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

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

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 kỳcông trình nghiên cứu nào Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được tríchdẫn và tham chiếu đầy đủ.

Quy Nhơn, ngày … tháng … năm 2019

Nguyễn Thị Thúy

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 nhấtđến 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 thuộcTrường Đại học Gent (Sweden) đã hỗ trợ phần mềm SCAPS-1D và các tàiliệu 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 thựcnghiệm

Mặc dù đã có nhiều cố gắng song luận văn này không thể tránh khỏinhững 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 vềhướng nghiên cứu của mình

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Quy Nhơn, ngày … tháng … năm 2019

Nguyễn Thị Thúy

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, pin mặt trời (PMT) đang nhận được sự quan tâm đặc biệt củacác quốc gia để giải quyết nhu cầu năng lượng ngày càng gia tăng trên toànthế 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 trongtương lai, ngày 08-01-2019, Thủ tướng Chính phủ đã ký ban hành Quyết định số02/2019/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tạiViệt Nam, trong đó quy định giá mua đối với toàn bộ sản lượng điện từ các nhàmáy 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 hơnnhiều so với các nguồn năng lượng truyền thống

Nhiều nghiên cứu về PMT đã diễn ra trên toàn thế giới, trong đó có cảViệt Nam Các nghiên cứu đã đưa ra các hướng sau để có thể giảm giá thànhđiện mặt trời: khả năng lắng đọng các màng mỏng trên diện tích lớn, khả năng tựđộng 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 vàthân thiện với môi trường không sử dụng công nghệ chân không là một trongcác lựa chọn thu hút nhiều nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước Cùng vớiphương 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 côngnghệ chế tạo pin mặt trời màng mỏng và tiếp cận được với các vấn đề khoahọc 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 màngmỏng 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 hạtnano, vv… để nâng cao hiệu suất PMT Trong số đó, ứng dụng sợi nano ZnOvào cấu trúc PMT đối xứng tâm (radial junction solar cells) hay thanh nanoZnO (NRs) vào PMT lớp hấp thụ mỏng ETA (pin mặt trời cấu trúc nano) làcác 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 xuấthiện 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 đặcbiệt quan trọng, nhất là trong cấu trúc PMT màng mỏng, vì lớp hấp thụ củaPMT 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

- Trong vài năm trở lại đây hệ vật liệu Cu-chalcopyrite nói chung và vậtliệu Cu(In,Al)S2 (CIAS) nói riêng là vấn đề đang thu hút sự quan tâm đặc biệt lớncủa 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 nhómphương 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 cácthông 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 Sửdụng mô hình hóa và mô phỏng số để nghiên cứu ảnh hưởng các đặc trưng vậtliệu đến hiệu suất của pin mặt trời

Ở trong nước:

Trong những năm gần đây, nghiên cứu và phát triển công nghệ pin mặttrời là một trong những hướng nghiên cứu được ưu tiên hàng đầu Mục tiêu làtìm kiếm các vật liệu mới có tính chất đặc biệt phục vụ cho nghiên cứu pháttriển và ứng dụng khoa học kỹ thuật nhằm nắm bắt và theo kịp trình độ nghiêncứu của các nước trong khu vực và thế giới, đặc biệt nhằm tăng hiệu suất vàgiảm giá thành Các nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực này tập trung chủ yếu tạimột số đơn vị nghiên cứu như Viện Hóa học, Viện Khoa học Vật liệu (ViệnKhoa học và Công nghệ Việt Nam); Đại học Khoa học tự nhiên (Đại họcQuốc 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 côngnghệ 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 dụnglớp 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 trờiglass/ITO/nano-ZnO/In2S3/Cu(In,Al)S2/Me Khảo sát tính chất điện của pinmặt trời.

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Pin mặt trời màng mỏng trên cơ sở lớp hấp thụmỏng 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 mỏngglass/ITO/nano-ZnO/In2S3/Cu(In,Al)S2/Me bằng phần mềm SCAPS-1D Khảo sátảnh hưởng các thông số công nghệ (chiều dày, nồng độ pha tạp, hiệu ứng lớp nanoZnO) 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 bằngphần 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 lựachọn cấu trúc và định hướng cho quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trờimàng 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 liệutham 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

Điện sinh khối Điện gió Điện mặt trời Điện sinh khối Điện gió Điện mặt trời

Nguồn: QHĐ VII điều chỉnh (tính toán dựa trên sản lượng điện dự báo năm 2020/2030

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

Các nguyên nhân chính đối với sự phát triển mạnh của các công nghệ

(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 đãđến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu trên toàn cầu Việc cắtgiảm 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 củaNLMT nói riêng và NLTT nói chung là sự quan tâm của các chính phủ trong việcxây dựng, ban hành và thực hiện các chính sách phù hợp

Sự phát triển công nghệ NLMT đã tạo ra một ngành công nghiệp mớigọi là công nghiệp NLMT, tạo ra hàng triệu công ăn việc làm, góp phần pháttriển kinh tế - xã hội, bảo vệ môi trường và tăng cường an ninh năng lượng ởnhiều 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 (kWh/m 2 /ngày)

Bắc Trung Bộ 1700 - 2000 4,6 - 5,2 TốtTây Nguyên và Nam

2000 - 2600 4,9 - 5,7 Rất tốtTrung Bộ

Việt Nam được đánh giá là có nguồn tài nguyên NLMT vào loại tốt trênthế giới với khoảng 843 triệu MWh/năm theo ước tính của Phòng thí nghiệmNăng lượng tái tạo quốc gia Hoa Kỳ (NREL) Các số liệu ở Bảng 1.1 cho thấyViệt Nam thuộc vùng có bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới, với số giờnắng dao động từ 1600 - 2600 giờ/năm, (trung bình xấp xỉ 5 kWh/m2/ngày),được đánh giá là khu vực có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặcbiệt là tại khu vực miền Trung và miền Nam [41] Đây là nguồn năng lượngsạch và tiềm năng lớn này hoàn toàn có thể tham gia đóng góp vào cân bằngnăng lượng quốc gia

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

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

Nanocomposite Polymers

polymer

CdTe

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 suấtđiển hình là 10 - 15% Pin mặt trời tái tạo thường được gọi là pin mặt trờimàng mỏng vì khi so sánh với các tế bào dựa trên tinh thể Silicon, chúngđược làm từ các lớp vật liệu bán dẫn chỉ dày vài micromet [17] Ưu điểm nổibậc của pin mặt trời thế hệ thứ hai là giá thành thấp so với pin mặt trời thế hệthứ nhất, có thể lắng đọng trên các đế dẻo và có trọng lượng nhẹ

Tuy nhiên, chúng cũng có khuyết điểm là có hiệu suất chuyển đổi nănglượng ánh sáng thành điện năng thấp hơn, tuổi thọ cũng thấp hơn so với pinmặt 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 trờithế 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 thươngmại, 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 trờithứ ba bao gồm chấm lượng tử, Polyme, Perovskite, tinh thể nano và pin mặttrời nhạy màu Lợi ích của các loại pin mặt trời này là quy trình và công nghệchế tạo đơn giản, sử dụng ít năng lượng trong quá trình chế tạo, có thể sảnxuất các tấm pin mặt trời mỏng, nhẹ với giá thành thấp; đặc biệt riêng pin mặttrời DSSC có khả năng sản xuất điện năng trong điều kiện ánh sáng yếu Đâychính là thế hệ pin mặt trời có ưu thế cạnh tranh lớn nhất với thế hệ pin mặttrời sử dụng wafer Silicon

Khuyết điểm chung của các pin mặt trời thế hệ này là vật liệu sử dụng cónăng lượng vùng cấm cao (Eg lớn), hiệu suất chuyển hóa năng lượng thấp, riêngpin 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 vàpolymer dẫn điện tạo thành nano composite polymer [3] Ưu điểm của pinmặt trời thế hệ thứ tư là có kích thước mỏng, nên có thể kết hợp phủ nhiều lớplên nhau để tạo thành pin hấp thu nhiều dãy sóng ánh sáng khác nhau nhằmtăng hiệu xuất chuyển hóa năng lượng Pin mặt trời thế hệ thứ tư được sảnxuất theo quy trình lỏng - tự sắp xếp, áp dụng được các quy trình công nghệđơn giản như in phun, in lụa giúp giảm giá thành

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

Có thể hình dung bức tranh tổng quát các thế hệ pin mặt trời theo Hình1.3 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 cácđiện tử được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạđiện từ Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên hiệu ứngHertz, 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 kimloại), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và chuyển lên vùng dẫntạo 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 quangđiện 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 sốngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏihàng 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

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

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 sửdụng 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)S2

Pin mặt trời màng mỏng Cu(In,Al)S2 (viết tắt CIAS) là pin mặt trời sửdụng vật liệu Cu(In,Al)S2 làm lớp hấp thụ Pin mặt trời CIAS có 2 loại cấutrúc 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)

hν

Metal

Đế thủy tinh ITO ZnO

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 sửdụng Nguyên tắc chung của cấu trúc đảo này: Ánh sáng đến pin mặt trời điqua đế thủy tinh/ITO, qua lớp cửa sổ ZnO, tiếp tục qua lớp đệm In2S3 và đến

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)S2

Lớp hấp thụ là lớp quan trọng nhất của pin mặt trời màng mỏng Vậtliệu CIAS thuộc nhóm hợp chất Cu-chalcopyrite (Hình 1.8b) Cấu trúc củachúng được phát triển từ cấu trúc giả kẽm Zinc-blende (hay sphalerite) (Hình1.8a), nếu một nửa số nguyên tử Zn được thay thế bởi các nguyên tử Cu vànửa kia thay thế bởi các nguyên tử In và Al trong lúc các nguyên tử S vẫnkhông 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 cácphòng thí nghiệm trên thế giới và các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấytriển vọng vô cùng to lớn khi sử dụng vật liệu này làm lớp hấp thụ trong pinmặt 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

Cu-chalcopyrite được chia làm hai nhóm:

* 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 Pinmặt trời Cu(In,Ga)Se2 đạt hiệu suất cao nhất η = 22,6% [19] Phương phápnày 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 phảnứng pha khí lớp ion (ILGAR) Các phương pháp này chế tạo trong môi trườngkhông chân không nên cho phép giảm giá thành của pin mặt trời, trong đóphương pháp SPD được nghiên cứu và phát triển với hiệu suất đạt được vớilớp hấp thụ CuInS2 là η = 9,6% [23] Phương pháp này phù hợp tốt cho côngnghệ 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 trongsuốt về mặt quang học (tên khoáng sản: kẽmite), với năng lượng vùng cấmtrực 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 làcấu 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 cấutrúc 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 trúclập phương và dạng Rocksalt khi lắng đọng ở điều kiện áp suất cao Cấu trúctinh thể của vật liệu ZnO kiểu (A) Rocksalt, (B) Zinc-blende và (C) Wurtzitebiểu diễn trên Hình 1.9

Hình 1.9 Cấu trúc tinh thể của ZnO ở ba dạng (a) Rocksalt, (b) blende và (c) Wurtzite Hình cầu màu vàng và màu xanh biểu thị lần

Zinc-lượt cho các nguyên tử Zn và O [12].

Bảng 1.2 Một số tính chất vật lý của vật liệu ZnO

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

Khối lượng hiệu dụng lỗ trống 0,59 me

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 támmặt Trên Hình 1.11 mô tả cấu trúc vùng năng lượng E(k) của ZnO theo véctơsóng Từ cấu trúc vùng năng lượng, ta thấy, vùng lục giác brillouin có tính đốixứng 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 Sáudải 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 vớimức 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 bềmặt vùng Brillouin 1

C B

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:

E g (T ) = E g (T = 0) 5, 05.10

−4 T2

900 −T

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]

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 dichuyển 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 nănglượng 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 đếnđặc điểm của phổ, cũng như phát xạ cặp Donor – Aceptor (DAP) Sự mở rộngđỉnh từ 1,9 eV đến 2,8 eV liên quan đến một lượng lớn sai hỏng cũng là mộttính chất quang phổ biến của ZnO Thông thường ZnO có hai dải phát xạ, dảithứ 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, trảirộng hơn với đỉnh phổ nằm trong khoảng từ 500 ÷ 530 nm Đỉnh này đượcgiải thích là do sự chuyển dịch các các mức cho phép trong vùng cấm sinh rabởi nút khuyết oxi, các sai hỏng và hình thành các pha khác nhau Độ rộngvùng cấm lớn (Eg ~ 3,3 eV) là một đảm bảo để màng ZnO chế tạo ra cho độtruyền qua tốt trong vùng ánh sáng nhìn thấy

Indium Sulfur

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 dụngchalcopyrite làm vật liệu hấp thụ, do lo ngại về sức khỏe khi sử dụng hóachất, xử lý và tái chế tế bào Đặc biệt In2S3 dự kiến sẽ có hệ số hấp thụ nhỏhơn, phù hợp với ứng dụng PV hơn so với CdS Độ rộng vùng cấm In2S3 đãđược chứng minh là tương quan với hàm lượng tạp chất, chẳng hạn như đồnghoặc natri; và với hàm lượng oxy, lần lượt, bị ảnh hưởng bởi phương pháplắng đọng, tiền chất và điều kiện sử dụng Quá trình chuyển đổi quang họcđầu tiên của một pha β-In2S3 là quá trình chuyển đổi gián tiếp 2.0 eV Cácmàng 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 ngănchặn sự suy giảm chalcopyrite khi tiếp xúc với không khí hoặc để thiết lập lạicác 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, làviệc 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 kíchthích 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]

1.4.5 Điện cực ITO

Pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp điện cực trong suốt ITO có chiềudày δ ~ 0,5 ÷ 1 μm, công thoát chỉ khoảng 4,5 - 4,8 eV Lớp điện cực ITO làm, công thoát chỉ khoảng 4,5 - 4,8 eV Lớp điện cực ITO làvật 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 năngkết dính với các lớp vật liệu hữu cơ khác được phủ lên nó Có thể lớp điện cựcITO 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 xunglaser, 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 màngmỏng ngày nay là sử dụng ít nguyên liệu bán dẫn bằng cách chế tạo pin mỏnghơn Pin mặt trời mỏng không chỉ tiết kiệm nguyên liệu mà còn thời gian vànăng lượng sử dụng chế tạo thấp Các yếu tố trên làm giảm giá thành sảnphẩm đáng kể Pin mặt trời sử dụng lớp hấp thụ cực mỏng (The extremelythin absorber layer - ETA) là một loại tế bào quang điện được đề xuất bởiKönenkamp và cộng sự vào đầu những năm 1990 và đã nhận được sự quantâm đáng kể trong những năm gần đây do tiềm năng sản xuất các thiết bị hiệusuất cao và chi phí thấp, với vật liệu CIGS và CdTe là những chất hấp thụđược 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 nanohoặc 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 vàtiếp 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 thuầnđược kẹp giữa hai lớp vật liệu loại n và vật liệu loại p, theo cách tối đa hóadiện 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 chophép làm giảm đáng kể tái hợp xảy trong lớp hấp thụ bởi vì trong cấu hìnhnày, 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 phátsinh hạt tải và trước khi nó có thể tái hợp lại Trong trường hợp này, các yêucầu về độ dài khuếch tán các hạt tải được nới lỏng tương phản với trường hợpcủa các tế bào tiếp giáp p-n thông thường Do đó, các yêu cầu chất lượng chovật liệu hấp thụ được hạ thấp đáng kể Việc giảm độ dày hấp thụ này cải thiệnđáng kể xác suất thu gom, do chiều dài đường vận chuyển ngắn hơn cho cáchạt 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 thụphoton Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng “bẫy ánh sáng” [18] Về nguyêntắc, các pin mặt trời dị thể nhạy sáng mang lại tính linh hoạt cao vì chất hấpthụ ánh sáng và vật liệu vận chuyển điện tích có thể được chọn độc lập để hấpthu được năng lượng mặt trời tối ưu và tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện

Trong trường hợp pin mặt trời ETA, sử dụng chất hấp thụ là một chấtbán dẫn loại p tốt (ví dụ CuInS2), một mô hình đơn giản hơn có thể được hìnhthành trong đó lỗ trống loại p của vật dẫn điện trong suốt được bỏ qua và thayvào đó, cấu trúc nano xốp được lấp đầy bằng chất hấp thụ loại p Trong cấutrúc này, khoảng cách trung bình từ bên trong lớp hấp thụ đến giao diện vẫnnằm trên thang đo nanomet, và do đó, một trong những tính năng chính củakhái niệm ETA được giữ nguyên Loại pin mặt trời cấu trúc nano này đượcgọi là tế bào dị thể 3D hoặc pin mặt trời ETA hai thành phần bằng cách tương

tự với pin mặt trời ETA ba thành phần (Hình 1.14a)

Cũng như các pin mặt trời thế hệ thứ hai, pin mặt trời ETA cũng giảmthiểu khối lượng vật liệu sử dụng chế tạo, bằng cách sử dụng vật liệu hấp thụ

có hệ số hấp thụ cao (trong luận văn sử dụng vật liệu Cu(In,Al)S2 trình bàytrong mục 1.4) cho phép giảm thiểu độ dày vật liệu

Trong pin mặt trời màng mỏng, độ dày hấp thụ CIS khoảng 2 μm, công thoát chỉ khoảng 4,5 - 4,8 eV Lớp điện cực ITO làm là đủ

để hấp thụ hầu hết ánh sáng tới với năng lượng phía trên Eg Tuy nhiên, pinmặt trời ETA chỉ sử dụng độ dày lớp hấp thụ xuống còn vài trăm nanomethoặc ít hơn Khả năng hấp thụ ánh sáng thấp của một lớp ETA duy nhất được

bù bằng cách sử dụng “bẫy ánh sáng” của ETA sao cho độ dày quang học vẫntương tự như độ dày lớp hấp thụ trong pin mặt trời màng mỏng thông dụng[25] “Bẫy ánh sáng” ETA có thể thực hiện được thông qua việc sử dụng cácvật liệu trong suốt về mặt quang học như TiO2 hoặc ZnO với cấu trúc dâynano hay thanh nano [4], [7], [13], [35]

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

Lớp hấp thụ có độ dày W và năng lượng vùng cấm Eg (giả sử rằng Eg

bằng với điện áp tiếp xúc ngoài Vbi) được kẹp bởi các lớp bán dẫn loại n và pvới năng lượng vùng cấm cao hơn Đường chấm trong Hình 1.15 biểu thị mứcnăng lượng của các trạng tháo khuyết tật trong năng lượng vùng cấm, giúp

tăng cường sự tái hợp của các hạt tải và xác định độ dày lớp hấp thụ W.Chúng tôi giả sử rằng các mức này nằm ở giữa năng lượng vùng cấm, tức là ởmức năng lượng Eg/2 trên cạnh dải hóa trị Chúng tôi cũng xem xét rằng mật

độ của khuyết tật không thay đổi theo vị trí [25]

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

cực mỏng ở trạng thái cân bằng nhiệt động [25].

Trong một tế bào thông thường: (i) Chiều dài tập hợp các hạt tải LC(tổng chiều rộng của lớp suy giảm và chiều dài khuếch tán) trong chất hấp thụphải vượt quá độ dày W của chất hấp thụ; (ii) Trong khi đó W phải gần vớinghịch đảo của hệ số hấp thụ α của chất hấp thụ, nghĩa là gần với độ sâu thâmnhập, do đó LC > α-1

Đối với pin mặt trời ETA, điều kiện (ii) được giảm bớt, vì vậy chúng tacần điều chỉnh kỹ thuật gấp nhiều lần để bù cho sự hấp thụ kém Còn để phùhợp với điều kiện (i) cần giảm mạnh độ dày của chất hấp thụ Đồng thời, việcgiảm độ dày của chất hấp thụ làm giảm tổng lượng giới hạn hạt mà các hạt tảiphải đối mặt [25]

Việc sử dụng số lượng tế bào tối ưu và độ dày hấp thụ tối ưu đòi hỏi độdài khuếch tán rất thấp của LD > 10 nm để đạt hiệu suất trên 15% trong khi độdày hấp thụ CuInS2 tối thiểu W là 15 nm (do đó độ dài khuếch tán LD chỉ cầnđáp ứng LD > ½.W đối với độ dày hấp thụ W) Dưới giá trị này của độ dàyhấp thụ tới hạn, sự tái hợp đường hầm là yếu tố chính làm hạn chế nghiêmtrọng hiệu quả của tế bào [25], [26] Tương tự, điện áp Vbi tích hợp đạt giá trịrất cao (và đạt đến giới hạn q.Vbi ≈ Eg bởi độ rộng vùng cấm năng lượng hấpthụ) có thể không mong muốn ở độ rộng hấp thụ rất thấp, do điện trường rấtcao trên một lớp mỏng hấp thụ và kết quả phát sịnh một hiệu ứng đường hầmđáng kể [25], [26].

Trong trường hợp có thêm khả năng bẫy ánh sáng, không chỉ cần mộtlớp hấp thụ CuInS2 có chiều rộng từ 20 đến 40 nm (mô phỏng được thực hiệnvới giả định mật độ sóng mang hấp thụ ~ 3.1011 cm-3 xác định chiều rộng củalớp rất bé) Tức là, số lượng lớp hấp thụ cần thiết được giảm đáng kể đến mức

độ lớn trong trường hợp bẫy ánh sáng được sử dụng trong tế bào ETA [25],[26] Nói cách khác, khả năng bẫy ánh sáng trong một tế bào làm giảm sốchiều dày lớp hấp thụ cần thiết

1.5.4 Sự phát triển của pin mặt trời ETA

Pin mặt trời ETA được các nhà nghiên cứu chế tạo đầu tiên là theo cấuhình siêu phẳng (các lớp chức năng có cấu hình phẳng), trong đó lớp hấp thụđược lắng đọng sau cùng Năm 2008, M Krunks và cộng sự [28] đã thànhcông sử dụng công nghệ nano chế tạo lớp cửa sổ có cấu trúc nano bao gồmcác thanh nano ZnO bằng phương pháp phun phủ nhiệt phân SPD, trong đóhiệu suất đạt được cải thiện và chi phí thấp

Để nâng cao hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời ETA với lớp hấp thụCuInS2, M Krunks và cộng sự (năm 2010) [30] sử dụng lớp cửa sổ được lắngđọng ở dạng thanh nano (nanorod) và lớp hấp thụ được lắng đọng bao phủ cấu

trúc thanh nano nhằm gia tăng đường đi hiệu dụng của ánh sáng dẫn đến giatăng độ hấp thụ của lớp CuInS2 Hiệu suất chuyển đổi cao nhất = 4,17% đạtđược trong pin mặt trời với cấu trúc glass/TCO/nanorod-ZnO/In2S3/CuInS2

chế tạo bằng phương pháp SPD

Năm 2013, Kärber và cộng sự [27] chế tạo pin mặt trời siêu cấu trúcZnO/In2S3/CuInS2 với tất cả các lớp được lắng đọng bởi phương pháp SPD cóchi phí thấp Việc sử dụng cấu trúc nano thay vì lớp cửa sổ phẳng dẫn đếngiảm điện áp hở mạch và hệ số lấp đầy; tăng dòng điện ngắn mạch và hiệusuất (VOC = 430 mV, JSC = 12,2 mA/cm2 , η = 3% và FF = 58%)

Tại Việt Nam năm 2014, GS Võ Thạch Sơn và cộng sự [1] đã nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm thành công pin mặt trời màng mỏng cấu trúc kiểu glass/nano- ZnO/CdS/CuInS2/Metal bằng phương pháp phu phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm 0 phản ứng pha khí lớp ion (USPD – ILGAR) đạt được các thông số quang điện như sau: VOC = 425 mV, JSC = 8,7 mA/cm2, FF = 49,5% và =1,84%.

Các kết quả nghiên cứu trên cho thấy các thông số quang điện của pinmặt trời đã được cải thiện rõ rệt khi sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu trúc nano

Các công bố liên quan đến pin mặt trời màng mỏng và pin mặt trờiETA sử dụng lớp hấp thụ CIAS chế tạo bằng phương pháp SPD được tổnghợp trong Bảng 1.3

Bảng 1.3 Các thông số quang điện của pin mặt trời CIAS chế tạo bằng phương pháp phun phủ nhiệt phân toàn phần FSPD của một số nghiên cứu đã công bố.

Glass/TCO/ZnO (rod) /In 2 S 3 /

CuInS 2 /Metal Glass/ZnO/CdS/CuInS 2 /

Cu(In,Al)S 2 /Ag Glass/FTO/ZnO/CdS core-shell

- Nghiên cứu cải thiện quy trình công nghệ chế tạo FSPD

- Nghiên cứu các phương pháp mô phỏng kết hợp với thực nghiệm đểthử nghiệm các cấu trúc khác của pin mặt trời nhằm nâng cao hiệu suấtchuyển đổi quang điện và giảm giá thành sản phẩm

Tiếp cận các hướng nghiên cứu trên, trong đề tài này chúng tôi chọn hướng nghiên cứu về pin mặt trời màng mỏng Cu(In,Al)S 2 sử dụng lớp cửa sổ

- Pin mặt trời màng mỏng Cu(In,Al)S2 sử dụng lớp cửa sổ nano ZnOđược 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 FSPD và pin mặt trời màng mỏng Cu(In,Al)S 2 sử dụng lớp cửa sổ nano ZnO.

Chương 2 LÝ THUYẾT VỀ MÔ PHỎNG SCAPS-1D

2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng SCAPS-1D

Solar Cell Capacitance Simulator in 1 Dimention (SCAPS-1D) làchương trình mô phỏng một chiều ứng dụng cho pin mặt trời, được phát triểntại khoa Điện tử và Hệ thống thông tin (ELIS) của Đại học Gent, Bỉ Ban đầuSCAPS-1D được phát triển cho các cấu trúc tế bào của CuInSe2 và họ CdTe.Tuy nhiên, một số phần đã được cải thiện và mở rộng khả năng của nó để nócũng có thể áp dụng cho pin mặt trời kết tinh (họ Si và GaAs) và pin mặt trời

vô định hình (a-Si và Si siêu nhỏ) [31]

Trong SCAPS-1D có thể thêm tối đa bảy lớp bán dẫn và hầu hết tất cảcác tham số có thể được phân loại: Eg, , ε, NC, NV, vth,n, vth,p, n, μm, công thoát chỉ khoảng 4,5 - 4,8 eV Lớp điện cực ITO làp, NA, ND,tất cả các bẫy (khuyết tật) Nt Có bốn loại điện tích chẳng hạn như: không cóđiện tích (lý tưởng hóa), đơn trị (donor, acceptor), hóa trị hai (hai donor, haiacceptor, lưỡng tính), đa trị (do người dùng quy định) [14]

Hình 2.1 Giao diện sử dụng phần mềm SCAPS.

Mục tiêu của SCAPS là nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số nhấtđịnh tới các quá trình vật lý xảy ra trong pin mặt trời Nó có thể mô phỏng cácthông số như điện áp hở mạch (VOC), mật độ dòng ngắn mạch (JSC), đặc tínhJ-V đầu ra, hệ số lấp đầy (FF), hiệu suất lượng tử (QE), hiệu suất chuyển đổiquang điện (η)… Hình 2.2 biểu diễn giao diện của phần mềm SCAPS-1D.

Ưu điểm của mô phỏng SCAPS là cho dải giá trị khảo sát rộng hơnnhiều so với thực nghiệm, các thông số có thể thay đổi một cách độc lập màkhông ảnh hưởng tới các thông số khác, kết quả nhanh và độ chính xác cao.Chương trình còn có khả năng giúp chúng ta dự đoán những đặc tính của vậtliệu chưa được tìm ra, dự đoán được các quá trình xảy ra trong pin mặt trời,tìm ra các điều kiện hoạt động tối ưu của pin mặt trời Hình 2.2 biểu diễn một

số các thông số vật lý của pin mặt trời màng mỏng xác định bằng phươngpháp mô phỏng SCAPS [2]

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 được mô phỏng bằng SCAPS.

2.2 Mô hình một chiều pin mặt trời

2.2.1 Mô hình một chiều pin mặt trời

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

Mô hình phân tích phổ biến nhất liên quan đặc tính J-V của một tế bàoquang điện là mô hình của một diode được mô tả trong Hình 2.3 Trên thực tếđặc trưng J-V không thể mô tả bởi biểu thức (2.1) như sau [37]:

Nguyên nhân là do lúc này không thể bỏ qua điện trở của vật liệu bándẫn 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, sựkhông hoàn hảo của bề mặt cũng như dòng điện rò bề mặt của pin mặt trời Vìvậy trong mạch điện tương đương cần phải mắc thêm vào một điện trở nốitiếp RS và một điện trở song song RSH với tải RL được thể hiện trên Hình 2.3

J RS

Theo định luật Kirchhoff về cường độ dòng điện:

V J

Từ các phương trình (2.2) và (2.3) kết hợp phương trình (2.1) suy ra

phương trình đặc tính J-V của đối với mô hình một diode có dạng như sau :

Các giá trị của JS ,RS, RSH phụ thuộc vào kích thước vật lý của pin mặt

trời Vì lý do này, phương trình đặc trưng thường được viết theo mật độ dòng

trên mỗi đơn vị diện tích:

Thông thường điện trở RSH có giá trị rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số

hạng cuối trong biểu thức

Mô hình một chiều của pin mặt trời chính là cơ sở của mô hình vật lý mà

phần mềm SCAPS-1D lựa chọn để thiết kế phần mềm mô phỏng pin mặt trời [31].

2.2.2 Đặc trưng J-V của pin mặt trời

Đặc trưng J-V của pin mặt trời là đường cong biểu diễn mối quan hệ

mật độ dòng điện J và điện áp V của pin mặt trời hoạt động dưới tác dụng của

ánh sáng chiếu vào Đường đặc trưng dòng - thế này cho biết khả năng hoạt

động của một pin