Luận văn thạc sĩ phân tích chương trình mô phỏng một chiều amps – 1d (analysis of microelectronic and photonic structures

MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG - KHÁI QUÁT VỀ PMT MÀNG MỎNG THẾ HỆ MỚI DỰA TRÊN LỚP HẤP THỤ CuIn1-xGaxSe2 (CIGS) 1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Những thách thức đặt 1.3 Cấu trúc tham số đặc trưng .9 1.3.1 Cấu trúc PMT 1.3.2 Các đặc trưng hiệu hoạt động PMT màng mỏng CIGS 10 1.4 Một số phương pháp chế tạo lớp hấp thụ CIGS 12 1.4.1 Đồng bốc bay từ nguồn nguyên tố 12 1.4.2 Selen hóa lớp bán vật liệu dạng kim loại 13 1.4.3 Lắng đọng hóa học 13 1.4.4 Các phương pháp pha lỏng nhiệt độ thấp .14 CHƯƠNG - CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MỘTCHIỀU AMPS – 1D (Analysis of Microelectronic and Photonic Structures) 15 2.1 Phương trình Poisson 15 2.1.1 Nồng độ điện tử tự nồng độ lỗ trống tự 16 2.1.2 Nồng độ trạng thái định xứ (ND+, NA-, pt, nt) 18 2.1.3 Nồng độ mức sai hỏng (nt pt) 22 2.2.1 Mật độ dòng điện tử mật độ dòng lỗ trống (Jn Jp) .23 2.2.2 Quá trình tái hợp hạt dẫn .24 CHƯƠNG - CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG MỘT CHIỀU AMPS – 1D 26 3.1 Các tham số 26 3.1.1 Điều kiện môi trường 26 3.1.2 Cấu trúc mô hình 29 3.2 Tính chất chung 30 3.2.1 Điều kiện ban đầu, hệ số phản xạ mặt trước sau .30 3.2.2 Hệ số phản xạ 30 3.2.3 Sự tái hợp bề mặt 31 3.3 Tính chất lớp 31 3.3.1 Tốc độ hạt tải mối liên hệ với mật độ trạng thái 32 3.3.2 Nồng độ hạt tải 33 3.3.3 Sự dịch chuyển lượng lớp (chuyển tiếp dị chất) 33 3.3.4 Hệ số hấp thụ .35 3.4 Các trạng thái sai hỏng .35 3.4.1 Mật độ trạng thái sai hỏng trung hồ ion hố 37 3.4.2 Sự phân bố sai hỏng 38 CHƯƠNG - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .39 4.1 Ảnh hưởng hệ số phản xạ mặt trước 39 4.2 Ảnh hưởng độ chênh lệch lượng đáy vùng dẫn (∆ EC) mặt tiếp xúc lớp 43 4.3 Ảnh hưởng độ dầy lớp hấp thụ CIGS 46 4.4 Ảnh hưởng độ rộng vùng cấm Eg lớp hấp thụ CIGS .49 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 MỞ ĐẦU Mặc dù hiệu ứng quang điện phát vào kỷ 19 100 năm sau nhà khoa học chưa chế tạo pin mặt trời (PMT) có tính khả thi Thử nghiệm PMT dựa Silic Chapin, Fuller Pearson thực phịng thí nghiệm Bell vào năm 1954 với hiệu suất chuyển đổi % Cùng với thời gian, nhà khoa học không ngừng sáng tạo phát triển để nâng cao hiệu suất chuyển đổi PMT Tính nay, PMT dựa hiệu ứng quang điện trải qua ba hệ Thế hệ pin mặt trời dựa Si mà sản phẩm loại phổ biến Thế hệ thứ hai PMT loại màng mỏng CIGS Hầu hết, nghiên cứu loại pin tiếp cận với sản xuất quy mô lớn giá thành thấp Thế hệ thứ ba nhóm cơng nghệ chưa triển khai quy mô lớn hứa hẹn tiềm hiệu suất chuyển đổi giá thành Cho đến nay, nhà khoa học không ngừng nghiên cứu, sáng tạo phát triển công nghệ tiên tiến nhằm tạo linh kiện đa chức với tốc độ xử lí ngày cao Bên cạnh đó, kỹ thuật tổng hợp vật liệu phát triển nhanh chóng, cơng nghệ chế tạo màng mỏng ngày quan tâm ý tính chất quý báu khả thu nhỏ kích thước linh kiện điện tử Vì vậy, PMT hệ dựa lớp hấp thụ màng mỏng chất bán dẫn CuIn 1GaxSe2 (CIGS) hướng nghiên cứu nhà khoa học giới x quan tâm Với đặc tính là màng mỏng, loại pin mặt trời này có rất nhiều ưu điểm nổi bật so với loại cổ điển dựa silic như: giá thành thấp, nhẹ, bền vững, làm loại đế uốn cong, đặc biệt các lớp có thể được chế tạo liên tục thành một panel hoàn chỉnh với kích thước lớn Trong phịng thí nghiệm, hiệu śt chủn đởi lượng kỷ lục của một pin mặt trời hệ loại màng mỏng CIGS là 19,9 % cho một mẫu nhỏ Ở quy mô sản xuất thử, hiệu suất chuyển đổi lượng thu khoảng 13 - 15% cho một panel kích thước 60 x 90 cm2 [13] Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu PMT hệ loại màng mỏng CIGS nhóm nhà khoa học Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, khoa Vật Lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội tiến hành Mục tiêu khoá luận xác định mối liên hệ tính chất lớp hệ số phản xạ mặt trước lên hiệu hoạt động pin, nhằm hiểu rõ chế nâng cao phẩm chất pin Đây bước chuẩn bị kiến thức phương pháp chế tạo để đưa khả sản xuất PMT hồn chỉnh với quy mơ sản xuất thử Phương pháp nghiên cứu đề tài tính tốn mơ hoạt động cấu trúc pin hồn chỉnh với thông số đầu vào chọn cách thích hợp, chủ yếu thu từ tính tốn thực nghiệm Các kết mơ sở cho việc thiết kế cấu trúc, định hướng cho quy trình cơng nghệ chế tạo CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ PMT MÀNG MỎNG THẾ HỆ MỚI DỰA TRÊN LỚP HẤP THỤ CuIn1-xGaxSe2 (CIGS) 1.1 Lịch sử phát triển Hiện nay, lượng vấn đề thời quốc gia Từ trước tới nay, người sử dụng nguồn lượng sẵn có nguồn gốc từ hóa thạch như: than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên Những nguồn lượng có nguy cạn kiệt có khả không đủ đáp ứng nhu cầu lượng người Bên cạnh đó, cuối kỉ 21, nóng lên tồn cầu làm tăng nhiệt độ trung bình khí trái đất lên 1,4 oC – 5,8 oC Việc hướng tới dạng lượng sạch, với khơng có phát xạ thử thách lớn kỷ XXI Một nỗ lực đầy hứa hẹn ứng dụng hiệu ứng quang điện để tận dụng lượng lớn lượng mà trái đất nhận giây từ mặt trời[12] Hội nghị lượng mới toàn cầu tại Born năm 2004 đã khẳng định quyết tâm của thế giới thay thế 20 % lượng điện truyền thống bằng nguồn lượng mới đó có điện mặt trời vào năm 2020 Trong vài công nghệ ứng dụng để thu hiệu suất cao thành cơng tốt màng mỏng từ tế bào lượng mặt trời Thiết bị chế tạo công nghệ lắng đọng không tốn dựa chất khơng đắt Vì vậy, chúng có tiềm để trở thành nguồn lượng có sức cạnh tranh mặt kinh tế thập kỷ sau PMT hệ dựa lớp hấp thụ CuIn1-xGaxSe2 (CIGS) đạt hiệu cao tất màng mỏng tế bào lượng mặt trời Hiệu suất chuyển đổi lượng pin mặt trời kỷ lục 19,9 % Pin mặt trời ngày Công nghiệp quang điện trở thành sản phẩm thương mại trị giá hàng tỷ đô la, sản phẩm quang điện vượt qua 1GW thời gian đầu năm 2004 người ta hy vọng vượt qua 3GW vào năm 2010 Thị trường tăng với tốc độ kép vài năm gần (20% – 40% năm) Giá đưa phạm vi đô la Watt peak ($/Wp) tiếp tục giảm, xấp xỉ với đường cong nghiên cứu 80% [11] Đường cong nghiên cứu hình Khi sản lượng tăng lên đến 100 % giá thành tương đương giá nhiên liêu hóa thạch Chúng ta hi vọng điều xảy khoảng 15 năm Công nghệ Silicon tinh thể quang điện sở cho PMT giá nguyên vật liệu đắt nhiều Như vậy, PMT màng mỏng trở thành ứng cử viên nhiều hứa hẹn cho sản xuất PMT với số lượng lớn Hình 1: Quá trình phát triển pin mặt trời Các PMT loại màng mỏng CIGS có lợi đáng kể giá đường cong nghiên cứu mức thấp so với công nghệ Silic Các màng mỏng chế tạo với chi phí sản phẩm thấp Sự thành công thương mại PMT quan trọng thúc đẩy phát triển tương lai Sự thành cơng lại phụ thuộc chủ yếu vào khuyến khích phủ như: giảm giá thuế, trợ cấp lắp đặt Hiện nay, PMT hệ loại màng mỏng CIGS chiếm 10 % thị phần hàng hóa pin quang điện Tồn sản phẩm điện từ mặt trời không đáng kể so với lượng lượng mà giới yêu cầu Vì vậy, hướng nghiên cứu pin mặt trời hệ loại màng mỏng cấp thiết có tính khả thi PMT đến năm 2050 Đối mặt với tình trạng cơng nghiệp hóa tăng dân số giới liên tục, loài người phải đương đầu với thách thức yêu cầu lượng Từ năm 2000 đến năm 2050, yêu cầu lượng trung bình tăng từ 13 TW (2000) đến khoảng 30 TW Năng lượng tập trung chủ yếu vào lượng nhiên liệu hóa thạch Nhân tố thúc đẩy lượng tái tạo làm tăng sản xuất khí gây hiệu ứng nhà kính, đặc biệt khí CO tích tụ khí Từ cuối kỉ XIX, nồng độ CO2 tăng từ khoảng 280 phần triệu (ppm) đến 360 ppm [16] Nồng độ CO tăng từ 450 đến 550 ppm dự đoán gây thay đổi thời tiết Với tốc độ tiêu thụ lượng hóa thạch nhu cầu sử dụng lượng toàn cầu tăng, phải đối mặt với nguồn nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt nồng độ CO2 tăng đến 750 ppm vào năm 2050, gấp lần nồng độ [9] Trong viễn cảnh này, Trái đất trở thành nơi có hội sống Vấn đề nguời phải làm để tận dụng nguồn lượng đáp ứng yêu cầu xã hội bảo vệ mội trường sống Như vậy, lượng mặt trời ứng cử viên tốt ngăn chặn thảm hoạ khí hậu 1.2 Những thách thức đặt Việc phát triển loại pin mặt trời màng mỏng CIGS có những vướng mắc cần các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu tháo gỡ Vấn đề lớn nhất là đặc trưng hiệu hoạt đợng (dịng cực đại, cực đại, hiệu suất biến đổi lượng, hệ số lấp đầy) của loại pin này chưa cao sản xuất ở qui mô lớn và còn chưa ổn định, tức là phụ thuộc rất nhiều yếu tố thành phần, cấu trúc, công nghệ chế tạo Để giải quyết bài toán này, trước hết các nhà khoa học phải chế tạo được các lớp riêng rẽ của cấu trúc pin với phẩm chất mong muốn, phải hiểu được mối liên quan giữa điều kiện chế tạo với tính chất vật liệu, giữa các tính chất của các lớp riêng rẽ với hiệu hoạt động của toàn bộ cấu trúc Trong lĩnh vực này, ngoài các nghiên cứu thực nghiệm chế tạo mẫu bằng các phương pháp khác nhau, đo đạc các đặc tính vật liệu, phương pháp mô phỏng cũng là một công cụ hữu hiệu [11-12] Ở bài toán mô phỏng, các nhà nghiên cứu chú ý khảo sát ảnh hưởng các tham số đặc trưng của vật liệu lên hiệu làm việc của pin thông qua các mô hình vi mô về chế hoạt động Một loạt các hướng nghiên cứu khác cũng được các nhà khoa học tiến hành giảm chiều dầy các lớp [6-7], tăng cường độ bền học của pin, nâng cao suất chế tạo, giảm giá thành và đảm bảo an toàn môi trường chế tạo [4-15] Trên thế giới có một số trung tâm nghiên cứu mạnh về pin mặt trời màng mỏng CIGS, điển hình là NREL (Mỹ), Đại học Tổng hợp Colorado (Mỹ), Đại học Tổng hợp Uppsala (Thụy Điển) với kinh phí rất lớn, khoảng 10 đến 20 triệu đô la cho một dự án Tại các trung tâm này, các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu xây dựng các dây chuyền sản xuất, bên cạnh đó vẫn tiếp tục các nghiên cứu bản theo các hướng đã nêu ở Vấn đề thứ hai đặt độ bền lâu dài thiết bị Câu hỏi đặt số mô đun giữ chất lượng bền vững số khác khơng? Để trả lời câu hỏi này, cần hiểu biết tốt chế suy giảm linh kiện, phận mơ đun hồn chỉnh Ví dụ, việc thấm nước qua vỏ bọc làm suy giảm chất lượng Vì vậy, việc cải tiến hàng rào màng mỏng với nước nâng cao độ bền hoạt động Nhiều nghiên cứu tiến hành để điểu chỉnh khảo sát chất lượng mô đun CIGS ngồi mơi trường Cho tới ngày nay, mức độ hiểu biết nguyên nhân làm suy giảm chất lượng không phù hợp thiếu đồng nghiên cứu thiết bị mô đun Tình hình nghiên cứu và sử dụng PMT tại Viêt Nam đã được thể hiện khá đầy đủ tại Hội thảo quốc tế về “Điện mặt trời công nghiệp từ sản xuất chế tạo đến khai thác hiệu quả” tổ chức tại thành phố Hồ Chí Minh vào tháng năm 2008 [1] Tại Việt Nam, nghiên cứu PMT đã từng được bắt đầu từ khá sớm đối tượng PMT silic Việc sử dụng PMT còn ở mức độ hạn chế Thời gian gần đây, qui mô sử dụng PMT được phát triển nhanh chóng vẫn sở loại pin silic thường được nhập từ nước ngoài dưới dạng bán thành phẩm hoặc thành phẩm Trước nhu cầu lớn về PMT, đặc biệt nhu cầu phục vụ các vùng sâu, vùng xa, hải đảo, tầu đánh cá, gần nhất, một số nhà máy sản xuất mô đun PMT loại silic đã được khởi công xây dựng tại Việt Nam với dây chuyền công nghệ hoàn toàn được nhập khẩu Một số công ty nước cũng đã cho mắt các sản phẩm phục vụ ngành điện mặt trời các thiết bị lưu điện, thiết bị chuyển đổi điện ăcqui thành điện lưới Như vậy điện mặt trời có nhu cầu và tiềm rất lớn ở nước ta Các thông tin cũng cho thấy PMT thế hệ mới sở màng mỏng CIGS là lĩnh vực mới ở Việt Nam 1.3 Cấu trúc tham số đặc trưng 1.3.1 Cấu trúc PMT PMT hệ dựa lớp hấp thụ CIGS chế tạo dựa thuỷ tinh chất không sử dụng công nghệ lắng đọng Cấu trúc pin mô tả hình vẽ đây: Lưới Al Hình 2: Cấu trúc pin mặt trời với lớp hấp thụ CIGS Lớp lớp dẫn điện suốt ZnO, lớp hệ số phản xạ thấp hiệu pin cao Do vậy, việc tạo lớp chống phản xạ bề mặt cần thiết Trên thực tế, thường sử dụng MgF2 Lớp thứ hai lớp đệm CdS với độ dày khoảng (50 nm) Phần lớn photon có bước sóng ngắn bị hấp thụ lớp Lớp thứ ba lớp hấp thụ CIGS với độ dày khoảng 1000 nm – 3000 nm, hệ số hấp thụ lớn khoảng 105cm-1 Phần lớn ánh sáng chiếu tới bị hấp thụ lớp Lớp dẫn điện đế Al Cuối cùng, lớp đế Mo [14] Trong lớp tạo nên cấu trúc hồn chỉnh PMT, có ba lớp đóng vai trị quan trọng lớp hấp thụ CIGS, lớp đệm CdS lớp dẫn điện truyền qua suốt ZnO Trong đó, lớp hấp thụ CIGS bán dẫn loại p, lớp CdS lớp ZnO bán dẫn loại n Cả ba lớp chất bán dẫn nên thông số đầu vào tham số tính chất chất bán dẫn số điện môi, hệ số hấp thụ, độ rộng vùng cấm, nồng độ hạt tải, độ linh động hạt tải Ảnh hưởng sai hỏng tính đến qua tham số mật độ, phân bố sai hỏng, tiết diện bắt điện tử lỗ trống trạng thái sai hỏng Phân bố vùng lượng mặt phân cách phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm lực hóa học lớp Ngoài ra, hiệu ứng bề mặt lớp ZnO mặt đáy CIGS tính đến thông qua tham số hệ số phản xạ, tốc độ điện tử lỗ trống tái hợp Ngoại trừ tham số chọn để khảo sát, tham số khác chọn từ số liệu thực nghiệm giả thiết thích hợp Hoạt động pin mô điều kiện chiếu sáng tiêu chuẩn AM-1.5G 300 K 1.3.2 Các đặc trưng hiệu hoạt động PMT màng mỏng CIGS Luận văn nghiên cứu tập trung bốn thông số đặc trưng đầu hiệu hoạt động PMT: Thế hở mạch, mật độ dòng đoản mạch, hệ số lấp đầy hiệu suất chuyển đổi lượng 10 Hình 14: Sự phụ thuộc hở mạch vào hệ số phản xạ mặt trước Hình 15: Sự phụ thuộc hệ số lấp đầy vào hệ số phản xạ mặt trước Kết thu phù hợp với lý thuyết Khi hệ số phản xạ mặt trước nhỏ khả khả hấp thụ lượng ánh sáng từ pin mặt trời giảm Mặt khác hiệu suất chuyển đổi lượng tỷ số công suất chuyển đổi với công suất chiếu sáng nhận từ mặt trời Bên cạnh đó, mật độ dịng giảm nhanh Như vậy, để nâng cao hiệu suất chuyển đổi lượng vấn đề quan trọng phải giảm hệ số phản xạ mặt trước Một số biện pháp để giảm hệ số mặt trước như: - Chọn vật liệu có hệ số phản xạ thấp, suốt 42 - Chế tạo bề mặt phẳng nhẵn, mặt trước phải có độ dày phù hợp để xảy tượng giao thoa mỏng - Việc tạo lớp chống phản xạ cần thiết Trên thực tế, chọn vật liệu làm lớp chống phản xạ MgF2 4.2 Ảnh hưởng độ chênh lệch lượng đáy vùng dẫn (∆ EC) mặt tiếp xúc lớp Như xét độ chênh lệch lượng đáy vùng dẫn phụ thuộc vào lực hoá học Đối với pin mặt trời hệ với lớp hấp thụ CIGS, ta xét ảnh hưởng phân bố vùng lượng mặt tiếp xúc CdS/CIGS Qua số tài liệu ta thấy rằng, độ chênh lệch lượng đáy vùng dẫn mặt tiếp xúc CdS/CIGS dương tái hợp bề mặt tiếp xúc hai lớp cao âm tái hợp bề mặt hai lớp tiếp xúc thấp Sự phụ thuộc đặc trưng đầu vào thay đổi ∆EC thể qua bảng giá trị hình biểu diễn Bảng 5: Giá trị đặc trưng đầu chương trình mô chiều AMPS – 1D thay đổi lượng đáy vùng dẫn mặt tiếp xúc ΔΕC Hiệu suất (η) Hệ số lấp đầy Thế hở mạch Mật độ dòng (ff) (VOC ) đoản mạch (JSC) (1) (2) (3) (4) (5) - 0,6 9,15 56 1,5 10 - 0,5 12 56,5 1,4 13 - 0,4 13,9 57 1,3 16 - 0,3 15 57,5 1,2 19,5 - 0,2 16,01 58 1,1 22,5 - 0,1 16,58 58,6 1,01 26 0,0 17,05 59 0,92 29 (1) (2) (3) (4) (5) 43 0,1 17,36 59 0,81 32 0,2 17,34 59,04 0,7 35 0,3 17,59 59,06 0,62 37 0,4 16,07 59 0,51 39 0,5 12 58 0,41 42 0,6 57 0,3 Từ đồ thị bảng giá trị ta thấy rằng: Khi thay đổi lực hoá học lớp hấp thụ CIGS thay đổi giá trị ∆E C Các đặc trưng đầu hiệu hoạt động pin mặt trời hệ với lớp hấp thụ CIGS thu từ chương trình mơ thay đổi Cụ thể : Hình 16: Sự phụ thuộc hiệu suất vào ∆ΕC Hiệu suất chuyển đổi lượng tăng dần sau xuất cực đại giá trị ΔEC = 0,3 eV với hiệu suất 17,59 %, sau giảm dần xuống giá trị % 44 Hình 17: Sự phụ thuộc mật độ dòng đoản mạch JSC vào ∆ΕC Cũng tương tự vậy, mật độ dòng đoản mạch tăng dần có cực đại ΔEC = 0,5 eV với mật độ dòng đoản mạch 42 mA/cm 2, sau mật độ dịng đoản mạch giảm đột ngột xuống giá trị mA/cm Hình 18: Sự phụ thc hệ số lấp đầy ff vào ∆ΕC Hệ số lấp đầy xuất cực đại ΔE C = 0, eV với hệ số lấp đầy 59 sau giảm xuống 57 Nhìn chung, hệ số lấp đầy có thay đổi khơng đáng kể 45 Hình 19: Sự phụ thuộc hở mạch VOC vào ∆ΕC Thể hở mạch giảm nhanh từ giá trị 1,5 V xuống 0,3 V.Như vậy, thay đổi lượng đáy vùng dẫn ảnh hưởng trực tiếp đến thê hở mạch Trong thực tế, tuỳ vào nhu cầu mục đích chọn đặc trưng đầu thiết bị mà ta chọn giá trị ΔEC Nếu xét chung nhất, đặc biệt ta quan tâm đến đặc trưng hiệu hoạt động ta thấy giá trị ΔE C = 0,3 eV phù hợp Vì sau giá trị này, mật độ dòng tăng, mà hở mạch chưa giảm nhiều hệ số lấp đầy, hiệu suất chuyển đổi đạt giá trị cực đại Thế hở mạch giảm nhanh ΔE C > 0,3 eV trình tái hợp xảy nhanh trình phát sinh cặp điện tử - lỗ trống làm cho hệ số lấp đầy giảm dần Mặc dù mật độ dịng đoản mạch tăng tăng dòng tái hợp Việc chọn ΔEC = 0,3 eV phù hợp Để thay đổi giá trị ΔE C, theo tài liệu ta thấy nhà khoa học thường chế tạo thêm lớp đệm phụ để làm giảm trình tái hợp mặt tiếp xúc lớp 4.3 Ảnh hưởng độ dầy lớp hấp thụ CIGS Khi nghiên cứu ảnh hưởng độ dày lớp hấp thụ CIGS lên đại lượng đặc trưng cho hiệu hoạt động pin mặt trời màng mỏng, khảo sát độ dầy lớp hấp thụ nằm khoảng từ 1000 nm – 11000 nm 46 Bảng : Kết mô đặc trưng hiệu hoạt động pin theo độ dầy lớp hấp thụ CIGS (nm) JSC (A/cm2) η (%) ff VOC (V) 1000 30.119 15.925 0.824 0.641 2000 30.191 16.623 0.831 0.663 3000 30.188 16.921 0.831 0.674 4000 30.188 17.089 0.830 0.682 5000 30.187 17.189 0.828 0.688 6000 30.199 17.256 0.825 0.693 7000 30.192 17.286 0.822 0.697 8000 30.188 17.3 0.819 0.7 9000 30.187 17.305 0.816 0.703 10000 30.187 17.305 0.813 0.706 11000 30.184 17.303 0.81 0.708 Kết mô biểu diễn hình vẽ Hình 20: Sự phụ thuộc mật độ dòng đoản mạch theo độ dầy lớp hấp thụ CIGS 47 Các đại lượng đặc trưng mật độ dòng đoản mạch tăng dần theo bề dày lớp hấp thụ đến khoảng giá trị định bề dày lớp hấp thụ đặc trưng đạt trạng thái bão hồ Ví dụ mật độ dịng tăng dần độ dầy lớp hấp thụ tăng từ 1000nm đến 2000nm Từ độ dầy 2000nm đến 11000nm giá trị mật độ dịng khơng thay đổi đạt giá trị bão hồ 30,18mA/cm2 Hình 21: Sự phụ thuộc hở mạch theo độ dầy lớp hấp thụ CIGS Ta thấy đặc trưng hở mạch Giá trị hở mạch tăng dần ta tăng bề dầy lớp hấp thụ 48 Hình 22: Sự phụ thuộc hiệu suất chuyển đổi lượng với độ dầy lớp hấp thụ CIGS Tương tự ta thấy ta thay đổi độ dày lớp hấp thụ từ 1000nm đến 5000nm giá trị hiệu suất tăng từ 16% đến 17,2% Khi độ dày lớp hấp thụ thay đổi từ 6000nm đến 11000nm hiệu suất đạt giá trị bão hồ 17,3% Ngược lại hình 23 đặc trưng hệ số lấp đầy lại giảm dần ta tăng độ dày lớp hấp thụ Hình 23: Sự phụ thuộc hệ số lấp đầyvới độ dầy lớp hấp thụ CIGS Như đặc trưng đầu thay đổi khác ta thay đổi bề dày lớp hấp thụ Trong phạm vi luận văn ta quan tâm đến yếu tố quan trọng ảnh hưởng bề dày lên hiệu suất chuyển đổi lượng Ở ta thấy độ dày phù hợp khoảng 2000nm đến 3000nm, kết phù hợp với Pudov’s tìm [7] Vì vừa đảm bảo phù hợp ba đặc trưng 49 lại đặc biệt ta tăng độ dầy lớp hấp thụ lên vừa tốn nguyên vật liệu mà hiệu suất chuyển đổi lượng không thay đổi đáng kể Mặt khác, ta tăng độ dày lớp hấp thụ lớn trình tái hợp lại tăng nhanh trình tạo cặp lên làm giảm hệ số lấp đầy Vậy, độ dày lớp hấp thụ phù hợp khoảng từ 2000 nm đến 3000 nm 4.4 Ảnh hưởng độ rộng vùng cấm Eg lớp hấp thụ CIGS Vùng cấm: Là vùng nằm vùng hoá trị vùng dẫn, bán dẫn không pha tạp điện tử khơng tồn vùng cấm Khoảng cách đáy vùng dẫn đỉnh vùng hoá trị gọi độ rộng vùng cấm Tuỳ theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ mà chất bán dẫn dẫn điện hay khơng dẫn điện Độ rộng vùng cấm lớp hấp thụ CIGS khảo sát từ 1eV – 1,7 eV, lần thay đổi cách 0.1 eV Giá trị độ rộng vùng cấm khác tùy vào nồng độ Gali pha vào CuIn1-xGaxSe2 (x từ tới 1)[15] Bảng 7: Kết mô đặc trưng hiệu hoạt động pin theo độ rộng vùng cấm lớp hấp thụ CIGS Eg (eV) JSC (mA/cm2) η (%) Ff VOC (V) 30.31 12.784 0.801 0.527 1.05 30.312 14.165 0.812 0.575 1.1 30.273 15.552 0.822 0.625 1.15 30.282 16.976 0.831 0.674 1.2 30.292 18.406 0.839 0.724 1.25 30.301 19.836 0.846 0.774 1.3 30.310 21.232 0.852 0.822 1.35 29.261 21.627 0.857 0.863 1.4 26.864 20.422 0.858 0.886 50 1.45 25.675 19.675 0.858 0.893 1.5 23.358 17.909 0.857 0.894 1.55 23.358 17.914 0.857 0.894 1.6 22.072 16.918 0.857 0.895 1.65 19.54 15.958 0.855 0.895 1.7 18.324 14.018 0.855 0.895 51 Ta thu kết đặc trưng đầu sau: Hình 24: Sự phụ thuộc mật độ dòng đoản mạch vào độ rộng vùng cấm Mật độ dịng khơng thay đổi Eg thay đổi từ 1,0 eV đến 1,3 eV mât độ dòng giảm dần từ 31,2 mA/cm2 xuống khoảng 10 mA/cm2 ta tăng độ rộng vùng cấm từ 1,3 eV đến 1,7 eV Hình 25: Sự phụ thuộc hở mạch theo độ rộng vùng cấm lớp hấp thụ CIGS Hình 25 cho thấy hở mạch tăng đáng kể từ giá trị eV tới 1,4 eV, từ giá trị 1,4 eV trở hở mạch khơng đổi xung quanh giá trị 0,895 V 52 Hình 26: Sự phụ thuộc hiệu suất vào độ rộng vùng cấm Hình 26 thấy rằng: thay đổi độ rộng vùng cấm từ 1,0 eV đến 1,35 eV hiệu suất tăng dần đạt cực đại hiệu suất chuyển đổi lượng độ rộng vùng cấm 1,35 eV Khi ta tiếp tục tăng giá trị độ rộng vùng cấm giá trị hiệu suất giảm giảm nhanh Hệ số lấp đầy tăng dần tăng độ rộng vùng cấm từ 1,0 eV đến 1,35 eV giá trị hệ số lấp đầy không thay đổi ta tiếp tục tăng độ rộng vùng cấm lớp hấp thụ CIGS Hình 27: Sự phụ thuộc hệ số lấp đầy vào độ rộng vùng cấm Eg Như giá trị độ rộng vùng cấm phù hợp để đáp ứng đặc trưng đầu chạy chương trình mơ mà đặc trưng quan trọng hiệu suất chuyển đổi lượng đạt cực đại 1.35 eV Điều tương ứng với tỷ lệ nồng độ In/Ga 70/30 53 KẾT LUẬN  Chương trình mơ chiều AMPS – 1D công cụ hữu hiệu để khảo sát ảnh hưởng cấu tạo pin tính chất vật liệu lên hiệu hoạt động pin Kết mơ thơng tin hữu ích để định hướng cho công nghệ chế tạo  Do ảnh hưởng lớn hệ số phản xạ mặt trước lên hiệu hoạt động pin nên việc tạo lớp chống phản xạ cần thiết  Sự thay đổi lượng tiếp xúc để hiệu chuyển đổi lượng pin cao 0,3 eV Để thay đổi giá trị người ta thường đưa thêm lớp đệm  Độ dày tối ưu lớp hấp thụ: 2000 nm – 3000 nm  Độ rộng vùng cấm tối ưu lớp hấp thụ CIGS 1,35 eV tương ứng với tỉ lệ nồng độ In/Ga 70/30  Hiệu hoạt động pin với cấu hình tối ưu là: η = 17,6 %; JSC= 30,19 mA/cm2; VOC = 0,67 V ; ff = 0,831 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Trịnh Quang Dũng, (9/2008), Tổng quan tình hình phát triển điện mặt trời Việt Nam, Báo cáo Hội thảo quốc tế về: “Điện mặt trời công nghiệp từ sản xuất chế tạo đến khai thác hiệu quả”, thành phố Hồ Chí Minh Phùng Hồ, Phan Quốc Phơ, (2008) Giáo trình Vật liệu bán dẫn, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật Walberer, (9/2008), giám đốc điều hành Solar world Châu Á, Công nghiệp PV phát triển ngành lượng mặt trời giới, Báo cáo Hội thảo quốc tế về: “ Điện mặt trời công nghiệp từ sản xuất chế tạo đến khai thác hiệu quả”, thành phố Hồ Chí Minh Tiếng Anh C Eberspacher, K Pauls, and J Serra, (05/2002), “Non-Vacuum Processing of CIGS Solar Cells,” Proc 29thIEEE PV Spec, New Orleans, Conf 684 D S Albin, J Carapella, J R Tuttle, and R Noufi, (1992) Mat Res Soc Symp Proc Vol 228, 267 Gupta and A.D Compaan, (2005), 31st IEEE PV Specialists Conference, IEEE, Piscataway, NY, p 235 K Ramanathan, R Noufi, B To, D L Young, R J Dhere, R Bhattacharya, In these Proceedings M.A Contreras, and G Teeter, K Zweibel, (2004), H Ullal, and B von Roedern, Finally: Thin ungpp.48-54 N S Lewis, Global Energy Perspective 10 M A Contreras, W N Shafamann, J Abushama, F Hasoon, D L Young, B Egaas and R Noufi,( 2005) Prog Photovoltaics 55 11 M A Green, (2003), in Proc 3rd World Conf Photovoltaic Energy Conversion p.OPL–02 12 M Gloeckler and J R Sites, , (2005), Appl Phys 98, 103703 13 M Gloeckler and J.R Sites, (6- 2006), Private Communications, CIGS National Team Meeting 14 Markus Gloeckler, (2003), Numerical Modeling of CIGS Solar Cells, Department of Physics of Master of Science Colorado State University Fort Collins, Colorado Spring 15 V.K Kapur, A Bansal, P Le, and O.I Asensio, ( 05/2002), Non-Vacuum Processing for CIGS Solar Cells on Rigid and Flexible Substrates, Proc 29th IEEE PV Spec, New Orleans, Conf 688 16 United Nations Development Programme, United Nations Department of Economic and Social Affairs and World Energy Council, Tech Rep URL 17 The center for Nanotechnology and Utilization, A Manual for AMPS – 1D, The Pennsylvania State University Park, PA 16802 18 W N Shafamann and L Stolt, (2003), Hanbook of Photovoltalic Science and Engineering, pp 564-616 56 ... tiếp dị thể n-Si/p-CIS 14 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG MỘTCHIỀU AMPS – 1D (Analysis of Microelectronic and Photonic Structures) Chương trình mơ chiều AMPS – 1D chương trình đa để khảo sát ảnh... nhiệt động 25 CHƯƠNG CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG MỘT CHIỀU AMPS – 1D Chúng ta thảo luận việc chọn thông số lớp ZnO/CdS/CIGS để đưa vào chạy chương trình mơ AMPS – 1D Những thông... (cm2) 38 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong trình nghiên cứu khảo sát cấu tạo pin, tính chất lớp thơng số đặc trưng cho thiết bị Luận văn đưa số kết tính tốn từ chương trình mô chiều AMPS – 1D thay