Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết Nối
Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Perovskite Hữu Cơ Vô Cơ Halogen Ứng Dụng Cho Pin Năng Lượng Mặt Trời
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN .........................................................................................3
1.1. Giới thiệu về pin mặt trời ..............................................................................3
1.1.1. Một số vấn đề về năng lượng ...................................................................3
1.1.2. Vài nét về pin năng lượng mặt trời ..........................................................5
1.1.3. Pin mặt trời perovskite............................................................................11
1.2. Phƣơng pháp chế tạo perovskite hữu cơ vô cơ halogen............................21
1.2.1. Phương pháp hóa học ............................................................................21
1.2.2. Phương pháp vật lý.................................................................................22
1.3. Tính chất đặc trƣng và ứng dụng của perovskite hữu cơ vô cơ halogen 24
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM..................................................................................26
2.1. Hóa chất và dụng cụ.....................................................................................26
2.1.1. Hóa chất ..................................................................................................26
2.1.2. công cụ ...................................................................................................26
2.2. Thí nghiệm ....................................................................................................28
2.2.1. Tổng hợp tiền chất CH3NH3X................................................................28
2.2.1.1. Tổng hợp tiền chất CH3NH3Br..........................................................28
2.2.1.2. Tổng hợp tiền chất CH3NH3I ............................................................28
2.2.2. Tổng hợp perovskite theo phương pháp hóa học ..................................29
2.2.2.1. Tổng hợp CH3NH3PbI3 bằng phương pháp hóa học ........................29
2.2.2.2. Tổng hợp CH3NH3PbI2Br bằng phương pháp hóa học ....................30
2.2.3. Tổng hợp perovskite bằng phương pháp vật lý .....................................32
2.2.3.1. Phủ quay một lần ..............................................................................32
2.2.3.2. Phủ quay một lần kết hợp nhúng ......................................................33
2.2.3.3. Phủ quay hai lần ...............................................................................34
2.3. Các phƣơng pháp đánh giá đặc trƣng tính chất........................................35
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X ..................................................................35
2.3.2. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân..........................................35
2.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại................................................................36
2.3.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét .................................................36
2.3.5. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua ......................................36
2.3.6. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) .....................37
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................38
3.1. Kết quả tổng hợp tiền chất CH3NH3X........................................................38
3.2. Kết quả tổng hợp perovskite bằng phƣơng pháp hóa học........................43
3.3. Kết quả tổng hợp perovskite bằng phƣơng pháp vật lý ...........................56
KếT LUậN................................................................................................................59
PHỤ LỤC
Phụ lục 1. Các phƣơng pháp đánh giá đặc trƣng tính chất
Phụ lục 2. Công trình đã công bố có liên quan đến luận văn
MỞ ĐẦU
Nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn cầu ngày càng tăng cùng với sự phát
triển kinh tế - xã hội. Các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí tự nhiên và
than đá) hiện đang cung cấp phần lớn năng lượng cho toàn thế giới nhưng theo dự
báo, nguồn năng lượng hoá thạch sẽ dần cạn kiệt trong thời gian tới. Việc sử dụng
năng lượng hóa thạch cũng là nguyên nhân chính gây ra sự tăng nồng độ CO2 trong
môi trường.Hàng năm, các hoạt động sản xuất trên thế giới đã thải vào khí quyển
khoảng 200 triệu tấn CO2 [2].Điều này là một trong những nguyên nhân dẫn tới sự
tăngnhiệt độ trái đất, tăng tần suất và mức độ nghiêm trọng của thiên tai gây tác
động tàn phá nhiều hơn đối với con người và các dạng sống khác trên trái đất trong
thập kỉ tới. Trong bối cảnh nàybài toán năng lượng đặt ra cho mỗi quốc gia không
chỉ là đáp ứng đủ nhu cầu mà còn phải đảm bảo môi trường sống của con người.Ở
Việt Nam, nhà nước đã có nhiều đầu tư và định hướng phát triển các nguồn năng
lượng sạch.Theo đó, một trong số những nguồn năng lượng sạch đang được đầu tư
nghiên cứu phát triển và hội nhập là năng lượng mặt trời.Nhà máy điện mặt trời đầu
tiên của Việt Nam vừa được khởi công tại huyện Mộ Đức, Quảng Ngãi với tổng vốn
đầu tư xây dựng 826 tỷ đồng, trên diện tích 24ha vớ i công suất thiết kế 19.2MWp,
áp dụng công nghệ quang điện mặt trời của Thái Lan.
Năng lượng mặt trời được coi là năng lượngtái tạo liên tục, sạch và vô
hạn.Việc chế tạo các thiết bị chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện đã
được các nhà khoa học quan tâm từ thế kỷ trước nhưng hiệu quả chưa cao.Để nâng
cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu
chế tạo các loại vật liệu, các loại pin mặt trời có hiệu suất cao hơn. Một trong số đó
là pin mặt trời chế tạo từ vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen CH3NH3PbX3
(trong đó X: Cl, I, Br). Vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen CH3NH3PbI3 đã
được tổng hợp thành công lần đầu tiên vào năm 2009 [16] và bước đầu cho thấy khả
năng ứng dụng tốt cho lớp hấp thụ của pin mặt trời.Kể từ đó đến nay,vật liệu này đã
và đang được nghiên cứu rất nhiều và trở thành một chủ đề nghiên cứu hấp dẫn trên
thế giới.Chỉ trong vòng chưa đầy 5 năm, pin mặt trời dựa trên nền vật liệu này đã có
hiệu suất tăng đáng kể,lên đến 20.1% [13, 16, 22]. Đây có thể coi là một bước tiến
thần kỳ và chưa có tiền lệ trong nghiên cứu pin năng lượng mặt trời trên thế giới từ
trước tới nay.
Ở Việt Nam,chưa có nhiều đơn vị nghiên cứu về vật liệu này,do đó việc
nghiên cứu tổng hợp vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen tại Việt Nam là cần
thiết.Từ đó chúng tui chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite hữu cơ vô
cơ halogen ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời” với mục đích tìm hiểu tình hình
nghiên cứu và phát triển của pin mặt trời sử dụng vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ
halogen trên cơ sở đó lựa chọn những kĩ thuật,phương pháp phù hợp để tổng hợp
loại vật liệu này.
Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về pin mặt trời
1.1.1. Một số vấn đề về năng lượng
Nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng cùng với sự phát triển kinh
tế - xã hội của mỗi quốc gia.Tài nguyên năng lượng trên trái đất rất phong phú và đa
dạng.Năng lượng có thể có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời (bức xạ mặt trời),
năng lượng sinh khối,năng lượng chuyển động của thủy quyểnhay năng lượng tàn
dư trong lòng trái đất (khoáng sản than đá,khoáng sản dầu mỏ,khí thiên nhiên)…
Ngoài các nguồn năng lượng truyền thống như củi, gỗ, than đá, dầu mỏ, khí đốt,
con người đã phát hiện và đưa vào sử dụng các nguồn năng lượng mới, có hiệu quả
cao như năng lượng thuỷ triều,năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, địa
nhiệt, năng lượng gió và năng lượng sinh khối…[2]
Năng lượng truyền thống nhưcủi, gỗ là nguồn năng lượng đã được con người
sử dụng từ lâu, phát triển mạnh từ trước thế kỉ XVIII và sau đó giảm.Đây là xu
hướng tất yếu vì củi, gỗ thuộc loại tài nguyên có thể phục hồi được nhưng rất chậm
và nếu tiếp tục sử dụng sẽ gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sống. Mặt khác là do
sự thay thế của nhiên liệu hóa thạch như than, dầu,…[2]
Than bùn, than đá là nguồn năng lượng hoá thạch, có thể phục hồi nhưng rất
chậm.Than được biết từ rất sớm vàđược khai thác mạnh từ thế kỉ XVII, cho đến nay
vẫn tiếp tục được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống.Tỷ trọng của than
trong cơ cấu sử dụng năng lượng tăng nhanh vào những năm cuối thế kỉ XIX , đạt
cực đại vào đầu thế kỉ XX. Từ nửa sau thế kỉ XX, tỷ trọng của than trong cơ cấu
năng lượng bắt đầu giảm nhanh một phần do việc khai thác và sử dụng than gây suy
thoái và ô nhiễm môi trường (đất, nước, không khí), song quan trọng hơn vì đã có
nguồn năng lượng khác hiệu quả hơn thay thế đó là dầu mỏ. [2]
Dầu mỏ, khí đốt là nguồn năng lượng mới, chỉ thực sự được sử dụng nhiều
vào nửa sau thế kỉ XX và đạt cực đại vào thập kỉ 80 gắn liền với sự phát triển của
ngành giao thông, công nghiệp hoá chất, đặc biệt là hoá dầu. Bước sang đầu thế kỉ
XXI, vai trò của dầu mỏ bắt đầu giảm do có nhiều nguyên nhân: xung đột và khủng
hoảng về dầu lửa giữa các nước sản xuất và các nước tiêu thụ dầu, ô nhiễm môi
trường do khai thác, sử dụng và vận chuyển dầu gây ra (nước, không khí, biển...),
mức khai thác quá lớn dẫn tới sự cạn kiệt nguồn năng lượng này.[2]
Năng lượng nguyên tử, thuỷ điện được sử dụng từ những năm 40 của thế kỉ
XX, tăng chậm và có xu hướng giảm dần từ nửa sau thế kỉ XXI vì nhiều lý do.Năng
lượng hạt nhân có nhiều lợi thế cho hiệu suất cao, tạo ra nguồn điện độc lập với các
nguồn nhiên liệu than, dầu, khí đốt, ít phụ thuộc vào vị trí địa lí. Nhưng độ không
an toàn và rủi ro là khá lớn. Việc vận hành đòi hỏi điều kiện chuyên môn ngặt
nghèo, yêu cầu đội ngũ chuyên gia có trình độ chuyên môn cao cũng như khó khăn
trong việc xử lý sự cố và chất thải. [2]
Thuỷ điện là nguồn năng lượng tái tạo với tiềm năngsử dụng rất lớn. Song
việc xây dựng nhà máy đòi hỏi vốn đầu tư nhiều, thời gian xây dựng và khả năng
thu hồi vốn lâu. Đó là chưa kể việc phải di dân rất tốn kém và những thay đổi về
môi trường sinh thái có thể xảy ra do hình thành các hồ chứa nước lớn.[2]
Để khắc phục những nhược điểm của các nguồn năng lượng trên con người đã
hướng tới các nguồn năng lượng sạch, có thể tái tạo như khí sinh học, gió, địa nhiệt,
mặt trời, thuỷ triều... Tuy mới được sử dụng từ những năm cuối của thế kỉ
XX,nhưng đây sẽ là những nguồn năng lượng tiềm tàng của nhân loại. Do sự cạn
kiệt dần của các nguồn tài nguyên năng lượng không tái tạo, các nguồn năng lượng
mới sẽ trở thành nguồn năng lượng cơ bản ở cả các nước phát triển và đang phát
triển từ nửa sau của thế kỉ XXI[2]. Các nguồn năng lượng mới đó bao gồm:
Năng lượng sinh khối: đây là khí sinh vật được tạo ra từ việc lên men
các phế thải hữu cơ nông nghiệp và sinh hoạt, nhằm một mặt đảm bảo
nhu cầu đun nấu, thắp sáng cho cư dân nông nghiệp và mặt khác, góp
phần bảo vệ môi trường nông thôn.[2]
Năng lượng gió: nguồn năng lượng này trong thiên nhiên là rất lớn.
Việc khai thác và đưa vào sản xuất điện năng đã và đang được tiến
hành ở nhiều nước như Tây Âu, Bắc Âu, Hoa Kỳ, Ấn Độ...Ở nước ta
nguồn năng lượng gió được khai thác chủ yếu ở miền Nam, miền
Trung và một số đảo nhỏ. [2]
Năng lượng địa nhiệt: nguồn năng lượng này ở sâu trong lòng đất
được khai thác và sử dụng dưới dạng nhiệt và điện. Tiềm năng địa
nhiệt ở một số nước rất lớn (nhưIreland, Hy Lạp, Pháp, Italia, Hoa
Kỳ, Nhật Bản...) đã tạo điều kiện cho việc khai thác rộng rãi. Tuy
nhiên phương pháp này đòi hỏi kĩ thuật cao và điều kiện địa lý do đó
ở nước ta chưa phát triển.
Năng lượng mặt trời: nguồn năng lượng này được sử dụng dưới hai
dạng điện và nhiệt. Đây là nguồn năng lượng gần như vô tận để đun
nước, sưởi ấm, sấy nông sản, vận hành pin quang điện... phục vụ cho
các ngành kinh tế và đời sống con người. Ở nước ta, nguồn năng
lượng này mới bước đầu được khai thác với quy mô nhỏ, thí dụ như
pin mặt trời phục vụ các chiến sĩ ở quần đảo Hoàng Sa.
Trong các dạng năng lượng sạch kể trên, năng lượng mặt trời là có tiềm năng
nhất vì mặt trời cung cấp một nguồn năng lượng dồi dào không cạn kiệt và không
sản sinh ra khí thải CO2.Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề
mặt của mặt trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất. Ánh sáng mặt
trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới
được bề mặt Trái Đất[2, 9].
Từ những lý do trên, việc phát triển ngành công nghệ năng lượng mặt trời
đang được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và phát triển.
1.1.2. Vài nét về pin năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời,pin quang điện) là thiết bị giúp chuyển
hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện
(điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện. Nói cách khác, pin mặt trời là thiết bị sản
xuất ra điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Khi ánh
sáng chiếu tới các tế bào quang điện, chúng sẽ sản sinh ra điện năng. Khi không có
ánh sáng, các tế bào này ngừng sản xuất điện. Quá trình chuyển đổi này còn được
gọi là hiệu ứng quang điện. [9]
Tấm pin mặt trời là những tấm có bề mặt lớn thu thập ánh nắng mặt trời và
biến đổi thành điện năng.Các tấm pin mặt trời được làm bằng nhiều tế bào quang
điện nhằm sử dụng hiệu quả và dễ dàng hơn.Sau khi ánh sáng mặt trời được chuyển
hóa thành điện năng thông qua pin mặt trời thì điện năng có thể được tích vào ăcquy
để lưu trữ và sử dụng (Hình 1.1).
Hình1.1.Sơ đồ minh họa ứng dụng pin mặt trời.
Tính đến nay, pin năng lượng mặt trời đã xuất hiện được khoảng 70 năm và
ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn. Cơ sở của pin năng lượng mặt trời là hiệu
ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lýPháp Alexandre
Edmond Becquerel lúc ông 19 tuổi khi đang làm thí nghiệm tại phòng nghiên cứu
của cha. Willoughby Smith đã nhắc đến phát minh này trong một bài báo xuất bản
ngày 20 tháng 2 năm 1873.Tuy nhiên mãi đến 1883 pin năng lượng mới đượcChar
les Fritts chế tạo bằng cách phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp vàngmỏngđể tạo
nên mạch nối; thiết bị chỉ có hiệu suất 1%. Năm 1888, nhà vật lý học người
Nga Aleksandr Stoletov tạo ra tấm pin đầu tiên dựa vào hiệu ứng quang điện được
phát hiện bởi Heinrich Hertz trước đó vào năm 1887. Sau đó Russell Ohl được xem
bị hấp thụ do mẫu đo (IS = Io – I) (hình 2.). Đồng thời, quét bước sóng ánh sáng tới
từ vùng hồng ngoại gần tới vùng tử ngoại gần (UV-VIS-NIR). Khi đó bước sóng mà
tại đó IS thu được là nhỏ nhất chính là bước sóng mà hấp thụ của mẫu là cực đại,
bước sóng này là đặc trưng cho từng mẫu. Các thông số trên thường được xác định
và xử lý số liệu ngay trên máy phổ. Máy phổ UV- VIS thường cho ta phổ biểu diễn
sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào bước sóng, từ đó ta sẽ xác định được λmax, λmin ứng
với giá trị hấp thụ cực đại và giá trị hấp thụ cực tiểu:
Trong phạm vi đề tài nghiên cứu này chúng tui sử dụng phương pháp này
nhằm xác định vùng hấp phụ đặc trưng của các màng mỏng perovskite tổng hợp
bằng phương pháp lý, qua đó xác định vùng ánh sáng mà loại vật liệu này hấp thụ
tốt, từ đó kết luận về khả năng ứng dụng của chúng trong việc chế tạo pin mặt trời
thế hệ mới.
Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron microscopy, TEM )
là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tửcó năng lượng
cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với
độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang,
hay trên phim ảnh quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số ( hình
2.7.). Dù được phát triển từ rất lâu, nhưng đến thời điểm hiện tại, TEM vẫn là một
công cụ nghiên cứu mạnh và hiện đại trong nghiên cứu về cấu trúc vật rắn, được sử
dụng rộng rãi trong vật lý chất rắn, khoa học vật liệu, công nghệ nanô, hóa học, sinh
học, y học... và vẫn đang trong quá trình phát triển với nhiều chức năng và độ mạnh
mới. Ưu điểm của phương pháp TEM là có thể tạo ra ảnh cấu trúc vật rắn với độ
tương phản, độ phân giải (kể cả không gian và thời gian) rất cao đồng thời dễ dàng
phân tích các thông tin về cấu trúc. Khác với dòng kính hiển vi quét đầu dò, TEM
cho ảnh thật của cấu trúc bên trong vật rắn nên đem lại nhiều thông tin hơn, đồng
thời rất dễ dàng tạo ra các hình ảnh này ở độ phân giải tới cấp độ nguyên tử. Đi kèm
với các hình ảnh chất lượng cao là nhiều phép phân tích rất hữu ích đem lại nhiều
thông tin cho nghiên cứu vật liệu.
Trong phạm vi đề tài này chúng tui sử dụng phương pháp này để xác định
cấu trúc tinh thể của perovskite vô cơ hữu cơ halogen. Thực hiện trên thiết bị TEM
tecnai G220S-TWIN/FEI tại Khoa Địa Chất, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên,
Đại Học Quốc Gia Hà Nội. Ảnh HRTEM được chụp ở 200keV, chụp bằng máy
Tecnai G220 HRTEM FEI.
P.6. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-VIS)
Đây là phương pháp phổ không thể thiếu trong việc xác định khả năng hấp
thụ và đô truyền qua của mẫu chất, vật liệu trong vùng ánh sáng tử ngoại và hồng
ngoại gần và vùng ánh sáng nhìn thấy.
Cơ sở của phương pháp: Phương pháp này dựa trên bước nhảy của các eletron từ
obitan có mức năng lượng thấp lên obitan có mức năng lượng cao khi bị kích thích
bằng các tiabức xạ vùng tử ngoại khả kiến (UV-VIS) có bước sóng từ 200nm đến
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Perovskite Hữu Cơ Vô Cơ Halogen Ứng Dụng Cho Pin Năng Lượng Mặt Trời
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN .........................................................................................3
1.1. Giới thiệu về pin mặt trời ..............................................................................3
1.1.1. Một số vấn đề về năng lượng ...................................................................3
1.1.2. Vài nét về pin năng lượng mặt trời ..........................................................5
1.1.3. Pin mặt trời perovskite............................................................................11
1.2. Phƣơng pháp chế tạo perovskite hữu cơ vô cơ halogen............................21
1.2.1. Phương pháp hóa học ............................................................................21
1.2.2. Phương pháp vật lý.................................................................................22
1.3. Tính chất đặc trƣng và ứng dụng của perovskite hữu cơ vô cơ halogen 24
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM..................................................................................26
2.1. Hóa chất và dụng cụ.....................................................................................26
2.1.1. Hóa chất ..................................................................................................26
2.1.2. công cụ ...................................................................................................26
2.2. Thí nghiệm ....................................................................................................28
2.2.1. Tổng hợp tiền chất CH3NH3X................................................................28
2.2.1.1. Tổng hợp tiền chất CH3NH3Br..........................................................28
2.2.1.2. Tổng hợp tiền chất CH3NH3I ............................................................28
2.2.2. Tổng hợp perovskite theo phương pháp hóa học ..................................29
2.2.2.1. Tổng hợp CH3NH3PbI3 bằng phương pháp hóa học ........................29
2.2.2.2. Tổng hợp CH3NH3PbI2Br bằng phương pháp hóa học ....................30
2.2.3. Tổng hợp perovskite bằng phương pháp vật lý .....................................32
2.2.3.1. Phủ quay một lần ..............................................................................32
2.2.3.2. Phủ quay một lần kết hợp nhúng ......................................................33
2.2.3.3. Phủ quay hai lần ...............................................................................34
2.3. Các phƣơng pháp đánh giá đặc trƣng tính chất........................................35
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X ..................................................................35
2.3.2. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân..........................................35
2.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại................................................................36
2.3.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét .................................................36
2.3.5. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua ......................................36
2.3.6. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) .....................37
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................38
3.1. Kết quả tổng hợp tiền chất CH3NH3X........................................................38
3.2. Kết quả tổng hợp perovskite bằng phƣơng pháp hóa học........................43
3.3. Kết quả tổng hợp perovskite bằng phƣơng pháp vật lý ...........................56
KếT LUậN................................................................................................................59
PHỤ LỤC
Phụ lục 1. Các phƣơng pháp đánh giá đặc trƣng tính chất
Phụ lục 2. Công trình đã công bố có liên quan đến luận văn
MỞ ĐẦU
Nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn cầu ngày càng tăng cùng với sự phát
triển kinh tế - xã hội. Các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, khí tự nhiên và
than đá) hiện đang cung cấp phần lớn năng lượng cho toàn thế giới nhưng theo dự
báo, nguồn năng lượng hoá thạch sẽ dần cạn kiệt trong thời gian tới. Việc sử dụng
năng lượng hóa thạch cũng là nguyên nhân chính gây ra sự tăng nồng độ CO2 trong
môi trường.Hàng năm, các hoạt động sản xuất trên thế giới đã thải vào khí quyển
khoảng 200 triệu tấn CO2 [2].Điều này là một trong những nguyên nhân dẫn tới sự
tăngnhiệt độ trái đất, tăng tần suất và mức độ nghiêm trọng của thiên tai gây tác
động tàn phá nhiều hơn đối với con người và các dạng sống khác trên trái đất trong
thập kỉ tới. Trong bối cảnh nàybài toán năng lượng đặt ra cho mỗi quốc gia không
chỉ là đáp ứng đủ nhu cầu mà còn phải đảm bảo môi trường sống của con người.Ở
Việt Nam, nhà nước đã có nhiều đầu tư và định hướng phát triển các nguồn năng
lượng sạch.Theo đó, một trong số những nguồn năng lượng sạch đang được đầu tư
nghiên cứu phát triển và hội nhập là năng lượng mặt trời.Nhà máy điện mặt trời đầu
tiên của Việt Nam vừa được khởi công tại huyện Mộ Đức, Quảng Ngãi với tổng vốn
đầu tư xây dựng 826 tỷ đồng, trên diện tích 24ha vớ i công suất thiết kế 19.2MWp,
áp dụng công nghệ quang điện mặt trời của Thái Lan.
Năng lượng mặt trời được coi là năng lượngtái tạo liên tục, sạch và vô
hạn.Việc chế tạo các thiết bị chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện đã
được các nhà khoa học quan tâm từ thế kỷ trước nhưng hiệu quả chưa cao.Để nâng
cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu
chế tạo các loại vật liệu, các loại pin mặt trời có hiệu suất cao hơn. Một trong số đó
là pin mặt trời chế tạo từ vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen CH3NH3PbX3
(trong đó X: Cl, I, Br). Vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen CH3NH3PbI3 đã
được tổng hợp thành công lần đầu tiên vào năm 2009 [16] và bước đầu cho thấy khả
năng ứng dụng tốt cho lớp hấp thụ của pin mặt trời.Kể từ đó đến nay,vật liệu này đã
và đang được nghiên cứu rất nhiều và trở thành một chủ đề nghiên cứu hấp dẫn trên
thế giới.Chỉ trong vòng chưa đầy 5 năm, pin mặt trời dựa trên nền vật liệu này đã có
hiệu suất tăng đáng kể,lên đến 20.1% [13, 16, 22]. Đây có thể coi là một bước tiến
thần kỳ và chưa có tiền lệ trong nghiên cứu pin năng lượng mặt trời trên thế giới từ
trước tới nay.
Ở Việt Nam,chưa có nhiều đơn vị nghiên cứu về vật liệu này,do đó việc
nghiên cứu tổng hợp vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ halogen tại Việt Nam là cần
thiết.Từ đó chúng tui chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu perovskite hữu cơ vô
cơ halogen ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời” với mục đích tìm hiểu tình hình
nghiên cứu và phát triển của pin mặt trời sử dụng vật liệu perovskite hữu cơ vô cơ
halogen trên cơ sở đó lựa chọn những kĩ thuật,phương pháp phù hợp để tổng hợp
loại vật liệu này.
Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về pin mặt trời
1.1.1. Một số vấn đề về năng lượng
Nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng cùng với sự phát triển kinh
tế - xã hội của mỗi quốc gia.Tài nguyên năng lượng trên trái đất rất phong phú và đa
dạng.Năng lượng có thể có nguồn gốc từ năng lượng mặt trời (bức xạ mặt trời),
năng lượng sinh khối,năng lượng chuyển động của thủy quyểnhay năng lượng tàn
dư trong lòng trái đất (khoáng sản than đá,khoáng sản dầu mỏ,khí thiên nhiên)…
Ngoài các nguồn năng lượng truyền thống như củi, gỗ, than đá, dầu mỏ, khí đốt,
con người đã phát hiện và đưa vào sử dụng các nguồn năng lượng mới, có hiệu quả
cao như năng lượng thuỷ triều,năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, địa
nhiệt, năng lượng gió và năng lượng sinh khối…[2]
Năng lượng truyền thống nhưcủi, gỗ là nguồn năng lượng đã được con người
sử dụng từ lâu, phát triển mạnh từ trước thế kỉ XVIII và sau đó giảm.Đây là xu
hướng tất yếu vì củi, gỗ thuộc loại tài nguyên có thể phục hồi được nhưng rất chậm
và nếu tiếp tục sử dụng sẽ gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sống. Mặt khác là do
sự thay thế của nhiên liệu hóa thạch như than, dầu,…[2]
Than bùn, than đá là nguồn năng lượng hoá thạch, có thể phục hồi nhưng rất
chậm.Than được biết từ rất sớm vàđược khai thác mạnh từ thế kỉ XVII, cho đến nay
vẫn tiếp tục được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống.Tỷ trọng của than
trong cơ cấu sử dụng năng lượng tăng nhanh vào những năm cuối thế kỉ XIX , đạt
cực đại vào đầu thế kỉ XX. Từ nửa sau thế kỉ XX, tỷ trọng của than trong cơ cấu
năng lượng bắt đầu giảm nhanh một phần do việc khai thác và sử dụng than gây suy
thoái và ô nhiễm môi trường (đất, nước, không khí), song quan trọng hơn vì đã có
nguồn năng lượng khác hiệu quả hơn thay thế đó là dầu mỏ. [2]
Dầu mỏ, khí đốt là nguồn năng lượng mới, chỉ thực sự được sử dụng nhiều
vào nửa sau thế kỉ XX và đạt cực đại vào thập kỉ 80 gắn liền với sự phát triển của
ngành giao thông, công nghiệp hoá chất, đặc biệt là hoá dầu. Bước sang đầu thế kỉ
XXI, vai trò của dầu mỏ bắt đầu giảm do có nhiều nguyên nhân: xung đột và khủng
hoảng về dầu lửa giữa các nước sản xuất và các nước tiêu thụ dầu, ô nhiễm môi
trường do khai thác, sử dụng và vận chuyển dầu gây ra (nước, không khí, biển...),
mức khai thác quá lớn dẫn tới sự cạn kiệt nguồn năng lượng này.[2]
Năng lượng nguyên tử, thuỷ điện được sử dụng từ những năm 40 của thế kỉ
XX, tăng chậm và có xu hướng giảm dần từ nửa sau thế kỉ XXI vì nhiều lý do.Năng
lượng hạt nhân có nhiều lợi thế cho hiệu suất cao, tạo ra nguồn điện độc lập với các
nguồn nhiên liệu than, dầu, khí đốt, ít phụ thuộc vào vị trí địa lí. Nhưng độ không
an toàn và rủi ro là khá lớn. Việc vận hành đòi hỏi điều kiện chuyên môn ngặt
nghèo, yêu cầu đội ngũ chuyên gia có trình độ chuyên môn cao cũng như khó khăn
trong việc xử lý sự cố và chất thải. [2]
Thuỷ điện là nguồn năng lượng tái tạo với tiềm năngsử dụng rất lớn. Song
việc xây dựng nhà máy đòi hỏi vốn đầu tư nhiều, thời gian xây dựng và khả năng
thu hồi vốn lâu. Đó là chưa kể việc phải di dân rất tốn kém và những thay đổi về
môi trường sinh thái có thể xảy ra do hình thành các hồ chứa nước lớn.[2]
Để khắc phục những nhược điểm của các nguồn năng lượng trên con người đã
hướng tới các nguồn năng lượng sạch, có thể tái tạo như khí sinh học, gió, địa nhiệt,
mặt trời, thuỷ triều... Tuy mới được sử dụng từ những năm cuối của thế kỉ
XX,nhưng đây sẽ là những nguồn năng lượng tiềm tàng của nhân loại. Do sự cạn
kiệt dần của các nguồn tài nguyên năng lượng không tái tạo, các nguồn năng lượng
mới sẽ trở thành nguồn năng lượng cơ bản ở cả các nước phát triển và đang phát
triển từ nửa sau của thế kỉ XXI[2]. Các nguồn năng lượng mới đó bao gồm:
Năng lượng sinh khối: đây là khí sinh vật được tạo ra từ việc lên men
các phế thải hữu cơ nông nghiệp và sinh hoạt, nhằm một mặt đảm bảo
nhu cầu đun nấu, thắp sáng cho cư dân nông nghiệp và mặt khác, góp
phần bảo vệ môi trường nông thôn.[2]
Năng lượng gió: nguồn năng lượng này trong thiên nhiên là rất lớn.
Việc khai thác và đưa vào sản xuất điện năng đã và đang được tiến
hành ở nhiều nước như Tây Âu, Bắc Âu, Hoa Kỳ, Ấn Độ...Ở nước ta
nguồn năng lượng gió được khai thác chủ yếu ở miền Nam, miền
Trung và một số đảo nhỏ. [2]
Năng lượng địa nhiệt: nguồn năng lượng này ở sâu trong lòng đất
được khai thác và sử dụng dưới dạng nhiệt và điện. Tiềm năng địa
nhiệt ở một số nước rất lớn (nhưIreland, Hy Lạp, Pháp, Italia, Hoa
Kỳ, Nhật Bản...) đã tạo điều kiện cho việc khai thác rộng rãi. Tuy
nhiên phương pháp này đòi hỏi kĩ thuật cao và điều kiện địa lý do đó
ở nước ta chưa phát triển.
Năng lượng mặt trời: nguồn năng lượng này được sử dụng dưới hai
dạng điện và nhiệt. Đây là nguồn năng lượng gần như vô tận để đun
nước, sưởi ấm, sấy nông sản, vận hành pin quang điện... phục vụ cho
các ngành kinh tế và đời sống con người. Ở nước ta, nguồn năng
lượng này mới bước đầu được khai thác với quy mô nhỏ, thí dụ như
pin mặt trời phục vụ các chiến sĩ ở quần đảo Hoàng Sa.
Trong các dạng năng lượng sạch kể trên, năng lượng mặt trời là có tiềm năng
nhất vì mặt trời cung cấp một nguồn năng lượng dồi dào không cạn kiệt và không
sản sinh ra khí thải CO2.Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề
mặt của mặt trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất. Ánh sáng mặt
trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái Đất, nên một phần nhỏ hơn tới
được bề mặt Trái Đất[2, 9].
Từ những lý do trên, việc phát triển ngành công nghệ năng lượng mặt trời
đang được rất nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và phát triển.
1.1.2. Vài nét về pin năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời,pin quang điện) là thiết bị giúp chuyển
hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện
(điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện. Nói cách khác, pin mặt trời là thiết bị sản
xuất ra điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Khi ánh
sáng chiếu tới các tế bào quang điện, chúng sẽ sản sinh ra điện năng. Khi không có
ánh sáng, các tế bào này ngừng sản xuất điện. Quá trình chuyển đổi này còn được
gọi là hiệu ứng quang điện. [9]
Tấm pin mặt trời là những tấm có bề mặt lớn thu thập ánh nắng mặt trời và
biến đổi thành điện năng.Các tấm pin mặt trời được làm bằng nhiều tế bào quang
điện nhằm sử dụng hiệu quả và dễ dàng hơn.Sau khi ánh sáng mặt trời được chuyển
hóa thành điện năng thông qua pin mặt trời thì điện năng có thể được tích vào ăcquy
để lưu trữ và sử dụng (Hình 1.1).
Hình1.1.Sơ đồ minh họa ứng dụng pin mặt trời.
Tính đến nay, pin năng lượng mặt trời đã xuất hiện được khoảng 70 năm và
ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn. Cơ sở của pin năng lượng mặt trời là hiệu
ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lýPháp Alexandre
Edmond Becquerel lúc ông 19 tuổi khi đang làm thí nghiệm tại phòng nghiên cứu
của cha. Willoughby Smith đã nhắc đến phát minh này trong một bài báo xuất bản
ngày 20 tháng 2 năm 1873.Tuy nhiên mãi đến 1883 pin năng lượng mới đượcChar
les Fritts chế tạo bằng cách phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp vàngmỏngđể tạo
nên mạch nối; thiết bị chỉ có hiệu suất 1%. Năm 1888, nhà vật lý học người
Nga Aleksandr Stoletov tạo ra tấm pin đầu tiên dựa vào hiệu ứng quang điện được
phát hiện bởi Heinrich Hertz trước đó vào năm 1887. Sau đó Russell Ohl được xem
bị hấp thụ do mẫu đo (IS = Io – I) (hình 2.). Đồng thời, quét bước sóng ánh sáng tới
từ vùng hồng ngoại gần tới vùng tử ngoại gần (UV-VIS-NIR). Khi đó bước sóng mà
tại đó IS thu được là nhỏ nhất chính là bước sóng mà hấp thụ của mẫu là cực đại,
bước sóng này là đặc trưng cho từng mẫu. Các thông số trên thường được xác định
và xử lý số liệu ngay trên máy phổ. Máy phổ UV- VIS thường cho ta phổ biểu diễn
sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào bước sóng, từ đó ta sẽ xác định được λmax, λmin ứng
với giá trị hấp thụ cực đại và giá trị hấp thụ cực tiểu:
Trong phạm vi đề tài nghiên cứu này chúng tui sử dụng phương pháp này
nhằm xác định vùng hấp phụ đặc trưng của các màng mỏng perovskite tổng hợp
bằng phương pháp lý, qua đó xác định vùng ánh sáng mà loại vật liệu này hấp thụ
tốt, từ đó kết luận về khả năng ứng dụng của chúng trong việc chế tạo pin mặt trời
thế hệ mới.
Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron microscopy, TEM )
là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tửcó năng lượng
cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với
độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang,
hay trên phim ảnh quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số ( hình
2.7.). Dù được phát triển từ rất lâu, nhưng đến thời điểm hiện tại, TEM vẫn là một
công cụ nghiên cứu mạnh và hiện đại trong nghiên cứu về cấu trúc vật rắn, được sử
dụng rộng rãi trong vật lý chất rắn, khoa học vật liệu, công nghệ nanô, hóa học, sinh
học, y học... và vẫn đang trong quá trình phát triển với nhiều chức năng và độ mạnh
mới. Ưu điểm của phương pháp TEM là có thể tạo ra ảnh cấu trúc vật rắn với độ
tương phản, độ phân giải (kể cả không gian và thời gian) rất cao đồng thời dễ dàng
phân tích các thông tin về cấu trúc. Khác với dòng kính hiển vi quét đầu dò, TEM
cho ảnh thật của cấu trúc bên trong vật rắn nên đem lại nhiều thông tin hơn, đồng
thời rất dễ dàng tạo ra các hình ảnh này ở độ phân giải tới cấp độ nguyên tử. Đi kèm
với các hình ảnh chất lượng cao là nhiều phép phân tích rất hữu ích đem lại nhiều
thông tin cho nghiên cứu vật liệu.
Trong phạm vi đề tài này chúng tui sử dụng phương pháp này để xác định
cấu trúc tinh thể của perovskite vô cơ hữu cơ halogen. Thực hiện trên thiết bị TEM
tecnai G220S-TWIN/FEI tại Khoa Địa Chất, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên,
Đại Học Quốc Gia Hà Nội. Ảnh HRTEM được chụp ở 200keV, chụp bằng máy
Tecnai G220 HRTEM FEI.
P.6. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-VIS)
Đây là phương pháp phổ không thể thiếu trong việc xác định khả năng hấp
thụ và đô truyền qua của mẫu chất, vật liệu trong vùng ánh sáng tử ngoại và hồng
ngoại gần và vùng ánh sáng nhìn thấy.
Cơ sở của phương pháp: Phương pháp này dựa trên bước nhảy của các eletron từ
obitan có mức năng lượng thấp lên obitan có mức năng lượng cao khi bị kích thích
bằng các tiabức xạ vùng tử ngoại khả kiến (UV-VIS) có bước sóng từ 200nm đến
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links