Thạc Sĩ Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của vật liệu chuyển tiếp dị chất khối cấu trúc nano trên cơ

MỞ ĐẦU

Trong những năm qua, sự phát triển vượt bậc của khoa học kĩ thuật đã góp phần thúc đẩy sản xuất, phát triển các ngành công nghiệp, nâng cao đời sống vật chất tinh thần của còn người. Song song với những mặt tích cực đó con người phải đối mặt với nhiều khó khăn từ mặt trái của sự phát triển đó mang lại, đó là ô nhiễm môi trường, nguồn nước, các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt . Vật liệu bán dẫn hữu cơ đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu trong các trường đại học, viện và các trung tâm nghiên cứu của các nước có nền khoa học kĩ thuật phát triển trên thế giới trong vòng vài thập kỉ gần đây.
Trên thực tế, đã có những kết quả nghiên cứu bước đầu được ứng dụng trong đời sống như diode phát quang hữu cơ (OLED) hay pin mặt trời hữu cơ (OSC) nhằm đáp ứng nhu cầu về khai thác sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và thân thiện môi trường. Ở Việt Nam trong khoảng mười năm trở lại đây, nghiên cứu về khoa học và công nghệ nano ứng dụng trong các lĩnh vực quang-điện tử, y-sinh và môi trường đã có sự phát triển mạnh mẽ. Trong đó, đặc biệt phải kể đến Chương trình phát triển năng lượng xanh của chính phủ nhằm thu hút các đầu tư nghiên cứu khai nguồn năng lượng dồi dào của mặt trời.
Từ lý do đó, tác giả đã lựa chọn đề tài: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của vật liệu chuyển tiếp dị chất khối cấu trúc nano trên cơ sở ống carbon nano (CNTs) và polymer dẫn, ứng dụng chế tạo pin mặt trời hữu cơ.
Mục tiêu của bản luận văn tập trung vào giải quyết các vấn đề:
- Nghiên cứu chế tạo các màng vật liệu tổ hợp blend polymer và vật liệu chuyển tiếp dị chất khối trên cơ sở polymer dẫn là poly (N-vinylcarbazole) - PVK, Poly (N-hexylthiophene) - P3HT, phenyl-C61-Butyric acid methyl ester - PCBM và ống carbon nano – CNTs.
- Khảo sát cấu trúc hình thái học, các tính chất quang - điện của các màng vật liệu tổ hợp đã chế tạo. Thực hiện tối ưu hóa vật liệu và điều kiện chế tạo màng.
- Thử nghiệm ứng dụng vật liệu chế tạo linh kiện pin mặt trời hữu cơ (OSC), khảo sát các thông số kỹ thuật của linh kiện.
Nội dung của luận văn, ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm 3 chương:
- Chương 1: Tổng quan lý thuyết về ống nano carbon, vật liệu polymer dẫn và vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất cấu trúc nano, các kiến thức cơ bản về pin mặt trời như cấu trúc, nguyên lý hoạt động, các đặc tính của pin mặt trời hữu cơ.
- Chương 2: Trình bày các phương pháp thực nghiệm nghiên cứu đã sử dụng để chế tạo và nghiên cứu cấu trúc hình thái học của vật liệu: Tạo màng bằng phương pháp spin – coating, phương pháp đo phổ hấp thụ UV – Vis; phổ quang - huỳnh quang, ảnh hiển vi điện tử quét FE-SEM, đo chiều dày màng mỏng bằng hệ đo Alpha-Step IQ Profiler
- Chương 3: Trình bày các kết quả đo đạc và phân tích về cấu trúc hình thái học bề mặt, các tính chất điện – quang của các màng vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất, kết quả nghiên cứu chế tạo pin mặt trời hữu cơ (OSC) sử dụng vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất khối đã chế tạo.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
- Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời hữu cơ sử dụng các lớp hoạt quang là vật liệu tổ hợp cấu trúc chuyển tiếp dị chất khối trên cơ sở các polymer dẫn là hướng nghiên cứu đã và đang thu hút được sự quan tâm của các trung tâm nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước. Đây cũng là hướng nghiên cứu còn khá mới mẻ ở nước ta. Pin mặt trời hữu cơ sử dụng vật liệu tổ hợp trên cơ sở polymer dẫn là poly (Nvinylcarbazole)
– PVK; Poly (N-hexylthiophene) - P3HT; phenyl-C61-Butyric acid methyl ester - PCBM và ống carbon nano – CNTs bước đầu đã thu được các kết quả khả quan về hiệu suất chuyển đổi quang – điện cũng như giá thành hợp lý của linh kiện, có tiềm năng ứng dụng tốt trong thực tiễn.

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN . III
LỜI CAM ĐOAN . IV
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT V
MỤC LỤC VI
DANH MỤC HÌNH ẢNH VIII
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3
1.1. Ống Nano Carbon (CNTs) . 3
1.1.1. Lịch sử hình thành 3
1.1.2. Phân loại ống nano các bon . 3
1.1.3. Tính chất của ống nano carbon 4
1.1.4. Các phương pháp chế tạo ống nano carbon 7
1.1.5. Ứng dụng của ống nano Carbon 7
1.2. Vật liệu bán dẫn hữu cơ – Polymer dẫn 7
1.2.1. Giới thiệu chung . 7
1.2.2. Polymer cấu trúc nối đôi liên hợp 9
1.2.3. Cấu trúc vùng năng lượng của bán dẫn hữu cơ . 10
1.2.4. Tính chất điện . 11
1.2.5. Tính chất quang 12
1.2.6. Poly (N-vinylcarbazole) - PVK . 15
1.2.7. Poly (3-hexylthiophene) – P3HT 16
1.3. Vật liệu chuyển tiếp dị chất cấu trúc nano 17
1.4. Pin mặt trời hữu cơ 18
1.4.1. Giới thiệu chung . 18
1.4.2. Cấu trúc của pin mặt trời hữu cơ . 22
1.4.3. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời hữu cơ 24
1.4.4. Phân loại pin mặt trời hữu cơ 25
1.4.5. Các thông số kĩ thuật của pin mặt trời . 27
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ NGHIÊN CỨU 30
2.1. Phương pháp quay phủ ly tâm (Spin – coating) 30
2.2. Phương pháp đo phổ hấp thụ UV - Vis . 31
2.3. Phương pháp đo phổ quang – huỳnh quang 32
vii
2.4. Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét FE-SEM . 33
2.5. Phương pháp đo chiều dày màng mỏng 34
2.6. Chế tạo pin mặt trời hữu cơ . 35
2.6.1 Chế tạo màng điện cực ITO bằng phương pháp ăn mòn hóa học ướt: . 35
2.6.2. Chế tạo lớp hoạt quang của pin mặt trời hữu cơ . 35
2.6.3. Chế tạo màng điện cực Al bằng phương pháp bốc bay nhiệt chân không . 36
2.6.4 Pin mặt trời với lớp hoạt quang màng mỏng dị chất khối cấu trúc nano 37
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN . 39
3.1. Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của vật liệu chuyển tiếp dị chất khối
cấu trúc nano trên cơ sở CNTs và polymer dẫn . 39
3.1.1. Nghiên cứu cấu trúc hình thái học của màng blend PVK:P3HT và vật liệu tổ
hợp 40
3.1.2. Khảo sát độ dày của màng vật liệu tổ hợp . 41
3.2. Khảo sát tính chất hấp thụ ánh sáng của vật liệu . 42
3.2.1. Phổ hấp thụ UV-Vis của màng blend conducting polymer 42
3.2.2. Phổ hấp thụ UV-Vis của vật liệu chuyển tiếp dị chất khối . 44
3.2.3. Ảnh hưởng của CNTs đến phổ hấp thụ UV-Vis của vật liệu chuyển tiếp dị chất
khối . 44
3.3. Khảo sát hiệu ứng dập tắt huỳnh quang của vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất
khối . 45
3.3.1. Hiệu ứng dập tắt huỳnh quang của màng PVK:PCBM 45
3.3.2. Hiệu ứng dập tắt huỳnh quang của màng P3HT:PCBM 47
3.3.3. Hiệu ứng dập tắt huỳnh quang của màng PVK:P3HT:PCBM . 48
3.4. Ứng dụng vật liệu tổ hợp chuyển tiếp dị chất PVK:P3HT:PCBM:CNTs trong chế
tạo pin mặt trời hữu cơ (OSC) 49
KẾT LUẬN 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO 53