CHẾ tạo CHẤM LƯỢNG tử CHÌ SULFIDE (PBS), ỨNG DỤNG vào điện cực ANODE QUANG TRONG PIN mặt TRỜI CHẤM LƯỢNG tử NHẠY QUANG (QDSSCS)

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

II-O-1.9
CHẾ TẠO CHẤM LƯỢNG TỬ CHÌ SULFIDE (PBS), ỨNG DỤNG VÀO ĐIỆN CỰC ANODE
QUANG TRONG PIN MẶT TRỜI CHẤM LƯỢNG TỬ NHẠY QUANG (QDSSCS)
Nguyễn Nguyên Thiên Phú, Huỳnh Chí Cường, Lâm Quang Vinh
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ĐHQG - HCM
Email:
TÓM TẮT
Trong bài nghiên cứu này, chấm lượng tử Chì Sulfide (PbS) được chế tạo bằng phương pháp
Coloidal: Dung dịch Chì axetat và TheoUreA trong dung môi Methanol kết hợp với nhau tạo thành hợp
phức (Pb-S), cho thêm chất bao PolyVynylpropidone (PVP) để giới hạn kích thước của chấm lượng tử
PbS. Ứng dụng vào chế tạo điện cực anode quang trong pin mặt trời chấm lượng tử nhằm nâng cao
hiệu suất của pin.
Từ khóa: chấm lượng tử , PbS
GIỚI THIỆU
Chấm lượng tử là các tinh thể nano bán dẫn, có kích thước trung gian giữa phân tử, nguyên tử và vật liệu
khối, gồm 100:1000 phân tử, nguyên tử; trong cấu trúc có sự giam hãm cả 3 chiều trong không gian, các mức
năng lượng gần giống như các mức năng lượng của nguyên tử vì vậy chấm lượng tử còn được gọi là “nguyên tử
nhân tạo”. Chấm lượng tử được chế tạo bằng nhiều phương pháp. Trong đó, phương pháp hóa ướt ( cụ thể kỹ
thuật Coloidal là phương pháp cho các tinh thể nano chất lượng tốt nhất).
Chì Sulfide PbS là vật liệu bán dẫn phân lớp IV-VI với độ rộng vùng cấm hẹp (0.41eV), bán kính Borh
Exition lớn (18nm) cho thấy một hiệu ứng giam hãm lượng tử mạnh trong vùng hồng ngoại gần. Ngoài ra, PbS
có khối lượng của các điện tử và lỗ trống nhỏ (0.75m0 và 0.8m0) tạo điều kiện cho việc định hướng các điện tích
trong màng chấm lượng tử để tăng tính linh động của hạt tải và độ dẫn. Với những đặc trưng trên, chấm lượng
tử PbS thu hút rất nhiều trong công nghệ vật liệu và quang học đặc biệt là trong chế tạo pin mặt trời chấm lượng
tử nhạy quang.
THÍ NGHIỆM
Hóa chất
Chì acetate trihidrat (Pb(CH3COO)2.3H2O, 99%), ThioUreA (SC(NH)2)99%), Polyvinylpyrrolidone (PVP),
Methanol, keo TiO2 thương mại (Dyelsol, DSL18NR-T).

Quy trình chế tạo chấm lượng tử PbS
o
o
o
o

o

Chì acetate trihidrat (Pb(CH3COO)2.3H2O) và ThioureA (SC(NH)2) lần lượt được cho vào hai lọ
thủy tinh khác nhau .
Tiếp tục cho Methanol lần lượt vào hai lọ trên (mỗi lọ 10 ml), sau đó khuấy tan trong vòng 1 phút.
Methanol được thêm vào đóng vai trò là dung môi, hòa tan các muối Pb(CH3COO)2.3H2O,
SC(NH)2 tạo thành các dung dịch muối trong suốt có nồng độ 0.05M.
Hai dung dịch muối trên cho tác dụng với nhau, khuấy tan trong 5 phút tạo thành dung dịch phức
hợp (Pb-S) có nồng độ 0.1M , trong suốt.
Cuối cùng, cho Polyvinylpyrrolidone (PVP) vào hỗn hợp trên , trong khoảng vài giây dung dịch bắt
đầu đổi màu, ta thu được chấm lượng tử PbS. PVP trong trượng hợp này đóng vai trò là “chất bao”.
Dung dịch thu được đổi màu nhanh hay chậm phụ thuộc vào khối lượng PVP thêm vào.
Kích thước của hạt chấm lượng tử được xác định gián tiếp qua việc đo phổ UV – Vis và phổ
XRD.

Chế tạo pin mặt trời chấm lượng tử PbS
o

Chế tạo màng TiO2 trên nền kính FTO

Kính FTO kích thước 1.3 x 1.6 được xử lí sạch (đánh siêu âm, ngâm TiCl4 nồng độ 40mM ở 700C trong 30
phút, rửa lại bằng cồn) Sau đó, kính FTO được quét một lớp keo TiO2 thương mại (Dyelsol, DSL 18NR-T) bằng
khung in lụa 43T (43 T mesh/inch) và được nung ở 500oC để kết tinh pha anatase trong 30 phút.
o

Chế tạo điện cực anode quang TiO2/PbS

ISBN: 978-604-82-1375-6

22


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
Màng TiO2 được ngâm trong dunng dịch chấm lượng tử PbS 10 giờ, sau đó màng được lấy ra sấy khô
100oC trong 10 phút. Màng TiO2 tiếp tục được lấy ra rửa sơ qua nước cất, sấy khô ở 100oC trong 10 phút. Ta
hoàn thành điện cực anode quang TiO2/PbS.
o

Chế tạo điện cực cathode

Kính FTO với kích thước như anode (1.3 x 1.6 cm) được khoan 2 lỗ nhỏ 1 mm, xử lý sạch như đối với
anode nhưng không xử lý TiCl4. Sau đó, cathode được quét một lớp Pt thương mại (Platinum Dyesol, Úc) và
nung ở 450oC trong 30 phút.
o

Ráp pin

Điện cực anode và cathode sau khi hoàn thành được ghép với nhau, giữa hai điện cực là một lơp nhựa dẻo
Surlyn.Pin được ép nhiệt bằng máy ép nhiệt chân không ở nhiệt độ 180oC – 200oC , lớp surlyn nóng chảy dính
chặt hai điện cực với nhau. Bơm chất điện ly polysulfide vào pin thông qua hai lỗ khoan, dán kín lỗ khoan, quét
chỉ bạc vào hai vị trí tiếp xúc trên anode và cathode để tăng khả năng dẫn dòng điện.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Khảo sát dung dịch chấm lương tử PbS

Hình 1. Giản đồ XRD của PbS

Hình 2. Phổ UV-Vis của dung dịch PbS QDs

Từ giãn đồ nhiễu xạ tia X (Hình 1), chúng ta thấy xuất hiện 6 đỉnh nhiễu xạ ở các vị trí 2𝜃 = 25.960,
30.120, 43.070, 50.850 , 53.240, 69.120 ứng với các mặt mạng (111), (200), (220), (310), (222), (331) của pha cấu
trúc tinh thể khối lập phương tâm mặt của PbS. Kết hợp với kết quả phổ UV –Vis (Hình 2), chúng tôi xác định
được một vị trí đỉnh phổ tại bước sóng 603 nm (tương ứng với màu của dunng dịch là nâu đỏ) so với vật liệu
khối PbS (Eg = 0.41eV) có bước sóng khoảng 3000 nm có sự dịch chuyển về bước sóng ngắn. Điều này khẳng
định rằng chúng tôi đã chế tạo thành công chấm lượng tử PbS. Dựa theo lý thuyết khối lượng hiệu dụng của Brus
tính được kích thước của chấm lượng tử là 2.9 nm.

ISBN: 978-604-82-1375-6

23


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

Hình 3. Dung dich PbS sau khi mới chế tạo xong
Khảo sát Anode TiO2/PbS
Tiến hành ngâm tế bào pin trong chấm lượng tử 10 giờ.Sau đó, thực hiên chụp ảnh SEM của anode TiO2
và anode TiO2/PbS

Hình 4. Ảnh chụp SEM của TiO2
Hình 5. Ảnh chụp SEM của TiO2/PbS
Kết quả cho thấy: bề mặt TiO2 xuất hiện nhiều dạng ốc đảo và các lỗ xốp hầu như bị lấp kín, có thể chấm
lượng tử PbS bám, hấp thụ lên bề mặt màng TiO2.Tuy nhiên, các hạt phân bố không xếp chặt, không lấn sâu vào
màng TiO2, chủ yếu là trên bề mặt màng TiO2, kích thước lớn và không đồng đều (có hạt lên tới 300 nm, nhưng
cũng có hạt chỉ khoảng 200 nm).

PbS có hình thành trên màng TiO2 hay không, để chắc chắn chúng tôi chụp phổ nhiễu xạ tia X để xác định
cấu trúc tinh thể của màng.

Hình 6. Giãn đồ XRD của màng TiO2/PbS

ISBN: 978-604-82-1375-6

24


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
Giãn đồ nhiễu xạ tia X xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ ở các vị trí 2𝜃 = 26.570, 29.700, 51.640, 62.080 tương
ứng với các mặt mạng (111), (200), (311), (400) của PbS , điều này đã khẳng đinh được rằng PbS đã hấp thu
được lên màng TiO2
Khảo sát pin mặt trời chấm lượng tử PbS
Pin mặt trời sau khi chế tạo xong sẽ được đánh giá tính năng bằng đặc trưng dòng thế I – V đo bằng hệ
máy Keithley (Keithey model 2400 digital source meter, USA) kết hợp với hệ mô phỏng ánh sáng mặt trời Oriel
Sol1A của Mĩ. Cường độ sang được điều khiển bằng pin chuẩn (Photodiode) đã được chuẩn hóa. Đo đặc trưng I
– V trên hệ hai điện cực, điện cực làm việc được nối với anode của pin, điện cực đối được nối với cathode của
pin. Số liệu đường I – V được xử lý bằng phần mềm IV2400.

Hình 7. Đặc trưng I-V của pin TiO2/PbS
Bảng 1. Các thông số của QDSSCs TiO2/PbS
Điện cực
1TiO2/PbS

Jsc
(mA/cm2)
1.0206

Voc (V)

FF(%)

η(%)

0.2794

0.1350

0.0385

Hiệu suất chúng tôi thu được vẫn còn thấp, một vài nguyên nhân ảnh hưởng đến kết quả như:
Dung dịch chấm lượng tử PbS chúng tôi chế tạo được có tính không ổn định cao, kích thước hạt lớn, không
chen sâu vào màng TiO2, chỉ tồn tại trên bề mặt (hình 5.8, hình 5.14).
Trong quá trình truyền tải các điện tử bị bẫy (do điện cực anode quang bị lẫn tạp chất như oxi chẳng
hạn….). Ở vùng tiếp giáp giữa chấm lượng tử và điện cực, các điện tử có thể bị bẫy bởi các quá trình khác nhau
Điện cực Cathode chúng tôi sử dụng là Pt với dung dịch chất điện ly là S/S2-. Mặc dù, Pt có điện trở kháng
thấp hơn các điện cực cathode là CoS và CuS làm cho điện trở chuyện điện tích từ bề mặt kính thủy tinh dẫn đến
Pt nhỏ hơn so với trường hợp của CoS và CuS nhưng quá trình chuyển điện tích từ Pt đến hệ điện ly S/S2- trở nên
khó khăn hơn so với hai trường hợp còn lại.
KẾT LUẬN
Chúng tôi đã tổng hợp thành công chấm lượng tử PbS ở nhiệt độ phòng và gắn kết vào điện cực anode
quang ứng dụng trong pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang. Kết quả cho thấy đã có sự gắn kết của chấm
lượng tử lên màng. Tuy nhiên, do kích thước hạt không đồng đều và còn khá lớn, chưa xen sâu vào trong cấu
trúc TiO2. Trong các hướng nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi sẽ khảo sát các thông số điều khiển kích thước hạt,
nhằm tăng cường khả năng hấp thu cũng như liên kết giữa chấm lượng tử lên điện cực.

SYNTHESIZE LEAD SULFIDE (PBS) APPLY TO THE OPTICAL ANODE IN QUANTUM
DOTS SENSITIZED SOLAR CELL (QDSSCS)

ABSTRACT
In this research, Lead sulfide (PbS) quantum dot was synthesized by Coloidal method: separate
solutions of PbAc and TU in methanol were prepared. These solutions were mixed to produce
a PbAc–TU complex and then added Polyvinylpyrrolidone (PVP) to limit the size of PbS QDs. Apply
to the optical anode in quantum dot sensitised solar cell to improve efficiency of cell.
Key word: quantum dot, PbS
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Lê Văn Nghiêm, “Phủ màng Chì sulfite (PbS) trên nền kính thủy tinh dẫn điện băng phương pháp điện
hóa và ứng dụng làm Cathode cho pin mặt trời chấm lượng tử (QDSC)”,Luận văn thạc sĩ, Đại học Khoa
học tự nhiên – ĐHQG Tp.HCM, 2013.

ISBN: 978-604-82-1375-6

25


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
[2].
[3].

[4].

[5].

[6].
[7].
[8].

Nguyễn Quốc Khánh, “Chế tạo và khảo sát tính chất quang của vật liệu tổ hợp nano CdSe/PMMA”,
Luận văn thạc sĩ, Đại học Công nghệ - ĐHQG Hà Nội, 2012.

Jayesh D.Patel, Frej Mighria, Abdellah Ajji, Tapas K. Chaudhuri, “Morphology and size control of
lead sulphide nanoparticles produced using methanolic lead acetate trihydrate–thiourea complex
via different precipitation techniques”, Materials Chemistry and Physics, 132, 2014, pp. 747 – 755.
M. Sasani Ghamsaria, S. Radiman, M. Ambar Yarmo, M.A. Abdul Hamid,A. Bananej, I. Abdul
Rahman, “Colloidal PbS nanocrystals with narrow photoluminescence spectra”, Materials Letters 65,
2011, pp. 1381–1384.
Minwoo Nama, Taeyoon Lee, Sungwoo Kim, Sejin Kim, Sang-Wook Kim, Kee-Keun Lee, “Two
strategies to enhance efficiency of PbS quantum dot solar cells: Removing surface organic ligands and
configuring a bilayer heterojunction with a new conjugated polymer”, Organic Electronics 15, 2014, pp.
391–398.
Umaima Elfurawi, MSci, “Optical and Electronic Properties of PbS Colloidal Nanocrystals”, University
of Nottingham, 2012.
Chunze Yuan, “The Study of II-VI Semiconductor Nanocrystal Sensitized Solar Cells”, Biotechnology
Royal Institute of Technology Stockholm, 2012.
Abdelrazek Mousa, “Synthesis and Characterization of PbS Quantum Dots”, Lund University, 2011.

ISBN: 978-604-82-1375-6

26