Bài tập giữa kì số 2 Đề tài Đánh giá công nghệ quang Điện lịch sử, nguyên tắc cơ bản và ứng dụng

Đề hiểu được mối liên quan của năng lượng vùng cám và mối tương quan của nó với sự chuyền đổi năng lượng mặt trời, trước tiên càn phải thừa nhận một số đặc điểm của nguồn phát ánh sáng,

TRUONG DAI HOC CONG THUONG

THANH PHO HO CHI MINH

BAI TAP GIUA Ki SO 2

Đẻ Tài: ĐÁNH GIÁ CÔNG NGHỆ QUANG ĐIỆN:

LICH SU, NGUYEN TAC CO BAN VA

UNG DUNG

Giáo Viên Hướng Dãn: Bùi Minh Dương Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: Nhóm 17

Bùi Huy Phát — 2002217193 Phan Gia Huy - 2002211906 Phạm Liễu Thanh - 2002210223

Nguyễn Ngô Minh Thuận - 2002210092

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 3 năm 2024

BANG ĐÁNH GIÁ THÀNH VIÊN NHÓM

Họ và Tên Nhiệm vụ Phân trăm hoàn thành

Dịch và tìm hiệu mục 3,

làm Word

Dịch và tìm hiêu mục 2.4

Phan Gia Huy ' my 100%

(trang 10)-2.4.3

- Dich va tim hiéu muc 2.24

Phạm Liễu Thanh " 100%

2.4.1 (trang 9) Nguyén Ngô Minh Thuận | Dịch và tìm hiệu mục 2-2 100%

2 Thé hé quang dién

Pin mặt trời thường được phân loại thành các thé hệ, như được minh họa trong

Hình 1, sự phân loại này bắt nguồn từ vật liệu và kỹ thuật được sử dụng trong sản xuất chúng [12] Thé hệ đầu tiên dựa trên tám bán dẫn, có nghĩa là cốt lõi của kỹ

thuật ché tạo của họ được xây dựng dựa trên các kỹ thuật đã được sử dụng vào thời

điểm đó để sản xuất mạch tích hợp, cho phép họ thu được lợi ích từ chuyên môn sâu

rộng trong lĩnh vực sản xuất tám bán dẫn silicon [12] Trong vũ trụ mô-đun quang

điện, thé hệ đâu tiên này vấn là thé hệ phỏ biến nhất, chiếm 95% năng lượng sản xuất

vào năm 2020 [16] Các pin thế hệ thứ hai được phát triển với mục đích giảm chỉ phí

cua thé hé trước và cái thiện đặc tính của chúng

- cS

* mono-Si multi-Si + Ill-V Single Junctions

* Perovskite

+ Dye-sensitised (DSSC)

* CZTS + Organic (OPV)

+ Polymer

* Quantum Dot

* Multi-Junction

Hình 1.Phân loại các nguồn quang điện

Một thước đo tốt cần duy trì trong quá trình sản xuất mô-đun quang điện là tông chi phi cua m6-dun bang một nửa chỉ phí lắp dat va chi phi cua pin cũng thấp hơn một

nửa mô-đun [28] Từ đó, một cách hợp lý đề đạt được mô-đun rẻ hơn là giảm nhu cầu

vật liệu cao cho pin và chi phí vốn có liên quan Thế hệ pin thứ hai sau đó dựa trên công nghệ màng mỏng, được đánh dấu bằng lớp hấp thụ mỏng cua chúng Theo thứ tự vài m, thay vì 100-200 ưm như thế hệ trước Với lớp nền mỏng hiệu quả của thé hệ trước không thê đạt được trong lần đầu tiên Nhưng đối lập với sự suy giảm hiệu quả là khả năng sử dụng các kỹ thuật sản xuất khác như phun sơn vào nên thủy tỉnh mỏng và

2

các phương pháp dựa trên chân không khác, đòi hỏi nhiệt độ tông thê thấp hơn trong

quy trình sản xuát Tính linh hoạt của chúng đã mở ra một số ứng dụng mới khả thi

cho pin quang điện, chăng hạn như thiết bị điện tử có thể đeo được [13] Ngoài ra, khi

so sánh, thời gian hoàn vốn năng lượng và phát thải khí nhà kính của họ giảm [29]

biến chúng thành một giải pháp thân thiện với môi trường hơn Hiện tại, nhược điểm

vẻ hiệu suất ban đầu không còn phô biến nữa khi đạt được giá trị trên 20%, với mức

kỷ lục hiện tại là 23,4% [só 8]

Pin quang điện thế hệ thứ ba được chế tạo dựa trên công nghệ màng mỏng,

nhưng khác với công nghệ trước đó vì nó không còn phụ thuộc vào tiếp giáp p-n tiêu

chuẩn [12], theo nghĩa là chúng được ché tạo băng các vật liệu mới và khác biệt, chăng

hạn như các hợp chất hữu cơ, do đó có tên như vậy Một cải tiến lớn khác đạt được ở

thế hệ này là khả năng điều chỉnh năng lượng vùng cam băng những thay đôi về thành

phản, một yếu tó then chốt trong việc sản xuất các pin đa điêm nối

Một điểm thú vị khác có thẻ được đưa ra, liên quan đến các thé hệ pin mặt trời,

là mặc dù các công nghệ có chung một số khía cạnh nhát định giữa chúng, đặc biệt là

trong cùng một thế hệ, nhưng hiệu Quả đạt được Và Sự quan tâm đến loại pin lại khác

nhau Do đó, một số liệu có thê được đưa ra đê so sánh mối quan tâm nghiên cứu và đầu tư Trích xuất các đột phá vẻ hiệu quả cho từng loại pin từ biêu đồ NREL [só 8],

so sánh nó với khung thời gian, một xu hướng nghiên cứu nhất định (RT) được ghi

chú Như thường lệ, các ký lục về hiệu suất có tương quan với những đột phá trong kỹ thuật ché tạo, điều này chỉ có thê thực hiện được nếu có đủ nghiên cứu vẻ chủ đẻ này

Tuy nhiên, RT chi riêng nó là không đủ đề đánh giá mức độ quan tâm nghiên cứu hiện

nay, vì một công nghệ có thẻ đã có một số bước đột phá nhưng đã cản trở quá trình cải tiền của nó Do đó, một số liệu bỗ sung khác được thêm vào, RTs,, nó hoạt động giống

như RT, nhưng chỉ liên quan đến 5 năm qua Các số liệu này khi được áp dụng vào

biéu dé higu qua cua NREL [so 8] dan dén Bang 1

Bảng 1.Những đột phá và xu hướng nghiên cứu theo công nghệ loại pin

a Cac loai pin RT RTs Hiệu suất cao nhất (%)

=

E 3 (bộ không tập trung) 1.000 | 0.2 39.5

=

Š 4J+ (bộ Không tập trung) 0.250| 0.2 38.2

Don tinh thé 0.182| 0.4 27.8

© Cấu trúc di thé silicon (HIT) 0.550! 0.6 26.7

= GIGS (bộ tập trung) 0.150| 0 23.3

Perovskite/S! song song (nguyén 1500| 12 205

_ khối)

= Song song hữu cơ 0.692| 0.6 14.2

Perovskite/CIGS song song 1.000 0.6 24.2

2.1 Thé hé dau tién

Pin mat troi silicon

Từ các phản ghi chú lịch sử, rõ rang pin mat trời Silicon đã có mặt từ khá lâu

Và ngay cả với sự phát triển của một số giải pháp thay thế cho pin quang điện dựa trên Silicon, nó vẫn là công nghệ quang điện phô biến và phô biến nhát hiện nay [16]

8ilicon là một trong những vật liệu cơ bản của pin mặt trời thé hệ đầu tiên Hai yếu tố chính góp phản tạo nên ưu thế vượt trội này là năng lượng vùng cám hấp dẫn của

Silicon, ở mức 1,17 eV và sự phong phú của vật liệu chát lượng cao, do quy mô sản

xuất chất bán dẫn dựa trên silicon dành cho vi mạch [30]

Đề hiểu được mối liên quan của năng lượng vùng cám và mối tương quan của

nó với sự chuyền đổi năng lượng mặt trời, trước tiên càn phải thừa nhận một số đặc điểm của nguồn phát ánh sáng, trong trường hợp này là các ngôi sao Trong vật lý thiên văn, khi một ngôi sao mới được tìm tháy, một trong những nghiên cứu đâu tiên được thực hiện là về phô phát xạ của nó, vì nó chứa thông tin có giá trị về thành phan

và nhiệt độ của nó Mỗi phản tử tạo ra một phố phát xạ duy nhát, một dải phố, trong

đó mỗi dải đại diện cho các giá trị năng lượng dải của phản tử đó Ngoài ra, vì nhiệt

độ có liên quan đến sự kích thích hạt, nên nhiệt độ càng cao thì sự kích thích hạt càng

cao và về bản chất, điều đó phản ánh năng lượng của hạt Lấy phô ánh sáng khả kiến làm tham chiếu Một ngôi sao có nhiệt độ bề mặt cao hơn sẽ phát ra quang phô với đỉnh dịch chuyên về phía màu xanh lam của quang phô nhìn thấy được, khiến nó có màu xanh lam Để so sánh, một ngôi sao lạnh hơn sẽ có đỉnh phát xạ hướng về phía

đỏ của quang phô khả kiến, khiến nó có màu đỏ Trong trường hợp phô phát xạ của

Mặt trời, cực đại của nó năm trong vùng khả kiến về phía màu xanh lá cây ở bước

sóng 520 nm, phô biến ở các bước sóng màu vàng và đỏ

Trong thiết kế quang điện, vùng cam cua chat hap thy ban dẫn xác định phạm

vi mà vật liệu có hiệu quả trong việc chuyên đôi các photon tới thành điện tích Điều

này, kết hợp với phố phat xa cua Mat trời, xác định phạm vi năng lượng vùng cám

bán dẫn néu mong đợi hiệu suất chuyền đối tốt Trong các thiết bị đồng tiếp xúc,

phạm vi này tương ứng với I,I eV đến 1,7 eV Silicon, voi 1,17 eV không ở mức tối

đa, khoảng 1,4 eV, nhưng nằm trong phạm vi này Tuy nhiên, hiệu quả của nó bị

giảm đi vi Silicon 1a chat ban dan có khe cám gián tiếp, nghĩa là có sự khác biệt về

5

động lượng giữa các cạnh của dải dẫn và dải hóa trị Sự khác biệt về động lượng này

dẫn đến tôn thất nhiệt tăng lên thông qua sự tiêu tán năng lượng đến cấu trúc mạng tinh thé cua chat ban dan trong quá trình tái hợp Với tái hợp Auger là quá trình tái

hợp nội tại phổ biến [31] Vì vậy, chất bán dẫn trực tiếp có giá trị vùng cám cao hơn

sẽ thích hợp hơn cho việc chuyên đổi năng lượng quang điện Ngoài ra, đây là nơi

ngành công nghiệp vi mạch đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tương lai của

pin quang điện

Với việc sản xuất các tắm silicon cao cấp đã được mở rộng quy mô, chỉ phí của silicon sẽ có lợi hơn so với việc phát triên sản xuất chát bán dẫn chuyên dụng cho

pin quang điện ngay cả khi các đặc tính của Silicon không phải là lý tưởng Hơn nữa,

các tám silicon loại thấp hơn, không thể sử dụng cho các mạch tích hợp, có thê được ngành công nghiệp quang điện mua với giá thấp hơn Do đó, chất bán dẫn có các thuộc tính háp dẫn hơn, chăng hạn như GaA, bị giới hạn trong các ứng dụng là những

chất lượng cụ thê có tằm quan trọng lớn hơn chỉ phí, chẳng hạn như trong không gian,

đối với nguồn năng lượng của vệ tỉnh

Kẻ từ khi xuất hiện, các pin quang điện Silicon (c-Si) tinh thể đã tăng hiệu suất

20,1%, từ 6% khi chúng được phát hiện lần đầu tiên lên kỷ lục hiệu suát hiện tại là

26,1% [só 8] Những tiến bộ trong sản xuất chát bán dẫn, cần thiết dé tăng sức mạnh tính toán của bộ vi xử lý, đã có tác động trực tiếp đến việc tăng hiệu suất chuyên đôi quang điện, vì các khiếm khuyét lớn dân dân được loại bỏ trong các tám bán dẫn Tuy nhiên, chất lượng só lượng lớn tốt chỉ là một yêu cầu đối với pin hiệu suất cao, còn có

những yéu tố khác hạn ché hiệu suất của mô-đun, do đó, các loại đột phá ché tạo khác

cũng được ghi nhận là giúp tăng hiệu quả qua nhiều năm Những bước đột phá đáng

chú ý là khi xử lý tắm bán dẫn, việc cưa nhiều dây cho phép giảm thát thoát vật liệu, giảm chỉ phí chung của pin [30,31] Việc đúc khối, mặc dù nó tạo ra các tắm silicon

đa tính thể cấp thấp hơn, nhưng lại rẻ hơn khi sản xuất và lắp ráp thành các mô-đun

[30,31] Bề mặt kết cáu của bề mặt trên và dưới đề giảm sự phản chiếu [30-32] Sự ra đời của bề mặt sau băng nhôm (AI-BSF) để giảm tốc độ tái hợp bề mặt phía sau

[30,31,33] Ngoài ra, sự phát triển của bộ phát thụ động và pin phía sau (PERC), để

giảm hơn nữa tốc độ tái hợp bề mặt phía sau [33,34]

Hiện nay, các pin silicon tinh thẻ chịu trách nhiệm sản xuất 95% năng lượng

quang điện toàn câu [16], nên mức độ phô biến của chúng là rõ ràng Tuy nhiên, với

Sự gia tăng hiệu suất của pin mặt trời màng mỏng đã được chứng minh, kết hợp chặt chẽ với c-Si với lợi ích bô sung là giảm chỉ phí bán dẫn, con số này dự kiến sẽ thay đôi Hơn nữa, các kiến trúc phức tạp dựa trên các điểm dị thể đã vượt qua các kỷ lục

vẻ hiệu suát tiếp xúc đồng nhát c-Si và giả sử chỉ phí sản xuất giảm khi công nghệ và

các quy trình liên quan được sắp xép hợp lý hơn, chúng có thể đóng một vai trò quan trọng trong tương lai của quang điện

2.2 Thẻ hệ thứ hai

CIGS

Vì Si, nền táng của thị trường quang điện đã giảm giá trong những năm sau,

[35,36], các công nghệ cạnh tranh mới đã gặp khó khăn trong việc giảnh được Sự

hiện diện đáng kê trên thị tường Đẻ cạnh tranh với công nghệ tiêu chuẩn, cần tập trung vào các khía cạnh tốn kém của việc sản xuất mô-đun S¡ và phục vụ cho các ứng dụng khác nhau Khia cạnh quan trong can cai thiện là giảm sự phụ thuộc nhiều vào

vật liệu bán dẫn và cân bảng tông thê chỉ phí hệ thống Đây là động lực dẫn đến sự

xuất hiện của thé hệ quang điện thứ hai sử dụng màng mỏng mà CIGS là một phản

của [9,10]

Màng mỏng Chalcopyrite dành cho pin mặt trời xuất phát từ các nghiên cứu

trước đó trong quá trình phát triển bộ tách sóng quang GaAs LASER, trong đó phép đo

hiệu suất lượng tử quang phô đây đủ của OdS/CulnSea dị thế chỉ ra khả năng ứng dụng pin mặt trời [37] Ngoài ra, với một số sửa đổi, nó mang lại hiệu suất ban đầu là 12%

[37,38] Déng indium gallium (di)selenide (CIGS), xuat hiện ở giai đoạn sau, với sự ra đời của vật liệu có khe cắm rộng hơn trong các màng mỏng hiện có, CulnS, nhăm tăng điện áp mạch hở [39] Sự ra đời của Ga cho phép điều chỉnh khoảng cach bang tan

bằng cách thay đổi ty lệ thành phản Ga và In trong phạm vi 1,0 eV, ở dang CulnSe

thuàn túya đến 1,7 eV, ở dạng CuGaSe nguyên cháta, thường xuất hiện trong quá trình phân loại trong các pin hiệu suất cao [40]

Khoảng cách dải tần thấp hơn đạt được khi điều chỉnh bó cục, đặc biệt là từ 1,0

eV đến phạm vi 1.1 eV, mở ra một lộ trình háp dẫn cho các ứng dụng trong tương lai,

dưới dạng pin đáy trong các kiến trúc song song Một mô tả sâu hơn về kiến trúc đa

7

điểm nói và song song sẽ được tiến hành sâu hơn, nhưng về nguyên tắc, trong kiến trúc song song, hai hoặc nhiều điểm nói với các dải băng khác nhau được xếp chồng lên nhau để tăng hiệu quả tổng thẻ, về bản chất, bằng cách phân chia quang phô mặt trời với mỗi điểm nói mối nói được thiết kế để hấp thụ một trong những phân đoạn này

Vì vậy, khoảng cach thap cua CIS va CIGS khiến chúng trở thành ứng cử viên lý

tưởng cho kiến trúc song song, nhưng vẫn càn nghiên cứu thêm vẻ khía cạnh này [40],

vì hiện tại hiệu suất kỷ lục của mạng song song Perorvskite/CIGS la 18% [s6 8]

Về mặt sản xuất CIGS, quy trình chế tạo tiêu chuân bao gồm một số giai đoạn

lắng đọng phún xạ, sau đó là ghi chép cơ học hoặc LASER Đâu tiên, một lớp molypden thường được lắng đọng trên đề thủy tỉnh bằng quá trình phún xạ, tạo thành

phần tiếp xúc phía sau Sau đó, giai đoạn đầu tiên của quá trình tạo khuôn, tiếp theo là

lắng đọng lớp hap thu GIGS bằng phương pháp đồng bay hơi hoặc phún xạ, kết thúc băng quá trình selen hóa và lưu huỳnh hóa các tiền chất Sau đó, một lớp đệm được

đưa vào, thường là cadmium sulphite Cuối cùng, một lớp TCO ở phản tiếp xúc phía

trước được áp dụng đề giảm rò ri dòng điện, sau đó là lớp phủ chống phản chiếu Một

mô tả sâu hơn về quá trình này có thé duoc tim thay trong tài liệu, chăng hạn như

j9,40-421

Xem xét các kỹ thuật được sử dụng trong sản xuất, có thê đạt được việc giảm chỉ

phi bằng cách sử dụng các quy trình sản xuất thay thế như xử lý cuộn thành cuộn

(R2R) Trong trường hợp GIGS, quá trình xử lý R2R bao gồm một lớp polymer con liên tục trên đó các lớp tiếp theo được lắng đọng đề tạo thành GIGS [14], trong một

quy trình giống như mô tả trước đó, chỉ trong trường hợp này là trên chất nèn dẻo liên tục Với kỹ thuật này, quy mô lớn việc sản xuất CIGS [a kha thi va do sản phẩm cuối cùng là các dải ô được kết nói nói tiếp linh hoạt, sau này có thê được tích hợp trong

các mô-đun cứng hoặc linh hoạt, tùy thuộc vào cách đóng gói, nó cho phép thực hiện

vô số ứng dụng

Đã có một công ty sử dụng xử lý R2R, Flisom Tính linh hoạt trong việc tích hợp

các dái được thẻ hiện trong dòng sản phẩm của họ, với mô-đun cứng tiêu chuẩn 100

Wp, mô-đun linh hoạt 165 Wp và cuối cùng là các dải cho phép phạm vi công suất và

điện áp tùy chỉnh [15] Ngoài ra, với khả năng cung cấp một cuộn pin lên tới 3,5 km, các dự án như BIPV (Tòa nhà quang điện tích hợp), tích hợp ô tô và đường sắt, đòi hỏi

8

diện tích mảng năng lượng mặt trời lớn, trở nên khả thi hơn nhiều Hơn nữa, các mô-

dun CIGS với khả năng đóng gói linh hoạt nhẹ hơn các mé-dun Si tiêu chuẩn, do đó

trọng lượng của các mô-đun, trọng lượng của cầu trúc hỗ trợ và thời gian lắp đặt can

thiết cũng giảm [9,10]

Vẻ hiệu suất, kỷ lục về CIGS là 23,4% của Hemholtz-Zentrum Berlin, một con

số sánh ngang với hiệu suất pin Si tốt nhất [số 8] Tuy nhiên, cần lưu ý rằng hiệu quả

của pin nghiên cứu không ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quá có thê đạt được về mat công nghiệp, do tính chát của quá trình xử lý ở quy mô lớn Tuy nhiên, hiệu suất mô-

đun trên 20% đã là hiện thực [9] Sự gia tăng hiệu quả của các pin CIGS rat đáng chú ý

trong những năm qua và dự kiến sẽ còn tăng thêm nữa sau các nghiên cứu sâu hơn về

xử lý kiềm sau lắng đọng [40], là một ví dụ

2.3 CdTe

Cadmium Telluride, chat hap thu cua pin mat troi CdTe, là vật liệu có khe cám trực tiếp có giá trị năng lượng là 1,5 eV, đặc tính lý tưởng để chuyên đôi năng lượng

mặt trời Nguyên mẫu đâu tiên của pin CdTe được Bonnet và Rabenhorst công nhận

vào năm 1972, sau khi trình diễn một thiết bị hoạt động với hiệu suất 6% [43] Kê từ

đó, con số này đã tăng lên đáng kê, với giá trị kỷ lục hiện tại về hiệu quả nghiên cứu là

22,1% của First Solar vào năm 2015 [số 8] Sự gia tăng hiệu quả không ôn định trong

nhiều năm và có thê được cho là do một số đột phá trong chế tạo, vẫn khá trì trệ ở giữa Tuy nhiên, công nghệ này van con hap dan, dac biệt khi nó chiếm tỷ lệ lớn nhát

trong các mô-đun màng mỏng và đã có sự gia tăng đáng kê Về Sản lượng ở quy mô

toàn cầu trong những năm sau này [16]

Vi Cadmium là san phẩm phụ tự nhiên của quá trình tinh ché kẽm nên pin CdTe xuất hiện như một cách đề tái sử dụng chát thải hiện có thành một dạng sản xuất năng

lượng tái tạo Một lập luận mạnh mẽ ủng hộ việc sản xuất nó Tuy nhiên, có một số lo

ngại về môi trường liên quan đến tác động môi trường của pin và sự an toàn trong quá

trình sản xuất vì cadmium là một kim loại nặng cực kỳ nguy hiêm với các đặc tính gây

ung thư và gây đột biến cũng như các tác động độc hại lâu dài đối với đời sống thủy sinh [44] Ngoài ra, Tellurium, mặc dù không độc hại nhưng vẫn gây ra môi lo ngại về

môi trường đổi với đời sống thủy sinh và giỗng như cadmium, có thê gây tử vong néu

hít phải [45]