Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-P-1.38 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA MÀNG ANODE QUANG TIO2/CDS/CDSE QD/ZNS ỨNG DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI CHẤM LƯỢNG TỬ NHẠY QUANG Nguyễn Ngọc Thanh Vy1*, Lê Thị Minh Huệ1, Huỳnh Chí Cường1, Vũ Xuân Quang2, Lâm Quang Vinh1 Khoa Vật lý – VLKT,trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Trường Đại học Duy Tân, Đà Nẵng *Email: nnthanhvy@outlook.com TÓM TẮT Chấm lượng tử (QD) CdSe tổng hợp phương pháp Colloide với chất hoạt động bề mặt TOP (Trioctylphosphine) cho chấm lượng tử có cường độ phát quang cao trạng thái bẫy bề mặt hạn chế Tuy vậy, hiệu suất pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang với anode quang TiO2/CdSe QD lại cho hiệu suất thấp, nguyên nhân chất hoạt động bề mặt không tạo liên kết hóa học với TiO2 Nhóm nghiên cứu tiến hành tổng hợp lớp bán dẫn CdS, ZnS phương pháp SILAR (Successive Ionic Layer Absorption and Reaction) đóng vai trò lớp đệm lớp thụ động hóa, kết hợp với chấm lượng tử CdSe tạo anode quang TiO2/CdS/CdSe QD/ZnS nhằm nâng cao hiệu suất pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang Cấu trúc, hình thái học tính chất quang anode quang TiO2/CdS/CdSe QD/ZnS nghiên cứu phổ hấp thụ UV-Vis, SEM, XRD phổ Raman Kết cho thấy việc kết hợp lớp bán dẫn CdS, ZnS làm tăng cường độ dòng hệ số lấp đầy pin, hiệu suất đạt 2.07% cao pin với anode quang TiO2/CdSe QD Từ khóa: Quantum dot-sensitized solar cell, SILAR method, Colloide, CdSe quantum dot GIỚI THIỆU Giải vấn đề lượng đề tài nóng hổi cho nghiên cứu, nhiều hệ pin mặt trời đời với mục tiêu chuyển đổi lượng ánh sáng mặt trời thành điện Trong đó, hệ thứ ba cho vượt qua giới hạn Schockley – Queisser đạt tới hiệu suất 60%[1] Hiện tại, pin mặt trời đại diện cho hệ thứ ba pin mặt trời chất màu nhạy quang đạt hiệu suất ~ 12%[2], nhiên dễ bị phân hủy nhiệt độ cao nên cần thay vật liệu khác Với đời chấm lượng tử, cấu trúc nano bán dẫn có khả tạo exciton, gây hiệu ứng giam hãm lượng tử cho tiềm nâng cao hiệu suất pin mặt trời Pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang (QDSSCs) xem dạng thay pin mặt trời chất màu nhạy quang (DSSCs) Sự khác rõ ràng hai loại pin thay chất hữu kim loại chất màu vô chấm lượng tử nhạy quang CdS, CdSe, PbS, PbSe InP.v.v… Chấm lượng tử ý khả dễ dàng thay đổi kích thước dẫn tới thay đổi vùng phổ hấp thụ khả tạo exciton (trạng thái liên kết electron vùng dẫn lỗ trống vùng hóa trị) Sử dụng chấm lượng tử mở khả cho cấu hình pin mặt trời hệ thứ ba đa sinh hạt tải (MEG) tiêm electron nóng Dù có tiềm to lớn vậy, hiệu suất chuyển đổi pin mặt trời chất nhạy quang đạt xấp xỉ 5%, trị số thấp so với DSSCs Hiệu suất thấp QDSSCs đánh giá trình phân ly tái hợp hạt tải bề mặt tiếp giáp TiO2/chấm lượng tử/chất điện ly[2] Trong loại chấm lượng tử Cadmium Selenite (CdSe) sử dụng phổ biến cho cường độ phát quang cao, hiệu suất lượng tử tốt, CdSe QD hứa hẹn ứng cử viên sáng giá phân tích hình ảnh sinh học (biological image), transistor đơn electron (Single-electron transistor), đèn LED, pin mặt trời[4,10] Trong báo cáo này, phương pháp phân hủy hợp chất – kim sử dụng để chế tạo chấm lượng tử CdSe phương pháp phổ biến cho chấm lượng tử chất lượng tốt Đồng thời nghiên cứu tính chất quang chuyển dời điện tử chấm lượng tử CdSe kết hợp với bán dẫn CdS ZnS để cải thiện hiệu suất pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang THỰC NGHIỆM Hóa chất Cadmium acetate dehydrate ((CH3COO)2Cd.2H2O) Merck độ 99%, M = 266.52 g/mol; Selenium (Se) Merck, độ 99%, M = 78.96 g/mol;Tri-n-octylphosphine (TOP, C24H51P) Sigma Aldrich, M = 370.63g/mol, d = 0.831 g/ml; Di-phenyl ether (C12H10O) Merck, M = 170.21 g/mol;Oleic acid (OA, C18H34O2) Fisher scientific UK Limited, M = 282.46 g/mol, d = 0.895 g/ml; Toluene (C 6H5CH3) Merck, M = 92.14 g/mol, d = 0.87 kg/l;Methanol (CH 3OH) Merck, M = 32.04 g/mol, d = 0.792 kg/l;Sodium Sulfate (Na2S.9H2O), M = 240.05 g/mol; Zinc acetate (Zn(NO3)2.6H2O), M = 297 g/mol ISBN: 978-604-82-1375-6 272 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Tổng hợp chấm lượng tử CdSe phương pháp Colloide Hỗn hợp gồm (CH3COO)2Cd.2H2O, OA DPE đưa vào bình cầu ba cổ với tỉ lệ Cd:OA=1: 4.1 (DPE đóng vai trò dung môi) Khuấy đun nóng hỗn hợp để tạo điều kiện phân hủy hợp chất, đồng thời sục khí N2 để tạo môi trường khí trơ bảo vệ suốt phản ứng nâng nhiệt độ lên 120oC – 180oC Ở nhiệt độ này, dung môi nóng hòa tan muối Cadmium, tạo phức Cd với OA tạo thành dung dịch suốt màu vàng nhạt, dung dịch giữ ổn định nhiệt độ mong muốn khoảng 10 phút Hòa tan Se TOP tạo hỗn hợp TOP-Se 0.1M môi trường khí trơ (Ar N2), bột Se (có màu đen) tan hết TOP thu dung dịch suốt, không màu Phun nhanh dung dịch Se – TOP vào bình ba cổ khuấy mạnh, sau khoảng thời gian vài giây, dung dịch bình phản ứng đổi màu sang màu vàng, cam nhạt đậm tùy theo nhiệt độ phản ứng thời gian lấy mẫu khoảng vài phút đến vài chục phút (tùy theo thời gian ta muốn khảo sát) Điều khiển trình phát triển tinh thể thời gian giữ bình phản ứng nhiệt độ cao Kích thước hạt vật liệu xác định gián tiếp qua việc đo phổ hấp thụ UV-vis phổ huỳnh quang Để dừng trình kết tinh ta phun nhanh ml toluene để làm lạnh dung dịch, đồng thời dừng gia nhiệt để nhiệt độ phản ứng khoảng ~ 100oC Sản phẩm chấm lượng tử CdSe chế tạo sau làm cách tạo kết tủa với methanol, quay li tâm tốc độ 3000 vòng/phút 15 phút, sau gạn bỏ phần dung dịch, lọc lấy kết tủa phân tán lại toluene, trình làm thực nhiều lần Tổng hợp lớp bán dẫn CdS ZnS phương pháp SILAR (Successive Ionic Layer Absorption and Reaction) Phương pháp phản ứng hấp phụ lớp ion liên tục (Successive Ionic Layer Absorption and Reaction_SILAR) biết đến dạng biến đổi phương pháp lắng đọng bể hóa học (Chemical bath deposition_CBD) Đây phương pháp đơn giản tốn với nhiều ưu điểm: (i) phương pháp đơn giản để pha tạp màng với nguyên tố hóa học nào, tỉ lệ nào, cần thêm dạng ion nguyên tố vào dung dịch; (ii) tỉ lệ thành phần lắng đọng độ dày màng điều khiển dễ dàng cách thay đổi số chu trình lắng đọng; (iii) dù phương pháp tiến hành nhiệt độ phòng tạo màng với cấu trúc vật liệu thô; (iv) phương pháp sử dụng với loại vật liệu đế nào, không hạn chế chiều hay cấu hình bề mặt đế Phương pháp SILAR dựa hấp phụ phản ứng ion dung dịch rửa với nước khử ion để tránh kết tủa đồng dung dịch Phản ứng trước hấp phụ (pre-adsorbed) (các cation) hấp phụ (các anion) hình thành nên màng mỏng Sự tập hợp chất lên chất khác biết hấp phụ, tản phương pháp SILAR.Sự hấp phụ tượng bề mặt ion bề mặt đế lực tương tác ion dung dịch bề mặt đế Các lực lực kết dính, lực liên kết Van-der Waals, lực liên kết hóa học Các yếu tố nhiệt độ dung dịch, áp suất, chất đế, nồng độ dung dịch, diện tích đế, …đều ảnh hưởng tới trình hấp phụ CdS Màng TiO2 sau nung xong nhúng qua dung dịch chứa ion tương ứng (cation Cd2+ anion S2-) để tạo lớp CdS, dung dịch chuẩn bị sau: Muối Cd(CH3COO)2.2H2O hòa tan C2H5OH để thu dung dịch chứa ion Cd2+ nồng độ 0.1M muối Na2S.9H2O hòa tan CH3OHthu dung dịch chứa ion S2- nồng độ 0.1M Quá trình SILAR để tạo lớp CdS TiO2như sau: Đầu tiên, màng TiO2 nhúng vào 0.1M Cd(CH3COO)2 khoảng phút, rửa lại với ethanol, sau nhúng vào 0.1M Na2S khoảng phút rửa lại với methanol, hai lần nhúng hoàn thành chu trình SILAR, sau màng sấy khô nhiệt độ 100oC khoảng 10 phút, kết ta lớp SILAR CdS, tùy theo số lớp CdS ta mong muốn số chu trình SILAR lặp lặp lại tương ứng ZnS Tương tự CdS, chuẩn bị dung dịch tạo ZnS gồm: Muối Zn(NO3)2 hòa tan H2O thu dung dịch chứa ion Zn2+ nồng độ 0.1M muối Na2S.9H2O hòa tan H2O thu dung dịch chứa ion S2- nồng độ 0.1M Quá trình SILAR lớp ZnS tương tự lớp CdS Tạo anode quang TiO2/CdS/CdSe QD/ZnS Màng TiO2 sau nung xong nhúng qua dung dịch Cd(CH3COO)2 0.1M, rửa lại với dung môi ethanol, sau nhúng qua dung dịch Na2S 0.1M, rửa lại với dung môi methanol, màng sấy khô, kết ta thu màng TiO2/CdS với chu trình, tùy theo số lớp CdS ta mong muốn số chu trình SILAR lặp lặp lại tương ứng Sau hoàn thành điện cực anode TiO2/CdS, để tạo anode TiO2/CdS/CdSe anode ngâm dung dịch chấm lượng tử CdSe 24 Sau ngâm, màng đem nung chân không nhiệt độ 150oC 30 phút ISBN: 978-604-82-1375-6 273 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Anode TiO2/CdS/CdSe sau hoàn thành nhúng tiếp vào dung dịch Zn(NO3)2 0.1M, rửa lại với nước cất, sau nhúng vào dung dịch Na2S 0.1M, rửa lại với nước cất đem sấy khô, ta kết thúc chu trình SILAR lớp ZnS, thao tác lặp lại tùy theo số lớp mong muốn Ta hoàn thành xong điện cực anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS Tạo điện cực cathode Pt Kính FTO với kích thước anode khoan lỗ nhỏ 1mm, xử lý anode không xử lý TiCl4 Sau quét lớp Pt thương mại (Platinum Dyesol, Úc) nung 450oC 30 phút Điện cực anode cathode sau hoàn thành ghép với nhau, hai điện cực lớp nhựa dẻo surlyn Pin ép nhiệt máy ép nhiệt chân không nhiệt độ 180oC – 200oC, lớp surlyn nóng chảy dính chặt hai điện cực lại với Bơm chất điện ly polysulfide vào pin thông qua hai lỗ khoan, dán kín lỗ khoan, ta pin hoàn chỉnh KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Để nghiên cứu vai trò thành phần anode quang, sử dụng phương pháp quang phổ UV – Vis, nhiễu xạ tia X, phương pháp quang phổ Raman đođặc trưng dòng I-V hệ máy Keithley kết hợp với hệ mô ánh sáng mặt trời Oriel Sol1A Phân tích phổ hấp thụ UV – Vis TiO2 Do hap thu (Abs) 1.2 1.1 Dung dich CdSe TiO2/CdSe 1.0 TiO2/CdS 0.9 TiO2/CdS/CdSe 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 400 500 600 700 800 Buoc song (nm) Hình Phổ hấp thu so sánh tính chất quang anode Đầu tiên nghiên cứu tính chất quang hấp thu anode quang với lớp đệm CdS Dung dịch chấm lượng tử CdSe đo hấp thụ UV – Vis cho bước sóng hấp thụ 536 nm, phổ có dạng phổ phân tử (hình 1.),TiO2 với độ rộng vùng cấm 3.2eV cho bờ hấp thụ bước sóng 380nm Khi chấm lượng tử CdSe hấp phụ bề mặt TiO2 xốp vùng phổ hấp thụ mở rộng từ vùng tử ngoại đến khả kiến, đặc điểm giải thích việc ứng dụng chấm lượng tử CdSe vào pin mặt trời Phổ hấp thu anode quang TiO2/CdS có bờ bước sóng 512 nm, sau kết hợp với CdSe tạo anode quang TiO2/CdS/CdSe vùng phổ hấp thu mở rộng từ vùng tử ngoại tới khoảng bước sóng 536 nm CdSe, đồng thời độ hấp thụ tăng lên so với anode TiO2/CdSe Điều chứng tỏ CdS đóng vai trò lớp đệm đồng nhạy quang với CdSe anode quang, giúp tăng độ hấp thụ photon anode quang Ở hình 2, so sánh phổ hấp thu anode quang TiO2/CdS/CdSe anode quang TiO2/CdS/CdSe/ZnS SILAR thêm lớp ZnS, thấy độ hấp thu anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS nâng lên đáng kể, tăng 40% so với anode TiO2/CdS/CdSe Đồng thời, bờ hấp thu có dịch chuyển bước sóng ngắn có hình thành vật liệu khác, thể từ anode TiO2/CdS/CdSe có dạng hai bờ hấp thu biểu diễn cho lớp CdS CdSe chuyển sang bờ Để nghiên cứu rõ việc vật liệu quang anode hình thành dạng hỗn hợp, tiến hành phân tích quang phổ Raman ISBN: 978-604-82-1375-6 274 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM 1.4 TiO2/CdS TiO2/CdS/CdSe 1.2 TiO2/CdS/CdSe/ZnS Do hap thu (Abs) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 400 500 600 700 800 Buoc song (nm) Hình Phổ hấp thu so sánh tính chất quang anode TiO2/CdS, TiO2/CdS/CdSe TiO2/CdS/CdSe/ZnS Phân tích nhiễu xạ tia X TiO2 1400 TiO2/CdS TiO2/CdS/CdSe Intensity (Counts) 1200 TiO2/CdS/CdSe/ZnS 1000 800 600 400 200 20 30 40 50 60 Theta Hình Giản đồ nhiễu xạ tia X màng vật liệu TiO2, TiO2/CdS, TiO2/CdS/CdSe TiO2/CdS/CdSe/ZnS Hình thể giản đồ nhiễu xạ tia X màng TiO2/CdS/CdSe/ZnS so với TiO2/CdS/CdSe, TiO2/CdS TiO2 Ngoài đỉnh đặc trưng TiO2 vị trí góc nhiễu xạ theta: 25o, 38o, 48o, 54o 55o , phổ nhiễu xạ lớp màng QDs xuất đỉnh khác, đỉnh đặc trưng mặt mạng (111), (220), (311) với góc nhiễu xạ 26o, 43o, 51o tương ứng với cấu trúc lập phương zinc blende chúng có cường độ nhỏ thể cho cấu trúc nano Khi thay đổi thành phần màng vị trí góc nhiễu xạ giữ nguyên, có chênh lệch nhẹ cường độ đỉnh phổ, kết so sánh với nghiên cứu S Saravana Kumar [7], C.S Pathak [8] Thanh Tung Ha [6] nên kết luận lớp vật liệu CdS, CdSe, ZnS mà tổng hợp có cấu trúc lập phương kích thước nano Phân tích phổ Raman Phổ Raman hình TiO2/CdS/CdSe TiO2/CdS/CdSe/ZnS cho ta thấy cấu trúc anatase màng TiO2 chiếm ưu có chế độ dao động vùng số sóng từ 100 cm-1 tới 800 cm-1 là: 143, 400, 520, ISBN: 978-604-82-1375-6 275 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM 640 cm−1 phù hợp với tính chất keo paste TiO2 18-NRT hãng Dyesol mà sử dụng (hình phổ nhỏ) Với dao động 300 cm-1 phổ Raman TiO2/CdS/CdSe liên kết Cd-S (kí hiệu dấu chấm màu xanh dương nhạt hình phổ nhỏ), từ phổ Raman không tính toán kích thước hạt vị trí số sóng hoàn toàn phù hợp với việc hình thành CdS với kích thước nano [3, 6] Dựa vào phổ Raman TiO2/CdS/CdSe, ta thấy mode dao động 208 cm-1 phonon quang dọc LO đặc trưng cho dao động tinh thể CdSe (được kí hiệu dấu chấm màu đỏ hình phổ nhỏ) Vật liệu CdSe khối có đỉnh LO số sóng 210 cm-1, có dịch chuyển số sóng thấp (208 cm-1) giam hãm không gian phonon chấm lượng tử[6] Ngoài có dao động 420 cm-1 601 cm-1 bị dao động TiO2 pha anatase chồng lấp Ở phổ Raman TiO2/CdS/CdSe/ZnS, theo kết nghiên cứu C.S Pathak S Saravana Kumar [7, 8] , đỉnh Raman ZnS số sóng 259 cm-1 350 cm-1, so sánh với kết thực nghiệm nhóm thấy không trùng khớp, liên kết riêng Zn-S không hình thành Ở phổ này, thấy xuất hai đỉnh cường cao 220 cm-1 470 cm-1, phổ Raman có ZnS làm tăng cường độ đỉnh phổ (kể TiO2) Chúng giả định dạng hỗn hợp nguyên tố Cd, S, Se, Zn hình thành Hình Phổ Raman TiO2/CdS/CdSe TiO2/CdS/CdSe/ZnS Ở hình có hình phổ nhỏ phóng to vị trí đỉnh phổ ISBN: 978-604-82-1375-6 276 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM 65000 60000 55000 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 TiO2/CdS/CdSe TiO2/CdS/CdSe/ZnS 500 Raman shift Hình Chồng chập hai phổ Raman TiO2/CdS/CdSe TiO2/CdS/CdSe/ZnS Từ phổ ta thấy tăng cường đỉnh sau thêm ZnS Phân tích vi hình thái cấu trúc tinh thể Hình Ảnh FE-SEM bề mặt TiO2 (a), bề mặt anode TiO2/CdS (b), bề mặt anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS (c) Nhóm tiến hành chụp ảnh FE – SEM trạng thái bề mặt anode TiO2/CdS TiO2/CdS/CdSe/ZnS so sánh với bề mặt xốp TiO2 để kiểm tra giả thuyết bề mặt sở cho việc chấm lượng tử CdSe hấp phụ tốt Hình b) cho thấy bề mặt màng TiO2/CdS có dạng xốp kích thước trung bình đám … lớn so với TiO2, giúp bề mặt TiO2/CdS có nhiều lỗ xốp kích thước lỗ lớn hơn, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp ngâm để chấm lượng tử CdSe hấp phụ bề mặt TiO2 xốp, TiO2/CdS giúp cho chấm lượng tử hấp phụ nhiều bề mặt ISBN: 978-604-82-1375-6 277 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM nền.Và sau hoàn thành anode quang, có nhận xét trạng thái bề mặt anode TiO2/CdS/CdSe/ZnS có dạng xốp TiO2 hay TiO2/CdS Đặc trưng I – V pin mặt trời với anode quang TiO2/CdS/CdSe QD/ZnS Bảng Khảo sát đặc trưng I – V mẫu pin thay đổi số lớp CdS ISC (mA/cm2) VOC (V) FF η (%) 1.757 0.339 0.38 0.225 CdS(1)/CdSe 2.633 0.425 0.391 0.438 CdS(2)/CdSe 4.253 0.465 0.396 0.784 CdS(3)/CdSe 5.531 0.478 0.385 1.019 CdS(4)/CdSe 6.840 0.489 0.362 1.213 Tên mẫu CdS(0)/CdSe CdS(0)/CdSe CdS(1)/CdSe CdS(2)/CdSe CdS(3)/CdSe CdS(4)/CdSe I (mA/cm ) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 U (V) Hình Khảo sát đường đặc trưng I – V pin thay đổi số lớp SILAR CdS Bảng hình cho thấy lớp CdS, cường độ dòng đoản mạch mạch hở pin với anode quang TiO2/CdSe thấp, dòng ISC = 1.757 mA/cm2, VOC = 0.339 V hiệu suất đạt 0.255% Khi có mặt CdS, với lớp CdS dòng ISC tăng lên 2.633 mA/cm2, VOC = 0.425 V hiệu suất pin với anode quang TiO2/CdS(1)/CdSe 0.438% tăng khoảng 70% Khi tăng số lớp CdS giá trị dòng đoản mạch, mạch hở hiệu suất pin tăng Như vậy, lớp CdS không lớp đệm để chấm lượng tử CdSe bám lên mà giúp mở rộng vùng phổ hấp thu, tăng độ hấp thu giúp cải thiện hiệu suất pin mặt trời chấm lượng tử CdSe đáng kể Tiếp theo làm mẫu pin: S1 có anode TiO2/CdS, S2 có anode TiO2/CdSe, S3 TiO2/CdS/CdSe anode S4 TiO2/CdS/CdSe/ZnS khảo sát đặc trưng I – V chúng, kết trình bày bảng hình Bảng Khảo sát đặc trưng I –V mẫu pin S1, S2, S3 S4 Kí hiệu mẫu S1 Tên mẫu ISC (mA/cm2) VOC (V) FF (%) TiO2/CdS 1.507 0.369 0.19 0.107 S2 TiO2/CdSe 1.757 0.339 0.38 0.22 S3 TiO2/CdS(4)/CdSe 4.087 0.429 0.32 0.56 S4 TiO2/CdS(4)/CdSe/ZnS(1) 5.936 0.463 0.38 1.05 ISBN: 978-604-82-1375-6 278 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM CdS (S1) CdSe (S2) CdS/CdSe (S3) CdS/CdSe/ZnS (S4) 1.05% 0.56% I (mA/m ) 0.22% 0.107% 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 U (V) Hình Đường đặc trưng I –V mẫu S1, S2, S3 S4 Kết khảo sát I – V mẫu S1, dòng đoản mạch ISC = 1.507 mA/cm2, mạch hở VOC = 0.369 V hiệu suất đạt 0.107%, mẫu S2 cho dòng ISC 1.757 mA/cm2, VOC 0.339 V hiệu suất S2 đạt 0.22 % Kết cho thấy thân lớp đệm CdS chấm lượng tử CdSe không cho giá trị dòng cao, kết hợp chúng với nhau, giá trị dòng tăng lên, thể mẫu S3: ISC = 4.087 mA/cm2, VOC = 0.429 V, hiệu suất η ≈ 0.56 % Hình Mô hình lượng bán dẫn TiO2, CdS, CdSe, ZnS so với cặp chất oxi hóa – khử chất điện ly ZnS loại vật liệu nghiên cứu để sử dụng cho việc bao phủ bề mặt nhiều nhất, cho có khả làm thụ động hóa trạng thái bề mặt[9] Mẫu S4 với có mặt ZnS, phủ bên CdSe cho thông số I – V sau: ISC = 5.936 mA/cm2, VOC = 0.463 V hiệu suất đạt 1.05% tăng 87% so với mẫu S3 với anode quang ZnS phủ Việc thông số I – V S4 tăng giải thích oxi hóa – khử vùng dẫn ZnS (hình 9) cao CdSe TiO2 nên làm thụ động hóa trạng thái bẫy bề mặt chấm lượng tử CdSe, giảm lượng electron tái hợp bẫy bề mặt, đồng thời hạn chế rò rỉ electron từ TiO2 chấm lượng tử vào chất điện ly[9] Sau tối ưu điều kiện chế tạo pin số lớp CdS, ZnS, nồng độ dung dịch chấm lượng tử, thời gia ngâm, v.v… đạt hiệu suất pin cao 2.07% với dòng đoản mạch ISC = 13.967 mA/cm2, mạch hở VOC = 0.443 V hệ số lấp đầy 0.339 ISBN: 978-604-82-1375-6 279 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM 16 TiO2/CdS(4)/CdSe QD/ZnS 14 12 I (mA/cm2) 2.07% 10 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 U (V) Hình 10 Đường đặc trưng I – V mẫu pin với điều kiện tối ưu KẾT LUẬN Nghiên cứu tính chất quang pin mặt trời chấm lượng tử nhạy quang CdSe kết hợp với bán dẫn CdS ZnS phổ hấp thu UV – Vis, nhiễu xạ tia X, phổ Raman,cũng đặc tính I-V, nhóm nghiên cứu thấy kết hợp nhiều vật liệu bán dẫn lớp nhạy quang làm tăng hiệu suất pin mặt trời QDSSC, hiệu suất đạt cao mà nhóm thực 2.07%, đó, CdS đóng vai trò lớp đệm cho chấm lượng tử CdSe hấp phụ đồng thời giúp mở rộng vùng phổ hấp thụ, lớp ZnS đóng vai trò lớp thụ động hóa trạng thái bề mặt chấm lượng tử, hạn chế rò rỉ electron từ TiO2 chấm lượng tử vào chất điện ly LỜI CẢM ƠN CHÂN THÀNH XIN GỬI TỚI Nghiên cứu thực nhờ tài trợ từ dự án N62909-13-N236 Xin gửi lời cám ơn chân thành tới phòng thí nghiệm Hóa lý trọng điểm – Đại học quốc gia Tp.HCM tạo điều kiện để nhóm nghiên cứu thực đề tài STUDY PROPERTIES OF PHOTOANODE TIO2/CDS/CDSE QD/ZNS THIN FILMS FOR QUANTUM DOT-SENSITIZED SOLAR CELL Nguyen Ngoc Thanh Vy1*, Le Thi Minh Hue1, Huynh Chi Cuong1, Vu Xuan Quang2, Lam Quang Vinh1 University of Science, VNU-HCM Duy Tan University, Danang ABSTRACT CdSe quantum dot (QD) has been synthesized by the Colloidal method with surfactant – TOP (Trioctylphosphine) for good quality with high fluorescence intensity and the limited surface trap states, however, quantum dot-sensitized solar cell efficiency with photoanode TiO 2/CdSe QD gave low performance, caused by surfactant has not made a chemical link to TiO Our research team conducted preparing semiconductor layers CdS, ZnS by SILAR method (Successive Ionic Layer Absorption and Reaction) as a buffer layer and passivation layer, combined with CdSe quantum dot producing photoanode TiO2/CdS/CdSe QD/ZnS to enhance quantum dot-sensitized solar cell efficiency The structure, morphology and optical properties of photoanode TiO2/CdS/CdSe QD/ZnS were studied by UV-Vis absorption spectra, SEM, XRD and Raman spectroscopy Results show that the combination of semiconductor layers CdS, ZnS increases photocurrent and fill factor of the cell, the efficiency obtains 2% higher than the cell with photoanode TiO2/CdSe QD TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Gavin Conibeer, Third-generation photovoltaic, Materials today (2007) [2] Hongsik Choi, Toward highly efficient quantum dot and dye-sensitized solar cells, Current Applied Physics (2013) [3] Peter Reiss, Core/Shell Semiconductor Nanocrystals, Small (2009), 154-168 [4] Karan Surana, Synthesis, characterization and application of CdSe quantum dot, Journal of Industrial and Engineering Chemistry (2014) ISBN: 978-604-82-1375-6 280 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM [5] M Abdulkbadar and B.Thomas, Study of Raman spectra of nanoparticles of CdS and ZnS, Nanostructured Materials (1995),Vol 5, No 3, 289 – 298 [6] Tung Ha Thanh, Dat Huynh Thanh, and Vinh Quang Lam, The CdS/CdSe/ZnS Photoanode cosensitized Solar Cells Basedon Pt, CuS, Cu2S, and PbS Counter Electrodes, Advances in OptoElectronics (2014) [7] S Saravana Kumar, M Abdul Khadar, S.K Dhara,T.R Ravindran, K.G.M Nair, Photoluminescence and Raman studies of ZnS nanoparticles implanted with Cu+ ions, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B (2006), 435 – 440 [8] C.S Pathak, V Agarwala, M.K Mandal, Mechano-chemical synthesis and optical properties of ZnS nanoparticles, Physica B407 (2012), 3309–3312 [9] Nikolaos Balis, Quantum odt sensitized solar cells based on an optimized combitation of ZnS, CdS and CdSe with CoS and CuS counter electrodes, Electrochimica Acta91 (2013), 246 – 252 [10] Peng Wang, A novel and green method to synthesize CdSe quantum dots-modified TiO2 and its enhanced visible light photocatalytic activity, Applied Catalysis B: Environment 160 – 161 (2014), 217 – 226 ISBN: 978-604-82-1375-6 281