ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------

Nguyễn Minh Tú

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU PEROVSKITE
HỮU CƠ VÔ CƠ HALOGEN ỨNG DỤNG CHO PIN
NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------------------------------

Nguyễn Minh Tú

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU PEROVSKITE
HỮU CƠ VÔ CƠ HALOGEN ỨNG DỤNG CHO PIN
NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành: HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ
Mã số: 60440119

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:


Học viên : Nguyễn Minh Tú

i


MụC LụC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................8
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ....................................... Error! Bookmark not defined.
1.1. Giới thiệu về pin mặt trời ............................ Error! Bookmark not defined.
1.1.1. Một số vấn đề về năng lượng ................. Error! Bookmark not defined.
1.1.2. Vài nét về pin năng lượng mặt trời ........ Error! Bookmark not defined.
1.1.3. Pin mặt trời perovskite ............................ Error! Bookmark not defined.
1.2. Phƣơng pháp chế tạo perovskite hữu cơ vô cơ halogen . Error! Bookmark
not defined.
1.2.1. Phương pháp hóa học ............................ Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Phương pháp vật lý ................................. Error! Bookmark not defined.
1.3. Tính chất đặc trƣng và ứng dụng của perovskite hữu cơ vô cơ halogen
............................................................................... Error! Bookmark not defined.
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM .................................. Error! Bookmark not defined.
2.1. Hóa chất và dụng cụ ..................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.1. Hóa chất .................................................. Error! Bookmark not defined.
2.1.2. Dụng cụ ................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2. Thí nghiệm .................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.1. Tổng hợp tiền chất CH3NH3X ................ Error! Bookmark not defined.
2.2.1.1. Tổng hợp tiền chất CH3NH3Br.......... Error! Bookmark not defined.
2.2.1.2. Tổng hợp tiền chất CH3NH3I ............ Error! Bookmark not defined.
2.2.2. Tổng hợp perovskite theo phương pháp hóa học Error! Bookmark not
defined.
2.2.2.1. Tổng hợp CH3NH3PbI3 bằng phương pháp hóa học ................ Error!

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

iii


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ minh họa ứng dụng pin mặt trời. .... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo pin mặt trời đơn giản. ........ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3. Sơ đồ cấu tạo pin mặt trời silic ................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.4. Hình mô phỏng cấu trúc tinh thể perovskite. .......... Error! Bookmark not
defined.
Hình 1.5. Sơ đồ phân loại perovskite ........................ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.6. Hình mô phỏng cấu trúc perovskite CH3NH3PbI3 lập phương (cubic)
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.7. Hình mô phỏng cấu trúc perovskite CH3NH3PbI3 tứ phương (tetragonal)
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.8. Hình mô phỏng cấu trúc perovskite CH3NH3PbI3 trực thoi (orthorhombic)
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.9. Cấu tạo của pin mặt trời perovskite. ......... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.10. Sự dịch chuyển điện tử tự do và lỗ trống trong pin năng lượng mặt trời
có TiO2 hình (a) và không có TiO2 hình (b) .............. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.11. Sơ đồ cách tiến hành thí nghiệm tổng hợp perovskite . Error! Bookmark
not defined.
Hình 1.12. Hình minh họa quá trình phủ quay ......... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.13. Hình minh họa khả năng lấy sáng của vật liệu perovskite vô cơ hữu cơ
halogen (a), và sự nhảy e trong CH3NH3PbI3 (b) ..... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.1. Hình minh họa lắp ráp dụng cụ trong quá trình tổng hợp MAX và
MAPbX3 bằng phương pháp hóa học. ....................... Error! Bookmark not defined.

Hình 3.9. Phổ 1H-NMR của CH3NH3Br, CH3NH3I, CH3NH3PbI2Br, CH3NH3PbI3
tổng hợp và CH3NH2 thương mại.............................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.10. Phổ FTIR của CH3NH3PbI3 - GBL - 130 oC đã tổng hợp ............... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.11. Phổ FTIR của CH3NH3PbI3 - GBL, 130 oC và CH3NH3PbI2Br - GBL,
130 oC đã tổng hợp.................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.12. Ảnh SEM của CH3NH3PbI3 - GBL - 130 oC.......... Error! Bookmark not
defined.

v


Hình 3.13. Ảnh SEM của CH3NH3PbI2Br - GBL - 130 oC và CH3NH3PbI2Br - DMF 130 oC. ....................................................................... Error! Bookmark not defined.

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Vị trí các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể CH3NH3PbI3 lập phương Error!
Bookmark not defined.
Bảng 2. Vị trí các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể CH3NH3PbI3 tứ phương . Error!
Bookmark not defined.
Bảng 3. Vị trí các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể CH3NH3PbI3 trực thoi .... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 4. Công thức một số loại pin mặt trời perovskite vô cơ hữu cơ halogen đã
được nghiên cứu tổng hợp ......................................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 5. Tỉ lệ thể tích CH3NH3Br : CH3NH3I trong quá trình pha dung dịch phủ quay
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 6. Đỉnh nhiễu xạ của CH3NH3I đã tổng hợp .... Error! Bookmark not defined.
Bảng 7. Kết quả phủ quay CH3NH3PbI(3-x)Brx bằng phương pháp lý. ............. Error!

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 CO 2 [2]. Điều
này là một trong những nguyên nhân dẫn tới sự tăng nhiệt 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 này bài 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 đƣợc khởi công tại huyện Mộ Đức, Quảng
Ngãi với tổng vốn đầu tƣ xây dựng 826 tỷ đồng, trên diện tích 24 ha với công suất
thiết kế 19.2 MWp, áp dụng công nghệ quang điện mặt trời của Thái Lan.
Năng lượng mặt trời được coi là năng lượng tái 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

9

8. Antonio Diego Lozano-Gorrin (2012), Structural Characterization of New
Perovskites, INTECH, Spain, pp. 107-123.
9. Antonio Luque, Steven Hegedus (2011), Handbook of photovoltaic science and
engineering, John Wile & Sons, Ltd, pp. 1-37.
10. Chang Y. H., Park C. H., Matsuishi K. (2004), “First-Principles Study of the
Structural and the Electronic Properties of the Lead-Halide-Based
Inorganic Perovskites (CH3NH3)PbX3 and CsPbX3 (X= Cl, Br, I)”,
Journal of the Korean Physical Society, 44 (4), pp. 889-893.
11. Dieter weber (1978), “CH3NH3PbX3, ein Pb (II)- System mit kubischer
Perowskitstruktur/CH3NH3PbX3,
10

a

Pb

(II)-

System

with

Cubic


Perovskite Structure”, Zeitschrift fur Naturforschung B, 33 (12), pp. 14431445.
12. Federico Brivio, Jarvist M. Frost, Jonathan M. Skelton, Adam J. Jackson, Oliver
J. Weber, Mark T. Weller, Alejandro R. Goñi, Aurélien M. A. Leguy, Piers R. F.
Barnes, Aron Walsh (2015), “Lattice dynamics and
orthorhombic, tetragonal, and cubic phases

perovskite and one-dimensional TiO2 nanowire arrays”, Nanoscale, 5 (8), pp.
3245-3248.
18. Jin Hyuck Heo, Sang Hyuk Im, Jun Hong Noh, Tarak N. Mandal, Choong Sun
Lim, Jeong Ah Chang, Yong Hui Lee, Hi-Jung Kim, Arpita
Nazeeruddin, Michael Gratzel, Sang II Seok (2013),

11

Sarkar, Md. K.

“Efficient inorganic-


organic hybrid heterojunction solar cells containing perovskite compound and
polymeric hole conductors”,

nature Photonics, 7 (6), PP. 486-491.

19. Jun Hong Noh, Sang Hyuk Im, Jin Hyuk Heo, Tarak N. Mandal, Sang Il
(2013), “Chemical Management for Colorful, Efficient, and
Organic Hybrid Nanostructured Solar Cells”, Nano

Seok

Stable Inorganic-

letters, 13 (4), pp. 1764-

1769.
20. Meng Zhang, Miaoqiang Lyu, Dr. Hua Yu, Dr. Jung-Ho Yun, Qiong Wang,


12


26. Tom Baikie, Yanan Fang, Jeannette M. Kadro, Martin Schreyer, Fengxia
Subodh G. Mhaisalkar, Michael Graetzel, Tim J. White (2013),
crystal chemistry of the hybrid perovskite

(CH3NH3)PbI3

Wei,

“Sythesis and
for

solid-state

sensitised solar cell applications”, Journal of Materials Chemistry A, 1 (18), pp.
5628-5641.
27. Xin Xukai (2012), Dye- and quantum dot-sensitized solar cells based on
nanostructured wide-bandgap semiconductors via an integrated
experimental and modeling study, Graduate Theses and Dissertations,
Iowa State University, U.S, pp. 12527.
28. Yukihiko

Kawamura,

Hiroyuki

Mashiyama,