Luận Văn Khảo sát pin mặt trời quang điện hóa với điện cực TiO2/Nano vàng

KHẢO SÁT PIN MẶT TRỜI QUANG ĐIỆN HÓA
VỚI ĐIỆN CỰC TiO2/NANO VÀNG


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU . . 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI. VẬT LIỆU OXIT TITAN (TiO2).
HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG PLASMON TRÊN BỀ MẶT KIM LOẠI . . 3
1.1 Pin mặt trời, pin mặt trời quang điện hóa . . 3
1.1.1 Lịch sử phát triển . 3
1.1.2 Pin mặt trời màng mỏng . . 4
1.1.3 Pin mặt trời quang điện hóa . . 6
1.2 Vật liệu bán dẫn oxit tian (TiO2) . . 8
1.2.1 Tính chất chung của TiO2 . . 8
1.2.2 Các pha của TiO2 . . 10
1.2.3 Pha anatase và rutile . . 11
1.3 Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt kim loại . . 15
1.3.1 Cơ sở lý thuyết về plasmon và kích thích plasmon . 15
1.3.2. Sự phân cực plasmon tại các giao diện điện môi - kim loại . . 17
1.3.3 Plasmon bề mặt định xứ trong các hạt nano kim loại . 20
1.4 Nguyên lý làm việc của pin mặt trời quang điện hóa sử dụng điện cục TiO2/nano
vàng. . 24
CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG MỎNG OXIT TITAN VÀ
CÁC KỸ THUẬT PHÂN TÍCH. . 27
2.1 Các phương pháp chế tạo màng mỏng . . 27
2.1.1. Phương pháp bốc bay nhiệt . . 27
2.1.2. Phương pháp bốc bay chùm tia điện tử . . 28
2.1.3. Phương pháp quay phủ ly tâm . . 30
2.1.4. Phương pháp phún xạ . . 31
2.1.5. Phương pháp oxi hóa nhiệt . . 37
2.2. Các kỹ thuật phân tích . . 37




2.2.1. Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) . . 37
2.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X . . 38
2.2.3. Đo phổ hấp thụ . . 39
2.2.4. Đặc trưng dòng điện - điện áp (I-V) . 39
CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MÀNG MỎNG TiO2 VÀ MÀNG TỔ HỢP TiO2/NANO VÀNG
SỬ DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC TRONG PIN QUANG ĐIỆN HÓA, KHẢO SÁT PIN
QUANG ĐIỆN HÓA VỚI ĐIỆN CỰC TiO2 . 44
3.1. Chế tạo màng mỏng TiO2 . 44
3.1.1. Chế tạo màng Ti bằng phương pháp phún xạ cathode . 44
3.1.2. Chế tạo màng TiO2 bằng phương pháp Oxy hóa nhiệt . 45
3.2. Chế tạo màng tổ hợp TiO2/nano vàng . . 48
3.2 Khảo sát pin mặt trời quang điện hóa . 50
3.2.1. Hệ điện ly và điện cực đối . . 50
3.2.2. Đo đặc trưng I-V . . 52
KẾT LUẬN CHUNG . . 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 55




MỞ ĐẦU
Năng lượng là vấn đề vô cùng quan trọng cho sự t n tại và phát triển của mỗi quốc
gia. Trong những năm gần đây, lượng năng lượng tiêu thụ trên thế giới có sự tăng nhanh
do nhu cầu phát triển kinh tế. Theo tổ chức EIA (Energy Information Administration),
lượng năng lượng tiêu thụ năm 2015 sẽ tăng gần 20% và năm 2030 tăng 44% so với năm
2006 (4,98 x 1020Wh). Năm 2006, 86% ngu n cung cấp năng lượng có sản sinh ra CO2,
chiếm 80% lượng CO2 sinh ra trên toàn cầu, và quá trình đốt nhiên liệu này sinh ra các
chất ô nhiễm môi trường khác như NOx, SOx, , đây là vấn đề nguy hại với môi trường
sống và là nguyên nhân của hiện tượng ấm lên toàn cầu. Mặt khác, ngu n năng lượng hóa
thạch ngày càng cạn kiệt, theo báo cáo của tập đoàn BP năm 2009, trữ lượng dầu thế giới
đủ để khai thác trong 42 năm, khí thiên nhiên 60 năm, than đá 200 năm. Ngu n năng
lượng thay thế thân thiện môi trường là vấn đề cấp thiết đặt ra cho loài người.
Mặt trời được xem là ngu n cung cấp năng lượng vô tận, với lượng năng lượng
khổng l chiếu xuống bề mặt trái đất hàng năm tương đương 1×1018 kWh, nếu so sánh
với tổng năng lượng thế giới tiêu thụ năm 2000 tương đương 1014 kWhta có thể thấy giá
trị thực của ngu n năng lượng này. Vấn đề đặt ra là chuyển ngu n năng lượng vô tận này
về các dạng năng lượng loài người có thể sử dụng như điện, nhiệt . Pin mặt trời là ứng
viên hàng đầu trong việc chuyển đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng thành năng lượng
điện.
Hiện nay các tấm pin mặt trời trên thị trường thương mại chủ yếu là pin mặt trời dựa
trên cơ sở vật liệu bán dẫn silic (đơn tinh thể hoặc màng mỏng đa tinh thể) có thể chuyển
đối từ 14 đến 17% năng lượng mặt trời thành năng lượng điện. Tuy nhiên giá thành còn
cao và kích thước lớn (lớp hấp thụ Si dày khoảng 200µm). Một số hướng nghiên cứu gần
đây là sử dụng vật liệu oxit bán dẫn để thay thế cho lớp hấp thụ Si. Oxit titan (TiO2) là
một oxit bán dẫn được quan tâm và sử dụng nhiều trong các thiết bị chuyển đổi năng
lượng từ ánh sáng mặt trời. Tuy nhiên TiO2 lại là chất bán dẫn vùng cấm rộng (độ rộng
vùng cấm từ 3,2 eV đến 3,6 eV), vì vậy nó chỉ hấp thụ ánh sáng và tạo ra hạt tải ở vùng
UV, vì thế cần thiết phải đẩy vùng hấp thụ của pin mặt trời dạng này qua vùng khả kiến.
Một trong những hướng giải quyết đó là sử dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt
1




kim loại vàng trên bề mặt chất bán dẫn TiO2 để đẩy vùng hấp thụ của pin mặt trời quang
điện hóa về vùng khả kiến.
Chính vì thế, mục tiêu của khóa luận này là nghiên cứu tính chất quang điện hóa của
màng mỏng TiO2 và hiệu ứng plasmon của màng tổ hợp TiO2/Au ứng dụng trong pin mặt
trời quang điện hóa
Khóa luận g m có ba chương:
Chương 1: Tổng quan về pin mặt trời, vật liệu oxit titan (TiO2). Hiệu ứng cộng
hưởng plasmon trên bề mặt kim loại
Chương 2: Các phương pháp chế tạo màng mỏng oxit titan và các kỹ thuật phân
tích
Chương 3: Chế tạo màng mỏng TiO2 và màng tổ hợp TiO2/nano vàng sử dụng làm
điện cực trong pin quang điện hóa, khảo sát pin quang điện hóa với điện cực TiO2