Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang điện của tiếp giáo dị thể dựa trên nền vật liệu ZnO và Cu2O nhằm ứng dụng vào pin mặt trời - NCS. Nguyễn Hữu Kế

Tên đề tài luận án: Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang điện của tiếp giáo dị thể dựa trên nền vật liệu ZnO và Cu2O nhằm ứng dụng vào pin mặt trời
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 64 44 01 09
Họ tên nghiên cứu sinh: Nguyễn Hữu Kế
Khóa đào tạo: 2015
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Lê Vũ Tuấn Hùng và PGS.TS. Trần Cao Vinh
Cơ sở đào tạo: Đại học Khoa Học Tự Nhiên – Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh.
1. TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN ÁN 
Luận án được thực hiện hoàn toàn dựa trên cơ sở thực nghiệm với hai vật liệu là ZnO và Cu2O, các mẫu được chế tạo bằng 2 phương pháp chính: Phương pháp điện hóa và phương pháp phún xạ magnetron DC. Luận án cũng sử dụng nhiều phương pháp hiện đại khác để khảo sát tính chất của vật liệu như UV-Vis, XRD, phép đo Hall, Stylus, SEM, phổ quang-phát quang, XPS, EDX, I-V, J-V. Đây đều là những phương pháp hiện đại, hợp với xu hướng nghiên cứu của thế giới. 
Những nội dung chính của luận án gồm có: Thứ nhất: Sử dụng phương pháp điện hóa để chế tạo tiếp giáp IGZO/ZnO nanorod/Cu2O, các thanh nano ZnO với diện tích hiệu dụng bề mặt lớn, khả năng dẫn điện một chiều tốt…khi đan xen vào lớp hấp thu Cu2O đã làm giảm dòng rò và tăng khả năng phân tách hạt tải. Sự ảnh hưởng của độ dày ZnO nanorod và Cu2O lên khả năng hoạt động quang điện được khảo sát, làm rõ. Thứ hai: Việc xử lý nhiệt đã làm giảm các khuyết tật trong và trên bề mặt thanh nano ZnO từ đó làm pin hoạt động tốt hơn. Thứ ba: Bằng phương pháp phún xạ magnetron DC tác giả đã khảo sát các điều kiện để tạo được màng hấp thu Cu2O cho khả năng dẫn điện loại p và định hướng tinh thể ở mặt mạng (111) để từ đó chế tạo thành công tiếp giáp dị thể IGZO/ZnO/Cu2O. Thứ tư: Việc sử dụng lớp đệm ZnO thuần giàu oxy đã góp phần làm giảm dòng rò tại tiếp giáp. Thứ năm: Tác giả đã thành công trong việc pha tạp Na vào cấu trúc Cu2O bằng cách sử dụng năng lượng plama từ phương pháp phún xạ magnetron DC. Đây là công bố đầu tiên trên thế giới về vấn đề này. Việc pha tạp nguyên tố kim loại Na vào cấu trúc Cu2O đã cải thiện đáng kể tính chất điện của màng, nồng độ lỗ trống tăng lên làm tăng độ cao rào thế từ đó cũng làm tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin. Thứ sáu: Tác giả cũng thành công trong việc pha tạp nguyên tố phi kim N vào cấu trúc Cu2O bằng phương pháp phún xạ magnetron DC. Khi tạp N vào màng sẽ làm tăng độ rộng vùng cấm khoảng 0,45 eV và thích hợp làm lớp truyền dẫn lỗ trống trong pin mặt trời. Cơ chế ảnh hưởng của tạp N trong cấu trúc Cu2O và giản đồ năng lượng của vật liệu được làm rõ.
2. NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN:
- Ứng dụng thành công màng mỏng dẫn điện trong suốt (màng IGZO) chế tạo tại phòng thí nghiệm để làm điện cực cho một thiết bị quang điện. 
- Sử dụng các thanh nano ZnO đan xen vào lớp hấp thu Cu2O nhằm tăng cường khả năng phân tách hạt tải quang sinh. Quá trình phân tách hạt tải này sẽ được tăng lên đáng kể bởi vì diện tích hiệu dụng bề mặt của thanh nano ZnO lớn. 
- Thông qua quá trình xử lý nhiệt, đã làm giảm các khuyết tật trong và trên bề mặt thanh nano ZnO từ đó làm tăng khả năng truyền dẫn hạt tải quang sinh.
- Chế tạo thành công tiếp giáp dị thể IGZO/ZnO/Cu2O bằng phương pháp phún xạ magnetron DC. Lớp đệm ZnO giàu oxy đã góp phần làm giảm dòng rò tại tiếp giáp.
- Pha tạp thành công Na vào cấu trúc Cu2O bằng phương pháp phún xạ magnetron DC. Màng Cu2O:Na có sự cải thiện đáng kể về tính chất điện, nồng độ lỗ trống tăng lên làm tăng độ cao rào thế từ đó cũng làm tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin.
- Pha tạp N vào cấu trúc màng Cu2O bằng phương pháp phún xạ magnetron DC và nghiên cứu vai trò của tạp N trong màng. 
3. CÁC ỨNG DỤNG/ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN HAY NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN BỎ NGỎ CẦN TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU 
Trong tương lai chúng tôi có thể phát triển đề tài theo các hướng sau:
- Thụ động hóa các khuyết tật trên bề mặt ZnO NRs bằng plasma H2 hoặc chất hấp thụ bề mặt, để từ đó tối ưu hóa quá trình phân tách hạt tải qua tiếp giáp.
- Tăng cường độ tinh thể của lớp hấp thu Cu2O bằng phương pháp nâng và hạ nhiệt nhanh, từ đó có thể nghiên cứu sâu hơn về quá trình truyền dẫn hạt tải trong lớp hấp thu này.
- Sử dụng bia gốm Cu2O trong quá trình phún xạ, từ đó có thể pha tạp thêm các nguyên tố khác như Al, Zn, Ag… và nghiên cứu cơ chế ảnh hưởng của chúng lên tính chất quang điện của màng và tiếp giáp.
- Ứng dụng màng Cu2O:N làm lớp dẫn lỗ trống trong các cấu trúc pin mặt trời.