(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu mô phỏng pin mặt trời màng đa lớp dựa trên vật liệu nền cu2znsns4

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu mô pin mặt trời màng mỏng đa lớp dựa vật liệu Cu2ZnSnS4” cơng trình nghiên cứu độc lập khơng có chép người khác Đề tài sản phẩm mà nổ lực nghiên cứu trình học tập trường Đại học Quy Nhơn Trong trình viết có tham khảo số tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, hướng dẫn thầy TS Trần Thanh Thái Tơi xin cam đoan có vấn đề tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Bình Định, ngày … tháng … năm 2019 Tác giả luận văn h Đào Thị Trúc Quyên LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS Trần Thanh Thái người hướng dẫn việc học, truyền cho lạc quan, lòng đam mê khoa học, tinh thần học hỏi khơng ngừng mà cịn ln nhiệt tình giúp đỡ, động viên tơi vượt qua khó khăn tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Khoa Vật lý (hiện Khoa Khoa học Tự nhiên), Phòng Đào tạo sau đại học - Trường Đại học Quy Nhơn tạo điều kiện để tham gia học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Đặc biệt, cảm ơn ba mẹ tôi, người hổ trợ vật chất tinh thần giúp vững tâm học tập Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô giảng dạy học h phần chuyên ngành, gia đình bạn bè động viên, chia sẻ kinh nghiệm giúp trưởng thành mặt thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ LỜI MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu h Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn Chương TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 1.1 Giới thiệu pin mặt trời 1.1.1 Hiệu ứng quang điện 1.1.2 Các hệ pin mặt trời 1.1.2.1 Pin mặt trời hệ I (Pin mặt trời đơn tinh thể) 1.1.3 Pin mặt trời đơn lớp pin mặt trời đa lớp 1.2 Đặc tính làm việc pin mặt trời [3] 10 1.2.1 Đặc trưng I-V không chiếu sáng 10 1.2.2 Đặc trưng I-V chiếu sáng 13 1.3 Thơng số đặc trưng, mơ hình chiều tổn hao pin mặt trời 14 1.3.1 Các thông số đặc trưng 14 1.3.1.1 Mật độ dòng ngắn mạch (JSC) 14 1.3.1.2 Điện áp hở mạch (VOC) 14 1.3.1.3 Hệ số lấp đầy (FF) 15 1.3.1.4 Hiệu suất chuyển đổi quang điện (ƞ) 15 1.3.2 Mơ hình chiều pin mặt trời 16 1.3.3 Tổn hao pin mặt trời 17 1.4 Pin mặt trời màng mỏng 18 1.4.1 Giới thiệu chung 18 1.4.2 Cấu tạo chức lớp 19 1.5 Pin mặt trời màng mỏng Cu2ZnSnS4 21 1.5.1 Vật liệu Cu2ZnSnS4 21 1.5.2 Sự phát triển pin mặt trời Cu2ZnSnS4 22 Chương PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 25 2.1 Giới thiệu chung 25 2.2 Nguyên lý mô số 29 h 2.3 Mơ hình vật lý pin mặt trời 31 2.5.1 Phân tích tham số sở 35 2.5.1.1 Điều kiện môi trường 35 2.5.1.2 Cấu trúc mơ hình 37 2.5.2.1 Hệ số phản xạ 38 2.5.2.2 Sự tái hợp bề mặt 38 2.5.3 Phân tích đặc trưng lớp vật liệu 38 2.5.3.1 Thông số vật liệu 38 2.5.3.2 Hệ số hấp thụ 39 2.5.4 Phân tích trạng thái khuyết tật 40 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1 Cấu trúc pin mặt trời 42 3.2 Mô hoạt động pin mặt trời 45 3.2.1 Ảnh hưởng chiều dày lớp đệm lớp hấp thụ 45 3.2.1.1 Khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp đệm CdS 45 3.2.1.2 Khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp hấp thụ CZTS 47 3.2.2 Ảnh hưởng độ rộng vùng cấm lớp hấp thụ 50 3.2.3.2 Ảnh hưởng nồng độ tạp donor ND lớp đệm CdS 54 3.2.3.3 Ảnh hưởng nồng độ donor ND lớp sổ ZnO 55 3.3 Đánh giá hiệu tối ưu hóa cấu trúc pin mặt trời CZTS 57 3.3.1 Thiết kế pin mặt trời CZTS cấu trúc đảo 57 3.3.2 Chế tạo thử nghiệm pin mặt trời CZTS 58 3.4 Ảnh hưởng điều kiện môi trường làm việc 59 3.5 Vai trò lớp đệm CdS pin mặt trời CZTS khả thay 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao) h DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Ánh sáng điều kiện tiêu AM1.5 Air Mass 1.5 CIAS Copper Indium Alumium Sulfide Cu(In,Al)S2 Copper Indium Sulfide CuInS2 Full Spray Pyrolysis Deposition Phun phủ nhiệt phân tồn phần ITO Tin Oxide doped-Indium Ơxit thiếc pha tạp indi J-V Current - Voltage Mật độ dòng - Điện áp Me Metal Kim loại PV Photovoltaic Effect Hiệu ứng quang điện QE Quantum Efficiency Hiệu suất lượng tử Transparent Conductive Oxide Ôxit dẫn suốt SCAPS-1D Solar Cell Capacitance Simulator in Dimention Mô chiều pin mặt trời SPD Spray Pyolysis Deposition Phun phủ nhiệt phân Copper Zinc Tin Sulfur Copper indium gallium diselenide Cu2ZnSnS4 CIS FSPD CZTS CIGS h TCO chuẩn Pin = 100 mW/cm2 Cu(In,Ga)S2 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tổng hợp số kết nghiên cứu pin mặt trời CZTS 23 Bảng 2.1 Phần mềm sử dụng để mô pin mặt trời 25 Bảng 2.2 Các thông số vật liệu 39 Bảng 2.3 Các thông số trạng thái khuyết tật khối 41 Bảng 3.1 Thông số đầu vào mô 43 Bảng 3.2 Các thông số quang điện pin mặt trời CZTS mô SCAPS-1D chiều dày lớp đệm CdS thay đổi 45 Bảng 3.3 Các thông số quang điện pin mặt trờiCZTSmô SCAPS-1D chiều dày lớp hấp thụ CZTS thay đổi 47 Bảng 3.4 Các thông số quang điện pin mặt trời CZTS mô SCAPS-1D độ rộng vùng cấm quang lớp hấp thụ thay đổi 50 h Bảng 3.5 Các thông số quang điện pin mặt trời CZTS mô SCAPS-1D nồng độ pha tạp NA lớp CZTS thay đổi 51 Bảng 3.6 Các thông số quang điện pin mặt trời mô SCAPS1D nồng độ ND lớp đệm CdS thay đổi 54 Bảng 3.7 Các thông số quang điện pin mặt trời mô SCAPS1D nồng độ donor ND lớp cửa sổ ZnO thay đổi 55 Bảng 3.8 Các thông số quang điện pin mặt trời mô SCAPS1D nhiệt độ làm việc thay đổi 60 Bảng 3.9.Một số thông số vật liệu sử dụng mô pin mặt trời glass/ZnO:In/lớp đệm (CdS, In2S3, ZnS, ZnSe)/CZTS/Ag 65 Bảng 3.10 Các thông số quang điện pin mặt trời với lớp đệm khác mô SCAPS-1D 65 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt độngcủa pin mặt trời n-p tiếp xúc Silicon Hình 1.3 Pin mặt trời nano composite Hình 1.4 Cấu trúc pin mặt trời đơn lớp Hình 1.5 Cấu trúc Pin mặt trời đa lớp Hình 1.6 Sự thu hẹp vùng điện tích khơng gian pin mặt trời phân cực thuận không chiếu sáng 11 Hình 1.7 Giản đồ lượng pin mặt trời phân cực thuận không chiếu sáng 11 Hình 1.8 Sự mở rộng vùng điện tích khơng gian pin mặt trời phân h cực ngược không chiếu sáng 12 Hình 1.9 Giản đồ lượng pin mặt trời phân cực ngược không chiếu sáng 13 Hình 1.10 Đặc trưng I-V pin mặt trời lý tưởng cho trạng thái không chiếu sáng (tối) chiếu sáng 13 Hình 1.11 Sơ đồ mạch điện tương đương pin mặt trời 16 Hình 1.12 Cấu trúc pin mặt trời màng mỏng đa lớp 20 Hình 1.13 a) Cấu trúc thuận b) Cấu trúc đảo pin mặt trời màng mỏng CZTS 21 Hình 1.14 Cấu trúc vật liệu CZTS 22 Hình 1.15 Sự phát triển số lượng nghiên cứu công bố năm pin mặt trời CZTS tính đến tháng năm 2018 23 Hình 2.1.Giao diện sử dụng phần mềm SCAPS-1D 26 Hình 2.2.Giao diện thiết kế mơ hình lớp pin mặt trời phần mềmSCAPS-1D 27 Hình 2.3 Giao diện thiết lập thơng số đầu vào lớp pin mặt trời phần mềm SCAPS-1D 27 Hình 2.4 Giao diện hiển thị kết thôngđầu pin mặt trời phần mềm SCAPS-1D 28 Hình 2.5 Quy trình mơ hình hóa để cải thiện hiệu suất quang điện 30 Hình 2.6 a) Ánh sáng mặt trời tới trái đất b) Một số phổ chuẩn 36 Hình 2.7 Phổ hấp thụ lớp pin mặt trời CZTS 39 Hình 2.8 Các trạng thái chuyển tiếp cặp điện tử lỗ trống 40 Hình 3.1 Cấu trúc pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/lớp đệm/Cu2ZnSnS4/ Ag 42 Hình 3.2 Mơ hình mơ SCAPS-1D pin mặt trời glass/ZnO:In/lớp h đệm/ Cu2ZnSnS4/Ag 43 Hình 3.3 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch, (b) mật độ dòng ngắn mạch, (c) hệ số lấp đầy (d) hiệu suất chuyển đổi theo chiều dày lớp đệm δCdS 46 Hình 3.4 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch, (b) mật độ dòng ngắn mạch, (c) hệ số lấp đầy (d) hiệu suất chuyển đổi theo chiều dày lớp hấp thụ δCZTS 48 Hình 3.5 Sự thay đổi hiệu suất lượng tử EQE() theo chiều dày lớp hấp thụ δCZTS 49 Hình 3.6.Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch (b) mật độ dòng ngắn mạch, (c) hệ số lấp đầy (d) hiệu suất chuyển đổi theo Eg CZTS 51 Hình 3.7.Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch, (b) mật độ dòng ngắn mạch, (c) hệ số lấp đầy (d) hiệu suất chuyển đổi theo NA lớp hấp thụ CZTS 52 Hình 3.8 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch, (b) mật độ dòng ngắn mạch, (c) hệ số lấp đầy (d) hiệu suất chuyển đổi theo ND lớp đệm CdS 55 Hình 3.9 Sự thay đổi (a) mật độ dòng ngắn mạch, (b) hệ số lấp đầy, (c) điện áp hở mạch (d) hiệu suất chuyển đổi theo ND lớp cửa sổ ZnO 56 Hình 3.10 Đặc trưng J-V sáng pin mặt trời glass/ZnO:In/CdS/CZTS/Ag thiết kế mô SCAPS-1D 58 Hình 3.11 Quy trình cơng nghệ pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/CdS/ CZTS/Ag chế tạo phương pháp FSPD 58 Hình 3.12 Đặc trưng J-V sáng pin mặt trời glass/ZnO:In/CdS/CZTS/Ag chế tạo thử nghiệm công nghệ FSPD 59 Hình 3.13 Đặc trưng J-V sáng pin mặt trời glass/ZnO:In/CdS/CZTS/Ag phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc 60 Hình 3.14 Sự thay đổi (a) mật độ dòng ngắn mạch, (b) hệ số lấp đầy, (c) điện áp hở mạch (d) hiệu suất chuyển đổi theo nhiệt độ làm việc T 61 Hình 3.15 Đặc trưng J-V sáng pin mặt trời CZTS phụ thuộc vào nhiệt độ h môi trường 62 Hình 3.16 Đặc trưng J-V pin mặt trời ứng với lớp đệm khác 65