Nghiên cứu mô hình và tính chất điện của pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp cửa sổ zno cấu trúc nano

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu mô hình và tính chất điện của pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu trúc nano” là công trình nghiên cứu của tôi sa

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu mô hình và tính chất điện của pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu trúc nano” là công trình nghiên cứu của tôi sau hai năm theo học chương trình cao

học chuyên ngành Vật lý chất rắn tại Trường Đại học Quy Nhơn Các số liệu và tài liệu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn

và tham chiếu đầy đủ.

Quy Nhơn, ngày … tháng … năm 2019

Nguyễn Thị Thúy

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được Luận văn này trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô giáo khoa Vật lý (hiện nay là khoa Khoa học Tự nhiên) và Phòng Đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành Luận văn này

Tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sự kính trọng sâu sắc nhất đến với TS Trần Thanh Thái, Thầy đã trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn GS M Burgelman và các cộng sự thuộc Trường Đại học Gent (Sweden) đã hỗ trợ phần mềm SCAPS-1D và các tài liệu liên quan

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo Phòng Thí nghiệm Phân tích

và Đo lường Vật lý, TS Lưu Thị Lan Anh (ĐHBK Hà Nội) đã trợ giúp thực nghiệm

Mặc dù đã có nhiều cố gắng song luận văn này không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Kính mong Quý thầy cô giáo, các nhà nghiên cứu và những ai quan tâm đến đề tài tiếp tục góp ý để tác giả hoàn thiện hơn về hướng nghiên cứu của mình

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Quy Nhơn, ngày … tháng … năm 2019

Nguyễn Thị Thúy

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài 2

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

5 Phương pháp nghiên cứu 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 5

1.1 Năng lượng mặt trời 5

1.2 Các thế hệ pin mặt trời 7

1.3 Cơ sở vật lý của pin mặt trời 10

1.3.1 Hiệu ứng quang điện 10

1.3.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 12

1.4 Pin mặt trời màng mỏng Cu(In,Al)S2 13

1.4.1 Cấu trúc pin mặt trời Cu(In,Al)S 2 13

1.4.2 Lớp hấp thụ Cu(In,Al)S 2 14

1.4.3 Lớp cửa sổ ZnO 15

1.4.4 Lớp đệm In 2 S 3 20

1.4.5 Điện cực ITO 22

1.5 Pin mặt trời sử dụng lớp hấp thụ cực mỏng (ETA) 22

1.5.1 Giới thiệu chung 22

1.5.2 Nguyên lý pin mặt trời ETA 22

1.5.3 Hiệu suất lý thuyết tối đa của pin mặt trời ETA 24

1.5.4 Sự phát triển của pin mặt trời ETA 26

Chương 2 LÝ THUYẾT VỀ MÔ PHỎNG SCAPS-1D 30

2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng SCAPS-1D 30

2.2 Mô hình một chiều pin mặt trời 32

2.2.1 Mô hình một chiều pin mặt trời 32

2.2.2 Đặc trưng J-V của pin mặt trời 33

2.2.3 Các đặc tính không lý tưởng trong mô hình 34

2.2.4 Các thông số quang điện đánh giá hoạt động của pin mặt trời 36

2.2.5 Hiệu suất lượng tử 38

2.2.6 Tổn hao trong pin mặt trời 39

2.3 Mô hình toán học và mô hình vật lý của pin mặt trời 41

2.3.1 Mô hình toán học 41

2.3.2 Mô hình vật lý 43

Chương 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI Cu(In,Al)S 2 46

3.1 Lựa chọn cấu trúc 46

3.2 Các thông số đầu vào cho mô phỏng SCAPS 47

3.3 Mô phỏng hoạt động của pin mặt trời 50

3.3.1 Ảnh hưởng của chiều dày các lớp chức năng 50

3.3.2 Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp của các lớp chức năng 58

3.4 Đánh giá hiệu năng pin mặt trời CIAS sử dụng lớp cửa sổ nano ZnO 63

3.4.1 Chế tạo thử nghiệm pin mặt trời CIAS sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu trúc thanh nano 63

3.4.2 So sánh pin mặt trời CIAS sử dụng lớp cửa sổ ZnO màng mỏng và

ZnO cấu trúc thanh nano 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

 Absorption coefficient Hệ số hấp thụ

 Conversion efficiency of the

solar cell

Hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời

n Capture cross section electrons Tiết diện bắt giữ điện tử

p Capture cross section holes Tiết diện bắt giữ lỗ trống

µn Electron mobility Độ linh động điện tử

AC Solar cell surface area Diện tích bề mặt pin mặt trời

Dn

Diffusion coefficient for

Dp Diffusion coefficient for holes Hệ số khuếch tán của lỗ trống

E Incoming radiation intensity Cường độ bức xạ tới

e Electron Điện tử

EC Conduction band energy Năng lượng vùng dẫn

EFn Quasi-Fermi level for electron Mức Quasi-Fermi của điện tử

EFp Quasi-Fermi level for hole Mức Quasi-Fermi của lỗ trống

Eg Optical band gap energy Độ rộng vùng cấm quang

EV Valence band energy Năng lượng đỉnh vùng hoá trị

Jn Mobility of electrons Mật độ dòng của điện tử

JS Reverse saturation current Mật độ dòng bảo hòa ngược

JSC Short circuit current density Mật độ dòng ngắn mạch

jth,n Particle current Mật độ dòng hạt chất bán dẫn

LC The carrier collection length Chiều dài tập hợp các hạt tải

LD Diffusion length Chiều dài khuếch tán

n Electron concentrations Nồng độ electron

neq Concentrations electrons at the

contact in equilibrium

Nồng độ electron tại tiếp xúc p-n ở trạng thái cân bằng

NS Interface-defects concentration Nồng độ khuyết tật bề mặt

Nt Bulk-defects concentration Nồng độ khuyết tật khối

RS Serial resistance Điện trở nối tiếp

Un Net recombination Tốc độ tái tổ hợp

Up Generation rate Tốc độ phát sinh

V Voltage Điện áp

Vbi Built-in voltage Điện áp tiếp xúc ngoài

Vmax

Voltage at maximum power

VOC Open circuit voltage Điện áp hở mạch

vth,n Thermal velocity of electrons Vận tốc chuyển động nhiệt của

điện tử

vth,p Thermal velocity of holes Vận tốc chuyển động nhiệt của

lỗ trống

W Absorber layer thickness Chiều dày lớp hấp thụ

ΔEC Conduction band discontinuity Năng lượng gián đoạn vùng dẫn

λex Excitation wavelength Bước sóng kích thích

2 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AM1.5 Air Mass 1.5 Ánh sáng ở điều kiện tiêu

Deposition Lắng đọng hoá học pha hơi

DAP Donor-Acceptor pair Cặp donor – aceptor

EQE External Quantum

Efficiency Hiệu suất lượng tử bên ngoài

ESD Electro Static Deposition Lắng đọng tĩnh điện

ETA Extremely Thin Absorber Lớp hấp thụ có chiều dày rất

Deposition phần

ILGAR Ion Layer Gas Reaction Phản ứng pha khí lớp ion

ITO Tin Oxide doped-Indium Ôxit thiếc pha tạp indi

J-V Current - Voltage Mật độ dòng - Điện áp

NLTT Renewable energy Năng lượng tái tạo

NREL National Renewable

Energy Laboratory

Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia

PV Photovoltaic Effect Hiệu ứng quang điện

QE Quantum Efficiency Hiệu suất lượng tử

SCAPS-1D Solar Cell Capacitance

Simulator in 1 Dimention

Mô phỏng một chiều pin mặt trời

SPD Spray Pyolysis Deposition Phun phủ nhiệt phân

USP Ultrasonic Spray Pyolysis Phun phủ nhiệt phân hỗ trợ

siêu âm

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các số liệu khảo sát cường độ bức xạ mặt trời tại Việt

Bảng 1.2 Một số tính chất vật lý của vật liệu ZnO 17 Bảng 1.3 Các thông số quang điện của pin mặt trời CIAS chế

tạo bằng phương pháp phun phủ nhiệt phân toàn phần

Bảng 2.1 Các thông số đặc trưng đầu ra của pin mặt trời 39

Bảng 3.2 Các thông số quang điện của pin mặt trời CIAS mô

phỏng bằng SCAPS-1D khi chiều dày lớp cửa sổ nano

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

bằng SCAPS-1D khi chiều dày lớp đệm In2S3 thay đổi 55 Bảng 3.4 Các thông số quang điện của pin mặt trời mô phỏng bằng

SCAPS-1D khi chiều dày lớp hấp thụ δCIAS thay đổi 57 Bảng 3.5 Các thông số quang điện của pin mặt trời CIAS mô

phỏng bằng SCAPS-1D khi nồng độ pha tạp NA của

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

bằng SCAPS-1D khi nồng độ pha tạp ND của lớp đệm

Bảng 3.7 Các thông số quang điện của pin mặt trời mô phỏng

bằng SCAPS-1D khi nồng độ pha tạp ND của lớp cửa

Bảng 3.8 Một số thông số cấu trúc được chọn từ mô phỏng

Bảng 3.9 So sánh thông số quang điện của PMT cấu trúc nano

CEL-TN_ 01 và PMT cấu trúc phẳng CEL-TK_01 70 Bảng 3.10 Thống kê một số kết quả nghiên cứu về pin mặt trời

CuInS2 và Cu(In,Al)S2 chế tạo bằng phương pháp SPD

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hình

Hình 1.1 Công suất năng lượng tái tạo dự kiến trong năm

Hình 1.3 Sự phát triển của các thế hệ pin mặt trời và hiệu suất

Hình 1.4 Cấu trúc của một thiết bị quang điện điển hình 12

Hình 1.6 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 13 Hình 1.7 Pin mặt trời màng mỏng CIAS: a) Cấu trúc đảo b) Cấu

Hình 1.8 Cấu trúc chalcopyrite của Cu(In,Al)S2 theo quy luật

Grimm-Sommerfeld: a) Các cấu trúc Zinc-blende, b)

Hình 1.9 Cấu trúc tinh thể của ZnO ở ba dạng: (a) Rocksalt, (b)

Zinc-blende và (c) Wurtzite Hình cầu màu vàng và màu xanh biểu thị lần lượt cho các nguyên tử Zn và O 17

Hình 1.12 Biểu đồ biểu diễn trường tinh thể và spin quỹ đạo chia

vùng hoá trị của ZnO thành 3 vùng con A, B và C, ở

Hình 1.14

(a) Sơ đồ của pin mặt trời ETA và (b) sơ đồ dải của một tế bào chứa chất bán dẫn loại n và p với lớp hấp

Hình 1.15 Sơ đồ dải năng lượng của một pin mặt trời hấp thụ cực

mỏng ở trạng thái cân bằng nhiệt động 26

Hình 2.2 Giản đồ vùng năng lượng, mật độ hạt tải, mật độ dòng

điện và xác suất bắt giữ hạt tải bởi các mức tạp sâu

Hình 2.3 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời thực khi được

Hình 2.4 Đồ thị phụ thuộc ảnh hưởng của các điện trở lên đặc

trưng J-V sáng a) Ảnh hưởng của RS, b) Ảnh hưởng

Hình 2.5 a) Dòng điện ngắn mạch JSC và b) Điện áp hở mạch

Hình 2.6 Đường đặc trưng J-V và các thông số của pin mặt trời 38 Hình 2.7 Phổ hiệu suất lượng tử của pin mặt trời silicon 40 Hình 2.8 Biểu diễn sự tổn hao quang học trong pin mặt trời 41

Hình 3.1 Cấu trúc pin mặt trời cấu trúc đảo:

Hình 3.2 Mô hình mô phỏng SCAPS-1D của pin mặt trời

glass/ITO/nano-ZnO/In2S3/Cu(In,Al)S2/Ag 48 Hình 3.3 Phổ truyền qua của mẫu màng nano ZnO với chiều

dày khác nhau: (a) 150 nm, (b) 250 nm (c) 300 nm và 51

(d) 400 nm (e) 450 nm và (g) 550 nm

Hình 3.4 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng

với các chiều dày khác nhau: (a) 150 nm, (b) 250 nm

Hình 3.5 Đồ thị quan hệ giữa (h)2 và h của các mẫu ZnO

Hình 3.6 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch VOC, (b) mật độ dòng

ngắn mạch JSC, (c) hệ số lấp đầy FF và (d) hiệu suất chuyển đổi η theo chiều dày lớp cửa sổ δZnO 54 Hình 3.7 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch VOC, (b) mật độ dòng

ngắn mạch JSC, (c) hệ số lấp đầy FF và (d) hiệu suất chuyển đổi η theo chiều dày lớp đệm In2S3 56

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

ngắn mạch JSC, (c) hệ số lấp đầy FF và (d) hiệu suất chuyển đổi η theo chiều dày lớp hấp thụ δCIAS 58

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

ngắn mạch JSC, (c) hệ số lấp đầy FF và (d) hiệu suất chuyển đổi η theo NA của lớp hấp thụ CIAS 60 Hình 3.10 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch VOC, (b) mật độ dòng

ngắn mạch JSC, (c) hệ số lấp đầy FF và (d) hiệu suất chuyển đổi η theo ND của lớp đệm In2S3 62 Hình 3.11 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch VOC, (b) mật độ dòng

ngắn mạch JSC, (c) hệ số lấp đầy FF và (d) hiệu suất chuyển đổi η theo ND của lớp cửa sổ ZnO 63

Hình 3.12 Sơ đồ lắng đọng các lớp chức năng trong cấu trúc

PMT glass/ITO/nano-ZnO/In2S3/CIAS/Ag 65 Hình 3.13 Đặc trưng J-V sáng của pin mặt trời chế tạo thử nghiệm

Hình 3.16 Phổ hiệu suất lượng tử bên ngoài (EQE) của mẫu

CEL-TN_01 và mẫu CEL-TK_01 nhận được từ mô

Hình 3.17 Phổ truyền qua của lớp cửa sổ ZnO: (a) ZnO phẳng,

Hình 3.18 Đồ thị quan hệ (h.EQE)2 với h của các mẫu

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, pin mặt trời (PMT) đang nhận được sự quan tâm đặc biệt của các quốc gia để giải quyết nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng trên toàn thế giới và giảm thiểu tới mức tối đa sự gia tăng phát thải khí nhà kính [41], [43] Tại Việt Nam, để tạo điều kiện cho sự phát triển năng lượng tái tạo trong tương lai, ngày 08-01-2019, Thủ tướng Chính phủ đã ký ban hành Quyết định

số 02/2019/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam, trong đó quy định giá mua đối với toàn bộ sản lượng điện

từ các nhà máy điện mặt trời nối lưới là 2.086 đồng/kWh (chưa bao gồm thuế giá trị gia tăng), tương đương 9,35 cent/kWh [40]

Tuy nhiên, pin mặt trời hiện nay tồn tại hai vấn đề cần giải quyết [4]: 1) Cần thiết phải nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện

2) Hạ giá thành của sản phẩm vì giá thành pin mặt trời vẫn còn đắt hơn nhiều so với các nguồn năng lượng truyền thống

Nhiều nghiên cứu về PMT đã diễn ra trên toàn thế giới, trong đó có cả Việt Nam Các nghiên cứu đã đưa ra các hướng sau để có thể giảm giá thành điện mặt trời: khả năng lắng đọng các màng mỏng trên diện tích lớn, khả năng

tự động hóa công nghệ, khả năng tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện,…[37]

Trong đó, hướng nghiên cứu PMT màng mỏng giá rẻ, hiệu suất cao và thân thiện với môi trường không sử dụng công nghệ chân không là một trong các lựa chọn thu hút nhiều nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước Cùng với phương pháp thực nghiệm, việc sử dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng

là một trong các hướng phát triển hiện nay Đặc biệt trong phát triển công nghệ chế tạo pin mặt trời màng mỏng và tiếp cận được với các vấn đề khoa học mới Với phương pháp mô phỏng các khảo sát thực nghiệm có thể thực

hiện dễ dàng trong thời gian ngắn và chi phí thấp hơn so với phương pháp thí nghiệm

Hiện nay, xu hướng phát triển của PMT có thể chia theo 2 hướng chính: i) Phát triển PMT với các vật liệu mới không phải là bán dẫn như polyme, hợp chất hữu cơ hoặc thuốc nhuộm nhạy sáng

ii) Hướng thứ hai là tập trung vào nâng cao của hiệu suất pin màng mỏng với những tiến bộ gần đây trong công nghệ nano Phương pháp phổ biến là ứng dụng các cấu trúc nano như ống nano, thanh nano (NRs), nanocones, nanopillars, nanodomes, dây nano (NWs), chấm lượng tử, các hạt nano, vv… để nâng cao hiệu suất PMT Trong số đó, ứng dụng sợi nano ZnO vào cấu trúc PMT đối xứng tâm (radial junction solar cells) hay thanh nano ZnO (NRs) vào PMT lớp hấp thụ mỏng ETA (pin mặt trời cấu trúc nano) là các hướng phát triển đầy triển vọng

PMT sợi nano ZnO hay PMT thanh nano ZnO (PMT cấu trúc nano) có

ưu điểm hơn PMT truyền thống ở khả năng hấp thụ photon, do có sự xuất hiện của các sợi nano hay thanh nano trên bề mặt đế làm giảm độ phản xạ, tăng khả năng bẫy các photon ánh sáng vào trong lớp hấp thụ Điều này đặc biệt quan trọng, nhất là trong cấu trúc PMT màng mỏng, vì lớp hấp thụ của PMT dạng này chỉ dày chừng vài chục đến hàng trăm nanomet

Chính vì vậy, chúng tôi chọn đề tài Luận văn “Nghiên cứu mô hình hóa và tính chất điện của pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu trúc nano”

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài

Ở nước ngoài:

- Trong vài năm trở lại đây hệ vật liệu Cu-chalcopyrite nói chung và vật

liệu Cu(In,Al)S2 (CIAS) nói riêng là vấn đề đang thu hút sự quan tâm đặc biệt lớn của nhiều nhà khoa học trong công nghệ pin mặt trời màng mỏng, nhằm

thay thế các hệ vật liệu chứa Selen (CISe, CIGSe) có độc tính Có hai nhóm phương pháp chế tạo chính sau: Các phương pháp không sử dụng chân không

và các phương pháp sử dụng chân không

- Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến các tính chất của lớp hấp thụ (chiều dày màng, kích thước hạt, hệ số hấp thụ, các thông số của chuyển tiếp lớp hấp thụ/lớp đệm, khả năng tăng hiệu suất hơn nữa ) và tìm kiếm các hệ vật liệu mới thay thế có thể sử dụng cho pin mặt trời màng mỏng hiệu suất cao và giá thành hạ Sử dụng

mô hình hóa và mô phỏng số để nghiên cứu ảnh hưởng các đặc trưng vật liệu đến hiệu suất của pin mặt trời

Ở trong nước:

Trong những năm gần đây, nghiên cứu và phát triển công nghệ pin mặt trời là một trong những hướng nghiên cứu được ưu tiên hàng đầu Mục tiêu là tìm kiếm các vật liệu mới có tính chất đặc biệt phục vụ cho nghiên cứu phát triển và ứng dụng khoa học kỹ thuật nhằm nắm bắt và theo kịp trình độ nghiên cứu của các nước trong khu vực và thế giới, đặc biệt nhằm tăng hiệu suất và giảm giá thành Các nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực này tập trung chủ yếu tại một số đơn vị nghiên cứu như Viện Hóa học, Viện Khoa học Vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam); Đại học Khoa học tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội); Phòng thí nghiệm Công nghệ nano (Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh); Phòng thí nghiệm Phân tích và Đo lường Vật lý

(Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học bách khoa Hà Nội) Một số kết quả bước đầu

nghiên cứu về các lớp chức năng và pin mặt trời (như pin Si, pin hữu cơ nhạy màu và công nghệ chấm lượng tử ) đã được công bố [1-6], [37]

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn

Nghiên cứu tổng quan về pin mặt trời màng mỏng Cu(In,Al)S2 sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu trúc nano; Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng số

Xây dựng mô hình mô phỏng và tối ưu hóa cấu trúc pin mặt trời glass/ITO/nano-ZnO/In2S3/Cu(In,Al)S2/Me Khảo sát tính chất điện của pin mặt trời.

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Pin mặt trời màng mỏng trên cơ sở lớp hấp thụ mỏng Cu(In,Al)S2 sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu trúc nano

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu mô phỏng pin mặt trời màng mỏng glass/ITO/nano-ZnO/In2S3/Cu(In,Al)S2/Me bằng phần mềm SCAPS-1D Khảo

sát ảnh hưởng các thông số công nghệ (chiều dày, nồng độ pha tạp, hiệu ứng lớp nano ZnO) của các lớp chức năng đến các tính chất điện của pin mặt trời

5 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 từ lý thuyết để lựa chọn thông

số thiết kế pin mặt trời 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 Cu(In,Al)S2 sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu trúc nano

Kết cấu của luận văn

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt, Danh mục các bảng, Danh mục các hình vẽ và đồ thị và Danh mục tài liệu tham khảo, nội dung Luận văn được trình bày trong 3 chương như sau:

Chương 1 Tổng quan về pin mặt trời

Chương 2 Lý thuyết về mô phỏng SCAPS-1D

Chương 3 Mô hình hóa và mô phỏng các thông số hoạt động của pin mặt

trời Cu(In,Al)S2

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI

1.1 Năng lượng mặt trời

Với sự phát triển của nền kinh tế thế giới, nhu cầu ngày càng tăng đối với các nguồn năng lượng đã trở thành một trong những thách thức lớn nhất đối với con người Các nguồn năng lượng truyền thống như nhiên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt trong những năm qua và do đó, xu thế của thế giới bắt đầu tập trung vào các nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) như năng lượng mặt trời (NLMT), năng lượng gió, năng lượng sinh khối, Trong đó, NLMT do có trữ lượng rất lớn và đặc tính thân thiện với môi trường, thường được coi là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất [14]

Hiện nay, xu thế của phát triển NLTT trên toàn cầu đang chuyển dần sang phát triển các công nghệ NLMT có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục, trong đó công nghệ điện mặt trời có vai trò quan trọng nhất

Hình 1.1 Công suất năng lượng tái tạo dự kiến trong năm 2020-2030 tại quốc gia[42].

Các nguyên nhân chính đối với sự phát triển mạnh của các công nghệ NLMT gồm [39]:

(1) Công nghệ ngày càng hoàn thiện, dẫn đến giá NLMT càng ngày càng giảm sâu

(2) Vấn đề an ninh NLMT là nguồn năng lượng địa phương nên không phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, và do đó không phụ thuộc vào các biến đổi chính trị và các tác động khác

(3) Các nguồn năng lượng hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu năng lượng không ngừng tăng

(4) Ô nhiễm môi trường do khai thác sử dụng năng lượng hóa thạch đã đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu trên toàn cầu Việc cắt giảm phát thải, sử dụng các nguồn năng lượng sạch - các nguồn NLTT nói chung và nguồn NLMT nói riêng, vì vậy trở nên cấp bách và càng ngày càng có tính nghĩa vụ đối với các quốc gia

(5) Một nguyên nhân quan trọng khác của sự phát triển mạnh mẽ của NLMT nói riêng và NLTT nói chung là sự quan tâm của các chính phủ trong việc xây dựng, ban hành và thực hiện các chính sách phù hợp

Sự phát triển công nghệ NLMT đã tạo ra một ngành công nghiệp mới gọi là công nghiệp NLMT, tạo ra hàng triệu công ăn việc làm, góp phần phát triển kinh tế - xã hội, bảo vệ môi trường và tăng cường an ninh năng lượng ở nhiều quốc gia trên thế giới

Bảng 1.1 Các số liệu khảo sát cường độ bức xạ mặt trời tại Việt Nam ở

các vùng miền của đất nước [42]

hàng năm

Bức xạ mặt trời (kWh/m 2 /ngày) Xếp loại

1.2 Các thế hệ pin mặt trời

Thế hệ pin mặt trời thứ nhất: Bao gồm pin mặt trời đơn tinh thể và

Pin mặt trời đa tinh thể Silic Đây là loại công nghệ lâu đời nhất và được sử dụng phổ biến nhất do hiệu quả cao (15 - 20%), năm 2010 pin mặt trời thế hệ này chiếm khoảng 80% thị phần thương mại [38] Pin mặt trời thế hệ thứ nhất được sản xuất trên các tấm wafer Mỗi wafer có thể cung cấp năng lượng 2 - 3 watt Các mô-đun NLMT được sử dụng để tăng sức mạnh Lợi ích của công nghệ pin mặt trời này nằm ở hiệu suất tốt do hấp thụ được dãy quang phổ ánh sáng rộng, cũng như độ ổn định cao

Tuy nhiên, khuyết điểm của pin mặt trời thế hệ này là công nghệ chế tạo có giá thành cao sử dụng nhiều năng lượng trong nuôi và cắt wafer Sử dụng nhiều hóa chất độc hại trong quá trình chế tạo

Hình 1.2 Các thế hệ pin mặt trời

Pin mặt trời thế hệ thứ hai: Tập trung vào pin mặt trời màng mỏng

a-Si, pin mặt trời mc-a-Si, pin mặt trời CdTe, pin mặt trời CIS và CIGS Hiệu suất điển hình là 10 - 15% Pin mặt trời tái tạo thường được gọi là pin mặt trời màng mỏng vì khi so sánh với các tế bào dựa trên tinh thể Silicon, chúng được làm từ các lớp vật liệu bán dẫn chỉ dày vài micromet [17] Ưu điểm nổi bậc của pin mặt trời thế hệ thứ hai là giá thành thấp so với pin mặt trời thế hệ thứ nhất, có thể lắng đọng trên các đế dẻo và có trọng lượng nhẹ

Thế hệ thứ 3 Organic

Thế hệ thứ 4 Hybrid-inorganic crystals

Poly

crystal

Single

Amorphous Silicon crystal

CdS

CIGS

CdTe

Small molecule

Polymers

DSSC

Nanocomposite polymer

Tuy nhiên, chúng cũng có khuyết điểm là có hiệu suất chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng thấp hơn, tuổi thọ cũng thấp hơn so với pin mặt trời thế hệ thứ nhất Đồng thời pin mặt trời thế hệ này phải sử dụng một

số vật liệu có độc tính Các vật liệu sử dụng thành công nhất cho pin mặt trời thế hệ thứ hai là Cu(In,Ga)Se2 và CdTe [24], [38], [39]

Pin mặt trời thế hệ thứ ba: Được sử dụng các tế bào pin mặt trời có

hiệu suất Hầu hết các công nghệ trong thế hệ này chưa mang tính thương mại, nhưng có rất nhiều nghiên cứu đang diễn ra trong lĩnh vực này Mục tiêu

là làm cho pin mặt trời thế hệ thứ ba có giá rẻ để sản xuất Thế hệ pin mặt trời thứ ba bao gồm chấm lượng tử, Polyme, Perovskite, tinh thể nano và pin mặt trời nhạy màu Lợi ích của các loại pin mặt trời này là quy trình và công nghệ chế tạo đơn giản, sử dụng ít năng lượng trong quá trình chế tạo, có thể sản xuất các tấm pin mặt trời mỏng, nhẹ với giá thành thấp; đặc biệt riêng pin mặt trời DSSC có khả năng sản xuất điện năng trong điều kiện ánh sáng yếu Đây chính là thế hệ pin mặt trời có ưu thế cạnh tranh lớn nhất với thế hệ pin mặt trời sử dụng wafer Silicon

Khuyết điểm chung của các pin mặt trời thế hệ này là vật liệu sử dụng có năng lượng vùng cấm cao (Eg lớn), hiệu suất chuyển hóa năng lượng thấp, riêng pin polymer còn có hiện tượng giảm hiệu suất theo thời gian sử dụng [40]

Pin mặt trời thế hệ thứ tư: Phát triển từ pin mặt trời thế hệ thứ ba, thế

hệ pin mặt trời lai thứ tư ra đời, kết hợp giữa nano tinh thể bán dẫn vô cơ và polymer dẫn điện tạo thành nano composite polymer [3] Ưu điểm của pin mặt trời thế hệ thứ tư là có kích thước mỏng, nên có thể kết hợp phủ nhiều lớp lên nhau để tạo thành pin hấp thu nhiều dãy sóng ánh sáng khác nhau nhằm tăng hiệu xuất chuyển hóa năng lượng Pin mặt trời thế hệ thứ tư được sản xuất theo quy trình lỏng - tự sắp xếp, áp dụng được các quy trình công nghệ đơn giản như in phun, in lụa giúp giảm giá thành

Khuyết điểm của thế hệ pin này là hiệu suất chuyển hóa năng lượng vẫn còn thấp so với pin mặt trời Silicon trên nền wafer, polymer sử dụng trong pin thế hệ này cũng bị thoái hóa theo thời gian, làm hiệu suất của pin giảm theo thời gian sử dụng

Có thể hình dung bức tranh tổng quát các thế hệ pin mặt trời theo Hình 1.3 của Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia (NREL)

Hình 1.3 Sự phát triển của các thế hệ pin mặt trời và hiệu suất cao nhất

qua các năm (1975- 2020) [41]

1.3 Cơ sở vật lý của pin mặt trời

1.3.1 Hiệu ứng quang điện [43]

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện – lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra

Hình 1.4 Cấu trúc của một thiết bị quang điện điển hình [14].

Hiện tượng: Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ

điện từ có tần số thích hợp (lớn hơn một tần số ngưỡng đặc trưng cho mỗi kim loại), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và chuyển lên vùng dẫn tạo thành các điện tử tự do e- đồng thời để lại các lỗ trống mang điện dương, các hạt mang điện này di chuyển tạo ra dòng điện (gọi là dòng quang điện) Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect), (Hình 1.5) [43]

Hình 1.5 Hiện tượng của hiệu ứng quang điện [43]

Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi hàng rào thế (gọi là công thoát) Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức

xạ điện từ được gọi là quang điện tử Ở một số chất khác, khi được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, thoát

ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn tạo nên hiêu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect) Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn

1.3.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Pin mặt trời (còn gọi là tế bào pin mặt trời) là một linh kiện quang điện

có khả năng chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành dòng điện dựa trên hiệu ứng quang điện Nguyên tắc hoạt động của pin mặt trời có cấu tạo từ hai lớp bán dẫn loại n và loại p ghép với nhau tạo thành chuyển tiếp p-n, được minh họa trên Hình 1.6:

Hình 1.6 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.

Khi chuyển tiếp p-n được chiếu sáng, các photon có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm của lớp hấp thụ được hấp thụ và phát sinh ra các cặp điện tử - lỗ trống mới Dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc nội của chuyển tiếp p-n, các cặp điện tử - lỗ trống bị tách ra; các điện tử di chuyển về phía điện cực n - các lỗ trống di chuyển về phía điện cực p và tạo ra một suất điện

Điện tử: Lỗ trống: Chiều dòng

quang điện

Đèn sáng

động quang điện Dòng quang điện phát sinh là dòng điện trực tiếp và có thể

sử dụng bằng cách chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều hoặc tích trữ để sử dụng về sau [6]

1.4 Pin mặt trời màng mỏng Cu(In,Al)S 2

1.4.1 Cấu trúc pin mặt trời Cu(In,Al)S 2

Pin mặt trời màng mỏng Cu(In,Al)S2 (viết tắt CIAS) là pin mặt trời sử dụng vật liệu Cu(In,Al)S2 làm lớp hấp thụ Pin mặt trời CIAS có 2 loại cấu trúc cơ bản sau:

- Cấu trúc đảo: glass/ITO/ZnO/In2S3/CIAS/Metal (Hình 1.7a)

- Cấu trúc thuận: Metal/ZnO/In2S3/CIAS/ITO/glass (Hình 1.7b)

Hình 1.7 Pin mặt trời màng mỏng CIAS: a) Cấu trúc đảo b) Cấu trúc thuận

Trong luận văn này, cấu trúc đảo có mô hình như Hình 1.7a 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 In2S3 và đến

Đế thủy tinh ITO

Metal

lớp hấp thụ CIAS Chuyển tiếp p-n được hình thành bởi lớp hấp thụ p-CIAS

và lớp đệm n-In2S3

1.4.2 Lớp hấp thụ Cu(In,Al)S 2

Lớp hấp thụ là lớp quan trọng nhất của pin mặt trời màng mỏng Vật liệu CIAS thuộc nhóm hợp chất Cu-chalcopyrite (Hình 1.8b) Cấu trúc của chúng được phát triển từ cấu trúc giả kẽm Zinc-blende (hay sphalerite) (Hình 1.8a), nếu một nửa số nguyên tử Zn được thay thế bởi các nguyên tử Cu và nửa kia thay thế bởi các nguyên tử In và Al trong lúc các nguyên tử S vẫn không đổi tại các vị trí như cấu trúc ban đầu

Hình 1.8 Cấu trúc chalcopyrite của Cu(In,Al)S 2 theo quy luật Grimm-Sommerfeld:

a) Các cấu trúc Zinc-blende, b) chalcopyrite và c) Cu-Au [16], [21]

Vật liệu CIAS đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu rất lớn của các phòng thí nghiệm trên thế giới và các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy triển vọng vô cùng to lớn khi sử dụng vật liệu này làm lớp hấp thụ trong pin mặt trời màng mỏng Vật liệu CIAS có một số ưu điểm nổi bật như sau [20], [22], [32]:

- Độ rộng vùng cấm thẳng và có dải độ rộng vùng cấm rộng từ 1,4 đến

1,7 eV là giá trị lý tưởng để hấp thụ tối ưu phổ mặt trời

- Không chứa các nguyên tố có độc tính

- Pin mặt trời CIAS đã cải thiện đáp ứng xanh, tổn hao hiệu suất thấp tại nhiệt độ làm việc và ổn định dưới bức xạ cao tốt hơn so với các pin mặt trời sử dụng lớp hấp thụ có độ rộng vùng cấm thấp

- Lớp hấp thụ CIAS có thể được chế tạo được bằng nhiều phương pháp khác nhau để có thể hạ thấp giá thành sản phẩm

Các phương pháp chung sử dụng để lắng đọng lớp hấp thụ chalcopyrite được chia làm hai nhóm:

Cu-* Phương pháp chân không: Phương pháp phún xạ và phương pháp

đồng bốc bay Hai nhóm phương pháp trên được đánh giá cao vì chất lượng tốt của màng lắng đọng và cho phép chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao Pin mặt trời Cu(In,Ga)Se2 đạt hiệu suất cao nhất η = 22,6% [19] Phương pháp này phù hợp tốt cho công nghệ pin mặt trời màng mỏng với cấu trúc thuận

* Phương pháp không sử dụng chân không: Phương pháp lắng đọng

tĩnh điện (ESD), phương pháp phun phủ nhiệt phân (SPD), phương pháp phản ứng pha khí lớp ion (ILGAR) Các phương pháp này chế tạo trong môi trường không chân không nên cho phép giảm giá thành của pin mặt trời, trong đó phương pháp SPD được nghiên cứu và phát triển với hiệu suất đạt được với lớp hấp thụ CuInS2 là η = 9,6% [23] Phương pháp này phù hợp tốt cho công nghệ pin mặt trời màng mỏng với cấu trúc đảo

1.4.3 Lớp cửa sổ ZnO

Vật liệu ZnO thuộc nhóm bán dẫn AII-BVI , ZnO là một vật liệu trong

suốt về mặt quang học (tên khoáng sản: kẽmite), với năng lượng vùng cấm trực tiếp 3,37 eV ở 300 K, có 3 dạng cấu trúc: Hexagonal Wurtzite (B4), Zinc-blende (B3), Rocksalt (B1) Trong đó, cấu trúc Hexagonal Wurtzite là cấu trúc bền, ổn định nhiệt nên là cấu trúc phổ biến nhất Ở cấu trúc Wurtzite,

mỗi nguyên tử ôxi liên kết với 4 nguyên tử kẽm và ngược lại Còn 2 dạng cấu trúc Zinc-blende, Rocksalt tồn tại khi chế tạo ở những điều kiện đặc biệt Ví

dụ, ZnO tồn tại ở cấu trúc Zinc-blende khi được lắng đọng trên đế có cấu trúc lập phương và dạng Rocksalt khi lắng đọng ở điều kiện áp suất cao Cấu trúc tinh thể của vật liệu ZnO kiểu (A) Rocksalt, (B) Zinc-blende và (C) Wurtzite biểu diễn trên Hình 1.9

Hình 1.9 Cấu trúc tinh thể của ZnO ở ba dạng (a) Rocksalt, (b) Zinc-blende và (c)

Wurtzite Hình cầu màu vàng và màu xanh biểu thị lần lượt cho các

Wurtzite (C)

Nhóm không gian P63mc

Tính chất điện ở T = 300 K Bán dẫn loại n

Độ rộng vùng cấm, eV 3,4 ( chuyển mức trực tiếp)

Độ linh động Hall của điện tử, cm2/Vs 0,1 ÷ 1

Khối lượng hiệu dụng điện tử 0,26 ÷ 0,3 me

Độ linh động Hall của lỗ trống, cm2/Vs 5 ÷ 50

Các hình thái của nano ZnO

Hình 1.10 Các hình thái của nano ZnO

Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO

Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO được minh hoạ trên Hình 1.11

Hình 1.11 Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO

Vùng Brilliouin của tinh thể ZnO wurtzite có dạng khối lục giác tám mặt Trên Hình 1.11 mô tả cấu trúc vùng năng lượng E(k) của ZnO theo véctơ sóng Từ cấu trúc vùng năng lượng, ta thấy, vùng lục giác brillouin có tính đối xứng đường khá cao, đỉnh vùng hoá trị và đáy vùng dẫn đều xảy ra ở số sóng

k = 0 Do vậy, ZnO là bán dẫn vùng cấm thẳng, độ rộng vùng cấm Eg = 3,37

eV Mười dải đáy (xung quanh -9 eV) tương ứng với các mức 3d của Zn Sáu dải tiếp theo từ -5 eV đến 0 eV tương ứng với trạng thái liên kết 2p của Oxi Hai trạng thái vùng dẫn đầu tiên là do sự định xứ mạnh của Zn và phù hợp với mức 3s của Zn bị trống Ở các vùng dẫn cao hơn gần như trống electron Vùng 2s của Ôxi liên kết với lõi như trạng thái năng lượng, xảy ra xung quanh -20 eV [4]

Hình 1.12 biểu diễn véctơ mật độ trạng thái ở 3 lớp đầu tiên của mặt (0001)-Zn (bên trái) và mặt (000)-O (bên phải) cho các điểm Г, M, K của bề mặt vùng Brillouin 1

Hình 1.12 Biểu đồ biểu diễn trường tinh thể và spin quỹ đạo chia vùng hoá trị

của ZnO thành 3 vùng con A, B và C, ở nhiệt độ 4,2 K

Độ rộng vùng cấm phụ thuộc vào nhiệt độ lên đến 300 K, sự liên hệ này được biểu diễn bởi biểu thức:

Tính chất điện của ZnO

Các nghiên cứu về tính chất điện của màng ZnO đều khẳng định màng

là vật liệu bán dẫn loại n, độ rộng vùng cấm 3,4 eV ở 300 K, có năng lượng liên kết exiton cao  60 meV, có điện trở suất thấp gần tương đương màng ITO (10-4 Ω.cm) khi pha tạp thích hợp Vì vậy, màng ZnO pha tạp đã được mong đợi như là màng dẫn điện trong suốt để thay thế ITO [1]

ZnO tinh khiết là chất cách điện ở nhiệt độ thấp Dưới đáy vùng dẫn tồn tại 2 mức donor cách đáy vùng dẫn lần lượt là 0,05 eV và 0,15 eV Ở

nhiệt độ thường electron không đủ năng lượng để nhảy lên vùng dẫn, vì vậy, ZnO dẫn điện kém ở nhiệt độ phòng Tăng nhiệt độ đến khoảng 200oC -

400oC, các electron nhận được năng lượng nhiệt đủ lớn, để chúng có thể di chuyển lên vùng dẫn, ZnO trở thành chất dẫn điện

Tính chất quang của ZnO

Tính chất quang của ZnO phụ thuộc mạnh vào cấu trúc vùng năng lượng và mạng động lực Nói chung, tính chất quang của ZnO có nguồn gốc

do sự tái hợp các trạng thái kích thích có trong khối Cơ chế này cho phép xử

lý và phân tích phổ thu được từ ZnO và gắn cho nhiều sai hỏng liên quan đến đặc điểm của phổ, cũng như phát xạ cặp Donor – Aceptor (DAP) Sự mở rộng đỉnh từ 1,9 eV đến 2,8 eV liên quan đến một lượng lớn sai hỏng cũng là một tính chất quang phổ biến của ZnO Thông thường ZnO có hai dải phát xạ, dải thứ nhất ở vùng tử ngoại có bước sóng cỡ 380 nm ứng với chuyển mức vùng-vùng Dải thứ hai ở vùng rộng hơn với bước sóng trong vùng nhìn thấy, trải rộng hơn với đỉnh phổ nằm trong khoảng từ 500 ÷ 530 nm Đỉnh này được giải thích là do sự chuyển dịch các các mức cho phép trong vùng cấm sinh ra bởi nút khuyết oxi, các sai hỏng và hình thành các pha khác nhau Độ rộng vùng cấm lớn (Eg ~ 3,3 eV) là một đảm bảo để màng ZnO chế tạo ra cho độ truyền qua tốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy

Hình 1.13 Cấu trúc của pha β-In 2 S 3 [43]

In2S3 đã chọn để thay thế CdS trong pin mặt trời màng mỏng sử dụng chalcopyrite làm vật liệu hấp thụ, do lo ngại về sức khỏe khi sử dụng hóa chất, xử lý và tái chế tế bào Đặc biệt In2S3 dự kiến sẽ có hệ số hấp thụ nhỏ hơn, phù hợp với ứng dụng PV hơn so với CdS Độ rộng vùng cấm In2S3 đã được chứng minh là tương quan với hàm lượng tạp chất, chẳng hạn như đồng hoặc natri; và với hàm lượng oxy, lần lượt, bị ảnh hưởng bởi phương pháp lắng đọng, tiền chất và điều kiện sử dụng Quá trình chuyển đổi quang học đầu tiên của một pha β-In2S3 là quá trình chuyển đổi gián tiếp 2.0 eV Các màng mỏng được cảm nhận trực quan với một màu giữa đỏ và vàng [13]

Tuy nhiên, một lý do lớn khác cho việc sử dụng lớp đệm là chỉ để ngăn chặn sự suy giảm chalcopyrite khi tiếp xúc với không khí hoặc để thiết lập lại các điều kiện bề mặt có lợi sau khi yêu cầu ủ không khí Bên cạnh đó, một lý

do khác là dự đoán nó sẽ mang lại lợi nhuận, đặc biệt là cho thiết kế ETA, là việc giới thiệu hai giao diện (loại n/lớp đệm và lớp đệm/loại p) thay vì chỉ một (loại n/loại p), phụ thuộc vào sự lựa chọn vật liệu sẽ làm tăng năng lượng kích thích tái hợp, thậm chí không ảnh hưởng đến mật độ trạng thái giao diện [9] Tóm lại, vai trò của lớp đệm cũng có thể chỉ đơn giản là một chất tăng cường tạo mầm cho sự lắng đọng chất hấp thụ [13]

Indium Sulfur

1.4.5 Điện cực ITO

Pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp điện cực trong suốt ITO có chiều dày δ ~ 0,5 ÷ 1 μm, công thoát chỉ khoảng 4,5 - 4,8 eV Lớp điện cực ITO là vật liệu có khả năng dẫn điện tốt, độ trong suốt cao, độ ổn định theo thời gian,

có độ truyền qua cao, độ gồ ghề bề mặt thấp, bền với nhiệt độ và có khả năng kết dính với các lớp vật liệu hữu cơ khác được phủ lên nó Có thể lớp điện cực ITO được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như (phún xạ (Magnetron, DC, RF …), bốc bay nhiệt, bốc bay chùm điện tử, sử dụng xung laser, phương pháp CVD, phương pháp nhúng phủ (Dip - Coating) [43]

1.5 Pin mặt trời sử dụng lớp hấp thụ cực mỏng (ETA)

1.5.1 Giới thiệu chung

Một trong những mục tiêu chính của công nghệ pin mặt trời màng mỏng ngày nay là sử dụng ít nguyên liệu bán dẫn bằng cách chế tạo pin mỏng hơn Pin mặt trời mỏng không chỉ tiết kiệm nguyên liệu mà còn thời gian và năng lượng sử dụng chế tạo thấp Các yếu tố trên làm giảm giá thành sản phẩm đáng kể Pin mặt trời sử dụng lớp hấp thụ cực mỏng (The extremely thin absorber layer - ETA) là một loại tế bào quang điện được đề xuất bởi Könenkamp và cộng sự vào đầu những năm 1990 và đã nhận được sự quan tâm đáng kể trong những năm gần đây do tiềm năng sản xuất các thiết bị hiệu suất cao và chi phí thấp, với vật liệu CIGS và CdTe là những chất hấp thụ

được sử dụng đầu tiên [7], [26], [34]

1.5.2 Nguyên lý pin mặt trời ETA

Cấu tạo cơ bản của pin mặt trời ETA bao gồm một lớp cấu trúc nano hoặc vi mô được lắng đọng trên đế thủy tinh dẫn điện, đóng vai trò là lớp cửa

sổ loại n cho tế bào quang điện (Eg < 3 eV), một chất hấp thụ vật liệu loại p (1,1 < Eg < 1,8 eV) được lắng đọng với công nghệ phù hợp trên lớp này và tiếp theo là lớp tiếp xúc mặt sau bằng kim loại (Hình 1.14a) Trong pin mặt

trời ETA, có thể sử dụng một lớp mỏng của vật liệu hấp thụ bán dẫn thuần được kẹp giữa hai lớp vật liệu loại n và vật liệu loại p, theo cách tối đa hóa diện tích bề mặt tiếp xúc và tạo ra chuyển tiếp p-i-n (Hình 1.14b) [10]

Hình 1.14 (a) Sơ đồ của pin mặt trời ETA và (b) sơ đồ dải của một tế bào chứa chất

bán dẫn loại n và p với lớp hấp phụ lý tưởng [10]

Nguyên lý thiết kế của pin mặt trời ETA sử dụng chuyển tiếp p-i-n cho phép làm giảm đáng kể tái hợp xảy trong lớp hấp thụ bởi vì trong cấu hình này, các hạt tải luôn được tạo ra trong vùng lân cận của các lớp loại n và p, tương ứng, trong đó chúng có thể được “bơm” gần ngay lập tức sau khi phát sinh hạt tải và trước khi nó có thể tái hợp lại Trong trường hợp này, các yêu cầu về độ dài khuếch tán các hạt tải được nới lỏng tương phản với trường hợp của các tế bào tiếp giáp p-n thông thường Do đó, các yêu cầu chất lượng cho vật liệu hấp thụ được hạ thấp đáng kể Việc giảm độ dày hấp thụ này cải thiện đáng kể xác suất thu gom, do chiều dài đường vận chuyển ngắn hơn cho các hạt tải bị kích thích Đồng thời, tán xạ tại các giao diện bên trong của cấu trúc

sẽ làm tăng đường quang học qua mẫu và do đó tăng cường sự hấp thụ photon Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng “bẫy ánh sáng” [18] Về nguyên tắc, các pin mặt trời dị thể nhạy sáng mang lại tính linh hoạt cao vì chất hấp thụ ánh sáng và vật liệu vận chuyển điện tích có thể được chọn độc lập để hấp thu được năng lượng mặt trời tối ưu và tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện