Pin mặt trời dạng màng mỏng pot

2 Viện chuyển hóa năng lượng , Newark, Delaware 19716, Hoa Kì Pin mặt trời dạng màng mỏng là một cách tiếp cận với các hiện tượng quang điện trên trái đất và trong không gian đầy triển v

Ấn phẩm

đặc biệt

TIẾN TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG HIỆN TƯỢNG QUANG

ĐIỆN Prog Photovolt: Res Appl 2004; 12:69–92 (DOI: 10.1002/pip.541)

Pin mặt trời kiểu màng

mỏng Tổng

quan

K L Chopra1, P D.

Paulson2*,y and V Dutta1 ,1) Phòng thí nghiệm quang đien,Trung tâm nghiên cứu năng lượng, Học viện cộng nghệ DeIhi Ấn Độ, Hauz Khas, New Delhi-110 016, Ấn Độ.

2) Viện chuyển hóa năng lượng , Newark, Delaware 19716, Hoa Kì

Pin mặt trời dạng màng mỏng là một cách tiếp cận với các hiện tượng quang điện trên trái đất và trong không gian đầy triển vọng, mang đến sự rộng mở nhiều phương án khác nhau liên qua tới vấn đề thiết kế các thiết bị và sản xuất chúng Các chất nền khác nhau ( dẻo hay cứng,kim loại hay chất cách điện ) có thể dùng tao thành các lớp lắng tụ khác nhau (lớp tiếp xúc, lớp đệm,lớp hấp thụ,lớp phản xạ,…) bằng các kĩ thuật khác nhau (PVD,CVD,ECD , dựa vào plasma, tích hợp,

…) Tính đa năng này cho phép biến đổi và thiết kế các lớp để cải thiện hiệu suất của thiết bị Với những tấm pin diện tích lớn được đòi hỏi phải có những ứng dụng thực tế , việc chế tạo thiết bị kiểu màng mỏng trở nên phức tạp và đỏi hỏi sự điều khiển chính xác trong toàn bộ dây chuyền sản xuất.Sự hiểu biết đúng đắn về các quy trình lắng đọng thành màng mỏng có thể giúp ta có được những tấm pin có hiệu quả trên toàn bộ diện tích của chúng.như đã được chứng minh bằng tính thương mại so với những loại pin khác Nghiên cứu và phát triển các vật liệu và thiết bị mới,lạ,đơn giản , và những quy trình sản xuất sang tạo nhưng dơn giản phải được theo đuổi với thái độ tập trung,chú trọng Loại pin nào và kĩ thuật nào cuối cùng sẽ thành công về tính thương mại còn là phỏng đoán của mọi người,nhưng nó chắc chắn sẽ được xác định bởi tính

70 K L CHOPRA, P D PAULSON AND V

DUTTA

mỗi oát điện mà pin đó tạo ra

Bản quyền thuộc về : công ty trách nhiệm hữu hạn của John Wilney và các con trai ,2004.

Giới thiệu

Kỷ nguyên hiện đại công nghệ các thiết bị điện quang đã đạt mốc 50 năm vào năm 2003 Kể từ khi sự kiện tìm ra pin quang điện (PV= quang điện) dùng một lớp chuyển tiếp p-n silic được công bố năm 1954 ,khoa học và công nghệ về các thiết bị điện quang (pin mặt trời) và các hệ thống quang điện đã trải qua những tiến triển mang tính cách mạng.Ngày nay,pin mặt trời dùng đơn tinh thể silic đã đạt tới hiệu suất 24,7 % , so với giá trị cực đại lý thuyết là 30% Các sản phẩm pin cỡ lớn năm 2002 trên toàn thế giới cung cấp lượng điện trên 500 MWp, bao gồm~ 40% từ pin đơn từ pin đơn tinh thể SIlic, ~51% từ pin đa tinh thể si

và khoảng 8% dựa vào pin mặt trời dùng silic vô định hình Tổng dồn lại,trên toàn thế giới có khoảng 2GW năng lượng pin mặt trời sử dụng vào những ứng dụng khác nhau, sắp xếp từ một vài MW điện rêing lẻ Hay thuộc một mạng điện, cho tới vài MW từ các thiết bị điện công suất thấp.Một số lượng lớn các nước đang phat triển và phát triển bị cuốn hút làm sao tạo ra và khuyến khích nghành công nghiệp PV

Đăc trưng mang tính sống còn của con người là vấn đề về năng lượng,đó là một

sự thật có những minh chứng vô cùng xác đáng Trớ trêu thay,những nước nghèo hay những nước đnag phát triển may mắn có được nguồn nâng lượng mặt trời dồi dào lại có những nguồn năng lượng thông thường khác rất hạn chế,đặc biệt là ở những vùng xa xôi hẻo lánh,họ đang phải tăng cường chuyển hướng sang nguồn năng lượng quang điện để nâng cao chỉ số phát triển của mình Trên khắp thế giới,ngành công nghiệp quang điện non trẻ hiện nay là một ngành công nghiệp tiền tỉ , ta không chút nghi ngại rằng nó được tăng trưởng nhanh lien quan tới vấn đề kinh tế trên đấu trường quốc tế.Tuy nhiên, mức tăng trưởng của

phẩm pin mặt trời dựa vào Silic tiến bộ cực nhanh,và giá của chúng cũng giảm mạnh , giá của các sản phẩm tử ~ $4·2/Wp vào năm 1992 xuống chỉ còn

$1·7/Wp vào năm 2002, thì áp dụng rỗng rãi vào các hộ gia đình vẫn chưa cho thấy lợi ích kinh tế Nói riêng về kĩ thuật đơn tinh thể Silic chẳng hạn,một chỉ

số quan trọng nhất xác định giá của sản phẩm là giá của một chiều dày …250–

300 mm của vi mạch silic dung để sản xuất ra pin mặt trời Nếu lớp vi mạch không mỏng hơn quá nhiều so với trên, và do đó lượng Silic giảm đi một chút,

nó sẽ sử dụng được và quá trình sản xuất sẽ rẻ hơn , đơn giản hơn, tất nhiên bất

kì sự giảm giá nào của pin silic đều lảm tăng lợi nhuận !!

*Correspondence to: P D Paulson, Institute of Energy Conversion, Newark, Delaware 19716, USA.

y E-mail: pd p @ u d e l e du

Vấn đề giá cả quá cao của silic thì đã được nhận ra ngay từ ban đầu Và người ta cũng nhận ra rằng pin mặt rời rẻ hơn được sản xuất chỉ khi những vật liệu rẻ hơn

và nhạy ánh sang kích thích hơn được sử dụng và những kĩ thuật chi phí thấp được tận dụng tối đa Pin mặt trời màng Cu2S mỏng kết hợp màng CdS Dày đầu tiên làm ra dựa trên một kĩ thuật đơn giản lại rẻ có tên “quy trình Clevite”,trong

đó cứ một vài độ dày mm CdS được gửi vào trong một kim loại hoặc được kim loại hóa lớp vỏ nhựa ,sau đó, một vết khắc axit trên màng CdS sẽ tạo ra bằng cách ngâm nó vào đồng clorit trong vài dây để topotaxi hóa chuyển mặt CdS thành mặt Cu2S Pin mặt trời nhỏ gọn hiệu suất đạt 10 % đã từng được công bố

và sản xuất thương mại hóa bởi một vài công ty tại mỹ và pháp.Tuy nhiên, sự tăng nhanh một cách ổn định của hiệu suất các pin dựa trên cơ sở hiểu biết tốt về

kĩ thuật silic ,so với hiệu suất thấp hơn và sự ổn định không bền của pin

Cu…… ,dẫn tới sự tàn lũi sớm của pin Cu…… Dù vậy, cơ sở tổng hợp các nghiên cứu về pin Cu2s…….rất hữu ích cho sự phát triển sau này của pin mặt trời kiểu màng mỏng

Sự kiện tình cờ khám phá ra màng silic vô định hình bị kích thích bởi

hidro(a-Si:H ) đã tạo ra rất nhiều phấn khích trong ngành công nghiệp PV Dựa trên kết quả của một số lượng lớn các nghiên cứu về cơ bản và ứng dụng của rất nhiều nhà khoa học,các kĩ sư , một ngành công nghiệp PV ở mức độ mega oát ,dựa trên màng mỏng … a-Si:H …… đã từng phát triển rất nhanh ở một vài nước Nhưng, sau một vài hoạt động phát triển và sản xuất trong một vài năm, … a-Si:H … đã thất bại khi đối mặt với sức mạnh của silicon kết tinh, phần lớn vì một chút lợi nhuận, hiệu suất lại thấp hơn,tính ổn định tương đối kém hơn so với pin tinh thể silic

Số lượng những vật liệu có khả năng và khả dĩ làm được màng mỏng/dày của pin mặt trời thực sự rất phong phú Một số ứng viên sang giá nhất là dựa trên

… a-Si:H, CdTe và CuInSe2 ……… là đối tượng mà chương trình nghiên cứu

và phản triển R&D cùng những nghiên cứu về công nghệ kĩ thuật hướng tới trong suốt 30 năm qua.Mặc cho những nỗ lực của họ ,loại vật liệu nào cho pin và

kĩ thuật sản xuất nào cuối cùng sẽ thành công trong môi trường cạnh tranh

thương mại vẫn là suy đoán của mọi người xem xét lại về phương diện vật lí,định hướng vật liệu, đặc tính các pin, công nghệ sản xuất và hiệu xuất của TFSC đã được xuất bản ,công bố gần đây Thay vì tập trung vào những ấn phẩm trên, sự suy xét ở đây tìm ra những yếu điểm nổi bật của những thiết bị pin mặt trời kiểu màng mỏng và những công nghệ chế tạo nhằm tạo lên một sự phân tích mang tính so sánh.

TÌNH TRẠNG HIỆN NAY CỦA CÁC KĨ THUẬT QUANG ĐIỆN KHÁC

NHAU

Để cung cấp một cái nhìn kinh tế về công nghệ dòng quang điện, thật hữu dụng khi so sánh chi phí sản xuất với năng lượng nhận được Hình 1 chỉ ra giá trị trung bình của chi phí sản xuất , giá trung bình cho mỗi oát điện đo bằng công suất của sản phẩm, giá trị pin màng mỏng so sánh với giá trị pin loại khác dựa vào số liễu sẵn có trong năm 2001 Đối với đồ thị về giá có một sự giảm nhanh và đều đặn

và người ta mong đợi gía cả cạnh tranh của pin màng mỏng sẽ trở nên ngày càng

có lợi Chi phí sản xuất của pin màng mỏng đã được giảm thiểu xuống chỉ còn 64% so với giá trị 54% giá trị của loại pin khác Rõ rang ,công nghệ pin màng mỏng có lợi thế để sản suất những loại pin giá rẻ hơn ở quy mô lớn

Một vấn đề chuyên môn khác được đề cập vào việc so sánh các công nghệ

PV khác nhau là thời gian hoàn vốn ,ám chỉ số năm để năng lượng sản sinh bởi các thiết bị bằng với lượng năng lượng yêu cầu đối với các thiết bị đó.Hình 2 chỉ ra sự so sánh giữa các loại pin khác nhau và các số liệu so sánh khác cũng được chỉ ra đối với những ứng dụng khác nhau Hình ảnh này đã đưa ra hai

ước lượng cho hai loại pin đa tinh thể để tránh sự không rõ ràng lien quan tới

sự khác nhau giữa các ước lượng năng lượng tiêu hao Ước lượng thấp dựa vào giá trị năng lượng cuối cùng trong quá trình tinh chế silic mà không để cập đến bước kết tinh tinh ban đầu.Trong khi đó ước lượng cao thừa nhận giá trị năng lượng cao cuối cùng của silic đã chứa cả năng lượng kết tinh ban đầu.Đối với mạng lưới điện kết nối trên nóc nhà hay các mảng trên các cánh đồng, công nghệ TFSC được đầu tư tốt hơn rất nhiều.Mặt khác,ước tính đa tinh thể dựa vào giá trị năng lượng thấp hơn được đầu tư rất tốt đối với hệ thống năng lượng mặt trời trong nhà vì sự giá của hệ thống có độ ổn định cao

THIN-FILM SOLAR CELLS 71

HÌNH 1 c h i p h í s ả n x u ấ t v à c ô n g s u ấ t d ự k i ế n c ủ a s ả n p h ẩ m đ ố i v ớ i

p i n m à n g m ỏ n g v à p i n l o ạ i k h á c d ự a t r ê n s ố l i ệ u

c ó s ẵ n c ủ a n ă m 2 0 0 1

Figure 2 Energy payback time for different PV technologies: A multicrystalline Si 1997 low; B multicrystalline Si 1997 high; C thin-film 1997; D multicrystalline Si 2007; E thin-film 2007, for different applications Other system components

are also shown for comparison (data from Reference 13)

72 K L CHOPRA, P D PAULSON AND V

DUTTA

Tại sao lại là vật liệu màng dầy/mỏng ?

Để hiểu rõ giá trị của câu hỏi này,cần thiết phải hiểu màng mỏng là cái gì Như phần đầu tiên của tài liệu trình bày ,một màng mỏng là một vật liệu được tạo ra bằng quá trình tạo mầm và phát triển ngẫu nhiên theo mỗi kiểu riêng biệt là : ngưng tụ/phản ứng nguyên tử/ion/ hay các kiểu phản ứng phân tử trên một chất nền.Các đặc tính lí hóa,cấu trúc,luyện kim của những vật liệu kiểu này phụ thuộc lớn vào số lượng các thành phần các tham số ngưng kết và có thể phụ thuộc cả vào độ dày của chúng Màng mỏng có thể được bao quanh bởi một dãy độ dày khác nhau dáng kể,từ vài nm đến hang chục um , do đó tốt nhất chúng nên được xác định nhờ vào tập hợp các quy trình sinh ra chúng hơn là xác định thông qua chiều dày của chúng Người ta có thể có được một vật liệu mỏng ( không phải màng mỏng ) bằng một số biện pháp (thường gọi là kĩ thuật màng mỏng ) như dát mỏng khối vật lieu,phủ các mảnh vi mô bên ngoài các đám vật liệu giống như quá trình in lụa,: hay bằng quá trình điện chuyển, phun bùn, bình xì

plasma,phương pháp tài mòn,… Một màng dầy có thể thực sự rất mỏng, được giới hạn bởi kích thước của các đám bao quanh nó,và đặc tính của nó có thể rất nhạy với những tham số lắng tụ Vì tính đơn giản hơn,rẻ hơn và số lượng vật liệu

có thể đưa vào cũng như tỉ lệ lắng đọng tương đối lớn hơn, nên kĩ thuật màng dày đáng để quan tâm khi xem xét các các kĩ thuật màng mỏng TFSC khả khi

Dựa vào thuyết nguyên tử, cấu tạo ngẫu nhiên trong hạt nhân và quá trình phát triển của chúng ban tặng những đặc tính mới lạ cho những vật liệu màng mỏng Những đặc tính ấy có thể được kiểm soát và sao chép lại, cung cấp hang loạt các thong số lắng tụ được điểu khiển và kiểm soát từ trước Những người hiểu về những vật liệu dạng màng mỏng mà khộng chút hồ nghi đáng tiếc lại thường kết luận rằng màng mỏng là một “ trạng thái thứ 5 của vật chất “ ( rắn

THIN-FILM SOLAR CELLS 73

,lỏng,khí,plasma,và…màng mỏng !!) – trạng thái ấy đã được đặt tên từ rất sớm trong lịch sử phát triển của công nghệ màng mỏng để chỉ ra đặc tính dễ dàng thay đổi tính chất vật liệu màng mỏng

Những đặc đặc điểm được chỉ ra sau đây của quy trình màng mỏng rất đáng quan tâm đối với công nghệ pin mặt trời :

1 Hàng loạt các kĩ thuật dựa trên các đặc tính lý hóa, điện hóa, plasma và cả các

kĩ thuật lai ghép đều áp dụng được ngay cho quá trình nghưng kết thành các màng mỏng trên cùng một vật liệu

2 Cấu trúc vi mô của các màng trên hầu hết các vật liệu có thể được thay đổi ,từ một vật liệu hoàn toàn vô định hình/tinh thể nano đến có trở nên định hướng cao hoặc mọc kiểu epitaxi, …phụ thuộc vào kĩ thuật ta dùng, các tham số lắng kết và chất nền

3 sự phong phú về hình dạng, kích thước, diện tích và chất nền rất có giá trị

4 Từ điều kiện hòa tan thoải mái và giản đồ pha trạng thái nghỉ ,các kích thích

và hợp kim hóa phù hợp,và cũng có thể trong nhiều trường hợp không phù hợp với vật liệu, sẽ được tạo ra

5 bề mặt và biên của các hạt có thể được tráng một lớp chất nền thích hợp

6 Các loại mối nối điện ,mối nối đơn và mối nối tiếp đôi có thể được tạo ra dễ dàng

7 Phân mức năng lượng vùng cấm , phân mức cấu trúc, phân mức hằng số

mạng ,… có thể tìm được dễ dàng và từ đó tìm ra những đòi hỏi khi thiết kế pin mặt trời

8 Trong trường hợp vật liệu là hỗn hợp , hợp chất thì nhờ đó năng lượng vùng cấm và đặc tính quang điện tử có thể được định mức theo mong muốn của chúng ta

74 K L CHOPRA, P D PAULSON AND V

DUTTA

9 Mặt ngoài và các giao diện có thể được biến đổi để cung cấp các hang rào khuyếch tán trung gian và trường điện bề mặt

10 Các bề mặt có thể được biến đổi nhằm có được mặt phản xạ quangg học/ mặt chuyển tiếp hay hiệu ứng bẫy quang học , lớp mờ và ta mong đợi

11 Sự quá độ của các quá trình đơn nhất của pin mặt trời và sự quá độ của từng loại pin mặt trời riêng biệt có thể được hoàn thiện một cách dễ dàng

12 Ngoài bảo toàn năng lượng và vật liệu, quá trình tấm mỏng rất thân thiện với môi trường và vì vậy nó là các quá trình “xanh”

Nhưng, lưu ý rằng cái gì tốt cũng có cái giá của nó cả ,khả năng biến đổi được rất nhiều các đặc tính của màng mỏng theo yêu cầu nhằm tạo ra được một pin mặt trời hiệu quả đòi hỏi ta hiểu biết thật tốt về vật liệu nảy ,vì vậy nó được sản xuất ra phải cần sự giúp đỡ của hang loạt các phương tiện phân tích và kiểm tra hiện đại Một điều khác cần lưu ý ,đó là đặc tính cực nhạy của màng với các thong số lắng tụ có thể gây ra vô số kết quả không mong muốn; do đó vật liệu màng mỏng phải được xem xét một cách chi tiết và hiểu biết thật thong suốt

Vật liệu PV

Vật liệu quang điện

Thường thì vật liệu quang điện là các chất bán dẫn vô cơ, được kết hợp với các vật liệu khác tạo thành các lớp chuyển tiếp thích hợp và hình thành hiệu ứng quang điện khi đưa ra ánh sáng Nhiều vật liệu bán dẫn có hiệu ứng quang điện nhưng chỉ 1 số ít có hiệu quả kinh tế do chúng phải thỏa mãn điều kiện ràng buộc

về bề dày và rộng Lý tưởng nhất là vật liệu hấp thụ của 1 pin mặt trời hiệu suất cao phải là bán dẫn vùng cấm trực tiếp với độ rộng vùng cấm ~1.5eV với khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời cao (~105/cm), hệ số lượng tử đối với hạt tải bị kích thích cao, chiều dài khuếch tán lớn, vận tốc tái hợp nhỏ, và nên có khả năng tạo thành các lớp tiếp xúc tốt về điện (homo/hetero/Schottky) với các vật liệu tương thích Với độ hấp thụ ánh sáng cao, bề dày tốt nhất của 1 bộ phận hấp thụ của pin mặt trời là bậc của nghịch đảo của hệ số hấp thụ quang học và do đó nó phải là 1 tấm mỏng