Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng

Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI DỊ THỂ VÔ ĐỊNH HÌNH/TINH THỂ SILIC CĨ CẤU TRÚC EMITTER PHÍA SAU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG GVHD: TS ĐÀO VĨNH ÁI SVTH: HỒ CƠNG OANH KIỀU MSSV: 16130032 Khố: 2016 - 2020 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2020 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tạo mơi trường học tập thuận lợi cho sinh viên Em xin cảm ơn đến Thầy, Cô Khoa Khoa học Ứng dụng, người tận tâm truyền đạt kiến thức, quan tâm động viên em suốt bốn năm học vừa qua, giúp em có đủ kiến thức để hồn thành khóa luận Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Đào Vĩnh Ái cơng tác Phịng thí nghiệm FM&D, Viện nghiên cứu Khoa học Cơ Ứng dụng, Trường Đại học Duy Tân Thầy định hướng cho em biết hướng đề tài suốt q trình hồn thành luận văn thầy ln theo sát bước, truyền đạt cho em kiến thức chuyên môn tác phong làm việc Cảm ơn Thầy giúp đỡ em nhiều để em hồn thiện khóa luận tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy, Cô, anh, chị làm việc Phịng thí nghiệm FM&D, Viện nghiên cứu Khoa học Cơ Ứng dụng, Trường Đại học Duy Tân dạy, tạo điều kiện thuận lợi để em sử dụng sở vật chất, máy móc thiết bị q trình làm khóa luận tốt nghiệp Cảm ơn bạn Hà Minh Trí, Lê Văn Tài, Nguyễn Thị Thu Uyên, Nguyễn Thị Kim Loan, Đặng Công Thuận, Cù Phạm Thành Hiếu, Trịnh Ngọc Lễ giúp đỡ, động viên em học tập q trình thực khóa luận tốt nghiệp Đặc biệt bạn Lê Thị Như Quỳnh và Dương Anh Tú - hai người bạn tốt đồng hành em bốn năm qua, người giúp em lấy lại động lực lúc khó khăn để hồn thành khóa luận Cuối xin gửi lời cảm ơn đến ba mẹ và anh trai tin tưởng, yêu thương, chăm sóc để yên tâm học tập Xin chúc tất người mạnh khỏe đạt nhiều thành công! Xin chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 thánh 08 năm 2020 Sinh viên Hồ Công Oanh Kiều v MỤC LỤC Trang bìa Nhiệm vụ khóa luận tốt nghiệp i Nhận xét giáo viên hướng dẫn ii Nhận xét giáo viên phản biện iv Lời cảm ơn v Lời cam đoan vi Mục lục .vii Danh mục từ viết tắt ix Danh mục bảng biểu xiv Danh mục biểu đồ hình ảnh xv LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan pin mặt trời 1.2 Các thông số đặc trưng pin mặt trời 1.2.1 Mật độ dòng ngắn mạch 1.2.2 Thế hở mạch 1.2.3 Công suất cực đại, hiệu suất, hệ số lấp đầy pin mặt trời 1.3 Giới thiệu sơ lược pin mặt trời Silic 10 1.4 Sơ lược pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic 11 1.5 Ưu điểm và trình tối ưu hóa pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía sau 16 1.5.1 Ưu điểm 16 1.5.2 Quá trình tối ưu hóa 18 CHƯƠNG PHẦM MỀM MÔ PHỎNG AFORS - HET 23 2.1 Giới thiệu phần mềm AFORS - HET 23 2.2 Mơ hình quang 23 2.3 Mơ hình điện 23 2.4 Ưu điểm phần mềm AFORS - HET 25 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 Cấu trúc pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía sau phầm mềm mô AFORS - HET 26 3.2 Sự ảnh hưởng cơng điện tử lớp oxit dẫn điện suốt đến hiệu suất pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía sau 26 vii 3.3 Sự ảnh hưởng lớp a-Si:H(n+) đến hiệu suất pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể có cấu trúc emitter phía sau 31 3.3.1 Sự ảnh hưởng nồng độ pha tạp lớp a-Si:H(n+) 31 3.3.2 Sự ảnh hưởng độ dày lớp a-Si:H(n+ ) 36 3.4 Sự ảnh hưởng lớp hấp thụ c-Si(n) đến hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình/tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía sau 41 3.4.1 Sự ảnh hưởng mật độ oxy lớp hấp thụ c-Si(n) 41 3.4.2 Sự ảnh hưởng điện trở suất lớp hấp thụ c-Si(n) 44 3.4.3 Sự ảnh hưởng độ dày lớp hấp thụ c-Si(n) 46 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Aa-Si:H(n +) Aa-Si:H(p) Ac-Si(n) AFORS HET AM1.5 a-Si:H a-Si:H(i) a-Si:H(n+) a-Si:H(p) a-Si:H/c-Si ATCO BSF c-Si(n) D Dod Dp,eff E EC EF EG Eg,a-Si(n) Tiếng anh Absorption coefficient in the aSi:H(n+) Absorption coefficient in the emitter Absorption coefficient in the cSi(n) Automat FOR Simulation of HETerostructures Air mass 1.5 (solar spectrum) Hydrogenated amorphous Silicon Intrinsiic amorphous Silicon hydrogenated Amorphous Silicon hydrogenated type n Amorphous Silicon hydrogenated type p Amorphous/crystalline Silicon hetero-junctions Absorption coefficient in the TCO Back Surface Field Crystalline Silicon type n Diffusion coefficient Density of oxygen defects Hole diffusion coefficient in the c-Si(n) Light intensity Conduction band energy edge Fermi energy Bandgap energy The band-gap of c-Si(n) Tiếng việt Hệ số hấp thụ lớp a-Si:H(n+) Hệ số hấp thụ lớp emitter Hệ số hấp thụ lớp c-Si(n) Phần mềm mô tự động cho pin mặt trời dị thể Phổ mặt trời Silic vơ định hình hiđro hóa Silic vơ định hình hiđro hóa Silic vơ định hình loại n pha tạp hiđro hóa Silic vơ định hình loại p hiđro hóa Tiếp xúc dị thể vơ định hình/tinh thể Silic Hệ số hấp thụ lớp TCO Lớp bán dẫn mặt sau Silic tinh thể loại n Hệ số khuếch tán Mật độ oxy Hệ số khuếch tán lỗ trống vùng c-Si(n) Cường độ ánh sáng Năng lượng vùng dẫn Mức Fecmi Năng lượng vùng cấm Năng lượng vùng cấm c-Si(n) ix Eg,a-Si:H(n +) The band-gap of a-Si:H(n+) Eph EV FE FF FSF G(x,t) Gn(x,t) Gp(x,t) HIT Photon of energy Valence band energy edge Front emitter Fill factor Front Surface Field Electron - hole pair generation Electron generation Hole generation Heterojunction with Intrinsic Thin layer Transmitted light intensity Interdigitated Back - Contacted Tin - doped Indium oxide Indium tin oxide Incident light intensity Current density Saturation current density Diode current density Current density at the maximum power point I IBC In2O3 :Sn ITO I0 J J0 Jd Jmax Jph Jsc Jsh k Photocurrent density Short-circuit current density Shunt current density Boltzmann’s constant Năng lượng vùng cấm aSi:H(n+) Năng lượng photon Năng lượng vùng hóa trị Emitter đặt phía trước Hệ số lấp đầy Lớp bán dẫn mặt trước Tốc độ tạo cặp điện tử - lỗ trống Tốc độ tạo điện tử Tốc độ tạo lỗ trống Cấu trúc dị thể với lớp bán dẫn Cường độ ánh sáng truyền qua Pin mặt trời cấu trúc lược Oxit Indi pha tạp thiếc Oxit Indi pha tạp oxit thiếc Cường độ ánh sáng tới Mật độ dòng Mật độ dòng bão hòa ngược Mật độ dòng qua diode Mật độ dịng cơng suất cực đại Mật độ dòng sáng Mật độ dòng ngắn mạch Mật độ dịng song song Hằng số Boltzman (1,381×10-23 J/K) Ldiff Carrier diffusion length Lp,eff Hole diffusion length in the c- N n’ n Si(n) Majority carrier dopant concentration Electron concentration The diode ideality factor Độ dài khuếch tán hạt mang điện Độ dài khuếch tán hiệu dụng lỗ trống vùng c-Si(n) Nồng độ hạt tải đa số pha tạp Nồng độ điện tử Thừa số lí tưởng diode x ni Intrinsic carrier concentration 𝑁𝐴− Ionized acceptor concentration Effective density of states in conduction band of a-Si:H Effective density of states in conduction band of c-Si(n) Doping density The effective donor density in the a-Si:H(n+) Ionized donor concentration The effective donor density in the c-Si(n) Effective density of states in valence band of a-Si:H Effective density of states in valence band of c-Si(n) National Renewable Energy Laboratory Hole concentration Power The total incident light power striking the solar cell Maximum Power Electronic charge 𝑁𝑐1 𝑁𝑐2 Nd + 𝑁𝐷,𝑒𝑓𝑓 𝑁𝐷+ ND,eff 𝑁𝑣1 𝑁𝑣2 NREL p P Pin Pmax q QE R RE RF RF PECVD Rs Quantum efficiency Resistivity Rear emitter Front reflectance Radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition Series resistance Nồng độ hạt tải bán dẫn Nồng độ ion acceptor Mật độ trạng thái hiệu dụng vùng dẫn a-Si:H(n+) Mật độ trạng thái hiệu dụng vùng dẫn c-Si(n) Nồng độ pha tạp Mật độ donor hiệu dụng vùng a-Si:H(n+) Nồng độ ion donor Mật độ donor hiệu dụng vùng c-Si(n) Mật độ trạng thái hiệu dụng vùng hóa trị a-Si:H(n+) Mật độ trạng thái hiệu dụng vùng hóa trị c-Si(n) Phịng thí nghiệm lượng tái tạo quốc gia Nồng độ lỗ trống Công suất pin mặt trời Tổng công suất chiếu xạ ánh sáng từ mặt trời đến pin Công suất cực đại Điện tích điện tử (1,602×10 -19 C) Hiệu suất lượng tử Điện trở suất Emitter đặt phía sau Phản xạ mặt trước Lắng đọng hóa học tăng cường plasma sử dụng tần số xoay chiều Điện trở nối tiếp xi Rsh S e,a-Si:H(n +) T t Ta-Si:H(n +) Ta-Si:H(p) Tc-Si(n) TTCO Top TCO V VD Vmax Shunt resistance The effective surface recombination velocity in the aSi:H(n+) Thickness Temperature Voc ʋoc a-Si:H(n+) thickness a-Si:H(p) thickness c-Si(n) thickness TCO thickness Optimized thickness Transparent Conductive Oxide Voltage Built-in potential Voltage at maximum power point Open-circuit voltage Normalized Voc ZnO:Al ϵ η Aluminum-doped zinc oxide Dielectric constant of Silicon Solar cell efficiency μc-Si:H(n) α ρ τbulk n-type hydrogenated microcrystalline Silicon n-type microcrystalline Silicon oxide Silicon oxide p-type microcrystalline Silicon oxide Silicon oxide Absorption cofficient Resistivity Bulk lifetime T CO Φ(λ) Work-function Photon flux μc-SiO:H(n) μc-SiO:H(p) Điện trở song song Tốc độ tái hợp hiệu dụng bề mặt a-Si:H(n+) Độ dày Nhiệt độ làm việc pin mặt trời (K) Độ dày lớp a-Si:H(n+) Độ dày lớp a-Si:H(p) Độ dày lớp c-Si(n) Độ dày lớp TCO Dộ dày tối ưu Oxit dẫn điện suốt Điện Thế tiếp xúc Thế công suất cực đại Thế hở mạch Voc chuẩn hóa Oxit kẽm pha tạp nhôm Hằng số điện môi Silic Hiệu suất chuyển đổi pin mặt trời Lớp Silic đa tinh thể hidro hóa loại n Lớp oxit Silic đa tinh thể hidro hóa loại n Lớp oxit Silic đa tinh thể hidro hóa loại p Hệ số hấp thụ Điện trở suất Thời gian sống hạt tải lớp hấp thụ Cơng điện tử Thơng lượng photon phổ mặt trời xii λ χ ψ ∆EC ∆EV Wavelength Electron affinity Electric potential Conduction band offset Valence band offset Bước sóng Ái lực điện tử Điện Độ lệch vùng dẫn Độ lệch vùng hóa trị xiii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các thông số đầu vào pin mặt trời dị thể a-Si:H/c-Si emitter phía sau sử dụng phần mềm AFORS - HET 24 xiv giảm Dod từ 11011 cm-3 xuống 110 10 cm-3 Hiệu suất lượng tử QE tỉ lệ thuận với Jsc và thể phương trình (11), Dod = 110 10 cm-3 có giá trị QE cao nên mật độ dòng ngắn mạch Jsc lớn so với Dod = 11011 cm-3 Hình 3.18 thể đặc trưng J - V pin mặt trời dị thể mật độ oxy Dod 11010 cm-3 11011 cm-3 Trong hình này, thấy Dod = 110 10 cm-3, mật độ dòng Jsc hở mạch Voc cao so với Dod = 110 11 cm-3 Có thể thấy Jsc giảm từ 42,09 mA/cm2 xuống 40,41 mA/cm2 Voc giảm từ 765,2 mV xuống 710,6 mV Dod tăng từ 11010 cm-3 lên đến 110 11 cm-3 Hình 3.18 Đường đặc trưng J - V pin mặt trời dị thể ứng với giá trị Dod = 110 10 cm-3 Dod = 110 11 cm-3 Như kết luận tăng Dod đặc trưng pin mặt trời dị thể giảm, bên cạnh hiệu suất pin mặt trời dị thể chủ yếu phụ thuộc vào Jsc, Voc FF Khi điện trở suất lớp c-Si(n) 0,5 Ωcm, mật độ oxy lớp c-Si(n) 11010 cm-3 hiệu suất pin mặt trời dị thể đạt giá trị cao nhất: η = 27,31 % với Voc = 765,2 mV, Jsc = 42,09 mA/cm2 , FF = 84,81 % 43 3.4.2 Sự ảnh hưởng điện trở suất lớp hấp thụ c-Si(n) Hình 3.16 thể sự ảnh hưởng điện trở suất ρ lớp hấp thụ c-Si(n) đến hiệu suất pin mặt trời dị thể Khi tăng điện trở suất ρ dẫn đến giảm hệ số lấp đầy FF, hở mạch Voc mật độ dòng ngắn mạch Jsc Ở điều kiện Dod = 11010 cm-3, tăng ρ từ 0,5 Ωcm đến Ωcm Voc giảm từ 765,2 mV xuống 760,1 mV, Jsc giảm từ 42,09 mA/cm2 xuống 40,48 mA/cm2 FF giảm từ 84,81 % xuống 84,61 % Do đó, hiệu suất pin mặt trời dị thể giảm 3,73 %, từ 27,31 % xuống 26,04 % Hệ số lấp đầy FF hở mạch Voc giảm ảnh hưởng tốc độ tái hợp pin mặt trời Hình 3.19 thể tốc độ tái hợp cặp điện tử - lỗ trống pin mặt trời thay đổi điện trở suất lớp hấp thụ c-Si(n) hai trường hợp cụ thể là ρ = 0,5 Ωcm và ρ = Ωcm Kết từ Hình 3.19 cho thấy, điện trở suất tăng từ 0,5 Ωcm lên đến Ωcm tốc độ tái hợp cặp điện tử - lỗ trống trung bình lớp hấp thụ c-Si(n) tăng từ 7,6510 18 cm-3.s-1 lên đến 9,2510 18 cm3 s -1 Phương trình (4) V tỉ lệ nghịch với J (phản ánh tốc độ tái hợp) oc Do đó, tốc độ tái hợp cặp điện tử - lỗ trống tăng tăng ρ dẫn đến giảm Voc, Voc giảm làm FF giảm theo (kết suy từ phương trình (10)) Hình 3.19 Tốc độ tái hợp cặp điện tử - lỗ trống pin mặt trời dị thể ứng với giá trị điện trở suất ρ = 0,5 Ωcm và ρ = Ωcm Mật độ dòng ngắn mạch Jsc pin mặt trời dị thể giảm sự ảnh hưởng hiệu suất lượng tử QE Hình 3.20 thể sự thay đổi hiệu suất lượng tử QE 44 điện trở suất ρ lớp c-Si(n) thay đổi từ 0,5 Ωcm đến Ωcm Từ Hình 3.20 thấy tăng giá trị điện trở suất ρ từ 0,5 Ωcm đến Ωcm, vùng bước sóng ngắn từ 300 nm đến 400 nm giá trị QE giảm, khoảng bước sóng ánh sáng hấp thụ lớp bán dẫn mặt trước, hấp thụ lớp này khơng đóng góp nhiều cho việc tạo hạt mang điện và gọi hấp thụ kí sinh [60] Ở vùng bước sóng dài từ 400 nm đến 600 nm, giảm ρ giá trị QE tăng, khoảng bước sóng này, ánh sáng hấp thụ lớp hấp thụ c-Si(n), cặp điện tử - lỗ trống sinh góp phần làm tăng Jsc Do xét vùng bước sóng từ 400 nm đến 600 nm, càng tăng điện trở suất ρ hiệu suất lượng tử QE giảm Dựa vào phương trình (11) thấy QE giảm dẫn đến giá trị Jsc giảm Hình 3.20 Hiệu suất lượng tử pin mặt trời dị thể ứng với giá trị điện trở suất ρ từ 0,5 Ωcm đến Ωcm Hình 3.21 thể đường đặc trưng J - V pin mặt trời dị thể thay đổi điện trở suất ρ lớp c-Si(n) khoảng từ 0,5 Ωcm đến Ωcm Trong Hình 3.21, thấy tăng điện trở suất ρ từ 0,5 Ωcm lên Ωcm Jsc Voc giảm Cụ thể là tăng ρ từ 0,5 Ωcm lên Ωcm, Jsc giảm từ 42,09 mA/cm2 xuống 40,48 mA/cm2, Voc giảm từ 765,2 mV xuống 760,1 mV 45 Như điện trở suất ρ lớp hấp thụ c-Si(n) thấp hiệu suất pin mặt trời cao Hiệu suất pin mặt trời dị thể phụ thuộc chủ yếu vào FF Jsc Nếu xét điều kiện ρ = 0,5 Ωcm hiệu suất pin cao đạt là: η = 27,31 % với FF = 84,81 %, Voc = 765,2 mV, Jsc = 42,09 mA/cm2 Hình 3.21 Đặc trưng J - V pin mặt trời dị thể ứng với giá trị ρ = 0,5 Ωcm và ρ = Ωcm 3.4.3 Sự ảnh hưởng độ dày lớp hấp thụ c-Si(n) Để tìm hiểu sự ảnh hưởng độ dày lớp hấp thụ c-Si(n) đến thông số đặc trưng pin mặt trời, thực mơ pin mặt trời có độ dày lớp hấp thụ khác và thu kết Hình 3.22 Trong mơ này, độ dày lớp hấp thụ c-Si(n) thay đổi khoảng từ 150 μm đến 350 μm, điện trở suất ρ lớp c-Si(n) thay đổi từ 0,5 Ωcm đến Ωcm Các thông số đầu vào pin giữ không đổi, bao gồm ΦTCO = 3,7 eV, Nd = 510 15 cm-3 Ta-Si:H(n +) = nm, Dod = 110 10 cm-3 , Ta-Si:H(p) = nm; TTCO = 80 nm Từ Hình 3.22 thấy tăng độ dày lớp c-Si(n), Voc FF lại giảm dần, Jsc tăng đến giá trị cao sau giảm Hiệu suất pin tăng đến giá trị cực đại độ dày định, gọi là độ dày tối ưu Top, vượt Top hiệu suất pin giảm Tùy thuộc vào giá trị điện trở suất ρ lớp c-Si(n) mà độ dày tối ưu Top lớp hấp thụ c-Si(n) khác Ví dụ ρ = 0,5 Ωcm, Top = 250 μm 46 pin mặt trời dị thể đạt hiệu suất cao nhất: η = 27,33 % với Voc = 761,4 mV, Jsc = 42,36 mA/cm2, FF = 84,72 % Khi ρ = Ωcm, với Top = 300 μm pin mặt trời dị thể có hiệu suất cao nhất: η = 26,87 %, Voc = 756,4 mV, Jsc = 42,04 mA/cm2, FF = 84,48 % Hình 3.22 Đặc trưng pin mặt trời dị thể thay đổi độ dày và điện trở suất lớp hấp thụ c-Si(n) Thế hở mạch Voc hệ số lấp đầy FF pin mặt trời dị thể giảm tăng độ dày sự ảnh hưởng độ dày khuếch tán hạt mang điện lớp hấp thụ cSi(n) Hình 3.23a thể tốc độ tái hợp cặp điện tử - lỗ trống độ dày lớp cSi(n) 150 μm và 250 μm, ρ = 0,5 Ωcm Có thể thấy Tc-Si(n) = 150 μm, độ dài khuếch tán hạt mang điện ngắn Tc-Si(n) = 250 μm Ở trường hợp này, mối liên hệ Voc và độ dài khuếch tán hạt mang điện thể qua phương trình sau [56]: 𝑉𝑜𝑐 = 𝐽𝑜 ≈ 𝑘𝑡 𝑞 𝐽 𝑙𝑛 ( 𝑠𝑐 + 1) 𝐽𝑜 𝑞𝐷 𝑛2𝑖 𝐿 𝑑𝑖𝑓𝑓𝑁 𝐿 𝑑𝑖𝑓𝑓 = √𝐷𝜏𝑏𝑢𝑙𝑘 (4) (13) (14) 47 Từ phương trình (4), (13), (14) thấy Voc tỉ lệ thuận với độ dài khuếch tán 𝐿 𝑑𝑖𝑓𝑓 thời gian sống 𝜏𝑏𝑢𝑙𝑘 hạt tải Do độ dày lớp hấp thụ c-Si(n) lớn, hạt mang điện phải di chuyển quãng đường dài trước di chuyển điện cực nên tốc độ tái hợp cặp điện tử - lỗ trống tăng cao Theo phương trình (4), tốc độ tái hợp cặp điện tử - lỗ trống tăng làm J0 tăng từ Voc thu giảm Thế hở mạch Voc thấp dẫn đến hệ số lấp đầy FF thấp (hệ phương trình (10)) Hình 3.23 (a) Đường cong biểu diễn tốc độ tái hợp; (b) Hiệu suất lượng tử pin mặt trời dị thể độ dày lớp hấp thụ c-Si(n) giá trị là 150 μm và 250 μm Khi thay đổi dày lớp hấp thụ c-Si(n) dẫn đến Jsc thay đổi theo, để giải thích sự thay đổi Jsc hiệu suất lượng tử QE thực mơ Hình 3.23b thể hiệu suất lượng tử QE pin mặt trời dị thể độ dày hấp thụ lớp c-Si(n) có giá trị 150 μm và 250 μm, ρ = 0,5 Ωcm Có thể thấy từ bước sóng 900 nm đến 11000 nm, độ dày lớp hấp thụ c-Si(n) lớn có hiệu suất lượng tử QE lớn so với độ dày lớp hấp thụ nhỏ Ở bước sóng 910 nm, tăng Tc-Si(n) từ 150 μm lên đến 250 μm hiệu suất lượng tử QE tăng từ 0,95 lên đến 48 0,98 Hiệu suất lượng tử QE phụ thuộc vào độ dày lớp hấp thụ c-Si(n) và biểu diễn qua phương trình sau [57]: 𝑄𝐸(𝜆) = [1 − 𝑅𝐹 (𝜆)][1 − 𝐴 𝑇𝐶𝑂 (𝜆)][1 − 𝐴𝑎−𝑆𝑖:𝐻(𝑝) (𝜆)] [1 − 𝐴𝑎−𝑆𝑖:𝐻(𝑛+ ) (𝜆)][𝐴𝑐−𝑆𝑖 (𝜆)] 𝐴𝑐−𝑆𝑖 (𝜆) = − 𝑒𝑥𝑝[−𝛼 (𝜆) 𝑇] (15) (16) Từ phương trình (15) thấy 𝐴𝑐−𝑆𝑖 (𝜆) tỉ lệ thuận với QE Từ phương trình (16), độ dày T lớp hấp thụ c-Si(n) lại tỉ lệ thuận với 𝐴𝑐−𝑆𝑖 (𝜆) Do độ dày lớp hấp thụ c-Si(n) lớn khả hấp thụ photon khoảng bước sóng dài nhiều, dẫn đến tăng hiệu suất lượng tử QE Theo phương trình (11), việc tăng hiệu suất lượng tử QE vùng bước sóng dài giúp tăng dịng ngắn mạch Jsc Hình 3.24 biểu diễn đường đặc trưng J - V pin mặt trời dị thể độ dày lớp hấp thụ là 150 μm và 250 μm Có thể thấy tăng độ dày lớp hấp thụ c-Si(n) Jsc tăng lên Voc giảm xuống Cụ thể là tăng độ dày lớp hấp thụ từ 150 μm lên đến 250 μm, Jsc tăng từ 41,64 mA/cm2 lên 42,36 mA/cm2, Voc giảm từ 769,5 mV xuống 761,4 mV Hình 3.24 Đường đặc trưng J - V pin mặt trời dị thể ứng với độ dày lớp hấp thụ c-Si(n) 150 μm và 250 μm 49 Như tăng độ dày lớp hấp thụ c-Si(n) Voc FF giảm liên tục, cịn Jsc tăng đến giá trị cực đại Top sau giảm Hiệu suất pin mặt trời dị thể chủ yếu phụ thuộc vào Jsc Khi Tc-Si(n) = 250 μm và ρ = 0,5 Ωcm, lúc này pin mặt trời dị thể có hiệu suất cao nhất: η = 27,33 % với Voc = 761,4 mV, Jsc = 42,36 mA/cm2 , FF = 84,72 % 3.5 Đánh giá lại kết Hình 3.25 Đường đặc trưng J - V cơng suất pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía sau điều kiện tối ưu Từ kết đánh giá phân tích sự ảnh hưởng lớp TCO, a-Si:H(n+ ) c-Si(n) đến đặc trưng pin mặt trời dị thể, rút điều kiện tối ưu để chế tạo pin có hiệu suất cao Các điều kiện tối ưu bao gồm: lớp TCO có ΦTCO = 3,7 eV; lớp a-Si:H(n+) có độ dày Ta-Si:H(n +) = nm (dựa điều kiện thực tế) Nd = 5×10 15 cm-3; lớp hấp thụ c-Si(n) có ρ = 0,5 Ωcm, Dod = 1×1010 cm-3 Tc-Si(n) = 250 μm Cuối cùng, hiệu suất chuyển đổi lượng pin mặt trời dị thể đạt giá trị cao nhất: η = 27,33 % với Voc = 761,4 mV, Jsc = 42,36 mA/cm2và FF = 84,72 % Hình 3.25 thể đường đặc trưng J - V công suất pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía sau điều kiện tối ưu 50 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN A Kết luận Chúng nghiên cứu tập trung vào lớp TCO, a-Si:H(n+) c-Si(n) nhằm mục đích nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía sau phần mềm mơ AFORS - HET Qua q trình nghiên cứu, rút điều kiện tối ưu để chế tạo pin mặt trời dị thể có hiệu suất cao sau:  Đối với lớp TCO: càng tăng ΦTCO đặc trưng pin giảm Khi ΦTCO = 3,7 eV hiệu suất chuyển đổi lượng đạt cao  Đối với lớp a-Si:H(n+): - Độ dày lớp a-Si:H(n+) thấp hiệu suất pin thu cao, nhiên dựa vào điều kiện chế tạo thực tế lớp a-Si:H(n+) có độ dày tối thiểu nm - Nồng độ pha tạp cao hiệu suất pin giảm, nên nồng độ pha tạp cần phải thấp 5×10 18 cm-3 Kết mơ cho hiệu suất cao nồng độ pha tạp 5×10 15 cm-3  Đối với lớp hấp thụ c-Si(n): - Mật độ oxy lớp hấp thụ cao hiệu suất thu giảm Với giá trị 1×10 10 cm-3 đặc trưng pin thu cao so với mật độ oxy tăng lên đến 1×10 11 cm-3 - Tăng điện trở suất lớp hấp thụ từ 0,5 Ωcm lên đến Ωcm, hiệu suất pin giảm 3,73 % từ 27,31% xuống 23,58 % Do giá trị điện trở suất 0,5 Ωcm cho hiệu suất cao - Hiệu suất pin mặt trời đạt giá trị cao độ dày lớp hấp thụ đạt giá trị tối ưu Ứng với giá trị điện trở suất độ dày tối ưu lớp hấp thụ có giá trị khác Đối với lớp c-Si(n) có điện trở suất là 0,5 Ωcm độ dày tối ưu lớp này là 250 μm - Kết hợp tất điều kiện tối ưu lớp TCO, a-Si:H(n+), c-Si(n) bao gồm: ΦTCO = 3,7 eV, Ta-Si:H(n +) = nm, Nd = 5×10 15 cm-3 , Dod = 1×10 10 cm-3 , ρ = 0,5 Ωcm, Tc-Si(n) = 250 μm, hiệu suất pin mặt trời dị thể đạt cao 27,33 % với Voc = 761,4 mV, Jsc = 42,36 mA/cm2 FF = 84,72 % B Hướng phát triển Bên cạnh kết tính tốn mơ trên, để hồn thiện hơn, chúng tơi có đề xuất sau: 51 - Thực thêm tính tốn mơ sai hỏng bề mặt lớp hấp thụ - Thực thêm tính tốn mơ lớp emitter phía sau - Triển khai chế tạo pin mặt trời dị thể với cấu trúc emitter phía sau với thơng số vừa tối ưu 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [28] Ngô Thị Thanh Giang (2020) “Ứng dụng phép xấp xỉ thống kê việc tối ưu pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic” Luận văn thạc sĩ khoa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trang 8-27 Tiếng Anh [1] Acikgoz C (2011) “Renewable energy education in Turkey” Renewable Energy, 36, pp 608 - 611 [2] Chmielewsk A G (2005) “Environmental effects of fossil fuel combustion”, EOLSS, pp - [3] Fritts C E (1885) “On the Fritts selenium cells and batteries” J Franklin Inst 119 (3), pp 221 - 232 [4] Taguchi M., Yano A., Tohoda S., Matsuyama K., Nakamura Y., Nishiwaki T., Maruyama E (2013) “24.7 % record efficiency HIT solar cell on thin Silicon wafer” IEEE J Photovoltaics (1), pp 96 - 99 [5] Masuko K., Shigematsu M., Hashiguchi T., Fujishima D., Kai M., Yoshimura N., Yamanishi T (2014) “Achievement of more than 25 % conversion efficiency with crystalline Silicon heterojunction solar cell” IEEE J Photovoltaics (6), pp 1433 - 1435 [6] Dao V A., Lee Y., Kim S., Kim Y., Lakshminarayan N., Yi J (2011) “Interface characterization and electrical transport mechanisms in a-Si: H/c-Si heterojunction solar cells” J Electrochem Soc 158 (3), pp 312 [7] Tanaka M., Taguchi M., Matsuyama T., Sawada T., Tsuda S., Nakano S., Kuwano Y (1992) “Development of new a-Si/c-Si heterojunction solar cells: ACJ-HIT (artificially constructed junction-heterojunction with intrinsic thinlayer)” Jpn J Appl Phys 31, pp 3518 [8] Yoshikawa K., Kawasaki H., Yoshida W., Irie T., Konishi K., Nakano K., Yamamoto K (2017) “Silicon heterojunction solar cell with interdigitated back contacts for a photoconversion efficiency over 26 %” Nat Energy (5), pp 17032 [9] Lu M., Bowden S., Das U., Burrows M., Birkmire R (2007) “Interdigitated Back Contact Silicon Heterojunction (IBC - SHJ) Solar Cell” MRS Proc pp 989 53 [10] Lee S., Trinh T T., Pham D P., Kim S., Kim Y., Park J., Yi J (2019) “In Situ Process to Form Passivated Tunneling Oxides for Front-Surface Field in RearEmitter Silicon Heterojunction Solar Cells” ACS Sustainable Chem Eng (24), pp 19332 - 19337 [11] Li S., Tang Z., Xue J., Gao J., Shi Z., Li X (2018) “Comparative study on front emitter and rear emitter n-type Silicon heterojunction solar cells: The role of folded electrical fields” Vac 149, pp 313 - 318 [12] Khokhar M Q., Hussain S Q., Kim S., Lee S., Pham D P., Kim Y., Yi J (2020) “Review of Rear Emitter Silicon Heterojunction Solar Cells” Trans Electr Electron Mater 21, pp.138 - 143 [13] De S., Kondo M (2007) “Boron-doped a-Si:H/c-Si interface passivation: Degradation mechanism” Appl Phys Lett 91, pp 112109 [14] Yang L., Zhong S., Zhang W., Li X., Li Z., Zhuang Y., Shen W (2018) “Study and development of rear-emitter Si heterojunction solar cells and application of direct copper metallization” Prog Photovoltaics Res Appl 26 (6), pp 385 - 396 [15] Park H., Khokhar M Q., Cho E C., Ju M., Kim Y., Kim S., Yi J (2020) “Computer modeling of the front surface field layer on the performance of the rear-emitter Silicon heterojunction solar cell with 25 % efficiency” Opt 205, pp 164011 [16] Watahiki T., Furuhata T., Matsuura T., Shinagawa T., Shirayanagi Y., Morioka T., Tokioka H (2015) “Rear-emitter Si heterojunction solar cells with over 23 % efficiency” Appl Phys Express (2), pp 021402 [17] Bivour M., Schroeer S., Hermle M., Glunz S W (2014) “Silicon heterojunction rear emitter solar cells: Less restrictions on the optoelectrical properties of front side TCOs” Sol Energy Mater Sol Cells 122, pp 120 129 [18] Bivour M., Reichel C., Hermle M., Glunz S W (2012) “Improving the aSi:H(p) rear emitter contact of n-type Silicon solar cells” Sol Energy Mater Sol Cells 106, pp 11 - 16 [19] Becquerel E (1935) “Mémoire sur les effets électriques produits sous l’influence des rayons solaires” C.R Acad Sci 9, pp 561 - 567 [20] Fraas L M (2014) “History of Solar Cell Development” Springer, Cham pp - 12 [21] Hovel H J., Woodall J M (1972) “High efficiency AlGaAs-GaAs solar cells” Appl Phys Lett 21, pp 379 - 381 54 [22] Mishima T., Taguchi M., Sakata H., Maruyama E (2011) “Development status of high - efficiency HIT solar cells” Sol Energy Mater Sol Cells 95, pp 18 - 21 [23] Green M A (2009) “The path to 25 % Silicon solar cell efficiency: History of Silicon cell evolution” Prog Photovoltaics Res Appl 17 (3), pp 183 - 189 [24] Rathore N., Panwar N L., Yettou F., Gama A (2019) “A comprehensive review of different types of solar photovoltaic cells and their applications” Int J Ambient Energy pp - 18 [25] Zhao L., Li H L., Zhou C L., Diao H W., Wang W J (2009) “Optimized resistivity of p-type Si substrate for HIT solar cell with Al back surface field by computer simulation” Energy Eng 83 (6), pp 812 - 816 [26] Chopra K L., Paulson P D., Dutta V (2004) “Thin‐film solar cells: an overview” Prog Photovoltaics Res Appl 12, pp 69 - 92 [27] NREL Transforming Energy “NREL Best Research - Cell Efficiency Chart.” [Online] Available: https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (10/05/2020) [29] Tao Y., Rohatgi A (2017) “High ‐ Efficiency Front Junction n‐Type Crystalline Silicon Solar Cells” Nanostruct Sol Cells, pp 93 [30] Das A K., Karmalkar S (2011) “Analytical Derivation of the Closed-Form Power Law J - V Model of an Illuminated Solar Cell From the Physics Based Implicit Model” IEEE Trans Electron Devices 58 (4), pp 1176 - 1181 [31] Stuckelberger M., Biron R., Wyrsch N., Haug F J., Ballif C (2017) “Progress in solar cells from hydrogenated amorphous Silicon” Renewable Sustainable Energy Rev 76, pp 1497 - 1523 [32] Van W., Korte L., Roca F (2012) “Physics and technology of amorphous crystalline heterostructure Silicon solar cells” Berlin: Springer, pp - 43 [33] De S., Descoeudres A., Holman Z C., Ballif C (2012) “High - efficiency Silicon heterojunction solar cells: A review” Green, (1), pp - 24 [34] Phadke M S (1995) “Quality engineering using robust design” Prentice Hall PTR pp 112 - 198 [35] Panasonic Electric Works Europe AG “Panasonic HIT Heterojunction technology", [Online] Available: https://eu- solar.panasonic.net/en/hitheterojunction-sanyo-panasonic.htm (07/05/2020) [36] Bivour M., Schroer S., Hermle M., Glunz S W (2014) “Silicon heterojunction rear emitter solar cells: Less restrictions on the optoelectrical 55 [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] properties of front side TCOs” Sol Energy Mater Sol Cells 122, pp 120 129 Mazzarella L., Morales-Vilches A B., Korte L., Schlatmann R., Stannowski B (2018) “Ultra - thin nanocrystalline n-type silicon oxide front contact layers for rear - emitter Silicon heterojunction solar cells” Sol Energy Mater Sol Cells 179, pp 386 - 391 Varache R., Valla A., Nguyen N., Muñoz D (2014) “Front Side Recombination Losses Analysis in Rear Emitter Silicon Heterojunction Solar Cells” Energy Procedia, 55, pp 302 - 309 Kim S., Park J., Phong P D., Shin C., Iftiquar S M., Yi J (2018) “Improving the efficiency of rear emitter Silicon solar cell using an optimized n - type Silicon oxide front surface field layer” Sci Rep (1), pp - 10 Pham D P., Kim S., Lee S., Le A H T., Park J., Yi J (2019) “Ultra - thin stack of n-type hydrogenated microcrystalline Silicon and Silicon oxide front contact layer for rear - emitter Silicon heterojunction solar cells” Mater Sci Semicond Process 96, pp - Niemela J P., Macco B., Barraud L., Descoeudres A., Badel N., Despeisse M., Creatore M (2019) “Rear - emitter Silicon heterojunction solar cells with atomic layer deposited ZnO:Al serving as an alternative transparent conducting oxide to In2O3:Sn” Sol Energy Mater Sol Cells 200, pp 109953 Van W., Korte L., Roca F (2012) “Physics and technology of amorphouscrystalline heterostructure Silicon solar cells” Berlin: Springer, pp 1-43 Radder C., Satyanarayana B S (2018) “Simulation and analysis on device parameter variations of single junction hydrogenated amorphous Silicon solar cell” Mater Today: Proc (4), pp 10867 - 10874 Stangl R., Leendertz C., Haschke J (2010) “Numerical simulation of solar cells and solar cell characterization methods: the open-source on demand program AFORS - HET” Sol Energy 14, pp 319 - 352 Jehad A K., Hamammu I (2013) “Computer simulation on solving Poisson’s equation for the Silicon solar cell” ICECE-Benghazi (Libya) pp - Nath M., Chatterjee P., Damon-Lacoste J., Roca P (2008) “Criteria for improved open-circuit voltage in a‐Si: H (N)/c‐Si (P) front heterojunction with intrinsic thin layer solar cells” J Appl Phys 103 (3), pp 034506 Jiang X., Wong F L., Fung M K., Lee S T (2003) “Aluminum - doped zinc oxide films as transparent conductive electrode for organic light - emitting devices” Appl Phys Lett 83 (9), pp 1875 - 1877 56 [48] Singh P., Ravindra N M (2012) “Temperature dependence of solar cell performance-an analysis” Sol Energy Mater Sol Cells 101, pp 36 - 45 [49] PVeducation, “Quantum efficiency” [Online] Available: https://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/quantumefficiency (20/07/2020) [50] Miao J., Chen H., Liu F., Zhao B., Hu L., He Z.,Wu H (2015) “Efficiency enhancement in solution-processed organic small molecule: Fullerene solar cells via solvent vapor annealing” Appl Phys Lett 106 (18), pp 183302 [51] Kadri E., Krichen M., Arab A B (2015) “Effect of the front surface field (aSi:H) on the spectral response of thin films heterojunctions solar cells” J Comput Electron 14 (2), pp 557 - 565 [52] Xingcai L., Kun N (2018) “Effectively predict the solar radiation transmittance of dusty photovoltaic panels through Lambert - Beer law” Renewable energy, 123, pp 634 - 638 [53] Augusto A F R., Karas J., Balaji P., Bowden S., King R R (2020) “Exploring the practical efficiency limit of Silicon solar cells using thin solargrade substrates” J Mater Chem A [54] Zhao L., Zhou C L., Li H L., Diao H W., Wang W J (2008) “Role of the work function of transparent conductive oxide on the performance of amorphous/crystalline Silicon heterojunction solar cells studied by computer simulation” Phys Status Solidi A 205 (5), pp 1215 - 1221 [55] Corby S., Francás L., Kafizas A., Durrant J (2020) “Determining the role of oxygen vacancies in the photocatalytic performance of WO for water oxidation” Chem Sci [56] Tonio B (2011) “Fundamentals Of Solar Cells: Photovoltaic Solar Energy Conversion”, Academic Press, pp 48 - 68 [57] Park J., Dao V A., Kim S., Pham D P., Kim S., Le A H T., Yi J (2018) “High Efficiency Inorganic/Inorganic Amorphous Silicon/Heterojunction Silicon Tandem Solar Cells” Sci Rep (1), pp - 11 57 ... dị thể vơ định hình/ tinh thể Silic emitter phía trước pin mặt trời dị thể vơ định hình/ tinh thể Silic emitter phía sau [11] Đối với pin mặt trời dị thể vô định hình/ tinh thể Silic emitter phía. .. pin mặt trời dị thể vơ định hình/ tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía sau 26 vii 3.3 Sự ảnh hưởng lớp a-Si:H(n+) đến hiệu suất pin mặt trời dị thể vơ định hình/ tinh thể có cấu trúc emitter. .. nhóm nghiên cứu thực nghiên cứu mô lớp bán dẫn mặt trước pin mặt trời dị thể có cấu trúc emitter phía sau đạt hiệu suất 25 % Họ nhận thấy pin mặt trời dị thể có cấu trúc emitter phía sau sự