Pin Mặt Trời Màng Mỏng Sử Dụng Lớp Hấp Thụ CIGS

1.3.2 Các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của PMT màng mỏng CIGSBốn thông số đặc trưng đầu ra về hiệu năng hoạt động của một PMT: Thế hởmạch, mật độ dòng đoản mạch, hệ số lấp đầy và hiệ

Trang 1

MỤC LỤC

1.1 Lịch sử phát triển 4

1.2 Những thách thức đặt ra 4

1.3 Cấu trúc cơ bản và các tham số đặc trưng 5

1.3.1 Cấu trúc cơ bản của PMT 5

Hình 2: Cấu trúc cơ bản của pin mặt trời với lớp hấp thụ CIGS 5

1.3.2 Các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của PMT màng mỏng CIGS 6

2 CHƯƠNG 2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 7

2.1 Phương trình Poisson 7

2.1.1 Nồng độ điện tử tự do và nồng độ lỗ trống tự do 7

Số điện tử tự do nằm trong khoảng dE từ E đến (E+dE) trong một đơn vị thể tích là: 7

2.1.2 Nồng độ trạng thái (N D+, N A-, p t , n t ) 9

dD N : Là tổng nồng độ điện tích ở các mức donor rời rạc 10

bD N : Là tổng nồng độ điện tích phát sinh ở mức donor liên tục 10

Hình 4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của các mức năng lượng pha tạp rời rạc vào mật độ trạng thái 10

2.1.3 Nồng độ các mức sai hỏng (n t và p t ) 12

Trong đó: 12

2.2 Phương trình liên tục 12

Jn và Jp lần lượt là mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống 12

Gop: Là tốc độ tạo hạt tải tạo bởi hấp thụ quang học 13

2.2.1 Mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống (J n và J p ) 13

J n, J p :là mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống 13

Trang 2

Ở đây : 14

n0: nồng độ điện tử tự do trong trạng thái cân bằng nhiệt động 14

3 CHƯƠNG 3 CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MỘT CHIỀU AMPS – 1D 15

3.1 Các tham số cơ bản 15

3.1.1 Điều kiện môi trường 15

PMT tương tác khác nhau ở những bước sóng, ánh sáng và màu sắc khác nhau Tuy nhiên, năng lượng của phần quang phổ hồng ngoại cũng như phóng xạ bước sóng dài, thấp để có thể tạo ra dòng điện Phóng xạ năng lượng cao mới có thể tạo ra dòng điện.Tuy nhiên, hầu hết năng lượng này là không thể sử dụng Tóm lại, ánh sáng quá cao hoặc quá thấp PMT đều không sử dụng để tạo năng lượng điện 15

Hình 6: Phổ chiếu sáng chuẩn AM 1.5G 16

3.1.2 Cấu trúc mô hình 16

a Mật độ trạng thái (DOS) 16

b Thời gian sống 17

3.2 Tính chất chung 17

3.2.1 Điều kiện ban đầu, hệ số phản xạ mặt trước và sau 17

3.2.2 Hệ số phản xạ 18

3.2.3 Sự tái hợp bề mặt 18

3.3 Tính chất của các lớp 18

3.3.1 Tốc độ hạt tải và mối liên hệ với mật độ trạng thái 19

3.3.2 Hệ số hấp thụ 20

Hình 9: Phổ hấp thụ đối với các lớp trong pin mặt trời thế hệ mới 20

3.4 Các trạng thái sai hỏng 20

Hình 10: Các trạng thái chuyển tiếp của cặp điện tử và lỗ trống 21

Trang 3

CHƯƠNG 4 Kết quả và Kết luận 21

4.1Ảnh hưởng của độ dầy của lớp hấp thụ CIGS 21

4.2Ảnh hưởng của hệ số phản xạ mặt trước 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

Trang 4

CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ PMT MÀNG MỎNG THẾ HỆ MỚI

1.1 Lịch sử phát triển

Hiện nay,sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật.Song song với nó lànguồn nguyên liệu truyền thống ngày càng cạn kiệt dần không đủ đáp ứng nhu cầunăng lượng của con người.Điều đó thúc đẩy con người tìm ra những vật liệumới,những nguyên liệu mới Bên cạnh đó, ở cuối thế kỉ 21, sự nóng lên toàn cầu làmtăng nhiệt độ trung bình của khí quyển trái đất lên 1,4 oC – 5,8 oC Việc hướng tớimột dạng năng lượng sạch, với một ít hoặc không có sự phát xạ sẽ là một trongnhững thử thách lớn của thế kỷ XXI Hội nghị năng lượng mới toàn cầu tại Bornnăm 2004 đã khẳng định quyết tâm của thế giới thay thế 20 % năng lượng điệntruyền thống bằng nguồn năng lượng mới trong đó có điện mặt trời vào năm 2020.Trong khi một vài công nghệ đã được ứng dụng để thu được hiệu suất cao hơn thìthành công tốt nhất là màng mỏng từ tế bào năng lượng mặt trời Thiết bị đó đượcchế tạo bởi công nghệ lắng đọng không tốn kém dựa trên những chất nền không đắt

Vì vậy, chúng có tiềm năng để trở thành nguồn năng lượng có sức cạnh tranh vềmặt kinh tế trong thập kỷ sau PMT thế hệ mới dựa trên lớp hấp thụ CuIn1-xGaxSe2(CIGS) đã đạt được hiệu quả cao nhất trong tất cả những màng mỏng tế bào nănglượng mặt trời Các màng mỏng được chế tạo với chi phí sản phẩm về căn bản làthấp hơn

1.2 Những thách thức đặt ra

Việc phát triển loại pin mặt trời màng mỏng CIGS đang có những vướngmắc cần các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu tháo gỡ Vấn đề lớn nhất hiện nay làcác đặc trưng về hiệu năng hoạt động (dòng cực đại, thế cực đại, hiệu suất biến đổinăng lượng, hệ số lấp đầy) của loại pin này chưa cao khi sản xuất ở qui mô lớn vàcòn chưa ổn định, tức là phụ thuộc rất nhiều yếu tố như thành phần, cấu trúc, côngnghệ chế tạo Để giải quyết bài toán này, trước hết các nhà khoa học phải chế tạo

Trang 5

được các lớp riêng rẽ của cấu trúc pin với phẩm chất mong muốn, phải hiểu đượcmối liên quan giữa điều kiện chế tạo với tính chất vật liệu, giữa các tính chất củacác lớp riêng rẽ với hiệu năng hoạt động của toàn bộ cấu trúc Trong lĩnh vực này,ngoài các nghiên cứu thực nghiệm như chế tạo mẫu bằng các phương pháp khácnhau, đo đạc các đặc tính vật liệu, phương pháp mô phỏng cũng là một công cụ hữuhiệu

1.3 Cấu trúc cơ bản và các tham số đặc trưng

1.3.1 Cấu trúc cơ bản của PMT

PMT thế hệ mới dựa trên lớp hấp thụ CIGS chế tạo dựa trên thuỷ tinh hoặcchất nền không chỉ sử dụng công nghệ lắng đọng Cấu trúc của pin được mô tả bằnghình vẽ dưới đây:

Hình 2: Cấu trúc cơ bản của pin mặt trời với lớp hấp thụ CIGS

Lớp đầu tiên là lớp dẫn điện trong suốt ZnO, lớp này hệ số phản xạ càng thấpthì hiệu năng của pin càng cao Lớp thứ hai là lớp đệm CdS với độ dày khoảng (50nm) Phần lớn các photon có bước sóng ngắn bị hấp thụ trong lớp này

Lớp thứ ba là lớp hấp thụ CIGS dày khoảng 1000 nm – 3000 nm, hệ số hấpthụ lớn khoảng 105cm-1 Phần lớn ánh sáng chiếu tới bị hấp thụ trong lớp này

Lớp dẫn điện đế là Al Cuối cùng, lớp đế là Mo

Trang 6

1.3.2 Các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của PMT màng mỏng CIGS

Bốn thông số đặc trưng đầu ra về hiệu năng hoạt động của một PMT: Thế hởmạch, mật độ dòng đoản mạch, hệ số lấp đầy và hiệu suất chuyển đổi năng lượng

Bảng 1: Các thông số đặc trưng đầu ra của chương trình mô phỏng

Giá trị điện thế tại đó mật độ dòng bằng không gọi là thế hở mạch, kí hiệu VOC.

Giá trị mật độ dòng mà tại đó điện thế bằng không gọi là mật độ dòng đoảnmạch, kí hiệu JSC.

Tại một vài điểm trên đường đặc trưng V-I giá trị điện thế và mật độ dòng đạt

giá trị cực đại tương ứng V max , J max Phần diện tích có giá trị (JV)max gọi là công

suất cực đại P max

Hình 3: Đường đặc trưng V – I

Trang 7

2 CHƯƠNG 2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG

Chương trình mô phỏng khảo sát ảnh hưởng cấu tạo và tính chất vật liệu của

các cấu trúc bán dẫn đa lớp Nội dung của chương trình là giải phương trình Poisson

và hai phương trình liên tục với các điều kiện biên thích hợp

2.1 Phương trình Poisson

Trong không gian một chiều, phương trình Poisson mô tả sự phân bố điện

tích, điện thế, vùng năng lượng được cho bởi phương trình sau:

(2.1) Trong đó:

Ψ: Thế tĩnh điệnn: Nồng độ điện tử tự dop: Nồng độ lỗ trống tự dont: Nồng độ các điện tử bị bắtpt: Nồng độ lỗ trống bị bắtND: Nồng độ donor

NA: Nồng độ acceptorε: Hằng số điện môiq: Điện tích của một điện tử

dx

d x dx

d

t t

Trang 8

Với N(E) là mật độ trạng thái xác định bởi biểu thức sau:

3

1 ( )

 0

1,

1

F

E E KT

2 2( n )

C

m KT N

h



 (2.9)

Trang 9

* 3

2 2

2 2( p )

V

m KT N

h



 (2.10)

Phương trình (2.7) và (2.8) sử dụng trong mô hình trong trường hợp cân

bằng nhiệt động Trong trường hợp suy biến thì biểu thức của nồng độ điện tử tự do

Khi một thiết bị lệch khỏi trạng thái cân bằng nhiệt động bởi các tác động

của thế hiệu dịch, sự chiếu sáng hoặc cả hai yếu tố đó thì giá trị của nồng độ điện tử

tự do và lỗ trống tự do được tính theo biểu thức (2.11) và (2.12) Chỉ khác ở chỗ là

thay thế mức Fermi cơ bản bằng mức Fermi lượng tử

2.1.2 Nồng độ trạng thái (N D + , N A - , p t , n t )

Chúng ta đã tìm hiểu về các giá trị của n và p của phương trình Poisson

Chúng ta đi tìm hiểu thêm các đại lượng khác của phương trình Poisson với sự góp

thêm và phát triển của điện tích

Trang 10

2.1.2.1 Nồng độ Donor và nồng độ Acceptor (N D + , N A )

Các mức tạp trong mô hình của chúng ta được hình thành bởi tập hợp cácmức rời rạc, tạo nên một dải với một độ rộng nhất định Trong bất cứ trường hợppha tạp nào thì tổng điện tích tăng lên trong các trạng đều được xác định bởi cácbiểu thức sau:

Nồng độ donor:

  (2.15)Nồng độ acceptor:

  (2.16)Trong đó:

Hình 4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của các mức năng lượng

pha tạp rời rạc vào mật độ trạng thái

Trang 11

Điện tích sinh ra từ trạng thái donor và acceptor rời rạc thứ i và thứ j là:

Trang 12

2.1.3 Nồng độ các mức sai hỏng (n t và p t )

Các trạng thái sai hỏng bao gồm cả trạng thái sai hỏng liên tục và trạng tháisai hỏng rời rạc.Các mức sai hỏng này tuân theo hàm phân bố liên tục Gauss Trongtrường hơp này, tổng nồng độ trạng thái sai hỏng phát sinh ở mức donor:

p t p d t  p b t p c t (2.33)Tổng nồng độ trạng thái sai hỏng phát sinh ở trạng thái acceptor:

t t

d

t n n n

n    (2.34) Trong đó:

nt, pt xuất hiện trong phương trình Poisson

ndt: Nồng độ trạng thái sai hỏng ở mức acceptor rời rạc

pdt: Nồng độ trạng thái sai hỏng ở mức donor rời rạc

nbt: Nồng độ trạng thái sai hỏng ở mức acceptor liên tục

pbt: Nồng độ trạng thái sai hỏng ở mức donor liên tục

Jn và Jp lần lượt là mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống

Trang 13

R: Là tốc độ tái hợp.

Gop: Là tốc độ tạo hạt tải tạo bởi hấp thụ quang học

2.2.1 Mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống (J n và J p )

Phương trình Possion không tính đến trường hợp số lượng điện tử tự do hoặc

lỗ trống tự do có thể suy biến và tính chất của vật liệu có thể thay đổi theo vị trí.Mật độ điện tử tự do của phương trình liên tục được xác định bởi phương trình sau:

2.2.2 Quá trình tái hợp của hạt dẫn

Trong chương trình mô phỏng tốc độ tái hợp được xác định là:

( )R x R x D( )R x I( ) (2.39)Quá trình tái hợp được phân loại theo nhiều phương diện khác nhau.Ở đây,chúng tôi chỉ xét đến quá trình tái hợp vùng – vùng (tái hợp cơ bản hoặc tái hợp trựctiếp)

Trong dạng tái hợp này, một điện tử tự do trực tiếp gặp một lỗ trống và táihợp với nhau Thực chất, một điện tử trên vùng dẫn chuyển mức xuống một trạng

Trang 14

thái trống ở vùng hoá trị Bán dẫn ta xét là bán dẫn có vùng cấm thẳng nên quá trìnhtái hợp không đòi hỏi sự tham gia của phonon.

Xét trường hợp tái hợp vùng – vùng (tái hợp trực tiếp giữa điện tử và lỗtrống), tốc độ tái hợp tổng cộng tỷ lệ với số điện tử nằm trên vùng dẫn và số lỗtrống nằm trên vùng hoá trị:

R .n p(n0n)(p0 p) (2.40)

Ở trạng thái cân bằng, quá trình tái hợp cân bằng với quá trình nhiệt phátsinh, tốc độ tái hợp trường hợp này có dạng:

R th  .n p0 o G th (2.41)Trong đó:

Rth: Là tốc độ tái hợp cân bằng

Gth: Tốc độ nhiệt phát sinh cân bằng

Nếu bỏ qua tốc độ tái hợp tổng cộng (R) và tốc độ phát sinh nhiệt cân bằngthì tốc độ tái hợp trong trường hợp này sẽ là:

R xD( )   R Gth   R Rth   ( n0p  p0n   p n)

(2.42)

Ở đây :

n0: nồng độ điện tử tự do trong trạng thái cân bằng nhiệt động

p0: nồng độ lỗ trống tự do trong trạng thái cân bằng nhiệt động

Trang 15

3 CHƯƠNG 3 CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA CHƯƠNG TRÌNH

MÔ PHỎNG MỘT CHIỀU AMPS – 1D

Những thông số được chọn để đưa vào chương trình là những thông số cơbản nhất Qua đó chúng ta đưa ra những thông số phù hợp nhất để định hướng chocông nghệ chế tạo pin mặt trời thực nghiệm

3.1 Các tham số cơ bản

Để bắt đầu chương trình mô phỏng thì cần ba thông số quan trọng là:

 Tính chất của các lớp tiếp xúc

 Điều kiện của môi trường

 Lưới chia cho các số liệu tính toán, thế hiệu dịch để sinh ra dòng J-V và QE

3.1.1 Điều kiện môi trường

Yếu tố đầu tiên để chương trình có thể bắt đầu là điều kiện môi trường hoạtđộng của thiết bị

Hầu hết, mặt trời tạo ra năng lượng ở bước sóng từ 2x10-7m tới 4x10-6 m.Mỗi bước sóng tương ứng với tần suất và năng lương: bước sóng càng ngắn, tầnsuất càng cao và năng lượng càng lớn (thể hiện bằng eV)

PMT tương tác khác nhau ở những bước sóng, ánh sáng và màu sắc khácnhau Tuy nhiên, năng lượng của phần quang phổ hồng ngoại cũng như phóng xạbước sóng dài, thấp để có thể tạo ra dòng điện Phóng xạ năng lượng cao mới có thểtạo ra dòng điện.Tuy nhiên, hầu hết năng lượng này là không thể sử dụng Tóm lại,ánh sáng quá cao hoặc quá thấp PMT đều không sử dụng để tạo năng lượng điện

Trong chương trình mô phỏng này,ta sử dụng phổ chiếu sáng rời rạc AM1.5như ở hình vẽ dưới đây Phổ chiếu sáng với bước sóng xét trong khoảng 0,38 μmmđến 1,24 μmm với bước nhảy khoảng 0,02 μmm Do đặc điểm của pin mặt trời thế hệ

Trang 16

đó Chúng ta có thể tính toán phổ chiếu sáng rời rạc thông qua phổ chiếu sáng chuẩnIAM1.5G:

sự phân bố năng lượng, thiết diện bắt của điện tử và lỗ trống Dựa trên những thôngtin này có thể tính toán được các đại lượng quan trọng sử dụng trong phương trìnhPoisson

Trang 17

R  Rn  Rp  k n p n p (  0 )0 (3.5)

3.2 Tính chất chung.

3.2.1 Điều kiện ban đầu, hệ số phản xạ mặt trước và sau

Các điều kiện biên.

a PHIBO = Φb0 = EC – EF ở x = 0 (eV)

b PHIBL = ΦbL = EC – EF ở x = L (eV)

Lớp tiếp xúc trước và sau chỉ được xác định bởi tính chất vật liệu của chúng

và hệ số phản xạ của bề mặt chất bán dẫn: Φb0 = 0 eV tại vùng dẫn ở mức Fecmi EFkhi

x = 0 µm (trước) và ΦbL = 0,9 eV tại vùng dẫn 0,9 eV về EF khi x = L (sau) Những

Trang 18

thông số này tạo thành vùng tiếp xúc thuần trở ở phía trước và hàng rào Schottkykhông đáng kể ở phía sau

Khi nghiên cứu các kết quả thực nghiệm sử dụng chương trình mô phỏng, hệ

số phản xạ mặt sau không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng hoạt động của pin

3.2.3 Sự tái hợp bề mặt

Tái hợp bề mặt là dạng tái hợp xảy ra trên bề mặt Do sự gián đoạn tính tuầnhoàn của tinh thể, do các khuyết tật mạng, các nguyên tử lạ, sự không bão hoà hoátrị của các nguyên tử.Trong chương trình, chúng ta sử dụng tốc độ tái hợp mặt là

107 cm/s, tương ứng gần bằng chuyển động nhiệt của điện tử Đối với các trườnghợp đặc biệt:

Trang 19

3.3.1 Tốc độ hạt tải và mối liên hệ với mật độ trạng thái

Với vật liệu đơn tinh thể CIGS tốc độ điện tử là:

2

300

e

cm vs

và đối với lỗ

trống tốc độ:

230

h

cm vs

 Tỷ số tốc độ e

h



 tương tự bằng tỷ số (mh*/me*) với me* = 0,2 m0; mh*=0,8 m0

 Mật độ trạng thái trên vùng dẫn và mật độ trạng thái trên vùng hoá trịđược tính theo công thức:

3

* 2 2

22( e )

C

m KT N

h



 (3.6)

Trang 20

* 2 2

2

V

m KT N

Hình 9: Phổ hấp thụ đối với các lớp trong pin mặt trời thế hệ mới

3.4 Các trạng thái sai hỏng

Mô hình tái hợp Shockley-Read-Hall, mô hình tái hợp này được tìm ra vàonăm 1952 Sau đây, chúng ta thảo luận về đại lượng trạng thái acceptor và trạng tháisai hỏng donor Hình vẽ dưới đây:

Trang 21

Hình 10: Các trạng thái chuyển tiếp của cặp điện tử và lỗ trống

a: Trạng thái sai hỏng acceptor trung hoà

1: Giữ một điện tử từ vùng dẫn

2: Phát ra một lỗ trống từ vùng hoá trị

b: Trạng thái sai hỏng acceptor ion hoá

3: Giữ một lỗ trống từ vùng hoá trị

4: Phát ra một điện tử từ vùng dẫn

CHƯƠNG 4 Kết quả và Kết luận

4.1Ảnh hưởng của độ dầy của lớp hấp thụ CIGS

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày lớp hấp thụ CIGS lên các đại lượngđặc trưng cho hiệu năng hoạt động của pin mặt trời màng mỏng, độ dầy của lớp hấpthụ nằm trong khoảng từ 1000 nm – 11000 nm

Trang 22

Bảng 6 : Kết quả mô phỏng các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của pin

theo độ dầy lớp hấp thụ CIGS

Kết quả mô phỏng được biểu diễn trên các hình vẽ

Hình 20: Sự phụ thuộc của mật độ dòng đoản mạch theo độ dầy của lớp hấp thụ

Định dạng
Số trang	30
Dung lượng	782 KB