TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ: KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA CẤU TRÚC ZnO NANOROD PHA TẠP Al ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
------------

TRẦN THỊ MÙI

KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA CẤU
TRÚC ZnO NANOROD PHA TẠP Al ỨNG
DỤNG TRONG CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI

Chuyên ngành: VẬT LÍ CHẤT RẮN
Mã số: 60.44.01.04

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

HÀ NỘI, NĂM 2016


CÔNG TRÌNH LIÊN
ĐẾNhoàn
LUẬNthành
VĂN tại
LuậnQUAN
văn được
Trường Đại học sư phạm Hà Nội
Nguyen Dinh Lam, Le Thuy Trang, Nguyen Thi Mui, Pham Van
Vinh, Vuong Van Cuong and Nguyen Van Hung, “Influences of
Sn doping concentration on characteristics of ZnO films for
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN ĐÌNH LÃM
solar cell applications”, JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE,
Mathematical and Physical Sci., 2015, Vol. 60, No. 7, pp. 41-46.

Phản biện 1: TS. Phạm Văn Vĩnh
Phản biện 2: PGS. TS Nguyễn Huy Dân

Luận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ
Tại trường ĐHSP Hà Nội
Vào lúc, ….. giờ, ngày …….tháng 7 năm 2016

Có thể tìm đọc luận văn tại:
- Thư viện khoa Công nghệ thông tin;
- Thư viện trường ĐHSP Hà Nội.

2


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây vật liệu bán dẫn kích thước nano
càng được chú ý đến bởi tính năng nổi trội và khác biệt. Một
trong số đó, ZnO là vật liệu bán dẫn loại n có bề rộng vùng cấm
lớn (3,37 eV) và năng lượng liên kết exciton cao (60 meV). Hiện
nay, màng ZnO đã có nhiều ứng dụng trong việc chế tạo các linh
kiện quang điện tử như pin mặt trời, laser, và đèn LED.
Ngoài ra, vật liệu ZnO còn được chế tạo dưới dạng các cấu
trúc ZnO một chiều như nanorod và nanowire. Các cấu trúc
này có độ dẫn điện tốt vì chất lượng tinh thể cao hơn so với
các cấu trúc dạng màng. Ngoài ra, trong ứng dụng của đèn
LED, cấu trúc ZnO một chiều định hướng vuông góc với bề
mặt đế đóng vai trò như một ống dẫn sóng và làm giảm tán
xạ của ánh sáng tại các cạnh bên và có thể làm tăng hiệu suất
ánh sáng phát xạ mà không cần sử dụng đến các thấu kính
hay gương phản xạ.

Mặc dù các cấu trúc ZnO một chiều chứa đựng nhiều ưu điểm
và có chất lượng tinh thể cao nhưng việc chế tạo các các linh
kiện quang điện tử dựa trên lớp chuyển tiếp đồng thể p-n của
vật liệu bán dẫn ZnO vẫn còn tồn tại nhiều thách thức do bản
chất tự nhiên của ZnO là bán dẫn loại n. Để giải quyết vấn đề
này, một số nghiên cứu đã chế tạo lớp chuyển tiếp dị thể của
các linh kiện quang điện tử bằng việc ghép cặp giữa các cấu

3


trúc ZnO một chiều với các vật liệu khác như p-GaN (LED) và
PbS, PbSe (pin mặt trời). Tuy nhiên, trong ứng dụng chế tạo
đèn LED, hiệu suất phát xạ và công suất ra của đèn LED vẫn
còn thấp. Điều này có thể được giải thích do hiệu suất bơm
hạt tải thấp vì có sự ngăn cản năng lượng lớn tại bề mặt tiếp
xúc. Để giải quyết vấn đề này, cấu trúc ZnO một chiều đã được
pha tạp thêm nguyên tố In. Việc pha tạp này có thể làm thay
đổi cấu trúc tinh thể (bao gồm kích thước, hình thái bề mặt)
và tăng nồng độ hạt tải dẫn đến việc cải thiện tính chất điện
và quang của cấu trúc ZnO một chiều.
Dựa trên cơ sở đó cùng những điều kiện trang thiết bị hiện có
trong phòng thí nghiệm và sự định hướng của thầy hướng
dẫn, em chọn đề tài luận văn tốt nghiệp là:
“Khảo sát một số tính chất của cấu trúc ZnO nanorod
pha tạp Al ứng dụng trong chế tạo pin Mặt Trời ”
Mục đích của luận văn nhằm:
- Chế tạo màng ZnO:Al bằng phương pháp Sol-gel.
- Chế tạo cấu trúc ZnO:Al nanorod bằng phương pháp thủy
nhiệt.

- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ dung dịch thủy
nhiệt đến các tính chất của cấu trúc ZnO:Al nanorod.
- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ tạp chất Al từ 0% đến 3%
lên các cấu trúc, tính chất (tính chất điện và tính chất quang)
của cấu trúc ZnO:Al nanorod.

4


- Tìm hiểu khả năng ứng dụng của cấu trúc ZnO:Al nanorod
trong chế tạo pin mặt trời.
Kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn với các
phần chính:
Chương 1. Tổng quan
Trình bày tính chất cấu trúc của vật liệu ZnO, vật liệu ZnO
nanorod và phương pháp chế tạo cấu trúc ZnO nanorod.
Chương 2. Thực nghiệm
Trình bày các bước tiến hành thực nghiệm:
- Chế tạo lớp mầm ZnO trên đế thủy tinh, p-Si bằng phương pháp
quay phủ.
- Chế tạo cấu trúc ZnO nanorod bằng phương pháp thủy
nhiệt.
Chương 3. Kết quả và thảo luận
Trình bày các kết quả khảo sát và rút ra kết luận.
Kết luận
Tài liệu tham khảo

5

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I. Những đặc trưng cơ bản của vật liệu ZnO
1.Cấu trúc mạng tinh thể ZnO
1.1.Cấu trúc lục giác xếp chặt (Hexagonal wurtzite)
1.2.Cấu trúc lập phương kiểu NaCl
1.3.Cấu trúc lập phương giả kẽm.
2.Tính chất dẫn điện của vật liệu ZnO
Ở nhiệt độ phòng, ZnO tinh khiết được xem như là chất cách
điện. Dưới đáy vùng dẫn tồn tại 2 mức donor cách đáy vùng
dẫn lần lượt là 0,05 eV và 0,15 eV (hình 1.4). Ở nhiệt độ
thường, các electron tự do không đủ năng lượng để di chuyển
lên vùng dẫn, ZnO dẫn điện kém ở nhiệt độ phòng. Tăng nhiệt
độ lên đến khoảng 200 oC– 400oC, các electron nhận được
năng lượng nhiệt đủ lớn, đủ để chúng có thể di chuyển lên
vùng dẫn làm ZnO trở thành chất dẫn điện
3.Tính chất quang của ZnO
ZnO là loại bán dẫn chuyển mức thẳng với độ rộng vùng cấm
khá lớn (3,37eV), tinh thể bất đẳng hướng có một trục quang

6


học và có độ truyền qua cao ( >80%) trong vùng ánh sáng khả
kiến. Nhờ độ truyền qua cao mà ZnO được dùng nhiều trong
màng dẫn điện trong suốt. Độ rộng vùng cấm ảnh hưởng trực
tiếp đến tính chất phát quang và độ hấp thụ quang học
4.Vật liệu ZnO pha tạp Al
Khi vật liệu ZnO được pha tạp Al, mỗi ion Al 3+thay thế vào vị
trí của Zn2+ trong mạng tinh thể ZnO sẽ cho một electron tự
do, làm tăng độ dẫn điện của vật liệu.ZnO : Al trở thành bán

dẫn suy biến loại n có điện trở nhỏ, nồng độ hạt tải lớn.
Sự gia tăng nồng độ hạt tải trong màng ZnO pha tạp Al cũng
liên quan đến việc mở rộng độ rộng vùng cấm, đó chính là
hiệu ứng Moss-Burstein.
II. Những đặc trưng cơ bản của vật liệu ZnO nanorod
1.Cấu trúc hình thái học
Thanh nano ZnO hay còn gọi là ZnO nanorod (ZnO NRs) là vật
liệu có cấu trúc dạng giác trụ đứng về mặt hình thái học, với
kích thước thông thường theo tỉ lệ chiều rộng:chiều dài là 3:5
hoặc 3:7. Tuy nhiên, tỉ lệ sẽ thay đổi theo các ứng dụng khác
nhau của ZnO NRs. ZnO nanowire, nanotube, nanopencel,
nanorod…được coi như cấu trúc không gian 1D.
2.Tính chất điện của ZnO nanorod
Về cơ bản, độ dẫn điện của vật liệu phụ thuộc vào nồng độ và
độ linh động của hạt tải, ngoài ra độ dẫn điện còn phụ thuộc
vào hình thái của vật liệu. Đối với vật liệu một chiều thì điện
tử tự do được sinh ra trong quá trình hấp thụ ánh sáng sẽ di

7


chuyển một chiều theo chiều mở rộng nên mất mát năng
lượng của điện tử bị hạn chế. Điều này sẽ làm cho vật liệu có
hiệu suất lượng tử cao so với vật liệu hai hay ba chiều.
Một lí do làm cho vật liệu một chiều dẫn điện tốt là hiệu ứng
biên, ở tại biên của vật liệu một chiều các nguyên tử sẽ không
được liên kết với các nguyên tử khác một cách đầy đủ với các
nguyên tử lân cận, chỉ liên kết với các nguyên tử bên trong bờ
III. Vật liệu ZnO và ZnO nanorod ứng dụng trong pin mặt
trời và đèn LED

1.Thành phần cấu tạo
1.1.Pin Mặt Trời ứng dụng vật liệu ZnO

Hình 1.1: Cấu trúc của pin mặt trời sử dụng lớp chuyển
tiếp dị thể ZnO.

1.1 Pin Mặt Trời ứng dụng vật liệu ZnO nanorod

8


Hình 1.2. (a) Cấu trúc của pin mặt trời sử dụng lớp
chuyển tiếp dị thể ZnO và PbS quantum dot. (b) Đường
đặc trưng I-V của màng ZnO và cấu trúc ZnO nanowire.
Trong việc ứng dụng chế tạo đèn LED, cấu trúc ZnO nanorod
pha tạp In được chế tạo trên màng p-GaN bằng phương pháp
thủy nhiệt. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng kích thước ( đường
kính và chiều dài) của nanorod và tính chất điện của LED
tăng với sự tăng nồng độ của In. Hay nói cách khác, ZnO
nanorod khi pha In thì có tính chất điện tốt hơn so với không
pha tạp.

9


Hình 1.3: Ảnh SEM của cấu trúc ZnO nanorod pha tạp In
với các nồng độ khác nhau; (a) 0%, (b) 2%, (c) 5%.

Hình 1.4 a) Cấu trúc của đèn LED sử dụng lớp chuyển tiếp
dị thể ZnO và p-GaN. (b) Đường đặc trưng I-V của ZnO

pha tạp và ZnOkhông pha tạp trên đế p-GaN.
Như vậy pin mặt trời sử dụng cấu trúc ZnO nanorod có nhiều
ưu điểm hơn so với việc sử dụng lớp màng ZnO. Hơn nữa việc
pha tạp In vào cấu trúc ZnO nanorod làm tăng tính dẫn điện
của đèn LED. Từ những lí do trên em chọn pha tạp Al vào cấu
trúc ZnO nanorod để khảo sát tính chất quang và tính chất
điện, nhằm ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời
2.Cơ chế hoạt động
3.Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời
IV. Phương pháp chế tạo ZnO nanorod

10


CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM

I.

Chế tạo mẫu
1.Hóa chất - Thiết bị thực nghiệm
Sơ đồ chế tạo lớp mầm ZnO:

Hình 2.1: Sơ đồ chế tạo lớp mầm ZnO
2.1 Chuẩn bị đế

2.2 Chuẩn bị dung dịch
2.3 Phủ màng
2.4 2.4. Xứ lí nhiệt cho màng

11

3.Chế tạo ZnO nanorod trên đế thủy tinh và p-Si bằng
phương pháp thủy nhiệt
Sơ đồ chế tạo cấu trúc ZnO nanorod:

Hình 2.2: Sơ đồ chế tạo cấu trúc ZnO nanorod
III. Các phép đo và phân tích
1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
2. Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
3. Phương pháp khảo sát độ truyền qua quang học bằng
UV-Vis
4. Phương pháp đo điện bằng đồng hồ keithley 2000
ghép nối máy tính

12


CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

I.Kết quả khảo sát lớp mầm ZnO và ZnO:Al trên đế thủy
tinh
1.Ảnh SEM
Hình 3.1 là kết quả chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM
của lớp màng ZnO:Al với nồng độ tạp chất Al từ 0-3% sau khi
ủ ở nhiệt độ 5000C trong không khí, với thời gian ủ nhiệt là 1
giờ. Cho thấy sự khác biệt về hình thái bề mặt màng.

Hình

3.1: Ảnh

SEM

của

màng

ZnO:Al (

0%-3%)

13


2.Giản đồ nhiễu xạ tia X

Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ XRD của màng ZnO:Al( 0%3%)
Giản đồ nhiễu xạ XRD cho thấy màng ZnO:Al có cấu trúc đa
tinh thể, định hướng theo nhiều phương khác nhau. Các đỉnh
nhiễu xạ ứng với các mặt phẳng mạng (100), (002), (101),
(102), (110), (103), (112) có thể quan sát được trên giản đồ.
Do xuất hiện mặt phẳng mạng (002) cho thấy ZnO có cấu trúc
lục giác xếp chặt.
Cường độ đỉnh của các mặt phẳng mạng (002) có các tinh thể
của màng ZnO có một định hướng ưu tiên theo hướng [002]
khi nồng độ pha tạp Al tăng lên. Sự định hướng tinh thể theo
hướng nhất định làm tăng độ xếp chặt của màng, do đó làm
tăng độ linh động của các hạt tải và độ dẫn điện. Tất cả các

14


đỉnh trong phổ XRD là đỉnh nhọn và hẹp, các đỉnh nhiễu xạ
của các tạp chất khác không xuất hiện trong phổ XRD.
3.Độ truyền qua quang học
Kết quả đo độ truyền qua của các màng ZnO với nồng độ pha
tạp Al từ 0 đến 3% trên đế thủy tinh sau khi ủ nhiệt 1 giờ
trong không khí được trình bày trong hình 3.3.

Hình 3.3: (a) Phổ truyền qua của màng ZnO:Al, (b) Độ
truyền qua trung bình của màng ZnO:Al.

15


Hình 3.4: (a) Đồ thị của (αhν)2 của màng ZnO:Al phụ thuộc
vào năng lượng photon, (b) Năng lượng cấm của màng
ZnO:Al phụ thuộc vào nồng độ pha tạp.
Để xác định giá trị vùng năng lượng của màng ta sử dụng
công thức . Trong đó α là hệ số hấp thụ, β là hằng số và hν là
năng lượng photon. Vì ZnO bản chất là một bán dẫn chuyển
dời thẳng nên m được chọn bằng ½ . Các hệ số hấp thụ α
được tính từ phổ truyền qua bằng cách sử dụng phương trình
, trong đó t là độ dày của màng và T là độ truyền qua. Năng
lượng vùng cấm Eg được xác định bằng cách ngoại suy các
vùng tuyến tính của (αhν) 2 so với năng lượng được thể hiện
trong hình vẽ 3.4a và mô tả trong hình 3.4b. Năng lượng vùng
cấm quang học được mở rộng trong khoảng 3,21-3,31 eV khi
nồng độ pha tạp Al được thay đổi từ 0%-3%. Việc mở rộng

vùng năng lượng quang học có thể là do hiệu ứng BursteinMoss.
II. Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của cấu trúc ZnO
nanorod vào nhiệt độ thủy nhiệt
1. Ảnh SEM

16


Hình 3.5. Ảnh SEM của cấu trúc ZnO nanorod khi nhiệt độ
thủy nhiệt thay đổi.
Hình 3.5 cho thấy ZnO nanorod có cấu trúc lục giác được biểu
hiện rõ rệt, hình thành và phát triển tốt trên đế thủy tinh. Tuy
nhiên, ở mỗi nhiệt độ khác nhau thì ZnO NRs có kích thước,
định hướng là khác nhau. Khi nhiệt độ tăng chiều dài của rod
tăng theo.

Hình 3.6 Chiều dài và mật độ của cấu trúc ZnO nanorod
phụ thuộc vào nhiệt độ ủ.
2.Phổ truyền qua quang học

17


Hình 3.7. Phổ truyền qua quang học của cấu trúc ZnO
nanorod phụ thuộc vào nhiệt độ ủ.
II.Sự phụ thuộc của cấu trúc ZnO nanorod vào nồng độ
dung dịch thủy nhiệt
1.Ảnh SEM

Hình 3.8. Ảnh SEM của cấu trúc ZnO nanorod khi nồng độ

dung dịch thủy nhiệt thay đổi.

Hình 3.9: Chiều dài và mật độ cấu trúc ZnO nanorod thay
đổi theo nồng độ dung dịch thủy nhiệt.

18


Hình 3.8 và hình 3.9 cho thấy khi nồng độ dung dịch thủy
nhiệt tăng từ 10 mM đến 30 mM thì đường kính rod tăng,
chiều dài rod tăng và mật độ cấu trúc nanorod được quan sát
ở mẫu thủy nhiệt 20mM là lớn nhất.
2.Phổ truyền qua quang học

Hình 3.10: Phổ truyền qua quang học của cấu trúc ZnO
nanorod thay đổi theo nồng độ dung dịch thủy nhiệt.
IV. Kết quả khảo sát cấu trúc ZnO:Al nanorod
1.Ảnh SEM
Khi tiến hành thủy nhiệt màng ZnO:Al ở 80 oC, thời gian thủy
nhiệt 120 phút, thay đổi nồng độ pha tạp Al từ 0-3%, kích
thước và mật độ của cấu trúc nanorod thay đổi thể hiện ở
hình 3.11.

19


Hình 3.11: Ảnh SEM của các cấu trúc ZnO:Al Hình 3.12
nanorod với các nồng độ Al từ 0% đến 3%. thay đổi
pha tạp A
2.Giản đồ nhiễu xạ tia X

Hình 3.13. Giản đồ nhiễu xạ tia X của cấu trúc ZnO:Al
nanorod (0%-3%)
3.Phổ truyền qua quang học

Hình 3.14. Phổ truyền qua quang học của các cấu trúc
ZnO:Al nanorod.

20


4.Đặc trưng I-V
4.1 Đường đặc trưng I-V của cấu trúc ZnO:Al nanorod trên đế
thủy tinh

Hình 3.15.
(a)Đường đặc trưng I-V của các cấu trúc ZnO nanorod
pha tạp Al 0% đến 3%.
(b) Sự phụ thuộc của điện trở vào nồng độ pha tạp Al lên
cấu trúc ZnO nanorod
Độ dẫn điện của các mẫu được đánh giá thông qua đường đặc
trưng I-V được trình bày trên hình 3.15a. Các điện cực được
chuẩn bị bằng keo bạc. Hình 3.15(a) chỉ ra rằng, các đường
đặc trưng I-V là tuyến tính. Vì vậy, các điện cực thể hiện tính
Ohmic. Kết quả khảo sát hình 3.15b cho thấy, cấu trúc ZnO
pha tạp 1% Al có độ dẫn điện là tốt nhất. Đây là tiền đề cho

21

các khảo sát sâu hơn về đặc trưng I-V, từ đó xác định được
khả năng dẫn điện (thông qua điện trở) của cấu trúc ZnO
nanorod.

Hình 3.16. Đặc trưng I-V của
Hình 3.17. Sự p
cấu trúc ZnO:Al nanorod phụ điện trở vào cườ
thuộc vào cường độ chiếu sáng.
sáng.

22


Hình 3.18. Đặc trưng I-V của ZnO: Al nanorod trên đế Silic
khi nồng độ pha tạp Al thay đổi
Đặc trưng I-V của lớp tiếp xúc dị thể p-Si/n-ZnO:Al nanorod
thể hiện tính chỉnh lưu của điốt. Khi nồng độ tạp chất tăng
lên, trong chế độ đo phân cực thuận, giá trị dòng điện tăng.
Dòng điện qua lớp tiếp xúc p-n tuân theo quy luật hàm mũ:
eV


I = I s exp(
) − 1
kT



Trong đó: Is là dòng bão hòa
V là điện thế ngoài đặt vào

e là điện tích của electron
k là hằng số Boltzman
T là nhiệt độ tuyệt đối

23


Hình 3.19. Sự phụ thuộc của Is và Vmở của ZnO:Al nanorod
trên đế silic vào nồng độ tạp chất Al.

24


KẾT LUẬN

1.

Những công việc thực hiện



Tìm hiểu lý thuyết về đặc điểm cấu trúc và tính chất (tính chất
quang, tính chất điện) của vật liệu ZnO và vật liệu ZnO
nanorod, phương pháp chế tạo cấu trúc ZnO nanorod. Tìm
hiểu về ứng dụng của màng ZnO và cấu trúc ZnO nanorod
trong pin mặt trời và đèn LED.



Chế tạo màng ZnO:Al trên đế thủy tinh, với các nồng độ pha

tạp Al khác nhau bằng phương pháp Sol-gel, được ủ trong
không khí ở nhiệt độ 5000C, thời gian là 1 giờ.



Tiến hành nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ tạp chất Al
đến cấu trúc, hình thái học và tính chất của màng ZnO:Al chế
tạo được.



Chế tạo ZnO:Al nanorod trên đế thủy tinh và đế p-Si bằng
phương pháp thủy nhiệt.



Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ thủy nhiệt, nồng độ dung
dịch thủy nhiệt và nồng độ pha tạp Al đến kích thước, mật độ,
các tính chất của cấu trúc ZnO:Al nanorod.



Tìm hiểu các phương pháp phân tích mẫu:

-

Phương pháp nhiễu xạ tia X.

-

Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) .

25