đạt những mục tiêu này.
Các PMT thông thường như PMT silic hiện nay có hiệu suất tối đa thiểu là
31%, đó là do năng lượng bị thất thoát dưới dạng nhiệt là rất lớn. Nếu ta giảm thiểu
được vấn đề này trước hết tỷ lệ “làm lạnh” “các electron nóng” cần phải được giảm
xuống, thứ hai là cần phải thu được những “electron nóng” này và sử dụng chúng
một cách nhanh chóng trước khi chúng mất toàn bộ năng lượng của mình thì hiệu
suất chuyển hoán năng lượng mặt trời thành điện năng có thể tăng trên lý thuyết là
66%. Các chấm lượng tử chính là đối tượng hứa hẹn cho mục tiêu này.
Và ở nước ta hiện nay, với tiềm năng to lớn về nguồn năng lượng mặt trời (số
giờ nắng trung bình khoảng 2000-2500 giờ/năm, tổng năng lượng bức xạ mặt trời
trung bình khoảng 150kcal/cm
2
/năm) đã xây dựng những chiến lược cho việc phát
triển nguồn năng lượng dồi dào này. Từ sau 1975, pin mặt trời đã được bắt đầu
nghiên cứu bởi Viện Vật Lý Hà Nội và phát triển mạnh ở Trung tâm Nghiên cứu và
Sử dụng Năng lượng mặt trời. Chủ yếu tập trung nghiên cứu PMT đơn tinh thể silic
và silic vô định hình dựa trên sự hỗ trợ tài chính từ chính phủ Việt Nam và các nước
phát triển trên thế giới.Tuy nhiên vẫn chưa mang tính khả thi, chỉ dừng lại ở việc
lắp ráp, vận hành.
Trong giai đoạn hiện nay, để phát triển công nghệ sản xuất PMT ở nước ta,
PTN Công nghệ nano thuộc ĐH Quốc gia TP HCM đang tiến hành đề tài nghiên
cứu chế tạo pin mặt trời trên nền tảng vật liệu silic, do PGS. TS Đặng Mậu Chiến

chủ nhiệm và được quản lý bởi Sở KHCN TP HCM. Đối với pin mặt trời trên cơ sở
vật liệu tinh thể nano TiO
2
chất nhạy quang thì tại Việt Nam cũng đã có một số dự
án trọng điểm nghiên cứu như: đề tài trong điểm ĐHQG TP HCM “Pin quang điện
hóa trên cơ sở tinh thể nano dioxit titan tẩm chất nhạy quang” do PGS. TS Nguyễn
Thị Phương Thoa chủ nhiệm được ĐHQG TP HCM đầu tư kinh phí, đề tài “ Nghiên
cứu chế tạo pin mặt trời trên cơ sở vật liệu TiO
2
và chất màu cơ kim” do TS.
Nguyễn Thanh Lộc và TS. Nguyễn Thế Vinh chủ nhiệm do Sở KHCN TPHCM
quản lý, và nhóm Nguyễn Hồng Minh và Nguyễn Đức Nghĩa tại ĐH Bách Khoa Hà
Nội phối hợp với Trường ĐH Hanyang Hàn Quốc đã và đang nghiên cứu theo
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 23
hướng PMT chất màu nhạy quang này. Đây được xem như là những hướng phát
triển mới cho PMT ở Việt Nam [3].
1.2.3 Các thông số đặc trưng của PMT[3,13]
PMT là một hay một số thiết bị được thiết kế để chuyển đổi quang năng thành
điện năng một cách trực tiếp. Nền tảng của PMT là các tế bào mặt trời (SC) hoạt
động dựa vào hiệu ứng quang điện trong.
1.2.3.1 Dòng đoản mạch (J
sc
)
Dòng đoản mạch là dòng của hạt tải thiểu số bên trong SC, hay là dòng quang
điện. Dòng đoản mạch phụ thuộc vào ánh sáng kích thích và bản thân vật liệu làm
SC. Ta có công thức xác định mật độ dòng đoản mạch:
Trong đó, J
sc
là mật độ dòng đoản mạch, q là điện tích nguyên tố, b

s
(E) là mật
độ quang thông của ánh sáng kích thích, QE(E) là hiệu suất lượng tử của SC đó là
xác suất mà một photon chiếu tới có khả năng sinh ra một electron cho mạch ngoài,
dE là năng lượng của photon kích thích tính trên một đơn vị diện tích trong một đơn
vị thời gian.
SC có hiệu suất cao tương ứng với J
sc
có giá trị lớn, J
sc
đạt giá trị cực đại khi
thế ra của SC bằng zero tương ứng trường hợp SC chưa nối với mạch ngoài. Trong
các giá trị ở công thức (1.9), ta thấy yếu tố quyết định làm thay đổi hiệu suất của SC
chính là hiệu suất lượng tử QE(E) và mật độ quang thông b
s
. Do đó cần phải lựa
chọn vật liệu thích hợp làm SC, lựa chọn vị trí thích hợp để lắp ráp PMT trong thực
tế và hình dạng của PMT thành phẩm phải được tính toán sao cho QE(E) và b
s
đạt
giá trị tối ưu.
1.2.3.2 Dòng tối (J
dark
)
Nối SC với mạch ngoài có tải, khi không chiếu sáng vẫn có một sự chênh lệch
rất nhỏ về điện tích ở hai đầu SC do có một số lượng nhỏ hạt tải được sinh ra do
chuyển động nhiệt, điều này tạo ra ở mạch ngoài một dòng điện gọi là dòng tối
(J
dark
). Mật độ dòng tối được tính theo công thức:

Trong đó: J
0
là hằng số, V là thế ra của SC, k
B
là hằng số Boltzmann, T là
nhiệt độ tuyệt đối.
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 24
Ta thấy dòng tối ngược chiều với dòng đoản mạch, do đó ta đưa vào giá trị
mật độ tổng cộng J và được xác định như sau:
1.2.3.3 Thế mạch hở (V
oc
)
Khi nối SC với mạch ngoài (có tải) và chiếu sáng SC, sự chênh lệch nồng độ
hạt tải rất lớn ở hai đầu của SC (electron phía n và lỗ trống phía p) sẽ khiến thế ra V
tăng lên dần, khi thế V đạt cực đại, người ta gọi nó là thế mạch hở, ký hiệu là V
oc
và
được xác định theo công thức:
Khi V=V
oc
, dựa vào (1.12) ta có:
Thế (1.13) vào (1.10) ta được:
Từ (1.14) ta rút ra kết luận: Khi V = V
oc
thì J
sc
= J
dark
, suy ra mật độ dòng tổng

cộng J = J
sc
– J
dark
= 0. Lúc này mạch ngoài không còn dòng hạt tải nào, điều này
giống như việc ta áp SC vào một mạch điện bị hở và đo thế ra của SC.
1.2.3.4 Công suất, hiệu suất của SC
Công suất của SC được xác định theo công thức:
P = I.V (1.15)
Trong đó: I nhận giá trị từ 0 đến I
sc
, V nhận các giá trị từ 0 đến V
oc
.
Khi I = 0, ta có V=V
oc
và khi V = 0 ta có I = I
sc
. Tại hai giá trị này ta có P = 0.
Biểu diễn P trên đặc tuyến I-V của SC như hình (1.7)
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 25
Hình 1.7: Đặc tuyến I-V và giá trị MP của SC
Ta thấy tại giá trị (I
MP
, V
MP
) trên đặc tuyến I-V của SC giá trị P đạt cực đại,
điểm này được gọi là điểm công suất cực đại (Maximum power point-MP).
Hiệu suất của SC, ký hiệu là η, được tính theo công thức;

Trong đó: P
s
là công suất phân tán của SC, đặc trưng cho sự tán xạ hạt tải
trong suốt quá trình hoạt động của SC; FF (Fill Factor) là thừa số lấp đầy, được định
nghĩa là:
Trong các thông số làm việc của SC, bốn thông số quan trọng quyết định nên
tính chất của một SC là: dòng đoản mạch J
sc
, thế mạch hở V
oc
, thừa số lấp đầy FF,
hiệu suất η.
1.2.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PMT chất màu nhạy quang (DSC)
Đây là một phát minh của hai nhà khoa học Thụy Sĩ là Micheal Grätzel và
Brian O’Regan nên còn có tên gọi là pin Grätzel. Loại pin này rất có triển vọng
được ứng dụng rộng rãi trong đời sống vì nó được chế tạo từ những vật liệu rẻ tiền,
hiệu suất khoảng 11%, ở mức chấp nhận được.
Cấu tạo phổ biến của DSC như hình 1.8. Thành phần quang trọng đóng vai trò
chủ chốt trong DSC chính là điện cực anode quang. Anode là lớp dioxit TiO
2
lỗ
xốp, pha anatase có kích thước nano mét được thêu kết trên đế thủy tinh dẫn điện
trong suốt như thiếc oxít pha tạp fluor (FTO) hay thiếc oxít pha tạp indium (ITO),
có bề mặt riêng lớn (90-170m
2
/g). Chất màu nhạy quang được hấp thụ đơn lớp lên
lớp màng TiO
2
đóng vai trò nguồn hấp thụ photon từ ánh sang mặt trời chuyển đổi
thành điện tử.

Nguyên lý hoạt động: (hình 1.8)
Quá trình sinh thành hạt tải của DSC dựa vào chuyển mức vùng-vùng, giữa
vùng HOMO (Orbital phân tử cao nhất được lấp đầy) và vùng LUMO (Orbital phân
tử thấp nhất còn trống) của lớp nhuộm, hai vùng này phân cách nhau bởi một vùng
cấm tương tự như mức chuyển giữa vùng hóa trị và vùng dẫn của chất bán dẫn.
Huỳnh Lê Thùy Trang