Mô hình hóa và tối ưu hóa pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo ITO nano zno cds CZTS me

Kết quả nghiên cứu này cho thấy khả năng sử dụng phương pháp mô phỏng SCAPS-1D như một phương pháp thiết kế hữu hiệu để hỗ trợ cho thực nghiệm chế tạo các pin mặt trời màng mỏng cấu trúc

Tôi xin cam đoan đề tài “MÔ HÌNH HÓA VÀ TỐI ƯU HÓA PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG CẤU TRÚC ĐẢO ITO/NANO ZnO/CdS/CZTS/Me” được thực hiện dựa trên sự cố gắng, nổ lực của mình

dưới sự hướng dẫn nhiệt tình khoa học của TS Trần Thanh Thái

Các kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả luận văn

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

1 – Lí do chọn đề tài 1

2 - Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 2

3 - Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 - Phương pháp nghiên cứu 3

5 - Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn 3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 5

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN PIN MẶT TRỜI 5

1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI 6

1.3 PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG 6

1.3.1 Giới thiệu chung 6

1.3.2 Phân loại 7

1.4 PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG CZTS 11

1.4.1 Cấu trúc của pin mặt trời CZTS 11

1.4.2 Tính chất của các lớp chức năng 11

1.4.3 Cấu trúc của pin mặt trời màng mỏng CZTS sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu trúc nano 13

1.4.4 So sánh pin mặt trời màng mỏng CZTS sử dụng lớp cửa sổ màng mỏng ZnO và nano ZnO 14

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 15

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 16

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 16

HAO CỦA PIN MẶT TRỜI 18

2.3.1 Các thông số đặc trưng của pin mặt trời 18

2.3.2 Mô hình một chiều pin mặt trời 21

2.3.3 Tổn hao trong pin mặt trời 23

2.5.2 Phân tích các tính chất chung của pin mặt trời 30

2.5.3 Phân tích các đặc trưng của các lớp vật liệu 31

2.5.4 Phân tích các trạng thái khuyết tật 33

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 35

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Cấu trúc pin mặt trời Error! Bookmark not defined 3.2 LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CHO MÔ PHỎNG SCAPSError! Bookmark not defined 3.3 THIẾT KẾ PIN MẶT TRỜI 40

3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày và nồng độ donor ND của lớp cửa sổ ZnO 40

3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp đệm CdS 46

3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày, nồng độ acceptor NA của lớp hấp thụ CZTS 48

3.4 CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM PIN MẶT TRỜI CZTS 53

3.4.1 Chế tạo thử nghiệm pin mặt trời CZTS 53

3.4.2 So sánh pin mặt trời CZTS sử dụng lớp cửa sổ ZnO màng mỏng và ZnO cấu trúc thanh nano 55

3.5 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG ĐẾN HIỆU NĂNG CỦA PIN MẶT TRỜI CZTS 59

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số cơ bản của vật liệu 32

Bảng 2.2 Các thông số trạng thái khuyết tật trong khối 34

Bảng 3.1 Thông số cơ bản đầu vào mô phỏngError! Bookmark not defined

Bảng 3.2 Các thông số quang điện của mặt trời CZTS mô phỏng bằng

SCAPS-1D khi thay đổi chiều dày lớp cửa sổ nano ZnO 42

Bảng 3.3 Các thông số quang điện của pin mặt trời mô phỏng bằng

SCAPS-1D khi thay đổi nồng độ donor ND của lớp cửa sổ ZnO 45

Bảng 3.4 Các thông số quang điện của pin mặt trời mô phỏng bằng

SCAPS-1D khi thay đổi.chiều dày lớp đệm CdSError! Bookmark not defined

Bảng 3.5 Các thông số của PMT mô phỏng bằng SCAPS-1D khi thay đổi

chiều dày lớp hấp thụ CZTS Error! Bookmark not defined

Bảng 3.6 Các thông số quang điện của pin mặt trời CZTS mô phỏng bằng

SCAPS-1D khi thay đổi nồng độ pha tạp NA của lớp CZTSError! Bookmark not defined

Bảng 3.7 Một số thông số cấu trúc được chọn từ mô phỏng SCAPS-1DError! Bookmark not defined

Bảng 3.8 Các thông số quang điện của pin mặt trời mô phỏng bằng

SCAPS-1D khi nhiệt độ làm việc thay đổi 57

Bảng 3.9 Các thông số quang điện của pin mặt trời CZTS mô phỏng bằng

SCAPS-1D khi nhiệt độ làm việc thay đổi 60

Bảng 3.10 Thống kê một số kết quả nghiên cứu về pin mặt trời CZTS cấu

trúc đảo trong thời gian gần đây 63

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Tấm pin mặt trời vô định hình 8

Hình 1.2 Tấm pin Cadmium telluride 8

Hình 1.3 Pin mặt trời CIGS 9

Hình 1.4 Tấm pin Cadmium telluride 10

Hình 1.5 Tấm pin quang điện hữu cơ (OPV) 10

Hình 1.6 Pin mặt trời màng mỏng CZTS cấu trúc đảo 13

Hình 2.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời thực khi được chiếu sáng [23b],[24b] 22

Hình 2.2 Biểu diễn sự tổn hao quang học trong pin mặt trời 24

Hình 2.3 a) Ánh sáng mặt trời tới trái đất và b) một số phổ chuẩn 29

Hình 2.4 Phổ hấp thụ đối với các lớp chức năng trong pin mặt trời CZTS 33

Hình 2.5 Các trạng thái chuyển tiếp của cặp điện tử và lỗ trống 33 Hình 3.1.Cấu trúc khảo sát pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo

glass/ITO/nano ZnO/CdS/CZTS/PtError! Bookmark not defined

Hình 3.2 Mô hình mô phỏng SCAPS-1D của pin mặt trời glass/ITO/nano

ZnO/CdS/CZTS/Pt Error! Bookmark not defined

Hình 3.4 biểu diễn phổ hấp của các mẫu màng nano ZnO với chiều dày

thay đổi từ 200nm đến 1600nm (hình 3.4b-h) và mẫu màng

ZnO cấu trúc phẳng (hình 3.4a) 40

Hình 3.5 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng với các

chiều dày khác nhau:(a) 200nm, (b) 400nm (c) 600nm và (d)

1200nm 41

Hình 3.6 Đồ thị quan hệ giữa (h)2 và h của các mẫu màng nano ZnO

lắng đọng với các chiều dày khác nhau:(a) 200nm, (b) 400nm

(c) 600nm và (d) 1200nm 42

Hình 3.7 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch, (b) mật độ dòng ngắn mạch,

(c) hệ số lấp đầy và (d) hiệu suất chuyển đổi theo chiều dày

lớp cửa sổ ZnO Error! Bookmark not defined

Hình 3.8 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch (b) mật độ dòng ngắn mạch

(c) hệ số lấp đầy và (d) hiệu suất chuyển đổi theo ND của lớp

đệm ZnO Error! Bookmark not defined

Hình 3.9 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch, (b) mật độ dòng ngắn mạch,

(c) hệ số lấp đầy và (d) hiệu suất chuyển đổi theo chiều dày

lớp đệm CdS 47

Hình 3.10 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch, (b) mật độ dòng ngắn mạch,

(c) hệ số lấp đầy và (d) hiệu suất chuyển đổi theo chiều dày

lớp hấp thụ CZTS Error! Bookmark not defined

Hình 3.11 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch (b) mật độ dòng ngắn mạch

(c) hệ số lấp đầy và (d) hiệu suất chuyển đổi theo NA của lớp

hấp thụ CZTS Error! Bookmark not defined

Hình 3.13 Đặc trưng J-V sáng của pin mặt trời chế tạo thử nghiệm 55 Hình 3.14 Đặc trưng J-V sáng của pin mặt trời

glass/ZnO:In/CdS/CZTS/Ag phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc 56 Hình 3.15 Sự thay đổi (a) mật độ dòng ngắn mạch, (b) hệ số lấp đầy, (c)

điện áp hở mạch và (d) hiệu suất chuyển đổi theo nhiệt độ làm

việc T Error! Bookmark not defined

Hình 3.16 Đặc trưng J-V sáng của PMT CZTS phụ thuộc vào nhiệt độ

môi trường Error! Bookmark not defined

MỞ ĐẦU

1 – Lí do chọn đề tài

Vấn đề năng lượng đã và đang trở thành đề tài không phải của riêng một quốc gia nào mà là mối quan tâm của toàn thế giới Bên cạnh việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch ngày một cạn kiệt thì vấn đề an ninh năng lượng và biến đổi khí hậu đang hết sức nóng bỏng và là bài toán thách thức giới khoa học công nghệ trên toàn thế giới

Vì vậy, nghiên cứu chế tạo và ứng dụng pin mặt trời (PMT) hiện đang là một trong những hướng nghiên cứu trọng điểm được ưu tiên hàng đầu của hầu hết các quốc gia trên toàn thế giới, trong đó có Việt Nam Với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhiều loại vật liệu khác nhau đã được thử nghiệm cho PMT Hiện nay, loại PMT thương mại nhất được sử dụng cho những ứng dụng trên mặt đất là “PMT tấm Si” Thế hệ PMT này chiếm một phần đáng

kể trên thị trường PMT thế giới (chiếm hơn 80% và hiệu suất chuyển đổi năng lượng lên đến gần 25%) Thế hệ thứ hai và có triển vọng nhất hiện nay là PMT màng mỏng Thị trường của loại PMT màng mỏng dự kiến sẽ tăng đáng

kể trong những năm sắp tới Công nghệ màng mỏng đã làm cho PMT loại này trở nên hấp dẫn hơn khi chúng có thể ứng dụng trong ngành công nghệ điện

tử và không gian vũ trụ Nhìn chung, hiệu suất chuyển đổi của loại pin này thấp hơn của PMT tinh thể Silicon, tuy nhiên một số loại có hiệu suất cao hơn như GaAs (27,6%) Nhiều nghiên cứu gần đây cũng đang hướng vào thế hệ PMT thứ ba, sử dụng nhiều loại vật liệu mới như: lớp hấp thụ là các chất nhạy sáng phủ lên vật liệu TiO2 có cấu trúc nano (hiệu suất chuyển đổi khoảng 11-12%); các tế bào quang điện hữu cơ (hiệu suất chuyển đổi ~ 6-7%) hay PMT dựa trên cơ sở hấp thụ CuInS2 có thể đạt hiệu suất chuyển đổi quang điện rất

Có thể thấy, việc nghiên cứu công nghệ màng mỏng và ứng dụng pin mặt trời màng mỏng đã và đang là một vấn đề thu hút sự quan tâm đặc biệt lớn trên thế giới và ở Việt Nam Đây là vấn đề thời sự và bức thiết nhằm góp phần giải quyết bài toán an ninh năng lượng, đặc biệt là hướng nghiên cứu pin mặt trời màng mỏng hiệu suất cao và thân thiện với môi trường sử dụng công nghệ lắng đọng không chân không Đây cũng là cơ sở để chúng tôi lựa chọn nội dung nghiên cứu của bản Luận án này

Đề tài luận văn : “Mô hình hóa và tối ưu hóa pin mặt trời màng mỏng

cấu trúc đảo ITO/nano ZnO/CdS/CZTS/Me”

2 - Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về pin mặt trời màng mỏng CZTS (Cu2ZnSnS4) sử dụng lớp cửa sổ thanh nano ZnO

- Tổng quan về phương pháp mô hình hóa và mô phỏng số

- Xây dựng mô hình mô phỏng và tối ưu hóa cấu trúc pin mặt trời ITO/nanoZnO/CdS/CZTS/Me

- Nghiên cứu tính chất điện của pin mặt trời màng mỏng

3 - Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Pin mặt trời màng mỏng trên cơ sở lớp hấp thụ cực mỏngCZTSvà lớp cửa sổ thanh nano ZnO

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu mô phỏng pin mặt trời màng mỏng ITO/nano ZnO/CdS/CZTS/Mebằng phần mềm SCAPS-1D Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc, các thông số công nghệ (chiều dày, nồng độ pha tạp, hiệu ứng lớp nano ZnO) của lớp hấp thụ và lớp cửa sổ đến các tính chất điện của pin mặt trời

4 - Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của Luận văn là phương pháp mô phỏng bằng phần mềm SCAPS-1D kết hợp với đoán nhận từlý thuyết để lựa chọn thông

số thiết kế PMT tối ưu

Các kết quả mô phỏng sẽ là cơ sở cho việc lựa chọn cấu trúc và định hướng cho quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời màng mỏng CZTS sử dụng lớp cửa sổ thanh nano ZnO

5 - Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

Ý nghĩa thực tiễn

Xác định các thông số công nghệ tối ưu bằng phần mềm mô phỏng SCAPS-1D cho pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảoITO/ nano ZnO/ CdS/CZTS/Me Các kết quả nghiên cứu của luận văn là tài liệu tham khảo tốt cho thực nghiệm chế tạo thử nghiệm, phát triển và ứng dụngcho chế tạo pin mặt trời sử dụng lớp hấp thụ rất mỏng CZTS

Đây là kết quả khoa học rất có ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu

này cho thấy khả năng sử dụng phương pháp mô phỏng SCAPS-1D như một phương pháp thiết kế hữu hiệu để hỗ trợ cho thực nghiệm chế tạo các pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo có hiệu suất cao, thân thiện với môi trường và giá thành thấp

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN PIN MẶT TRỜI

Tấm pin năng lượng mặt trời được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1883 bởi Charle Fritts với hiệu suất ban đầu chỉ đạt được 1% Nhưng trước đó người khám phá ra hiệu ứng quang điện là nhà vật lý người pháp Alexandre Edmond Becquerel vào năm 1839 Ông nhận ra rằng năng lượng mặt trời có thể tạo ra một hiệu ứng quang điện (quang = ánh sáng, điện = điện thế) Trong những năm 1880, các tế bào quang điện selen (PV) được phát triển có thể chuyển ánh sáng thành điện năng với hiệu suất 1-2% hiệu suất của pin mặt trời là tỷ lệ ánh sáng mặt trời có sẵn được chuyển đổi bởi tế bào quang điện thành điện, nhưng sự biến đổi xảy ra chưa được chứng minh Do đó, năng lượng quang điện vẫn là câu hỏi trong nhiều năm, vì nó không hiệu quả khi biến ánh sáng mặt trời thành điện Tiếp sau đó mãi cho đến khi Albert Einstein đề xuất một lời giải thích cho “hiệu ứng quang điện” vào đầu những năm 1900, sau đó ông đã giành được giải Nobel [1]

Công nghệ năng lượng mặt trời tiến tới gần như thiết kế hiện tại của nó vào năm 1908 khi William J Bailey của Công ty thép Carnegie đã phát minh

ra với một hộp cách nhiệt và thanh selen Để kiểm chứng lại nguyên nhân ông đã đặt thanh selen vào bên trong chiếc hộp có nắp trượt Khi nắp được đóng kín và không có ánh sáng lọt vào, thanh selen có điện trở cực đại và thực hiện đúng nhiệm vụ ngăn cản dòng điện Nhưng khi chiếc nắp được trượt

ra để ánh sáng lọt vào, dòng điện chạy qua ngày càng được tăng cường và tăng theo cường độ ánh sáng chiếu vào Khi đó ông đã đăng tải phát hiện của mình trên tạp chí Nature với nội dung “Tác động của ánh sáng lên selen thông qua quá trình truyền tải dòng điện [2]” Bài báo cáo đã gây nên sự chú ý đối

với nhiều nhà khoa học trên khắp Châu Âu thời bấy giờ Với nghiên cứu của mình ông được công nhận là người đầu tiên khám phá ra chất quang điện của nguyên tố selen Khám phá này đã tạo tiền đề cho việc chế tạo ra pin mặt trời sau này

Vào giữa những năm 1950 pin quang năng đã đạt được hiệu suất 4%,

và hiệu suất sau đó nâng lên 11%, với các tế bào silicon (nguyên liệu phổ biến thứ hai trên trái đất) “Sức mạnh được tạo ra khi ánh sáng mặt trời chiếu vào vật liệu bán dẫn và tạo ra dòng điện.” Từ đó trở đi, sự quan tâm đến năng lượng mặt trời được chú trọng Vào cuối những năm 1950 và 1960, chương trình không gian của NASA đã đóng một vai trò tích cực trong sự phát triển của quang điện “Các tế bào là nguồn năng lượng điện hoàn hảo cho vệ tinh vì chúng rất chắc chắn, nhẹ và có thể đáp ứng các yêu cầu công suất thấp đáng tin cậy.”

1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI

Pin mặt trời hoạt động dựa vào hiệu ứng quang điện trong Khi ánh sáng chiếu tới chỗ tiếp xúc p-n, các photon ánh sáng cung cấp năng lượng cho chỗ tiếp xúc để tạo ra electron và lỗ trống có thể di chuyển tự do Nhưng vì trường điện từ tại tiếp diện p-n nên chúng chỉ đi theo một hướng, electron bị hút về bán dẫn loại n và lỗ trống bị hút về bán dẫn loại p, được góp về các điện cực đối diện và tạo ra một suất điện động quang điện Điện được tạo ra

từ tấm pin năng lượng mặt trời là điện một chiều (DC) Để có thể sử dụng cho các tải, thiết bị bình thường thì cần phải chuyển điện DC thành AC (điện xoay chiều) Và đó là chức năng của inverter

1.3 PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG

1.3.1 Giới thiệu chung

Pin mặt trời màng mỏng là loại pin mặt trời thế hệ thứ hai được tạo ra

bằng cách lắng đọng một lớp hoặc nhiều lớp màng mỏng (TF) của vật liệu quang điện trên một lớp đế, chẳng hạn như thủy tinh, nhựa, kim loại Pin mặt trời màng mỏng được sử dụng thương mại trong một số công nghệ bao gồm Cadmium Telluride (CdTe), đồng Indium Gallium diselenide (CIGS) và silicon màng mỏng vô định hình (a-Si, TF-Si)

Độ dày của màng mỏng thay đổi từ vài nm đến và  m, mỏng hơn rất nhiều so với pin mặt trời silicon tinh thể thế hệ đầu tiên, sử dụng tấm màng dày đên 200 m Điều này cho phép các tế bào màng mỏng hoạt động linh hoạt và nhẹ hơn

Công nghệ màn mỏng rẻ hơn nhưng lại kém hiệu quả hơn so với công nghệ Silicon Tuy nhiên, không phải hiệu quả thấp hơn so với chi phí bỏ ra,

mà là để có một hiệu suất tương đương với pin tinh thể thì chúng đòi hỏi nhiều không gian hơn Chúng là những tấm rẻ bởi chi phí vật liệu rất thấp

Tùy thuộc vào công nghệ, các nguyên mẫu pin màng mỏng đã được hiệu quả khoảng 7 – 13% Trong tương lai, dự kiến sẽ tăng lên khoảng 10 – 16%.Thị trường của pin màng mỏng tăng trưởng 60% hàng năm từ 2002 đến

2007 Năm 2011 tại Hoa Kỳ, gần 5% tổng các lô hàng pin quang điện của nước này cho khu vực dân cư là các loại màng mỏng

1.3.2 Phân loại

1.3.2.1 Tấm pin mặt trời vô định hình

Giống như các tấm pin mặt trời thông thường, các tấm pin mặt trời vô định hình chủ yếu được tạo thành từ silicon Tuy nhiên, mặc dù được chế tạo bằng cùng một vật liệu, chúng được cấu tạo theo một cách khác: thay vì sử dụng các tấm silicon rắn (giống như bạn làm với các tấm pin mặt trời đơn hoặc đa tinh thể ), các nhà sản xuất tạo ra các tấm vô định hình bằng cách cho silicon không kết tinh vào một chất nền bằng thủy tinh, nhựa hoặc kim loại Một lớp silicon

trên một tấm pin mặt trời vô định hình có thể mỏng bằng một micromet - để nhìn vào khía cạnh, nó còn mỏng hơn cả sợi tóc của con người

Hình 1.1 Tấm pin mặt trời vô định hình

1.3.2.2 Pin mặt trời màng mỏng Cadmium Telluride

Pin mặt trời màng mỏng Cadmium Telluride là loại phổ biến nhất hiện có [3] Chúng rẻ hơn các tế bào màng mỏng silicon tiêu chuẩn hơn Màng mỏng cadimi Telluride có hiệu suất lớn nhất được ghi nhận là hơn 22,1% (phần trăm photon đập vào bề mặt tế bào được biến đổi thành dòng điện ) Đến năm 2014, công nghệ màng mỏng cadmium Telluride có lượng khí thải carbon ít nhất và thời gian hoàn vốn nhanh nhất so với bất kỳ công nghệ pin mặt trời màng mỏng nào trên thị trường (thời gian hoàn vốn là thời gian cần để sản xuất điện của tấm pin mặt trời trang trải chi phí mua và lắp đặt) [4]

Hình 1.2 Tấm pin Cadmium telluride

Tấm pin Cadmium telluride (CdTe) được tạo thành từ nhiều lớp mỏng: một lớp chính năng lượng được sản xuất làm từ hợp chất cadmium Telluride,

và các lớp xung quanh để dẫn và thu điện [5] Một trong những nhà sản xuất tấm CdTe nổi tiếng nhất là First Solar , một công ty của Mỹ có trụ sở chính tại Tempe, Arizona

1.3.2.3 Pin mặt trơi CIGS

Đồng Indium Gali Selenua (CIGS) là một loại chất bán dẫn khác được

sử dụng để sản xuất pin mặt trời màng mỏng.Các tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng CIGS đã đạt hiệu suất 21,7% trong môi trường phòng thí nghiệm

và 18,7% hiệu suất trong thực địa, khiến CIGS trở thành vật liệu dẫn đầu trong số các vật liệu tế bào thay thế và là vật liệu bán dẫn đầy hứa hẹn trong công nghệ màng mỏng Tế bào CIGS theo truyền thống thường đắt hơn các loại tế bào khác trên thị trường, và vì lý do đó mà chúng không được sử dụng rộng rãi

Hình 1.3 Pin mặt trời CIGS

Pin mặt trời CIGS được làm từ một hợp chất gọi là đồng gali indium diselenide được kẹp giữa các lớp dẫn điện Vật liệu này được phủ lên trên các loại lớp khác nhau, chẳng hạn như thủy tinh, nhựa, thép và nhôm Một số loại tấm nền CIGS sử dụng lớp nền mềm dẻo và các lớp mỏng cho phép toàn tấm nền linh hoạt

1.3.2.4 Pin mặt trời GaAs

Tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng Gali arsenide (GaAs) đã đạt hiệu suất gần 30% trong môi trường phòng thí nghiệm , nhưng chúng rất đắt tiền để sản xuất Chi phí đã là một yếu tố chính trong việc hạn chế thị trường cho pin mặt trời GaAs; mục đích sử dụng chính của chúng là cho tàu vũ trụ và vệ tinh

Hình 1.4 Tấm pin Cadmium telluride

1.3.2.5 Tế bào quang điện hữu cơ

Tế bào quang điện hữu cơ (OPV) sử dụng các polyme hữu cơ dẫn điện hoặc các phân tử hữu cơ nhỏ để sản xuất điện [6] Trong tế bào quang điện hữu cơ, một số lớp hơi hoặc dung dịch hữu cơ mỏng được lắng đọng và giữ giữa hai điện cực để mang dòng điện

Hình 1.5 Tấm pin quang điện hữu cơ (OPV)

1.4 PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG CZTS

1.4.1 Cấu trúc của pin mặt trời CZTS

Cấu trúc của một pin mặt trời màng mỏng CZTS bao gồm các lớp sau:

1.4.1.1 Lớp cửa sổ nano ZnO

Lớp điện cực cửa sổ, là chất bán dẫn loại n, có nhiệm vụ đón ánh sáng tới và truyền đến lớp hấp thụ ánh sáng, đồng thời tập trung các điện tử về phía điện cực trên Vì vậy, vật liệu chế tạo điện cực cửa sổ phải có khả năng dẫn điện và cho ánh sáng truyền qua tốt, đặc biệt là khả năng truyền qua trong vùng ánh sáng có cường độ cao của phổ ánh sang mặt trời Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu pin mặt trời sử dụng lớp cửa sổ nano ZnO

Các phương pháp công nghệ sử dụng để lắng đọng lớp ZnO bao gồm phương pháp phún xạ [7], lắng đọng tĩnh điện [8], phun phủ nhiệt phân [10], lắng đọng bể hóa học [11] Pin mặt trời CuInS2 trên cơ sở lớp ZnO lắng đọng bằng phương pháp phún xạ đạt  = 12,7% , phun phủ tĩnh điện đạt  = 2,2%, lắng đọng bể hóa học đạt  = 3,8% và phun phủ nhiệt phân đạt  = 2,9%

sáng về phía các điện cực nhằm tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời

Trong pin mặt trời, lớp đệm thường được làm từ màng vật liệu CdS hoặc In2S3 , In(OH)xSy, ZnS, (Cd,Zn)S Lớp đệm là chất bán dẫn loại n, được chế tạo có năng lượng vùng dẫn cao hơn năng lượng vùng dẫn của lớp điện cực cửa sổ và lớp hấp thụ ánh sáng Do đó, các điện tử sau khi dịch chuyển qua lớp đệm sẽ bị mất năng lượng (khi dịch chuyển qua rào thế của lớp này) và giảm khả năng chuyển ngược trở về lớp hấp thụ ánh sáng để tái tổ hợp với lỗ trống

Hiện nay, công nghệ pin mặt trời màng mỏng CdTe và Cu (In, Ga) (S, Se)2 cho thấy CdS là vật liệu thích hợp nhất làm lớp đệm hoặc lớp cửa sổ Tuy nhiên, điện trở suất của màng

CdS rất lớn (>104 Ω.cm ) Để làm giảm điện trở suất có thể sử dụng quá trình pha tạp bằng các nguyên tố như Al, Cu, Zn, Fe hoặc In Tiếp cận hướng nghiên cứu trên, chúng tôi sử dụng màng mỏng CdS:Zn đọng vai trò lớp đệm trong pin mặt trời màng mỏng IZO/buffer/ CuInS2/Me

Màng mỏng CdS không pha tạp và có pha tạp có thể chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như phún xạ RF , lắng đọng bể hóa học , SILAR [12], bốc bay chân không [13], phun phủ nhiệt phân [14], …Trong số các phương pháp này, phun phủ nhiệt phân là phương pháp triển vọng vì không sử dụng chân không, giá thành thấp, nhiệt độ lắng đọng thấp và có thể

lắng đọng trên nhiều loại đế khác nhau

1.4.1.3 Lớp hấp thụ CZTS

Lớp hấp thụ ánh sáng có chức năng hấp thụ ánh sáng chiếu vào để sinh cập điện tử - lỗ trống Tại đây, các điện tử - lỗ trống sẽ dịch chuyển về các điện cực cửa sổ để tạo ra dòng điện trong pin mặt trời Như vậy lớp hấp thụ ánh sáng tốt nhất phải được làm từ vật liệu hấp thụ được ánh sáng trong vùng

ánh sáng mặt trời có độ rộng vùng cấm 1,35eV Ngoài ra các hạt điện tử - lỗ trống phải di chuyển đến điện cực trước khi bị tái hợp

CZTS ( Đồng kẽm thiếc sulfua ) là một hợp chất bán dẫn bậc bốn đã nhận được sự quan tâm ngày càng tăng kể từ cuối những năm 2000 cho các ứng dụng trong pin mặt trời màng mỏng Mặc dù hiệu suất chuyển đổi năng lượng của CZTS vẫn thấp hơn đáng kể so với CIGS và CdTe; kết quả trong phòng thí nghiệm là 11,0% đối với CZTS và 12,6% đối với CZTSSe vào năm

2019, nhưng CZTS chỉ bao gồm các nguyên tố dồi dào và không độc hại Có nhiều phương pháp chế tạo CZTS như phương pháp đồng bốc bay, phún xạ,

Hình 1.6 Pin mặt trời màng mỏng CZTS cấu trúc đảo

Trong luận văn này, cấu trúc đảo có mô hình như Hình 1.6 được sử dụng Nguyên tắc chung của cấu trúc đảo này: Ánh sáng đến pin mặt trời đi qua đế thủy tinh/ ITO, qua lớp cửa sổ ZnO, tiếp tục qua lớp đệm CdS và đến lớp hấp thụ CZTS Chuyển tiếp p-n được hình thành bởi lớp hấp thụ p- CZTS

và lớp đệm n-CdS

1.4.4 So sánh pin mặt trời màng mỏng CZTS sử dụng lớp cửa sổ màng mỏng ZnO và nano ZnO

Pin mặt trời màng mỏng cho ánh

sáng đi qua nhiều lớp, mỗi lớp sẽ

hấp thụ một phần năng lượng trong

toàn bộ dải sóng (chủ yếu từ 0,5

mặt trời hữu cơ

Pin mặt trời sử dụng cửa sổ màng nano ZnO ở dưới dạng thanh nano hoặc ống nano tạo ra được hiệu ứng bẫy ánh sáng cao, với độ hấp thụ hiệu quả 89% và độ phản xạ hiệu quả 8% trong vùng 400 – 800 nm của quang phổ mặt trời

2 Pin mặt trời màng mỏng CZTS sử dụng lớp cửa sổ nano ZnO được

tổng quan trên cơ sở các kết quả nghiên cứu trước đây

Các thông tin trên đã cho thấy, tiềm năng to lớn và đầy hứa hẹn của công nghệ pin mặt trời màng mỏng CZTS sử dụng lớp cửa sổ nano ZnO

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Mô hình hóa (Modeling) là thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình nhằm các thu nhận thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thực nghiệm trên mô hình Lý thuyết xây dựng mô hình và nghiên cứu mô hình để hiểu biết về đối tượng gốc gọi lý thuyết mô hình hóa

Nếu các quá trình xảy ra trong mô hình đồng nhất (theo các chỉ tiêu định trước) với các quá trình xảy ra trong đối tượng gốc thì người ta nói rằng

mô hình đồng nhất với đối tượng Lúc này người ta có thể tiến hành các thực nghiệm trên mô hình để thu nhận thông tin về đối tượng

Mô phỏng (Simulation, Imitation) là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc xây dựng mô hình số (Numerical model) và dùng phương pháp số (Numerical method) để tìm các lời giải [15] Chính vì vậy máy tính số là công

cụ hữu hiệu và duy nhất để thực hiện việc mô phỏng hệ thống Lý thuyết cũng như thực nghiệm đã chứng minh rằng, chỉ có thể xây dựng được mô hình gần đúng với đối tượng mà thôi, vì trong quá trình mô hình hóa bao 5 giờ cũng phải chấp nhận một số giả thiết nhằm giảm bớt độ phức tạp của mô hình, để

mô hình có thể ứng dụng thuận tiện trong thực tế Mặc dù vậy, mô hình hóa luôn luôn là một phương pháp hữu hiệu để con người nghiên cứu đối tượng, nhận biết các quá trình, các quy luật tự nhiên Đặc biệt, ngày nay với sự trợ giúp đắc lực của khoa học kỹ thuật, nhất là khoa học máy tính và công nghệ thông tin, người ta đã phát triển các phương pháp mô hình hóa cho phép xây dựng các mô hình ngày càng gần với đối tượng nghiên cứu, đồng thời việc thu nhận, lựa chọn, xử lý các thông tin về mô hình rất thuận tiện, nhanh chóng và chính xác Chính vì vậy, mô hình hóa là một phương pháp nghiên cứu khoa

học mà tất cả những người làm khoa học, đặc biệt là các kỹ sư đều phải nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn hoạt động của mình

Em sử dụng phần scaps3306 để hỗ trợ phương pháp mô phỏng cho luận văn của mình

2.2 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

Phương pháp mô phỏng được đề xuất vào những năm 80 của thế kỷ 20,

từ đó đến nay phương pháp mô phỏng đã được nghiên cứu, hoàn thiện, và ứng dụng thành công vào nhiều lĩnh vực khác nhau như lĩnh vực khoa học kỹ thuật, khoa học xã hội, kinh tế, y tế,… Sau đây trình bày một số lĩnh vực mà phương pháp mô phỏng đã được ứng dụng và phát huy được ưu thế của mình

- Phân tích và thiết kế hệ thống sản xuất, lập kế hoạch sản xuất

- Đánh giá phẩn cứng, phần mềm của hệ thống máy tính

- Quản lý và xác định chính sách sự trữ mua sắm vật tư của hệ thống kho vật tư, nguyên liệu Nút cộng + X +_ R E Y K 1 D Y 0 Y Bộ khuếch đại

- Phân tích hệ thống kinh tế, tài chính

Phương pháp mô phỏng được ứng dụng vào các giai đoạn khác nhau của việc

nghiên cứu, thiết kế và vận hành các hệ thống như sau:

+ Phương pháp mô phỏng được ứng dụng vào giai đoạn nghiên cứu, khảo sát hệ thống trước khi tiến hành thiết kế nhằm xác định độ nhạy của

hệ thống đối với sự thay đổi cấu trúc và tham số của hệ thống

+ Phương pháp mô phỏng được ứng dụng vào giai đoạn thiết kế

hệ thống để phân tích và tổng hợp các phương án thiết kế hệ thống, lựa chọn cấu trúc hệ thống thỏa mãn các chỉ tiêu cho trước

+ Phương pháp mô phỏng được ứng dụng vào giai đoạn vận hành

hệ thống để đánh giá khả năng hoạt động, giải bài toán vận hành tối ưu, chẩn đoán các trang thái đặc biệt của hệ thống

2.3 THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG, MÔ HÌNH MỘT CHIỀU VÀ TỔN HAO CỦA PIN MẶT TRỜI

2.3.1 Các thông số đặc trưng của pin mặt trời

Khi chiếu các bức xạ điện từ vào các chất bán dẫn , nếu năng lượng của photon đủ lớn ( lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất , năng lượng này sẽ giúp cho điện tử dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn , do đó làm thay đổi tính chất điện của chất bán dẫn ( độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên

do chiếu sáng)

Hoặc sự chiếu sáng cũng tạo ra các cặp điện tử – lỗ trống cũng làm thay đổi cơ bản tính chất điện của bán dẫn Hiệu ứng này được sử dụng trong các photodiode , phototransitor , pin mặt trời…Các thông số kỹ thuật của pin mặt trời ghi trên nhãn được lấy ra trong điều kiện tiêu chuẩn ứng với nhiệt độ là 25ºC

Hình trên so sánh thông số đầu ra của tấm pin trong các điều kiện chiếu sáng khác nhau

2.3.1.1 Điện áp hở mạch – Open Circuit Voltage ( Voc )

Điện áp hở mạch là hiệu điện thế V cực đại khi được chiếu sáng với thông lượng Φ ; Khi đó R = ∝ ; I = 0

Đây là thông số quan trọng , bởi vì nó là điện áp tối đa mà tấm pin có thể sản xuất trong điều kiện tiêu chuẩn , từ đó bạn có thể xác định được tối đa tấm pin trong 1 dãy bạn có thể kết nối vào kích điện hay điều khiển sạc

2.3.1.2 Dòng điện ngắn mạch – Short Circuit Current ( Isc )

Isc là điện áp ngắn mạch sinh ra khi kết nối đầu âm và dương của tấm pin vào nhau Sử dụng ampe kìm có thể đo được dòng này , đây là dòng điện lớn nhất mà tấm pin có thể sản sinh trong điều kiện tiêu chuẩn

Để xác định dòng điện mà thiết bị kết nối như inverter hay điều khiển sạc cần có , dòng Isc được sử dụng Thông thường hệ số của nó được tính gấp 1,25 lần so với Isc

2.3.1.3 Maximum Power Point ( Pmax ) – Điểm công suất cực đại

Pmax là điểm mà công suất của hệ thống sinh ra cao nhất , tại điểm cong lớn nhất của đồ thị bên trên Khi sử dụng điều khiển sạc hay inverter có MPPT , đây chính là điểm mà MPPT cố gắng giữ để có được công suất tối đa :

Pmax = Impp x Vmpp

2.3.1.4 Hệ số lấp đầy – Fill factor

Hệ số lấp đầy là tỷ số giữa công suất cực đại với Pmax với tích số Voc.Ioc

.

ln 0, 72 1

nk T

 =

n là hệ số lý tưởng của diode

2.3.1.5 Điện áp làm việc tại công suất cực đại –Maximum Power Point Voltage ( Vmpp )

Vmpp là điện áp mà tại đó công suất đầu ra là tốt nhất , điện áp này thông thường có thể nhìn thấy được khi hệ thống pin được kết nối vào MPPT ( như điều khiển sạc MPPT hoặc kích hòa lưới ) trong điều kiện tiêu chuẩn

2.3.1.6 Dòng điện tại công suất cực đại – Maximum Power Point Current ( Impp )

Impp là dòng điện khi công suất đầu ra đạt tốt nhất , nó là cường độ dòng điện thực tế bạn có thể đo khi nó được kết nối vào thiết bị MPPT trong điều kiện chiếu sáng tiêu chuẩn

2.3.1.7 Hiệu suất của tấm pin mặt trời – Module efficiency

Hiệu suất của tấm pin là khả năng chuyển đổi từ bức xạ mặt trời thành điện Được tính bằng tỷ lệ phần trăm giữa năng lượng điện tối đa được tạo ra

so với năng lượng ánh sáng chiếu tới

2.3.1.8 Điện áp tối đa khi kết nối hệ thống – Maximum System Voltage

Dựa vào thông số này đê biết được có thể nối tiếp bao nhiêu tấm pin thành một dãy , đảm bảo an toàn cho toàn hệ thống

2.3.1.9 Lớp ứng dụng A – Application class A

Đây là điều kiện kiểm tra độ an toàn cách điện

2.3.1.10 Dòng tối đa cầu chì – Max series Fuse

Dựa vào thông số này để xác định khi nào cần lắp thêm cầu chì trong một dãy pin , thông thường thì từ 3 dãy pin song song trở lên thì cần có cầu thì tại cuối dãy pin để đảm bảo an toàn , tránh trường hợp 1 dãy bị ngắn mạch , hay chạm đất làm hỏng toàn bộ các dãy khác

2.3.2 Mô hình một chiều pin mặt trời

Để phát triển một mạch tương đương chính xác cho một tế bào quang điện, nó liên quan đến cấu hình vật lý của các phần tử của pin mặt trời cũng như đặc tính điện của từng nguyên tố Theo nguyên tắc này, một số mô hình một chiều của pin mặt trời đã được đề xuất để đại diện cho các tế bào quang điện

Mô hình phân tích phổ biến nhất liên quan đặc tính J-V của một tế bào quang điện là mô hình của một diode Trên thực tế đặc trưng J-V không thể

mô tả bởi biểu thức (2.1) như sau:

qV AkT

dẫn khối, điện trở các tiếp xúc kim loại - bán dẫn và của tiếp xúc kim loại - kim loại Tổng các điện trở này được được biểu diễn bởi điện trở nối tiếp RS

Ngoài ra, cần đặc biệt lưu ý đến sự hiện diện của điện trở ngắn mạch RSH Sự tồn tại của RSH được xác định bởi các tạp chất trong lớp hấp thụ, sự không hoàn hảo của bề mặt cũng như dòng điện rò bề mặt của pin mặt trời Vì vậy trong mạch điện tương đương cần phải mắc thêm vào một điện trở nối tiếp RS và một điện trở song song RSH với tải RL được thể hiện trên Hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời thực khi được chiếu sáng [23b],[24b]

Theo định luật Kirchhoff về cường độ dòng điện:

trên mỗi đơn vị diện tích:

2.3.3 Tổn hao trong pin mặt trời

Khi ánh sáng chiếu vào pin mặt trời thì chỉ một phần nhỏ của năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành năng lượng điện trong các thiết bị quang điện Phần lớn tổn hao năng lượng góp phần tạo ra nhiệt trong các thiết

bị và do đó dẫn đến tăng nhiệt độ, gây ra tác động không thể tránh khỏi đối với hiệu suất của các thiết bị quang điện Do đó, các quá trình tổn hao trong pin mặt trời đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời

2.3.3.1 Tổn hao quang học trong pin mặt trời

Tổn hao quang học trong pin mặt trời chủ yếu ảnh hưởng đến năng lượng từ pin mặt trời bằng cách làm suy giảm sự phát sinh các cặp điện tử - lỗ trống dẫn đến làm suy giảm dòng điện ngắn mạch JSC Các tổn hao quang học bao gồm ánh sáng có thể do ánh sáng bị phản xạ từ phía trước hoặc phía sau

bề mặt, hoặc phản xạ bởi lớp tiếp xúc mặt trước do nó không được hấp thụ trong pin mặt trời Đối với các pin mặt trời bán dẫn phổ biến nhất, toàn bộ phổ khả kiến (350 – 780 nm) có đủ năng lượng để tạo ra các cặp lỗ electron

và do đó tất cả ánh sáng khả kiến sẽ được hấp thụ một cách lý tưởng

Hình 2.2 Biểu diễn sự tổn hao quang học trong pin mặt trời

2.3.3.2 Tổn hao hiệu suất do quá trình tái hợp

Các thông số vật liệu ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời là thời gian sống của hạt tải không cơ bản và độ linh động của chúng Nếu các hạt tải phát sinh trong vùng nghèo có chiều dài khuếch tán không đủ lớn so với kích thước của vùng nghèo sẽ làm suy giảm dòng quang điện hay nói cách khác là hiệu suất của pin Nguyên nhân này có thể gán cho sự tồn tại của các tâm sâu hoặc các khuyết tật mạng tinh thể khác như lệch mạng hoặc phân biên giữa các hạt có mặt trong vật liệu, dẫn đến chiều dài khuếch tán sẽ bị giảm Sự pha tạp nồng độ cao cũng làm giảm chiều dài khuếch tán Lúc này, điện áp hở mạch bị suy giảm do sự gia tăng của độ bão hòa dòng quang điện gây bởi các khuyết tật mạng tinh thể Quá trình tái hợp của các hạt tải ở bề mặt cả mặt trước và mặt sau của pin cũng dẫn đến sự giảm điện áp hở mạch và dòng ngắn mạch Cần lưu ý rằng, quá trình tái hợp của các hạt tải trong vùng nghèo cũng

làm suy giảm hệ số điền đầy FF

2.3.3.3 Tổn hao do điện trở nối tiếp và điện trở song song

Nguồn gốc của điện trở nối tiếp là trở kháng của bán dẫn khối, điện trở tiếp xúc và điện trở hình thành từ tương tác,…vv Điện trở song song hình

thành bởi các khuyết tật mạng tinh thể và dòng rò trên các bề mặt của pin

Như vậy, có thể kết luận rằng, để tăng hiệu suất, điều cần thiết nhất là phải giảm được tổng mất mát của pin

2.4 Cơ chế phát sinh và tái hợp

2.4.1 Quá trình phát sinh của điện tử

Trong các linh kiện bán dẫn luôn xảy ra hai quá trình trái ngược nhau,

đó là quá trình phát sinh hạt tải và quá trình tái hợp hạt tải Ở điều kiện cân bằng nhiệt động, hai quá trình này là cân bằng nhau Quá trình chiếu sáng sẽ phá vỡ điều kiện cân bằng nhiệt động làm sinh ra cặp điện tử và lỗ trống mới dẫn đến nồng độ lỗ trống và điện tử thay đổi Các điện tử chuyển dời qua tải ở mạch ngoài và trở về tái hợp với lỗ trống, kết thúc một chu trình làm việc

Phương trình liên tục mô tả sự thay đổi nồng độ hạt tải bởi các quá trình phát sinh và trình tái hợp hạt tải với sự chênh lệch thông lượng hạt tải Φx

ở tọa độ x với thời điểm t bất kỳ được viết như sau :

R(x) là hệ số tốc độ tái hợp và G op là tốc độ phát sinh hạt tải

Phương trình Poisson không tính đến trường hợp số lượng điện tử tự do hoặc lỗ trống tự do có thể thay đổi và tính chất của vật liệu có thể thay đổi theo tọa độ

Mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống được viết như sau:

fp n

dE

dx dE

μ n và μ p là độ linh động điện tử và độ linh động lỗ trống

Hai biểu thức (2.8) và (2.9) được sử dụng trong chương trình mô phỏng SCAPS để tính toán cho sự thay đổi của tính chất vật liệu để tìm ra cấu trúc tối ưu của pin mặt trời với lớp hấp thụ CZTS

2.4.2 Quá trình tái hợp của điện tử

Sự tái hợp điệ ntử là hiện tượng các điện tử tham gia các phản ứng, quá trình không mong muốntrước khi di chuyển đến điệncực oxide trong suốtdẫn điện đểgóp phần vào dòng điện ởmạch ngoài Sự táihợp điệntử ảnhhưởng quan trọng đến khảnăng sản xuất ra dòng điện cónănglượng hiệudụngcủa pinmặt trời.Trong mọi trường hợp, khi không tồn tại trạng thái cân bằng (với bán dẫn không suy biến n.p ≠ ni2) sẽ xảy ra quá trình tái hợp nhằm đưa trạng thái không cân bằng trở về trạng thái cân bằng

Trong chương trình mô phỏng SCAP-1D, tốc độ tái hợp được xác định

chỉ xét đến quá trình tái hợp vùng - vùng (tái hợp cơ bản hoặc tái hợp trực

tiếp) Trong dạng tái hợp này, một điện tử tự do trực tiếp gặp một lỗ trống và

tái hợp với nhau Thực chất, một điện tử trên vùng dẫn chuyển mức xuống một trạng thái trống ở vùng hoá trị Bán dẫn ta xét là bán dẫn có vùng cấm thẳng nên quá trình tái hợp không đòi hỏi sự tham gia của photon

Xét trường hợp tái hợp vùng - vùng (tái hợp trực tiếp giữa điện tử và lỗ

trống), tốc độ tái hợp tổng cộng tỷ lệ với số điện tử nằm trên vùng dẫn và số

2.5 Tham số đầu vào mô phỏng SCAPS-1D

Phần này trình bày các thông số cơ sở của các lớp chức năng để định hướng cho thiết kế pin mặt trời màng mỏng glass/ITO/ZnO:In/lớp đệm/Cu2ZnSnS4/Me(hình 1.14b)bằng phần mềm SCAPS.Các thông số đầu vào được lựa chọn là các thông số cơ bản nhất, dựa trên các dữ liệu thực nghiệm, các công trình đã công bố, lý thuyết hoặc các trường hợp giả thiết hợp lý (trình bày cụ thể trong chương 3) Trên cơ sở đó, chúng ta nghiên cứu nghiên cứu những đại lượng đặc trưng của pin mặt trời trên cơ sở CZTS thông

qua chương trình mô phỏng một chiều Để từ đó chúng ta đưa ra các phương

án thiết kế, chế tạo tối ưu cho pin mặt trời thực nghiệm

Những thông tin mô phỏng bởi SCAPS gồm:

❖ Đặc tính J-V khi chiếu sáng và chưa chiếu sáng

❖ Đặc tính C-V, C-f

❖ Cấu trúc vùng năng lượng

❖ Hiệu suất chuyển đổi quang điện

❖ Mật độ dòng hạt tải

❖ Thời gian sống của hạt tải

2.5.1 Phân tích các tham số cơ sở

2.5.1.1 Điều kiện môi trường

Yếu tố đầu tiên để chương trình có thể bắt đầu là điều kiện môi trường hoạt động của thiết bị.Một số hành tinh có nguồn năng lượng khổng lồ dưới dạng tia X hoặc sóng radio, tuy nhiên mặt trời có thể tạo ra phần lớn các nguồn năng lượng như là ánh sáng nhìn thấy Tuy nhiên, ánh sáng nhìn thấy chỉ thể hiện ở một đoạn của dải quang phổ phóng xạ Đặc biệt, tia cực tím và tia hồng ngoại cũng là một phần quan trọng của dải quang phổ mặt trời

Dải quang phổ ánh sáng tiêu chuẩn tới bề mặt trái đất là AM1.5G (G là global (toàn cầu) và bao gồm cả phóng xạ trực tiếp và phóng xạ khuếch tán)

và AM1.5D (chỉ gồm phóng xạ trực tiếp) Con số “1.5” là chiều dài ánh sáng truyền trong khí quyển thấp hơn 1.5 lần chiều dài ánh sáng khi mặt trời trên đỉnh đầu Dải quang phổ AM1.5G tiêu chuẩn được coi là 1000W/m2

Trong chương trình mô phỏng này chúng tôi sử dụng phổ chiếu sáng rời rạc AM1.5 Phổ chiếu sáng với bước sóng xét trong khoảng 0,38μm đến 1,24μm với bước nhảy khoảng 0,02μm.Do đặc điểm của pin mặt trờivới lớp

hấp thụCu2ZnSnS4 hiệu năng chỉ đạt giá trị tốt nhất trong khoảng bước sóng

đó Do đó, phổ chiếu sáng với bước sóng trong khoảng 0,38 μm đến 1,24 μm là phù hợp nhất cho pin trên Hình 2.3 mô tả ánh sáng mặt trời tới trái đất và một

số phổ chuẩn

Hình 2.3 a) Ánh sáng mặt trời tới trái đất và b) một số phổ chuẩn

Phổ chiếu sáng rời rạc chuẩn IAM1.5Gđược xác định bởi phương trình:

2.5.1.2 Cấu trúc mô hình

Chương trình mô phỏng SCAPS có thể mở ra hai mô hình phân tích: Mật độ trạng thái và thời gian sống của hạt tải

❖ Mật độ trạng thái (DOS)

Mô hình mật độ trạng thái dùngvới vật liệu có tồn tại trạng thái sai hỏng như vật liệu silicon vô định hình và các sai hỏng tại mặt biên giữa các hạt của vật liệu đa tinh thể.Mặt khác mật độ trạng thái cho phép xác định sự phân bố năng lượng, thiết diện bắt giữ điện tử và lỗ trống.Dựa trên những thông tin này có thể tính toán được các đại lượng quan trọng trong phương trình Poisson

❖ Thời gian sống của hạt tải

Chương trình mô phỏng một chiều SCAPS-1D khảo sát thời gian sống

của điện tử và lỗ trống Trong trạng thái cân bằng nhiệt động, khi chiếu sáng, thời gian sống của điện tử tự do và lỗ trống tự do được xác định là:

Đối với bán dẫn loại p: n

n

n R





= (2.16)

Trong các trạng thái sai hỏng, các trạng thái bắt giữ của lỗ trống và điện

tử thì thời gian sống của điện tử và lỗ trống đặc trưng bằng:

nhất thì mật độ dòng sinh ra sẽ lớn và hiệu năng hoạt động của pin sẽ cao

Như vậy, hệ số phản xạ mặt trước trực tiếp quyết định đến mật độ dòng vàhiệu năng hoạt động của pin.Vấn đề đặt ra ở đây là làm thế nào để giảm hệ

số phản xạ mặt trước Do đặc điểm tính chất của vật liệu nên ta không thể chế tạo vật liệu có hệ số phản xạ rất nhỏ hoặc bằng không Qua các tài liệu nghiên cứu và thực nghiệm, ta thấy hệ số phản xạ khoảng 0,07  0,2 là phù hợp nhất

Khi nghiên cứu các kết quả thực nghiệm sử dụng chương trình mô phỏng thì hệ số phản xạ mặt sau ảnh hưởng không đáng kể đến hiệu suất của pin

2.5.2.2.Sự tái hợp bề mặt

Tái hợp bề mặt là dạng tái hợp xảy ra trên bề mặt, do tính chất quan trọng và tính định xứ của nó nên chúng ta xét riêng Do sự gián đoạn tính tuần hoàn của tinh thể, do các khuyết tật mạng, do các nguyên tử lạ, do sự không bão hoà hoá trị của các nguyên tử, trên bề mặt thường có các tâm định xứ mà năng lượng nằm trên vùng cấm Các tâm định xứ này có nồng độ khá cao trên

bề mặt và có khả năng đóng vai trò tâm tái hợp Vì vậy, tái hợp bề mặt thường xảy ra mạnh hơn trong lòng chất bán dẫn và làm cho nồng độ hạt dẫn dư trên

bề mặt thường thấp hơn trong lòng chất bán dẫn Những thông số sử dụng để

mô tả cho dòng tái hợp mặt này thường là tốc độ tái hợp mặt

2.5.3 Phân tích các đặc trưng của các lớp vật liệu

2.5.3.1 Thông số cơ bản của vật liệu

Bảng 2.1 thể hiện các thông số cơ bản vật liệu theo từng lớp chức năng

của pin mặt trời màng mỏng phải xác định khi chạy chương trình SCAPS-1D