Chế tạo màng mỏng TIO2 CDS cấu trúc NANO bằng công nghệ bốc bay kết hợp ủ nhiệt và khảo sát tính chất điện, quang, quang điện của chúng

52 903 1
  • Loading ...
1/52 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 25/03/2015, 11:56

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHAN THỊ QUẾ ANH CHẾ TẠO MÀNG MỎNG TiO 2 /CdS CẤU TRÚC NANO BẰNG CÔNG NGHỆ BỐC BAY KẾT HỢP Ủ NHIỆT VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT ĐIỆN, QUANG, QUANG ĐIỆN CỦA CHÚNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2010 1 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO 2 1.1 Cấu trúc của TiO 2 1.2 Tính chất điện của tinh thể nano TiO 2 1.3 Tính chất quang xúc tác của TiO 2 1.3.1 Nguyên lý cơ bản của quang xúc tác 1.3.2 Cơ chế quang xúc tác của TiO 2 1.4 Pin mặt trời nhạy quang dựa trên cấu trúc tinh thể nanô TiO 2 1.4.1 Cấu tạo 1.4.2. Giải thích hoạt động của pin mặt trời nhạy quang bằng lí thuyết 1.4.3 Các yếu tố trong pin mặt trời nhạy quang 1.4.4 Pin mặt trời nhạy quang composite TiO 2 /CdS Chƣơng 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Các phương pháp thực nghiệm 2.1.1 Phương pháp bốc bay nhiệt 2.1.2 Phương pháp bốc bay dùng chùm tia điện tử 2.1.3 Chụp ảnh bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét 2.1.4 Phép đo phổ hấp thụ 2.1.5 Đo đặc trưng quang điện hóa 2.2 Thực nghiệm chế tạo mẫu Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc điểm cấu trúc và hình thái học của màng TiO 2 3.2 Hình thái học bề mặt của màng mỏng composite TiO 2 /CdS 3.3 Phổ hấp thụ của màng mỏng composite TiO 2 /CdS 3.4 Đặc trưng quang điện hóa của màng mỏng composite TiO 2 /CdS KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 4 4 6 8 9 11 13 14 17 20 24 26 26 26 27 30 31 32 34 36 36 38 41 42 46 47 2 DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu trúc bát diện của TiO 2 Hình 1.2. Cấu trúc rutile Hình 1.3. Cấu trúc Anatase Hình 1.4. Pha brookite Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý hệ đo điện hóa : 1. Điện cực làm việc (Mẫu: TiO 2 ); 2. Điện cực đối Pt. Hình 1.6. Cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn và sự hoạt động của chất bán dẫn khi được kích thích quang hóa Hình 1.7. Cơ chế quang xúc tác của TiO 2 Hình 1.8. Quá trình ôxy hoá quang xúc tác trên hạt TiO 2 nano Hình 1.9. Các quá trình vật lí xảy ra với các hạt tải không cân bằng khi chiếu xạ chuyển tiếp p–n, với lớp A là lớp bán dẫn n và lớp B là lớp bán dẫn p Hình 1.10. Cấu tạo của một pin mặt trời nhạy quang dựa trên các nano tinh thể TiO 2 Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý làm việc của pin mặt trời nhạy quang Hình 1.12. Quá trình chuyển đổi điện tích giữa lớp màu và mạng tinh thể TiO 2 : 1. Metal – to – ligand charge tranfer, 2. Tiêm điện tử và 3. Sự tái hợp điện tích. Hình 1.13. Quá trình kích thích và bước dịch chuyển điện tích trong chất nhạy màu Hình 1.14. Sơ đồ mô tả một tế bào quang điện nhạy màu làm từ tinh thể TiO 2 Hình 1.15. Sơ đồ dịch chuyển điện tích trong hợp chất bán dẫn kiểu capped (a) và coupled (b) 3 Hình 2.1. Nguyên lý cơ bản của phương pháp bốc bay nhiệt Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thiết bị bốc bay bằng chùm tia điện tử trong chân không YBH – 75PI Hình 2.3. Kính hiển vi điện tử quét Hitachi FESEM S–4800 Hình 2.4. Sự hấp thụ ánh sáng của một mẫu đồng nhất có chiều dày d Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý hệ AutoLap.PGS–30: 1. Điện cực làm việc (Mẫu TiO 2 ); 2. Điện cực đối (Pt); Môi trường giữa hai điện cực là chất điện phân 1M KCl và 0.1M Na 2 S Hình 3.1. Giản đồ về cơ chế truyền điện tích của lớp chuyển tiếp dị thể TiO 2 /CdS Hình 3.2. Ảnh FESEM chụp bề mặt của màng mỏng ITO/TiO 2 Hình 3.3. Ảnh FESEM chụp bề mặt của màng mỏng ITO/TiO 2 /70nm CdS Hình 3.4. Ảnh FESEM chụp bề mặt của màng mỏng ITO/TiO 2 /300nm CdS Hình 3.5. Phổ hấp thụ UV−Vis của màng mỏng ITO/TiO 2 và các màng mỏng ITO/TiO 2 /CdS Hình 3.6. Phổ I − V của màng mỏng ITO/TiO 2 và màng ITO/TiO 2 /CdS khi không có và có chiếu sáng Hình 3.7. Phổ I − V của tất cả các màng mỏng ITO/TiO 2 /CdS đã chế tạo khi được chiếu sáng 4 MỞ ĐẦU Pin mặt trời là thiết bị sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời và được sử dụng rộng rãi ngày nay. Đây là giải pháp sử dụng nguồn năng lượng sạch thay thế cho việc sử dụng nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt như dầu mỏ, khí đốt… Vấn đề mấu chốt trong nền công nghiệp hiện nay phát triển công nghệ để giảm giá thành chế tạo và nâng cao hiệu suất biến đổi quang điện của pin. Tế bào quang điện của pin mặt trời thực chất là một lớp chuyển tiếp p−n dày và đã có rất nhiều loại vật liệu được sử dụng để chế tạo nó; tuy nhiên hiện nay chất bán dẫn silic vẫn được sử dụng nhiều nhất do Si là vật liệu phổ biến, đã và đang được sản xuất với số lượng lớn do có hiệu suất chuyển đổi quang điện cao. Tuy giá thành trên mỗi Watt của pin mặt trời trên nền tinh thể silic đã giảm rất đáng kể trong khoảng 10 năm trở lại đây, nhưng các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển thành điện năng vẫn còn rất đắt so với giá điện hiện nay mỗi hộ gia đình phải chi trả hàng tháng. Năm 1991, sự ra đời của “dye–sensitized solar cell (DSC)” – pin mặt trời nhạy quang dựa trên nền vật liệu TiO 2 đã hứa hẹn là một vật liệu thay thế rẻ tiền hơn nhiều so với pin mặt trời truyền thống. Hiện nay, thế hệ pin mặt trời này đã đạt hiệu quả chuyển hóa đến 11% và một khả năng thích nghi tốt với điều kiện được chiếu sáng trong môt khoảng thời gian dài. Thực nghiệm với 8000 giờ chiếu sáng với cường độ gấp 2,5 lần ánh sáng mặt trời, và nhiệt độ thực nghiệm là 80 – 90°C cho thấy hiệu suất chỉ bị giảm đi rất ít, kết quả của 5 thí nghiệm này giúp ta có thể tin tưởng vật liệu này có thể hoạt động rất bền bỉ trong khoảng thời gian ít nhất là 10 năm. Hiện nay hướng nghiên cứu sử dụng màng mỏng TiO 2 như là điện cực thu điện tử trong các linh kiện pin mặt trời kiểu mới (pin mặt trời Grazel – pin mặt trời sử dụng vật liệu composite) đặc biệt được quan tâm và cho thấy có rất nhiều triển vọng. Người ta nhận thấy bằng việc thay đổi kích thước và hình dạng của các nanô tinh thể TiO 2 có thể tăng được hiệu suất làm việc của các linh kiện lên nhiều lần, điều này mở ra hướng đi mới cho việc nghiên cứu chế tạo các pin mặt trời giá rẻ. Có nhiều phương pháp công nghệ khác nhau đã được sử dụng để chế tạo màng TiO 2 có cấu trúc nanô như các phương pháp nhúng kéo, quay phủ ly tâm hay phủ trải sử dụng công nghệ sol–gel … Tuy nhiên gần đây nhiều công trình nghiên cứu chỉ ra rằng bằng phương pháp vật lý như bốc bay chân không kết hợp ủ nhiệt không những có thể chế tạo được màng TiO 2 cấu trúc nanô với độ đồng nhất cao mà còn có thể dễ dàng thay đổi được kích thước và hình dạng của các hạt nano tinh thể. Đặc biệt với phương pháp này màng TiO 2 có thể nhận được có độ tinh khiết cao. Việc nghiên cứu chế tạo màng TiO 2 cấu trúc nano và khảo sát các tính chất điện, quang, quang điện hóa của chúng không chỉ có ý nghĩa về khoa học mà nó còn là cơ sở ban đầu cho việc hướng tới chế tạo pin mặt trời kiểu mới với giá thành hạ và kích thước lớn ứng dụng vào thực tiễn. Với các mục đích như trên, sau một thời gian tập trung chế tạo và nghiên cứu, màng mỏng TiO 2 ứng dụng làm điện cực dương cho pin mặt trời đã được chế tạo thành công, các kết quả khảo sát bước đầu là khả quan. Các kết quả thu được về cấu trúc và hình thái học cũng như tính chất điện, điện quang và quang điện hóa của các mẫu chế tạo đã được tiến hành khảo sát, đánh giá để tìm ra các điều kiện tối ưu cho việc chế tạo các điện cực dương TiO 2 ứng dụng cho pin mặt trời, đáp ứng mục tiêu an toàn năng lượng cho tương lai. Do đó tôi chọn 6 hướng nghiên cứu với nội dung: “Chế tạo màng mỏng TiO 2 /CdS cấu trúc nano bằng công nghệ bốc bay kết hợp ủ nhiệt và khảo sát tính chất điện, quang, quang điện của chúng” làm đề tài khóa luận. Bố cục của khóa luận gồm:  Chƣơng 1: Tổng quan về vật liệu TiO 2 . Trong phần tổng quan này sẽ giới thiệu về cấu trúc và các tính chất điện, quang, quang điện của vật liệu nanô tinh thể TiO 2 .  Chƣơng 2: Thực nghiệm. Phần thực nghiệm sẽ trình bày về phương pháp chế tạo mẫu và các phương pháp phân tích đánh giá phẩm chất của mẫu chế tạo.  Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận. Đánh giá các kết quả đã đạt được, những hạn chế trong quá trình nghiên cứu và đưa ra các giải pháp mới.  Kết luận chung.  Tài liệu tham khảo. Luận văn này được hoàn thành dưới sự kết hợp nghiên cứu và đào tạo giữa Khoa Vật lý Kỹ thuật – Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội và Phòng Công nghệ màng mỏng cấu trúc nano. 7 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO 2 1.1 Cấu trúc của TiO 2 Ôxít TiO 2 được xem là vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng (với Eg = 3.2eV  3.6 eV). Vật liệu này khi được chế tạo dưới dạng kích thước nano cho thấy nhiều tính chất hóa, lý thú vị và đang rất được quan tâm trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau như lĩnh vực quang xúc tác, trong nghiên cứu chế tạo sensơ, các linh kiện điện sắc và các linh kiện tích trữ và chuyển hóa năng lượng… Trong vật liệu TiO 2 , các nguyên tử ôxy và titan sắp xếp theo cấu trúc bát diện (Hình 1.1): Hình 1.1. Cấu trúc bát diện của TiO 2 Mỗi hình bát diện trên được coi như một ô cơ sở trong mạng tinh thể. Tùy theo ô mạng Bravais và vị trí tương đối giữa các hình bát diện, TiO 2 sẽ có các dạng thù hình: brookite, anatase và rutile. 8 Rutile: là trạng thái tinh thể bền của TiO 2 , pha rutile có độ rộng khe năng lượng 3,02 eV. Rutile là pha có độ xếp chặt cao nhất so với 2 pha còn lại, khối lượng riêng 4,2 g/cm 3 . Rutile có kiểu mạng Bravais tứ phương với các hình bát diện xếp tiêp xúc nhau ở các đỉnh (Hình 1.2). Hình 1.2. Cấu trúc rutile Anatase: là pha có hoạt tính quang hoá mạnh nhất trong 3 pha. Anatase có độ rộng khe năng lượng 3,23 eV và khối lượng riêng 3,9 g/cm 3 . Anatase cũng có kiểu mạng Bravais tứ phương như rutile nhưng các hình bát diện xếp tiếp xúc cạnh với nhau và trục c của tinh thể bị kéo dài (Hình 1.3). Hình 1.3. Cấu trúc Anatase 9 Brookite: có hoạt tính quang hoá rất yếu. Brookite có độ rộng khe năng lượng 3,4 eV, khối lượng riêng 4,1 g/cm 3 (Hình 1.4). Do vật liệu màng mỏng và hạt nano TiO 2 chỉ tồn tại ở dạng thù hình anatase và rutile, hơn nữa khả năng xúc tác quang của brookite hầu như không có nên ta sẽ không xét đến pha brookite trong phần còn lại của đề tài. Hình 1.4. Pha brookite TiO 2 có một số tính chất ưu việt thích hợp dùng làm chất quang xúc tác:  Hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại, cho ánh sáng trong vùng hồng ngoại và khả kiến truyền qua.  Là vật liệu có độ xốp cao vì vậy tăng cường khả năng xúc tác bề mặt.  Ái lực bề mặt TiO 2 đối với các phân tử rất cao do đó dễ dàng phủ lớp TiO 2 lên các loại đế với độ bám dính rất tốt.  Giá thành thấp, dễ sản xuất với số lượng lớn, trơ hoá học, không độc, thân thiện với môi trường và có khả năng tương hợp sinh học cao. 1.2 Tính chất điện của tinh thể nano TiO 2 Hầu hết các nghiên cứu về tính dẫn điện của tinh thể nano TiO 2 được tiến hành bằng cách cho màng tiếp xúc với dung dịch điện phân bởi vì nó có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao trong ứng dụng làm pin mặt trời (tế bào Gratzel) (Hình 1.5). [...]... mặt trời nhạy quang được dựa trên quá trình truyền điện tử từ phân tử chất màu tới TiO 2 và quá trình truyền lỗ trống từ chất màu được ôxy hoá tới chất điện phân Cơ chế truyền điện tử phụ thuộc mạnh vào cấu trúc điện tử của sự hấp thụ phân tử màu và mức năng lượng giữa các trạng thái kích thích của chất màu và vùng dẫn của TiO2 * Sự truyền điện tích Trong pin mặt trời nhạy quang, sự truyền điện tích xảy... của màng mỏng TiO2 (vật liệu TiO2 chủ yếu hấp thụ vùng bước sóng < 400nm) Bên cạnh đó cấu trúc xốp và liên kết mạnh của màng bán dẫn TiO2 cấu trúc nano đem lại nhiều thuận lợi cho việc biến đổi bề mặt với các chất nhuộm hữu cơ và phức hợp hữu cơ kim loại Cụ thể hiệu ứng chuyển đổi quang nằm trong khoảng từ 10 – 15% với màng TiO2 cấu trúc nano được biến đổi bằng phức hợp Ruthinium Các phản ứng quang lý... làm chúng khó ứng dụng vào thực tế 1.4.1 Cấu tạo Cấu tạo của pin mặt trời nhạy quang được mô tả như ở hình 1.7, bao gồm nanô tinh thể TiO2 phủ trên điện cực thuỷ tính dẫn trong suốt (thường là ITO), 17 phân tử nhuộm màu nhạy quang nằm trên bề mặt của nanô TiO2, một dung dịch điện phân gồm những cặp ôxy hoá như là I–/I3– và một chất xúc tác phủ lên điện cực đối Dưới tác dụng của ánh sáng, pin tạo ra điện. .. hàm sóng điện tử của mức LUMO của chất màu và vùng dẫn của TiO2 Tác động trực tiếp của sự kích thích là một trong những nguyên nhân của quá trình chuyển đổi điện tích nhanh tại bề mặt chất màu – TiO2 Hình 1.12 Quá trình chuyển đổi điện tích giữa lớp màu và mạng tinh thể TiO2: 1 Metal – to – ligand charge tranfer, 2 Tiêm điện tử và 3 Sự tái hợp điện tích 22 * Sự tách các điện tích Sự tách điện tích... của TiO2 Hình 1.7 Cơ chế quang xúc tác của TiO2 Trong Hình 1.7 là sơ đồ nguyên lý cơ chế quang xúc tác của TiO2 Do cấu trúc điện tử được đặc trưng bởi vùng hoá trị điền đầy (VB) và vùng dẫn trống (CB), các chất bán dẫn như TiO2 có thể hoạt động như những chất tăng nhạy cho các quá trình ôxy hoá khử do ánh sáng và sự hình thành gốc tự do *OH là vấn đề mấu chốt của phản ứng quang xúc tác trên TiO 2 TiO2. .. các chất nhạy quang được tiêm vào pin mặt trời dựa trên sự hấp thụ của chúng vào cấu trúc xốp của lớp TiO2 Hình 1.14 mô tả sơ đồ hoạt động của một pin mặt trời làm từ tinh thể nano TiO2 được phủ lớp nhạy quang được xem như một nguồn năng lượng mới hữu ích trong tương lai Trong mẫu này, phức hợp Ruthinium được hấp thụ vào TiO 2 làm chất nhuộm và quá trình ôxy hóa khử I–/I3– tạo môi trường chất điện. .. được tạo ra trong vùng, hóa trị của CdS còn điện tử thì di chuyển vào vùng dẫn của TiO2 việc này làm gia tăng sự phân tách dòng hạt tải và hiệu suất của hiệu ứng quang xúc tác Một vài bán dẫn khác cũng được dùng để tạo composite với TiO2: TiO2 – CdS, TiO2 – CdSe, TiO2 coupled SnO2, TiO2 capped SiO2, Fe2O3 – TiO2, ZrO2 – TiO2 … 28 CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Các phƣơng pháp thực nghiệm 2.1.1 Phƣơng pháp bốc. .. điều này lại làm thay đổi tính chất vật lý của vật liệu như thời gian tái hợp điện tử – lỗ trống và những đặc tính hấp thụ 1.3 Tính chất quang xúc tác của TiO2 Những chất rắn có khả năng thúc đẩy nhanh phản ứng hóa học dưới tác dụng của ánh sáng nhưng không bị tiêu hao trong quá trình phản ứng được gọi là chất quang xúc tác Một chất quang xúc tác tốt là: + Chất có hoạt tính quang hóa 11 + Có thể sử... nhạy quang a Màng TiO2 TiO2 là bán dẫn có vùng cấm rộng (Eg = 3.2eV) Hiện nay việc tạo ra các hạt TiO2 với kích thước nhỏ là khá dễ dàng và rẻ Trong hoạt động của pin mặt 23 trời nhạy quang, chỉ một vài lớp nguyên tử TiO2 hấp thụ chất màu tham gia vào quá trình tiêm hạt tải (điện tử) Để tăng hiệu suất của pin, chúng ta cần một cấu trúc TiO2 có diện tích hấp thụ lớn Do đó ta cần phải giảm kích thước của. .. dẫn có độ rộng vùng cấm lớn Có hai loại cấu trúc của mối liên kết này là “capped” và “coupled” được mô tả dưới Hình 1.15 27 Hình 1.15 Sơ đồ dịch chuyển điện tích trong hợp chất bán dẫn kiểu capped (a) và coupled (b) Trong trường hợp “coupled” của CdS và TiO2 ta thấy năng lượng của ánh sáng kích thích nhỏ so với TiO2 nhưng lại ủ lớn để kích thích điện tử của CdS (Eg = 2.5eV) từ vùng hóa trị lên vùng . HỌC CÔNG NGHỆ PHAN THỊ QUẾ ANH CHẾ TẠO MÀNG MỎNG TiO 2 /CdS CẤU TRÚC NANO BẰNG CÔNG NGHỆ BỐC BAY KẾT HỢP Ủ NHIỆT VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT ĐIỆN, QUANG, QUANG ĐIỆN CỦA CHÚNG. nội dung: Chế tạo màng mỏng TiO 2 /CdS cấu trúc nano bằng công nghệ bốc bay kết hợp ủ nhiệt và khảo sát tính chất điện, quang, quang điện của chúng làm đề tài khóa luận. Bố cục của khóa luận. được chế tạo thành công, các kết quả khảo sát bước đầu là khả quan. Các kết quả thu được về cấu trúc và hình thái học cũng như tính chất điện, điện quang và quang điện hóa của các mẫu chế tạo
- Xem thêm -

Xem thêm: Chế tạo màng mỏng TIO2 CDS cấu trúc NANO bằng công nghệ bốc bay kết hợp ủ nhiệt và khảo sát tính chất điện, quang, quang điện của chúng, Chế tạo màng mỏng TIO2 CDS cấu trúc NANO bằng công nghệ bốc bay kết hợp ủ nhiệt và khảo sát tính chất điện, quang, quang điện của chúng, Chế tạo màng mỏng TIO2 CDS cấu trúc NANO bằng công nghệ bốc bay kết hợp ủ nhiệt và khảo sát tính chất điện, quang, quang điện của chúng, CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO2, 3 Tính chất quang xúc tác của TiO2, 4 Pin mặt trời nhạy quang dựa trên cấu trúc tinh thể nanô TiO2, 1 Các phương pháp thực nghiệm, CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN, 1 Đặc điểm cấu trúc và hình thái học của màng TiO

Từ khóa liên quan

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn