Tóm tắt luận án Chế tạo và khảo sát các tính chất của màng ôxít titan (TiO 2 ), ôxít kẽm (ZnO) cấu trúc nano ứng dụng làm điện cực thu điện tử trong pin mặt trời quang điện hóa

1 MỞ ðẦU Thế kỷ 20 ñã chứng kiến dân số tăng gấp bốn lần và nhu cầu tiêu thụ năng lượng của con người tăng lên 16 lần. Năm 2005, tổng số năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới vào khoảng 15 TW và dự tính con số này sẽ là 30 TW vào năm 2030. Trên thực tế, hơn 85 % năng lượng sử dụng hiện nay là từ dầu, than ñá và khí tự nhiên. Không những số lượng nhiên liệu có hạn ñó không thể ñáp ứng ñược nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng của con người mà sự ñốt cháy chúng còn làm sinh ra 21,3 tỷ tấn CO2 mỗi năm. ðiều này góp phần làm trái ñất nóng lên. Vì vậy mà việc tìm kiếm những nguồn năng lượng mới sạch, giá rẻ và dồi dào trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Trong số những nguồn năng lượng mới như năng lượng sinh khối (biomass), gió, nước v.v... thì không có nguồn năng lượng nào có thể ñáp ứng ñược nhu cầu của con người bằng năng lượng vô hạn từ mặt trời. ðể ñiện mặt trời thực sự góp phần ñáng kể vào cuộc sống con người thì cần phải nâng cao hiệu suất, cải tiến công nghệ, không dùng vật liệu ñộc hại. Một trong số các hướng nghiên cứu ñó là pin mặt trời giá rẻ nhằm thay thế các loại pin mặt trời silic truyền thống ñắt tiền. Năm 1991, giáo sư Gratzel ñã phát minh ra loại pin mặt trời dùng chất nhuộm màu DSSC (Dye-Sensitized Solar Cells) với hiệu suất ñạt ñược ~ 11 %. Bộ phận chính của loại pin này là ñiện cực dùng vật liệu bán dẫn TiO2 nano xốp có tẩm các chất nhuộm màu như cơ kim, hữu cơ. Tuy nhiên pin DSSC cũng còn những hạn chế như giá thành của các chất nhuộm mầu cao và ñộ bền thấp. Do ñó việc nghiên cứu thay thế chất nhuộm màu hữu cơ, cơ kim bằng các hạt bán dẫn có vùng cấm phù hợp thu hút ñược sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới. Chính vì vậy mà hiện nay một loại pin mới sử dụng các hạt bán dẫn thay thế chất nhuộm màu cho ñiện cực ôxít bán dẫn nano xốp TiO2, ZnO ñang ñược nghiên cứu rộng rãi. ðó là pin mặt trời dùng bán dẫn làm chất nhạy sáng, viết tắt là SSSC (Semiconductor-Sensitized Solar Cell). Cũng như pin DSSCs, ñiện cực ôxít bán dẫn có vùng cấm rộng như TiO2, ZnO ñóng vai trò hết sức quan trọng trong pin SSSC. Các vật liệu ôxít bán dẫn này khi ñược chế tạo dưới dạng màng có cấu trúc nano sẽ dẫn tới sự hình thành mạng lưới các hạt liên kết với nhau cho phép quá trình dẫn ñiện tử diễn ra. ðây ñược xem như là một ñặc tính hết sức quan trọng trong việc nghiên cứu chế tạo các linh kiện quang ñiện tử ñặc biệt là pin mặt trời. Mặt khác cấu trúc nano xốp của các ñiện cực ôxít bán dẫn TiO2, ZnO cho phép tăng diện tích tiếp xúc với các hạt bán dẫn nhạy sáng. Các hạt bán dẫn nhạy sáng thường sử dụng là CdS, CdSe, InP, PbS,... Khi ñược phủ lên hạt bán dẫn nhạy sáng này, các màng mỏng ôxít bán dẫn sẽ ñóng vai 2 trò như một ñiện cực thu ñiện tử. Do ñó việc chế tạo các ñiện cực TiO2 và ZnO cấu trúc nano có các tính chất quang ñiện phù hợp cho việc tách và vận chuyển ñiện tử là ñiều hết sức cần thiết cho pin mặt trời quang ñiện hóa dạng SSSC. ðây cũng là mục tiêu chính của luận án. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu ôxít bán dẫn như TiO2 và ZnO có cấu trúc nano cũng ñã ñược tiến hành nghiên cứu nhằm mục ñích chế tạo các loại sensors, hay các vật liệu phát quang. Tuy nhiên việc nghiên cứu chế tạo các vật liệu màng mỏng TiO2, ZnO cấu trúc nano có các tính chất phù hợp với yêu cầu của việc chế tạo linh kiện pin mặt trời chưa ñược quan tâm nhiều. Chính vì vậy chúng tôi chọn ñề tài: “Chế tạo và khảo sát các tính chất của màng ôxít titan (TiO2), ôxít kẽm (ZnO) cấu trúc nano ứng dụng làm ñiện cực thu ñiện tử trong pin mặt trời quang ñiện hóa ”. Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu chế tạo ñiện cực thu ñiện tử trên cơ sở các màng mỏng TiO2 và ZnO cấu trúc nano làm tiền ñề cho việc nghiên cứu chế tạo các linh kiện pin mặt trời dạng SSSC. Nội dung nghiên cứu: - Chế tạo màng mỏng vật liệu các ôxít bán dẫn titan (TiO2) và ôxít kẽm (ZnO) cấu trúc nano có ñộ ñồng ñều cao, có tính chất ñiện, quang phù hợp với mục ñích sử dụng làm ñiện cực thu ñiện tử cho pin mặt trời dạng SSSC. - Chế tạo màng TiO2/CdS và ZnO/CdS với yêu cầu CdS có thể thẩm thấu sâu trong màng TiO2 và ZnO. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ ñến hai ñiện cực TiO2/CdS và ZnO/CdS làm thay ñổi các thông số ñặc trưng của pin mặt trời quang ñiện hóa dạng SSSC. Từ ñó tìm ra qui trình công nghệ phù hợp nhất. - Thử nghiệm chế tạo và khảo sát các thông số ñặc trưng của linh kiện pin quang ñiện hóa dạng SSSC dựa trên các ñiện cực ôxít bán dẫn có chất nhạy sáng là các hạt bán dẫn CdS chế tạo ñược. Tính mới và ý nghĩa khoa học của luận án: - Bằng phương pháp truyền thống, ñã chế tạo ñược màng mỏng cấu trúc nano xốp ñối với hai vật liệu ôxít titan và ôxít kẽm có ñộ sạch cao, bám ñế tốt. Các màng mỏng ôxít bán dẫn này có cấu trúc ñáp ứng yêu cầu làm ñiện cực dẫn ñiện tử trong suốt cho pin mặt trời dạng SSSC. - Với việc chế tạo thành công lớp CdS cấu trúc nano ñóng vai trò là chất nhạy sáng thẩm thấu trong màng TiO2 và ZnO, ñiện cực TiO2/CdS, ZnO/CdS ñã mở rộng phổ hấp thụ ñến vùng khả kiến. ðiều ñó có thể cho phép nâng cao hiệu suất của các linh kiện quang ñiện. 3 - ðã thử nghiệm chế tạo một cấu trúc pin mặt trời dạng SSSC, ño các thông số của pin: như thế hở mạch, dòng nối tắt, hiệu suất. Các kết quả của luận án có thể so sánh ñược với kết quả của một số công bố trên thế giới gần ñây và làm cơ sở khoa học ban ñầu cho hướng nghiên cứu tiếp theo về loại pin mặt trời thế hệ mới này. Bố cục của luận án: Luận án gồm có 142 trang trong ñó có 94 hình vẽ, ñồ thị và 22 bảng biểu, 149 tài liệu tham khảo ñược chia thành 4 chương. Cụ thể như sau: Chương 1: Pin mặt trời quang ñiện hóa dạng SSSC-Vật liệu ôxít titan (TiO2) và ôxít kẽm (ZnO); Chương 2: Công nghệ, các kỹ thuật phân tích và thực nghiệm chế tạo màng mỏng; Chương 3: Màng ôxít titan (TiO2) và ôxít titan/sunfua cadimi (TiO2/CdS); Chương 4: Màng ôxít kẽm (ZnO) và ôxít kẽm/sunfua cadimi (ZnO/CdS). Chương 1 PIN MẶT TRỜI QUANG ðIỆN HÓA DẠNG SSSC-VẬT LIỆU ÔXÍT TITAN (TiO2) VÀ ÔXÍT KẼM (ZnO) 1.1 Pin mặt trời quang ñiện hóa dạng SSSC 1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển của pin mặt trời Hiệu ứng quang ñiện ñược Edmond Bequerel phát minh ra năm 1839 khi làm thí nghiệm chiếu sáng ñiện cực kim loại trong chất ñiện ly. ðến năm 1883, Charles Fritts chế tạo thành công pin mặt trời ñầu tiên với lớp chuyển tiếp Se/Au cho hiệu suất khoảng 1%. Năm 1954 phòng thí nghiệm Bell ñã chế tạo thành công pin mặt trời từ vật liệu silic dựa trên lớp chuyển tiếp p-n với hiệu suất 6 %. Bộ phận chính của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc giữa hai loại bán dẫn: loại p và loại n (gọi tắt là tiếp xúc pn), có khả năng biến ñổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời nhờ hiệu ứng quang ñiện trong (hình 1.1). Khi lớp tiếp xúc pn ñược chiếu sáng, các cặp ñiện tử và lỗ trống ñược tạo thành. Do tác dụng của ñiện trường nội các cặp này bị tách ra và ñược gia tốc về các cực ñối diện tạo ra một suất ñiện ñộng quang ñiện. Nếu nối hai ñầu bán dẫn loại p và n với mạch ngoài sẽ có dòng quang ñiện Iph từ ñó sẽ tạo một công suất có ích. 4 Hiện nay căn cứ theo vật liệu, công nghệ chế tạo và ñặc ñiểm cấu tạo người ta phân ra làm ba thế hệ pin mặt trời. Thế hệ pin mặt trời thứ nhất Thế hệ thứ nhất là thế hệ pin mặt trời dựa trên chuyển tiếp p-n của các vật liệu silic ñơn hoặc ña tinh thể. Thế hệ này chiếm 85% thị phần pin mặt trời thương mại hiện nay. Hiệu suất của các pin thương mại là khoảng 15%. Tuy nhiên giá thành của các pin mặt trời loại này rất ñắt. Thế hệ pin mặt trời thứ hai Thế hệ thứ hai là các pin mặt trời màng mỏng bán dẫn ña tinh thể, chủ yếu là vật liệu bán dẫn nhiều thành phần như InP; GaAs; CdTe; CdS; CuInGaSe, v.v…. Ngoài ra pin mặt trời màng mỏng silic vô ñịnh hình cũng thuộc loại này. Hiệu suất thương mại khoảng 6-7%. Trong số các pin mặt trời màng mỏng thì pin mặt trời Cu(InGa)Se2 có hiệu suất cao nhất chỉ ñạt 19,2%. Tuy nhiên do công nghệ chế tạo ñơn giản nên giá thành rẻ hơn. Thế hệ pin mặt trời thứ ba Thế hệ pin mặt trời thứ ba hay còn ñược gọi dưới tên chung là pin mặt trời quang ñiện hóa (Photo Electrochemical Cell-PEC). ðó là thế hệ pin mặt trời ñược hình thành và phát triển trong thời gian gần ñây nhằm mục ñích nghiên cứu tìm ra công nghệ chế tạo ñơn giản hơn công nghệ silic, có giá thành rẻ và hiệu suất cao. Mô hình ñầu tiên ñược M. Gratzel ñưa ra vào năm 1991. Căn cứ vào vật liệu làm chất nhạy sáng, người ta có thể phân loại các pin mặt trời quang ñiện hóa PEC thành ba loại chính như sau: - Pin mặt trời sử dụng chất nhuộm màu DSSC (Dye-sensitized solar cells). Chất nhuộm màu là các vật liệu cơ kim, hữu cơ. Hiệu suất cao nhất ñạt ñược hiện nay của loại pin DSSC này là 12,3% với chất nhuộm màu là YD2-O-C8 (zinc porhyrin dyer). - Pin mặt trời sử dụng chất nhuộm màu là các vật liệu bán dẫn cấu trúc nano SSSC (Semiconductor-sensitized solar cells) và QDSSC (Quantum dot sensitized solar cells). Chất nhuộm màu cơ kim ñược thay bằng các hạt nano tinh thể bán dẫn. Loại pin mặt trời này có nhiều ưu việt hơn so với pin mặt trời DSSC, ñó là: i) các hạt nano tinh thể bán dẫn ñặc biệt là các quantum dot có phổ hấp thụ dễ dàng ñiều chỉnh và có thể ñiều chỉnh một cách liên tục bởi việc thay ñổi kích thước; ii) ñộ hấp thụ của các nano tinh thể bán dẫn cao hơn nhiều so với ñơn lớp các chất nhuộm mầu do ñó có thể sử dụng lớp ôxít bán dẫn nano xốp mỏng hơn. ðiều này có thể làm tăng thế hở mạch của linh kiện; iii) các quantum dot 5 còn có thể sinh ra nhiều cặp hạt tải ñiện hơn do nó có thể sinh ra nhiều hơn một cặp hạt tải chỉ với một photon do hiệu ứng của các ñiện tử nóng (hot electron); iv) việc sử dụng các nano tinh thể bán dẫn còn khắc phục ñược các hạn chế của các chất nhuộm màu cơ kim là: Không bị già hóa trong quá trình hoạt ñộng, ít bị ăn mòn trong các dung dịch chất ñiện ly, việc chế tạo các nano tinh thể bán dẫn có giá thành rẻ hơn rất nhiều so với các chất nhuộm màu. Mặc dù hiệu suất của pin mặt trời loại này hiện nay mới chỉ ñạt 4,7%, tuy nhiên với những ưu ñiểm trên nhiều công bố chỉ ra rằng chỉ cần nâng hiệu suất của pin này lên 7 % thì ñã có thể thương mại hóa. 1.1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm của pin mặt trời quang ñiện hóa Cấu tạo Pin mặt trời quang ñiện hóa gồm ba phần chính sau ñây: i) ñiện cực làm việc, ñây là bộ phận chính có vai trò quyết ñịnh tới các tính chất căn bản của linh kiện; ii) chất ñiện ly iii) ñiện cực ñối, hình 1.2. Nguyên lý hoạt ñộng Pin mặt trời quang ñiện hóa dạng DSSCs nói chung và dạng SSSC nói riêng có nguyên lý làm việc tương tự nhau và ñược mô tả như sau: Khi ñược chiếu sáng, các quá trình diễn ra trong pin PEC, hình 1.3. ðầu tiên hạt bán dẫn nano tinh thể (bán dẫn hấp thụ) hấp thụ ánh sáng sẽ chuyển thành trạng thái kích thích sinh ra cặp ñiện tử và lỗ trống. Hình 1.3: Nguyên lý làm việc của pin mặt trời quang ñiện hóa. 6 Khi ñó ñiện tử nhảy lên vùng dẫn, lỗ trống ở lại trong vùng hóa trị của hạt bán dẫn hấp thụ (quá trình 1, hình 1.3). Do sự chênh lệch mức năng lượng giữa hai ñáy vùng dẫn của hạt bán dẫn hấp thụ và ôxít bán dẫn, ñiện tử sẽ ñược tiêm vào vùng dẫn của ôxít bán dẫn (quá trình 2, hình 1.3) và ñược dẫn ra mạch ngoài thành dòng ñiện (quá trình 3, hình 1.3). Trong khi ñó tại biên tiếp xúc của chất nhạy sáng với chất ñiện ly, lỗ trống sẽ tham gia quá trình oxy hóa và chuyển sang phần tử Ox (quá trình 4, hình 1.3) Red + h+ → Ox và ñược vận chuyển qua chất ñiện ly ñến ñiện cực ñối tại ñó phần tử oxy hóa (Ox) nhận ñiện tử chuyển thành phần tử khử Red (quá trình 5, hình 1.3). Ox + e- → Red Như vậy một chu trình làm việc của pin mặt trời quang ñiện hóa kết thúc và năng lượng ánh sáng ñược chuyển thành ñiện năng. 1.1.3 Các ñặc trưng của pin mặt trời Hình 1.4 biểu diễn sơ ñồ tương ñương của pin mặt trời quang ñiện hóa. Trong ñó Iph là dòng ñiện khi chiếu sáng, ID dòng diode, RS ñiện trở nối tiếp (ñiện trở của vật liệu) và Rsh là ñiện trở sơn. . Hình 1.4:a) Sơ ñồ tương ñương của pin mặt trời quang ñiện hóa; b) ðặc trưng sáng của pin mặt trời, Imp , Vmp là dòng và thế cho công suất ra cực ñại ; c) Sự ảnh hưởng của Rsh và Rs lên FF của pin mặt trời. Dòng ñoản mạch ISC là cường ñộ dòng ñiện ở mạch ngoài khi làm ngắn mạch ngoài (chập các cực ra của pin), hiệu ñiện thế mạch ngoài của pin V = 0. Thế hở mạch VOC là hiệu ñiện thế ñược ño khi mạch ngoài của pin mặt trời hở mạch. Khi ñó mạch ngoài có dòng I = 0. Công suất ra cực ñại ax ax( . )m mP I V= Pmax là diện tích hình chữ nhật lớn nhất bên trong ñường cong Vôn-Ampe, I và V là dòng ñiện, hiệu ñiện thế cho công suất ra cực ñại (Imp,Vmp) (hình 1.4b). Hệ số ñiền ñầy (FF) ax( . ) / .m sc ocFF I V I V= Hiệu suất năng lượng của pin mặt trời ax / . . /m in sc oc inFF P P I V FF P= = a b) c) 7 Chương 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO, CÁC KỸ THUẬT PHÂN TÍCH - THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO 2.1 Các phương pháp chế tạo màng mỏng Có nhiều phương pháp chế tạo màng mỏng TiO2 và ZnO khác nhau như: Phương pháp thủy phân và nhiệt phân; Phun khí (pneumatic spraying); Phun siêu âm (ultrasonic spraying); Nhúng phủ (dip coating); Bốc bay chân không; Các phương pháp spin coating; Phún xạ; Phương pháp bốc bay chùm tia ñiện tử. Mỗi phương pháp ñều có những ưu nhược ñiểm khác nhau và cho những màng mỏng có hình thái cấu trúc và các tính chất vật lý khác nhau. Ở các phương pháp hóa học, ngoài những ưu ñiểm như có thể chế tạo ñược màng mỏng có cấu trúc một chiều (như thanh nano, dây nano....) thì cũng có những nhược ñiểm là ñộ bám dính vào ñế không tốt dẫn ñến việc truyền ñiện tích có hiệu quả không cao. Hơn nữa các dư chất hóa học ñể lại trên màng rất khó làm sạch. ðiều này cũng ảnh hưởng lớn ñến chất lượng màng. Các phương pháp vật lý có ưu ñiểm là cho màng mỏng có ñộ sạch cao và ñộ bám dính ñế rất tốt. Tuy nhiên việc ñiều khiển hình thái màng theo ý muốn tương ñối khó khăn. ðể chế tạo màng CdS, có nhiều phương pháp như: lắng ñọng hóa học (CBD-Chemical Bath Deposition); phương pháp sol-gel, phương pháp Dotor Blade v.v.... Nhưng với các phương pháp trên thì việc khuếch tán các hạt nano CdS vào sâu trong màng nano xốp TiO2 hoặc ZnO là rất khó khăn nên hiệu suất quang ñiện của ñiện cực vẫn còn thấp. Màng chế tạo ñược thường không sạch do lượng dư các hóa chất trên màng TiO2/CdS hoặc ZnO/CdS. Do ñó chúng tôi chọn phương pháp bốc bay nhiệt ñể chế tạo màng CdS có cấu trúc nano. Nguyên liệu gốc là CdS ñơn tinh thể. Ưu ñiểm lớn của phương pháp này là cho màng có ñộ sạch cao, diện tích lớn, ñồng ñều và có thể cho các hạt nano CdS khuếch tán sâu vào trong các lỗ xốp của màng ZnO và TiO2. Từ các phân tích trên, chúng tôi chọn phương pháp lắng ñọng pha hơi vật lý. Trong ñó sử dụng hai phương pháp bốc bay nhiệt và bốc bay chùm tia ñiện tử kết hợp xử lý nhiệt trong không khí ñể chế tạo màng mỏng cấu trúc nano TiO2 và ZnO. 2.1.1 Phương pháp bốc bay nhiệt Trong luận án này chúng tôi sử dụng phương pháp bốc bay nhiệt bằng hệ VHD-30 của Viện Khoa học vật liệu-Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, ñể chế tạo màng mỏng Zn, ñiện cực Au, Al và CdS. 8 2.1.2 Phương pháp bốc bay chùm tia ñiện tử Phương pháp bốc bay chùm tia ñiện tử ñược sử dụng ñể chế tạo màng mỏng kim loại Ti trên hệ YBH-75PI. Ưu ñiểm của phương pháp bốc bay chùm tia ñiện tử là: Môi trường chế tạo mẫu sạch nhờ có chân không cao từ 10-5-10-6 torr; ðộ tinh khiết của màng so với vật liệu gốc ñược ñảm bảo do các phần tử gần như bay hơi tức thời dưới tác dụng nhiệt nhanh của chùm tia ñiện tử; Bốc bay ñược hầu hết các loại vật liệu vì chùm tia ñiện tử hội tụ có năng lượng rất lớn; Dễ ñiều chỉnh áp suất, thành phần khí, nhiệt ñộ, cũng như dễ theo dõi quá trình lắng ñọng; Có thể sử dụng rất ít vật liệu gốc (dưới 100 mg) ñể bốc bay. 2.2 Phương pháp oxy hóa nhiệt ðây là phương pháp chủ yếu ñược sử dụng trong luận án ñể chế tạo các màng TiO2 và ZnO từ màng mỏng kim loại Ti và Zn chế tạo ñược từ hai phương pháp bốc bay nhiệt và bốc bay chùm tia ñiện tử. 2.3 Các kỹ thuật phân tích Trong luận án này chúng tôi sử dụng phương pháp chụp ảnh SEM và phương pháp nhiễu xạ tia X dùng ñể khảo sát hình thái và phân tích cấu trúc của màng mỏng. Chiều dày của màng ñược ño bằng phương pháp dùng dao ñộng thạch anh và chụp ảnh SEM mặt cắt của màng. Tính chất quang ñược nghiên cứu bằng phương pháp phổ hấp thụ UV-VIS. Phương pháp ño Hall ñược sử dụng ñể ño tính chất ñiện của màng các mẫu màng. Tính chất quang ñiện hóa của các mẫu màng ñược nghiên cứu bằng phương pháp ño ñặc trưng J-V khi chiếu sáng. Ánh sáng sử dụng là ñèn halogen và ñèn tử ngoại bước sóng 365 nm. 2.4 Thực nghiệm chế tạo màng TiO2, ZnO, TiO2/CdS và ZnO/CdS 2.4.1 Chế tạo màng TiO2 ðế dùng ñể bốc bay Ti kim loại là ITO kích thước 1,5 cm × 2 cm, phiến Si kích thước 1 cm × 1 cm. Nguồn vật liệu là Ti có ñộ nguyên chất 99,99%. Các bước làm sạch ñế ñược thực hiện bằng phương pháp hóa học và vật lý ñó là kỹ thuật phóng ñiện lạnh (growth discharge) trong chân không thấp bằng thiết bị VHD-30. Sau ñó chúng ñược ñặt vào ñĩa gá ñế, cách nguồn vật liệu Ti khoảng 25 cm. Quá trình lắng ñọng màng Ti bằng phương pháp bốc bay chùm tia ñiện tử. Màng Ti sau khi lắng ñọng ñược ñộ truyền qua gần như bằng không, bề mặt mịn, màu ñen. Các màng Ti kim loại sau ñó ñược ñưa vào ủ nhiệt trong không khí. Thời gian 3-5 giờ. Tốc ñộ gia nhiệt là 3 0C-5 0C /phút. ðể nguội tự nhiên trong không khí. 9 2.4.2 Chế tạo màng ZnO Các ñiều ñiện bốc bay nhiệt như sau: Vật liệu nguồn là Zn với ñộ sạch 99,99 %; Thuyền ñiện trở là thuyền lá volfram; Áp suất duy trì trong thời gian lắng ñọng ~10-5 torr; Nhiệt ñộ ñế duy trì 100 0C; Cường ñộ dòng ñiện qua thuyền lá ~30-40 A; Tốc ñộ bốc bay khống chế ở mức 5 nm/phút; ðo ñộ dày tại chỗ bằng thiết bị ño ñộ dày bằng dao ñộng thạch anh. ðộ dày của màng Zn ñược bốc ở các giá trị từ 100 nm-1200 nm. Màng Zn nhận ñược có mầu thẫm ánh lam, mịn và bám ñế tốt. Các màng Zn ñược ñưa vào ủ nhiệt trong không khí. Tốc ñộ ra nhiệt 5 0C/phút. Thời gian ủ 3-4 giờ ñối với các màng có ñộ dày nhỏ hơn hoặc bằng 600 nm, 6-8 giờ ñối với màng dày hơn 600 nm, ñể nguội tự nhiên. 2.4.3 Chế tạo màng TiO2/CdS Các màng TiO2 ñược ñưa vào làm ñế ñể lắng ñọng màng CdS bằng phương pháp bốc bay nhiệt. Các ñiều ñiện bốc bay như sau: Vật liệu nguồn là CdS ñơn tinh thể ñộ sạch; Thuyền ñiện trở là thuyền lá volfram; Áp suất duy trì trong thời gian lắng ñọng ~6.10-6 torr; Nhiệt ñộ ñế duy trì trong thời gian bốc 150 0C; Cường ñộ dòng ñiện qua thuyền lá ~ 60 A; Tốc ñộ bốc bay khống chế ở mức 3 nm/phút. ðo ñộ dày tại chỗ bằng thiết bị ño ñộ dày bằng dao ñộng thạch anh. 2.4.4 Chế tạo màng ZnO/CdS Các ñế màng ZnO với các ñộ dày khác nhau ñược dùng làm ñế, quá trình phủ CdS hoàn toàn tương tự như ñối với TiO2/CdS. ZnO/CdS nhận ñược có mầu vàng nhạt, ñối với màng dầy hơn 300 nm có mầu vàng thậm ñộ bám ñế tốt. 2.4.5 Xử lý nhiệt màng TiO2/CdS và ZnO/CdS Tái kết tinh của màng CdS, các mẫu ITO/TiO2/CdS, ITO/ZnO/CdS ñược ủ trong không khí tại các nhiệt ñộ khác nhau từ 250 0C ñến 450 0C, thời gian ủ từ 1-2 giờ. Tốc ñộ gia nhiệt là 5 0C/phút. Sau ñó ñể nguội tự nhiên trong không khí. 2.5 Tế bào quang ñiện hóa sử dụng ñiện cực TiO2/CdS và ZnO/CdS Tế bào quang ñiện hóa có cấu tạo như sau: ðiện cực làm việc (W.E) là ITO/TiO2/CdS hoặc ITO/ZnO/CdS có diện tích phủ CdS là 1 cm 2. ðiện cực ñối là Pt. Chất ñiện giải là dung dịch KCl 1 M và Na2S 0,1 M; Tất cả các bộ phận trên ñược ñặt trong bình thạch anh. Công suất quang chiếu lên ñiện cực làm việc là ~20 mW/cm2. 2.6 Linh kiện pin quang ñiện SSSC dùng chất ñiện ly lỏng Hình 2.1 là ảnh chụp màng ITO/ZnO và ñiện cực ITO/ZnO/CdS. ðiện cực ITO/ZnO/CdS và tấm kính dày ~ 3 mm ñược khoan lỗ bán kính ~ 0,6 cm. Chúng ñược gắn với nhau bằng keo silicon. Diện tích phần ñiện cực thu ánh là 10 Hình 2.1: Ảnh chụp màng ITO/ZnO (a),ñiện cực ITO/ZnO/