Luận văn 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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ DUY LIÊM

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.

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

HÀ NỘI - 2016

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VŨ DUY LIÊM

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.

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano

Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Nguyễn Phương Hoài Nam

HÀ NỘI - 2016

ii

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, em xin được bày tỏ sự kính trọng và

biết ơn chân thành nhất tới PGS.TS. Nguyễn Phương Hoài Nam, Thầy đã tận tình

hướng dẫn, giúp đỡ, giảng dạy cho em những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời

gian thực hiện đề tài nghiên cứu.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo và các cán bộ của Trường Đại học

Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ, khích lệ, chỉ dạy tận tình cho em

những kiến thức và kinh nghiệm trong suốt thời gian học tập tại Trường.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Ban chủ nhiệm, các thầy cô giáo, các

cán bộ của Khoa Vật lý kỹ thuật và Công nghệ nano, Phòng thí nghiệm công nghệ

Nano luôn giúp đỡ nhiệt tình và tạo điện kiện thuận lợi cho em trong học tập và hoàn

thành luận văn.

Cuối cùng, em xin được gửi lời cám ơn tới gia đình yêu thương của mình. Em

cũng xin gửi lời cám ơn anh chị, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, quan tâm và

đồng hành cùng tôi trong cuộc sống cũng như trong việc hoàn thành luận văn này.

Luận văn được hoàn thành với sự hỗ trợ kinh phí của Đề tài nghiên cứu cấp

ĐHQG mang mã số QG.15.26.

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn tốt nghiệp này là của riêng

tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Phương Hoài Nam. Các kết quả và số

liệu được trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được sử dụng trong những

luận văn khác. Đó là kết quả nghiên cứu mà tôi đã thực hiện trong quá trình hoàn

thiện luận văn tại phòng thí nghiệm của Khoa vật lý kĩ thuật và Công nghệ nano –

Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Tác giả

Vũ Duy Liêm

iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

LUMO

HOMO

Lowest Unoccupied Molecular Orbital (Mức orbital

phân tử chưa điền đầy thấp nhất)

Highest Occupied Molecular Orbital (Mức orbital

phân tử điền đầy cao nhất)

FF

Fillfactor (hệ số điền đầy)

Iridium – Tin – Oxide

ITO

PCE

Power conversion efficiency (Hiệu suất chuyển đổi năng

lượng)

PPV

Polypara-phenylene vinylene

PVK

Poly (N-vinylcarbazole)

MEH- PPV

Poly [2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4 - phenyle

vinylene]

P3HT

PCBM

PL

Poly (3-hexylthiophene)

Phenyl-C61-Butyric acid methyl ester

Photoluminescence (Quang huỳnh quang)

Organic photovoltaic (Tế bào quang điện hữu cơ)

OPV

v

MỤC LỤC

L Ờ I C ẢM ƠN ............................................................................................................. III

L ỜI CAM ĐOA N ....................................................................................................... IV

DANH M Ụ C CÁC T Ừ VI Ế T T Ắ T..............................................................................V

M Ụ C L Ụ C .................................................................................................................. VI

DANH M Ụ C HÌNH Ả NH........................................................................................VIII

M Ở ĐẦ U ...................................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1: TỔ NG QUA N ........................................................................................ 3

1.1. Ố ng Nano Carbon (CNTs)..................................................................................... 3

1.1.1. L ị ch s ử hình thàn h .............................................................................................. 3

1.1.2. Phân lo ạ i ố ng nano các bo n ............................................................................... 3

1.1.3. Tính ch ấ t c ủ a ố ng nano carbon .......................................................................... 4

1.1.4. Các phương pháp chế t ạ o ố ng nano carbon ...................................................... 7

1.1.5. Ứ ng d ụ ng c ủ a ố ng nano Carbo n ........................................................................ 7

1.2. V ậ t li ệ u bán d ẫ n h ữu cơ – Polymer d ẫ n ................................................................ 7

1.2.1. Gi ớ i thi ệ u chung ................................................................................................. 7

1.2.2. Polymer c ấ u trúc n ối đôi liên hợ p ...................................................................... 9

1.2.3. C ấu trúc vùng năng lượ ng c ủ a bán d ẫ n h ữu cơ ............................................... 10

1.2.4. Tính ch ất điệ n ................................................................................................... 11

1.2.5. Tính ch ấ t quan g ................................................................................................ 12

1.2.6. Poly (N-vinylcarbazole) - PVK ......................................................................... 15

1.2.7. Poly (3-hexylthiophene) – P3H T ...................................................................... 16

1.3. V ậ t li ệ u chuy ể n ti ế p d ị ch ấ t c ấ u trúc nano .......................................................... 17

1.4. Pin m ặ t tr ờ i h ữu c ơ .............................................................................................. 18

1.4.1. Gi ớ i thi ệ u chung ............................................................................................... 18

1.4.2. C ấ u trúc c ủ a pin m ặ t tr ờ i h ữu c ơ ..................................................................... 22

1.4.3. Nguyên lý ho ạt độ ng c ủ a pin m ặ t tr ờ i h ữu c ơ .................................................. 24

1.4.4. Phân lo ạ i pin m ặ t tr ờ i h ữu cơ .......................................................................... 25

1.4.5. Các thông s ố kĩ thuậ t c ủ a pin m ặ t tr ờ i ............................................................. 27

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP TH Ự C NGHI Ệ M VÀ NGHIÊN C Ứ U .......... 30

2.1. Phương pháp quay phủ ly tâm (Spin – coating ).................................................. 30

2.2. Phương pháp đ o ph ổ h ấ p th ụ UV - Vis ............................................................... 31

2.3. Phương pháp đo phổ quang – hu ỳ nh quang ........................................................ 32

vi

2.4. Phương pháp chụ p ả nh kính hi ển vi điệ n t ử quét FE-SEM................................. 33

2.5. Phương pháp đo chiề u dày màng m ỏ ng .............................................................. 34

2.6. Ch ế t ạ o pin m ặ t tr ờ i h ữu c ơ ................................................................................. 35

2.6.1 Ch ế t ạo màng điệ n c ự c ITO b ằng phương pháp ăn mòn hóa học ướ t:............. 35

2.6.2. Ch ế t ạ o l ớ p ho ạ t quang c ủ a pin m ặ t tr ờ i h ữu cơ ............................................. 35

2.6.3. Ch ế t ạo màng điệ n c ự c Al b ằng phương pháp bố c bay nhi ệ t chân khôn g ....... 36

2.6.4 Pin mặt trời với lớp hoạt quang màng mỏng dị chất khối cấu trúc nano………37

CHƯƠNG 3. KẾ T QU Ả NGHIÊN C Ứ U VÀ TH Ả O LU Ậ N ................................... 39

3.1. Nghiên c ứ u ch ế t ạ o và kh ả o sát tính ch ấ t c ủ a v ậ t li ệ u chuy ể n ti ế p d ị ch ấ t kh ố i

c ấu trúc nano trên cơ sở CNTs và polymer d ẫ n ......................................................... 39

3.1.1. Nghiên c ứ u c ấ u trúc hình thái h ọ c c ủ a màng blend PVK:P3HT và v ậ t li ệ u t ổ

h ợ p .............................................................................................................................. 40

3.1.2. Kh ảo sát độ dày c ủ a màng v ậ t li ệ u t ổ h ợ p ....................................................... 41

3.2. Kh ả o sát tính ch ấ t h ấ p th ụ ánh sáng c ủ a v ậ t li ệ u................................................. 42

3.2.1. Ph ổ h ấ p th ụ UV-Vis c ủ a màng blend conducting polymer .............................. 42

3.2.2. Ph ổ h ấ p th ụ UV-Vis c ủ a v ậ t li ệ u chuy ể n ti ế p d ị ch ấ t kh ố i ............................... 44

3.2.3. Ảnh hưở ng c ủa CNTs đế n ph ổ h ấ p th ụ UV-Vis c ủ a v ậ t li ệ u chuy ể n ti ế p d ị ch ấ t

kh ố i ............................................................................................................................. 44

3.3. Kh ả o sát hi ệ u ứ ng d ậ p t ắ t hu ỳ nh quang c ủ a v ậ t li ệ u t ổ h ợ p chuy ể n ti ế p d ị ch ấ t

kh ố i ............................................................................................................................. 45

3.3.1. Hi ệ u ứ ng d ậ p t ắ t hu ỳ nh quang c ủ a màng PVK:PCBM .................................... 45

3.3.2. Hi ệ u ứ ng d ậ p t ắ t hu ỳ nh quang c ủ a màng P3HT:PCBM .................................. 47

3.3.3. Hi ệ u ứ ng d ậ p t ắ t hu ỳ nh quang c ủ a màng PVK:P3HT:PCBM ......................... 48

3.4. Ứ ng d ụ ng v ậ t li ệ u t ổ h ợ p chuy ể n ti ế p d ị ch ấ t PVK:P3HT:PCBM:CNTs trong ch ế

t ạ o pin m ặ t tr ờ i h ữu cơ (OSC ).................................................................................... 49

K Ế T LU Ậ N ................................................................................................................ 52

TÀI LI Ệ U THAM KH Ả O .......................................................................................... 53

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

HÌNH 1. 1 C ấu trúc năng lượ ng h ấ p th ụ quang c ủ a CNTs . ...................................... 6

HÌNH 1. 2 Ph ổ hâp th ụ quang t ừ s ự phân tán c ủ a ống nano carbon đơn tườ ng ........ 7

HÌNH 1. 3 giáo sư Alan Heeger, Alan Mac D iarmid và Shirakawa (t ừ trái qua ph ả i).8

HÌNH 1. 4 C ấ u trúcphân t ử c ủ a Polyacetylene. ......................................................... 8

HÌNH 1. 5 C ấ u trúc phân t ử và độ r ộ ng vùng c ấ m m ộ t s ố polymer d ẫ n ................. 90

HÌNH 1. 6 Khung carbon ch ứ a h ệ th ố ng n ối đôi liên hợ p (a), c ấu trúc vùng năng

lượ ng c ủ a bán d ẫ n h ữu cơ (b),(c). ............................................................................ 10

HÌNH 1. 7 S ự tương đồ ng gi ữ a polymer liên h ợ p và bán d ẫ n . ............................... 10

HÌNH 1. 8 Polaron, bipolaron và s ự hình thành các gi ải năng lượng tưng ứ ng. Cb –

conduction band (d ả i d ẫn điệ n), vb – valence band (d ả i hóa tr ị ) . ........................... 11

HÌNH 1. 9 S ự d ị ch chuy ể n c ủa điệ n t ử (-) và l ỗ tr ố ng (+) . ..................................... 12

HÌNH 1. 10 Quá trình chuy ể n m ứ c có th ể x ả y ra trong các h ợ p ch ấ t h ữu cơ ......... 12

HÌNH 1. 11 Bi ến đổ i tr ạ ng thái c ủa điệ n t ử trong polymer .................................... 13

HÌNH 1. 12 Quá trình v ậ t lý di ễ n ra sau khi phân t ử h ấ p th ụ photon . .................... 13

HÌNH 1. 13 Ph ổ h ấ p th ụ , quang - hu ỳnh quang (pl) và điệ n- hu ỳ nh quang (el) c ủ a

ppv . ........................................................................................................................ 145

HÌNH 1. 14 Ph ổ quang hu ỳnh quang và điệ n hu ỳ nh quang c ủ a màng tapc (a) và c ấ u

trúc phân t ử tapc (b) ................................................................................................. 14

HÌNH 1. 15 C ấ u trúc phân t ử c ủ a PVK ................................................................... 15

HÌNH 1. 16. Ph ổ h ấ p th ụ (a) và phát quang (f) c ủ a PVK . ...................................... 16

HÌNH 1. 17 C ấ u trúcphân t ử c ủ a P3HT . ................................................................. 16

HÌNH 1. 18. Ph ổ h ấ p th ụ c ủ a P3HT......................................................................... 17

viii

HÌNH 1. 19. C ấ u t ạ o c ủ a m ộ t t ế bào pin m ặ t tr ờ i h ữu cơ điể n hình. L ớ p màng h ữu cơ

(organic film) có th ể là m ộ t ho ặ c nhi ề u l ớ p bán d ẫn hay cũng có thể là m ộ t h ỗ n h ợ p

ho ặ c m ộ t t ổ h ợ p c ủ a chúng ...................................................................................... 19

HÌNH 1. 20. C ác bướ c chuy ển đổ i chi ti ết và cơ chế m ấ t mát trong t ế bào năng

lượ ng m ặ t tr ờ i. Các ký hi ệ u trong d ấ u ( ) th ể hi ệ n s ố lượng cho phép cho cơ chế m ấ t

mát c ụ th ể trong ECD .............................................................................................. 20

HÌNH 1. 21. C ấ u trúc c ủ a 1 t ế bào năng lượ ng m ặ t tr ờ i . ........................................ 22

HÌNH 1. 22. Phân m ức năng lượ ng gi ữ a l ớ p truy ền điệ n t ử và cathode.................. 23

HÌNH 1. 23. Quang t ử trong ánh sáng m ặ t tr ời "đánh bật" và nâng điệ n t ử lên d ả i d ẫ n

điện để l ạ i l ỗ tr ố ng (+) ở d ả i hóa tr ị . C ặ p (+)(-) (l ỗ tr ố ng - điệ n t ử ) còn g ọ i là exciton .

.................................................................................................................................. 25

HÌNH 1. 24. S ơ đồ d ị ch chuy ển điệ n t ử trong polymer: a- polyme h ấ p th ụ ánh b ứ c x ạ

m ặ t tr ờ i t ạ o c ặ p exiton khuy ế ch tán t ớ i b ề m ặ t chung donor – acceptor; b-t ạ i b ề m ặ t

ti ếp xúc, điệ n t ử chuy ể n t ớ i acceptor, t ạ o s ự phân tách c ặp điệ n t ử - l ỗ tr ố ng; c- s ự

phân tách c ặp điệ n t ử - l ỗ tr ố ng t ạ o các h ạt mang điệ n t ự do; d- các h ạt mang điệ n t ự

do d ị ch chuy ể n theo các pha t ới các điệ n c ự c . ........................................................ 25

HÌNH 1. 25. C ấu trúc đơn lớ p c ủ a pin m ặ t tr ờ i....................................................... 26

HÌNH 1. 26. C ấ u trúc hai l ớ p c ủ a pin m ặ t tr ờ i ......................................................... 26

HÌNH 1. 27. C ấ u trúc h ỗ n h ợ p c ủ a pin m ặ t tr ờ i ...................................................... 26

HÌNH 1. 28. Pin m ặ t tr ờ i c ấ u trúc nhi ề u l ớ p. ........................................................... 27

HÌNH 1. 29. Mô t ả đặc trưng IV. Đườ ng cong IV trong bóng t ối và ánh sáng đượ c

th ể hi ệ n cùng v ớ i công su ất như mộ t hàm s ố c ủa điệ n th ế cung c ấp. Điể m mà công

su ấ t c ực đại đượ c ch ỉ ra cùng v ớ i ISC và VOC . ............................................. ……29

Hình 2. 1. Sơ đồ quá trình quay ph ủ .

…………………………………………...30

HÌNH 2. 2. Thi ế t b ị spin-coating WS-400B-6NPP, LAURELL (ANH). .................. 31

HÌNH 2. 3. Thi ế t b ị đô phổ UV-VIS SP3000-Nano. ................................................. 32

HÌNH 2. 4. Thi ế t b ị đo phổ quang – hu ỳ nh quang FLUOROMAX – 4. ................... 33

HÌNH 2. 5. Thi ế t b ị FE-SEM HITACHI - S4800. ..................................................... 34

ix

HÌNH 2. 6. H ệ đo ALPHA-STEP IQ PROFILER. .................................................... 34

HÌNH 2. 7. Màng ITO sau khi được ăn mòn .............................................................. 35

HÌNH 2. 8. Các lo ạ i thuy ền điệ n tr ở b ằ ng kim lo ại: dây điệ n tr ở (A-D), lá điệ n TR Ở

(E-G). ................................................................................................................... 37

HÌNH 2. 9. Thiết bi ̣ bốc bay nhiệ t chân không ULVAC-SINKU KIKO .................. 37

HÌNH 2. 10 sơ đồ c ầ u trúc pin m ặ t tr ờ i ch ế t ạo đượ c ................................................ 38

HÌNH 3. 1. Ả nh FE-SEM c ủ a màng Blend P VK:P3HT = 50:100 …..……………..40

HÌNH 3. 2. Ả nh AFM c ủ a màng PVK:P3HT:PCBM:CNTs. .................................. 41

HÌNH 3. 3. Ả nh FE-SEM c ủ a màng v ậ t li ệ u t ổ h ợ p PVK:P3HT:CNTS. ................ 41

HÌNH 3. 4. Độ dày c ủ a màng PVK:P3HT:PCBM ................................................... 42

HÌNH 3. 5. Ph ổ UV-VIS c ủ a PVK và P3HT . ......................................................... 42

HÌNH 3. 6. Ph ổ UV-VIS c ủ a màng Blend Polymer ................................................ 43

HÌNH 3. 7. Ph ổ UV-VIS c ủ a màng Polymer thu ầ n và Blend Polymer. .................. 44

HÌNH 3. 8. Ph ổ UV-VIS c ủ a màng PVK:PCBM:CNTS và P3HT:PCBM:CNTs ... 45

HÌNH 3. 9. Ph ổ quang - hu ỳ nh quang c ủ a màng PVK và PVK:PCBM , bướ c sóng

kích thích 325nm. ..................................................................................................... 46

HÌNH 3. 10. Gi ản đồ m ức năng lượ ng c ủ a PVK và PCBM..................................... 47

HÌNH 3. 11. Ph ổ quang - hu ỳ nh quang c ủ a màng P3HT:PCBM = 1:1, bướ c sóng kích

thích 530nm .............................................................................................................. 48

HÌNH 3. 12. Ph ổ quang - hu ỳ nh quang c ủ a màng PVK:P3HT:PCBM, bướ c sóng kích

thích 325nm .............................................................................................................. 48

HÌNH 3. 13. Ph ổ quang - hu ỳ nh quang c ủ a màng PVK:P3HT:PCBM = 0,5:1:1,5

(theo kh ối lượng), bướ c sóng kích thích 530nm. ..................................................... 49

x

HÌNH 3. 14. Đường đặc trưng J -V c ủ a pin m ặ t tr ờ i OSC........................................ 50

xi

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.

1

- 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 (N-

vinylcarbazole) – 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.

2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Ống Nano Carbon (CNTs)

Ống nano carbon (CNTs – carbon nano tube) là một dạng thù hình của

Carbon. Ống Nano Carbon được coi là một trong những vật liệu nano đầu tiên con

người phát hiện ra và cũng mở đầu cho ngành công nghệ nano với những thành tựu

to lớn, đóng góp quan trọng vào sự phát triển mạnh mẽ của nhiều lĩnh vực thuộc

công nghệ cao hiện nay.

1.1.1. Lịch sử hình thành

Năm 1991, khi nghiên cứu về Fulleren C₆₀, Tiến sĩ IiJima – một nhà khoa học

Nhật Bản đã phát hiện ra trong đám muội than, sản phẩm phụ trong qua trình phóng

điện hồ quang có những ống tinh thể cực nhỏ và dài bám vào catot. Hình ảnh từ

kính hiển vi điện tử truyền qua cho thấy rằng các ống này có nhiều lớp Carbon ống

này lồng vào ống kia. Các ống sau này được gọi là ống nano carbon đa tường

(MWCNTs – multi wall carbon nanotubes).

Năm 1993, Ống nano carbon đơn tường (SWCNTs – Sinlge wall carbon

Nanotubes) được phát hiện với các ống rỗng đường kính từ 1,5 – 2 nm, dài cỡ

micromet. Vỏ của ống bao gồm các nguyên tử carbon sắp xếp theo các đỉnh sáu

cạnh rất đều đặn. Sự phát hiện này đã thúc đẩy nghiên cứu của các nhà khoa học

trên toàn thế giới. Phương pháp quang phổ Raman là phương pháp đơn giản, rẻ tiền

so với kính hiển vi điện tử được dùng rộng rãi để nghiên cứu trên CNTs trong thập

kỉ trước.

1.1.2. Phân loại ống nano các bon

Như đã biết ở trên ống nano carbon có 2 loại chính: Ống nano carbon đơn

tường (SWCNTs) và ống nano carbon đa tường (MWCNTs) ngoài ra còn có một số

dạng khác như Torus (đế hoa), nanobud (núm hoa).

a. Ống nano carbon đơn tường (SWCNTs)

Tất cả ống nano carbon đơn tường đều có đường kính khoảng 1 nm, với độ

dài đường ống có thể gấp hàng nghìn lần đường kính.

b. Ống nano carbon đa tường (MWCNTs)

3

Ống nano carbon đa tường bao gồm nhiều lớp graphite cuộn lại tại thành các

ống hình trụ đồng tâm. Có 2 mô hình có thể dùng để mô tả các cấu trúc cảu

MWCNTs là mô hình Rusian Doll và mô hình Parchment. Khoảng cách giữa các

lớp trong ống nano carbon đa tường gần bằng khoảng cách giữa các lớp graphite

khoảng 3,4Ȧ.

Trong các ống nano carbon đa tường, ống nano carbon 2 tường được quan tâm

bởi hình thái học và các tính chất rất giống với ống nano carbon đơn tường nhưng

điện trở và tính chất của chúng được cài thiện đáng kể. Đây là tầm quan trọng đặc

biệt khi chúng ta chức năng hóa nó (ghép các nhóm chức hóa học lên bề mặt của

ống) để có thêm những tính chất mới cho ống nano carbon. Đối với trường hợp

SWCNTs, chức năng hóa cộng hóa trị sẽ làm gãy một số liên kết đôi C=C, để lại

các lỗ trống trong cấu trúc của ống nano carbon và thay đổi cả hai tính chất điện và

cơ của chúng. Trường hợp ống nano carbon 2 tường, chỉ một ống bên ngoài được

biến tính.

1.1.3. Tính chất của ống nano carbon

a. Tính chất cơ

Ống nano carbon cấu tạo chỉ gồm toàn các nguyên tử carbon dạng ống nên

chúng rất nhẹ, bên cạnh đó liên kết giữa các nguyên tử carbon đều là liên kết cộng

hóa trị tạo nên cấu trúc tinh thể hoàn hảo vừa nhẹ vừa bền. Theo một số công bố so

sánh giữa khối lượng riêng của ống nano carbon và thép thì chúng có khối lượng

riêng nhỏ hơn khoảng 6 lần nhưng độ bền lại cao hơn gấp trăm lần (trên cùng 1 đơn

vị thể tích và chiều dài). Theo kết quả công bố của nhóm tác giả người Thụy Sỹ

công bố trên tạp chí Applied Physics A Materials Science & Processing khi nghiên

cứu về độ cứng của ống nano carbon thì độ cứng của ống nano carbon là 1,8 TPa

trong khi của thép là 230 Gpa [17].

b. Tính chất nhiệt

Nhiều nghiên cứu đã công bố cho thấy ống nano carbon là vật liệu dẫn nhiệt

tốt. Độ dẫn nhiệt của vật liệu SWCNTs có giá trị trong khoảng từ 20 – 3000 W/mK

ở nhiệt độ phòng [13], so với 400 W/mK của đồng (Cu), có tác giả còn công bố độ

dẫn nhiệt của ống nano carbon có thể đạt tới 6600 W/mK [14]. Vì khả năng dẫn

4

nhiệt tốt nên CNTs đã được sử dụng nhiều cho việc tản nhiệt cho các linh kiện điện

tử công suất cao [11].

c. Tính chất điện

Phụ thuộc vào vecto xuống ống (chiran) của chúng, các ống nano carbon có

thể hoặc là chất bán dẫn hoặc là kim loại. Sự khác nhau trong tính chất dẫn điện là

do dự khác nhau trong cấu trúc phân tử đồng nghĩa với cầu trục dải năng lượng

khác cũng sẽ khác nhau. Ngoài ra độ diện điện của ống nano carbon đơn tường cũng

phụ thuộc rất nhiều vào lực tác dụng lên ống. Điều này sẽ mở ra hướng mới sử dụng

vật liệu CNTs làm cảm biến lực trong trương lai.

Nói chung điện trở suất của ống nano carbon vào cỡ 10^-4Ω/cm ở nhiệt độ

phòng (điện trở suất của đồng là 1,678^-6Ω/cm). Cường độ dòng tối đa của CNTs từ

10⁷– 10⁸A/cm²(gấp hàng trăm lần so với cường độ dòng tối đa của kim loại đồng).

Ngoài ra sự sai hỏng ở ống nano carbon có thể làm thay đổi tính dẫn điện của chúng

[19].

d. Tính chất hóa học

CNTs tuy hoạt động hóa học mạnh hơn so với Graphene nhưng thực tế cho thấy

chúng vẫn khá trơ về mặt hóa học, do đó để tăng hoạt tính hóa học của CNTs người

ta thường tạo ra các khuyết tật trên bề mặt của ống và gắn các phân tử hoạt động

khác để tạo ra các vi đầu dò nhạy hóa chất [10].

e. Tính chất quang

Các tính chất quang của CNTs liên quan đến sự hấp thụ, sự phát quang và phổ

tán xạ Raman của nó. Các tính chất này cho phép xác định đặc điểm “chất lượng

ống nano carbon” nhanh chóng và chính xác.

- Hấp thụ quang:

Hấp thụ quang trong CNTs khác với hấp thụ quang trong vật liệu khối 3D

thông thường bởi sự hiện diện của các đỉnh nhọn (ống nano carbon có cấu trúc 1D)

thay vì một ngưỡng hấp thụ bởi sự tăng hấp thụ (trong trạng thái rắn có cấu trúc

3D). Hấp thụ trong ống nano carbon bắt đầu từ sự chuyển tiếp điện tử từ V₂đến C₂

hay từ V₁đến C₁. Sự chuyển tiếp này là tương đối nhanh và có thể sử dụng để nhận

5

ra các loại ống nano carbon. Chú ý rằng, độ sắc của đỉnh càng giảm thì năng lượng

càng tăng và nhiều ống nano có các mức năng lượng tương tự E₂₂, E₁₁và vì thế có

sự chồng chập đáng kể hổ hấp thụ [20].

Hình 1. 1 Cấu trúc năng lượng hấp thụ quang của CNTs [22].

Hấp thụ quang thường được sử dụng để đánh giá chất lượng bột ống nano

carbon.

Hình 1. 2 Phổ hâp thụ quang từ sự phân tán của ống nano carbon đơn tường [20].

- Sự phát quang:

6

Hiện tượng phát quang hóa học (PL) là một trong những công cụ quan trọng

để xác định đặc điểm của ống nano carbon. Cơ chế của hiện tượng phát quang hóa

thường được mô tả như sau: một điển tử trong ống nano carbon hấp thụ ánh sáng

kích thích từ chuyển tiếp S₂₂tạo ra một cặp điện tử - lỗ trống (exciton). Cả điện tử

và lỗ trống nhanh chóng nhảy từ trạng thái C₂đến C₁và từ V₂đến V₁. Sau đó chúng

tái hợp thông qua một quá trình chuyển đổi ánh sang phát xạ từ C₁đến C₂[20].

1.1.4. Các phương pháp chế tạo ống nano carbon

Hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau tổng hợp vật liệu CNTs. Nhưng

phổ biến nhất là ba phương pháp: phương pháp phóng điện hồ quang, phương pháp

sử dụng laser và phương pháp lặng đọng pha hơi hóa học.

1.1.5. Ứng dụng của ống nano Carbon

CNTs có ứng dụng rất lớn trong nhiều lĩnh vực như: Năng lượng, sản xuất vật

liệu composite chất lượng cao sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, ứng dụng

trong các lĩnh vực điện tử, thiết bị phát xạ điện từ trường, đầu dò nano và ứng dụng

sensor và bên cạnh đó nó cũng có ứng dụng lớn trong y sinh. Trên thực tế, CNTs đã

được nghiên cứu ứng dụng trong y tế và sinh học như:

- Vận chuyển thuốc.

- Đánh dấu sinh học.

- Ứng dụng để chuyển gen.

- Chế tạo các đầu dò, cảm biến, chip sinh học.

1.2. Vật liệu bán dẫn hữu cơ – Polymer dẫn

1.2.1. Giới thiệu chung

Polymer tên thường gọi là nhựa hay chất dẻo hoặc plastic, là những mạch phân

tử gồm hàng nghìn, hàng chục và hàng trăm nghìn phân tử đơn vị (gọi là monomer)

kết hợp lại thành chuỗi giống như những mắt xích, mỗi phân tử giống như một mắt

xích. Các loại polymer ngày nay đã trở thành vật liệu hữu dụng, đóng vai trò quan

trọng không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại.

Một đặc tính chung quan trọng của polymer là tính không dẫn điện, bởi vậy

đây là vật liệu cách điện rất hữu hiệu nên “polymer dẫn điện” có thể là khái niệm

mới trong thế kỉ 21. Năm 2000 Viện Hàn Lâm Khoa Học Thụy Điển đã trao giải

thưởng Nobel Hóa học cho các nhà khoa học Shirakawa, MacDiamind và Heeger

7

(Hình 1.3) với sự khám phá và nghiên cứu về polymer dẫn điện (electrically

conducting polymers).

Hình 1. 3 Giáo sư Alan Heeger, Alan Mac Diarmid và Shirakawa (từ trái qua phải).

Hình 1. 4 Cấu trúcphân tử của polyacetylene.

Hình 1.4 trình bày cấu trúc của một vài polymer dẫn quan trọng đã được tổng

hợp và ứng dụng trong vài thập niên gần đây [21].

Polymer dẫn điện, hay còn gọi là bán dẫn hữu cơ, có nhiều đặc tính nổi bật

như:

. Tương đồng với các bán dẫn vô cơ

. Giá thành thấp

. Có thể tạo được nhiều diện tích lớn

. Đáp ứng được các tính chất quang và điện đặc biệt.

. Một số tính chất ưu việt khác mà các vật liệu khác không dễ gì có được như

tính dẻo, có thể uốn cong dưới bất kỳ hình dạng nào, màu sắc trung thực, số

lượng màu lớn…

Tuy nhiên chúng cũng còn một số những đặc điểm cần nghiên cứu khắc phục

như:

. Độ ổn định.

. Dễ bị già hóa bởi tia UV.

. Độ linh động của các hạt tải điện.

8

Hiện nay polymer dẫn đã được ứng dụng nhiều vào các lĩnh vực như: Công

nghệ chế tạo diode phát quang hữu cơ (OLED), màn hình phẳng dẻo kích thước lớn,

laser, pin mặt trời (solar cell), photodetector, các loại transistor, các loại sensor, bộ

nhớ (memory cell)…

Hình 1. 5 Cấu trúc phân tử và độ rộng vùng cấm một số polymer dẫn [21].

1.2.2. Polymer cấu trúc nối đôi liên hợp

Các polymer có cấu trúc nối đôi liên hợp (… - C = C – C = C - …) bao gồm

polyacethylene (PA), polypyrrole (PPy), polythiophene (PT), poly phenylene

vinylene (PPV), v.v… và các polymer dẫn xuất. Trong các polymer này, liên kết

giữa các nguyên tử cacbon tạo thành khung cacbon có các liên kết đôi và liên kết

đơn xen kẽ, hình thành các liên kết π chạy dọc theo khung cacbon (hình 1.6a). Các

điện tử π không định xứ đó lấp đầy toàn dải nên các polymer liên hợp có tính chất

như là các chất dẫn bán dẫn. Dải liên kết π bị lấp đầy được gọi là orbital phân tử

điền đầy cao nhất (HOMO) và các dải π^*trống được gọi là orbital phân tử không

điền đầy thấp nhất (LUMO). Hệ thống liên kết π^*này khi bị kích thích thì một điện

tử sẽ nhảy từ mức HOMO lên mức LUMO [21].

9

Tải về để xem bản đầy đủ

pdf

66 trang yennguyen 30/03/2022 11500

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn 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", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

luan_van_nghien_cuu_che_tao_va_khao_sat_tinh_chat_cua_vat_li.pdf