Lýdochọnđềtài 1
Ngày nay với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển khôngngừng, năng lƣợng càng thể hiện rõ vai trò quan trọng và trở thành yếu tốkhôngthểthiếutrongcuộcsống.Nhânloạiđang đối diệntrướchaitháchthứcto lớn: Thứ nhất là sự cạn kiệt nhanh các nguồn nhiên liệu hóa thạch và thứhai là sự biến đổi khí hậu toàn cầu Vì nguồn nguyên liệu hoá thạch đang chothấynhữngtácđộngxấuđếnmôitrường,gâyô nhiễmbầukhíquyểnnhƣgâyhiệu ứng nhà kính, thủng tầng ozôn, là một trong những nguyên nhân làm tráiđấtấmdần lên
Trướctìnhhìnhđó,vấnđềphảitìmđượcnh ữngnguồnnănglƣợngmớiđể đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lƣợng gia tăng lớn mạnh hàng ngày và thaythế những nguồn năng lượng có hại cho môi trường hoặc đang cạn kiệt đangtrở nên cấp thiết Trong số các dạng năng lƣợng thay thế tiềm năng, nănglƣợng mặt trời đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhànghiêncứutrong vàngoàinước[36].
Hiện nay, các tấm pin mặt trời trên thị trường thương mại chủ yếu làpin mặt trời dựa trên cơ sở vật liệu bán dẫn silic (đơn tinh thể hoặc màngmỏngđatinhthể)cóhiệusuấtchuyển đổiquangđiệntừ17%đến20%.Vìvật liệu Si thuộc loại bán dẫn vùng cấm xiên nên độ hấp thụ của nó rất thấp sovớic á c b á n d ẫ n v ù n g c ấ m t h ẳ n g D o đ ó
2 , v i ệ c s ử d ụ n g b á n d ẫ n v ù n g c ấ m thẳng cho phép thay thế lớp hấp thụ Si dày 200m bằng một màng mỏng bándẫn chỉ dày
2,0m Một trong những hệ vật liệu bán dẫn vùng cấm thẳngtriển vọng nhất làm lớp hấp thụ là hệ vật liệu
(S,Se)2và gần đây làhệvật liệu
Cu2ZnSn(SxSe1- x)4[1], [17]. Ở nước ta, hiện nay nghiên cứu và phát triển công nghệ pin mặt trời làmộttrongnhữngh ƣớngnghiêncứuđƣ ợcưutiênhàngđầu.
Cácnhómnghiên cứu trong lĩnh vực này tập trung chủ yếu tại một số đơn vị nghiên cứu nhƣViện Khoa học Vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam),Phòng thí nghiệm Công nghệ nano (Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh),Viện Vật lý kỹ thuật, Viện AIST, Viện ITIMS (ĐHBK Hà Nội) với một sốkết quả bước đầu nghiên cứu về các loại pin, các phương pháp chế tạo đãđượccôngbốtrêncáctạpchítrongnướcvàngoàinước[3],[4],[19],[29].
Qua tìm hiểu các nghiên cứu trên, có thể thấy việc chế tạo pin mặt trờibằng phương pháp thực nghiệm mang đến nhiều thành tựu quan trọng tronglĩnhvựccôngnghệvàcóvaitròtolớntrongviệcsảnxuấtpinmặttrờitrê nthịtrường.Tuy nhiên,nếuchỉdùngphươngphápthựcnghiệmnghiêncứuthìcần tiến hành lâu dài nên dẫn đến tăng giá thành sản phẩm Trong khi đó,chiều hướng giảm giá thành sản phẩm và hiệu suất chuyển đổi quang điệnđang là vấn đề đƣợc quan tâm Do đó, phương pháp mô phỏng là một trongnhững xu hướng có thể hỗ trợ hữu hiệu và đáp ứng hiệu quả kinh tế, kỹ thuậtcho phương pháp thực nghiệm Vì vậy, cùng với xu hướng trên với mongmuốnnghiêncứupinmặttrờimàngmỏngtrêncơsởhệvậtliệuCu2ZnSn(SxSe1- x)4nên tôi chọn đề tài luận văn: “Nghiên cứu mô hình và thiếtkếpin mặttrờimàng mỏngsửdụnglớphấp thụCu2ZnSn(SxSe1-x)4”
Mụcđíchvànhiệmvụnghiêncứu 2
Nghiên cứu tổng quan về pin mặt trời màng mỏng, phương pháp môhìnhhóavàmôphỏngsố.XâydựngmôhìnhvậtlívàthiếtkếtốiưuhóaphầntửPMTm àng mỏng trên cơsởlớphấp thụ Cu2ZnSn(SxSe1-x)4.
Đốitƣợngvàphạm vinghiêncứu 2
Đối tƣợng nghiên cứu: Pin mặt trời màng mỏng trên cơ sở lớp hấp thụCu2ZnSn(SxSe1-x)4.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu mô hình hóa và thiết kế phần tử pinmặttr ờ i m à n g m ỏ n g c ấ u t r ú c g l a s s/ T C O / C d S ( Z n S / C d S ) / C u2ZnS n(SxSe1-x)4
Phươngphápnghiêncứu3 Chương1.TỔNGQUANVỀPINMẶTTRỜI
Phương pháp nghiên cứu chính của đề tài là mô phỏng số phần tử pinmặt trời bằng phần mềm SCAPS-1D, kết hợp với các đoán nhận lý thuyết đểlựa chọn thông số thiết kế PMT tối ƣu Các kết quả mô phỏng sẽ là cơ sở choviệc thiết kế cấu trúc và định hướng cho quy trình công nghệ chế tạoPMTCu2ZnSn(SxSe1-x)4.
1.1 NĂNGLƢỢNGMẶTTRỜI- NĂNGLƯỢNGCỦATƯƠNGLAIHiệnnay,nguồnnănglượngkhaitháctừn h i ê n l i ệ u h ó a t h ạ c h v ẫ n l à nguồnnănglƣợngchủyếunhấttrênthếgiớivớisả nlƣợngtiêuthụchiếmtrên85%vàonăm2017.Bêncạnhđó,nguồnnănglƣợngtáitạ o(nănglƣợnggióvànănglƣợngmặttrời)đãđónggópsảnlƣợngtiêuthụ3,6% ,điềunàychothấyxuthếtăngtrưởngđángkểcủathịtrườngnănglượngtáitạot oàncầu.Tỷlệtiêuthụcácnguồnnănglƣợngtoàncầunăm2017đƣợcthểhiệntro ng Hình1.1 [35].
Trongsốnguồnnănglƣợngđangđƣợcsửdụngnhƣnguồnnguyênliệuhoá thạch đang cho thấy những tác động xấu đến môi trường, gây ô nhiễmbầu khí quyển như gây hiệu ứng nhà kính, thủng tầng ozôn, là một trongnhững nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên Còn nguồn năng lƣợng thuỷ điện(cũngđƣợccoilàmộtloạinănglƣợngsạch)thìcũngkhôngđápứngđƣợ c nhu cầu tiêu thụ điện hiện nay trong khi tình trạng mực nước trong hồ chứathườngxuyênlênxuốngthấtthường.
Trướctìnhhìnhđó,vấnđềphảitìmđượcnhữngnguồnnănglượngmớiđể đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng gia tăng lớn mạnh hàng ngày và thaythế những nguồn năng lượng có hại cho môi trường hoặc đang cạn kiệt đangtrở nên cấp thiết Trong số các dạng năng lƣợng thay thế tiềm năng, nănglƣợng mặt trời đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhànghiên cứu và đang được các nước trên thế giới đầu tư khai thác mạnh mẽnhƣ Nhật, Mỹ, Anh, Đức,… với thị phần nguồn năng lƣợng mặt trời nhƣminhhọa trên Hình 1.2 [36].
Việt Nam cũng đang từng bước tiếp cận gần hơn trong lĩnh vực khaithácnguồnnănglƣợngnày.Cơchếkhuyếnkhíchpháttriểnvềnănglƣợngtáitạo tại Việt Nam được thể hiện rõ nét trong Quyết định số 13/2020/QĐ-TTgngày 06/4/2020 của Thủ tướng Chính phủ về cơ chế khuyến khích phát triểncácd ự á n đ i ệ n m ặ t t r ờ i t ạ i V i ệ t N a m [ 3 7 ] Q u y ế t đ ị n h 1 3 c ủ a T h ủ t ƣ ớ n g
Chính phủ chính thức có hiệu lực là “cú hích” tạo đà cho điện mặt trời máinhà (ĐMTMN) phát triển Với nhiều lợi ích mang lại cho chủ đầu tƣ cũngnhư cộng đồng, việc lắp đặt ĐMTMN thời gian gần đây đã được người dân,doanhnghiệprấtquantâm.TheobáocáocủaEVN,tínhđến7/6/2020,ĐMTMN trên cả nước có: Hơn 31.100 hệ thống ĐMTMN, Tổng công suấtđặthơn640MWp,Sảnlượngphátlênlướihơn145triệukWh[43].
Một báo cáo gần đây của EVN (Tập đoàn điện lực quốc gia Việt Nam)cho thấy trong 4 tháng đầu năm 2020, sản lƣợng điện từ năng lƣợng mặt trờichiếm khoảng 3,2 tỷ kWh điện, tương đương với sản lượng trong một nămcủa một nhà máy nhiệt điện chạy than có công suất 500-600 MW, đã đáp ứngrất tốt nhu cầu điện của Việt Nam, đặc biệt là trong miền nam, tiết kiệm đƣợcmột lƣợng dầu, khí từ việc sử dụng năng lƣợng mặt trời, qua đó giảm thiểuđƣợc chi phí vận chuyển điện, cũng như giảm thiểu được tác động về môitrường[43].
Tại Bình Định, nhà máy điện mặt trời Fujiwara tại Khu Kinh tế NhơnHộiđãđivàohoạtđộngtừtháng6/2019.Đâylàdựánđiệnmặttrờiđầutiênở Bình Định Dự án có công suất thiết kế giai đoạn 1 là 50 MW trên diện tích60 ha, sản lƣợng điện sản xuất hàng năm dự kiến là 74 triệu kWh, với tổngvốnđầutƣ hơn1.400 tỉđồng[38].
Cóthểnói,nănglượngmặttrờibắtđầupháttriểnvàhiệnnayđangtrênđà trưởng thành, mặc dù giá thành vẫn còn đắt hơn nhiều so với các nguồnnăng lƣợng truyền thống Rõ ràng là, để thực hiện một sự thay đổi quyết địnhtrong việc nâng cao hiệu suất, giảm giá thành và đa dạng hóa các ứng dụng,lĩnh vực năng lƣợng mặt trời cần đầu tƣ nhân lực, công nghệ và tài chínhđángkể.
Một loạt các yếu tố đã góp phần giảm giá thành năng lƣợng mặt trờinhƣ:Khảnănglắngđọngcácmàng mỏngtrêndiệntíchlớn,khảnăngtựđộng hóa công nghệ, khả năng tăng hiệu suất quang điện,… Ngoài ra, các chuyêngia đã đưa ra các hướng sau đây để có thể giảm giá thành điện mặt trời hơnnữa,đó là[36]:
- Tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện các tế bào mặt trời Cụ thể làvới pin mặt trời silicon hiệu suất quang điệnphải đạt 20 - 24% và đối vớicácpinmặt trờimàng mỏngphải đạt20% vào năm2025.
- Đƣa vào ứng dụng các loại pin mặt trời trên cơ sở các vật liệu mớinhƣCZTSSe,pinmặttrờinhuộmmàu,pinmặttrờihữucơ…v.v
Nói tóm lại, năng lƣợng mặt trời đã và đang dần trở thành nguồn nănglƣợng sạch vô cùng quan trọng trên thế giới đặc biệt là tại Việt Nam. Với cáctiến bộ vƣợt bậc trong công nghệ, pin mặt trời có thể tăng hiệu suất lên đến43% và hứa hẹn đem lại sự phát triển to lớn cho ngành công nghiệp
Hiệuứ n g q u a n g đ i ệ n làm ộ t h i ệ n t ƣ ợ n g đ i ệ n - l ƣ ợ n g t ử , t r o n g đ ó cácđiện tửđƣợc thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất(quangđiệnthường)saukhihấpthụnănglượngtừcácphotontrongánhsánglàm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoàiđượcminhhọatrênHình1.3[39].Hiệuứngquangđiệnđôikhiđượcngườitadùngvới cái tên hiệu ứng Hertz, do nhà khoa họcHeinrich Hertztìmra.
Việc nghiên cứu hiệu ứng quang điện đưa tới những bước quan trọngtrong việc tìm hiểu vềlƣợng tử ánh sángvà các electron, cũng nhƣ tác độngđếnsựhìnhthànhkháiniệmlƣỡng tínhsónghạt.
Có nhiều nghiên cứu đƣa ra các mô hình giải thích khác nhau về hiệuứng quang điện tuynhiên đều không thành công do sửdụngm ô h ì n h s ó n g ánh sáng.Albert Einsteinlà người giải thích thành công hiệu ứng quang điệnbằng cách sử dụng mô hìnhlƣợng tử ánh sáng Heinrich Hertz và Stoletov lànhững người nghiên cứu chi tiết về hiệu ứng quang điện và đã thành lập cácđịnhluật quang điện [39].
Có thể đánh giá, ứng dụng có hiệu quả thực tiễn nhất của hiệu ứngquang điện là góp phần tích cực trong việc giải quyết bài toán an ninh nănglƣợngtoàncầuhiệnnay -Ứngdụngpinnănglƣợngmặttrời.
HãngBellđãchếtạocáctấmpinmặttrờitừthỏisilicđơntinhthểcắtratừng látmỏngtạoratiếpxúcp-n,làmcácđườngdẫnnốiđiệntheokỹthuậtvi điện tử và ghép lại thành tấm Giá thành loại pin này rất đắt trong khi hiệusuấtmới chỉ đạt 6% [40].
Hình1.4 Các kiểu pinmặt trờithếhệI
Tuy hiệu suất thấp, giá thành rất cao nhƣng pin mặt trời chế tạo từ silicđơn tinh thể của Hãng Bell đã mở đầu cho pin mặt trời thế hệ I Đã có nhiềucải tiến nhƣ thay silic đơn tinh thể bằng silic đa tinh thể, phủ các lớp chốngphản xạ để ánh sáng đi vào tiếp xúc p-n nhiều hơn nhƣng hiệu suất pin mặttrời vẫn rất giới hạn, chỉ trong khoảng 10-20% Tính toán lý thuyết theo địnhluật về giới hạn Shockley- Queisser: Chỉ với tiếp xúc p-n đơn giản thì hiệusuấtpinmặt trời không thểcaohơn 30%[40].
Hình 1.5 Mộtmẫupinmặt trờiđa tinh thể
