BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
--------------o0o---------------
Lê Xuân Hùng
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA CÁC NANO TINH THỂ
CdTeSe VÀ CURCUMIN, ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG QUANG ĐIỆN
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 9440110
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Hà Nội - 2018
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam.
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS. Phạm Thu Nga, Viện Khoa học Vật liệu- Viện Hàn lâm KH&CNVN
2. PGS. TS. Nguyễn Thị Thục Hiền, Viện Nghiên cứu & Phát triển CNC-Đại học Duy Tân
Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Thế Bình, ĐH Khoa học Tự nhiên-ĐHQG Hà Nội
Phản biện 2: PGS.TS. Phạm Văn Hội, Viện Khoa học Vật liệu-Viện Hàn lâm KH&CNVN
Phản biện 3: TS. Lương Hữu Bắc, Viện Vật lý Kỹ thuật-ĐH Bách khoa Hà Nội
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học
và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng … năm
2019
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
Trong bối cảnh thế giới đang toàn cầu hóa thì nhu cầu năng lượng ngày một cấp thiết, việc
ứng dụng các vật liệu tiên tiến vào ngành năng lượng tái tạo đang là xu thế chung của cả thế giới. Sự
phát triển linh kiện quang điện có thể chia pin mặt trời thành ba thế hệ. Thế hệ pin mặt trời đầu tiên
dựa trên các phiến đơn tinh thể Si, có hiệu suất chuyển đổi năng lượng tương đối cao (~ 25%). Thế
hệ pin mặt trời thứ hai dựa trên công nghệ màng mỏng, có hiệu suất chuyển đổi năng lượng pin mặt
trời tương đối thấp (~20%). Thế hệ pin mặt trời thứ ba là pin mặt trời cho hiệu suất chuyển đổi cao
với giá thành thấp, nhằm mục đích cải tiến các hạn chế của hai loại thế hệ trên. Một vài ví dụ về pin
mặt trời loại này là pin mặt trời được tăng nhạy sáng bằng chất màu (DSSC), bằng chấm lượng tử
(QDSSC), pin mặt trời với chấm lượng tử dạng huyền phù (CQDSSC), pin mặt trời hữu cơ, v.v…
Trên lý thuyết, hiệu suất tối đa của pin đơn lớp chuyển tiếp tinh thể là ~ 33%, do giới hạn nhiệt động
học được Shockley-Queisser đề ra. Hiệu suất chuyển đổi, trên lý thuyết, của QDSSC có thể lên tới
42% nhờ vào hiệu ứng sản sinh ra nhiều exciton (MEG) của chấm lượng tử (quantum dots-QD).
Dựa trên cấu trúc của DSSC, QD được giới thiệu như một sự thay thế cho chất màu bởi tính
chất quang- điện tuyệt vời của mình. QDSSC có thể được xem như là một sự chuyển hóa, đi từ pin
mặt trời tăng nhạy bằng màu (DSSC), như được O’Regan và Gratzel báo cáo vào năm 1991. Để đạt
được hiệu suất cao hơn, chất tăng nhạy QD lí tưởng cần có độ rộng vùng cấm hẹp (1.1-1.4 eV), đáy
vùng dẫn nằm cao hơn tương đối so với đáy cùng dẫn của TiO2, với độ ổn định cao. Mới đây, các QD
hợp kim (alloy) ba hoặc bốn thành phần là một phương án đầy triển vọng, so với QD làm chất tăng
nhạy hai thành phần, bởi vì tính chất quang điện của chúng có thể thay đổi được bằng cách kiểm soát
thành phần của chúng mà không cần làm thay đổi kích thước hạt, và độ rộng vùng cấm của chúng có
khả năng thu hẹp hơn so với hệ hai thành phần do hiệu ứng “optical bowing”. Ngày nay, trong các
thử nghiệm để khai thác QD hợp kim với vai trò làm chất tăng nhạy trong QDSSC, thì phần lớn nhắm
vào QD hợp kim CdTexSe1-x do đỉnh hấp thụ mở rộng tới vùng hồng ngoại gần (NIR). Nghiên cứu
của bản luận án là một nghiên cứu mới, về việc sử dụng QD hợp kim CdSeTe và CdTeSe/ZnSe trong
pin mặt trời. Còn ở Việt Nam thì chưa có nhóm nào đề cập đến nghiên cứu chế tạo QD hợp kim ba
thành phần CdSeTe như trong đề tài của bản luận án này. Đây cũng là một nội dung chủ yếu của đề
tài Nafosted do nhóm nghiên cứu chúng tôi thực hiện.
Về phương diện pin mặt trời sử dụng chất màu (DSSC), đã có một số công trình công bố về
việc sử dụng chất màu tự nhiên làm chất nhạy sáng cho pin mặt trời. Đây là một trong những cố gắng
trong việc sử dụng các nguyên liệu “tự nhiên” phục vụ cuộc sống. Chúng tôi cũng tận dụng cơ hội
này để nghiên cứu về DSSC, tuy nhiên hiệu suất pin cho đến nay vẫn còn rất thấp. Gần đây, S. Suresh
và cộng sự đã công bố pin mặt trời sử dụng curcumin với hiệu suất là 0,13%, S.J. Yoon và cộng sự
cũng đưa ra hiệu suất của pin khoảng 0,11% khi sử dụng chỉ curcumin và lên 0,91% khi sử dụng hỗn
hợp curcumin với K2CO3. Rất gần đây (6/2017), Khalil Ebrahim Jasim và đồng nghiệp, đã công bố
về pin mặt trời sử dụng chất màu curcumin tự nhiên đạt được hiệu suất 0,41%.
Các QD thường được chế tạo trong các môi trường hữu cơ nên thường xuất hiện các sai hỏng
bề mặt và các liên kết treo làm giảm hiệu suất phát quang của vật liệu. Do vậy các QD thường được
bọc các lớp vỏ vô cơ nhằm thụ động hóa bề mặt, để nâng cao hiệu suất phát quang. Cùng với mục
2
đích bảo vệ bề mặt, các QD CdTeSe cũng được bọc với các lớp vỏ khác nhau, ví dụ như bọc lớp vỏ
với độ rộng vùng cấm lớn như CdS, ZnS. Bên cạnh đó QD còn được bọc với lớp đệm rồi lớp vỏ
CdS/ZnS nhằm hạn chế tối đa sai hỏng mạng, hoặc bọc lớp vỏ với ba thành phần CdZnS. Trong
nghiên cứu của bản luận án này, chúng tôi đã tiến hành bọc vỏ cho các QD CdTeSe bằng lớp vỏ ZnSe
và ZnTe, là những chất bán dẫn mà chưa có tác giả nào công bố, cho mục đích định hướng ứng dụng
các QD này làm chất hấp thụ ánh sáng trong pin mặt trời.
Với các chất màu tự nhiên, theo xu hướng sử dụng năng lượng xanh vào mục đích phục vụ
con người, Zhou và cộng sự đã công bố vào năm 2011, đã nêu kết quả của việc dùng 20 chất màu tự
nhiên khác nhau, làm chất tăng nhạy trong pin mặt trời, với cấu trúc pin khá đơn giản. Những năm
gần đây, các nhà khoa học đã quan tâm và khai thác curcumin như là một chất màu, nhằm ứng dụng
trong pin mặt trời với hy vọng thử nghiệm chế tạo ra pin mặt trời theo một cách đơn giản nhất, để thu
được dòng điện từ mặt trời và nguồn thiên nhiên. Các chấm lượng tử CdTeSe và curcumin được xem
như là các chất màu nhạy sáng sử dụng trong pin mặt trời thế hệ thứ ba. Việc nghiên cứu chế tạo và
khảo sát tính chất quang của các chất màu nhạy sáng là chất màu tự nhiên như curcumin và loại thay
thế chất màu nhạy sáng trong pin mặt trời thế hệ mới là các chấm lượng tử CdTeSe, nhằm giúp hiểu
sâu vật liệu để ứng dụng vào linh kiện. Nhìn chung đối tượng nghiên cứu là cùng hướng đến loại chất
nhạy sáng dùng cho pin mặt trời.
Trong thực tế của bối cảnh trên, tôi đã tiến hành thực hiện đề tài nghiên cứu luận án là: Nghiên
cứu chế tạo và tính chất quang của các nano tinh thể CdTeSe và Curcumin, định hướng ứng
dụng trong quang điện.
Tính mới trong nội dung nghiên cứu của luận án này là: i) nghiên cứu chế tạo ra QD
CdTeSe trong môi trường ODE-OA, tại nhiệt độ thích hợp (260 oC), đây là nhiệt độ do chúng tôi tìm
ra, cùng thời điểm với công bố về nhiệt độ tối ưu dùng cho phương pháp chế tạo tương tự đã dùng
phương pháp tán xạ Raman để khảo sát sự biến đổi thành phần của QD hợp kim CdTeSe tại các nhiệt
độ chế tạo khác nhau, nhưng cùng thời gian nuôi tinh thể là 10 min. ii) đã khảo sát cấu trúc và tính
chất quang của các QD lõi CdTeSe được bọc các lớp vỏ ZnSe hoặc ZnTe. iii) kết quả khảo sát đơn
chấm đối với QD CdTeSe/ZnSe cho thấy thời gian sống của các đơn chấm này khoảng 100 ns và chu
kỳ không phát quang (trạng thái “off”) đã được quan sát, nhưng chúng chỉ chiếm 20% trong toàn bộ
thời gian. iv) Lần đầu tiên ở Việt Nam, chúng tôi đã nghiên cứu chiết tách curcumin từ củ nghệ vàng
thu hoạch từ các vùng miền khác nhau, và nghiên cứu một cách có hệ thống tính chất của chất mầu
này, ở dạng tinh thể cũng như dạng lỏng. Bằng phương pháp Raman, đã có thể phân biệt được sự
khác nhau giữa curcumin chiết tách từ nghệ vàng tự nhiên và curcumin tổng hợp hóa học. v) đã thử
nghiệm chế tạo pin mặt trời dùng QD và curcumin. Với pin dùng curcumin làm chất mầu tăng nhậy
sáng, hiệu suất chuyển đổi đạt được giá trị của công bố quốc tế 6/2017 là 0,4 %.
Bố cục của luận án: Với nội dung trên, bố cục của luận án, ngoài mở đầu và kết luận, được
phân thành 4 chương, gồm 148 trang 81 hình và 14 bảng biểu.
Các kết quả chính của của luận án được đăng trên 3 tạp chí quốc tế, 1 tạp chí khoa học quốc
gia và 6 báo cáo tại các hội nghị quốc tế và quốc gia.
3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NANO TINH THỂ BÁN DẪN VÀ PIN MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHẤM
LƯỢNG TỬ LÀM CHẤT NHẬY SÁNG
1.1. Các nano tinh thể bán dẫn là các chấm lượng tử và chấm lượng tử hợp kim ba thành
phần
Các QD hai thành thể hiện rõ sự lượng tử hóa các mức năng lượng và làm mở rộng vùng cấm
khi kích thước của QD giảm đến một kích thước nm nào đấy. Với các QD ba thành phần, các tính
chất quang ngoài sự phụ thuộc kích thước thì thì chúng còn phụ thuộc vào các thành phần cấu thành
QD. Sự phụ thuộc không tuyến tính của các tính chất quang vào thành phần của một số QD gọi là
hiệu ứng optical bowing.
1.2. Tổng quan về chất màu tự nhiên curcumin
Curcumin được chiết suất từ củ nghệ vàng gồm có ba thành phần chính là curcumin
demetoxycurcumin (curcumin II), bisdemetoxycurcumin (curcumin III) và curcumin đóng vai trò
màu sắc cho hợp chất và đặc trưng màu vàng đến sáng màu cam của chúng. Tính chất quang cũng
như các tính chất hóa lý của chất curcumin đã được nêu cụ thể trong chương.
1.3. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời
Cấu trúc của một pin mặt trời dùng chất nhạy sáng đã được giới thiệu. Mô hình vận chuyển
điện tích cũng như các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của pin được đưa ra nhằm tìm ra điều kiện
tối ưu để chế tạo linh kiện.
CHƯƠNG 2.
PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU VÀ CÁC KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.1. Chế tạo các chấm lượng tử CdTeSe và cấu trúc lõi/vỏ CdTeSe/ZnSe (ZnTe)
Toàn bộ quy trình chế tạo QD trong môi trường ODE-OA được tóm tắt trong sơ đồ hình 2.1.
Hình 2.1. Sơ đồ chế tạo QD CdTeSe trong môi trường ODE-OA