NGHIÊN cứu TÍNH CHẤT của MÀNG ANODE QUANG TIO2CDSCDSE QDZNS ỨNG DỤNG TRONG PIN mặt TRỜI CHẤM LƯỢNG tử NHẠY QUANG

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

II-P-1.38
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MÀNG ANODE QUANG TIO2/CDS/CDSE QD/ZNS ỨNG
DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI CHẤM LƯỢNG TỬ NHẠY QUANG
Nguyễn Ngọc Thanh Vy1*, Lê Thị Minh Huệ1, Huỳnh Chí Cường1, Vũ Xuân Quang2, Lâm Quang Vinh1
Khoa Vật lý – VLKT,trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
2
Trường Đại học Duy Tân, Đà Nẵng
*Email:

1

TÓM TẮT
Chấm lượng tử (QD) CdSe tổng hợp bằng phương pháp Colloide với chất hoạt động bề mặt là
TOP (Trioctylphosphine) cho chấm lượng tử có cường độ phát quang cao và các trạng thái bẫy bề mặt
hạn chế. Tuy vậy, hiệu suất pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang với anode quang là TiO2/CdSe QD
lại cho hiệu suất thấp, nguyên nhân là do chất hoạt động bề mặt không tạo liên kết hóa học với TiO2.
Nhóm nghiên cứu chúng tôi tiến hành tổng hợp các lớp bán dẫn CdS, ZnS bằng phương pháp SILAR
(Successive Ionic Layer Absorption and Reaction) đóng vai trò như lớp đệm và lớp thụ động hóa, kết
hợp với chấm lượng tử CdSe tạo anode quang TiO2/CdS/CdSe QD/ZnS nhằm nâng cao hiệu suất pin
mặt trời chấm lượng tử nhạy quang. Cấu trúc, hình thái học và tính chất quang của anode quang
TiO2/CdS/CdSe QD/ZnS được nghiên cứu bằng phổ hấp thụ UV-Vis, SEM, XRD và phổ Raman. Kết
quả cho thấy việc kết hợp các lớp bán dẫn CdS, ZnS làm tăng cường độ dòng và hệ số lấp đầy của
pin, hiệu suất đạt được là 2.07% cao hơn pin với anode quang TiO2/CdSe QD.
Từ khóa: Quantum dot-sensitized solar cell, SILAR method, Colloide, CdSe quantum dot.
GIỚI THIỆU
Giải quyết vấn đề năng lượng đã và luôn là đề tài nóng hổi cho nghiên cứu, nhiều thế hệ pin mặt trời ra đời
với mục tiêu chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng. Trong đó, thế hệ thứ ba được cho rằng
có thể vượt qua giới hạn Schockley – Queisser và đạt tới hiệu suất trên 60%[1]. Hiện tại, pin mặt trời đại diện cho
thế hệ thứ ba là pin mặt trời chất màu nhạy quang đã đạt hiệu suất ~ 12%[2], tuy nhiên vì dễ bị phân hủy ở nhiệt

độ cao nên cần thay thế bằng vật liệu khác. Với sự ra đời của chấm lượng tử, một cấu trúc nano bán dẫn có khả
năng tạo exciton, gây hiệu ứng giam hãm lượng tử cho tiềm năng nâng cao hiệu suất của pin mặt trời.
Pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang (QDSSCs) được xem như là một dạng thay thế của pin mặt trời
chất màu nhạy quang (DSSCs). Sự khác nhau rõ ràng nhất giữa hai loại pin này là sự thay thế chất hữu cơ kim
loại hoặc chất màu vô cơ bằng chấm lượng tử nhạy quang như CdS, CdSe, PbS, PbSe và InP.v.v… Chấm lượng
tử được chú ý vì khả năng dễ dàng thay đổi kích thước dẫn tới sự thay đổi vùng phổ hấp thụ và khả năng tạo
exciton (trạng thái liên kết giữa electron ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị). Sử dụng chấm lượng tử mở ra
những khả năng mới cho cấu hình của pin mặt trời thế hệ thứ ba như sự đa sinh hạt tải (MEG) và tiêm electron
nóng. Dù có những tiềm năng to lớn như vậy, nhưng hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời chất nhạy quang vẫn
chỉ mới đạt xấp xỉ 5%, trị số thấp so với DSSCs. Hiệu suất thấp của QDSSCs được đánh giá là do quá trình phân
ly và tái hợp hạt tải ở bề mặt tiếp giáp TiO2/chấm lượng tử/chất điện ly[2].
Trong các loại chấm lượng tử thì Cadmium Selenite (CdSe) được sử dụng phổ biến nhất bởi cho cường độ
phát quang cao, hiệu suất lượng tử tốt, CdSe QD được hứa hẹn là ứng cử viên sáng giá trong phân tích hình ảnh
sinh học (biological image), transistor đơn electron (Single-electron transistor), đèn LED, pin mặt trời[4,10]. Trong
báo cáo này, phương pháp phân hủy hợp chất cơ – kim được chúng tôi sử dụng để chế tạo chấm lượng tử CdSe
vì đây là phương pháp phổ biến và cho chấm lượng tử chất lượng tốt. Đồng thời chúng tôi nghiên cứu về tính
chất quang và sự chuyển dời điện tử khi chấm lượng tử CdSe kết hợp với bán dẫn CdS và ZnS để cải thiện hiệu
suất pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang.
THỰC NGHIỆM
Hóa chất
Cadmium acetate dehydrate ((CH3COO)2Cd.2H2O) của Merck độ sạch 99%, M = 266.52 g/mol;
Selenium (Se) của Merck, độ sạch 99%, M = 78.96 g/mol;Tri-n-octylphosphine (TOP, C24H51P) của Sigma
Aldrich, M = 370.63g/mol, d = 0.831 g/ml; Di-phenyl ether (C12H10O) của Merck, M = 170.21 g/mol;Oleic
acid (OA, C18H34O2) của Fisher scientific UK Limited, M = 282.46 g/mol, d = 0.895 g/ml; Toluene (C 6H5CH3)
của Merck, M = 92.14 g/mol, d = 0.87 kg/l;Methanol (CH 3OH) của Merck, M = 32.04 g/mol, d = 0.792
kg/l;Sodium Sulfate (Na2S.9H2O), M = 240.05 g/mol; Zinc acetate (Zn(NO3)2.6H2O), M = 297 g/mol.

ISBN: 978-604-82-1375-6

272

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
Tổng hợp chấm lượng tử CdSe bằng phương pháp Colloide
Hỗn hợp gồm (CH3COO)2Cd.2H2O, OA và DPE được đưa vào bình cầu ba cổ với tỉ lệ Cd:OA=1: 4.1
(DPE đóng vai trò là dung môi). Khuấy và đun nóng hỗn hợp để tạo điều kiện phân hủy các hợp chất, đồng thời
sục khí N2 để tạo môi trường khí trơ bảo vệ trong suốt phản ứng và nâng nhiệt độ lên 120oC – 180oC. Ở nhiệt độ
này, dung môi nóng hòa tan muối của Cadmium, tạo phức Cd với OA tạo thành dung dịch trong suốt màu vàng
nhạt, dung dịch được giữ ổn định ở nhiệt độ mong muốn khoảng 10 phút. Hòa tan Se trong TOP tạo hỗn hợp
TOP-Se 0.1M trong môi trường khí trơ (Ar hoặc N2), khi bột Se (có màu đen) tan hết trong TOP sẽ thu được một
dung dịch trong suốt, không màu. Phun nhanh dung dịch Se – TOP vào bình ba cổ và khuấy mạnh, sau một
khoảng thời gian vài giây, dung dịch trong bình phản ứng đổi màu sang màu vàng, cam nhạt hoặc đậm tùy theo
nhiệt độ phản ứng và thời gian lấy mẫu trong khoảng vài phút đến vài chục phút (tùy theo thời gian ta muốn
khảo sát). Điều khiển quá trình phát triển tinh thể bằng thời gian giữ bình phản ứng ở nhiệt độ cao. Kích thước
của hạt vật liệu được xác định gián tiếp qua việc đo phổ hấp thụ UV-vis và phổ huỳnh quang. Để dừng quá trình
kết tinh ta phun nhanh 6 ml toluene để làm lạnh dung dịch, đồng thời dừng ngay gia nhiệt để nhiệt độ phản ứng ở
khoảng ~ 100oC.
Sản phẩm chấm lượng tử CdSe chế tạo sau đó được làm sạch bằng cách tạo kết tủa với methanol, quay li
tâm ở tốc độ 3000 vòng/phút trong 15 phút, sau đó gạn bỏ phần dung dịch, lọc lấy kết tủa và phân tán lại trong
toluene, quá trình làm sạch này có thể được thực hiện nhiều lần
Tổng hợp các lớp bán dẫn CdS và ZnS bằng phương pháp SILAR (Successive Ionic Layer Absorption and
Reaction)
Phương pháp phản ứng và hấp phụ lớp ion liên tục (Successive Ionic Layer Absorption and
Reaction_SILAR) được biết đến như một dạng biến đổi của phương pháp lắng đọng bể hóa học (Chemical bath
deposition_CBD). Đây là phương pháp đơn giản và ít tốn kém với nhiều ưu điểm: (i) đây là phương pháp cực kì
đơn giản để pha tạp màng với bất kì nguyên tố hóa học nào, ở bất kì tỉ lệ nào, chỉ cần thêm dạng ion của nguyên
tố đó vào dung dịch; (ii) tỉ lệ thành phần lắng đọng và độ dày của màng có thể được điều khiển dễ dàng bằng
cách thay đổi số chu trình lắng đọng; (iii) dù phương pháp này được tiến hành ở nhiệt độ phòng nhưng nó có thể
tạo ra màng với cấu trúc vật liệu ít thô; (iv) phương pháp này hầu như có thể sử dụng được với bất kì loại vật liệu
đế nào, không hạn chế chiều hay cấu hình bề mặt đế.

Phương pháp SILAR dựa trên sự hấp phụ và phản ứng của các ion trong các dung dịch và rửa sạch với
nước khử ion để tránh sự kết tủa đồng bộ trong dung dịch. Phản ứng trước hấp phụ (pre-adsorbed) (các cation)
và hấp phụ (các anion) hình thành nên các màng mỏng. Sự tập hợp một chất nền này lên một chất nền khác được
biết như là sự hấp phụ, đây là nền tản cơ bản của phương pháp SILAR.Sự hấp phụ là hiện tượng bề mặt giữa các
ion và bề mặt đế và có thể do lực tương tác giữa các ion trong dung dịch và bề mặt của đế. Các lực này có thể là
lực kết dính, hoặc lực liên kết Van-der Waals, hoặc lực liên kết hóa học. Các yếu tố như nhiệt độ dung dịch, áp
suất, bản chất của đế, nồng độ của dung dịch, diện tích của đế, …đều ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ.
CdS
Màng TiO2 sau khi đã nung xong sẽ được nhúng qua lần lượt các dung dịch chứa các ion tương ứng (cation
Cd2+ và anion S2-) để tạo lớp CdS, các dung dịch được chuẩn bị như sau: Muối Cd(CH3COO)2.2H2O hòa tan
trong C2H5OH để thu được dung dịch chứa ion Cd2+ nồng độ 0.1M và muối Na2S.9H2O được hòa tan trong
CH3OHthu được dung dịch chứa ion S2- nồng độ 0.1M.
Quá trình SILAR để tạo lớp CdS trên nền TiO2như sau: Đầu tiên, màng TiO2 được nhúng vào trong 0.1M
Cd(CH3COO)2 khoảng 2 phút, rửa lại với ethanol, sau đó nhúng vào 0.1M Na2S khoảng 2 phút nữa và rửa lại với
methanol, hai lần nhúng này hoàn thành một chu trình SILAR, sau đó màng được sấy khô ở nhiệt độ 100oC trong
khoảng 10 phút, kết quả ta được một lớp SILAR CdS, tùy theo số lớp CdS ta mong muốn thì số chu trình SILAR
sẽ được lặp đi lặp lại tương ứng.
ZnS
Tương tự như đối với CdS, chuẩn bị dung dịch tạo ZnS gồm: Muối Zn(NO3)2 hòa tan trong H2O thu được
dung dịch chứa ion Zn2+ nồng độ 0.1M và muối Na2S.9H2O được hòa tan trong H2O thu được dung dịch chứa
ion S2- nồng độ 0.1M. Quá trình SILAR lớp ZnS cũng tương tự như lớp CdS.
Tạo anode quang TiO2/CdS/CdSe QD/ZnS
Màng TiO2 sau khi đã nung xong sẽ được nhúng qua dung dịch Cd(CH3COO)2 0.1M, rửa lại với dung môi
ethanol, sau đó được nhúng qua dung dịch Na2S 0.1M, rửa lại với dung môi methanol, màng sẽ được sấy khô,
kết quả ta thu được màng TiO2/CdS với một chu trình, tùy theo số lớp CdS ta mong muốn thì số chu trình
SILAR sẽ được lặp đi lặp lại tương ứng.
Sau khi hoàn thành điện cực anode TiO2/CdS, để tạo anode TiO2/CdS/CdSe thì anode được ngâm trong
dung dịch chấm lượng tử CdSe trong 24 giờ. Sau khi ngâm, màng được đem nung chân không ở nhiệt độ 150oC
trong 30 phút.

ISBN: 978-604-82-1375-6

273


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
Anode TiO2/CdS/CdSe sau khi hoàn thành được nhúng tiếp vào dung dịch Zn(NO3)2 0.1M, rửa lại với
nước cất, sau đó nhúng vào dung dịch Na2S 0.1M, rửa lại với nước cất và đem sấy khô, ta kết thúc một chu trình
SILAR lớp ZnS, các thao tác này cứ lặp lại tùy theo số lớp mong muốn. Ta đã hoàn thành xong điện cực anode
TiO2/CdS/CdSe/ZnS.
Tạo điện cực cathode Pt
Kính FTO với kích thước như anode được khoan 2 lỗ nhỏ 1mm, xử lý sạch như đối với anode nhưng không
xử lý TiCl4. Sau đó được quét một lớp Pt thương mại (Platinum của Dyesol, Úc) và nung ở 450oC trong 30 phút.
Điện cực anode và cathode sau khi được hoàn thành được ghép với nhau, giữa hai điện cực là một lớp 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 lại với nhau. Bơm chất điện ly polysulfide vào pin thông qua hai lỗ khoan, dán kín lỗ
khoan, ta được một pin hoàn chỉnh.
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Để nghiên cứu vai trò của các thành phần trong anode quang, chúng tôi sử dụng các phương pháp quang
phổ UV – Vis, nhiễu xạ tia X, phương pháp quang phổ Raman và đođặc trưng dòng thế I-V bằng hệ máy
Keithley kết hợp với hệ mô phỏng ánh sáng mặt trời Oriel Sol1A.
Phân tích phổ hấp thụ UV – Vis
TiO2

Do hap thu (Abs)

1.2
1.1

Dung dich CdSe

TiO2/CdSe

1.0

TiO2/CdS

0.9

TiO2/CdS/CdSe

0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
400

500

600

700

800

Buoc song (nm)

Hình 1. Phổ hấp thu so sánh tính chất quang của các anode.
Đầu tiên chúng tôi nghiên cứu tính chất quang hấp thu của anode quang với lớp đệm CdS. Dung dịch chấm
lượng tử CdSe được đo hấp thụ UV – Vis và cho bước sóng hấp thụ ở 536 nm, phổ có dạng phổ phân tử (hình
1.),TiO2 với độ rộng vùng cấm 3.2eV cho bờ hấp thụ ở bước sóng 380nm. Khi chấm lượng tử CdSe hấp phụ trên
bề mặt TiO2 xốp thì vùng phổ hấp thụ được mở rộng từ vùng tử ngoại đến khả kiến, đây chính là đặc điểm giải
thích việc ứng dụng chấm lượng tử CdSe vào pin mặt trời. Phổ hấp thu của anode quang TiO2/CdS có bờ ở bước
sóng 512 nm, sau khi được kết hợp với CdSe tạo anode quang TiO2/CdS/CdSe thì vùng phổ hấp thu mở rộng từ
vùng tử ngoại tới khoảng bước sóng 536 nm của CdSe, đồng thời độ hấp thụ cũng tăng lên so với anode
TiO2/CdSe. Điều này chứng tỏ CdS đóng vai trò là lớp đệm đồng nhạy quang với CdSe trong anode quang, giúp
tăng độ hấp thụ photon của anode quang.
Ở hình 2, so sánh giữa phổ hấp thu của anode quang TiO2/CdS/CdSe và anode quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS
đã được SILAR thêm lớp ZnS, chúng ta thấy độ hấp thu của anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS được nâng lên đáng kể,
tăng trên 40% so với anode TiO2/CdS/CdSe. Đồng thời, bờ hấp thu có sự dịch chuyển về bước sóng ngắn hơn và
có sự hình thành một vật liệu khác, thể hiện khi từ anode TiO2/CdS/CdSe có dạng hai bờ hấp thu biểu diễn cho
lớp CdS và CdSe chuyển sang chỉ còn một bờ. Để nghiên cứu rõ hơn việc vật liệu quang của anode hình thành
một dạng hỗn hợp, chúng tôi tiến hành phân tích quang phổ Raman.

ISBN: 978-604-82-1375-6

274


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

1.4
TiO2/CdS
TiO2/CdS/CdSe

1.2

TiO2/CdS/CdSe/ZnS

Do hap thu (Abs)

1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
400

500

600

700

800

Buoc song (nm)

Hình 2. Phổ hấp thu so sánh tính chất quang của anode TiO2/CdS, TiO2/CdS/CdSe và TiO2/CdS/CdSe/ZnS.
Phân tích nhiễu xạ tia X

TiO2

1400

TiO2/CdS
TiO2/CdS/CdSe

Intensity (Counts)

1200

TiO2/CdS/CdSe/ZnS

1000
800
600
400
200
0
20

30

40

50

60

2 Theta

Hình 3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các màng vật liệu TiO2, TiO2/CdS, TiO2/CdS/CdSe và TiO2/CdS/CdSe/ZnS.
Hình 3 trên thể hiện giản đồ nhiễu xạ tia X của màng TiO2/CdS/CdSe/ZnS so với TiO2/CdS/CdSe,
TiO2/CdS và TiO2. Ngoài các đỉnh đặc trưng của TiO2 ở vị trí các góc nhiễu xạ 2 theta: 25o, 38o, 48o, 54o và 55o ,

trên phổ nhiễu xạ của các lớp màng QDs xuất hiện các đỉnh khác, là các đỉnh đặc trưng của các mặt mạng (111),
(220), (311) với các góc nhiễu xạ ở 26o, 43o, 51o tương ứng với cấu trúc lập phương zinc blende và chúng có
cường độ rất nhỏ thể hiện cho cấu trúc nano. Khi thay đổi thành phần màng thì vị trí các góc nhiễu xạ vẫn giữ
nguyên, chỉ có sự chênh lệch nhẹ về cường độ đỉnh phổ, kết quả này đã được chúng tôi so sánh với các nghiên
cứu của S. Saravana Kumar [7], C.S. Pathak [8] và Thanh Tung Ha [6] nên chúng tôi kết luận các lớp vật liệu CdS,
CdSe, ZnS mà chúng tôi tổng hợp có thể đều có cấu trúc lập phương và đều ở kích thước nano.
Phân tích phổ Raman
Phổ Raman hình 4 của cả TiO2/CdS/CdSe và TiO2/CdS/CdSe/ZnS đều cho ta thấy cấu trúc anatase của
màng TiO2 chiếm ưu thế có 4 chế độ dao động trong vùng số sóng từ 100 cm-1 tới 800 cm-1 là: 143, 400, 520, và
ISBN: 978-604-82-1375-6

275


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
640 cm−1 phù hợp với tính chất của keo paste TiO2 18-NRT của hãng Dyesol mà chúng tôi sử dụng (hình phổ
nhỏ).
Với dao động ở 300 cm-1 trên phổ Raman TiO2/CdS/CdSe là của liên kết Cd-S (kí hiệu là dấu chấm màu
xanh dương nhạt ở hình phổ nhỏ), tuy từ phổ Raman chúng tôi không tính toán được kích thước của hạt nhưng vị
trí số sóng này là hoàn toàn phù hợp với việc hình thành CdS với kích thước nano [3, 6].
Dựa vào phổ Raman của TiO2/CdS/CdSe, ta thấy mode dao động ở 208 cm-1 là của phonon quang dọc LO
đặc trưng cho dao động của tinh thể CdSe (được kí hiệu dấu chấm màu đỏ trong hình phổ nhỏ). Vật liệu CdSe
khối có đỉnh LO tại số sóng 210 cm-1, có sự dịch chuyển về số sóng thấp (208 cm-1) là do sự giam hãm không
gian của các phonon trong các chấm lượng tử[6]. Ngoài ra còn có dao động tại 420 cm-1 và 601 cm-1 nhưng nó đã
bị dao động của TiO2 pha anatase chồng lấp.
Ở phổ Raman của TiO2/CdS/CdSe/ZnS, theo kết quả nghiên cứu của C.S. Pathak và S. Saravana Kumar [7,
8]
, đỉnh Raman của ZnS là ở số sóng 259 cm-1 và 350 cm-1, so sánh với kết quả thực nghiệm của nhóm chúng tôi
thấy sự không trùng khớp, như vậy liên kết riêng của Zn-S không hình thành. Ở phổ này, chúng tôi thấy xuất
hiện hai đỉnh cường cao ở 220 cm-1 và 470 cm-1, và phổ Raman khi có ZnS làm tăng cường độ đỉnh phổ (kể cả

của TiO2). Chúng tôi giả định rằng một dạng hỗn hợp giữa các nguyên tố Cd, S, Se, Zn có thể đã hình thành.

Hình 4. Phổ Raman của TiO2/CdS/CdSe ở trên và của TiO2/CdS/CdSe/ZnS ở dưới. Ở mỗi hình có hình phổ nhỏ
phóng to các vị trí đỉnh phổ.

ISBN: 978-604-82-1375-6

276


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

65000
60000
55000
50000
45000
40000
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0

TiO2/CdS/CdSe
TiO2/CdS/CdSe/ZnS

0

500

Raman shift

Hình 5. Chồng chập hai phổ Raman của TiO2/CdS/CdSe và TiO2/CdS/CdSe/ZnS. Từ phổ ta thấy sự tăng cường
các đỉnh sau khi thêm ZnS.
Phân tích vi hình thái và cấu trúc tinh thể

Hình 6. Ảnh FE-SEM của bề mặt TiO2 (a), bề mặt anode TiO2/CdS (b), bề mặt anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS (c).
Nhóm chúng tôi tiến hành chụp ảnh FE – SEM trạng thái bề mặt của anode TiO2/CdS và
TiO2/CdS/CdSe/ZnS so sánh với bề mặt xốp của TiO2 để kiểm tra giả thuyết bề mặt của nền là cơ sở cho việc
chấm lượng tử CdSe hấp phụ tốt. Hình b) cho thấy bề mặt của màng TiO2/CdS có dạng xốp và kích thước trung
bình của các đám là … lớn hơn so với của TiO2, giúp bề mặt nền TiO2/CdS sẽ có nhiều lỗ xốp và kích thước lỗ
cũng sẽ lớn hơn, nhóm nghiên cứu chúng tôi sử dụng phương pháp ngâm để chấm lượng tử CdSe hấp phụ trên
bề mặt TiO2 xốp, chính vì vậy nền TiO2/CdS giúp cho chấm lượng tử hấp phụ được nhiều hơn trên bề mặt
ISBN: 978-604-82-1375-6

277


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
nền.Và sau khi đã hoàn thành anode quang, có nhận xét về trạng thái bề mặt của anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS
cũng có dạng xốp như của TiO2 hay TiO2/CdS.
Đặc trưng I – V của pin mặt trời với anode quang TiO2/CdS/CdSe QD/ZnS
Bảng 1. Khảo sát đặc trưng I – V của các mẫu pin khi thay đổi số lớp CdS.
ISC (mA/cm2)

VOC (V)

FF

η (%)

1.757

0.339

0.38

0.225

CdS(1)/CdSe

2.633

0.425

0.391

0.438

CdS(2)/CdSe

4.253

0.465

0.396

0.784

CdS(3)/CdSe

5.531

0.478

0.385

1.019

CdS(4)/CdSe

6.840

0.489

0.362

1.213

Tên mẫu
CdS(0)/CdSe

CdS(0)/CdSe

7

CdS(1)/CdSe
CdS(2)/CdSe

6

CdS(3)/CdSe
CdS(4)/CdSe

2
I (mA/cm )

5
4
3
2
1
0
0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

U (V)

Hình 7. Khảo sát đường đặc trưng I – V của các pin khi thay đổi số lớp SILAR CdS.
Bảng 1 và hình 7 cho thấy khi không có lớp CdS, cường độ dòng đoản mạch và thế mạch hở của pin với
anode quang là TiO2/CdSe rất thấp, dòng ISC = 1.757 mA/cm2, thế VOC = 0.339 V và hiệu suất đạt được chỉ
0.255%. Khi có mặt CdS, với một lớp CdS thì dòng ISC tăng lên là 2.633 mA/cm2, thế VOC = 0.425 V và hiệu
suất pin với anode quang TiO2/CdS(1)/CdSe là 0.438% tăng khoảng 70%. Khi càng tăng số lớp CdS thì các giá
trị dòng đoản mạch, thế mạch hở và hiệu suất pin đều tăng. Như vậy, lớp CdS không chỉ là lớp đệm để chấm
lượng tử CdSe bám lên mà còn giúp mở rộng vùng phổ hấp thu, tăng độ hấp thu và giúp cải thiện hiệu suất pin
mặt trời chấm lượng tử CdSe đáng kể.
Tiếp theo chúng tôi làm 4 mẫu pin: S1 có anode là TiO2/CdS, S2 có anode là TiO2/CdSe, S3 là
TiO2/CdS/CdSe và anode của S4 là TiO2/CdS/CdSe/ZnS và khảo sát đặc trưng I – V của chúng, kết quả trình
bày ở bảng 2 và hình 8.
Bảng 2. Khảo sát đặc trưng I –V của các mẫu pin S1, S2, S3 và S4.
Kí hiệu
mẫu
S1

Tên mẫu

ISC (mA/cm2)

VOC (V)

FF

(%)

TiO2/CdS

1.507

0.369

0.19

0.107

S2

TiO2/CdSe

1.757

0.339

0.38

0.22

S3

TiO2/CdS(4)/CdSe

4.087

0.429

0.32

0.56

S4

TiO2/CdS(4)/CdSe/ZnS(1)

5.936

0.463

0.38

1.05

ISBN: 978-604-82-1375-6

278


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

CdS (S1)
CdSe (S2)
CdS/CdSe (S3)
CdS/CdSe/ZnS (S4)

6

1.05%

5

0.56%

2

I (mA/m )

4

3

2

0.22%

1

0.107%
0
0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

U (V)

Hình 8. Đường đặc trưng I –V của mẫu S1, S2, S3 và S4.
Kết quả khảo sát I – V ở mẫu S1, dòng đoản mạch ISC = 1.507 mA/cm2, thế mạch hở VOC = 0.369 V và
hiệu suất đạt được là 0.107%, mẫu S2 cho dòng ISC là 1.757 mA/cm2, thế VOC là 0.339 V và hiệu suất S2 đạt
được 0.22 %. Kết quả cho thấy bản thân lớp đệm CdS và chấm lượng tử CdSe không cho các giá trị dòng và thế
cao, nhưng khi kết hợp chúng với nhau, các giá trị dòng và thế tăng lên, thể hiện ở mẫu S3: ISC = 4.087 mA/cm2,
VOC = 0.429 V, hiệu suất η ≈ 0.56 %.

Hình 9. Mô hình thế năng lượng của các bán dẫn TiO2, CdS, CdSe, ZnS so với
cặp chất oxi hóa – khử của chất điện ly.
ZnS là loại vật liệu được nghiên cứu để sử dụng cho việc bao phủ bề mặt nhiều nhất, được cho rằng có khả
năng làm thụ động hóa các trạng thái bề mặt[9]. Mẫu S4 với sự có mặt của ZnS, phủ bên ngoài CdSe cho các
thông số I – V như sau: ISC = 5.936 mA/cm2, VOC = 0.463 V và hiệu suất đạt được là 1.05% tăng 87% so với mẫu
S3 với anode quang không có ZnS phủ ngoài. Việc các thông số I – V của S4 tăng có thể giải thích do thế oxi
hóa – khử của vùng dẫn ZnS (hình 9) cao hơn CdSe cũng như TiO2 nên làm thụ động hóa các trạng thái bẫy bề
mặt của chấm lượng tử CdSe, giảm lượng electron tái hợp do bẫy bề mặt, đồng thời hạn chế sự rò rỉ electron từ
TiO2 và chấm lượng tử vào chất điện ly[9].
Sau khi đã tối ưu các điều kiện chế tạo pin như về số lớp CdS, ZnS, nồng độ dung dịch chấm lượng tử, thời
gia ngâm, .v.v… chúng tôi đạt được hiệu suất pin cao nhất là 2.07% với dòng đoản mạch ISC = 13.967 mA/cm2,
thế mạch hở VOC = 0.443 V và hệ số lấp đầy là 0.339.

ISBN: 978-604-82-1375-6

279


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

16

TiO2/CdS(4)/CdSe QD/ZnS

14
12

I (mA/cm2)

2.07%
10
8
6
4
2
0
0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

U (V)

Hình 10. Đường đặc trưng I – V của mẫu pin với các điều kiện tối ưu.
KẾT LUẬN
Nghiên cứu tính chất quang của pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang CdSe kết hợp với bán dẫn CdS và
ZnS bằng phổ hấp thu UV – Vis, nhiễu xạ tia X, phổ Raman,cũng như đặc tính I-V, nhóm nghiên cứu chúng tôi
thấy rằng sự kết hợp nhiều vật liệu bán dẫn trong lớp nhạy quang làm tăng hiệu suất pin mặt trời QDSSC, hiệu
suất đạt được cao nhất mà nhóm chúng tôi thực hiện là 2.07%, trong đó, CdS đóng vai trò như lớp đệm cho chấm
lượng tử CdSe hấp phụ và đồng thời giúp mở rộng vùng phổ hấp thụ, còn lớp ZnS đóng vai trò là lớp thụ động
hóa trạng thái bề mặt của chấm lượng tử, hạn chế sự rò rỉ electron từ TiO2 và chấm lượng tử vào chất điện ly.
LỜI CẢM ƠN CHÂN THÀNH XIN GỬI TỚI
Nghiên cứu này thực hiện được nhờ sự tài trợ từ dự án N62909-13-N236. Xin gửi lời cám ơn chân thành
tới phòng thí nghiệm Hóa lý trọng điểm – Đại học quốc gia Tp.HCM đã tạo điều kiện để nhóm nghiên cứu thực
hiện đề tài này.

STUDY PROPERTIES OF PHOTOANODE TIO2/CDS/CDSE QD/ZNS THIN FILMS FOR
QUANTUM DOT-SENSITIZED SOLAR CELL
Nguyen Ngoc Thanh Vy1*, Le Thi Minh Hue1, Huynh Chi Cuong1, Vu Xuan Quang2, Lam Quang Vinh1
1

University of Science, VNU-HCM
2
Duy Tan University, Danang

ABSTRACT
CdSe quantum dot (QD) has been synthesized by the Colloidal method with surfactant – TOP
(Trioctylphosphine) for good quality with high fluorescence intensity and the limited surface trap states,
however, quantum dot-sensitized solar cell efficiency with photoanode TiO 2/CdSe QD gave low
performance, caused by surfactant has not made a chemical link to TiO 2. Our research team
conducted preparing semiconductor layers CdS, ZnS by SILAR method (Successive Ionic Layer
Absorption and Reaction) as a buffer layer and passivation layer, combined with CdSe quantum dot
producing photoanode TiO2/CdS/CdSe QD/ZnS to enhance quantum dot-sensitized solar cell

efficiency. The structure, morphology and optical properties of photoanode TiO2/CdS/CdSe QD/ZnS
were studied by UV-Vis absorption spectra, SEM, XRD and Raman spectroscopy. Results show that
the combination of semiconductor layers CdS, ZnS increases photocurrent and fill factor of the cell,
the efficiency obtains 2% higher than the cell with photoanode TiO2/CdSe QD.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Gavin Conibeer, Third-generation photovoltaic, Materials today (2007).
[2]. Hongsik Choi, Toward highly efficient quantum dot and dye-sensitized solar cells, Current Applied
Physics (2013).
[3]. Peter Reiss, Core/Shell Semiconductor Nanocrystals, Small (2009), 154-168
[4]. Karan Surana, Synthesis, characterization and application of CdSe quantum dot, Journal of Industrial
and Engineering Chemistry (2014).
ISBN: 978-604-82-1375-6

280


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
[5].

M. Abdulkbadar and B.Thomas, Study of Raman spectra of nanoparticles of CdS and ZnS,
Nanostructured Materials (1995),Vol. 5, No. 3, 289 – 298.
[6]. Tung Ha Thanh, Dat Huynh Thanh, and Vinh Quang Lam, The CdS/CdSe/ZnS Photoanode cosensitized Solar Cells Basedon Pt, CuS, Cu2S, and PbS Counter Electrodes, Advances in
OptoElectronics (2014).
[7]. S. Saravana Kumar, M. Abdul Khadar, S.K. Dhara,T.R. Ravindran, K.G.M. Nair, Photoluminescence
and Raman studies of ZnS nanoparticles implanted with Cu+ ions, Nuclear Instruments and Methods in
Physics Research B (2006), 435 – 440.
[8]. C.S. Pathak, V. Agarwala, M.K. Mandal, Mechano-chemical synthesis and optical properties of ZnS
nanoparticles, Physica B407 (2012), 3309–3312.
[9]. Nikolaos Balis, Quantum odt sensitized solar cells based on an optimized combitation of ZnS, CdS and
CdSe with CoS and CuS counter electrodes, Electrochimica Acta91 (2013), 246 – 252.

[10]. Peng Wang, A novel and green method to synthesize CdSe quantum dots-modified TiO2 and its
enhanced visible light photocatalytic activity, Applied Catalysis B: Environment 160 – 161 (2014), 217
– 226.

ISBN: 978-604-82-1375-6

281