Thạc Sĩ Chế tạo thanh nano ZnO bằng phương pháp điện hóa ứng dụng trong pin mặt trờ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành: Vật Lý Vô Tuyến và Điện Tử
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
– NĂM 2012

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC BẢNG
ĐẶT VẤN ĐỀ 4


PHẦN 1. TỔNG QUAN 6
Chương 1. PIN MẶT TRỜI – PIN MẶT TRỜI LAI HÓA . 6
1.1 Khái niệm và lịch sử pin mặt trời 6
1.2 Nguyên tắc hoạt động PMT 7
1.2.1 Hấp thu trong bán dẫn 7
1.2.1.1 Các loại chuyển mức hấp thu trong bán dẫn 8
1.2.1.2 Các loại hấp thu trong bán dẫn. . 9
1.2.2 Quá trình phân ly và truyền dẫn điện tích. . 9
1.3 PMT dựa trên vật liệu lai hóa 13
1.3.1 Thành phần cấu tạo PMT lai hóa 13
1.3.2 Cơ chế hoạt động trong PMT lai hóa . 16
1.4 Các thông số đặc trưng của PMT 16


Chương 2. VẬT LIỆU ZnO VÀ ZnO NANOROD 20
2.1 Giới thiệu về vật liệu ZnO . 20
2.1.1 Cấu trúc tinh thể ZnO . 20
2.1.2 Sai hỏng trong tinh thể ZnO . 20
2.1.3 Tính chất điện của vật liệu ZnO . 22
2.2 Vật liệu ZnO nanorod 22
2.2.1 Cấu trúc hình thái học 22
2.2.2 Tính chất và ứng dụng của ZnO nanorod . 23
2.2.3 Mật độ trạng thái 26


Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ZnO NANOROD .

3.1 Phương pháp phún xạ 28
3.2 Phương pháp thủy nhiệt 30
3.3 Phương pháp CVD VLS 31
3.4 Phương pháp điện hóa . 32
3.5 Một số phương pháp phân tích ZnO NRs . 37
3.5.1 Phương pháp đo quang phát quang 37
3.5.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X . 38
3.5.3 Phương pháp chụp ảnh SEM 39
3.5.4 Phương pháp đo độ bám dính . 40
3.5.4.1 Khảo sát bằng dòng nước xoáy 40
3.5.4.2 Khảo sát sự bám dính bằng spin 41
3.5.4.3 Khảo sát độ bám dính bằng phương pháp đánh siêu âm . 41


Phần 2. THỰC NGHIỆM . 42
Chương 4. HỆ THỰC NGHIỆM . 42
4.1 Cấu tạo hệ điện hóa (potentiostat) . 42
4.2 Lắp đặt và sự dụng hệ điện hóa: 43


Chương 5. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 48
5.1 Thực nghiệm chế tạo ZnO nanorod . 48
5.1.1 Hóa chất – Dụng cụ thí nghiệm - Pha hóa chất 48
5.1.2 Thực nghiệm tạo ZnO nanorod trên các đế khác nhau. . 50
5.1.2.1 Tạo ZnO nanorod trên đế đồng 51
5.1.2.2 Tạo ZnO nanorod trên đế thủy tinh phủ màng đồng . 52
5.1.2.3 Tạo ZnO nanorod trên đế Cu/ZnO . 53
5.1.2.4 Tạo ZnO nanorod trên màng ZnO . 53
5.1.3 Tạo ZnO nanorod trên đế ITO 56
5.1.3.1 Ổn dòng một bước . 56
5.1.3.2 Ổn dòng các bước 61
5.1.4 Giải thích quá trình hình thành ZnO NRs bằng điện hóa 66
5.1.5 Điều khiển kích thước của ZnO NRs. 69
5.1.6 Một số kết quả khảo sát khác của ZnO NRs 72
5.1.6.1 Khảo sát sự bám dính của ZnO NRs 72
5.1.6.2 Phổ truyền qua của ZnO NRs. . 75
5.1.6.3 Đặc trưng I-V của ZnO NRs. . 75
5.1.6.4 Phổ phát quang của ZnO nanorod . 77
5.1.6.5 Phổ Xray 78
5.2 Thực nghiệm tạo PMT 79
5.2.1 Thực nghiệm phủ lớp hữu cơ . 79
5.2.2 Thực nghiệm phủ điện cực nhôm (Al) . 81


Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 83
6.1 Kết luận . 83
6.2 Hướng phát triển . 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu tạo pin mặt trời đơn giản. . 7
Hình 1.2: Sơ đồ năng lượng chuyển mức: (a) chuyển mức thẳng.
(b) chuyển mức xiên trực tiếp. (c) chuyển mức xiên gián tiếp. 9
Hình 1.3: Hóa thế e,h của cặp điện tử và lỗ trống. 11
Hình 1.4: Cấu trúc năng lượng của tiếp xúc p-n khi được chiếu sáng . 12
Hình 1.5: Cấu trúc PMT lai hóa . 13
Hình 1.6: Cơ chế dẫn điện của polymer dẫn 15
Hình 1.7: Mô hình mức năng lượng và cơ chế chuyển điện tích trong PMT lai hóa 16
Hình 1.8: Đặc tuyến I-V của PMT 18
Hình 2.1: Cấu trúc tinh thể của ZnO 20
Hình 2.2: Các dạng sai hỏng điểm thường gặp 21
Hình 2.3: Một số hình thái cấu trúc 1D của ZnO 23
Hình 2.4: Đường đặc trưng I-V: (a) hệ Au/ZnO, (b) Hệ Au/Ti/ZnO 25
Hình 2.5: Cường dộ dòng phát của ZnO nanarod trên đế Si ở 550oC . 26
Hình 2.6: Mật độ trạng thái năng lượng của các hình thái vật liệu khác nhau . 27
Hình 3.1: Mô hình hệ phún xạ DC 28
Hình 3.2: Mask (lưới) nhôm oxit . 29
Hình 3.3: Mô hình mô phỏng chế tạo NRs bằng phún xạ . 29
Hình 3.4: Sơ đồ chế tạo NRs bằng phương pháp hóa ướt 30
Hình 3.5: Nguyên tắc và cấu tạo hệ VLS 31
Hình 3.6: Quá trình hình thành ZnO NRs trong VLS . 32
Hình 3.7: Hệ điện hóa mô phỏng 32
Hình 3.8: ZnO NRs trên các đế khác nhau . 36
Hình 3.9: ZnO NRs phát triển ở nhiệt độ: (a) 90°C, (b) 120oC, (c) 150oC, (d) 180°C 36
Luận văn thạc sĩ Vật lý.
HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu
Hình 3.10: ZnO NRs phát triển với nồng độ muối Zn(NO3)2data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABAQMAAAAl21bKAAAAA1BMVEXh5PJm+yKVAAAAAXRSTlMAQObYZgAAAApJREFUCNdjYAAAAAIAAeIhvDMAAAAASUVORK5CYII=" class="mceSmilieSprite mceSmilie3" alt="" title="Frown ">a) 0.0025 M. (b) 0.005 M. (c) 0.0075 M. (d) 0.01 M . 37
Hình 3.11 : Hệ quang phát quang . 37
Hình 3.12: Sự nhiễu xạ tia X trên các mặt mạng nguyên tử . 38
Hình 3.13: Cấu tạo kính hiển vi điện tử quét SEM . 39
Hình 4.1: Mô hình hệ điện hóa hoàn chỉnh a, Hệ điện hóa điều khiển nhiệt qua bộ phận potentionstat. b, Hệ điện hóa điều khiển nhiệt qua máy tính 42
Hình 4. 2: Hệ potentiostat. a, card potentiostat. b, CPU gắn card potentiostat 43
Hình 4.3: Vị trí gắn Card potentionstat . 44.
Hình 4.4: Giao diện cài đặt phần mềm Framework 5.20 setup 44
Hình 4.5: Giao diện cài đặt bước thứ hai . 45
Hình 4.6: Giao diện cài đặt các bước cuối cùng 45
Hình 4.7: Giao diện khởi động phần mềm . 46
Hình 4.8: Các danh mục làm việc của hệ điện hóa . 46
Hinh 4.9: Giao diện danh mục điện hóa ổn thế . 47
Hình 5.1: Bình điện phân ba cổ . 49
Hình 5.2: Toàn cảnh hệ điện hóa dùng chế tạo ZnO NRs . 49
Hình 5.3: Sơ đồ pha dung dịch . 50
Hình 5.4: Hình SEM của ZnO của mẫu D1 51
Hình 5.5: Hình chụp SEM của ZnO mẫu MD1 . 52
Hình 5.6: Hình chụp SEM của ZnO MDZ1 . 53
Hình 5.7: Hình chụp SEM của ZnO MZ1 . 54
Hình 5.8: Hình SEM bề mặt màng Cu và ZnO NRs trên đế màng Cu . 55
Hình 5.9: Hình SEM bề mặt màng Cu/ZnO và ZnO NRs trên đế màng Cu/ZnO 55
Hình 5.10: Hình SEM bề mặt màng ZnO thuần và ZnO NRs trên đế màng ZnO 55
Hình 5.11: Hình SEM của ZnO NRs mẫu I01 . 57
Hình 5.12: Hình SEM của ZnO NRs mẫu I02 . 58
Hình 5.13: Hình SEM của ZnO NRs mẫu I03 . 59
Hình 5.14: Hình SEM của ZnO NRs mẫu I05 . 60
Luận văn thạc sĩ Vật lý.
HV: Lê Khắc Tốp CBHD: PGS TS Lê Văn Hiếu
Hình 5.15: Hình SEM của ZnO NRs mẫu I05M 60
Hình 5.16: Hình SEM của ZnO NRs mẫu IF03 62
Hình 5.17: Hình SEM của ZnO NRs mẫu IF06 . 63
Hình 5.18: Hình SEM của ZnO NRs mẫu IF09 64
Hình 5.19: Hình SEM của ZnO NRs mẫu IF12 65
Hình 5.20: Hình chụp mặt cắt ngang của ZnO NRs . 65
Hình 5.21: Quá trình hình thành ZnO NRs 67
Hình 5.22: Quy trình tạo mầm ZnO bằng solgel 69
Hình 5.23: Hình SEM ZnO NRs: a) mẫu M0 mầm ZnO, b) mẫu M1, c) mẫu M2, d) mẫu M3, e) mẫu M4, f) mẫu M5
Hình 5.24: Hệ thí nghiệm khảo sát độ bám dính bằng dòng nước xoáy . 73
Hình 5.25: ZnO NRs trước và sau khi khảo sát bằng dòng nước xoáy. 73
Hình 5.26: Máy spin 74
Hình 5.27: ZnO NRs trước và sau khi khảo sát bằng spin . 74
Hình 5.28: Phổ truyền qua của ZnO NRs, a) mẫu M5, b mẫu M1 . 75
Hình 5.29: a) mô hình đo đặc I-V của NRs, b) NRs được phủ lớp polymer cách điện . 76
Hình 5.30 : Đường đặc trưng I-V của màng ITO, ZnO-ITO và ZnO NRs-ITO 76
Hình 5.31: Phổ phát quang PL của ZnO NRss ở nhiệt độ phòng: (a) ZnO NRs trên đế Cu, (b) ZnO NRs trên đế ITO . 78
Hình 5.32: Phổ Xray của ZnO NRs với các điều kiện ổn dòng khác nhau 79
Hình 5.33: Sơ đồ tạo màng polymer dẫn 80
Hình 5.34: Hệ bốc bay dùng phủ điện cực nhôm (Al) 80
Hình 5.35: Pin mặt trời hoàn thiện . 81
Hình 5.36: Đặc trưng I-V của hệ pin chưa chiếu sáng 82





[B]ĐẶT VẤN ĐỀ[/B]
Nhu cầu năng lượng đang trở thành vấn đề quan trọng hàng đầu trên thế giới. Với sự gia tăng dân số và sự phát triển công nghiệp nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn thế giới ngày càng tăng cùng với sự cạn kiệt dần của năng lượng hóa thạch thì năng lượng mặt trời đang rất được thế giới quan tâm, nghiên cứu. Trong những năm gần đây pin mặt trời (PMT) hữu cơ được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm nghiên cứu bởi những tính chất ưu việt của nó như giá thành rẻ, triển vọng ứng dụng lên các đế mềm dẻo, linh động như nhựa. Tuy nhiên, hiệu suất của PMT hữu cơ vẫn còn thấp (dưới 5%) mặc dù có khã hấp thụ được dải bước sóng rộng. Một trong những yếu tố làm hiệu suất của PMT hữu cơ thấp là độ dài khuếch tán vật liệu hữu cơ thường rất ngắn (~10nm) và độ linh động nhỏ [34], độ rộng vùng cấm của P3HT:BCBM có sự chênh lệch lớn so với điện cực ITO. Vì thế, cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra trong quá trình hấp thụ ánh sáng mặt trời của lớp hữu cơ sẽ bị tái hợp, điện tử - lỗ trống không đến được điện cực. Nhằm khắc phục nhược điểm đó, PMT lai hóa giữa hữu cơ và vô cơ, mang tên PMT thế hệ thứ tư đã và đang được nghiên cứu. PMT thế hệ thứ tư là loại pin được “đan xen” giữa lớp hữu cơ với lớp vô cơ (cụ thể là nanorod, nanowire, quantum dots ). Lớp vật liệu vô cơ này với độ linh động cao, mức năng lượng gần với mức năng lượng của điện cực, được đan xen vào trong cấu trúc vật liệu hữu cơ, nhờ vậy diện tích tiếp xúc giữa vật liệu hữu cơ và vô cơ được tăng lên rất lớn, lớp vật liệu vô cơ 1D này sẽ có vai trò làm kênh truyền dẫn điện tích ra điện cực, vì thế điện tử dễ dàng được khuếch tán và phân ly ra điện cực [33].
Vật liệu ZnO có cấu trúc không gian một chiều (1D) đang được các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam đặc biệt quan tâm, bởi với cấu trúc 1D này có rất nhiều ứng dụng rộng rãi trong khoa học cũng như trong đời sống. Như ứng dụng trong PMT, LED, cảm biến khí, cảm biến sinh học, quang xúc tác và thiết bị phát xạ trường [14,15,16,17,18,19].


Trong đề tài này, chúng tôi sẽ nghiên cứu chế tạo thanh nano (nanorod: NRs) ZnO bằng phương pháp điện hóa trên các đế khác nhau, khảo sát các sự ảnh hưởng của đế đến quá trình hình thành và phát triển định hướng của thanh nano ZnO. Chúng tôi cũng sẽ thay đổi giá trị của dòng điện thành từng bước (mỗi bước có giá trị dòng điện khác nhau) nhằm tìm ra điều kiện chế tạo thanh nano ZnO có tính định hướng theo trục c trực giao tốt, điều khiển chiều dài kích thước của ZnO NRs phù hợp nhằm ứng dụng trong PMT. Bước đầu chúng tôi cũng sẽ phủ polymer dẫn để chế tạo PMT lai hóa vô cơ – hữu cơ và khảo sát sự ảnh hưởng của ZnO nanorod trong cấu trúc PMT này.