Tổng hợp và nghiên cứu các tính chất quang điện của pin mặt trời chấm lượng tử CdSe nhạy quang

Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 1
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
Hình 1.1: Cấu trúc chấm lượng tử……………………………………………… 13 3
Hình 1.2 : Mức năng lượng của electron phụ thuộc vào số nguyên tử liên kết……14 3
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 9
Hình 1.2 : Mức năng lượng của electron phụ thuộc vào số nguyên tử liên kết 10
LỜI CẢM ƠN
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 2
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS. Lâm Quang Vinh và
thầy PGS. TS. Dương Ái Phương đồng hướng dẫn tận tình giúp em hoàn thành tốt
luận văn này.
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
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 3

Hình 1.1: Cấu trúc chấm lượng tử……………………………………………… 13
Hình 1.2 : Mức năng lượng của electron phụ thuộc vào số nguyên tử liên kết……14
Hình 1.3: Electron trong vật rắn 3 chiều vô hạn theo cả 3 chiều x, y, z ………… 15
Hình 1.4: Mô hình “hạt trong hộp thế” đối với electron tự do theo phương z.
Chuyển động của các electron tự do theo phương z bị giới hạn trong hộp thế có
chiều dài L
z
……………………………………………………………………… 16
Hình 1.5: Electron trong hệ một chiều…………………………………………… 17
Hình 1.6; Vật rắn 0 chiều ………………………………………………………….18
Hình 1.7 : Sơ đồ năng lượng của bán dẫn khối và của chấm lượng tử……………19
Hình 1.8 : Sự phụ thuộc kích thước của độ rộng vùng cấm E
g
(d) của chấm lượng tử
CdSe với đường kính hạt L……………………………………………………… 22
Hình 1.9 : Sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm vào kích thước và thành phần cấu
trúc hạt…………………………………………………………………………… 24
Hình 1.10: Dùng hợp chất hữu cơ thiol làm tác nhân ngăn chặn bề mặt………… 28
Hình 2.1: Đặc tuyến I-V và giá trị MP của SC…………………………………….32
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của DSC………………………………………… 34
Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động của QDSSC………………………………………36
Hình 3.1: Sơ đồ tổng hợp dung dịch nano CdSe………………………………… 41
Hình 3.2: (a) Máy in lụa; (b) Khung in lụa; (c) Máy in lụa ở chế độ làm việc…….42
Hình 3.3: Điện cực cathode Pt…………………………………………………… 43
Hình 3.4: (a) Sơ đồ cấu tạo của pin mặt trời chấm lượng tử CdSe; (b) Máy ép điện
cực………………………………………………………………………………….44
Hình 3.5: Một pin mặt trời chấm lượng tử CdSe được ghép hoàn chỉnh………….45
Hình 3.6: Sơ đồ chuyển mức năng lượng và các bước chuyển năng lượng trong phổ
điện tử………………………………………………………………………………46
Hình 3.7: Cơ chế phát xạ ánh sang……………………………………………… 47

Hình 3.8 Các mode dao động của tinh thể…………………………………………48
Hình 3.9: Hệ máy Keithley đo hiệu suất pin……………………………………….49
Hình 4.1: Phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch keo nano CdSe theo tỷ lệ chất bao
khác nhau………………………………………………………………………… 50
Hình 4.2: Màu sắc của dung dịch nano CdSe thay đổi theo nồng độ chất bao… 52
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 4
Hình 4.3: Phổ hấp thụ của dung dịch keo nano CdSe với các tỉ lệ R = Cd/Se khác
nhau……………………………………………………………………………… 53
Hình 4.4: Phổ nhiễu xạ tia X của bột CdSe nung ở các nhiệt độ khác nhau………55
Hình 4.5: Đồ thị phân bố kích thước hạt theo nhiệt độ nung………………………57
Hình 4.6: Phổ Raman của bột CdSe……………………………………………… 58
Hình 4.7: Ảnh TEM của mẫu bột nano CdSe…………………………………… 59
Hình 4.8: Phổ quang phát quang của các dung dịch CdSe với các tỷ lệ R, M khác
nhau……………………………………………………………………………… 60
Hình 4.9: Phổ hấp thụ UV-Vis của màng TiO
2
-CdSe theo thời gian ngâm……… 62
Hình 4.10: Phổ hấp thụ UV-Vis của màng TiO
2
-CdSe xử lý nhiệt ở các nhiệt độ
khác nhau trong môi trường chân không………………………………………… 63
Hình 4.11: Màu sắc của màng TiO
2
-CdSe theo nhiệt độ nung…………………….64
Hình 4.12: Phổ hấp thụ UV-Vis của màng TiO
2
-CdSe nung trong thời gian khác
nhau…………………………………………………………………………… 64
Hình 4.13: (a) Ảnh TEM của màng TiO

2
trên đế thủy tinh; (b) Ảnh TEM của màng
TiO
2
-CdSe trên đế thủy tinh……………………………………………………… 66
Hình 4.14: Phổ nhiễu xạ tia X của màng TiO
2
-CdSe nung 300
0
C trong chân không
…………………………………………………………………………………… 67
Hình 4.15: Phổ Raman của màng TiO
2
-CdSe nung các nhiệt độ khác nhau………68
Hình 4.16: (a) Phổ PL của dung dịch CdSe; (b) Phổ PL của màng TiO
2
-CdSe nung
ở các nhiệt độ khác nhau………………………………………………………… 69
Hình 4.17: Quá trình chuyển điện tích từ CdSe sang TiO
2
…………………… …69
Hình 4.18: Đường đặc trưng I-V của pin mặt trời…………………………………71
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thông số bán kính Borh của một số chất bán dẫn…………………… 23
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 5
Bảng 4.1: Kết quả độ rộng vùng cấm và kích thước trung bình của nano CdSe điều
khiển theo nồng độ chất bao……………………………………………………….51
Bảng 4.2: Kết quả độ rộng vùng cấm và kích thước trung bình của nano CdSe điều
khiển theo tỷ lệ R………………………………………………………………… 53

Bảng 4.3: Kích thước hạt CdSe thay đổi theo nhiệt độ…………………………….56
Bảng 4.3: Các thông số hoạt động của pin mặt trời chất màu nhạy quang……… 72
MỞ ĐẦU
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 6
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
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].
Từ khi ra đời loại pin mặt trời (PMT) đầu tiên cho tới nay, các nhà khoa học
đã không ngừng nghiên cứu với xu hướng nâng cao hiệu suất pin, giá thành thấp để
có thể thương mại hóa và phổ biến hơn. Các thế hệ PMT thế hệ thứ nhất có dạng
khối (đơn tinh thể silic) và thế hệ PMT thứ hai (dạng màng mỏng) cho hiệu suất
tương đối ở mức chấp nhận được, tuy nhiên, giá thành lại cao, lắp đặt khó khăn nên
chưa được sử dụng rộng rãi[11].
Khi công nghệ nano được phát triển mạnh mẽ từ cuối thế kỷ 20 với việc ra đời
của các vật liệu nano đã giúp cải thiện đáng kể tính chất và giá thành của PMT. Với
mục tiêu này, các PMT thế hệ mới ra đời: PMT sử dụng chất nhạy quang như chất
nhuộm, polymer hữu cơ, hay chấm lượng tử với nhiều oxít bán dẫn được chọn làm
điện cực trong thế hệ PMT này như TiO

2
, ZnO, SnO
2
, WO
3
… Tuy nhiên, TiO
2
được
chọn vì giá thành rẻ, không độc hại. Vật liệu TiO
2
sử dụng làm điện cực với kích
thước khoảng 20nm, cấu trúc lỗ xốp, ở pha anatase [13] và có bề dày từ 10-14µm
[38].
Hiện nay, loại pin được quan tâm nhất trong thế hệ các PMT này là PMT
chấm lượng tử nhạy quang. Loại pin này có ưu điểm lớn hơn so với các PMT thế hệ
trước cũng như PMT chất nhuộm nhạy quang (DSC) cùng thế hệ bởi vì DSC chỉ
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 7
hấp thụ được ánh sáng mặt trời trong vùng hồng ngoại trong khi năng lượng ánh
sáng trong vùng khả kiến chiếm tỷ lệ lớn nhất trong năng lượng ánh sáng mặt trời,
đồng thời chất nhuộm là chất chịu nhiệt kém nên không bền.
Mặt khác, trong chấm lượng tử do hiệu ứng kích thước lượng tử nên xảy ra
hiện tượng sinh ra nhiều cặp exciton khi một photon bị hấp thu do tương tác ion
hóa, do đó chấm lượng tử có tiềm năng to lớn trong việc giảm sự mất mát năng
lượng do thất thoát năng lượng dưới dạng nhiệt xảy ra ở các pin thông thường . 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 đa hóa việc hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt
trời[26].
Tuy nhiên, hiện nay PMT chấm lượng tử nhạy quang có hiệu suất thấp
(<4.2%) do nhiều nguyên nhân. Nhưng với những ưu thế vượt trội so với các loại

PMT khác, do đó PMT chấm lượng tử nhạy quang vẫn được quan tâm hàng đầu vì
tiềm năng to lớn của loại pin này trong việc đột phá về hiệu suất, có thể lên tới
66%[11].
Và trong đề tài này, chúng tôi sẽ tổng hợp và nghiên cứu các tính chất quang
điện của pin mặt trời chấm lượng tử CdSe nhạy quang. Chấm lượng tử CdSe được
chọn vì nó dễ dàng tổng hợp và độ rộng vùng cấm có thể thay đổi thông qua điều
khiển kích thước hạt, rất phù hợp để có thể hấp thụ toàn bộ vùng khả kiến và tử
ngoại 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.
►Ráp pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang và khảo sát tính chất điện của pin.
PHẦN I: TỔNG QUAN
CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT VỀ CHẤM LƯỢNG TỬ
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 8
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
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. Vật
liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, 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.
1.2 Chấm lượng tử
1.2.1 Chấm lượng tử là gì? [1,2]:
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 9
Chấm lượng tử (Quantum dots) là những tinh thể nano bán dẫn có kích thước nhỏ
hơn bán kính Bohr của cặp e/h khi bị suy giảm ba chiều. 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…
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
1.2.2 Từ nguyên tử đến phân tử và chấm lượng tử[12]:
Trong nguyên tử các electron quay quanh hạt nhân. Số electron phụ thuộc vào
nguyên tố.Trong trường hợp đơn giản nhất: nguyên tử Hidro có một electron quay
quanh hạt nhân, các trạng thái electron của nguyên tử Hidro có thể được tính một
cách chính xác. Tuy nhiên, khi các electron tăng lên việc tính các mức năng lượng
trở nên phức tạp hơn vì ngoài tương tác giữa hạt nhân với các electron có tương tác
giữa các electron với nhau. Để tính năng lượng của nguyên tử nhiều electron, người
ta sử dụng phép gần đúng Hartree-Fock. Mỗi electron được gán cho một quỹ đạo
riêng biệt được gọi là quỹ đạo nguyên tử với một mức năng lượng gián đoạn. Tùy

theo moment động lượng, quỹ đạo nguyên tử có thể là dạng hình cầu (quỹ đạo s),
dạng cánh hoa (quỹ đạo p) hoặc phức tạp hơn (quỹ đạo d,f).
Nếu một số nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành phân tử, một cấu trúc lớn
hơn thì các electron sẽ quay tập thể quanh nhiều hạt nhân. Trong phân tử, các
electron tham gia vào liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử không còn quy cho
một nguyên tử riêng biệt nữa, mà là chung của các nguyên tử. Ví dụ: trong phân tử
Metan (CH
4
), một trong bốn quỹ đạo nguyên tử sp
3
của nguyên tử Cacbon được kết
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 10
hợp với quỹ đạo s của nguyên tử Hidro để tạo thành nguyên tử liên kết σ và nguyên
tử phản liên kết σ
*
. Vì các quỹ đạo này là chung của các nguyên tử nên chúng được
gọi là quỹ đạo phân tử. Các mức năng lượng của các quỹ đạo phân tử cũng là mức
gián đoạn (hình 1.2).
Hình 1.2 : Mức năng lượng của electron phụ thuộc vào số nguyên tử liên kết
Khi kích thước của hệ đa nguyên tử tăng lên rất lớn như vật liệu khối, phép
tính cấu trúc năng lượng sẽ trở nên phức tạp, không thực hiện nỗi. Tuy nhiên, bài
toán sẽ trở nên đơn giản hơn nếu ta xét hệ là một tinh thể vô hạn tuần hoàn. Khi đó
trong tinh thể tồn tại phép đối xứng tịnh tiến lý tưởng. Mặt khác,ảnh hưởng của bề
mặt được bỏ qua, tinh thể thỏa mãn điều kiện biên tuần hoàn. Chuyển động của
electron được mô tả như là sự chồng chất của sóng phẳng trải khắp vật rắn. Khác
với trường hợp của các nguyên tử và phân tử, cấu trúc năng lượng của vật rắn
không bao gồm các mức năng lượng gián đoạn, mà bao gồm các vùng năng lượng
rộng, mỗi vùng có thể bị lấp đầy bởi một số hạt tải điện. Khi số nguyên tử liên kết
tăng lên, các mức năng lượng gián đoạn của các quỹ đạo nguyên tử hòa vào nhau,

tạo thành vùng năng lượng. Như vậy, tinh thể nano bán dẫn có thể coi là trường hợp
trung gian giữa các phân tử nhỏ và vật liệu khối.
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 11
Trong các tinh thể nhỏ, kích thước cỡ nano, gọi là tinh thể nano, các giả thuyết
về phép đối xứng tịnh tiến và kích thước vô hạn của tinh thể có thể không còn đúng
nữa. Do đó với những tinh thể này không thể áp dụng mô hình đã được sử dụng đối
với vật liệu rắn khối. Chúng ta có thể nghĩ rằng cấu trúc năng lượng của tinh thể
nano là trường hợp trung gian giữa các mức năng lượng gián đoạn của hệ nguyên tử
và cấu trúc vùng năng lượng của vật rắn khối. Điều này được minh họa bằng hình
1.2. Các mức năng lượng của tinh thể nano cũng gián đoạn, nhưng mật độ của
chúng lớn hơn nhiều và khoảng cách giữa các mức nhỏ hơn nhiều so với các mức
tương ứng trong một nguyên tử hay một đám nguyên tử. Vì tính gián đoạn của các
mức năng lượng nên tinh thể nano được gọi là các chấm lượng tử. Trong tinh thể
nano khái niệm vùng và khe vẫn được sử dụng. Các mức năng lượng nguyên tử bị
chiếm nằm cao nhất tương tác với nhau tạo thành vùng dẫn của tinh thể nano. Khe
năng lượng vùng hóa trị và vùng dẫn được gọi là khe vùng cấm của tinh thể nano.
1.2.3 Sự giảm kích thước từ vật liệu khối đến chấm lượng tử [5,12]
1.2.3.1 Hệ ba chiều (vật liệu khối)
Hình 1.3: Electron trong vật rắn 3 chiều vô hạn theo cả 3 chiều x, y, z; a-vật rắn
khối được xem như tinh thể; b- mỗi trạng thái electron với véctơ sóng (k
x
, k
y
, k
z
)
được biểu diễn bằng một điểm trong không gian mạng đảo k; c-đối với vật rắn
khối, năng lượng của electron tự do phụ thuộc vào k theo hàm parabol, các trạng
thái phân bố gần như liên tục; d- mật độ trạng thái g

3d
(E) đối với electron tự do
trong hệ 3 chiều tỷ lệ với căn bậc hai của năng lượng E
1/2
.
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 12
Vật rắn khối được coi như là một tinh thể vô hạn theo cả ba chiều x, y, z. Mỗi
trạng thái electron với vectơ sóng được biểu diễn bằng một điểm trong không gian.
Đối với vật rắn khối, năng lượng của electron tự do phụ thuộc vào k theo hàm
parabol, các trạng thái phân bố gần như liên tục. Mật độ trạng thái đối với electron
tự do trong hệ ba chiều tỷ lệ với căn bậc hai của năng lượng.
Trong mô hình này, chuyển động của các electron được mô tả bằng tổ hợp
tuyến tính của các sóng phẳng có bước sóng λ nhỏ hơn kích thước của vật rắn.
Hàm sóng của electron phải thỏa mãn điều kiện:
ψ(x, y, z) = ψ(x + L
x
, y, z)
ψ(x, y, z) = ψ(x,y + L
y
, Z)
ψ(x, y, z) = ψ(x, y, z + L
z
)
Nghiệm của phương trình Schorodinger là tích của ba hàm sóng độc lập.
1.2.3.2 Hệ hai chiều (Vật liệu màng)
Hình 1.4: Mô hình “hạt trong hộp thế” đối với electron tự do theo phương
z.Chuyển động của các electron tự do theo phương z bị giới hạn trong hộp thế có
chiều dài L
z

Khảo sát một vật rắn có kích thước rất lớn theo các phương x,y nhưng kích
thước (chiều dày) của nó theo phương z chỉ cỡ vài nanomét. Như vậy, 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 (hình 1.4). Hệ như vậy tạo thành hệ electron hai
chiều.
1.2.3.3 Hệ một chiều (Dây lượng tử)
Xét trường hợp trong đó kích thước của vật rắn theo phương y và phương z
co lại còn vài nanomet. Khi đó, các electron chỉ có thể chuyển động tự do theo
phương x, còn chuyển động của chúng theo các phương y, z bị giới hạn bởi các
mặt biên (hình1.5).
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 13
Hình 1.5: Electron trong hệ 1 chiều: a-vật rắn 1 chiều; b-các trạng thái
được phép của electron trong vật dẫn được mô tả như quãng đường song song với
trục k
x
trong không gian k 3 chiều; c-phân bố trạng thái theo một đường liên tục,
các đường còn lại là gián đoạn; d-mật độ trạng thái g
1d
(E) trong phạm vi một
đường dọc theo trục k
x
tỷ lệ với E
-1/2
.
Các trạng thái được phép của electron trong vật rắn được mô tả như những
đường thẳng song song với trục k
x
trong không gian ba chiều. Trong phạm vi một
chiều, phân bố trạng thái là liên tục. Tuy nhiên, sự phân bố các chiều còn lại có

tính chất gián đoạn, bởi vì dọc theo trục k
y
và k
z
chỉ tồn tại các giá trị năng lượng
gián đoạn.
Một hệ như thế được gọi là dây lượng tử hay hệ electron một chiều. Trong hệ
này, các hạt tải điện có thể chuyển động chỉ theo một chiều và chiếm các trạng thái
lượng tử hóa ở hai chiều còn lại.
1.2.3.4 Hệ không chiều (chấm lượng tử)
Khi các hạt điện tử và các trạng thái kích thích bị giam giữ trong cả ba chiều
thì hệ được gọi là một chấm lượng tử (hình 1.6a).
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 14
Hình 1.6; Vật rắn 0 chiều: a-vật rắn co lại cả 3 chiều; b-tất cả các trạng thái
đều gián đoạn, hiệu ứng giam giữ lượng tử xuất hiện; c-chỉ có các mức năng
lượng gián đoạn là được phép; d-mật độ trạng thái g
0d
(E).
Vật rắn bị co lại trong cả ba chiều đến kích thước vào cỡ bước sóng De
Broglie của hạt tải điện. Vì hiệu ứng giam giữ nên tất cả các trạng thái đều là gián
đoạn và được biểu diễn bằng các điểm trong không gian ba chiều. Chỉ có mức năng
lượng gián đoạn là được phép.Mật độ trạng thái g
0d
(E) dọc theo một chiều là các
hàm δ tương ứng với những trạng thái riêng biệt.
Trong một chấm lượng tử, chuyển động của các electron bị giới hạn trong cả
ba chiều vì thế không gian k chỉ tồn tại các trạng thái gián đoạn là (k
x
, k

y
, k
z
). Mỗi
trạng thái không gian k có thể biểu diễn bằng một điểm (hình 1.6 b). Như vậy, chỉ
có các mức năng lượng gián đoạn là được phép (hình1.6 c). Các mức năng lượng
này có thể biểu diễn như ở các đỉnh δ trong hàm phân bố một chiều đối với mật độ
trạng thái g
0d
(E) (hình 1.6 d). Chúng ta thấy, các vùng năng lượng hội tụ về các
mức năng lượng giống như trong nguyên tử. Sự biến đổi này đặc biệt lớn tại các
vùng năng lượng, do đó ảnh hưởng đến chất bán dẫn nhiều hơn các kim loại. Trong
các chất bán dẫn, các tính chất electron trên thực tế liên quan mật thiết với các
chuyển dời giữa bờ vùng hóa trị và bờ vùng dẫn. Ngoài tính chất gián đoạn của các
mức năng lượng còn cần phải nhấn mạnh đến sự tồn tại của các mức năng lượng
điểm 0 (zero-point energy). Trong chấm lượng tử ngay cả trong trạng thái cơ bản
các electron cũng có năng lượng lớn hơn năng lượng của các electron tại bờ vùng
dẫn trong vật liệu khối.
1.2.4 Cấu trúc vùng năng lượng trong chấm lượng tử
Chúng ta đã thấy được rằng, các tính chất của khí electron tự do thay đổi khi
kích thước vật rắn giảm xuống. Mô hình khí electron tự do mô tả khá tốt tính chất
của electron trong vùng dẫn của kim loại, nhưng không mô tả được tính chất của
electron trong chất điện môi, bán dẫn. Để có thể áp dụng mô hình electron tự do
cho chất bán dẫn, người ta đưa ra khái niệm lỗ trống. Khi một electron từ vùng hóa
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 15
trị bị kích thích lên vùng dẫn thì tập hợp các electron trong vùng hóa trị với một
trạng thái electron bị trống được coi là tương đương với một hạt tải điện dương gọi
là lỗ trống. Một số tính chất cơ bản của chất bán dẫn được mô tả bằng mô hình
electron tự do và các lỗ trống nằm cách nhau một khe vùng được gọi là vùng cấm.

Trong phép gần đúng bậc một, hệ thức tán sắc năng lượng tức là hàm mô tả sự phụ
thuộc của năng lượng vào véctơ sóng E(k) đối với electron và lỗ trống đều có dạng
parabol. Phép gần đúng này chỉ thỏa mãn đối với các electron chiếm các mức ở
đáy vùng dẫn và các lỗ trống chiếm các ở đỉnh vùng hóa trị. Mỗi parabol mô tả một
tập hợp liên tục các trạng thái electron hoặc trạng thái lỗ trống dọc theo một
phương cho trước trong không gian k. Vùng năng lượng trống thấp nhất và vùng
năng lượng đầy cao nhất cách nhau một vùng cấm E
g
(hình 1.7). Vùng cấm của bán
dẫn khối có giá trị biến đổi từ vài phần eV đến vài eV.
Hình 1.7 : Sơ đồ năng lượng của bán dẫn khối và của chấm lượng tử
Trong chấm lượng tử chỉ tồn tại các mức năng lượng gián nên các vùng
parabol trong bán dẫn khối bị vỡ thành một tập hợp các điểm. Các mức năng lượng
của chấm lượng tử có thể được đánh giá theo mô hình hạt trong hộp thế.
Năng lượng thấp nhất của electron trong giếng thế một chiều là:
trong đó: L là độ rộng giếng thế.
Trong chấm lượng tử, hệ được mô tả bằng một giếng thế 3 chiều vô hạn: thế
năng bằng 0 tại mọi điểm bên trong giếng thế, nhưng bằng ∞ tại các thành của
giếng thế. Giếng thế được mô tả như trên gọi là hộp thế. Trường hợp đơn giản nhất
của hộp thế ba chiều là một hình cầu hoặc một hình lập phương. Nếu hộp thế có
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 16
dạng hình lập phương cạnh L , thì phương trình Schrodinger đối với một trong ba
bậc tự do tịnh tiến có thể giải thích một cách độc lập với nhau, và khi đó năng
lượng điểm không toàn phần sẽ đơn giản bằng cách tổng năng lượng điểm không
ứng với từng bậc tự do:
Nếu hộp thế có dạng cầu, đường kính L, thì phương trình Schrodinger có thể
giải bằng cách sử dụng tọa độ cầu và tách phương trình thành hai phần: phần
xuyên tâm và phần chứa xung lượng. Khi đó mức năng lượng thấp nhất ứng với
xung lượng bằng 0:

Hiệu ứng giam giữ lượng tử trở nên đáng kể. Do đó, các hạt tải điện bị giam
giữ càng mạnh, dẫn đến khoảng cách giữa các mức năng lượng riêng biệt, cũng
như giá trị năng lượng của điểm không càng lớn. Các hạt tải điện giam giữ trong
khối hình cầu có đường kính L có năng lượng điểm không cao hơn trong trường
hợp hạt tải điện bị giam giữ trong hình lập phương cạnh L, nghĩa là:
Do đó, thể tích hình cầu
π
3
6
L
nhỏ hơn thể tích hình lập phương L
3
.
Một cặp electron và lỗ trống (e/h) liên kết có thể được tạo ra trong chấm
lượng tử bằng các quá trình kích thích. Năng lượng tối thiểu E
g
là năng lượng cần
thiết để tạo ra cặp e/h trong một chấm lượng tử.
Trong số các đóng góp để tạo ra cặp e/h thì đóng góp thứ nhất là năng lượng
cần thiết để vượt qua vùng cấm của vật liệu khối E
g
(b). Đóng góp quan trọng thứ
hai là năng lượng giam giữ các hạt tải điện (electron và lỗ trống):
E
W
= E
W
(e
-
) + E

W
(h
+
) (1.5)
Đối với hạt lớn (vật liệu khối L→∞, E
w
→0.
Năng lượng của một cặp e/h trong một chấm lượng tử hình cầu chính là năng
lượng thấp nhất hay năng lượng điểm không trong giếng thế:
Trong đó, m
*
là khối lượng rút gọn của cặp e/h:
Với m
e
*
, m
h
*
lần lượt là khối lượng hiệu dụng của electron và lỗ trống.
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 17
Đóng góp thứ ba là năng lượng tương tác Coulomb (E
c
) giữa electron và lỗ
trống. Độ lớn của E
c
phụ thuộc vào lực hút giữa e/h và hiệu ứng che chắn các hạt tải
điện bởi tinh thể (phụ thuộc vào hằng số điện môi của chất bán dẫn):
Như vậy, vùng cấm của chấm lượng tử hình cầu có dạng:
Từ (1.6), (1.8) và (1.9) , suy ra:

Đây là phép tính gần đúng bậc một, vùng cấm của chấm lượng tử E
g
(d) có
chứa hai số hạng phụ thuộc vào kích thước L. Đó là năng lượng giam giữ E
w
tỷ lệ
nghịch với L
2
và năng lượng Coulomb (E
c
) tỷ lệ nghịch với L. Ngoài ra, năng
lượng giam giữ E
w
là số hạng mang dấu dương (+), do đó ngay cả khi năng lượng
của trạng thái thấp nhất thì trong chấm lượng tử năng lượng luôn tăng cao so với
trường hợp bán dẫn khối. Ngược lại, tương tác Coulomb trong cặp e/h luôn là
tương tác hút (E
c
mang dấu âm (-)). Do đó, sẽ làm giảm năng lượng tạo thành cặp
e/h. Vì sự phụ thuộc
2
1
L
, nên các chấm lượng tử có kích thước rất nhỏ, hiệu ứng
giam giữ lượng tử chiếm ưu thế.
Hình 1.8 : Sự phụ thuộc kích thước của độ rộng vùng cấm E
g
(d) của chấm
lượng tử CdSe với đường kính hạt L.
Từ hình trên ta thấy sự phụ thuộc kích thước của độ rộng vùng cấm của chấm

lượng tử CdSe vào đường kính hạt L. Sự phụ thuộc kích thước của năng lượng vùng
cấm đã trở thành công cụ hữu hiệu để chế tạo các vật liệu mới với tính chất quang
mong muốn.
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 18
Hiệu ứng kích thước lượng tử biểu hiện rất rõ ràng trong phổ hấp thụ và huỳnh
quang của chấm lượng tử. Bờ hấp thu và đỉnh phổ huỳnh quang dịch về phía năng
lượng cao khi kích thước của chấm lượng tử giảm. Hiện tượng này được gọi là hiện
tượng “dịch chuyển về phía xanh” (blue shift).
1.2.5 Các tính chất đặc trưng của chấm lượng tử
1.2.5.1 Hiệu ứng giam giữ lượng tử:
Đây là một đặc trưng quan trọng của chấm lượng tử. Khi một electron ở vùng
hóa trị được kích thích lên vùng dẫn, khoảng cách giữa hai mức năng lượng được
định nghĩa là bán kính kích thích Bohr. Đây là đại lượng đặc trưng cho từng vật
liệu khác nhau (bảng 1.1). Sự giam hãm lượng tử tức là khi electron và lỗ trống
trong một chất bán dẫn bị giam hãm ở một hay nhiều chiều khác nhau. Một chấm
lượng tử thì bị giam hãm ở tất cả ba chiều không gian. Sự giam hãm lượng tử xảy ra
khi một hay nhiều chiều của tinh thể nano có kích thước quá nhỏ, tương đương với
bán kính kích thích Bohr của nó. Một chấm lượng tử có cấu trúc ở tất cả các chiều
đều gần bán kính kích thích Bohr, đó là cấu trúc hình cầu nano chuẩn. 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
xuống[18,27,32].
Vật liệu E
g
(eV)
λ(nm)
a
B

(nm) E
b
(meV)
CdS 2.42 512 2.8 29
CdSe 1.74 712 5.6 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
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 19
Bảng 1.1: Thông số bán kính Borh của một số chất bán dẫn
1.2.5.2 Sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm vào kích thước và cấu trúc:
Do mỗi chấm lượng tử có kích thước nhỏ, mỗi electron hay nguyên tử chiếm
một mức năng lượng khác nhau và biên vùng cấm không liên tục vì thế vùng cấm
không bền, dễ bị thay đổi khi ta thay đổi thành phần cấu trúc cũng như kích thước
của chấm lượng tử.
Hình 1.9 : Sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm vào kích thước và thành phần cấu
trúc hạt.
Hình 1.9A là hệ CdSe với các kích thước khác nhau, còn hình B là sự phát xạ huỳnh
quang khác nhau ứng với các năng lượng vùng cấm khác nhau khi thay đổi thành
phần Se và Te trong cấu trúc.
1.2.5.3 Hiệu ứng bề mặt[12]
Cấu trúc nano có kích thước rất nhỏ nên chúng có thể sắp xếp “cô đọng” gắn
kết rất đông đặc, không có các vi lỗ xốp. Sự cô đọng này rất có lợi cho việc tăng tốc
độ truyền tải thông tin nhưng đồng thời làm cho hiệu ứng bề mặt trở nên phức tạp.
Tính chất đặc biệt này là nguyên nhân của tương tác điện từ giữa các hạt qua các
lớp bề mặt.
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 20

Một trong các bài toán bề mặt quan trọng là tương tác giữa bề mặt và đế mà
trên đó có cấu trúc nano. Bề mặt đế thường có độ gồ ghề nhất định nên các nguyên
tử hấp thụ trên bề mặt sẽ di động tớivị trí có thế năng thấp nhất. Tính chất này sẽ
ảnh hưởng đến việc sắp xếp các nguyên tử trên đế theo một cấu trúc nano định
trước. Những tính chất bề mặt này làm cho việc lắp ghép các cấu trúc nano trở nên
phức tạp có thể dẫn đến các tính chất hoàn toàn mới của cấu trúc đó.
Hiệu ứng bề mặt có tầm quan trọng đặc biệt đối với hóa học. Năng lượng và
hình thái bề mặt quyết định khả năng phản ứng bề mặt, diện tích bề mặt cũng ảnh
hưởng đến tính chất hóa học của chúng.
1.2.5.4 Khả năng lai ghép phân tử
Đa số các thành phần cấu tạo của chấm lượng tử đều có sự tham gia của
nguyên tố chuyển tiếp, nên khả năng hình thành phức phối trí cũng là một đặc trưng
của chấm lượng tử. Khi ta tổng hợp chấm lượng tử bằng phương pháp hệ keo, các
tinh thể nano tạo thành có độ linh động cao và có khả năng đính vào các phân tử
khác qua liên kết kiểu kim loại với nhóm chức đóng vai trò phối tử. Những nhóm
chức như thiol, amine, nitrile, phosphine, carboxylic hay các ligand khác đều có thể
tạo liên kết phức chất tốt với các nguyên tử kim loại cấu thành chấm lượng tử. Bằng
liên kết hợp lý trên bề mặt, chấm lượng tử có thể khuếch tán hay hòa tan vào các
dung môi hay trộn chung với các màng vô cơ hay hữu cơ. Qua đó cho phép ta có
thể thay đổi tính chất quang và điện của hệ chấm lượng tử. Các lớp vỏ tạo ra tùy
mục đích sử dụng, tùy tính chất muốn nâng cao, nhưng chủ yếu là bảo vệ nhân
chấm lượng tử, gia tăng hiệu suất lượng tử. Lớp vỏ bên ngoài thường là một lớp vô
cơ. Với lớp vỏ này, các chấm lượng tử tăng khả năng hấp thụ quang học, làm cho
vật liệu sáng hơn, giảm thiểu khả năng tái ghép cặp e/h. Có thể giải thích tác dụng
của lớp vỏ phủ vô cơ lên nhân chấm lượng tử như sau: Nếu chỉ là nhân chấm lượng
tử thì trên bề mặt sẽ có các electron tự do, ngoài ra còn có các khuyết tật tinh thể, có
thể làm giảm hiệu suất lượng tử. Nếu phủ lên bề mặt một lớp vỏ vô cơ, các electron
trên bề mặt sẽ đi vào những liên kết, ngoài ra các ảnh hưởng của khuyết tật tinh thể
cũng được trung hòa.
Huỳnh Lê Thùy Trang

Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 21
1.3 Các phương pháp tổng hợp nano bán dẫn[1]
1.3.1 Các phương pháp vật lý
1.3.1.1 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.
1.3.1.2 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).
1.3.1.3 Phương pháp ăn mòn điện hóa: Phương pháp này tạo ra vật liệu bán dẫn
(như CdS) có cấu trúc tổ ong, kích thước nano, do vậy diện tích bề mặt lớn.
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.

Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 22
1.3.2.1 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.
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 1.11) 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 (1.11)
 Phản ứng ngưng tụ (phản ứng 1.13) 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 (1.12)
• 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 (1.13)
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.
1.3.2.2 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
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 23
trong phải 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.
1.3.2.3 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 24
Cd
2+
S
2-
Cd
2+
S
2-
CdS
CdS
+
+
thiol
= Agent de surface
1-10nm
cluster
propagation
Précipitation
CdS
Hình 1.10: Dùng hợp chất hữu cơ thiol làm tác nhân ngăn chặn bề mặt
CHƯƠNG II: PIN MẶT TRỜI (PMT)
Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày một số tổng quan về pin mặt trời
hiện nay và nhấn mạnh về pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang.

2.1 Nguyên lý hoạt động và các thông số đặc trưng của PMT[3,13]:
2.1.1 Nguyên lý hoạt động của PMT
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.
Nguyên tắc hoạt động của PMT có thể khác nhau tùy loại và ứng dụng, tuy
nhiên đều phải đảm bảo thực hiện được hai công đoạn: một là, hấp thụ photon từ
ánh sáng kích thích và chuyển thành cặp e/h (hay exciton); hai là phân tách cặp điện
tử lỗ trống và chuyển các điện tích này về các điện cực tương ứng để dẫn ra mạch
ngoài.
Khi không chiếu sáng SC giống như một diode, bản thân nó có một điện
trường nội E
bi
hướng từ n sang p sinh ra do sự cân bằng mức Fermi ở hai lớp p-n,
trường hợp này không có dòng điện nào sinh ra.
Khi chiếu bức xạ điện từ có năng lượng thích hợp vào SC (photon có tần số
lớn hơn hoặc bằng tần số ngưỡng của vật liệu làm SC) sẽ kích thích các electron
chuyển lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống ở vùng hóa trị, hiện tượng này gọi là
“quang sinh”. Các lỗ trống (hạt tải thiểu số) sinh ra ở lớp n sẽ có nồng độ tăng lên
đáng kể và sẽ bị cuốn sang lớp p và ngược lại các electron (hạt tải thiểu số) sinh ra
ở lớp p có nồng độ tăng lên đáng kể sẽ bị cuốn sang lớp n do điện trường nội E
bi
,.
Như vậy, dòng bên trong SC là dòng chuyển dời của những hạt tải thiểu số qua lớp
Huỳnh Lê Thùy Trang
Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý 25
chuyển tiếp được tách rời bởi điện trường nội sinh ra do lớp chuyển tiếp p-n. Sau
một thời gian, các electron sẽ tích tụ về phía n và các lỗ trống sẽ tích tụ về phía p
ngày càng nhiều, lúc này ta áp vào SC một mạch tải thì một dòng điện sẽ được tạo
ra do sự tái hợp electron và lỗ trống thông qua mạch tải, SC lúc này trở thành một

nguồn điện một chiều gần giống như pin và ắc quy.Tuy nhiên, SC là một nguồn
dòng còn pin, ắc quy là những nguồn thế.
2.1.2 Các thông số đặc trưng của SC
2.1.2.1 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 (2.1), 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.
2.1.2.2 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:
Huỳnh Lê Thùy Trang