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

ĐẶT VẤN ĐỀ

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.

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 28
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


Luận văn thạc sĩ Vật lý.