Chế tạo nghiên cứu tính chất màng mỏng TiO2 cấu trúc nano ứng dụng cho điện cực pin mặt trời quang - điện – hóa Nguyễn Văn Hiếu Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện nano Mã số Chuyên ngành đào tạo thí điểm Người hướng dẫn: TS Ngơ Quang Minh Năm bảo vệ: 2014 Keywords Màng mỏng TiO2; Cấu trúc Nano; Pin mặt trời; Tính chất quang; Vật liệu Nano Ở ẦU Ngày nay, nhu cầu năn lƣợn lớn để phát triển n ành công n hiệp phục vụ sinh hoạt hàn n ày chún ta Tron n uồn nhiên liệu sẵn có tron tự nhiên nhƣ: than đá, ầu mỏ, kh đốt tự nhiên n ày cạn kiệt khó phục hồi Điều khiến cho nh n loại đan đứn trƣớc n uy thiếu hụt năn lƣợn n hiêm tr n Việc t m kiếm khai thác n uồn năn lƣợn nhƣ: năn lƣợn hạt nh n, năn lƣợn ió năn lƣợn mặt trời hƣớn v quan tr n tron kế hoạch phát triển năn lƣợn toàn cầu Chún ta iết mặt trời cun cấp cho ề mặt trái đất lƣợn năn lƣợn khổn lồ vào khoản 3.1024 /năm Đ y n uồn năn lƣợn tự nhiên ồi v tận, nhƣn việc n hiên cứu chuyển hóa có hiệu n uồn năn lƣợn thành ạn năn lƣợn hữu ụn khác phục vụ đời sốn n ƣời lại thách thức lớn nhà khoa h c Từ thời i ập cổ đại n ƣời iết cách thu ức xạ năn lƣợn mặt trời để phục vụ đời sốn nhƣ sƣởi ấm vào m a đ n phơi kh thức ăn hƣn phải tới năm 1839 hiệu ứn quang điện đƣợc phát ởi nhà vật l n ƣời Pháp l xan r mon cqu r l làm th n hiệm chiếu sán điện cực kim loại tron chất điện li iệu ứn quan điện cuối c n đƣợc l rt inst in iải th ch đầy đủ vào năm 1905 Sau đó, năm 1954 pin mặt trời đạt hiệu suất 6% đƣợc làm từ chất án ẫn silic u2S/ S ho tới n ày pin mặt trời đƣợc n hiên cứu phát triển cho nhiều loại khác có hiệu suất khác V ụ nhƣ pin quan điện PV PV: photovoltaics) đạt hiệu suất 20%, loại pin quan điện hóa P P : Photo- l ctroch mical ll) có hiệu suất đạt ƣới 11% Tuy đạt hiệu suất thấp nhƣn có iá thành rẻ, đơn iản ễ chế tạo ễ điều chỉnh nên pin quan điện hóa P đƣợc nhà khoa h c tron n oài nƣớc quan t m n hiên cứu chế tạo Việc tìm cách để n n cao hiệu suất đƣợc n hiên cứu s i độn tron nhữn năm ần đ y, nhƣn việc n n cao hiệu suất cho pin măt trời quan điện hóa P đặc iệt ạn SS y -S nsitiz Solar ll) đƣợc nhà khoa h c tới nhiều hằm n n cao hiệu suất cho pin mặt trời quan điện hóa, nhà khoa h c s u vào n hiên cứu chế tạo cũn nhƣ t m loại vật liệu án ẫn có t nh chất quan điện hóa tốt để sử ụn làm điện cực ột tron số án ẫn đƣợc quan t m xit titan Ti), k hiệu hóa h c Ti TiO2 vật liệu án ẫn có v n cấm rộng (3,2eV ÷ 3,6eV) Với khả năn trao đổi t ch trữ ion hạt tải điện, ền tron m i trƣờn un ịch, vật liệu xit Ti thành phần ch nh đƣợc quan t m để chế tạo linh kiện chuyển đổi năn lƣợn , ứn ụn tron quan xúc tác, đặc iệt tron pin quan điện hóa [32] ƣời ta nhận thấy rằn Ti đƣợc chế tạo ƣới ạn mỏn có cấu trúc nanơ ẫn tới h nh thành mạn lƣới hạt liên kết với cho phép tr nh ẫn điện tử xảy ằn việc điền đầy khoản trốn iữa hạt ởi m i trƣờn ẫn điện nhƣ án ẫn loại p, chất điện li ẫn tới h nh thành v n chuyển tiếp có iện t ch tiếp xúc lớn hi mỏn Ti đƣợc đón vai tr nhƣ điện cực thu điện tử Đ y đƣợc x m nhƣ đặc t nh quan tr n để n hiên cứu chế tạo linh kiện quan điện tử đặc iệt pin mặt trời Mô h nh pin ạn đƣợc ratz l đƣa vào năm 1991, đƣợc i pin mặt trời sử ụn chất nhuộm màu SSC (Dye-Sensitized Solar Cell) [3] ạn pin SS sử ụn mỏn Ti xốp làm điện cực Ƣu điểm pin mặt trời quan -điện-hóa ựa điện cực Ti là: kh n ị ảnh hƣởn khuyết tật mạn , việc truyền hạt tải đƣợc sinh ằn ánh sán qua hạt iên hạt nanô hiệu quả, c n n hệ chế tạo đơn iản, tiêu tốn t năn lƣợn , vật liệu rẻ, t phụ thuộc vào óc ánh sán tới, nhiệt độ m i trƣờn ồi ra, pin mặt trời loại hấp thụ v n ánh sán mặt trời khác ằn cách thay đổi chất màu nhạy quan hay pha tạp nanô kim loại qu , u) hoạt độn với ánh sán có cƣờn độ thấp Tuy nhiên hiệu suất pin mặt trời quan -điệnhóa ựa điện cực Ti c n thấp Ở Việt am nhữn năm ần đ y, pin mặt trời quan -điện-hóa đƣợc n hiên cứu Viện hoa h c vật liệu, Viện óa h c Viện Hàn lâm V ), Đại h c n n hệ, Đại h c T Đại h c Q ), Đại h c ách khoa ội, Đại h c T Đại h c Q TP ) ác n hiên cứu liên quan đến pin mặt trời chế tạo vật liệu án ẫn Ti 2, Zn cấu trúc nanô ác kết thu đƣợc cho thấy nhóm n hiên cứu tron nƣớc có khả năn triển khai ứn ụn pin mặt trời quan -điện-hóa Việc chế tạo mỏn Ti có h nh thái cấu trúc, có độ ày, độ xốp độ truyền qua mon muốn đƣợc n hiên cứu chế tạo ằn nhiều phƣơn pháp khác nhƣ: phƣơn pháp vật l ốc ay tron ch n kh n , phún xạ, ), phƣơn pháp hóa h c lắn đ n hóa h c từ pha hơi, sol- l, điện hóa, quay phủ li t m ) son c n n hệ chế tạo l iải chế ẫn điện cũn nhƣ hiệu suất pin mặt trời quan điện hóa c n nhiều điều chƣa đạt đƣợc nhƣ mon muốn V với tran thiết ị có sẵn Viện hoa h c vật liệu Viện Hàn lâm KH & CN VN) em xin đề cập tới vấn đề: “C ế TiO2 ấ nanô đ ấ ự ặ q ỏ -đ - ” T ả ế : [1] Đặng Trần Chiến, “Chế tạo khảo sát tính chất màng oxit titan TiO2, oxit kẽm ZnO cấu trúc nanô ứng dụng l điện cực t u điện tử pin mặt trời cấu trúc vô – hữu cơ”, Luận án Tiến sỹ, Viện khoa h c vật liệu, 2011 [2] uyễn Đức h a, hiên cứu pin mặt trời hữu cơ, áo cáo đề tài n hiên cứu khoa h c c n n hệ cấp Viện V 2010, Viện & CN VN T [3] in uc ả ế nh: uqu an arti, “ ncr asin th ffici ncy of i al solar c lls y photon transitions at int rm iat l v ls,” Phys R v tt 78 26), 5014 1997) [4] A am , on al, Z Yamani, “ ff ct of transition m tal opin on photocatalitic activity of WO3 for water splitting under laser illumination: role of 3d-or itals,” atalys ommunication 5, 715-719 (2004) [5] A Hagfeldt, G Boschloo, Sun, loo, an P tt rsson, “Dye-sensitized solar cells,” h mical R vi ws 110, 6595-6663 (2010) [6] A L Linsebigler, G Lu, and T Y John, “Photocatalisis on Ti surfaces: principles, mechanisms, an s l ct r sults,” h m R v 95, 735-758 (2011) [7] S Richar s, “ ov l us s of titanium Ph.D.Thesis, EPFL (2002) ioxi for silcon solar c lls,” [8] anaor an Sorr l, “R vi w of th anatas to rutil phas transformation,” Journal of Materials Science 46, 855-874 (2011) [9] ar ar an prop rti s of titanium oxi Rusu, “Th influ nc of h at tr atm nt on th optical thin films,” at rials tt rs 56, 210-214 (2002) [10] W Schu rt an T unk l, “Spin coatin from a molecular point of view: its conc ntration r im s, influ nc of molar mass an istri ution,” at rials Research Innovations 7, 314 (2003) [11] E Pedrueza, J S Parramon, S Bosch, J L Valdes, and J P M Pastor, “Plasmonic lay rs as on u-nanoparticle-doped TiO2 for optoelectronics: structural an optical prop rti s,” anot chnolo y 24, 065202 2013) [12] G Cangiani, “ -initio study of the properties of TiO2 rutile and anatase polityp s,” Ph Th sis, P 2003) [13] o s, “ omparison of y - and Semiconductor-sensitized porous nanocrystallin liqui junction solar c lls”, J Phys Chem C 112, 17778-17787 (2008) [14] H Lina, A K Rumaizb, M Schulzc, D Wanga, R Rockd, C P Huanga, and S Shah, “Photocatalitic activity of puls las r posit Ti thin films,” Materials Science and Engineering B 151, 133 (2008) 63 [15] K Awazu, M Fujimaki, C Rockstuhl, J Tominaga, H Murakami, Y Ohki, N Yoshi a, an T Watana , “A Plasmonic Photocatalyst Consisting of Silver Nanoparticles Embedded in Titanium Dioxide” m h m Soc , 130 5), 1676 (2008) [16] L Kavan, M Grätzel, S E Gibert, C Klemenz, and H J Scheel, “ l ctroch mical an photoelectrochemical investigation of single-crystal anatas ”, J Am Chem Soc., 118, 6716-6723 (1996) [17] npo, S ohshi, itano, Y u, Tak uchi, an atsuoka, “Th preparation and characterization of highly efficient titanium oxide base photofunctional aat rials”, nnual R vi w of at rials R s arch 2005) [18] rätz l, “Photo l ctroch mical c ll,” atur 414, 338-344 (2001) [19] Tak uchi, S ohshi, T ura, an npo, “Pr paration of titanium silicon binary oxide thin film photocatalists by an ionized cluster beam deposition method: Their photocatalitic activity and photoinduced super-hy rophilicity,” Th Journal of Physical Chemistry B 107, 14278-14282 (2003) [20] V ozzi, “ mprovin th photocatalitic activity Ti for nvironmental applications: ff cts of opin an of surfac mo ification,” Ph th sis 38-50 (2011) [21] Q o, “A study on nanophotonic devices using photonic crystals and plasmonic nanostructures” Ph iss rtation - January, 2011, Ajou University, Suwon, Korea [22] R Debnath and J Chaudhuri, “ nhi itin ff ct of lP and SiO2 on the anatase and rutile transformation reaction: An x-ray an las r Raman stu y,” Journal of Materials Research 7, 3348-3351 (1992) [23] R n r r, “Sin l rystal natas inv sti ations,” Ph.D.Thesis, EPFL (2010) TiO2: Growth and surface [24] R S Rusu, Rusu, “ n th l ctrical of Ti Optoelectronics and Advanced Materials 7, 234 (2005) thin film,” ournal of [25] R R Talavera, S Rargas, R A Murillo, R M Campos, and E H Poniatowski, “ o ification of th phas transition t mp ratur s in titania op with various cation,” ournal of at rials R s arch 12, 439-443 (1997) [26] S (2007) r, “Plasmonics: fun am ntals an applications,” S 0-387-33150- [27] S , “ y -ensitized TiO2 thin-film solar cell research at the National R n wa l n r y a oratory R ),” Solar n r y at rials Solar lls 88, 1-10 (2005) 64 [28] S u n, Sosa, os s, , an oskovits, “Plasmonic photosensitization of a wide band gap semiconductor: converting plasmons to char carri rs” ano tt , 11 12), 5548 2011) [29] T an , Pham, , an V Pham, “Ti 2/CdS nanocomposite films: fabrication, characterization, electronic and optical prop rti s”, v at Sci.: NanoSci Nanotechnol 1, 012002-012005 (2010) [30] T M Razykov, C S Ferekides, D Morel, E Stefanakos, H S Ullal, and H Upa hyaya, “Solar photovoltaic electricity: Current status and future prospects”, Solar Energy (2011) [31] T M Wang, Studies on photocatalytic activity and transmittance spectra of TiO2thin film prepared by rf magnetron sputtering method, Surface and Coatings Technology 155(2) 141 (2002) [32] U Bach, D Lupo, P Comte, J E Moser, F Weissortel, J Salbeck, H Spr itz r, an rätz l, “Soli -state dye-sensitized mesoporous TiO2 solar cell with high photon-to- l ctron conv rsion ffici nci s”, atur 395, 583-585 (1998) [33] U i ol , “The surface science of titanium dioxide,” Surface Science Reports 48, 53-229 (2003) [34] W Y hoi, T rmin, an R offmann, “Th rol of m tal ion opants in quantum-sized TiO2: correlation between photoreactivity and charge carrier r com ination ynamics,” Phys h m 84, 13669-13679 (1994) [35] Z Wan an X u, “ a rication an l ctrochromic prop rti s of spin-coated TiO2 thin film from perpxo-polititanic aci ,” Thin Solid Film 352, 63-65 (1999) 65 ... ế TiO2 ấ nanô đ ấ ự ặ q ỏ - - ” T ả ế : [1] Đặng Trần Chiến, Chế tạo khảo sát tính chất màng oxit titan TiO2, oxit kẽm ZnO cấu trúc nanô ứng dụng l điện cực t u điện tử pin mặt trời cấu trúc. .. hiên cứu liên quan đến pin mặt trời chế tạo vật liệu án ẫn Ti 2, Zn cấu trúc nanô ác kết thu đƣợc cho thấy nhóm n hiên cứu tron nƣớc có khả năn triển khai ứn ụn pin mặt trời quan - iện- hóa Việc chế. .. có cƣờn độ thấp Tuy nhiên hiệu suất pin mặt trời quan - iệnhóa ựa điện cực Ti c n thấp Ở Việt am nhữn năm ần đ y, pin mặt trời quan - iện- hóa đƣợc n hiên cứu Viện hoa h c vật liệu, Viện óa h