Bài báo cáo học phần môn Seminar, đạt điểm cuối kì 9.8 Trường Đại học Công nghệ VNU. Tìm hiểu dạng vật liệu màng mỏng, các tính chất, cấu tạo, phân loại và ứng dụng của nó vào ngành năng lượng mặt trời
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA VẬT LÝ KĨ THUẬT VÀ CƠNG NGHỆ NANO SEMINAR VÀ THẢO LUẬN NHĨM VỀ CƠNG NGHỆ NANO VÀ ỨNG DỤNG BÀI BÁO CÁO ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU DẠNG MÀNG MỎNG Cán hướng dẫn Sinh viên thực TS.Vũ Thị Thao Nguyễn Văn Hiếu Hà Nội ,2022 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG -3 LỜI MỞ ĐẦU A VẬT LIỆU NANO -5 B MÀNG MỎNG I Định nghĩa -5 II Tính chất -6 III Cấu tạo -6 IV Phân loại ,ứng dụng V Chế tạo màng mỏng -10 VI Ứng dụng vật liệu màng mỏng pin mặt trời 10 Tổng quan pin mặt trời màng mỏng -11 Pin mặt trời màng mỏng CdTe 12 2.1 Giới thiệu 12 2.2 Cấu tạo -14 Pin mặt trời màng mỏng CIGS 15 3.1 Giới thiệu 15 3.2 Cấu tạo -17 Pin mặt trời silicon (a-Si ) vô định hình 19 4.1 Giới thiệu 19 4.2 Cấu tạo -20 Ưu nhược điểm pin mặt trời màng mỏng -21 KẾT LUẬN 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO -23 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Vật liệu nano Hình 2: Một cấu trúc màng mỏng đa lớp tiếp xúc Hình 3: Các cách chế tạo màng mỏng 10 Hình 4: Ảnh pin mặt trời CdTE 12 Hình 5: Cấu trúc vùng lượng pin mặt trời dạng ZnO/CdS/CdTe 13 Hình 6: Cấu tạo pin mặt trời CdTe .14 Hình 7: Ảnh SEM pin mặt trời CIGS 15 Hình 8: Ảnh pin mặt trời CIGS 15 Hình 9: Cấu trúc vùng lượng pin mặt trời dạng ZnO/CdS/CIGS 16 Hình 10: Cấu tạo pin mặt trời CIGS 17 Hình 11: Phân tích phổ EDS bề mặt pin CIGS 18 Hình 13: Cấu trúc pin photodiode 19 Hình 14: Ảnh pin mặt trời silicon (a-Si) vơ định hình 19 Hình 15: Cấu tạo pin mặt trời silicon (a-Si) vơ định hình 20 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Phân loại theo tính chất ứng dụng công nghệ màng mỏng LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ Nano phát phát triển từ năm cuối kỉ 20 Công nghệ nano cho phép thao tác sử dụng vật liệu tầm phân tử, làm tăng tạo tính chất đặc biệt vật liệu, giảm kích thước thiết bị, hệ thống đến kích thước cực nhỏ Trong thời đại khoa học kĩ thuật trờ thành lực lượng sản xuất trực tiếp với phát triển khoa học kỹ thuật ngày cao mà tính chất màng mỏng nhiều quan tâm ý nhà khoa học Các nhà khoa học nghiên cứu chế tạo thiết bị ứng dụng thực tiễn đặc biệt ứng dụng cho pin mặt trời Đây xem cách mạng công nghiệp, thúc đẩy phát triển lĩnh vực Với lý em định chọn đề tài để làm rõ khả ứng dụng vật liệu nano dạng màng mỏng đặc biệt ứng dụng pin mặt trời A VẬT LIỆU NANO Hiện nay, khoa học ứng dụng có xu hướng tích hợp lại để nghiên cứu đối tượng nhỏ bé có kích thước nguyên tử Vì vậy, người bắt đầu nghiên cứu vật liệu có kích thước nano mét, vật liệu gọi vật liệu nano Chữ nano, gốc Hi Lạp, gắn vào trước đơn vị đo để tạo đơn vị ước giảm tỉ lần (109) Ví dụ: nano gam= phần tỉ gam, nano mét = phần tỉ mét Điểm kì diệu kích thước chiều dài, điểm mà vật liệu sáng chế nhỏ người chế tạo cấp độ nguyên tử phân tử giới tự Hình 1: Vật liệu nano nhiên nano mét Vật liệu nano (nanomaterials) tổ chức, cấu trúc, thiết bị, hệ thống, có kích thước nano (khoảng từ nano mét đến 100 nano mét, tức cỡ nguyên tử, phân tử, hay đại phân tử) Các vật liệu với kích thước có tính chất hóa học, nhiệt, điện, từ, quang, xúc tác đặc biệt, khác hẳn vật liệu có kích thước lớn.[CITATION Wha19 \l 1033 ] B MÀNG MỎNG I Định nghĩa Màng mỏng (thin film) định nghĩa sau: Màng mỏng kiểu hình thái vật liệu có chiều kích thước (thường bề dày) vơ nhỏ so với hai chiều lại, nằm khoảng (10 -1000nm) Màng mỏng hay nhiều lớp mỏng vật liệu phát triển đế để đạt tính chất mà bề mặt đế khơng thể khơng dễ dàng đạt được.[ CITATION Thu14 \l 1033 ] II Tính chất -Màng mỏng khác với vật liệu khối nhờ tính chất “mỏng” Được hiểu sau: Xét không gian ba chiều (x ,y,z) mỏng hiểu chiều z 30%.[ CITATION Bai18 \l 1033 \m Bon98] Hình 5: Cấu trúc vùng lượng pin mặt trời dạng ZnO/CdS/CdTe[ CITATION Far13 \l 1033 ] Sơ đồ vùng lượng PMT cấu trúc ZnO/CdS/CdTe trình bày Photon có lượng nhỏ 3,6 eV qua lớp cửa sổ ZnO Những photon có lượng nằm khoảng từ 2,4 đến 3,6 eV bị hấp thụ lớp đệm CdS, lớp mà đưa vào lý đo cơng nghệ Hầu hết photon đến lớp CdTe bị hấp thụ mạnh lớp này.[ CITATION Far13 \l 1033 ] 2.2 Cấu tạo 13 Cấu tạo gồm thành phần: Hình 6: Cấu tạo pin mặt trời CdTe Oxit dẫn điện suốt (TCO): Đối với pin mặt trời CdTe, việc lựa chọn tiếp xúc phía trước TCO, cần chọn kĩ lưỡng sử dụng cấu trúc siêu nhiệt Hai số TCO phổ biến sử dụng cho PV màng mỏng SnO2:In2O3 (ITO) ZnO:Al (AZO), hai có điện trở thấp độ suốt quang học cao Tuy nhiên, hai lớp vấn đề việc chế tạo tế bào CdTe AZO có xu hướng phân hủy nhiệt độ >400°C, làm độ dẫn điện, ITO phân hủy indium khuếch tán, n, vào lớp CdTe Đối với nhiệt độ lắng đọng cao >500°C, lựa chọn tiêu chuẩn sử dụng SnO2:F (FTO).[ CITATION Bai18 \l 1033 \m Rom21] Lớp cửa sổ CdS: Khi phát triển ban đầu công nghệ, cấu trúc dị liên kết tiêu chuẩn n-CdS/p-CdTe Lớp “cửa sổ” CdS sử dụng rộng rãi cho số công nghệ màng mỏng (ví dụ: CIGS, CZTS) 14 Sự lắng đọng CdS cho tế bào CdTe chế tạo phương pháp: Thăng hoa không gian gần (CSS), bốc bay nhiệt, lắng đọng hóa chất hữu cơkim loại (MOCVD), phún xạ RF, lắng đọng hóa học(CVD) Lớp hấp thụ: CdTe màng mỏng đa tinh thể pha tạp loại n p CdTe có cấu trúc tinh thể hợp chất liên kết ion mạnh nên độ ổn định hóa học nhiệt cao điều giúp pin giảm nguy suy giảm hiệu suất Có độ rộng vùng cấm Eg (300K)=1,45 eV, Hệ số hấp thụ ~ 10 cm-1, giúp cho pin hấp thụ tốt xạ mặt trời (c> 90% ánh sáng).[ CITATION Bai18 \l 1033 ] Chế tạo nhiều phương pháp: Lắng đọng điện, phún xạ, bay nhiệt, MOCVD CSS Trong số kỹ thuật này, CSS vốn áp dụng dễ dàng cấp độ công nghiệp phần lớn tế bào gần sử dụng kỹ thuật này.[ CITATION Rom21 \l 1033 ] Lớp tiếp xúc điện cực: Để tăng khả dẫn điễn điện, dùng loại vật liệu như: ZnTe, Sb2Tb3, As2Te3 Đế: Thường số kim loại như: Ag, Mo, Al, Cu,… cacbon Pin mặt trời màng mỏng CIGS 15 3.1 Giới thiệu Hình 7: Ảnh SEM pin mặt trời CIGS[ CITATION Thi17 \l 1033 ] 16 Hình 8: Ảnh pin mặt trời CIGS Pin dựa Đồng Indium Gallium Selenua (CIGS) phát triển để sản xuất điện mặt trời với hiệu suất cỡ ~23% Hấp thụ ánh sáng tốc độ hiểu hơn 10100 lần so pin làm từ silicon, hao phí vật liệu Khả chống xạ cao[ CITATION htt20 \l 1033 ] CIGS chất bán dẫn loại chalcopyrite CIGS với độ dày khoảng 1000 nm - 3000 nm có vùng cấm thẳng hệ số hấp thụ lớn cỡ 5.105 cm-1 tính chất định khiến CIGS đóng vai trị lớp hấp thụ với độ dày vài micromet Độ rộng vùng cấm CIGS từ 1,0 đến 1,7 eV tùy thuộc vào tỉ lệ In Ga Thông thường tỉ lệ 70/30 tương ứng với độ rộng vùng cấm 1,35 eV[ CITATION Chư20 \l 1033 ] Giá trị trùng với cực đại phổ lượng mặt trời Ưu điểm cơng nghệ sử dụng ngun liệu thơ thấp với quy trình sản xuất phức tạp làm từ silicon, độ dày màng thu theo thứ tự vài micrơmet Hình 9: Cấu trúc vùng ZnO/CdS/CIGS[ CITATION Chư20 \l 1033 ] lượng pin mặt trời dạng Sơ đồ vùng lượng PMT cấu trúc ZnO/CdS/CIGS trình bày Photon có lượng nhỏ 3,3 eV qua lớp cửa sổ ZnO Những photon có lượng nằm khoảng từ 2,4 đến 3,3 eV bị hấp thụ lớp đệm CdS, lớp mà đưa vào lý cơng nghệ Hầu hết photon đến lớp CIGS bị hấp thụ mạnh lớp 17 3.2 Cấu tạo Hình 10: Cấu tạo pin mặt trời CIGS [ CITATION Chư20 \l 1033 ] Quy trình: Tạo lớp đế: Vật liệu thủy tinh kim loại chất dẻo Tạo lớp dẫn điện đế: Vật liệu tiếp xúc ngược tốt cho pin mặt trời CIGS tìm thấy Molypden có độ dẫn điện cao độ ổn định tương đối nhiệt độ xử lý cao Quá trình phún xạ lớp Mo (1μm) nền thủy tinh,cấu trúcm) thủy tinh,cấu trúc hai lớp 1:1 lớp dùng magnetron DC bắn áp suất cao lớp lắng áp suất thấp để tăng dộ dẫn điện[ CITATION Chư20 \l 1033 ] Tạo lớp hấp thụ: Chất bán dẫn loại p Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) lắng đọng phương pháp: phún xạ lắng đọng điện hóa,… tạo tiền chất kim loại Cu, In, Ga Mo sau q trình selen/S hóa để tạo thành màng CIGS hồn chỉnh Chế tạo tế bào CIGS bao gồm bước sau: 18 i Lắng đọng nhiệt độ phòng để đạt q trình nhiệt độ thấp giảm giá thành thiết bị ii Đưa Se vào lúc suốt trình để tránh gây hại cho tế bào thực vật Si cách phát sinh lồi khơng mong muốn iii Lớp đệm Cd hướng tới quy trình thân thiện với mơi trường [ CITATION LêT11 \l 1033 ] Tạo lớp đệm: Lớp CdS (80nm) tạo phương pháp lắng đọng bể hóa học (CBD) Là q trình quan trọng cơng nghệ sản xuất mô-đun lượng mặt trời màng mỏng CIGS Lớp đệm CdS (n-type) lớp tiếp xúc dị thể hình thành lớp tiếp nối với lớp hấp thụ CIGS (p-type) đồng thời dẫn lượng ánh sáng tối đa tới lớp hấp thụ Lớp đệm CdS bảo vệ lớp hấp thụ CIGS, mối nối, góc cạnh khỏi phản ứng hóa học tác động học Đặc biệt tác động trình phún xạ ZnO giai đoạn giúp lớp hấp thụ CIGS có tuổi thọ cao Tạo lớp dẫn điện suốt: Phủ i-ZnO (0.03-0.05 μm) nền thủy tinh,cấu trúcm) làm lớp tiếp xúc phía sau lớp TCO vai trò “bẫy ánh sáng” giúp ánh sáng mặt trời phản xạ nhiều lần qua lớp hấp thụ CIGS giúp tăng độ hiệu mô-đun Lớp oxit dẫn điện suốt (TCO) IZO (Indium Zinc Oxide) ITO (Indium Tin Oxide) AZO (Aluminium Zinc Oxide) vai trò điện cực màng với yêu cầu có độ dẫn điện, truyền ánh sáng cao (>80%), điện trở suất thấp Thơng thường lớp TCO (ZnO:Al) hiệu cao, giá thành thấp, nguyên liệu dồi không độc hại Với độ dày khoảng từ 0.3-0.5 µm, có Hình 11: Phân tích phổ EDS bề mặt pin CIGS[ CITATION TSS19 \l 1033 ] 19 điện trở thấp, độ truyền ánh sáng cao, tính ổn định hóa học tốt [ CITATION Cấu \l 1033 ] Các phép đo nội soi phân tán lượng (EDS) 10 kV thể Hình 11 Thành phần nguyên tử màng thu được tính là: Cu - 14,8%, In 18,35%, Ga - 2,86% Se - 25,95% Trên sở giá trị đo được, tỷ lệ tương đối Cu/(In + Ga) Ga/(In + Ga) tìm thấy 0,7 0,13 [ CITATION TSS19 \l 1033 ] Pin mặt trời silicon (a-Si ) vơ định hình 20