TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN CỦA PIN MẶT TRỜI CHẤM LƯỢNG TỬ -CHẤT MÀU NHẠY QUANG (QDS-DSC)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG
ĐIỆN CỦA PIN MẶT TRỜI CHẤM LƯỢNG TỬ
-CHẤT MÀU NHẠY QUANG (QDS-DSC)
Học viên: Huỳnh Lê Thùy Trang
CBHD: TS. Lâm Quang Vinh
PGS. TS. Dương Ái Phương


I. GIỚI THIỆU
II.LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
III.KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
1. CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe
2. MÀNG TiO2 –CdSe (Anode)
3. GHÉP VÀ ĐO TÍNH NĂNG PIN
IV. KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN


I. GIỚI THIỆU Pin mặt trời chất màu nhạy
quang(DSC) (P.TN Hóa Lý Trường
ĐH KHTN TP HCM)
Hạn chế:
_Hiệu suất chưa cao (6-7%)
_Độ bền kém (do kém chịu nhiệt)…
Thay thế chất nhạy quang bằng chấm lượng tử

Nguyên lý hoạt động:
Chất màu nhạy quang nhận
ánh sáng kích thích:

S + hυ → S*
S* → S + e (đến lớp TiO2) Chu trình
chuyển điện
2e + I-3 → 3Itích tuần hồn
của pin
3I- +2S+→ 2S + I-3
+

Chọn chấm lượng tử CdSe vì:
_Dễ tổng hợp và điều khiển kích thước hạt
_Độ rộng vùng cấm CdSe (vật liệu
khối)1.74eV tương đương 720 nm và bán kính
Bohr khá lớn là 5,4 nm có hiệu ứng giam cầm
lượng tử mạnh
Dễ dàng khảo sát tính chất quang đồng thời có
thể hấp thụ tồn bộ vùng khả kiến của ánh sáng
mặt trời


MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
☻Tổng hợp thành công và nghiên cứu tính chất quang chấm lượng
tử CdSe.

☻Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của màng TiO2 –CdSe
(anode quang)
☻Ghép pin và đo đặc trưng dòng, thế của pin.


II. LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

Hiệu ứng suy giảm lượng tử

Vật liệu

Eg(eV)

λ(nm)

aB (nm)

Eb(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

Bán kính Bohr của một số chất bán dẫn

Theo lý thuyết của Kayanuma, trong vùng
suy giảm lượng tử mạnh (R< 2aB), ta có thể
tính kích thước hạt:


1. Kết quả và thảo luận về chấm lượng tử CdSe
III. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Quy trình tổng hợp chấm lượng tử CdSe
Phương pháp liên kết bề mặt

Cần tối ưu hóa các thơng số

Tỷ lệ phản ứng Cd/Se

Tỷ lệ chất bao


1. Kết quả và thảo luận về chấm lượng tử CdSe
Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ chất bao
M=Mercaptoethanol/Sodium selenite
pentahydrate

Tỷ lệ chất bao phải được chọn sao cho
đủ lớn để ngăn chặn sự phát triển rất
nhanh của các hạt nano.

M=6

M = 14

Phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch nano CdSe

Tỉ lệ M

M=6

M=8

M=10

M=12

M=14

λ (nm)

464

445

441

421

384

Eg(d)(eV)

2.67

2.79

2.81

2.95

3.23

R(nm)

1.77

1.67

1.65

1.56

1.41

Nhận xét:
-Tỷ lệ M tăng
kích thước hạt giảm,
đỉnh hấp thụ dịch về phía xanh (độ rộng
vùng cấm tăng)
Hiệu ứng suy giảm
lượng tử

Thay đổi tỷ lệ chất bao để đạt kích thước mong muốn
Chọn tỷ lệ M≥6


1. Kết quả và thảo luận về chấm lượng tử CdSe
Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ R(Cd/Se)

-Kích thước hạt tăng theo tỷ lệ phản
ứng giữa Cd2+ và Se2-Độ rộng vùng cấm bị mở rộng hơn

so với vật liệu khối (1.74eV)
Hiệu ứng suy giảm lượng tử

Phổ hấp thụ UV-Vis của dung dịch nano CdSe
Tỉ số R

R=2

R=3

R=4

R=5

R=6

R=8

R=10

R=12

λ(nm)

362

383

440

444

446

454

474

485

Eg(d)(eV)

3.43

3.24

2.82

2.79

2.78

2.73

2.62

2.56

R(nm)

1.32

1.28

1.65

1.67

1.68

1.72

1.82

1.89

Kết luận: Từ phổ UV-Vis bước
đầu khẳng định sự hình thành
chấm lượng tử CdSe.
-Điều khiển tỷ lệ chất bao và tỷ
lệ Cd/Se để đạt kích thước
mong muốn.


1. Kết quả và thảo luận về chấm lượng tử CdSe
Phổ quang phát quang (PL)

☻Kích thước hạt giảm (ứng với tỷ lệ
chất bao M tăng) , các đỉnh phát quang
dịch về phía xanh do hiệu ứng suy

giảm lượng tử.
☻Vạch phổ mở rộng và bị dịch chuyển
Stokes khá lớn so với phổ hấp thụ 0.95
eV. Do sự xuất hiện của những mức năng
lượng bẫy bề mặt.
Phổ hấp thụ và phổ quang phát quang của các
dung dịch CdSe cùng tỷ lệ R(Cd/Se) , khác
nhau về tỷ lệ chất baoM


1. Kết quả và thảo luận về chấm lượng tử CdSe
Phổ XRD của mẫu bột CdSe nung trong khơng khí

Phổ Raman của mẫu bột CdSe

Cơng thức Scherrer:
Nhiệt độ
nung

Có sự dịch chuyển các đỉnh
KẾT LUẬN:
dao động quang 1LO và 2LO
Δ(2θ)
Vị trí Kích
CHẤM LƯỢNG TỬ CdSe ĐÃ HÌNHvới vật liệu khối (1LO ở
so THÀNH

(độ)

góc 2θ thước

(độ)

hạt (nm)

Sấy 1000C

2.30

26.03

3.55

Nung 2000C

1.64

25.85

5.00

Nung 3000C

0.52

25.84

15.67

Nung 4500C

0.29

26.12

28.12

210cm-1 và 2LO ở 413cm-1
♪ Hạt nano CdSe tồn tại ở pha cấu trúc lập phương
và với sự thay đổi nhiệt độ nó sẽ chuyển dần sang
cấu trúc pha dạng wurtzite.
♪ Kích thước hạt tăng dần theo nhiệt độ cũng như
theo pha cấu trúc tinh thể.


1. Kết quả và thảo luận về chấm lượng tử CdSe
Ảnh TEM của mẫu bột CdSe

Hạt dạng hình cầu,
kích thước 3nm phù
hợp với tính tốn lý
thuyết từ phổ UV-Vis
và phổ XRD


2. Kết quả và thảo luận: màng TiO2 –CdSe (anode quang)
Quy trình chế tạo
Xử lý sạch

Xử lý
nhiệt

Xử lý
nhiệt

Anode

in lụa
keo TiO2
Phương pháp in lụa

Ngâm trong
dd nano CdSe
Hệ keo TiO2 được cung cấp bởi phịng thí
nghiệm điện hóa trường đại học Khoa Học Tự
Nhiên TP Hồ Chí Minh được chế tạo bằng
phương pháp sol-gel và thủy nhiệt với cấu trúc
lỗ xốp, kích thước 20nm

Nguyên lý : hình ảnh cần in được khắc trên lụa theo nguyên tắc
phần hình ảnh cần in được để trống, phần còn lại được phủ keo
PVA. Khi in, keo in lụa TiO2 sẽ đi xuyên qua lưới ở phần trống
tạo hình trực tiếp lên vật liệu cần in


2. Kết quả và thảo luận: màng TiO2 -CdSe

Phổ hấp thụ UV-Vis của màng TiO2-CdSe
theo thời gian ngâm
☻Bờ hấp thụ của màng TiO2 phủ CdSe mở
rộng so với bờ hấp thụ của màng TiO2

☻Thời gian ngâm 20h, màng có độ hấp
thụ cao nhất

Phổ hấp thụ UV-Vis của màng TiO2CdSe xử lý nhiệt ở các nhiệt độ khác
nhau trong môi trường chân không
♠ Xử lý nhiệt độ càng cao bờ hấp thụ càng
mở rộng về phía đỏ do kích thước hạt tăng
theo nhiệt độ

Bước đầu cho thấy chấm lượng tử CdSe đã hấp thụ lên TiO 2
Quá trình xử lý nhiệt làm bờ hấp thụ mở rộng hơn, hấp thụ
toàn bộ vùng ánh sáng khả kiến


2. Kết quả và thảo luận: màng TiO2 -CdSe

Hình thái học bề mặt của màng
Ảnh FE-SEM của màng TiO2 /thủy tinh

Ảnh FE-SEM của màng TiO2 -CdSe/thủy tinh

☻Bề mặt TiO2 có cấu trúc xốp, kích thước hạt tương đối đồng
đều.
☻Màng TiO2–CdSe hình thái bề mặt có sự khác biệt so với màng
TiO2  Chứng tỏ CdSe đã hấp thụ lên màng TiO2


2. Kết quả và thảo luận: màng TiO2 -CdSe
Phổ XRD của màng TiO2 –CdSe xử lý 3000C
trong chân không

Phổ Raman của màng TiO2-CdSe

♠Xuất hiện các đỉnh đặc trưng cho mode dao
động của tinh thể TiO2 cấu trúc pha anatase và
các mode dao động 1LO (205 cm-1) và 2LO
(410cm-1) của tinh thể CdSe. ♠Mẫu xử lý
3000C có đỉnh ở 280 cm-1do dao động của các
phối tử của CdSxSe1-x
Chứng tỏ CdSe đã được gắn lên TiO2

♣ Có các đỉnh nhiễu xạ tương ứng pha
anatase của tinh thể TiO2
♣ Các đỉnh nhiễu xạ của tinh thể CdSe pha
cấu trúc dạng lập phương (zinc blende) với
các mặt mạng (111), (220), (311)


2.Kết quả và thảo luận màng TiO2 –CdSe (anode quang)

Quá trình “bơm” điện tử từ CdSe sang TiO2

☻ Khi khơng có mặt TiO2:
CdSe + hυ → CdSe(h+ + e-).
CdSe(h+ + e-) → CdSe + hυ’
☻ Có mặt TiO2 cường độ phát quang giảm mạnh
do:
CdSe (h+ + e-) + TiO2 → CdSe(h+) + TiO2(e-).
Cuối cùng tái hợp với lỗ trống của TiO2 hoặc bị
bẫy trong các khuyết tật điện tử thông qua dịch

chuyển không phát xạ.

Phổ quang phát quang của màng TiO2 -CdSe

Điện tử dịch chuyển thành công từ
CdSe sang TiO2
Kết quả này cũng phù hợp với một
số tác giả như: nhóm tác giả
Anusorn , Ấn Độ (2008)[6]; hoặc
nhóm tác giả Liping Liu, ĐH
California (2009) [29]


2. Kết quả và thảo luận màng TiO2 –CdSe (anode quang)

KẾT LUẬN VỀ MÀNG TiO2 -CdSe
♣ Bằng phương pháp ngâm trực tiếp màng TiO2 trong dd nano CdSe 20h cho thấy
chấm lượng tử CdSe đã gắn kết được với mạng lưới của TiO2

♣ Quá trình xử lý nhiệt làm bờ hấp thụ dịch về phía đỏ, hấp thu tồn bộ vùng
ánh sáng khả kiến

♣Chấm lượng tử sau khi hấp thụ ánh sáng đã bơm điện tử thành công qua TiO 2


3. Kết quả và thảo luận : Pin mặt trời chấm lượng tử CdSe nhạy quang
Hệ máy Keithley đo hiệu suất pin
Việc xử lý nhiệt độ anode TiO2-CdSe giá trị
dòng ngắn mạch và thế mạch hở cao hơn ở
2000C, còn ở 3000C lại giảm đi nhiều. Tính

năng chuyển đổi thành dịng của PMT chúng
tơi chế tạo khơng cao
Ngun nhân:
♫ Phản ứng tạo dòng tối cao
♫ Các tác nhân hữu cơ vẫn còn bám trên
bề mặt làm điện trở tăng cao cản trở
dịng điện.
Đường đặc trưng I-V
Pin

ISC (mA/cm-1)

VOC (V)

TiO2-CdSe

0.05

0.58

TiO2-CdSe(2000C)

0.12

0.40

TiO2-CdSe(3000C)

0.04

0.23

♫ Cơng nghệ chế tạo dựa trên nguyên
liệu tự sản xuất, chưa hoàn chỉnh thơng
số, khơng có phịng sạch ….
PMT của chúng tơi vẫn có
nhiều tiềm năng phát triển


KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
☻Chúng tôi đã chế tạo thành công chấm lượng tử CdSe bằng phương pháp
colloide và điều khiển kích thước hạt theo nồng độ chất bao và tỷ lệ Cd/Se
☻Đã chế tạo thành công màng TiO2 bằng phương pháp in lụa và màng TiO2-CdSe
bằng phương pháp ngâm trong dung dịch nano CdSe .Khảo sát các tính chất của màng,
cho thấy có sự hấp thụ của CdSe lên TiO2, khẳng định được q trình chuyển điện tích
từ vùng dẫn CdSe sang vùng dẫn TiO2, điều này rất quan trọng trong việc ứng dụng
làm pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang .
☻ Chúng tôi đã tạo pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang và đo tính năng của pin.

Định hướng phát triển:
♣Khảo sát các phương pháp hữu hiệu hơn để có thể hấp thụ chấm lượng tử CdSe lên màng TiO2 .
♣Khảo sát ảnh hưởng của kích thước, nhiệt độ xử lý chất nhạy quang-chấm lượng tử CdSe lên
hiệu suất chuyển đổi của pin.
♣Có thể kết hợp nhiều lớp chấm lượng tử như CdS, CdSe, ZnS hoặc chất nhuộm để cải thiện
hiệu suất chuyển đổi.