Nhằm chế tạo ra được các chấm lượng tử hợp kim phát xạ từ vùng đỏ tới hồng ngoại gần (NIR) và hấp thụ đến vùng NIR, cụ thể là các QDs CdSe1-xTex và lõi/vỏ CdSe1-xTex /ZnSe có chất lượng cao, hiệu suất lượng tử QY cao, để dùng làm chất hấp thụ một cách hiệu quả ánh sáng mặt trời trong vùng đỏ-NIR trong các pin mặt trời.

Hiểu sâu về tính chất quang-điện của các chấm lượng tử hợp kim này cũng như các tính chất của chúng khi được đưa vào photoelectrode của pin mặt trời cũng như có thể làm rõ một vài quá trình vật lý và cơ chế liên quan trong hệ chấm lượng tử hợp kim và cấu trúc lõi/vỏ, nhóm nghiên cứu do PGS.TS Phạm Thu Nga,Viện Khoa học Vật Liệu, Viện Hàn Lâm KH&CNVN đứng đầu đã đề xuất và được chấp thuận thực hiện nghiên cứu đề tài: “Chế tạo, nghiên cứu tính chất quang của các chấm lượng tử hợp kim trên cơ sở các nguyên tố Cd (Zn), Se và Te nhằm ứng dụng trong pin mặt trời”.

Sau một thời gian triển khai, các kết quả cụ thể đạt được như sau:

1. Đã nghiên cứu phương pháp chế tạo ra các chấm lượng tử hợp kim ba thành phần, theo các tỷ phần chất ban đầu khác nhau, tại các nhiệt độ khác nhau, từ 180 độ C tới 280 độ C, trong khoảng thời gian thời gian nuôi nano tinh thể giống nhau là 10 phút.

Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra nhiệt độ tối ưu để nuôi các chấm lượng tử CdTeSe là 260 độ C, trong thời gian 10 phút, với tỷ lệ mole Cd: Te: Se = 10:1:1. Ngoài ra, chúng tôi cũng đã quan sát thấy ảnh hưởng của chất ligands OLA đưa vào phản ứng chế tạo sẽ ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt của chấm lượng tử. Tại các nhiệt độ nuôi nano tinh thể chấm lượng tử khác với 260 độ C, tỷ lệ thành phần chất thành phần trong chấm lượng tử sẽ thay đổi rất khác nhau, từ giầu CdTe ở nhiệt độ thấp (180 độ C) tới giầu CdSe ở nhiệt độ 280 độ C.

Các phép chế tạo cấu trúc lõi/vỏ CdTeSe/ZnSe với chiều dầy lớp vỏ khác nhau, từ 1 đơn lớp (1 ML) đến 6 ML, đã được chế tạo và nghiên cứu, ở dạng tập hợp và ở mức độ đơn chấm lượng tử. Nghiên cứu cho thấy chỉ cần bọc lõi bằng một hay hai đơn lớp vỏ ZnSe, ta sẽ nhận được các chấm lượng tử có chất lượng tốt nhất.

Đã chế tạo hàng loạt mẫu chấm lượng tử, với cấu trúc lõi/ vỏ, kiểu CdTeSe/ZnTe, nhằm so sánh, với cấu trúc kiểu CdTeSe/ZnSe, để nghiên cứu sự ảnh hưởng của hàng số mạng của lớp vỏ, tới sự phát quang của lõi chấm lượng tử.

Đã chế tạo hàng loạt mẫu chấm lượng tử khi thành phần thay đổi theo cấu trúc: CdTexSe1-x, để nghiên cứu của ảnh hưởng của điều kiện chế tạo tới thành phân của chấm lượng tử hợp kim, cùng các hiệu ứng kích thước và thành phần, ảnh hưởng tới tính chất quang của chấm lượng tử hợp kim CdTeSe.

2. Đã nghiên cứu hình thái học, phân bố kích thước và kích thước của các hạt chấm lượng tử, trong tất cả các mẫu chế tạo ra, bằng phương pháp: chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), xác định pha tinh thể hình thành trong các nano tinh thể chấm lượng tử CdTeSe bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là lập phương cubic, ước lượng tỷ lệ các thành phần tạo thành trong chấm lượng tử hợp kim bằng phương pháp tán xạ Raman.

Với cùng một tỷ lệ chất ban đầu tham gia vào phản ứng tạo các nano tinh thể hợp kim ba thành phần, cùng thời gian nuôi tinh thể là 10 phút, thì tại các nhiệt độ nuôi nano tinh thể chấm lượng tử thấp, ví dụ như 180 độ C, 200 độ C, 220 độ C, 240 độ C, nhóm nghiên cứu nhận thấy, mặc dù pha kết tinh ít thấy có sự thay đổi trên các giản đồ nhiễu xạtia X, nhưng qua phổ tán xạ Raman, chúng tôi thấy có sựthay đổi đáng kể về tỷ lệ cường độ hai vạch dao động tại 159 cm-1 và 188 cm-1. Hai vạch dao động này ứng với hai mode dao động phonon là like CdTe-LO và like CdSe –LO xuất hiện trong tinh thể hợp kim ba thành phần. Tỷ lệ vềcường độmode dao động này, thì tương ứng với tỷ lệ hàm lượng chất thành phần có mặt trong hợp chất hợp kim. Khi nhiệt độ nuôi ở 260oC, thì các chấm lượng tử thu được có tỷ lượng thành phần như thiết kế, và khi nuôi các chấm lượng tử ở nhiệt độ cao hơn nữa, bắt đầu có biểu hiện sự dịch đỉnh nhiễu xạ về phía pha tinh thể CdSe, như được thấy trên giản đổ nhiễu xạ tia X và phổ Raman. Khi tăng nhiệt độ nuôi các chấm lượng tử thì làm tăng kích thước các hạt đồng thời làm tăng hàm lường Se có trong hạt chấm lượng tử. Các phổ Raman cho thấy, khi bọc lớp vỏ mỏng (1 ML) thì ta thu được chấm lượng tử có bản chất hợp kim CdTeSe, nhưng khi bọc vỏ ZnSe dầy hơn (2, 4, 6 ML), thì do hoạt tính hóa học mạnh hơn của các ion Cd2+, các chấm lượng tử vẫn biểu lộ pha tinh thể của CdSe hơn là pha hợp kim CdTeSe. Giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy sự phù hợp với nhận xét này.

3. Đã nghiên cứu các tính chất quang như phổ hấp thụ, phát xạ, thời gian sống, hiệu suất lượng tử của các mẫu QDs hợp kim chế tạo được.

Tính chất hấp thụ và phát xạ của tất các mẫu chấm lượng tử đã được tiến hành nghiên cứu qua các phổ hấp thụ và phát xạ. Nhóm nghiên cứu đã có thể chế tạo được các chấm lượng tử mà phổ hấp thụ của nó được mở rộng đến vùng hồng ngoại gần (NIR) và phổ phát xạđạt tới ~ 900 nm.

Khi thay đổi tỷ lệ tiền chất Te/Se, thành phần Te = x thay đổi, từ 0; 0,2; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8 và 1, chúng tôi thấy các vạch nhiễu xạ tia X của pha tinh thể zinc-blende của hợp kim CdTeSe bị dịch chuyển dần dần đến vị trí của 2 pha tinh thể zinc-blende thành phần. Phổ tán xạ Raman của các mẫu chấm lượng tử CdTexSe1-x khi x thay đổi đã được nghiên cứu.  Kết quả thực nghiệm này cho thấy quy luật thay đổi về tỷ lệ cường độ hai vạch phổ dao động, tương ứng với hàm lượng của 2 pha tinh thể tồn tại trong mẫu chấm lượng tử, khi x thay dổi, thì khá tương đồng với sự dịch chuyển của đỉnh vạch nhiễu xạ tia X, của các mẫu chấm lượng tử.

Với các mẫu cấu trúc lõi/vỏ CdTeSe/ZnSe 1ML, 2ML, 4ML và 6 ML, chúng tôi cũng đã tiến hành nghiên cứu ở mức độ tập hợp và đơn chấm. Đã nghiên cứu quá trình tái hợp của điện tử-lỗ trống (e-h) trong các nano tinh thể chấm lượng tử qua việc nghiên cứu các đường cong huỳnh quang tắt dần và thời gian sống phát xạ của chúng. Có thể thấy rằng tất cả các đường huỳnh quang tắt dần đều có hai thành phần: phần tắt dần chậm và phần nhanh. Phần tắt dần nhanh tương ứng với quá trình hồi phục không phát xạ (nonradiative decay channels). Thời gian sống trung bình của mỗi một loại chấm lượng tử từng mẫu của loạt mẫu này được tính toán từcác đường cong tắt dần huỳnh quang này.

Với hệ mẫu chấm lượng tử lõi/vỏ CdTeSe/ZnSe nML, các nghiên cứu về huỳnh quang tắt dần cũng đã được tiến hành. Các đường cong này cho thấy chúng có thể bao gồm hai phần tuyến tính, tương ứng với 2 phần tắt dần nhanh và chậm, giá trị cụ thể của thời gian sống được lấy từ các phần tuyến tính này được tính toán. Thời gian sống này cỡ hàng chục ns.

Đã nghiên cứu sự biến đổi bề mặt các chấm lượng tử CdTeSe với 3 - mercaptopropionic acid (MPA) và TiCl4, để dùng làm chất tăng nhậy trong pin mặt trời.

Đã tiến hành nghiên cứu tính chất quang của đơn chấm lượng tử CdTeSe và CdTeSe/ZnSe. Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra được phát xạ là đơn photon với sự ổn định đáng lưu ý và thời gian sống dài đối với các tâm phát xạ này.

Đã đo hiệu suất lượng tử của các hệ mẫu quan trọng chế tạo được.

Với hệ mẫu CdTeSe được chế tạo ở các nhiệt độ khác nhau, hiệu suất lượng tử (QY) được tính so với Rhodamin 101, với QY là 96%

5. Đã chế tạo, lắp ghép thành linh kiện pin mặt trời dùng chấm lượng tử CdTeSe tự chế tạo và đo đạc một số thông số quan trọng.

Tiến hành đo các thông số đặc trưng của pin mặt trời với các loại chấm lượng tử có lớp vỏ và độ dày của lớp vỏ khác nhau. Đường đặc trưng J-V với chất nhạy sáng là các chấm lượng lõi và lõi/vỏ CdTeSe/ZnSe với độ dày lớp vỏ là 1ML và 2 MLđã được nghiên cứu. Kết quả cho thấy hiệu suất tăng lên rõ rệt (từ 0,056% lên 0,185%) khi bọc 1 lớp vỏ ZnSe có chiều dày 1ML và giảm xuống còn 0,147% khi chiều dày lớp vỏtăng lên 2ML.

Như vậy,  kết quả nghiên cứu đã cho phép tạo ra được một phương pháp chế tạo ra các chấm lượng tử hợp kim. Đã thu được các QDs hợp kim ba thành phần, hấp thụ tốt tới tận vùng đỏ và NIR, có hiệu suất phát quang cao, được biến đổi bề mặt, và loại bỏ được các trạng thái bẫy bề mặt, không làm thất thoát điện tử do các kênh này. Đã giải thích các hiện tượng liên quan đến sự giam giữ lượng tử điện tử trong QDs hợp kim, vì mối liên hệ giữ tính chất quang -thành phần - kích thước nm của chúng. Các QDs hợp kim này cũng là một loại vật liệu mới và được tiến hành nghiên cứu lần đầu tiên ở nước ta.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 14743/2018) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)