Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phun phủ nhiệt phân quay đầu phun và hỗ trợ siêu âm chế tạo các phần tử pin mặt trời họ Cux(In,Zn,Sn)Sy

Để chế tạo pin mặt trời CIS, hiện nay người sử dụng ta nhiều phương pháp công nghệ khác nhau như: phương pháp sol-gel, phương pháp điện hóa, phương pháp phún xạ,… Trong luận án này, tác

8 Pham Phi Hung, Luong Huu Bac, Luu Thi Lan Anh, Nguyen Tuyet

Nga and Tran Thanh Thai, (2014) Structure and Optoelectronical

Properties of Indium Sulfide Thin Films Prepared by Ultrasonic Spray

Pyrolysis (USP), Journal of Science & Technology No.99 p.051-053

9 Phạm Phi Hùng, Lương Hữu Bắc, Trần Minh Ngọc, Lưu Thị Lan

Anh, Nguyễn Tuyết Nga và Võ Thạch Sơn, (2015) Mô phỏng quá

trình phun nhiệt phân hỗ trợ siêu âm bằng phương pháp phần tử hữu

hạn, Journal of Science & Technology (accepted)

BẰNG ĐỘC QUYỀN SÁNG CHẾ

1 Phạm Phi Hùng, Trần Thanh Thái, Lưu Thị Lan Anh và Võ Thạch

Sơn (2015) “Bộ phận điều khiển đầu rung siêu âm quay và hệ phun

phủ nhiệt phân hỗ trợ rung siêu âm quay SUSPD (Spin Ultrasonic

Spray Pyrolysis Deposition) sử dụng bộ phận này” Chấp nhận đơn

hợp lệ, patent pending 1-2015-04798

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Phạm Phi Hùng

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phun phủ nhiệt phân quay đầu phun và hỗ trợ siêu âm chế tạo các phần tử pin mặt trời họ Cux(In,Zn,Sn)Sy

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2016

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS TS Võ Thạch Sơn

2 PGS TS Nguyễn Tuyết Nga

Phản biện 1: PGS.TS Vũ Doãn Miên

Phản biện 2: PGS.TS Mai Anh Tuấn

Phản biện 3: PGS.TS Phạm Đức Thắng

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ

cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1 Son Vo Thach, Michel Jouan, Sang Nguyen Xuan, Thoan Nguyen

Hoang and Pham Phi Hung (2008) Growth and Structure of Zinc Oxide Nanostructured Layer Obtained by Spray Pyrolysis, Springer

prceeding in physics 127 p 171-176

2 Thoan Nguyen Hoang, Son Vo Thach, Michel Jouan, Sang Nguyen

Xuan, and Pham Phi Hung (2008) Influence of Diffent Post-treatments on the Physical Properties of Sprayed Zinc Oxide Thin Films, Springer prceeding in physics 127 p 177-184

3 Lan Anh Luu Thi, Ngoc Minh Le, Duc Hieu Nguyen, Thanh Thai Tran, Phi Hung Pham, Mateus Neto, Ngoc Trung Nguyen and Thach Son

Vo (2012) Effect of seed layer deposited by spray pyrolysis technique

on the nanorod strucrural ZnO film, Proc of the 2012 International

Conference on Green Technology and Sustainable Development p.367-372

4 Tran Thanh Thai, Pham Phi Hung, Vu Thi Bich and Vo Thach Son

(2012) Optical properties of CuInS2 thin films prepared by spray pyrolysis, Communications in Physics Vol 22, p.59-64

5 Hung P.P, Anh L.T.L, Thai T T, Hieu N D, Mateus M.N, Son V T

and Nga N.T (2012) Structural, morphological and optical properties

of ultrasonic spray-pyrolysed Cu 2 ZnSnS 4 thin films, The 6th Vietnam-Korea International Joint Symposium on Advanced Materials and Their Processing - Hanoi, Vietnam

6 Tran Thanh Thai, Nguyen Duc Hieu, Luu Thi Lan Anh, Pham Phi

Hung, Vu Thi Bich and Vo Thach Son, (2013) Fabrication and characteristics of full sprayed ZnO/CdS/CuInS2 solar cells, Journal of

the Korean Physical Society, Vol 61 No 9, p 1494 ~ 1499

7 Phạm Phi Hùng, Vũ Đức Giang, Nguyễn Trung Quân, Nguyễn Tuyết

Nga (2013) Nghiên cứu chế tạo và tính chất của màng hấp thụ

Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) ứng dụng trong pin mặt trời màng mỏng, Tạp chí

Khoa học và Công nghệ No 89, p.69-72

5) Đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc đến thông số của các

các thông tin hữu ích sau đây:

 Hiệu suất giảm nhẹ từ 0,4 đến 0,8 % khi nhiệt độ tăng trong dải từ 25

6) Đã nghiên cứu sự thay đổi thông số của các phần tử PMT chế tạo theo

thời gian sử dụng tại các điểm nhiệt độ làm việc khác nhau Kết quả

nghiên cứu này cho thấy:

đầu hiệu suất chuyển đổi quang điện có dấu hiệu tăng nhẹ và đạt độ ổn

định vào tháng thứ 5 đến tháng thứ 6

mức độ suy giảm nhỏ nhưng thời gian suy giảm kéo dài trong thời gian

chuyển đổi quang điện lớn (đạt mức 0,8 % trong tháng đầu tiên) tuy

nhiên độ ổn định của thông số PMT trong trường hợp này lại sớm đạt

độ ổn định từ tháng thứ 2 trở đi, mức độ suy giảm này nhỏ hơn 0,1 %

7) Đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm thành công pannel PMT

hàng mắc song song, mỗi hàng gồm 7 phần tử PMT mắc nối tiếp Điện

8) Kết quả khảo sát độ đồng đều điện áp hở mạch của các phần tử PMT

trong pannel bằng lựa chọn 08 mẫu ở các vị trí ngẫu nhiên Kết quả

mV Độ lệch lớn nhất của điện áp hở mạch giữa các mẫu ngẫu nhiên

đạt giá trị ~ 4,84 mV (tương đương với độ lệch đạt ~1,2 %) Điều này

cho phép đánh giá độ lặp lại của phương pháp công nghệ chế tạo PMT

là rất cao

MỞ ĐẦU Năm 1888, nhà phát minh người Thụy Điển John Ericsson đã

nhận định: “Sau hơn 2000 năm sinh sống và tồn tại trên trái đất, nhân loại sẽ sớm sử dụng hết những nguồn năng lượng hóa thạch của mình

và con cháu chúng ta sẽ phải đối mặt với tình trạng thiếu hụt năng lượng trầm trọng trong thế kỷ mới Viễn cảnh đen tối này sẽ trở thành hiện thực trừ khi chúng ta tìm ra cách chế ngự và khai thác năng lượng mặt trời…” [138,124] Thật vậy, nhân loại đang bước sang một kỷ

nguyên mới với nhiều khó khăn và thách thức về bài toán năng lượng

cho một quá trình nghiên cứu đầy hy vọng nhưng không ít khó khăn: Nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời

Có thể thấy rằng, hiện nay vấn đề an ninh năng lượng đang là vấn đề cấp thiết trong bối cảnh cả thế giới đứng trước khó khăn tìm kiếm các nguồn năng lượng bền vững, thân thiện môi trường để thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt Trong khi đó, chúng ta đang đánh giá quá thấp sức mạnh của năng lượng Mặt Trời và chưa khai thác được hết nguồn năng lượng vô giá này Trong một cuộc phỏng vấn vào ngày 15 tháng 12 năm 2015, tại hội nghị American Geophysical Union, giám đốc của Space Exploration

Technologies (SpaceX) – Nhà tỷ phú Elon Musk đã nói rằng: “… nếu chúng ta bao phủ một góc của bang Neveda hay Utah bằng các tấm pin năng lượng Mặt Trời, thì cúng ta sẽ có đủ năng lượng để cung cấp cho toàn bộ nước Mỹ ”[139,141]

Theo một công bố mới đây, tập đoàn Land Art Generator Initiative

(USA) đã dự đoán như sau:[137,140,142] “…Tổng năng lượng cần thiết để cung cấp cho cả thế giới vào năm 2030 là 198,721 nghìn tỷ Kwh Nếu như 70% số thời gian trong năm có ánh nắng mặt trời thì với hiệu suất chuyển đổi quang điện của PMT đạt 20%, trái đất sẽ cần

cung cấp tổng lượng điện năng này cho toàn thế giới ”

Hiện nay, các tấm pin mặt trời (PMT) trên thị trường chủ yếu là PMT

được chế tạo trên cơ sở bán dẫn silic (đơn tinh thể, đa tinh thể hoặc màng

mỏng vô định hình) có thể chuyển đổi từ 15% đến 25% năng lượng mặt

trời thành năng lượng điện Tuy nhiên, giá thành của loại PMT này còn

rất cao Vì vậy, hiện nay tồn tại hai vấn đề cần giải quyết:

1) Cần thiết phải nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện

2) Hạ giá thành của sản phẩm

Vì vậy, cùng với xu hướng trên, mục tiêu của luận án này là nghiên

cứu sử dụng các vật liệu rẻ tiền để chế tạo pin mặt trời màng mỏng

nguyên tố rất phổ biến, có giá thành rẻ và thân thiện với môi trường

Để chế tạo pin mặt trời CIS, hiện nay người sử dụng ta nhiều phương

pháp công nghệ khác nhau như: phương pháp sol-gel, phương pháp

điện hóa, phương pháp phún xạ,…

Trong luận án này, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu phát triển phương

pháp phun phủ nhiệt phân, Đây là phương pháp công nghệ có nhiều ưu

điểm nổi bật như: thiết bị công nghệ yêu cầu rất đơn giản, dễ dàng điều

chỉnh các thông số công nghệ để khống chế thành phần mong muốn

cuẩ các lớp bán dẫn, có thể lắng đọng trên diện tích lớn…

Để thực hiện mục tiêu này, chúng tôi đã chọn hướng nghiên cứu:

“Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phun phủ nhiệt phân quay đầu

phun và hỗ trợ siêu âm chế tạo các phần tử pin mặt trời họ

Mục tiêu của luận án:

1) Mô phỏng, tính toán để xác định các thông số công nghệ tối

ưu và đánh giá kết quả lắng đọng màng mỏng bằng phương

pháp USPD

2) Nghiên cứu thiết kế hệ lắng đọng màng mỏng bằng phương

pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm quay SSPD (Spin

Spray Pyrolisis Deposition)

KẾT LUẬN

1) Trong luận án này, tác giả đã sử dụng phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn Ansys 15 để mô phỏng và xác định chế độ công nghệ tối ưu cho phương pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm Từ đánh giá kết quả mô phỏng, tác giả đã đưa ra một giải pháp công nghệ lắng đọng màng mỏng hoàn toàn mới và được gọi là: “Phương pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ rung siêu âm quay SSPD (Spin Spray Pyrolysis Deposition)

2) Lần đầu tiên đưa ra một phương pháp công nghệ mới: Phương pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ rung siêu âm quay SSPD Công nghệ này

đã được cục sở hữu trí tuệ Việt Nam chấp nhận đơn đăng ký bằng độc quyền sáng chế theo quyết định số 2560/QĐ-SHTT ngày 18 tháng 01 năm 2016 (partent pending 1-2015-04798)

3) Khảo sát, đánh giá và so sánh kết quả lắng đọng màng mỏng bằng phương pháp công nghệ SSPD và USPD:

 Phương pháp công nghệ SSPD cho phép lắng đọng màng mỏng có diện tích lớn, đường kính diện tích lắng đọng đạt ~ 4 cm tương đương với

diện tích mà phương pháp USPD có thể lắng đọng

 Phương pháp công nghệ SSPD cho phép lắng đọng màng mỏng CdS

có độ mấp mô bề mặt Rms~6 nm Đây là trị số thấp hơn nhiều so với màng được lắng đọng bằng phương pháp USPD (Rms~11 nm)

 Phương pháp SSPD có thể dễ dàng điều khiển và kiểm soát độ đồng đều của màng mỏng lắng đọng

 Phương pháp công nghệ SSPD đã loại bỏ hoàn toàn hiệu ứng Pinhole

Kết quả này cho phép rút ngắn thời gian chế tạo PMT màng mỏng sử

4) Phương pháp công nghệ SSPD được sử dụng để chế tạo PMT màng

thông số như sau:

Hiệu suất chuyển đổi quang điện η = 2,31 % là cao hơn đáng kể so với hiệu suất đã được công bố trước đó khi sử dụng cùng hệ vật liệu lớp

cho thấy, nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng đến các thông số cơ bản

của PMT-CIS Thông số chịu ảnh hưởng lớn nhất khi nhiệt độ làm việc

thay đổi là điện áp hở mạch Thế hở mạch của PMT-CIS suy giảm từ

song với quá trình suy giảm điện áp hở mạch khi nhiệt độ tăng lên thì

suất chuyển đổi quang điện của PMT-CIS có sự suy giảm rất nhỏ khi

nhiệt độ làm việc tăng lên trong khoảng nhiệt độ khảo sát

5) Đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc đến thông số của

PMT-CIS theo thời gian Thời gian tiến hành cho quá trình nghiên cứu này

là 6 tháng Kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc

trong thời gian kéo dài 6 tháng thể hiện cụ thể như sau:

chuyển đổi quang điện có sự gia tăng trong khoảng thời gian 4 tháng

làm việc Từ tháng thứ 5 đến tháng thứ 6 tại nhiệt độ này hiệu suất

chuyển đổi quang điện của PMT-CIS có sự ổn định xuất hiện mức độ

suy giảm nhỏ đạt 0,03 % ở tháng thứ 5 và 0.01 % ở tháng thứ 6

giảm hiệu suất chuyển đổi quang điện ngay từ tháng đầu tiên, mức độ

suy giảm hiệu suất theo thời gian có sự giảm đều và đến tháng thứ 6

đạt mức độ suy giảm 0,01 %

PMT-CIS có sự suy giảm mạnh ngay trong tháng đầu tiên đạt giá trị 0,8 %,

tuy nhiên tại nhiệt độ này hiệu suất PMT đạt được sự ổn định sớm hơn,

mức độ suy giảm của hiệu suất ngay trong tháng thứ 2 đã giảm xuống

còn 0,1 % và đến tháng thứ 4 trở đi mức độ suy giảm còn 0,01 đến

0,02 %

6) Đã thiết kế và chế tạo thử nghiệm pannel PMT-CIS kích thước 20x30

SSPD, chúng tôi tiến hành chế tạo pannel PMT-CIS với số lượng bao

gồm 42 phần tử PMT-CIS được mắc thành sáu nhánh song song, mỗi

nhánh bao gồm 7 đơn vị PMT-CIS Kết quả khảo sát giá trị điện áp hở

mạch của các mẫu được chọn ngẫu nhiên từ pannel cho giá trị trung

phần tử PMT-CIS được chế tạo cùng điều kiện công nghệ đạt giá trị

~1,15 % Từ kết quả cho thấy, phương pháp công nghệ SSPD chế tạo

PMT có độ lặp lại cao, độ lặp lại có thể đạt gần 99 %

Khảo sát các đặc trưng và các thông số cơ bản của PMT chế tạo Chế tạo thử nghiệm các tấm pannel PMT kích thước

Đối tượng nghiên cứu của luận án:

1) Công nghệ lắng đọng màng mỏng bằng phương pháp USPD

và phương pháp SSPD

4) Pannel PMT trên cơ sở lớp hấp thụ CIS Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu của luận án:

lý thuyết, phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn và các kết quả thực nghiệm của các công trình đã công bố để thiết kế, chế tạo và đưa ra thông số công nghệ tối ưu cho hệ lắng đọng màng mỏng SSPD

nghiệm kết hợp các mô hình tính toán nêu trên để nghiên cứu tính chất của các lớp chức năng, nghiên cứu lắng đọng tổ hợp các màng bán dẫn tạo thành phần tử PMT CIS Khảo sát, đo đạc và xác định tính chất của các mẫu lắng đọng để đánh giá kết quả thu được

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án PMT màng mỏng nói chung là loại linh kiện đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo Để có thể tăng hiệu suất quang điện của loại linh kiện này người ta hướng tới hai xu hướng sau:

1) Tìm ra các vật liệu mới có khả năng chế tạo các PMT hiệu suất cao

2) Tìm ra các phương pháp công nghệ mới để nâng cao hiệu suất của PMT

Luận ỏn đó nghiờn cứu và phỏt triển một phương phỏp cụng nghệ

mới cú tờn gọi: phương phỏp SSPD Đõy là một phương phỏp hoàn

toàn mới và đặc biệt hữu hiệu để lắng đọng cỏc màng chức năng trong

cấu trỳc PMT màng mỏng Việc sử dụng phương phỏp này cho phộp

lắng đọng cỏc cỏc phần tử PMT kich thước lớn, cú khả năng ứng dụng

trong thực tế

Tớnh mới của luận ỏn

Lần đầu tiờn, phương phỏp cụng nghệ lắng đọng màng mỏng trong

PMT được nghiờn cứu, đỏnh giỏ và đoỏn nhận kết quả thụng qua

chương trỡnh mụ phỏng Ansys Fluent Kết quả này giỳp cho quỏ trỡnh

nghiờn cứu được rỳt ngắn và cú thể được sử dụng làm tiền đề cho cỏc

nghiờn cứu tiếp theo

Lần đầu tiờn, phương phỏp cụng nghệ SSPD được đề xuất và sử

dụng để chế tạo PMT màng mỏng đa lớp Đõy là một phương phỏp

cụng nghệ hoàn toàn mới do chớnh tỏc giả nghiờn cứu và phỏt triển

Phương phỏp SSPD đó được cục sở hữu trớ tuệ VN chấp nhận

đơn đăng ký bằng độc quyền sỏng chế theo quyết định số

2560/QĐ-SHTT ngày 18 thỏng 01 năm 2016

Kết cấu của luận ỏn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục cỏc ký hiệu và chữ viết tắt,

danh mục cỏc bảng, danh mục cỏc hỡnh ảnh và hỡnh vẽ, danh mục cỏc

cụng trỡnh đó cụng bố của luận ỏn, phụ lục và tài liệu tham khảo, nội

dung luận ỏn được trỡnh bày trong 4 chương:

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 2: Nghiờn cứu phỏt triển phương phỏp phun phủ

nhiệt phõn hỗ trợ siờu õm quay SSPD (Spin Spray Pyrolysis Deposition)

Chương 3: Lắng đọng cỏc lớp chức năng trong PMT màng

glass/ITO/ZnO/CdS/CuxIn(ZnSn)Sy/Metal bằng phương phỏp SSPD

400 500 600 700 800 900 0

10 20 30 40

Bước sóng nm

CIS40

CIS30

(d)

(b) (c) (a)

CIS40

CIS30

Năng lượng h eV

Hỡnh 3.28 Phổ truyền qua của màng cỏc mẫu CIS25; CIS30; CIS35 và

CIS40

Hỡnh 3.30 Đồ thị quan hệ giữa hệ số hấp thụ  với h của cỏc mẫu CIS25;

CIS30; CIS35 và CIS40

Chương 4: Nghiờn cứu chế tạo và khảo sỏt tớnh chất của PMT

1) Đó nghiờn cứu chế tạo thành cụng PMT màng mỏng đa lớp cấu trỳc

phương phỏp phun nhiệt phõn SSPD

2) Đó nghiờn cứu ảnh hưởng của độ mấp mụ bề mặt lớp ZnO đến phẩm chất của PMT chế tạo được Kết quả nghiờn cứu sự phụ thuộc của độ mấp mụ bề mặt lớp ZnO cho chỳng ta điểm nổi bật dưới đõy:

 Phương phỏp SSPD cho phộp khống chế độ mấp mụ bề mặt màng ZnO thụng qua thụng số cụng nghệ thời gian phun Do đú khi chế tạo PMT-CIS bằng phương phỏp SSPD chỳng ta cú thể kiểm soỏt độ mấp mụ bề mặt của màng ZnO trong cấu trỳc của PMT

 Kết quả nghiờn cứu cho thấy hiệu suất chuyển đổi quang điện của PMT-CIS cú sự phụ thuộc mạnh vào độ mấp mụ bề mặt màng ZnO Hiệu suất PMT-CIS đạt cực đại tại giỏ trị độ mấp mụ bề mặt Rms ~ 20

nm tương đương với thời gian lắng đọng lớp ZnO bằng phương phỏp SSPD là 20 phỳt

3) Đó nghiờn cứu và khảo sỏt thụng số của PMT-CIS lắng đọng theo thụng số cụng nghệ tối ưu, kết quả thu được là hiệu suất chuyển đổi quang điện đạt η=2,31 (%), hệ số lấp đầy FF=33,89 (%), điện ỏp hở

4) Đó nghiờn cứu ảnh hưởng của cỏc đặc trưng PMT vào nhiệt độ làm

3.3 Nghiờn cứu lắng đọng lớp hấp thụ

Cấu trỳc tinh thể

Hỡnh thỏi bề mặt màng

Tớnh chất quang

400 500 600 700 800 900

0

10

20

30

40

50

(c) (d) (b)

Bước sóng nm

(a)

1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 8x10 3

1,1x10 4

1,4x10 4

1,7x10 4

2x10 4

2,3x10 4

2,6x10 4

2,9x10 4

3,2x10 4

3,5x10 4

3,8x10 4

d) c)

b)

Năng lượng h  eV

a)

Hỡnh 3.22 Độ truyền qua của màng CZTS lắng đọng bằng phương phỏp

SSPD tại nhiệt độ T s =350 o C trong thời gian: a)t=25 phỳt; b)t=30 phỳt,

c)t=35 phỳt và d) t=40 phỳt

Hỡnh 3.23 Đồ thị quan hệ giữa hệ số hấp thụ  với h của màng CZTS

lắng đọng bằng phương phỏp SSPD tại nhiệt độ T s =350 o C trong thời gian:

a)t=25 phỳt; b)t=30 phỳt, c)t=35 phỳt và d)t=40 phỳt

Từ đồ thị hỡnh 3.23 chỳng ta cú thể thấy, hệ số hấp thụ của màng

Giỏ trị này tương đương với cỏc cụng bố [53,59,96]

3.3.2 Nghiờn cứu lắng đọng lớp CuInS2 bằng phương phỏp SSPD

3.3.2.3 Khảo sỏt tớnh chất màng CuInS2 lắng đọng bằng …

Hỡnh thỏi bề mặt màng

a) Ảnh hưởng của chiều dày màng

b) Khụng xuất hiệu ứng PhE

Cấu trỳc tinh thể

Tớnh chất quang–điện

Chương 4: Nghiờn cứu chế tạo và khảo sỏt tớnh chất của

Chương 1: TỔNG QUAN

Trong chương này, tổng quan về lịch sử phỏt triển, một số lý thuyết cơ bản nhất về pin mặt trời màng mỏng và cỏc phương phỏp lắng đọng màng mỏng đó được trỡnh bày Một số đặc điểm nổi bật của PMT màng mỏng được trỡnh bày sau đõy:

1) PMT đó phỏt triển qua nhiều thế hệ, lịch sử phỏt triển của PMT đó chỉ ra xu hướng phỏt triển và tiềm năng to lớn của PMT màng mỏng đa lớp

2) Một số kiến thức cơ bản liờn quan đến nguyờn lý hoạt động, chuyển tiếp dị chất và cấu trỳc pin mặt trời màng mỏng đó được đưa ra Đõy là cơ sở quan trọng cho việc thảo luận cỏc kết quả nghiờn cứu của luận ỏn

3) PMT màng mỏng trờn cơ sở cỏc lớp hấp thụ khỏc nhau đó được tổng quan trờn cơ sở cỏc nghiờn cứu trước đõy Một số

Cu-Chalcopyrite và Cu-Kesterite đó được trỡnh bày

4) Tổng quan về một số phương phỏp lắng đọng màng mỏng, đặc biệt là phương phỏp phun phủ nhiệt phõn SPD đó được trỡnh bày về cấu tạo, nguyờn lý hoạt động cũng như ưu và nhược điểm của phương phỏp SPD, đõy chớnh là cơ sở cho cỏc nghiờn cứu phỏt triển phương phỏp lắng đọng màng mỏng sử dụng trong luận ỏn này

Chương 2: Nghiờn cứu phỏt triển phương phỏp phun phủ nhiệt

phõn hỗ trợ siờu õm quay SSPD (Spin Spray Pyrolysis Deposition)

2.1 Xỏc định cỏc thụng số tối ưu của quỏ trỡnh lắng đọng màng

mỏng bằng phương phỏp mụ phỏng phần tử hữu hạn sử dụng

phần mềm Ansys Fluent Ver 15

2.1.2 Triển khai mụ phỏng

2.1.2.1 Xỏc định mụ hỡnh hỡnh học

Hỡnh 2.12 Mụ hỡnh hỡnh học của bài toỏn mụ phỏng quỏ trỡnh phun rung

siờu õm

Hỡnh 2.4 Hỡnh ảnh chia lưới cho đầu phun rung siờu õm, bộ định hướng và

khụng gian phun

Hỡnh 2.10 Kết quả mụ phỏng ở gúc nhỡn 3D

với mẫu CdS40 là 2,45 eV

0 20 40 60 80 100

CdS 400 o

C CdS 380 o

C CdS 360 o

C

Bước sóng nm

2,00 2,05 2,10 2,15 2,20 2,25 2,30 2,35 2,40 2,45 2,50 2,55 2,60 2,65 2,70 0

20 40 60 80 100 120 140

E

Eg~2,42 eV

h eV

2 10 

8 , cm -2 eV

2 CdS 400 o

C CdS 380 o C CdS 360 o C

Hỡnh 3.14 Độ truyền qua của màng CdS lắng đọng bằng phương phỏp

SSPD tại nhiệt độ T s =360 o C; 380 o C và 400 o C

Hỡnh 3.15 Đồ thị quan hệ giữa (h) 2 với h của cỏc mẫu CdS36, CdS38

và CdS40

Cấu trỳc tinh thể Hỡnh thỏi bề mặt Thành phần nguyờn tố Tớnh chất quang – điện

20 30 40 50 60 70 80 90

Bước sóng  nm

a) c)

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030

h eV

2  1

8 , cm -2 eV

a) c) d)

2,52 eV

Hỡnh 3.18 Độ truyền qua của màng In 2 S 3 lắng đọng bằng phương phỏp SSPD tại nhiệt độ a) T s =360 o C, b) Ts=380 o C, c)Ts=400 o C và d) Ts=420 o C Hỡnh 3.19 Đồ thị quan hệ giữa (h) 2 với h của cỏc mẫu a) IS36,

b) IS38, c) IS40 và d) IS42

Kết quả cho thấy, trong điều kiện nhiệt độ lắng đọng thay đổi từ

quả này phự hợp với cụng bố trong cỏc cụng trỡnh đó xuất bản [58,73,36,52]

Hình thái bề mặt

Hình thái bề mặt của các mẫu màng CdS được khảo sát bằng

phương pháp hiển vi lực nguyên tử, kết quả AFM của các mẫu CdS36,

CdS38 và CdS40 thể hiện trên hình 3.13

Hình 3.13 Ảnh AFM của màng CdS lắng đọng bằng phương pháp SSPD tại

nhiệt độ: a)T s =360 o C; b)T s =380 o C và c)T s =400 o C.

Từ hình 3.13 chúng ta có thể nhận thấy, mẫu CdS36 có độ đồng

đều bề mặt cao, tuy nhiên, có thể nhận thấy đường biên hạt thể hiện

trên ảnh AFM không sắc nét chứng tỏ trạng thái hạt trên bề mặt của

màng chưa ổn định Điều này cũng phù hợp với kết quả khảo sát cấu

trúc tinh thể của màng bằng XRD Mẫu CdS38 có sự đồng đều kích cỡ

có những hạt lớn nhô cao hơn bề mặt màng Kết hợp với kết quả phân

tích phổ nhiễu xạ tia X, chúng tôi cho rằng đây chính là sự xuất hiện

quang điện của màng CdS chế tạo được Như vậy về hình thái bề mặt

của màng, mẫu CdS38 là mẫu có độ ổn định và độ đồng nhất cao hơn

Tính chất quang – điện

Độ truyền qua trung bình trong dải bước sóng từ 500 đến 800

nm của các mẫu CdS36 và CdS38 đạt ~77% Đối với mẫu CdS40, có

hiện tượng bờ hấp thụ dịch chuyền về vùng bước sóng lớn hơn Chúng

mẫu chế tạo ở nhiệt độ cao Kết quả này thể hiện rõ khi quan sát mối

Hình 2.15 Kết quả tối ưu hóa thông số quá trình phun Hình 2.16 Kết quả mô phỏng phun nhiệt phân kết hợp với quay đầu phun

2.2 Thiết kế và chế tạo hệ lắng đọng màng mỏng phun nhiệt phân hỗ trợ rung siêu âm quay (SSPD)

2.2.1 Thiết kế và chế tạo hệ SSPD 2.2.2 Các thông số công nghệ của hệ SSPD 2.2.2.1 Nhiệt độ đế

2.2.2.2 Tiền chất ban đầu 2.2.2.3 Tốc độ quay 2.2.2.4 Khoảng cách đầu phun đến đế 2.3 Khảo sát hệ lắng đọng màng mỏng SSPD 2.3.1 Hiệu ứng Pinhole

Màng mỏng có chiều dày lớn hơn 1 m lắng đọng bằng phương pháp SSPD chúng tôi hoàn toàn ko quan sát thấy hiện tượng xuất hiện hiệu ứng PhE trên bề mặt màng

2.3.2 Diện tích lắng đọng màng

2.3.2.1 Hình thái bề mặt

Hình 2.30 là ảnh 3D bề mặt của màng CdS-U và CdS-S, có thể nhận thấy mẫu CdS lắng đọng bằng phương pháp SSPD cho chúng ta

độ đồng đều cao hơn, các tinh thể CdS kết tinh và tập hợp thành các hạt có kích thước đều nhau

Hỡnh 2.30 Ảnh AFM của mẫu: a) CdS-U và b) CdS-S

Hỡnh 2.31 Xỏc định độ mấp mụ bề mặt RMS của mẫu a) CdS-U, b) CdS-S

Độ mấp mụ bề mặt (RMS) là đại lượng đặc trưng cho mức độ

phẳng của bề mặt màng Hỡnh 2.31 cho chỳng ta kết quả độ mấp mụ

bề mặt xỏc định theo đường chộo của diện tớch ảnh, theo đường cắt này

chỳng ta thu được đường cắt (section) cho phộp xỏc định độ mấp mụ

bề mặt của mẫu theo đường cắt này Kết quả xỏc định độ mấp mụ bề

mặt của mẫu CdS-U và CdS-S lần lượt bằng 11 nm và 6,38 nm Kết

quả này cho ta thấy rừ mức độ bằng phẳng của màng lắng đọng bằng

phương phỏp SSPD cao hơn so với màng lắng đọng bằng phương phỏp

USPD

2.3.2.2 Độ truyền qua

Hỡnh 2.32 là kết quả xỏc định phổ truyền qua của màng CdS-U

và màng CdS-S Chỳng ta nhận thấy độ truyền qua của màng mỏng

CdS lắng đọng bằng phương phỏp SSPD tốt hơn so với màng mỏng

Dựa vào số liệu của phổ truyền qua trờn hỡnh 3.4 kết hợp với

này cũng được H Belkhalfa [46] và A Zaier [73] đó cụng bố 3.2 Nghiờn cứu lắng đọng lớp đệm

3.2.1.2 Lắng đọng màng CdS 3.2.2.1 Khảo sỏt thời gian lắng đọng màng CdS 3.2.2.2 Khảo sỏt sự ảnh hưởng của nhiệt độ lắng đọng màng CdS Cấu trỳc tinh thể

Hỡnh 3.12 trỡnh bày giản đồ nhiễu xạ tia X của màng CdS lắng

Từ giản đồ XRD trong hỡnh 3.12, ta nhận thấy cỏc mẫu CdS kết tinh với cấu trỳc sỏu phương (thẻ PDF 06-314) cỏc vạch nhiễu xạ tương ứng với cỏc mặt phẳng (100), (002), (101), (102), (110), (103) và (112)

Peroxide) cú cấu trỳc lập phương (thẻ PDF 01-077-2415) và ở nhiệt độ

mặt cấu trỳc pha tinh thể, màng CdS38 là mẫu cú độ kết tinh đơn pha và tốt nhất trong khoảng nhiệt độ khảo sỏt





















c)

b)

Góc nhiễu xạ 2theta, độ

a)





 CdO 2

Hỡnh 3.12 Giản đồ XRD của màng CdS lắng đọng bằng phương phỏp SSPD tại nhiệt độ: a)T s =360 o C; b)T s =380 o C và c)T s =400 o C