Nghiên cứu mô hình và thiết kế pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp hấp thụ cu2znsn(sxse1 x)4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGƠ THANH TÚ NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH VÀ THIẾT KẾ PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG SỬ DỤNG LỚP HẤP THỤ Cu2ZnSn(SxSe1-x)4 Chuyên ngành: Vật lí chất rắn Mã số: 8.44.01.04 Ngƣời hƣớng dẫn: TS Trần Thanh Thái LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu mô hình thiết kế pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp hấp thụ Cu2ZnSn(Sx Se1-x)4” cơng trình nghiên cứu khơng có chép ngƣời khác Đề tài sản phẩm mà nổ lực nghiên cứu dƣới hƣớng dẫn TS Trần Thanh Thái q trình tơi học tập trƣờng Đại học Quy Nhơn Tơi xin cam đoan có vấn đề tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Bình Định, ngày … tháng … năm 2020 Tác giả luận văn Ngô Thanh Tú LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, Tôi xin cảm ơn sâu sắc đến Trƣờng Đại học Quy Nhơn, lãnh đạo Khoa Vật Lý (hiện Khoa khoa học tự nhiên), Phòng Đào tạo sau đại học tạo điều kiện để đƣợc tham gia học tập, nghiên cứu Tôi xin bày tỏ cảm ơn chân thành kính trọng thầy giáo TS Trần Thanh Thái, ngƣời hƣớng dẫn việc học, truyền cho tơi lạc quan, lịng đam mê khoa học, tinh thần học hỏi không ngừng mà cịn ln nhiệt tình giúp đỡ, động viên tơi vƣợt qua khó khăn tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Tơi xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo trƣờng THPT Nguyễn Diêu đồng nghiệp ủng hộ tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành việc học tập nguyên cứu luận văn Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn Quý Thầy/Cô giảng dạy học phần chuyên ngành, gia đình bạn bè động viên, chia sẻ kinh nghiệm hổ trợ vật chất tinh thần giúp tơi vững tâm học tập hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU -1 Lý chọn đề tài - Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu - Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 1.1 Năng lƣợng mặt trời - lƣợng tƣơng lai - 1.2 Hiệu ứng quang điện - pin mặt trời 1.2.1 Hiệu ứng quang điện 1.2.2 Lịch sử phát triển pin mặt trời 1.3 Đặc tính làm việc pin mặt trời - 16 1.3.1 Đặc trƣng I-V - 16 1.3.2 Các thông số đặc trƣng 19 1.4 Pin mặt trời màng mỏng - 21 1.4.1 Giới thiệu chung - 21 1.4.2 Cấu tạo chức lớp - 22 1.4.3 Vật liệu CZTSSe - 24 1.4.4 Tiềm phát triển PMT CZTSSe - 25 KẾT LUẬN CHƢƠNG 27 Chƣơng PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 28 2.1 Cơ sở phƣơng pháp mô số 28 2.2 Phần mềm mô PMT - 30 2.3 Mơ hình chiều PMT 34 2.4 Tổn hao pin mặt trời 35 2.5 Cơ chế phát sinh tái hợp - 36 2.6 Tham số đầu vào sử dụng mô SCAPS-1D (PC-1D) 39 2.6.1 Phân tích tham số sở 39 2.6.2 Phân tích tính chất chung PMT 42 2.6.3 Phân tích đặc trƣng lớp vật liệu - 42 2.6.4 Phân tích trạng thái khuyết tật - 44 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN - 47 3.1 Cấu trúc pin mặt trời - 47 3.2 Thông số đầu vào mô 48 3.2.1 Hệ số hấp thụ - 48 3.2.2 Thông số vật liệu - 49 3.3 Mô pin mặt trời CZTSSe - 51 3.3.1 Ảnh hƣởng hợp phần S/(S+Se) lớp hấp thụ CZTSSe 51 3.3.2 Ảnh hƣởng chiều dày lớp chức 53 3.3.3 Ảnh hƣởng nồng độ pha tạp lớp chức 61 3.3.4 Ảnh hƣởng nồng độ khuyết tật khối Nt lớp hấp thụ CZTSSe 66 3.4 Đánh giá hiệu lựa chọn thông số tối ƣu pin CZTSSe - 69 3.4.1 Thiết kế pin mặt trời CZTSSe cấu trúc đảo 69 3.5 Ảnh hƣởng nhiệt độ làm việc đến hiệu pin mặt trời CZTSSe - 74 KẾT LUẬN 77 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao) DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT PMT Pin Mặt Trời CZTSSe Cu2ZnSn(SxSe1-x)4 CIGSSe Cu(In,Ga)(S,Se)2 ĐMTMN Điện mặt trời mái nhà CdTe Cadmium Telluride CIS CuInS2 CIAS Cu(In,Al)S2 CIGS Đồng indium gallium diselenide PEC Pin mặt trời quang điện hóa DSSC Pin mặt trời tẩm chất nhạy quang FSPD Full Spray Pyrolysys Deposition SCAPS-1D Solar Cell Capacitance Simulator in Dimention DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tổng hợp số kết nghiên cứu pin mặt trời CZTSSe 26 Bảng 2.1 Phần mềm đƣợc sử dụng để mô pin mặt trời 30 Bảng 2.2 Các thông số vật liệu 43 Bảng 2.3 Các thông số trạng thái khuyết tật khối 45 Bảng 3.1 Thông số đầu vào mô 49 Bảng 3.2 Các thông số quang điện pin mặt trời CZTSSe mô SCAPS-1D tỉ lệ S/(S+Se) thay đổi 52 Bảng 3.3 Các thông số quang điện pin mặt trời CZTSSe mô SCAPS-1D chiều dày lớp hấp thụ CZTSSe thay đổi 54 Bảng 3.4.Một số thông số vật liệu sử dụng mô pin mặt trời glass/ZnO/ZnS/CdS/CZTSSe/Pt 58 Bảng 3.5 Các thông số quang điện pin mặt trời CZTSSe mô SCAPS-1D chiều dày lớp đệm kép CdS/ZnS thay đổi 58 Bảng 3.6 Các thông số quang điện pin mặt trời CZTSSe mô SCAPS-1D nồng độ pha tạp NA lớp CZTSSe thay đổi 62 Bảng 3.7 Các thông số quang điện pin mặt trời mô SCAPS1D nồng độ ND lớp đệm ZnS thay đổi 65 Bảng 3.8 Các thông số quang điện pin mặt trời mô SCAPS1D Nt lớp CZTSSe 67 Bảng 3.9 So sánh thông số mẫu thực nghiệm CEL-01 mẫu thiết kế CEL-M_01 71 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tỷ lệ nguồn lƣợng tiêu thụ toàn cầu Hình 1.2 Thị trƣờng sử dụng pin mặt trời toàn cầu -5 Hình 1.3 Hiệu ứng quang điện -8 Hình 1.4 Các kiểu pin mặt trời hệ I -9 Hình 1.5 Một mẫu pin mặt trời đa tinh thể -9 Hình 1.6 Một mẫu pin mặt trời hệ II 10 Hình 1.7 Một mẫu pin mặt trời nano tinh thể 11 Hình 1.8 Một mẫu pin mặt trời quang điện hóa - 12 Hình 1.9 Mẫu pin mặt trời tẩm chất nhạy quang 12 Hình 1.10 Mẫu pin mặt trời chấm lƣợng tử 13 Hình 1.11 Mẫu pin mặt trời quang điện lai 14 Hình 1.12 Cấu trúc pin mặt trời đơn lớp - 15 Hình 1.13 Cấu trúc Pin mặt trời đa lớp CZTSSe CIGS - 15 Hình 1.14 Sự thu hẹp vùng điện tích khơng gian pin mặt trời phân cực thuận không đƣợc chiếu sáng 17 Hình 1.15 Giản đồ lƣợng pin mặt trời phân cực thuận không đƣợc chiếu sáng 17 Hình 1.16 Sự mở rộng vùng điện tích khơng gian pin mặt trời phân cực ngƣợc không đƣợc chiếu sáng - 18 Hình 1.17 Giản đồ lƣợng pin mặt trời phân cực ngƣợc không đƣợc chiếu sáng 19 Hình 1.18 Đặc trƣng I-V pin mặt trời lý tƣởng cho trạng thái không đƣợc chiếu sáng (tối) đƣợc chiếu sáng - 19 Hình 1.19 a) Cấu trúc thuận b) Cấu trúc đảocủa pin mặt trời màng mỏng CZTSSe 24 Hình 1.20 Cấu trúc tinh thể vật liệu CZTSSe - 25 Hình 2.1 Quy trình mơ hình hóa để cải thiện hiệu suất quang điện - 29 Hình 2.2 Giao diện sử dụng phần mềm SCAPS-1D 31 Hình 2.3 Giao diện thiết kế mơ hình lớp pin mặt trời phần mềm SCAPS-1D - 32 Hình 2.4 Giao diện thiết lập thơng số đầu vào lớp pin mặt trời phần mềm SCAPS-1D - 33 Hình 2.5 Giao diện hiển thị kết thông đầu pin mặt trời phần mềm SCAPS-1D - 33 Hình 2.6 Sơ đồ tƣơng đƣơng pin mặt trời thực - 34 Hình 2.6 a) Ánh sáng mặt trời tới trái đất b) Một số phổ chuẩn - 40 Hình 2.7 Phổ hấp thụ lớp pin mặt trời CZTSSe 44 Hình 2.8 Các trạng thái chuyển tiếp cặp điện tử lỗ trống 45 Hình 3.1 Cấu trúc pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/TCO/ lớp đệm/ CZTSSe /Me - 47 Hình 3.2 Mơ hình mơ SCAPS-1D pin mặt trời cấu trúc đảo glass/ZnO/lớp đệm/CZTSSe/Me - 48 Hình 3.3 Phổ hấp thụ lớp chức ZnO, CdS Cu2ZnSn(SxSe1x)4 (với x thay đổi từ đến 1) 48 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 tỉ lệ S/(S+Se) 52 Hình 3.5 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 δCZTSSe 55 Hình 3.6 Sự thay đổi hiệu suất lƣợng tử EQE theo δCZTSSe - 56 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 δCdS:ZnS 59 Hình 3.8 Giản đồ lƣợng pin CZTSSe nhận đƣợc từ mô SCAPS-1D hai trƣờng hợp: (a) CEL-S (b) CEL-D - 60 Hình 3.9 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 CZTSSe 63 Hình 3.10 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 ZnS - 66 Hình 3.11 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 Nt lớp hấp thụ CZTSSe 68 Hình 3.12 Sự thay đổi hiệu suất lƣợng tử EQE theo Nt lớp hấp thụ CZTSSe 69 Hình 3.13 Đặc trƣng J-Vsáng pin mặt trời glass/ZnO:In/CdS/CZTSSe/Ag thiết kế mô SCAPS-1D - 70 Hình 3.14 Đặc trƣng J-V sáng pin mặt trời chế tạo thử nghiệm CEL-01 71 Hình 3.15 Kết fitting đặc trƣng J-V mẫu CEL-01 72 Hình 3.16 Ảnh hƣởng nhiệt độ làm việc T tới đặc trƣng J-V pin CZTSSe 74 Hình 3.17 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 theo nhiệt độ làm việc T 75 69 100 n-ZnO p-CZTSSe n-ZnS/CdS Nt gia tăng EQE (%) 80 1.1012 cm-3 4.1012 cm-3 8.1012 cm-3 1.1013 cm-3 4.1013 cm-3 8.1013 cm-3 4.1014 cm-3 8.1014 cm-3 60 40 20 300 400 500 600 700 800 900 l(nm) Hình 3.12 Sự thay đổi hiệu suất lƣợng tử EQE theo Nt lớp hấp thụ CZTSSe Từ hình 3.12, dễ dàng nhận thấy hiệu suất lƣợng tử giảm đáng kể Nt gia tăng vùng lớp hấp thụ Kết dẫn đến suy giảm mạnh thông số quang điện pin Do vậy, yêu cầu phải kiểm soát đƣợc nồng độ khuyết tật Nt công nghệ chế tạo lớp hấp thụ Từ kết trên, với công nghệ chế tạo pin mặt trời CZTSSe phƣơng pháp FSPD để đạt hiệu suất ≥ 2,20 % cần phải kiểm soát đƣợc nồng độ khuyết tật khối lớp hấp thụ phạm vi tối ƣu Nt = 1.1012  4.1013 cm-3 3.4 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG VÀ LỰA CHỌN THÔNG SỐ TỐI ƢU PIN CZTSSe 3.4.1 Thiết kế pin mặt trời CZTSSe cấu trúc đảo Từ kết khảo sát nhận đƣợc mục 3.3, lựa chọn số thông số vật liệu thông số cấu trúc phù hợp sử dụng để thiết kế pin mặt trời glass/ZnO/ZnS/CdS/CZTSSe/Pt phù hợp sử dụng phƣơng pháp chế tạo phun phủ nhiệt phân toàn phần FSPD, cụ thể nhƣ sau: 70 Ký Đơn Lớp vật liệu hiệu vị ZnO CdS ZnS CZTSSe Chiều dày  m 0,25 0,06 0,09 1,80 Độ rộng vùng cấm Eg eV 3,37 2,45 3,7 1,18 Ái lực điện tử  eV 4,65 4,3 4,5 4,4 Nồng độ tạp chất donor ND cm-3 0,8 1017 1,0.1016 1,5 1016 Nồng độ tạp chất acceptor NA cm-3 0 0,55 1016 Thông số Kết mô đặc trƣng J-V sáng thông số quang điện pin mặt trời glass/ZnO/ZnS/CdS/CZTSSe/Pt (ký hiệu CEL-M_01) nhƣ trình bày hình 3.13 AM 1.5 J (mA/cm2) VOC = 699,7 mV JSC = 7,12 mA/cm2 FF = 46,16%  = 2,30% -2 -4 CEL-M_01 -6 -8 -200 200 400 600 800 V (mV) Hình 3.13 Đặc trƣng J-V sáng pin mặt trời glass/ZnO:In/CdS/CZTSSe/Ag thiết kế mô SCAPS-1D Mặt khác, để đánh giá hiệu pin đƣợc thiết kế nêu trên, thực chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO/ZnS/CdS/CZTSSe/Pt phƣơng pháp phun phủ nhiệt phân tồn phần FSPD (Phịng Thí nghiệm Phân tích Đo lƣờng vật lý - ĐHBK Hà Nội hỗ trợ thực nghiệm này) Quy trình cơng nghệ chế tạo FSPD đƣợc trình bày [2] Pin mặt trời chế tạo thử nghiệm đƣợc ký hiệu CEL-01 Hình 3.14 thể đặc trƣng J-V sáng pin chế tạo thử nghiệm CEL-01 71 AM1.5 J (mA/cm2) VOC = 685,7 mV JSC = 6,93 mA/cm2 FF = 43,62%  = 2,09% -3 CEL-01 -6 -200 200 400 600 800 V (mV) Hình 3.14 Đặc trƣng J-V sáng pin mặt trời chế tạo thử nghiệm CEL-01 Kết so sánh thông số quang điện mẫu thiết kế CEL-M_01 mẫu pin chế tạo thử nghiệm CEL-01 đƣợc thể bảng 3.9 Bảng 3.9 So sánh thông số mẫu thực nghiệm CEL-01 mẫu thiết kế CEL-M_01 Loại mẫu Thông số Đơn vị Sai Thực nghiệm Thiết kế lệch CEL-01 CEL-M_01 (%) mV 685,7 699,7 2,0 mA/cm2 6,93 7,12 2,67 Hệ số lấp đầy (FF) % 43,62 46,16 5,5 Hiệu suất () % 2,09 2,30 10,05 Điện áp hở mạch (VOC) Mật độ dòng điện ngắn mạch (JSC) Kết bảng 3.9 cho thấy, thơng số quang điện có độ sai lệch lớn 10,5% (đối với JSC) nhỏ 2,0% (đối với VOC) mẫu pin chế tạo thử nghiệm CEL-01 mẫu pin thiết kế CEL-M_01 mô Có thể thấy, cịn có sai lệch đáng kể thiết kế lý thuyết thực nghiệm nhƣng kết đạt đƣợc cho thấy phƣơng pháp mô giải pháp hỗ trợ tốt cho thực nghiệm chế tạo pin CZTSSe công nghệ FSPD Đánh giá chúng tơi hồn tồn tƣơng đồng với nhận 72 định S.O Oyedele cộng [16] so sánh chế tạo thực nghiệm thiết kế pin CIGS SCAPS-1D Để tìm hiểu chất trình vật lý xảy bên mẫu thực nghiệm CEL-01 làm sở để cải tiến thực nghiệm, sử dụng phƣơng pháp mô SCAPS-1D để khảo sát Hình 3.15 so sánh đặc trƣng J-V mẫu thử nghiệm CEL-01 (đƣờng (a)) mẫu fitting CEL-F_01 mơ (đƣờng (b)) Hình 3.15 Kết fitting đặc trƣng J-V mẫu CEL-01 Có thể thấy, độ sai lệch thông số quang điện mẫu thực nghiệm CEL-01 mẫu làm khớp CEL-F_01 có giá trị nhỏ ( 0,57%) Điều này, cho phép thông tin mơ phản ánh tƣơng đối phù hợp với trình vật lý xảy mẫu thực nghiệm CEL-01 Dựa vào kết mô hình 3.15 xác định số thơng số nồng độ thông số điện lớp hấp thụ CZTSSe (phản ánh thông số thực pin chế tạo thực nghiệm CEL-01) nhƣ sau:  Nồng độ acceptor: NA = 5,25.1016 cm-3  Nồng độ khuyết tật khối: Nt = 6,65.1016 cm-3 73  Mật độ khuyết tật phân biên tiếp xúc CdS/CZTSSe: NS=3,8.1012cm-2  RS = 10,5; RSH = 195 So sánh thông số nhận đƣợc CEL-01 với thông số liên quan mẫu thiết kế CEL-M_01, nhận thấy nồng độ NACZTSSe CEL-01 nhỏ nồng độ NACZTSSe CEL-M_01 giá trị 0,19.1016 cm-3, đó, nồng độ NtCIAS NSCZTSSe CEL-01 lớn với giá trị lần lƣợt 0,34.1013 cm-3 2,7.1012 cm-2 Theo chúng tôi, nguyên nhân suy giảm nồng độ NA gia tăng Nt NS mẫu thực nghiệm xuất thêm pha thứ hai CZTS, CZTSe phân bố không đồng hợp phần S/S+Se cấu trúc mạng hình thành có khuyết tật q trình lắng đọng màng CZTSSe phƣơng pháp SPD nhƣ thông báo [18] Chính sai hỏng hay khuyết tật hình thành tâm tái hợp tƣơng ứng với trạng thái điện tử định xứ tiếp xúc cơng nghệ CdS/CZTSSe (vị trí đáy vùng dẫn Nc đỉnh vùng hoá trị Nv sơ đồ dải lƣợng) làm gia tăng trình tái hợp phân biên Kết làm cho VOC, JSC giảm nên kéo theo  giảm mạnh theo nhƣ kết thể bảng 3.9 Nhƣ vậy, để cải thiện hiệu pin chế tạo thực nghiệm phƣơng pháp FSPD cần phải kiểm soát đƣợc hình thành pha trung gian (nhƣ CZTS CZTSe) điều chỉnh hợp phần S/S+Se trình lắng đọng lớp hấp thụ CZTSSe Các yêu cầu cần đƣợc nghiên cứu sâu thực nghiệm sau Từ kết phân tích kết luận: Các kết đạt bước đầu cho thấy tiềm phương pháp mô SCAPS-1D nghiên cứu chế tạo pin mặt trời màng mỏng Bằng phương pháp SCAPS-1D thiết kế cấu trúc tối ưu pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo sử dụng lớp đệm kép 74 glass/ZnO/ZnS/CdS/CZTSSe/Pt đạt hiệu suất chuyển đổi quang điện 2,09% theo lý thuyết hiệu suất chuyển đổi pin chế tạo thử nghiệm theo thông số thiết kế đạt 2,30% 3.5 ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÀM VIỆC ĐẾN HIỆU NĂNG CỦA PIN MẶT TRỜI CZTSSe Nhiệt độ làm việc đóng vai trị đáng kể đến độ ổn định hiệu suất nhƣ thông số khác pin mặt trời Các modun pin mặt trời đƣợc sử dụng nhà ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp hàng ngày Vì pin mặt trời ln làm việc mơi trƣờng có nhiệt độ lớn 300 K nên khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ làm việc pin mặt trời CZTSSe phạm vi T = 300 ÷ 420 K Kết mơ đƣợc trình bày hình 3.16 hình 3.17 Hình 3.16 mơ tả ảnh hƣởng nhiệt độ làm việc T tới đặc trƣng J-V pin CZTSSe 20 300K 320K 340K 360K 380K 400K 420K 15 J (mA/cm2) 10 T tăng -5 -10 200 400 600 V (mV) Hình 3.16 Ảnh hƣởng nhiệt độ làm việc T tới đặc trƣng J-V pin CZTSSe 75 Hình 3.17 biểu diễn đồ thị phụ thuộc thông số quang điện nhận đƣợc từ đặc trƣng J-V (hình 3.16) với nhiệt độ làm việc Các thông số quang điện vật liệu nhƣ độ rộng vùng cấm quang, nồng độ hạt tải, độ linh động điện tử lỗ trống, độ dẫn bị ảnh hƣởng nhiệt độ cao, nguyên nhân làm cho hiệu suất pin mặt trời thấp Từ hình 3.17a, dễ dàng nhận thấy, nhiệt độ làm việc tăng điện áp hở mạch VOC giảm Điều phù hợp điện áp hở mạch VOC phụ thuộc vào nhiệt độ theo quy luật sau [9]: ( ) (3.6) Khi độ rộng vùng cấm lớp bán dẫn giả thiết không phụ thuộc vào nhiệt độ, Voc thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ nhƣ hình 3.17a 720 8.0 a 680 b 640 JSC (mA/cm2) VOC (mV) 7.5 600 560 520 7.0 480 6.5 440 400 280 300 320 340 360 380 400 420 6.0 280 440 300 320 340 360 T (K) 380 400 420 440 T (K) 48 2.2 c d 2.0 46  (%) FF (%) 1.8 44 1.6 42 1.4 40 1.2 38 280 300 320 340 360 T (K) 380 400 420 440 1.0 280 300 320 340 360 380 400 420 440 T (K) Hình 3.17 Sự thay đổi (a) mật độ dịng ngắn mạch, (b) hệ số lấp đầy, (c) điện áp hở mạch (d) hiệu suất chuyển đổi theo theo nhiệt độ làm việc T 76 Hình 3.17b phản ánh mật độ dịng ngắn mạch Jsc hầu nhƣ khơng thay đổi theo nhiệt độ T Kết phù hợp với công thức lý thuyết [1]: Jsc = Jph = qKNph = αE (3.7) Do đó, Jsc phụ thuộc vào số cặp hạt tải đƣợc tạo giới hạn lc(Nph) hay phụ thuộc vào cƣờng độ chiếu sáng E mà hầu nhƣ không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trƣờng làm việc Khi nhiệt độ tăng, Voc giảm, Jsc hầu nhƣ không thay đổi nên hệ số lấp đầy giảm, dẫn tới hiệu suất chuyển đổi quang điện pin giảm (hình 3.17c,d) Trên sở mơ hình chúng tơi (hình 3.1), dải nhiệt độ làm việc khảo sát T = 300 ÷ 400 K, nhận đƣợc thông số sau đây:  Tại T= 300K nhận đƣợc thông số quang điện sau: η = 2,09 %, FF= 43,63 %, Jsc= 6,96 mA/ cm2, Voc= 689,8 mV  Tại T= 400K nhận đƣợc thông số quang điện sau: η= 1,33 %, FF= 42,22 %, Jsc= 6,95 mA/ cm2, Voc= 453,6 mV  Mức suy hao hiệu suất chuyển đổi quang điện theo nhiệt độ đƣợc xác định khoảng -0,76 %/K Kết cho thấy suy hao hiệu suất theo nhiệt độ môi trƣờng làm việc pin CZTSSe thấp so với pin CIGS pin CIGS mức suy hao theo công bố [21] -1,7%/K 77 KẾT LUẬN Trên sở kết nghiên cứu đạt đƣợc luận văn, đƣa kết luận nhƣ sau: Đã thiết kế thành công cấu trúc tối ƣu pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/ZnS/CdS/CZTSSe/Pt sử dụng lớp đệm kép phƣơng pháp mô SCAPS-1D bƣớc đầu chế tạo thử nghiệm thể đáp ứng phù hợp thiết kế thực nghiệm, kết cụ thể nhƣ sau: Đã thu thập thông số mô pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/ZnS/CdS/CZTSSe/Pt Đã khảo sát ảnh hƣởng hợp phần S/S+Se, chiều dày, nồng độ pha tạp khuyết tật khối lớp hấp thụ CZTSSe; chiều dày nống độ pha tạp lớp đệm kép CdS/ZnS Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ làm việc đến hiệu pin phạm vi T = 300 ÷ 420 K cho thấy mức suy hao hiệu suất chuyển đổi quang điện theo nhiệt độ khoảng -0,76%/K Khảo sát khả sử dụng lớp đệm kép CdS/ZnS cho pin CZTSSe cho thấy sử dụng thêm lớp đệm ZnS có độ rộng vùng cấm cao CdS cải thiện dải lƣợng liên kết với ZnO làm tăng lƣợng photon đến tiếp xúc CdS/CZTSSe đồng thời làm giảm tái hợp phân biên nên làm tăng hiệu suất lƣợng tử Có thể đánh giá kết triển vọng cho nghiên cứu sử dụng lớp đệm kép ZnS/CdS thay CdS cho pin mặt trời CZTSSe hiệu suất cao Các kết nhận đƣợc:  Đã xác định đƣợc thông số công nghệ tối ƣu cho pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/ZnS/CdS/CZTSSe/Pt : o Lớp cửa sổ ZnO: 78  = 250 nm; Eg = 3,37 eV; ND = 2,1.1016 cm-3 o Lớp đệm kép CdS/ZnS:  = 120 nm; Eg = 1,45 eV; ND = 2.1016 cm-3 o Lớp hấp thụ CZTSSe:  = 1,8 µm, Eg = 1,18 eV, NA = 5,5.1015 cm-3, Nt = 2.1013 cm-3  Kết mô đạt đƣợc thông số quang điện cao nhất: Voc = 699,7 mV, Jsc = 7,12 mA/cm2, FF = 46,16 %  = 2,30 %  Kết chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/ZnS/CdS/CZTSSe/Pt công nghệ FSPD đạt đƣợc thông số quang điện cao nhất: Voc = 685,7 mV, Jsc = 6,93 mA/cm2, FF = 43,62 %  = 2,09 % Các kết luận văn cho phép mở khả sử dụng phƣơng pháp mô SCAPS-1D nhƣ phƣơng pháp thiết kế hữu hiệu để hỗ trợ cho thực nghiệm chế tạo pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo có hiệu suất cao giá thành thấp 79 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Võ Thạch Sơn (2001), “Linh kiện bán dẫn vi điện tử”, NXB KHKT [2] Trần Thanh Thái (2012), “Nghiên cứu vật lý công nghệ PMT màng mỏng cấu trúc đảo Glass/ZnO:In/CdS/CuInS2/Metal chế tạo phương pháp phun phủ nhiệt phân toàn phần (FSPD)”, Luận án tiến sỹ - Vật lý kỹ thuật [3] Phạm Anh Tuân (2017), “Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời Cu(Zn,Sn)(S,Se)2 Cu(In,Ga)(S,Se)2”, Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu Tài liệu tiếng Anh [4] Anh-Tuan Pham, Ngoc-Phan Vu, Duc-Huy Tran, Anh-Dung Dang Viet, Xuan-Quang Nguyen, Duy-Cuong Nguyen, (2016), “Fabrication of Cu(In,Ga)(S,Se)2 solar cells by solution methods”, Journal of Electronic Material, DOI: 10.1007/s11664-016-5236-4 [5] Abdellah Benami (2019), “Effect of CZTS Parameters on Photovoltaic Solar Cell from Numerical Simulation”, Journal of Energy and Power Engineering 13 (2019) 32-36 [6] CJ Hages , Carter, NJ , Agrawal, R , (2016)"General quantum efficiency analysis for non-ideal solar cells: Cu2ZnSnSe4 case", Journal of Applied Physics, vol 119, no 1, p 014505 [7] C Steinhagen , Panthani, MG , Akhavan, V , Goodfellow, B , Koo, B , Korgel, BA ,(2009)"Synthesis of Cu2ZnSnS4 nanocrystals for use in low cost photoelectricity", Journal of the American Chemical Society, vol 131, pages 12554–12555 80 [8] Dongwook Lee and Kijung Yong (2014), “Solution-processed Cu2ZnSnS4 superstrate solar cell using vertically aligned ZnO nanorods”, Nanotechnology 25 (2014) 065401 (8pp) [9] Frisk, C, Doctoral Thesis (2017), “Modeling and electrical characterization of Cu(In,Ga)Se2 and Cu2ZnSnS4 solar cells”, Uppsala University, SE-75121 Uppsala, Sweden [10] H Katagiri , Sasaguchi, N , Hando, S , Hoshino, S , Ohashi, J , Yokota, T ,(1997)"Preparation and evaluation of Cu2ZnSnS4 thin films by sulfide EB-volatile precursor", Solar Materials and Solar Cells, vol 49, pp 407 – 414 [11] Ito, K (2015), Copper Zinc Tin Sulfide-Based Thin-Film Solar Cells [12] ISE-Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, (2016), Photovoltaics Report [13] J L Barden, M L Mellish, B T Murphy, N Slater-thompson, D Peterson, and P.Lindstrom, (2013), “International Energy Outlook 2013” [14] J.L Gray (1991),“ADEPT: a general purpose numerical device simulator for modeling solar cells in one-, two-, and threedimensions”, In Photovoltaic Specialists Conference, Conference Record of the Twenty Second IEEE, pp 436–438 [15] J Peng, L Lu, and H Yang (2013), “Review on life cycle assessment of energy payback and greenhouse gas emission of solar photovoltaic systems,” Renew Sustain Energy Rev., vol 19, pp 255-274, Mar 2013 [16] Kentaro, I (2015) “Copper Zinc Tin Sulfide-Based Thin-Film Solar Cells” New York: John Wiley & Sons 81 [17] Lhoussayne Et-taya, Touria Ouslimane, Abdellah Benami (2020), Numerical analysis of earth-abundant Cu2ZnSn(SxSe1-x)4 solar cells based on Spectroscopic Ellipsometry results by using SCAPS-1D, Solar Energy 201, 827-835 [18] M ZHONG, S LIU, H LI, C LI (2018), “Superstrate-type Cu2ZnSnS4 solar cells without sulfurization fabricated by spray pyrolysis”, Chalcogenide Letters Vol 15, No 3, March 2018, p 133 – 137 [19] Nguyen Duc Hieu, Tran Thanh Thai, Luu Thi Lan Anh, Vu Thi Bich, Vo Thach Son (2011), “The role of the CdS buffer layer in all-spray ZnO/CdS/Cu(In,Al)S2 solar cells”, Proceedings of the Sixth VietnamKorea International Joint Symposium Hanoi, Nov 14 - 15, 2011, pp 181-184, ISBN: 878-604-911-113-6 [20] New world Record, (2014), “New world record for solar cell efficiency at 46% French-German competitive advantage of cooperation confirms European photovoltaic industry”, Fraunhofer ISE [21] Oyedele, S O., Aka, B (2017), “Numerical simulation of varied buffer layer of solar cells based on CIGS”, Modeling and Numerical Simulation of Material Science 7, pp 33-45 [22] Paetel, S., (2016), Roadmap CIGS towards 25 % Efficiency, Zent Für Sonnenenergie- und Wasserstoff-forsch Baden-württemb [23] Q Guo , Hillhouse, HW , Agrawal, R , (2009)"Synthesis of ZnSnS4Cu2 nanocrystalline ink and its use in solar cells", Journal of the American Chemical Society, vol 131, no 33, pages 11672 – 11673 82 [24] Rafee Mahbub, Md Saidul Islam, Farhana Anwar, Sakin Sarwar Satter, Saeed Mahmud Ullah (2016), “Simulation of CZTS thin film solar cell for different buffer layers for high efficiency performance”, South Asian Journal of Engineering and Technology Vol.2, No.52 (2016) 1–10 [25] S Selberherr (2013),“Analysis and simulation of semiconductor devices”, Springer, New York [26] Smestad, G P., (2002), Optoelectronics of Solar Cells, SPIE Press [27] Sze and K K NG, (2007), Physics of Semiconductor Device, Wiley [28] Sudipto Saha, MD Zubair Ebne Rafique, M M Shahidul Hassan (2016), Performance of CZTSxSe1-x Solar Cell with Various Mole Fractions of Sulfur for Different Buffer Layers, 4th International Conference on the Development in the in Renewable Energy Technology (ICDRET-2016) [29] Thai, T T., N D Hieu, L T L Anh, P P Hung, V T Son, and V T Bich, (2012), Fabrication and characteristics of fully-sprayed ZnO/CdS/CuInS2 solar cells, J Korean Phys Soc., vol 61, no 9, p 1494 [30] T Magorian Friedlmeier , Wieser, N , Walter, T , Dittrich, H , Schock, HW , (1997)"Allergies based on Cu2ZnSnS4 and Cu2ZnSnSe4 thin films", in Europe's 14th PVSEC [31] T Gokmen , Gunawan, O , Todorov, TK Mitzi, DB ,(2013)"Limiting Performance and Strips in Kesterite Solar Cells", Applied Physical Letter, vol 103, p 103506 [32] Wang, W., M T Winkler, O Gunawan, T Gokmen, T K Todorov, Y Zhu, and D.B Mitzi, (2014), Device characteristics of CZTSSe 83 thin-film solar cells with 12.6% efficiency, Adv Energy Mater., vol 4, no 7, p 10301465 [33] [34] Würfel, P (2005), “Physics of Solar Cells”, Germany, Wiley-VCH Xiaolei Liu, Xiaojing Hao, Shujuan Huang, Gavin Conibeer, “Numerical Modeling of CZTS solar cell, School of Photovoltaic and Renewable Energy Engineering, University of New South Wales, Sydney, NSW 2052, Australia [35] Statistical Review of World Energy, https://www.bp.com/content/dam/bp/en/corporate/pdf/energyeconomics/statistical-review/bp-statsreview-2018-full-report.pdf [cited 15/11/2018] [36] Global Market Outlook for Solar Power/2018-2022, http://www.solarpowereurope.org/wpcontent/uploads/2018/09/Global -Market- Outlook-2018-2022.pdf 2018 [cited 29/11/2018] [37] http://vanban.chinhphu.vn [cited 6/4/2020] [38] https://vi.wikipedia.org/wiki/ Điện mặt trời điện gió Fujiwara Bình Định [cited 15/6/2019] [39] http://www.pecc1.com.vn/d4/news/Cong-nghe-va-ky-thuat-cuaquang-dien-8-1351.aspx[cited 13/9/2020] [40] http://vecea.vn/tin-tuc/t460/cac-the-he-pin-mat-troi.html [cited 12/8/2020] [41] https://givasolar.com.vn/cac-loai-pin-nang-luong-mat-troi-va-ungdung-cua-pin-mat-troi/[cited 15/12/2019] [42] http://moitruong24h.vn/pin-mat-troi-la-cay.html [cited 15/7/2020] [43] https://evn.com.vn/c2/nang-luong-tai-tao/Nang-luong-tai-tao-141.aspx [cited 5/9/2020] ... mong muốn nghiên cứu pin mặt trời màng mỏng sở hệ vật liệu Cu2ZnSn(SxSe1- x)4 nên chọn đề tài luận văn: ? ?Nghiên cứu mơ hình thiết kế pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp hấp thụ Cu2ZnSn(SxSe1- x)4? ?? Mục... tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: Pin mặt trời màng mỏng sở lớp hấp thụ Cu2ZnSn(SxSe1- x)4 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu mơ hình hóa thiết kế phần tử pin mặt trời màng mỏng cấu trúc... Ứng dụng nhiều đa dạng pin mặt trời màng mỏng - Đƣa vào ứng dụng loại pin mặt trời sở vật liệu nhƣ CZTSSe, pin mặt trời nhuộm màu, pin mặt trời hữu cơ…v.v - Nghiên cứu sử dụng cấu trúc pin mặt trời