Mô phỏng vật lý linh kiện chế tạo và khảo sát một số lớp chính của pin mặt trời trên cơ sở màng mỏng CISS

Mô phỏng vật lý linh kiện chế tạo và khảo sát một số lớp chính của pin mặt trời trên cơ sở màng mỏng CISS Mô phỏng vật lý linh kiện chế tạo và khảo sát một số lớp chính của pin mặt trời trên cơ sở màng mỏng CISS luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGƠ ĐÌNH SÁNG MƠ PHỎNG VẬT LÝ LINH KIỆN, CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT MỘT SỐ LỚP CHÍNH CỦA PIN MẶT TRỜI TRÊN CƠ SỞ MÀNG MỎNG CIGS LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGƠ ĐÌNH SÁNG MƠ PHỎNG VẬT LÝ LINH KIỆN, CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT MỘT SỐ LỚP CHÍNH CỦA PIN MẶT TRỜI TRÊN CƠ SỞ MÀNG MỎNG CIGS Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 62 44 07 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Phạm Hồng Quang TS Lê Tuấn Tú Hà Nội – 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả Ngơ Đình Sáng LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin kính gửi tới PGS TS Phạm Hồng Quang TS Lê Tuấn Tú lời cảm ơn sâu sắc Các Thầy người trực tiếp hướng dẫn tôi, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận án Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Huy Sinh, người thầy dạy bảo giúp đỡ nhiều trình học tập q trình hồn thiện luận án Bộ mơn Vật lí Nhiệt độ thấp Tơi xin cảm ơn nhiệt tình động viên, giúp đỡ luôn tạo điều kiện thuận lợi Thầy Bùi Hữu Thắng - Trưởng Bộ môn Vật lí Trường Đại học Xây dựng suốt trình hồn thành luận án Tơi xin gửi tới NCS Vũ Văn Khải, CN Đỗ Quang Ngọc, TS Trần Thị Quỳnh Hoa, TS Hồ Khắc Hiếu, NCS Đặng Thị Bích Hợp lịng biết ơn quan tâm, động viên tơi ý kiến đóng góp, thảo luận khoa học q trình hồn thành luận án Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới NCS Lưu Mạnh Quỳnh, ThS Nguyễn Duy Thiện, người nhiệt tình tơi thực phép đo đạc vận hành thiết bị thí nghiệm Tơi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Bộ mơn Vật lí Nhiệt độ thấp Bộ mơn Vật lí Chất rắn, Khoa Vật lí, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội, tạo điều kiện thuận lợi giúp q trình thực luận án Tơi xin gửi lời cám ơn tới đề tài Nafosted mã số 103.02.59.09 có hỗ trợ kinh phí q trình tơi làm thực nghiệm nước ngồi Tơi xin gửi lòng biết ơn động viên, tạo điều kiện thuận lợi thầy cô Bộ môn Vật lí lãnh đạo Khoa Cơ khí Xây dựng Ban Giám hiệu Trường Đại học Xây dựng q trình tơi thực luận án Cuối tơi dành tình cảm đặc biệt bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Bố, Mẹ, Anh, Em ruột tôi, Vợ Bố, Mẹ, Anh, Em ruột Vợ tôi, người mong mỏi, động viên tôi, giúp tơi thêm nghị lực để hồn thành luận án này! Hà Nội, tháng 03 năm 2013 Tác giả MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục kí hiệu ……………………………………………………… i Danh mục chữ viết tắt ………………………………………………… iii Danh mục hình ảnh đồ thị …………………………………………… v Danh mục bảng………………………………………………………… x MỞ ĐẦU ………………………………………………………………… CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG TRÊN CƠ SỞ LỚP HẤP THỤ CuIn1-xGaxSe2 (CIGS)… 1.1 Các hệ pin mặt trời …………………………………………… 1.2 Nguyên lý hoạt động PMT CIGS … 14 1.2.1 Cơ sở lý thuyết ……………………………………………………………… 14 1.2.2 Cấu tạo pin……………………… …………………………………… 15 1.2.3 Đặc trưng dòng-thế (I-V)………………………………………………… 17 Một số phương pháp chế tạo lớp PMT dạng CIGS 19 1.3.1 Phương pháp bốc bay chân không ……………………………………… 20 1.3 1.3.2 Phương pháp chế tạo màng phún xạ catot (Cathode Sputtering)…………………………………………………………………… 21 1.3.3 Phương pháp laze xung (PLD - Pulsed Laser Deposition)…………… 21 1.3.4 Phương pháp chế tạo màng mỏng điện tử xung (Pulse 1717 Electrodeposition-PED)…………………………………………………… 22 1.3.5 Phương pháp epitaxi chùm phân tử (MBE-Molecular Beam Epitaxy) 22 1.3.6 Phương pháp chế tạo màng lắng đọng điện hóa 1919 1.4 (Electrodeposition)………………………………………………………… 23 Một số phương pháp khảo sát cấu trúc tính chất màng mỏng 24 1.4.1 Phân tích cấu trúc tinh thể phương pháp nhiễu xạ tia X ……… 24 1.4.2 Phân tích hình thái học bề mặt màng mỏng hiển vi điện tử quét 22 22 (Scanning Electron Microscopy - SEM)………………………………… 26 1.4.3 Phân tích tính chất quang màng mỏng quang phổ kế……… 27 1.4.4 Phương pháp xác định chiều dày màng mỏng dao động thạch 25 anh (quartz)………………………………………………………………… 29 1.4.5 Phương pháp Van der Pauw……………………………………………… 30 1.4.5.1 Đo điện trở mặt mẫu màng mỏng kỹ thuật Van der Pauw……………………………………………………………… 30 1.4.5.2 Phép đo hiệu ứng Hall…………………………………………… 32 1.4.6 Phương pháp đo chiều dày màng mỏng Stylus Profiler………… 35 1.4.7 Phương pháp đo điện trở vuông mẫu màng mỏng………………… 35 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1………………………………………………… 37 CHƯƠNG MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ HOẠT ĐỘNG CỦA PMT MÀNG MỎNG CIGS BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG AMPS-1D ………………………………… 38 2.1 Cấu trúc tham số đặc trưng PMT màng mỏng CIGS ………………………………………………………………… 38 2.1.1 Cấu trúc pin mặt trời CIGS………………………………… 38 2.1.2 Các đặc trưng hiệu hoạt động PMT ……………………… 40 Phương trình Poisson……………………………………………… 42 2.2.1 Nồng độ điện tử tự nồng độ lỗ trống tự do……………………… 43 2.2.2 Nồng độ trạng thái định xứ (ND+, NA-, pt, nt)…………………………… 45 2.2.2.1 Nồng độ donor nồng độ acceptor (ND+, NA)……………… 45 2.2 2.2.2.2 Nồng độ mức sai hỏng (nt pt)…………………………… 49 2.3 Phương trình liên tục……………………………………………… 50 2.3.1 Mật độ dòng điện tử mật độ dòng lỗ trống (Jn Jp)……………… 50 2.3.2 Quá trình tái hợp hạt tải……………………………………………… 51 2.4 Mơ hiệu hoạt động PMT AMPS-1D…… 2.4.1 Các tham số đầu vào……………………………………………………… 52 52 2.4.1.1 Các tham số đặt vào toàn thiết bị…………………………… 53 2.4.1.2 Các tham số đặt vào lớp riêng biệt……………………… 54 2.4.1.3 Các tham số để xác định quang phổ chiếu sáng……………… 58 2.4.2 Khảo sát hiệu hoạt động PMT AMPS-1D…………… 60 2.4.2.1 Ảnh hưởng độ dày lớp hấp thụ CIGS………………… 60 2.4.2.2 Ảnh hưởng độ rộng vùng cấm Eg lớp hấp thụ CIGS… 64 2.4.2.3 Ảnh hưởng hệ số phản xạ mặt trước……………………… 68 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2………………………………………………… 72 CHƯƠNG CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT LỚP DẪN ĐIỆN TRUYỀN QUA ZnO VÀ LỚP HẤP THỤ CIGS BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN TỬ XUNG (PULSED ELECTRON DEPOSITION-PED)……………………………………… 7 73 3.1 Tổng quan thiết bị điện tử xung (PED)………………………… 73 3.2 Chế tạo màng mỏng ZnO CIGS phương pháp PED 76 3.2.1 Thực nghiệm………………………………………………………………… 76 3.2.2 Kết quả……………………………………………………………………… 3.2.2.1 Màng mỏng dẫn điện suốt ZnO:Al (AZO)….…………… 80 80 3.2.2.2 Màng mỏng hấp thụ CIGS……………………………………… 89 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3………………………………………………… 97 CHƯƠNG CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT LỚP HẤP THỤ CGS, CIGS BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HĨA…… 98 4.1 Phương pháp Vol-Ampe vịng (Cyclic Voltammetry-CV)……… 4.2 Ảnh hưởng chất tạo phức lên trình lắng đọng màng hấp thụ CuGaSe (CGS) đế ITO…………………………… 101 98 4.2.1 Thực nghiệm phép đo CV lắng đọng màng CGS………………… 101 4.2.2 Các kết thảo luận………………………………………………… 103 4.2.2.1 Đặc trưng Vol-Ampe hệ đơn nguyên………………… 103 4.2.2.2 Đặc trưng Vol-Ampe hệ ba nguyên Cu-Ga-Se…………… 106 4.2.2.3 Kết lắng đọng điện hóa màng CGS…………………… 4.3 107 Ảnh hưởng lắng đọng điện hóa lên q trình lắng đọng màng hấp thụ CIGS đế Mo…………………………………… 109 4.3.1 Chế tạo lớp dẫn điện đế Mo phương pháp phún xạ catot……… 109 4.3.1.1 Thực nghiệm……………………………………………………… 110 4.3.1.2 Kết khảo sát mẫu thu được………………………………… 111 4.3.2 Phép đo Vol-Ampe vòng lắng đọng màng CIGS 112 4.3.3 Kết thảo luận……………………………………………………… 112 4.3.3.1 Đặc trưng Vol- Ampe đơn chất Cu, Ga, In Se………… 112 4.3.3.2 Đặc trưng Vol-Ampe hệ hai nguyên Cu-Se, Ga-Se, In-Se 116 4.3.3.3 Đặc trưng Vol-Ampe hệ bốn nguyên Cu-In-Ga-Se 119 4.3.3.4 Sự phụ thuộc vào khử thành phần màng mỏng 120 4.3.3.5 Hình thái học tinh thể 4.4 123 Chế tạo thử nghiệm khảo sát tính chất PMT sở màng 125 hấp thụ CIGS 126 4.4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động PMT Glass/ITO/CIGS/Al 126 4.4.2 Khảo sát tính chất chuyển hóa quang điện 128 KẾT LUẬN CHƯƠNG 134 KẾT LUẬN CHUNG 135 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… 139 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Kí hiệu Absorption coefficient Hệ số hấp thụ α Circuit current density (mA/cm2) Mật độ dòng điện J Conduction band energy (eV) Năng lượng đáy vùng dẫn EC Conversion efficiency of the solar cell Hiệu suất chuyển đổi quang (%) điện η Current density at maximum power Mật độ dòng tương ứng điểm output (mA/cm2) công suất cực đại Pmax Jmax Electron Điện tử e Electron mobility (cm2/Vs) Độ linh động điện tử µe Energy (eV) Năng lượng E Fermi energy (eV) Năng lượng Fecmi EF Fill factor (%) Hệ số điền đầy FF Hole Lỗ trống h Hole mobility (cm2/Vs) Độ linh động lỗ trống µh Open circuit voltage (V) Thế hở mạch Optical band gap energy (eV) Độ rộng lượng vùng cấm quang Eg Resitivity (Ωcm) Điện trở suất ρ Short circuit open density (mA/cm2) Mật độ dòng đoản mạch JSC Square resistance Điện trở vuông R□ Substrate temperature (0C) Nhiệt độ đế TS Thickness (µm) Chiều dày d i VOC ... SÁNG MƠ PHỎNG VẬT LÝ LINH KIỆN, CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT MỘT SỐ LỚP CHÍNH CỦA PIN MẶT TRỜI TRÊN CƠ SỞ MÀNG MỎNG CIGS Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 62 44 07 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI... TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG TRÊN CƠ SỞ LỚP HẤP THỤ CuIn1-xGaxSe2 (CIGS)… 1.1 Các hệ pin mặt trời …………………………………………… 1.2 Nguyên lý hoạt động PMT CIGS … 14 1.2.1 Cơ sở lý thuyết ………………………………………………………………... t lệ n a [47 Ngoài lớp hấp thụ, cấu tr c pin màng mỏng C S c n có lớp đế, lớp dẫn điện đế, lớp đệm, lớp dẫn điện suốt [79 Loại pin màng mỏng cần lượng h n để chế tạo chế tạo nhiều q trình, chi