Đang tải... (xem toàn văn)
MỤC LỤCLỜI CẢM ƠN1MỞ ĐẦU1CHƯƠNG I: TỔNG QUAN4I. Những đặc trưng cơ bản của vật liệu ZnO41.Cấu trúc mạng tinh thể ZnO41.1.Cấu trúc lục giác xếp chặt (Hexagonal wurtzite)41.2.Cấu trúc lập phương kiểu NaCl.51.3.Cấu trúc lập phương giả kẽm.52.Tính chất dẫn điện của vật liệu ZnO63.Tính chất quang của ZnO7II. Những đặc trưng cơ bản của vật liệu ZnO nanorod81.Cấu trúc hình thái học82.Tính chất điện của ZnO nanorod93.Tính chất quang của ZnO nanorod10III. Vật liệu ZnO và ZnO nanorod ứng dụng trong pin mặt trời và đèn LED121.Thành phần cấu tạo121.1.Pin Mặt Trời ứng dụng vật liệu ZnO121.1Pin Mặt Trời ứng dụng vật liệu ZnO nanorod132.Cơ chế hoạt động.153.Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời16IV. Phương pháp chế tạo ZnO nanorod17I.Chế tạo mẫu191.Hóa chất Thiết bị thực nghiệm191.1. Hóa chất sử dụng191.2. Thiết bị thí nghiệm192.Chế tạo lớp mầm ZnO trên đế thủy tinh và đế pSi bằng phương pháp Solgel202.1 Chuẩn bị đế202.2 Chuẩn bị dung dịch212.3.Phủ màng212.4. Xứ lí nhiệt cho màng213.Chế tạo ZnO nanorod trên đế thủy tinh và pSi bằng phương pháp thủy nhiệt22II. Các phép đo và phân tích241.Phương pháp nhiễu xạ tia X242.Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)263.Phương pháp khảo sát độ truyền qua quang274. Phương pháp đo điện bằng đồng hồ keithley 2000 ghép nối máy tính (IV)28CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN30I.Kết quả khảo sát lớp mầm ZnO và ZnO:Al trên đế thủy tinh301.Ảnh SEM302.Giản đồ nhiễu xạ tia X31II. Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của cấu trúc ZnO nanorod vào nhiệt độ thủy nhiệt351. Ảnh SEM352.Phổ truyền qua quang học36III.Sự phụ thuộc của cấu trúc ZnO nanorod vào nồng độ dung dịch thủy nhiệt371.Ảnh SEM372.Phổ truyền qua quang học38IV. Kết quả khảo sát cấu trúc ZnO:Al nanorod391.Ảnh SEM392.Giản đồ nhiễu xạ tia X403.Phổ truyền qua quang học404.Đặc trưng IV414.1.Đường đặc trưng IV của cấu trúc ZnO:Al nanorod trên đế thủy tinh….424.2.Đường đặc trưng IV của cấu trúc ZnO:Al nanorod trên đế pSi43KẾT LUẬN45TÀI LIỆU THAM KHẢO48
\ Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, tôn kính chân thành đến TS.Nguyễn Đình Lãm, người trực tiếp hướng dẫn, truyền cảm hứng giúp đỡ em suốt thời gian hoàn thành luận văn Bằng lòng kính trọng sâu sắc, em xin cảm ơn thầy cô khoa Vật Lý tận tình giảng dạy cho em điều hay, kiến thức bổ ích thời gian em ngồi ghế nhà trường Em xin trân trọng cảm ơn thầy cô môn Vật Lý Chất Rắn hỗ trợ cho em có phòng thí nghiệm thiết bị để thực Em xin chân thành cảm ơn thầy cô Bộ môn Vật lí chất rắn, khoa Vật lí, Trường ĐHSP Hà Nội cán chụp ảnh SEM – Viện vệ sinh dịch tễ trung ương Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội giúp đỡ em trình thực nghiệm Cảm ơn bạn Lê Thùy Trang em sinh viên K62, tổ Điện Tử đứng bên cạnh chia sẻ lúc khó khăn Và tất cả, em xin gửi đến gia đình tình cảm yêu thương Cảm ơn bố mẹ anh trai động viên, cho tất có ngày hôm Em xin chân thành cảm ơn tất cả! Học viên Trần Thị Mùi Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời MỤC LỤC Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời MỞ ĐẦU Sự phát triển khoa học công nghệ chuyển sang bước ngoặt lớn vật liệu bán dẫn phát ứng dụng vào thực tế Các sản phẩm sử dụng vật liệu bán dẫn ngày phổ biến công nghiệp sống Do đó, vật liệu bán dẫn ngày thu hút quan tâm nhà khoa học nói chung nhà vật lý nói riêng Trong năm gần vật liệu bán dẫn kích thước nano lại ý đến tính trội khác biệt Một số đó, ZnO vật liệu bán dẫn loại n có bề rộng vùng cấm lớn (3,37 eV) lượng liên kết exciton cao (60 meV) [5,6,14] Hiện nay, màng ZnO có nhiều ứng dụng việc chế tạo linh kiện quang điện tử pin mặt trời, laser, đèn LED Ngoài ra, vật liệu ZnO chế tạo dạng cấu trúc ZnO chiều nanorod nanowire Các cấu trúc có độ dẫn điện tốt chất lượng tinh thể cao so với cấu trúc dạng màng Ngoài ra, ứng dụng đèn LED, cấu trúc ZnO chiều định hướng vuông góc với bề mặt đế đóng vai trò ống dẫn sóng làm giảm tán xạ ánh sáng cạnh bên làm tăng hiệu suất ánh sáng phát xạ mà không cần sử dụng đến thấu kính hay gương phản xạ [6] Mặc dù cấu trúc ZnO chiều chứa đựng nhiều ưu điểm có chất lượng tinh thể cao việc chế tạo các linh kiện quang điện tử dựa lớp chuyển tiếp đồng thể p-n vật liệu bán dẫn ZnO tồn nhiều thách thức chất tự nhiên ZnO bán dẫn loại n Để giải vấn đề này, số nghiên cứu chế tạo lớp chuyển tiếp dị thể linh kiện quang điện tử việc ghép cặp cấu trúc ZnO chiều với vật liệu khác p-GaN (LED) PbS, PbSe (pin mặt trời) Tuy nhiên, ứng dụng chế tạo đèn LED, hiệu suất phát xạ công suất đèn LED thấp Điều giải thích hiệu suất bơm hạt tải thấp Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời có ngăn cản lượng lớn bề mặt tiếp xúc Để giải vấn đề này, cấu trúc ZnO chiều pha tạp thêm nguyên tố In Việc pha tạp làm thay đổi cấu trúc tinh thể (bao gồm kích thước, hình thái bề mặt) tăng nồng độ hạt tải dẫn đến việc cải thiện tính chất điện quang cấu trúc ZnO chiều [6] Dựa sở điều kiện trang thiết bị có phòng thí nghiệm định hướng thầy hướng dẫn, em chọn đề tài luận văn tốt nghiệp là: “Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời ” Mục đích luận văn nhằm: - Chế tạo màng ZnO:Al phương pháp Sol-gel - Chế tạo cấu trúc ZnO:Al nanorod phương pháp thủy nhiệt - Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nồng độ dung dịch thủy nhiệt đến tính chất cấu trúc ZnO:Al nanorod - Khảo sát ảnh hưởng nồng độ tạp chất Al từ 0% đến 3% lên cấu trúc, tính chất (tính chất điện tính chất quang) cấu trúc ZnO:Al nanorod - Tìm hiểu khả ứng dụng cấu trúc ZnO:Al nanorod chế tạo pin mặt trời Kết nghiên cứu trình bày luận văn với phần chính: Chương Tổng quan Trình bày tính chất cấu trúc vật liệu ZnO, vật liệu ZnO nanorod phương pháp chế tạo cấu trúc ZnO nanorod Chương Thực nghiệm Trình bày bước tiến hành thực nghiệm: - Chế tạo lớp mầm ZnO đế thủy tinh, p-Si phương pháp quay phủ - Chế tạo cấu trúc ZnO nanorod phương pháp thủy nhiệt Trình bày phương pháp nghiên cứu tính chất vật liệu chế tạo Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời Chương Kết thảo luận Trình bày kết khảo sát rút kết luận Kết luận Tài liệu tham khảo Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I Những đặc trưng vật liệu ZnO 1.Cấu trúc mạng tinh thể ZnO Kẽm Oxit bán dẫn thuộc nhóm II-VI, có cấu trúc lục giác xếp chặt (wurtzite) Ngoài ra, ZnO tồn cấu trúc khác như: cấu trúc lập phương kiểu NaCl cấu trúc lập phương giả kẽm 1.1.Cấu trúc lục giác xếp chặt (Hexagonal wurtzite) Cấu trúc lục giác Wurtzite cấu trúc bền vững tinh thể ZnO, tồn điều kiện nhiệt độ phòng áp suất khí Trong cấu trúc này, nhóm đối xứng không gian tinh thể học tinh thể C46v-P63mc Mỗi ô mạng có hai phân tử ZnO hai nguyên tử Zn nằm vị trí có tọa độ (0,0,0) (1/3,2/3,1/2) hai nguyên tử O nằm vị trí (0,0,u) (1/3,2/3,1/3+u) với u 3/5 Mỗi nguyên tử Zn liên kết với nguyên tử O nằm đỉnh tứ diện, nguyên tử khoảng cách u.c nguyên tử lại khoảng cách [1/3a + c2(u – 1/2)2]1/2 (a,c số mạng) Vì mà mạng lục giác Wurtzite coi hai mạng lục giác lồng vào nhau: mạng chứa anion O 2- mạng chứa cation Zn2+ với số lân cận gần nguyên tử z = 12 Ở 300K, ô sở ZnO có số mạng a = b = 3.2492 c = 5,2058 Å tương ứng với thể tích ô sở V = 47,623 Å Liên kết hóa học ZnO hỗn hợp liên kết cộng hóa trị liên kết ion [16] Mô hình cấu trúc lục giác Wurtzite mô tả hình 1.1 Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời Hình 1.1 Mô hình cấu trúc lục giác wurtzite Trong ô sở mạng tồn hai trục phân cực song song với phương (0,0,1) Khoảng cách mặt phẳng mạng có số Miller (h,k,l) hệ lục giác Wurtzite là: d hkl = a a2 h + k + hk + l 2 c ( ) 1.2.Cấu trúc lập phương kiểu NaCl Cấu trúc lập phương đơn giản kiểu NaCl cấu trúc giả bền ZnO tồn điều kiện áp suất cao Trong cấu trúc ô sơ cấp có phân tử ZnO nguyên tử Zn liên kết với nguyên tử O lân cận gần nằm đỉnh tứ diện Vì vậy, xem cấu trúc kiểu NaCl gồm 12 phân mạng lập phương tâm mặt Zn O lồng vào khoảng cách 1/2 cạnh hình lập phương Hằng số mạng cấu trúc : a = b = c = 4,27Å Bằng lí thuyết thực nghiệm, người ta chứng minh nửa lượng vật chất hoàn thành trình chuyển pha áp suất chuyển pha từ lục giác sang lập phương khoảng 8,7 GPa Sự cân pha thiết lập áp suất GPa Theo tính toán, thay đổi thể tích hai trạng thái vào cỡ 17% [16] Hình 1.2 Mô hình cấu trúc lập phương kiểu NaCl 1.3.Cấu trúc lập phương giả kẽm Mô hình cấu trúc lập phương giả kẽm trình bày hình 1.3 Đây cấu trúc tinh thể ZnO nhiệt độ cao, cấu trúc giả bền ZnO, cấu trúc Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời tâm đối xứng, tinh thể thuộc loại dị hướng có nhóm đối xứng không gian Td2 – F43m Trong cấu trúc này, ô sở có phân tử ZnO, nguyên tử bao bọc nguyên tử khác loại [16] Tọa độ nguyên tử: nguyên tử Zn nằm vị trí có tọa độ: ( 1/4, 1/4, 1/4 ) ; ( 1/4, 3/4, 3/4 ) ; ( 3/4, 1/4, 3/4 ) ; ( 3/4, 3/4, 1/4 ) nguyên tử O nằm vị trí có tọa độ: ( 0, 0, ) ; ( 0, 1/2, 1/2 ) ; ( 1/2, 0, 1/2 ) ; ( 1/2, 1/2, ) Hình 1.3 Mô hình cấu trúc lập phương giả kẽm 2.Tính chất dẫn điện vật liệu ZnO Tính chất điện vật liệu bán dẫn ZnO phụ thuộc vào nồng độ hạt tải điện Nồng độ electron lỗ trống tính công thức: Với hàm phân bố fermi-dirac f(E) hàm mật độ trạng thái D(E) : Mạng tinh thể ZnO đơn tinh thể tạp chất hay sai hỏng trường hợp lý tưởng xem chất cách điện chất bán dẫn nhiệt độ phòng Những nút khuyết oxi bề mặt oxit kim loại có hoạt tính cao mặt điện hóa học Những nút khuyết đóng vai trò donor làm tăng đáng kể độ dẫn điện ZnO, đồng thời hoạt động trạng thái bẫy, có khả bắt giữ phân tử khí môi trường.[3] 3.Tính chất quang ZnO Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời ZnO loại bán dẫn chuyển mức thẳng với độ rộng vùng cấm lớn (3,37eV), tinh thể bất đẳng hướng có trục quang học có độ truyền qua cao ( >80%) vùng ánh sáng khả kiến Nhờ độ truyền qua cao mà ZnO dùng nhiều màng dẫn điện suốt Độ rộng vùng cấm ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất phát quang độ hấp thụ quang học [1] 4.Vật liệu ZnO pha tạp Al Khi vật liệu ZnO pha tạp Al, ion Al 3+thay vào vị trí Zn 2+ mạng tinh thể ZnO cho electron tự do, làm tăng độ dẫn điện vật liệu.ZnO : Al trở thành bán dẫn suy biến loại n có điện trở nhỏ, nồng độ hạt tải lớn Sự gia tăng nồng độ hạt tải màng ZnO pha tạp Al liên quan đến việc mở rộng độ rộng vùng cấm, hiệu ứng Moss-Burstein Cấu trúc vùng lượng ZnO:Al có dạng parabol hình 1.4 Hình 1.4: Sự thay đổi độ rộng vùng cấm ZnO pha tạp Al Khi chưa pha tạp,vùng dẫn ZnO không bị chiếm điện tử Do điện tử từ đỉnh vùng hóa trị hấp thụ lượng tử ánh sáng có lượng Eg chuyển mức thẳng lên đáy vùng dẫn [1] Độ tăng độ rộng vùng cấm theo hiệu ứng Burnstein-Moss tính công thức: (1.1) Với: Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 10 Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời Hình 3.9: Chiều dài mật độ cấu trúc ZnO nanorod thay đổi theo nồng độ dung dịch thủy nhiệt Hình 3.8 hình 3.9 cho thấy nồng độ dung dịch thủy nhiệt tăng từ 10 mM đến 30 mM đường kính rod tăng, chiều dài rod tăng mật độ cấu trúc nanorod quan sát mẫu thủy nhiệt 20mM lớn 2.Phổ truyền qua quang học Hình 3.10: Phổ truyền qua quang học cấu trúc ZnO nanorod thay đổi theo nồng độ dung dịch thủy nhiệt Hình 3.10 nồng độ dung dịch thủy nhiệt tăng lên từ 10 mM đến 30 mM độ truyền qua quang học giảm mạnh: nồng độ 10mM độ truyền Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 41 Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời qua trung bình lên tới khoảng 90% nồng độ 30mM độ truyền qua trung bình 60% Như vậy, kết khảo sát cho thấy, nồng độ dung dịch thủy nhiệt tăng lên từ 10 mM đến 30 mM chiều dài rod tăng lên, đường kính rod tăng lên, độ truyền qua quang học giảm mạnh mật độ rod lớn nồng độ 20 mM Và ZnO NRs thủy nhiệt nhiệt độ 800C, nồng độ dung dịch 20mM thời gian 120 phút, cho độ truyền qua 80% phù hợp việc ứng dụng chế tạo pin mặt trời IV Kết khảo sát cấu trúc ZnO:Al nanorod 1.Ảnh SEM Khi tiến hành thủy nhiệt màng ZnO:Al 80 oC, thời gian thủy nhiệt 120 phút, thay đổi nồng độ pha tạp Al từ 0-3%, kích thước mật độ cấu trúc nanorod thay đổi thể hình 3.11 Hình 3.11: Ảnh SEM Hình 3.12: Mật độ rod thay đổi cấu trúc ZnO:Al nanorod với theo nồng độ pha tạp Al nồng độ Al từ 0% đến 3% Từ hình 3.11 hình 3.12 cho thấy nồng độ pha tạp Al tăng lên chiều dài nanorod tăng, mật độ nanorod đế giảm Kích thước rod thay đổi không đáng kể Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 42 Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời 2.Giản đồ nhiễu xạ tia X Hình 3.13 Giản đồ nhiễu xạ tia X cấu trúc ZnO:Al nanorod (0%-3%) Hình 3.13 thể giản đồ nhiễu xạ tia X cấu trúc ZnO nanorod với nồng độ pha tạp Al từ 0% đến 3% Giản đồ cho thấy, không pha tạp Al có đỉnh (002) có cường độ lớn Điều thể mẫu có định hướng mạnh theo trục c Khi pha tạp 1% Al cường độ đỉnh (002) có giá trị lớn đỉnh lại có giá trị cường độ giảm Khi nồng độ Al tăng lên 2% 3% cường độ đỉnh nhiễu xạ giảm mạnh Điều cho thấy, Al tham gia vào cấu trúc ZnO nanorod 3.Phổ truyền qua quang học Hình 3.14 Phổ truyền qua quang học cấu trúc ZnO:Al nanorod Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 43 Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời Phổ truyền qua quang học cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al với nồng độ từ 0% đến 3% thể hình 3.14 Khi nồng độ tạp chất Al ảnh hưởng mạnh đến độ truyền qua quang học cấu trúc ZnO nanorod Trong đó, cấu trúc ZnO nanorod pha tạp 3% Al có độ truyền qua cao nhất, độ truyền qua trung bình lên tới 95.69% 4.Đặc trưng I-V 4.1 Đường đặc trưng I-V cấu trúc ZnO:Al nanorod đế thủy tinh Hình 3.15 (a)Đường đặc trưng I-V cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al 0% đến 3% (b) Sự phụ thuộc điện trở vào nồng độ pha tạp Al lên cấu trúc ZnO nanorod Độ dẫn điện mẫu đánh giá thông qua đường đặc trưng I-V trình bày hình 3.15a Các điện cực chuẩn bị keo bạc Hình 3.15(a) rằng, đường đặc trưng I-V tuyến tính Vì vậy, điện cực thể tính Ohmic Kết khảo sát hình 3.15b cho thấy, cấu trúc ZnO pha tạp 1% Al có độ dẫn điện tốt Đây tiền đề cho khảo sát sâu đặc trưng I-V, từ xác định khả dẫn điện (thông qua điện trở) cấu trúc ZnO nanorod Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 44 Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời Hình 3.16 Đặc trưng I-V cấu trúc ZnO:Al nanorod phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng - Hình 3.17 Sự phụ thuộc điện trở vào cường độ chiếu sáng Cấu trúc ZnO nanorod pha tạp 1%Al chọn để khảo sát ảnh hưởng cường độ ánh sáng chiếu tới đến tính chất điện cấu trúc - Hình 3.16 cho thấy cường độ ánh sáng chiếu tới tăng điện trở cấu trúc giảm, độ dẫn điện cao Đồ thị hình 3.17 thể rõ giảm dần điện trở cường độ chiếu sáng tăng lên tuân theo quy luật hàm số mũ Giá trị điện trở giảm dần tới giá trị Điều phù hợp với tính chất vật liệu bán dẫn - Các kết khảo sát rằng, nồng độ tạp chất Al thay đổi tính chất quang tính chất điện cấu trúc ZnO nanorod thay đổi Cấu trúc ZnO:Al nanorod với nồng độ tạp chất 3% có độ truyền qua quang học cao - Tuy nhiên, cấu trúc ZnO:Al nanorod với nồng độ tạp chất 1% Al có độ truyền qua khoảng 85%, độ dẫn điện tốt thủy nhiệt nhiệt độ 800C, nồng độ thủy nhiệt 20mM nên phù hợp với yêu cầu chế tạo pin mặt trời 4.2 Đường đặc trưng I-V cấu trúc ZnO:Al nanorod đế p-Si Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 45 Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời Để khảo sát khả ứng dụng cấu trúc ZnO:Al nanorod việc chế tạo pin mặt trời đèn LED, lớp tiếp xúc dị thể p-Si/n-ZnO:Al nanorod chế tạo phương pháp thủy nhiệt Đường đặc trưng I-V cấu trúc ZnO: Al nanorod thể hình 3.18 Cường độ dòng điện ( Hình 3.18 Đặc trưng I-V ZnO: Al nanorod đế Silic nồng độ pha tạp Al thay đổi Đặc trưng I-V lớp tiếp xúc dị thể p-Si/n-ZnO:Al nanorod thể tính chỉnh lưu điốt Khi nồng độ tạp chất tăng lên, chế độ đo phân cực thuận, giá trị dòng điện tăng Dòng điện qua lớp tiếp xúc p-n tuân theo quy luật hàm mũ: eV I = I s exp( ) − 1 kT Trong đó: Is dòng bão hòa V điện đặt vào e điện tích electron Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 46 Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời k số Boltzman T nhiệt độ tuyệt đối Hình 3.19 Sự phụ thuộc Is Vmở ZnO:Al nanorod đế silic vào nồng độ tạp chất Al Sự tăng nồng độ tạp chất Al làm tăng nồng độ hạt tải nên độ dẫn điện tăng dẫn đến dòng điện bão hòa (Is) tăng, đồng thời hiệu điện mở (Vmở) giảm trình bày hình 3.19 Các kết khảo sát rằng, nồng độ tạp chất Al thay đổi tính chất cấu trúc, quang điện cấu trúc ZnO:Al nanorod thay đổi Cấu trúc ZnO:Al nanorod đế thủy tinh với nồng độ tạp chất 1% Al có độ dẫn điện tốt Dòng điện phân cực thuận lớp tiếp xúc dị thể tăng nồng độ tạp chất Al tăng Việc thử nghiệm chế tạo lớp chuyển tiếp dị thể cho thấy, lớp tiếp xúc p-n hình thành có đặc tính chỉnh lưu cao Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 47 Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 48 Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời KẾT LUẬN Luận văn thực với mục đích chế tạo khảo sát số tính chất màng ZnO:Al cấu trúc ZnO:Al nanorod với đặc tính nhằm ứng dụng chế tạo pin mặt trời: Độ truyền qua cao ( T > 85%), độ dẫn điện tốt Các nội dung mà luận văn đạt sau: Những công việc thực Tìm hiểu lý thuyết đặc điểm cấu trúc tính chất (tính chất quang, tính chất điện) vật liệu ZnO vật liệu ZnO nanorod, phương pháp chế tạo cấu trúc ZnO nanorod Tìm hiểu ứng dụng màng ZnO cấu trúc ZnO nanorod pin mặt trời đèn LED Chế tạo màng ZnO:Al đế thủy tinh, với nồng độ pha tạp Al khác phương pháp Sol-gel, ủ không khí nhiệt độ 5000C, thời gian Tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng nồng độ tạp chất Al đến cấu trúc, hình thái học tính chất màng ZnO:Al chế tạo Chế tạo ZnO:Al nanorod đế thủy tinh đế p-Si phương pháp thủy nhiệt Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ thủy nhiệt, nồng độ dung dịch thủy nhiệt nồng độ pha tạp Al đến kích thước, mật độ, tính chất cấu trúc ZnO:Al nanorod Tìm hiểu phương pháp phân tích mẫu: - Phương pháp nhiễu xạ tia X - Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) - Phương pháp khảo sát độ truyền qua quang Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 49 Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời Phương pháp đo điện đồng hồ keithley 2000 ghép nối máy tính - (I-V) Kết đạt Chế tạo thành công màng ZnO:Al với nồng độ tạp chất Al khác nhau, bề mặt màng hình thành nhiều hạt có kích thước khoảng vài chục nanomet, kích thước hạt lớn bề mặt màng trở nên ghồ ghề tăng nồng độ tạp chất Al Màng ZnO ZnO pha tạp với nồng độ Al khác Có cấu trúc lục giác xếp chặt, định hướng theo nhiều phương khác Các đỉnh nhiễu xạ ứng với mặt phẳng mạng (100), (002), (101), (102), (110), (103), (112) quan sát giản đồ nhiễu xạ tia X Cường độ đỉnh mặt phẳng mạng (002) cho thấy tinh thể màng ZnO có định hướng ưu tiên theo hướng [002] nồng độ pha tạp Al tăng lên Tất đỉnh phổ XRD đỉnh nhọn hẹp, đỉnh nhiễu xạ tạp chất khác không xuất phổ XRD Các màng ZnO:Al tạo có độ truyền qua trung bình cao (T > 95%) khoảng bước sóng 380nm-800nm, chứng tỏ tạp chất Al làm tăng độ truyền qua quang học màng ZnO Và độ truyền qua trung bình cao đạt nồng độ pha tạp Al 1% Điều giải thích phần đóng góp độ nhám bề mặt mẫu Như vậy, Al đưa vào ZnO cải thiện đáng kể độ truyền qua quang học Chế tạo thành công cấu trúc ZnO:Al nanorod, có cấu trúc lục giác, định hướng theo trục c trực giao tốt với đế, cấu trúc có mật độ rod đạt giá trị lớn thực thủy nhiệt 80 oC, nồng độ dung dịch thủy nhiệt 20mM Độ truyền qua trung bình cao đạt nồng độ pha tạp Al 3%, độ truyền qua trung bình lên tới 95.69% Cấu trúc ZnO:Al nanorod có định hướng mạnh theo trục c Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 50 Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời Khi không pha tạp Al đỉnh (002) có cường độ lớn Khi pha tạp 1% Al cường độ đỉnh (002) có giá trị lớn đỉnh lại có giá trị cường độ giảm Khi nồng độ Al tăng lên 2% 3% cường độ đỉnh nhiễu xạ giảm mạnh Điều cho thấy, Al tham gia vào cấu trúc ZnO nanorod Cấu trúc ZnO:Al nanorod với nồng độ tạp chất 1% Al có độ truyền qua khoảng 85%, độ dẫn điện tốt thủy nhiệt nhiệt độ 800C, nồng độ 20mM nên phù hợp với yêu cầu chế tạo pin mặt trời Cấu trúc ZnO nanorod pha tạp 1% Al chọn để khảo sát ảnh hưởng cường độ ánh sáng chiếu tới đến tính chất điện cấu trúc Cường độ ánh sáng chiếu tới tăng điện trở cấu trúc giảm, độ dẫn điện tăng tăng lên tuân theo quy luật hàm số mũ Giá trị điện trở giảm dần tới giá trị Đặc biệt chế tạo thành công lớp tiếp xúc dị thể p-Si/n-ZnO:Al nanorod có đặc tính chỉnh lưu cao Dòng điện phân cực thuận lớp tiếp xúc dị thể tăng nồng độ tạp chất Al tăng Ngoài ra, tăng nồng độ tạp chất Al làm tăng nồng độ hạt tải nên độ dẫn điện tăng dẫn đến dòng điện bão hòa (Is) tăng, đồng thời hiệu điện mở (V mở) giảm Đặc trưng I-V lớp tiếp xúc dị thể p-Si/n-ZnO:Al nanorod thể tính chỉnh lưu điốt mở triển vọng hoàn thiện, chế tạo điot, ứng dụng pin mặt trời có hiệu suất cao Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 51 Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Dương Thị Thanh Trúc, Nghiên cứu chế tạo màng ZnO:Al, luận văn thạc sĩ, Đại học Quốc gia thành phố HCM(2009) Nguyễn Văn Hùng, hướng dẫn thực hành thí nghiệm, phòng thí nghiệm vật lý chất rắn, Đại học Sư phạm Hà Nội, (2015) Lê Khắc Tốp, Chế tạo nano ZnO phương pháp điện hóa ứng dụng pin mặt trời, luận văn thạc sĩ, Đại học Quốc gia thành phố HCM, (2012) La Phan Phương Hạ, Chế tạo khảo sát tính chất đặc trưng sợi nano ZnO, luận văn thạc sĩ, Đại học Quốc gia thành phố HCM, (2011) Nguyễn Mỹ Hạnh Nghiên cứu chế tạo mảng ZnO nanowire cho ứng dụng pin mặt trời LED Chuyên ngành Vật lí chất rắn điện tử Khoa Vật lí – Trường ĐHSP Hà Nội, khóa luận tốt nghiệp 2015, 4-10 Tài liệu Tiếng Anh Geun Chul Park, Soo Min Hwang, Seung Muk Lee, Jun Hyuk Choi1, Keun Man Song,Hyun You Kim, Hyun-Suk Kim, Sung-Jin Eum, SeungBoo Jung, Jun Hyung Lim, and Jinho Joo1,Hydrothermally Grown Indoped ZnO Nanorods on p-GaN Filmsfor Color-tunable HeterojunctionLight-emitting-diodes, Scientific Reports, (2015) Joel Jean, Sehoon Chang, Patrick R Brown, Jayce J Cheng, Paul H Rekemeyer, Moungi G Bawendi, Silvija Gradecak, and Vladimir Bulovic, “ZnO Nanowire Arrays for Enhanced Photocurrent in PbS Quantum Dot Solar Cells”,Adv Mater, 2790–2796, (2013) A.D.Acharya, Shweta Moghe, Richa Panda, S.B.Shrivastara, Mohan Gangrade, T.Shripathi, D.M.Phase, V.Ganesan.Growth and characterization of nano-structured Sn doped ZnO.Journal of Molecular Structure 1022 (2012)8–15 Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 52 Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời Akbar Davoodi, Mohammad Tajally, Omid Mirzau, Akbar Eshaghi Fabrication and characterization of optical and electrical properties of Al-Ti Co-doped ZnO nano-structure thin films Journal of Alloys and Compounds 657 (2016)296-301 10 A.Pruna, D.Pullini, D.Busquets Effect of AZO film as seeding substrate on the electrode position and properties of Al-Doped ZnO arrays.Science direct, 2015, 1-9 11 Jian-Fu Tang, Yang-Ming Lu, Sheng-Yuan Chu The growth of AZO nanostructures with high doping concentration using vertical reaction layer synthesizing method and their application Sensors and Actuators B 225(2016) 327-333 12 Jahyun Yang, Juneyoung Lee, Kyungtack Im, Sang woo Lim Influence of Sn-doping in hydrothermal methods on the optical property of the ZnO nanorods Physica E 42 (2009) 51-56 13 M.Eskandari, V.Ahmadi, S.H.Ahmadi Growth of Al-doped ZnO nanorod arrays on the substrate at low temperature Physica E 42 (2010) 1683–1686 14 Mi-Jung, Sangdankim, Sang hyun Ju Enhancement of green esmission from Sn-doped ZnO nanowires.Optical Materials 33(2011)280–283 15 Nam-Hyo Kim, Seung-Ho Jung, Jong Hwan Park, Kun-Hong Lee, Kilwon Cho A Three-Dimentional Trasparent electrode structure with Al-Doped ZnO nanorods IEEE transaction on nanotechnology, VOL.10, NO.6, November 2011, 1347-1351 16 Nguyen Dinh Lam, Le Thuy Trang, Tran Thi Mui, Pham Van Vinh, Vuong Van Cuong and Nguyen Van Hung Influences of Sn doping concentration on characteristics of ZnO films for solar cell applications JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE, Mathematical and Physical Sci., 2015, Vol 60, No 7, pp 41-46 17 Soaram Kim, Giuoong Nam, Huynggil Park, Huyn sik Yoon, Min Su Kim, Do Yeob Kim, Sung.O Kim and Jae-Young Leem Photo luminescence Properties of Defect Emissions in Al-Doping ZnO nanorod Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 53 Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời array thin films Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol.13, 2013, 6226-6230 18 Zhang, X.-M., Lu, M.-Y., Zhang, Y., Chen, L.-J & Wang, Z L Fabrication of a High-Brightness Blue-Light-Emitting Diode Using ZnO-Nanowire Array Grown on p-GaN Thin Film Adv Mater 21,2767–2770 (2009) 19 O.Lupan, G.Chai, L.Chow, G.A.Emelchenko, H.Heinrich, V.V.Ursaki Ultraviolet photoconductive sensor based on single ZnO nanowire, Phys Status Solid A 207 No 7, 1735-1740.(2010) 20 Congkang Xu, Misuk Kim, Sangyong Chung, Dong Eon Kim (2004), The growth and optical properties of ZnO nanowires at the junctions of nanowalls – Solid State Communications 132, 837-840 21 Zhiyong Fan, Jia G.Lu (2005) Zinc Oxide Nanostructures: Synthesis and Properties University of California 22 Yongki Min, Properties and Sensor Performance of Zinc Oxide Thin Films, Massachusetts Institute of Technology, (2003) Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 54 Khảo sát số tính chất cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng chế tạo pin Mặt Trời Công trình liên quan đến luận văn Nguyen Dinh Lam, Le Thuy Trang, Tran Thi Mui, Pham Van Vinh, Vuong Van Cuong and Nguyen Van Hung, “Influences of Sn doping concentration on characteristics of ZnO films for solar cell applications” JOURNAL OF SCIENCEOFHNUE, Mathematical and Physical Sci., 2015, Vol 60, No 7, pp 41-46 Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 55 [...]... gian hồi đáp của sợi nano ZnO với laser 633 nm trong không khí so với trong chân không III Vật liệu ZnO và ZnO nanorod ứng dụng trong pin mặt trời và đèn LED 1.Thành phần cấu tạo 1.1 .Pin Mặt Trời ứng dụng vật liệu ZnO Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 14 Khảo sát một số tính chất của cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng trong chế tạo pin Mặt Trời Hình 1.8: Cấu trúc của pin mặt trời sử dụng lớp chuyển... học của ZnO có cấu trúc không gian 1D Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 11 Khảo sát một số tính chất của cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng trong chế tạo pin Mặt Trời Hình 1.5: Một số dạng hình học của ZnO cấu trúc nano: (a) dây nano ZnO, (b) ZnO dạng lò xo, (c) ZnO dạng lá kim, (d) ZnO nano tetrapods, (e) sợi nano ZnO, (f) ống nano ZnO. [4] 2 .Tính chất điện của ZnO nanorod Về cơ bản, độ dẫn điện của. .. bày trong hình 2.8 Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 31 Khảo sát một số tính chất của cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng trong chế tạo pin Mặt Trời Hình 2.8: Hệ đo điện bằng đồng hồ Keithley 2000 ghép nối máy tính (1) (2) (3) (4) (5) Bộ nguồn Rs Mẫu (Rm) Đồng hồ Keithley 2000 Máy tính Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 32 Khảo sát một số tính chất của cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng trong chế tạo. .. thể ZnO và p-GaN (b) Đường đặc trưng I-V của ZnO pha tạp và ZnOkhông pha tạp trên đế p-GaN [6] Như vậy pin mặt trời sử dụng cấu trúc ZnO nanorod có nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng lớp màng ZnO Hơn nữa việc pha tạp In vào cấu trúc ZnO nanorod làm tăng tính dẫn điện của đèn LED Từ những lí do trên em chọn pha tạp Al vào cấu trúc ZnO nanorod để khảo sát tính chất quang và tính chất điện, nhằm ứng dụng. .. tăng nồng độ của In Hay nói cách khác, ZnO nanorod khi pha In thì có tính chất điện tốt hơn so với không pha tạp Hình 1.10: Ảnh SEM của cấu trúc ZnO nanorod pha tạp In với các nồng độ khác nhau; (a) 0%, (b) 2%, (c) 5% [6] Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 16 Khảo sát một số tính chất của cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng trong chế tạo pin Mặt Trời Hình 1.11 (a) Cấu trúc của đèn LED sử dụng lớp chuyển... chiều mặt mạng (002) là vì bản chất ZnO có cấu trúc lục giác wurtzite Nên cấu trúc ZnO nanorod có xu hướng kéo dài dọc theo trục c và hình thành lên các thanh nanorod Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 21 Khảo sát một số tính chất của cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng trong chế tạo pin Mặt Trời CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM Chế tạo mẫu 1.Hóa chất - Thiết bị thực nghiệm I 1.1 Hóa chất sử dụng Các chất. .. trong cấu trúc của pin mặt trời Như vậy cấu trúc ZnO nanorod được ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời, đèn LED sẽ cho kết quả tốt hơn so với sử dụng vật liệu ZnO ( hình1.9b) Trong việc ứng dụng chế tạo đèn LED, cấu trúc ZnO nanorod pha tạp In được chế tạo trên màng p-GaN bằng phương pháp thủy nhiệt Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng kích thước ( đường kính và chiều dài) của nanorod và tính chất điện của LED... ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của màng Chúng ta có thể nhận thấy các hạt ZnO: Al sau khi phân hủy hợp chất hữu cơ có hoạt tính rất lớn nên dễ dàng Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 24 Khảo sát một số tính chất của cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng trong chế tạo pin Mặt Trời liên kết với nhau và hình thành màng ZnO: Al có cấu trúc xít chặt Như vậy, việc chọn nhiệt độ ủ nhiệt 5000C trong 1 giờ là... Mùi 18 Khảo sát một số tính chất của cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng trong chế tạo pin Mặt Trời Hình1.12: Đường đặc trưng I-V của pin mặt trời Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời được xác định là: Với (V) là hiệu điện thế mạch hở, (A) là cường độ dòng điện ngắn mạch, FF (%) là hệ số lấp đầy, (%) là hiệu suất chuyển đổi năng lượng, (m 2) là diện tích bề mặt của pin mặt trời, Ein... màng có thể được điều chỉnh bởi nồng độ tạp chất Al Luận văn thạc sĩ Trần Thị Mùi 33 Khảo sát một số tính chất của cấu trúc ZnO nanorod pha tạp Al ứng dụng trong chế tạo pin Mặt Trời 2.Giản đồ nhiễu xạ tia X Hình 3.2 là giản đồ nhiễu xạ XRD của màng ZnO và ZnO pha tạp Al với nồng độ pha tạp từ 0%-3% trên đế thủy tinh, ủ nhiệt 1 giờ trong không khí ở 5000C, cấu trúc tinh thể màng được xác định bằng phổ