Quang Phổ Phát Quang Hé Lộ Các Tính Chất Quang Điện

Giới thiệu

Công nghệ quang điện khai thác sức mạnh của mặt trời để tạo ra điện, cung cấp một nguồn năng lượng tái tạo sạch rất quan trọng cho sự phát triển bền vững. Đặc tính vật liệu đóng một vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị quang điện. Quang phổ phát quang là một công cụ phân tích mạnh mẽ được sử dụng để điều tra chất lượng chất bán dẫn và hiệu quả chuyển đổi năng lượng, cung cấp những hiểu biết sâu sắc có thể dẫn đến việc tăng cường hiệu suất của tế bào quang điện.

Hình 1: Sơ đồ các lớp tế bào quang điện (pin mặt trời).

Phương pháp quang phổ phát quang.

Quang phát quang là hiện tượng vật liệu hấp thụ năng lượng ánh sáng (kích thích) và sau đó phát ra ánh sáng có bước sóng khác (phát xạ). Quá trình này liên quan đến sự tương tác của ánh sáng với cấu trúc điện tử của vật liệu.

Nguyên lý cơ bản

1. Trạng thái kích thích: Khi một vật liệu tiếp xúc với ánh sáng có bước sóng phù hợp, các electron trong vật liệu có thể hấp thụ năng lượng và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn.
2. Trạng thái cơ bản: Các electron bị kích thích cuối cùng trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn, giải phóng năng lượng hấp thụ dưới dạng ánh sáng.
3. Phát xạ: Bước sóng của ánh sáng phát ra phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản. Sự phát xạ này được gọi là phát xạ quang.

Hình 2: Nguyên lý quá trình phát quang.

Các loại phát quang

1. Huỳnh quang: Phát xạ xảy ra ngay sau khi kích thích, thường trong vòng nano giây.
2. Lân quang: Phát xạ xảy ra trong một thời gian dài hơn, thường kéo dài vài giây hoặc thậm chí vài phút.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phát quang

1. Tính chất vật liệu: Cấu trúc điện tử, tạp chất và khuyết tật trong vật liệu ảnh hưởng đến tính chất phát quang của nó.
2. Bước sóng kích thích: Bước sóng của ánh sáng kích thích ảnh hưởng đến hiệu quả kích thích và phổ phát xạ thu được.
3. Nhiệt độ: Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến cường độ và sự phân bố quang phổ của phát quang.
4. Điện trường bên ngoài: Điện trường hoặc từ trường có thể ảnh hưởng đến tính chất phát quang của một số vật liệu nhất định.

Ứng dụng của quang phổ phát quang

1. Nghiên cứu chất bán dẫn: Phân tích bandgap, mức độ tạp chất và động lực hạt tải trong chất bán dẫn.
2. Hóa sinh: Nghiên cứu tính chất của các phân tử và quá trình sinh học.
3. Khoa học vật liệu: Đặc trưng cho các vật liệu như polyme, gốm sứ và vật liệu nano.
4. Khoa học môi trường: Phát hiện các chất ô nhiễm và chất gây ô nhiễm.

Ứng dụng của quang phổ phát quang trong đo tính chất quang điện.

Quang phổ phát quang là một công cụ mạnh mẽ để phân tích các tính chất cơ bản của vật liệu quang điện. Bằng cách nghiên cứu ánh sáng phát ra từ vật liệu khi bị kích thích, các nhà nghiên cứu có thể hiểu rõ hơn về bề rộng vùng cấm, tạp chất, cơ chế tái tổ hợp, động lực học sóng mang và chất lượng vật liệu tổng thể.

1. Xác định bề rộng vùng cấm:  Đo năng lượng của ánh sáng phát ra cho thấy bandgap, rất quan trọng để hiểu chuyển đổi năng lượng mặt trời.
2. Phân tích tạp chất và khuyết tật: Phân tích các tính năng quang phổ xác định các tạp chất và khuyết tật ảnh hưởng đến hiệu quả của thiết bị.
3. Cơ chế tái tổ hợp: Nghiên cứu hình dạng và cường độ quang phổ giúp hiểu được sự tái tổ hợp bức xạ và không bức xạ.
4. Động lực hạt tải: Đo sự phân rã phát quang và sử dụng các kỹ thuật phân giải theo thời gian cho thấy tuổi thọ của hạt tải, chiều dài khuếch tán và tính di động.
5. Đánh giá chất lượng vật liệu: Đánh giá độ kết tinh, mật độ khuyết tật và tính đồng nhất để xác định và giải quyết các vấn đề liên quan đến vật liệu.

Kết quả

Hình 3: Phổ phát quang của pin mặt trời perovskit và cấu trúc thử nghiệm FTO-TiO2.

Trong một nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã so sánh quang phổ phát quang, phổ điện phát quang của pin mặt trời perovskite và quang phổ phát quang của mẫu pin mặt trời với các lớp FTO-TiO2. So sánh quang phổ phát quang (PL) và điện phát quang (EL) của pin mặt trời perovskite. Cả hai quang phổ đều có cường độ cực đại tại bước sóng ở 783 nm. Tuy nhiên, sự khác biệt đáng kể được quan sát thấy trong dải bước sóng ngắn (dưới 750 nm) và dài (lớn hơn 810 nm). Những khác biệt này do có sự hiện diện của các lớp FTO và TiO2 trong mẫu thử, chỉ phát quang dưới ánh sáng, không phát quang do điện áp.

Các lớp FTO (Fluorine-doped Tin Oxide) và TiO2 (Titanium Dioxide) đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc và chức năng của pin mặt trời perovskite:

1. Lớp FTO: Hoạt động như một điện cực dẫn điện trong suốt. Nó cho phép ánh sáng đi qua trong khi dẫn điện, để thu thập các hạt mang điện được tạo ra.
2. Lớp TiO2: Phục vụ như một lớp chặn và lớp truyền dẫn electron. Nó giúp phân tách và vận chuyển các electron, ngăn chặn sự tái tổ hợp và nâng cao hiệu quả của pin mặt trời.

Hệ thống đo lường

Ocean QEPro là một máy quang phổ có độ nhạy cao, được thiết kế để mang lại hiệu suất vượt trội trong các ứng dụng như phát quang kích thích trong nghiên cứu quang điện. Cấu trúc quang học vững chắc của nó đảm bảo hiệu suất quang phổ tuyệt vời trên dải bước sóng rộng 185-1100 nm, với độ phân giải quang học từ 1,20-1,60 nm khi sử dụng khe 10 μm. Dải động cao 85000: 1 của QEPro và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu 1000: 1 làm cho nó đặc biệt nhạy, phù hợp để phát hiện ngay cả những tín hiệu phát quang nhỏ nhất. Ngoài ra, khả năng đệm quang phổ của nó đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu trong quá trình thu thập dữ liệu tốc độ cao, làm cho nó trở thành một công cụ đáng tin cậy để phân tích quang điện tiên tiến.

Hình 4: Máy quang phổ kế QEPro.

Nguồn sáng LED Ocean LDC-1C là một thiết bị hiện đại được thiết kế để kích thích chính xác sự phát quang trong vật liệu quang điện. Nó có trình điều khiển và bộ điều khiển kênh đơn, nhỏ gọn được thiết kế riêng cho Mô-đun nguồn sáng LED (LSM) thế hệ tiếp theo, đảm bảo hiệu suất tối ưu và bảo vệ chống lại dòng điện quá mức. Với giao diện thân thiện với người dùng, điều khiển menu, LDC-1C tạo điều kiện vận hành và tích hợp liền mạch với LSM, làm cho nó trở thành một công cụ thiết yếu cho các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực công nghệ quang điện.

Hình 5: Bộ điều khiển LED LDC-C1 và mô-đun LED LSM.

Kết luận

Quang phổ phát quang là một công cụ mạnh mẽ, không phá hủy để phân tích vật liệu quang điện. Bằng cách cung cấp thông tin chi tiết về xác định bề rộng vùng cấm, phân tích tạp chất và khuyết tật, cơ chế tái tổ hợp và Động lực hạt tải, nó đóng một vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị quang điện. Việc sử dụng các thiết bị tiên tiến như máy quang phổ Ocean QEPro và nguồn sáng LED Ocean LDC-1C giúp tăng cường độ chính xác và độ tin cậy của các phép đo này, mở đường cho các giải pháp năng lượng mặt trời hiệu quả và bền vững hơn.