DSpace at VNU: Chế tạo và nghiên cứu tính chất của màng mỏng TiO2 cấu trúc nano ứng dụng cho điện cực pin mặt trời quang - điện – hóa

Chế tạo và nghiên cứu tính chất của màng
mỏng TiO2 cấu trúc nano ứng dụng cho điện
cực pin mặt trời quang - điện – hóa
Nguyễn Văn Hiếu
Trường Đại học Công nghệ
Luận văn ThS Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
Mã số Chuyên ngành đào tạo thí điểm
Người hướng dẫn: TS. Ngô Quang Minh
Năm bảo vệ: 2014

Keywords. Màng mỏng TiO2; Cấu trúc Nano; Pin mặt trời; Tính chất quang; Vật liệu
Nano.


Ở ẦU
Ngày nay, nhu cầu về năn lƣợn là rất lớn để phát triển các n ành công
n hiệp và phục vụ sinh hoạt hàn n ày của chún ta Tron khi đó các n uồn nhiên
liệu sẵn có tron tự nhiên nhƣ: than đá, ầu mỏ, kh đốt tự nhiên n ày một cạn kiệt
và khó phục hồi Điều này khiến cho nh n loại đan đứn trƣớc n uy cơ thiếu hụt
năn lƣợn n hiêm tr n Việc t m kiếm và khai thác các n uồn năn lƣợn mới
nhƣ: năn lƣợn hạt nh n, năn lƣợn ió và năn lƣợn mặt trời là hƣớn đi v
cùng quan tr n tron kế hoạch phát triển năn lƣợn toàn cầu Chún ta đã iết
mặt trời cun cấp cho ề mặt trái đất một lƣợn năn lƣợn khổn lồ vào khoản
3.1024 /năm Đ y là một n uồn năn lƣợn tự nhiên ồi ào và v tận, nhƣn việc
n hiên cứu chuyển hóa có hiệu quả n uồn năn lƣợn này thành các ạn năn
lƣợn hữu ụn khác phục vụ đời sốn con n ƣời lại là thách thức lớn của các nhà
khoa h c hiện nay
Từ thời i ập cổ đại con n ƣời đã iết cách thu các ức xạ năn lƣợn mặt
trời để phục vụ đời sốn nhƣ là sƣởi ấm vào m a đ n và phơi kh thức ăn hƣn
phải tới năm 1839 hiệu ứn quang điện mới đƣợc phát hiện ởi nhà vật l n ƣời
Pháp l xan r

mon
cqu r l khi làm th n hiệm chiếu sán điện cực kim
loại tron chất điện li iệu ứn quan điện cuối c n đƣợc l rt inst in iải
th ch đầy đủ vào năm 1905 Sau đó, năm 1954 là pin mặt trời đạt hiệu suất 6% đƣợc
làm từ chất án ẫn silic và u2S/ S ho tới n ày nay pin mặt trời đã đƣợc
n hiên cứu phát triển và cho ra nhiều loại khác nhau có hiệu suất khác nhau V ụ
nhƣ pin quan điện PV PV: photovoltaics) đạt hiệu suất trên 20%, các loại pin
quan điện hóa P
P : Photo- l ctroch mical ll) có hiệu suất đạt ƣới 11%
Tuy đạt hiệu suất thấp hơn nhƣn có iá thành rẻ, đơn iản ễ chế tạo và ễ điều
chỉnh nên pin quan điện hóa P
đƣợc các nhà khoa h c tron và n oài nƣớc quan
t m n hiên cứu và chế tạo Việc tìm cách để n n cao hiệu suất đã đƣợc n hiên cứu
rất s i độn tron nhữn năm ần đ y, nhƣn việc n n cao hiệu suất cho pin măt
trời quan điện hóa P
đặc iệt là ạn
SS
y -S nsitiz Solar ll) đƣợc
các nhà khoa h c chú tới nhiều
hằm n n cao hiệu suất cho pin mặt trời quan điện hóa, các nhà khoa h c
đã đi s u vào n hiên cứu chế tạo cũn nhƣ t m ra các loại vật liệu án ẫn có t nh
1


chất quan điện hóa tốt để sử ụn làm điện cực ột tron số các án ẫn đƣợc
quan t m nhất là xit của titan Ti), k hiệu hóa h c là Ti 2. TiO2 là vật liệu án ẫn
có v n cấm rộng (3,2eV ÷ 3,6eV) Với khả năn trao đổi và t ch trữ ion và các hạt
tải điện, ền tron m i trƣờn un ịch, vật liệu xit Ti 2 là thành phần ch nh
đƣợc quan t m để chế tạo linh kiện chuyển đổi năn lƣợn , ứn

ụn tron quan

xúc tác, đặc iệt là tron pin quan điện hóa [32].
ƣời ta nhận thấy rằn Ti

2

khi đƣợc chế tạo ƣới ạn màn mỏn có cấu

trúc nanô ẫn tới sự h nh thành mạn lƣới các hạt liên kết với nhau cho phép quá
tr nh ẫn điện tử có thể xảy ra ằn việc điền đầy khoản trốn iữa các hạt ởi
các m i trƣờn ẫn điện nhƣ án ẫn loại p, các chất điện li ẫn tới sự h nh thành
v n chuyển tiếp có iện t ch tiếp xúc lớn hi đó màn mỏn Ti 2 đƣợc đón vai
tr nhƣ một điện cực thu điện tử Đ y đƣợc x m nhƣ là một đặc t nh hết sức quan
tr n để n hiên cứu chế tạo các linh kiện quan điện tử đặc iệt là pin mặt trời. Mô
h nh pin ạn này đã đƣợc
ratz l đƣa ra vào năm 1991, đƣợc i là pin mặt
trời sử ụn chất nhuộm màu SSC (Dye-Sensitized Solar Cell) [3] ạn pin
SS này sử ụn màn mỏn Ti 2 xốp làm điện cực Ƣu điểm của pin mặt trời
quan -điện-hóa ựa trên điện cực Ti 2 là: kh n ị ảnh hƣởn của các khuyết tật
mạn , việc truyền hạt tải đƣợc sinh ra ằn ánh sán qua hạt và iên hạt nanô rất
hiệu quả, c n n hệ chế tạo đơn iản, tiêu tốn t năn lƣợn , vật liệu rẻ, t phụ
thuộc vào óc của ánh sán tới, và nhiệt độ m i trƣờn
oài ra, pin mặt trời loại
này có thể hấp thụ các v n ánh sán mặt trời khác nhau ằn cách thay đổi chất
màu nhạy quan hay pha tạp các nanô kim loại qu
, u) và nó có thể hoạt độn
với cả ánh sán có cƣờn độ thấp Tuy nhiên hiệu suất của pin mặt trời quan -điệnhóa ựa trên điện cực Ti 2 c n thấp
Ở Việt am nhữn năm ần đ y, pin mặt trời quan -điện-hóa đã đƣợc n hiên
cứu tại Viện hoa h c vật liệu, Viện óa h c Viện Hàn lâm

V ), Đại
h c n n hệ, Đại h c
T Đại h c Q
), Đại h c ách khoa à ội, Đại
h c
T Đại h c Q TP
) ác n hiên cứu đó liên quan đến pin mặt trời
chế tạo trên các vật liệu án ẫn Ti 2, Zn cấu trúc nanô ác kết quả thu đƣợc cho
thấy các nhóm n hiên cứu tron nƣớc có khả năn triển khai ứn ụn pin mặt trời
quan -điện-hóa Việc chế tạo màn mỏn Ti 2 có h nh thái cấu trúc, có độ ày, độ
xốp và độ truyền qua mon muốn đã đƣợc n hiên cứu chế tạo ằn nhiều phƣơn
pháp khác nhau nhƣ: phƣơn pháp vật l
ốc ay tron ch n kh n , phún xạ, ),

2


phƣơn pháp hóa h c lắn đ n hóa h c từ pha hơi, sol- l, điện hóa, quay phủ li
t m ) son c n n hệ chế tạo và các l iải về cơ chế ẫn điện cũn nhƣ hiệu suất
của pin mặt trời quan điện hóa vẫn c n nhiều điều chƣa đạt đƣợc nhƣ mon muốn
V vậy với tran thiết ị có sẵn tại Viện hoa h c vật liệu Viện Hàn lâm KH & CN
VN) em xin đề cập tới vấn đề: “C ế
TiO2 ấ

nanô

đ

ấ
ự

3

ặ

ờ q

ỏ
-đ

-

”


T

ả

ế

:

[1] Đặng Trần Chiến, “Chế tạo và khảo sát tính chất của màng oxit titan TiO2, oxit
kẽm ZnO cấu trúc nanô ứng dụng l
điện cực t u điện tử trong pin mặt trời cấu
trúc vô cơ – hữu cơ”, Luận án Tiến sỹ, Viện khoa h c vật liệu, 2011.
[2]
uyễn Đức
h a,

hiên cứu pin mặt trời hữu cơ, áo cáo đề tài n hiên cứu
khoa h c c n n hệ cấp Viện
V 2010, Viện
& CN VN.
T
[3]
in uc

ả

ế

nh:

uqu an
arti, “ ncr asin th ffici ncy of i al solar c lls y photon
transitions at int rm iat l v ls,” Phys R v
tt 78 26), 5014 1997)

[4] A. am ,
on al, Z
Yamani, “ ff ct of transition m tal opin on
photocatalitic activity of WO3 for water splitting under laser illumination: role of
3d-or itals,” atalys ommunication 5, 715-719 (2004).
[5] A. Hagfeldt, G. Boschloo,
Sun,
loo, an
P tt rsson, “Dye-sensitized
solar cells,” h mical R vi ws 110, 6595-6663 (2010).
[6] A. L. Linsebigler, G. Lu, and T. Y. John, “Photocatalisis on Ti 2 surfaces:

principles, mechanisms, an s l ct r sults,” h m R v 95, 735-758 (2011).
[7]
S Richar s, “ ov l us s of titanium
Ph.D.Thesis, EPFL (2002).

ioxi

for silcon solar c lls,”

[8]
anaor an
Sorr l, “R vi w of th anatas to rutil phas transformation,”
Journal of Materials Science 46, 855-874 (2011).
[9]
ar ar an
prop rti s of titanium oxi

Rusu, “Th influ nc of h at tr atm nt on th optical
thin films,” at rials tt rs 56, 210-214 (2002).

[10]
W Schu rt an T unk l, “Spin coatin from a molecular point of view:
its conc ntration r im s, influ nc of molar mass an
istri ution,” at rials
Research Innovations 7, 314 (2003).
[11] E. Pedrueza, J. S. Parramon, S. Bosch, J. L. Valdes, and J. P. M. Pastor,
“Plasmonic lay rs as
on u-nanoparticle-doped TiO2 for optoelectronics:
structural an optical prop rti s,” anot chnolo y 24, 065202 2013)
[12] G. Cangiani, “ -initio study of the properties of TiO2 rutile and anatase

polityp s,” Ph Th sis, P
2003)
[13]
o s, “ omparison of y - and Semiconductor-sensitized porous
nanocrystallin liqui junction solar c lls”, J. Phys. Chem. C 112, 17778-17787
(2008).
[14] H. Lina, A. K. Rumaizb, M. Schulzc, D. Wanga, R. Rockd, C. P. Huanga, and
S
Shah, “Photocatalitic activity of puls las r posit Ti 2 thin films,”
Materials Science and Engineering B 151, 133 (2008).

63


[15] K. Awazu, M. Fujimaki, C. Rockstuhl, J. Tominaga, H. Murakami, Y. Ohki, N.
Yoshi a, an T Watana , “A Plasmonic Photocatalyst Consisting of Silver
Nanoparticles Embedded in Titanium Dioxide”
m h m Soc , 130 5), 1676
(2008).
[16] L. Kavan, M. Grätzel, S. E. Gibert, C. Klemenz, and H. J. Scheel,
“ l ctroch mical an photoelectrochemical investigation of single-crystal anatas ”,
J Am. Chem. Soc., 118, 6716-6723 (1996).
[17]
npo, S ohshi,
itano, Y u,
Tak uchi, an
atsuoka, “Th
preparation and characterization of highly efficient titanium oxide base
photofunctional aat rials”, nnual R vi w of at rials R s arch 2005)
[18]

rätz l, “Photo l ctroch mical c ll,” atur 414, 338-344 (2001).

[19]
Tak uchi, S ohshi, T ura, an
npo, “Pr paration of titanium
silicon binary oxide thin film photocatalists by an ionized cluster beam deposition
method: Their photocatalitic activity and photoinduced super-hy rophilicity,” Th
Journal of Physical Chemistry B 107, 14278-14282 (2003).
[20]
V ozzi, “ mprovin th photocatalitic activity Ti 2 for nvironmental
applications: ff cts of opin an of surfac mo ification,” Ph th sis 38-50
(2011).
[21] Q
o, “A study on nanophotonic devices using photonic crystals and
plasmonic nanostructures” Ph
iss rtation - January, 2011, Ajou University,
Suwon, Korea.
[22] R. Debnath and J. Chaudhuri, “ nhi itin ff ct of lP 4 and SiO2 on the
anatase and rutile transformation reaction: An x-ray an las r Raman stu y,”
Journal of Materials Research 7, 3348-3351 (1992).
[23] R.
n r r, “Sin l
rystal
natas
inv sti ations,” Ph.D.Thesis, EPFL (2010).

TiO2: Growth and surface

[24] R S Rusu,

Rusu, “ n th l ctrical of Ti
Optoelectronics and Advanced Materials 7, 234 (2005).

2

thin film,” ournal of

[25] R. R. Talavera, S. Rargas, R. A. Murillo, R. M. Campos, and E. H.
Poniatowski, “ o ification of th phas transition t mp ratur s in titania op
with various cation,” ournal of at rials R s arch 12, 439-443 (1997).
[26] S
6 (2007).

ai r, “Plasmonics: fun am ntals an applications,” S

0-387-33150-

[27] S
, “ y -ensitized TiO2 thin-film solar cell research at the National
R n wa l n r y a oratory R ),” Solar n r y at rials Solar lls 88,
1-10 (2005).

64


[28] S
u n,
Sosa,
os s,
, an

oskovits, “Plasmonic
photosensitization of a wide band gap semiconductor: converting plasmons to
char carri rs” ano tt , 11 12), 5548 2011)
[29] T
an ,
Pham,
, an V
Pham, “Ti 2/CdS nanocomposite
films: fabrication, characterization, electronic and optical prop rti s”,
v at
Sci.: NanoSci. Nanotechnol. 1, 012002-012005 (2010).
[30] T. M. Razykov, C. S. Ferekides, D. Morel, E. Stefanakos, H. S. Ullal, and H.
Upa hyaya, “Solar photovoltaic electricity: Current status and future prospects”,
Solar Energy (2011).
[31] T. M. Wang, Studies on photocatalytic activity and transmittance spectra of
TiO2thin film prepared by rf magnetron sputtering method, Surface and Coatings
Technology 155(2). 141 (2002).
[32] U. Bach, D. Lupo, P. Comte, J. E. Moser, F. Weissortel, J. Salbeck, H.
Spr itz r, an
rätz l, “Soli -state dye-sensitized mesoporous TiO2 solar cell
with high photon-to- l ctron conv rsion ffici nci s”, atur 395, 583-585 (1998).
[33] U
i ol , “The surface science of titanium dioxide,” Surface Science
Reports 48, 53-229 (2003).
[34] W Y hoi,
T rmin, an
R offmann, “Th rol of m tal ion opants
in quantum-sized TiO2: correlation between photoreactivity and charge carrier
r com ination ynamics,” Phys h m 84, 13669-13679 (1994).
[35] Z Wan an X u, “ a rication an l ctrochromic prop rti s of spin-coated

TiO2 thin film from perpxo-polititanic aci ,” Thin Solid Film 352, 63-65 (1999).

65