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 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, lịng 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 Tơi 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 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 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 Thông 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 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) 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 toàn phần ITO Tin Oxide doped-Indium Ôxit 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 TCO CZTS CIGS 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 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 không 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 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 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 dịng 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 môi trường 62 Hình 3.16 Đặc trưng J-V pin mặt trời ứng với lớp đệm khác 65 59 Kết đo đặc trưng J-V sáng thông số quang điện pin mặt trời CEL-01 trình bày hình 3.12 VOC = 595 mV AM1.5 JSC = 4,92 mA/cm FF = 38,97%  = 1,14% J (mA/cm ) -3 CEL-01 -6 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 V (V) Hình 3.12 Đặc trưng J-V sáng pin mặt trời glass/ZnO:In/CdS/CZTS/Ag chế tạo thử nghiệm công nghệ FSPD So sánh với hiệu suất chuyển đổi quang điện mẫu pin thiết kế CELM_01, mẫu pin chế tạo thử nghiệm CEL-01 có hiệu suất thấp đáng kể (sai lệch khoảng 28,79%) Có thể thấy, cịn có sai lệch đáng kể thiết kế lý thuyết thực nghiệm kết đạt cho thấy phương pháp mô giải pháp hỗ trợ tốt cho thực nghiệm chế tạo pin CZTS công nghệ FSPD Đánh giá thống với nhận định M Patel cộng [14] so sánh mô pin CZTS phần mềm SCAPS-1D chế tạo thực nghiệm 3.4 Ảnh hưởng điều kiện môi trường làm việc Pin mặt trời hoạt động tốt số điều kiện thời tiết định, thời tiết ln thay đổi lắp đặt pin mặt trời khắp giới vùng khí hậu khác nhau, hầu hết pin không hoạt động điều kiện lý tưởng Để xác định chế độ làm việc pin mặt trời đưa vào thực tế, khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ môi trường hoạt động đến thông số pin mặt trời Như thiết bị bán dẫn khác, 60 pin mặt trời nhạy cảm với nhiệt độ Việc thay đổi nhiệt độ làm việc ảnh hưởng đến hầu hết thông số vật liệu bán dẫn a) Kết khảo sát mơ Để tìm hiểu ảnh hưởng nhiệt độ đến hoạt động pin mặt trời CZTS chúng tơi khảo sát T thay đổi từ 300K ÷ 400K Hình 3.13 biểu diễn đặc trưng J-V sáng pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc mô J (mA/cm ) -2 -4 300K 310K 320K 330K 340K 350K 360K 370K 380K 390K Nhiệt độ T tăng -6 -8 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 V (V) Hình 3.13 Đặc trưng J-V sáng pin mặt trời glass/ZnO:In/CdS/CZTS/Ag phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc Từ đặc trưng J-V sáng hình 3.13, thơng số quang điện xác định trình bày bảng 3.8 hình 3.14 Bảng 3.8 Các thông số quang điện pin mặt trời CZTS mô SCAPS-1D nhiệt độ làm việc thay đổi Mẫu M-70 M-71 M-72 M-73 M-74 M-75 M-76 M-77 Nhiệt độ Điện áp hở mạch Mật độ dòng ngắn mạch Hệ số lấp đầy Hiệu suất T (oK) (mV) (mA/cm2) (%) (%) 300 630 6,32 40,33 1,60 310 605 6,33 40,96 1,57 320 581 6,33 41,47 1,53 330 556 6,34 41,87 1,48 340 532 6,34 42,13 1,42 350 507 6,35 42,26 1,36 360 483 6,35 42,25 1,30 370 459 6,36 42,08 1,23 61 M-78 M-79 M-74 380 390 400 434 409 384 6,37 6,37 6,38 800 1,15 1,08 0,99 7.0 a 700 41,75 41,26 40,62 b 6.8 VOC (mV) JSC (mA/cm ) 600 500 6.4 400 6.2 300 200 6.0 300 320 340 360 o T( K) 380 300 400 320 340 o T( K) 360 380 400 2.0 60 c 55 d 1.8 1.6 50 1.4 45  (%) FF (%) 6.6 40 1.2 1.0 35 0.8 30 0.6 25 300 320 340 o 360 380 400 300 T( K) 320 340 o 360 380 400 T( K) 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 Từ đồ thị hình 3.14, dễ dàng nhận thấy, nhiệt độ làm việc tăng hở mạch VOC giảm đáng kể Điều phù hợp điện áp hở mạch VOC phụ thuộc vào nhiệt độ theo quy luật sau [34]: Voc  Eg q  kTe ALD g ln q KN ph (3.2) 62 Khi độ rộng vùng cấm lớp bán dẫn giả thiết không phụ thuộc vào nhiệt độ, VOC thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ Mật độ dịng ngắn mạch JSC thay đổi không đáng kể Kết phù hợp với công thức lý thuyết [34]: Jsc = Jph = qKNph = αE (3.3) Do đó, Jsc phụ thuộc vào số cặp hạt tải tạo giới hạn c (Nph) hay phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng E mà không phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, Voc giảm, Jsc không thay đổi, hệ số lấp đầy thay đổi không đáng kể, dẫn tới công suất tới hạn giảm, đồng thời hiệu suất chuyển đổi quang điện pin giảm Mặt khác, xác định mức suy hao hiệu suất chuyển đổi quang điện pin CZTS dải nhiệt độ 300K đến 400K khoảng -0,005%/K Kết cho thấy suy hao hiệu suất theo nhiệt độ pin CZTS thấp đáng ý pin CZTS mức suy hao theo công bố [19] 0,0776%/K b) Kết khảo sát thực nghiệm o 320 K o 310 K o 300 K J (mA/cm ) -3 -6 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 V (V) Hình 3.15 Đặc trưng J-V sáng pin mặt trời CZTS phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường 63 Trong thực tế, môi trường hoạt động pin mặt trời lên đến 50 60oC Tuy nhiên, để phù hợp với điều kiện Việt Nam, giới hạn dải nghiên cứu luận văn ba điểm nhiệt độ 27oC (300K), 37oC (310K) 47oC (320K) Hình 3.15 biểu diễn đặc trưng J-V sáng pin mặt trời CZTS nhiệt độ môi trường làm việc thay đổi dải 300K đến 320K Dễ dàng nhận thấy từ hình 3.15, điện áp hở mạch giảm nhiệt độ làm việc tăng, mật độ dịng ngắn mạch gần khơng thay đổi Có thể thấy, quy luật phản ánh phụ thuộc hai thông số quang điện vào nhiệt độ làm việc thực nghiệm mơ hồn tồn thống Ngoài nhiệt độ làm việc pin mặt trời CZTS tăng lên cịn có xuất hiện tượng dịch chuyển điểm công suất cực đại phần tử quang điện pin mặt trời CZTS Như nhiệt độ mơi trường có ảnh hưởng đến thơng số quang điện pin mặt trời CZTS Mức suy hao hiệu suất chuyển đổi quang điện pin CZTS dải nhiệt độ 300K đến 320K khoảng -0,0066%/K 3.5 Vai trò lớp đệm CdS pin mặt trời CZTS khả thay Vai trị lớp đệm tạo thành điểm nối với lớp hấp thụ tiếp nhận lượng ánh sáng tối đa đến vùng tiếp giáp lớp hấp thụ Ngoài ra, lớp phải có tổn thất hấp thụ tối thiểu có khả điều khiển chất mang tạo với tổn thất tái hợp tối thiểu vận chuyển chất mang mạch với điện trở tối thiểu Đối với thông lượng quang cao với tổn thất điện trở tối thiểu, độ rộng vùng cấm lớp đệm phải cao tốt độ dày phải mỏng tốt để trì điện trở thấp CdS có tính truyền quang tính chất điện tốt làm cho trở thành vật liệu lý tưởng cho ứng dụng chế tạo pin mặt trời 64 Hiệu suất chuyển đổi quang điện tốt pin mặt trời màng mỏng công bố vào năm 2016 tên tạp chí Kỹ thuật Cơng nghệ Nam Á 22,63% pin ZnO:Al/i-ZnO/CdS/CZTS/MoS2 [23] khoảng 1,05% pin cấu trúc đảo glass/FTO/TiO2/CdS/CZTS/Au [19] Các kết cho thấy phù hợp việc sử dụng lớp đệm CdS cho pin mặt trời màng mỏng CZTS Tuy nhiên, vấn đề môi trường nhiễm phát sinh độc tính CdS đặt nhà khoa học giới tốn cấp thiết mang tính thời phải giải [35] Hơn nữa, độ rộng vùng cấm thấp CdS (~ 2,42 eV) dẫn đến hấp thụ lượng lớn bước sóng ngắn xạ mặt trời Do cần tiếp tục nghiên cứu tìm kiếm vật liệu làm lớp đệm thay cho lớp đệm CdS truyền thống pin mặt trời màng mỏng Yêu cầu vật liệu thay lớp đệm CdS phải đảm bảo yêu cầu sau [22]: - Vật liệu bán dẫn loại n để hình thành chuyển tiếp p-n với lớp hấp thụ - Độ rộng vùng cấm quang lớn độ rộng vùng cấm CdS lượng photon lớn đến lớp hấp thụ - Vật liệu phải hợp chất ổn định - Vật liệu phong phú, khơng độc tính độc tính giá thành rẻ Q trình lắng đọng phải có chi phí thấp phù hợp với lắng đọng diện rộng Đáp ứng yêu cầu trên, vật liệu ZnS, In2S3, ZnSe,… coi vật liệu tiềm có khả thay CdS Để khảo sát khả sử dụng lớp đệm ZnS, In2S3, ZnSe cho pin CZTS, thực mô SCAPS-1D Các tham số đầu vào mô chọn theo bảng 3.1 3.9 65 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 Thông số CZTS CdS ZnS ZnSe In2S3 ZnO:In  (μm) 2,0 0,12 0,12 0,12 0,12 0,2 Eg (eV) 1,46 2,45 3,5 2,9 2,8 3,4 4,5 4,6 4,5 4,4 4,7 4,65  (eV) 18 18 18 2.10 18 2.10 2.10 4,0.1018 Nc (1/cm ) 2.10 Nv (1/cm3) 2.1018 1,5.1019 1,5.1019 1,5.1019 1,5.1019 9,0.1018 μe (cm2/V.s) 50 50 50 50 50 50 μp (cm /V.s) 20 20 20 20 20 20 ND (1/cm3) 1.1016 1.1016 1.1016 1.1016 5,5.1016 NA (1/cm3) 8.1016 0 0 2.10 18 Sau thực mô pin mặt trời với lớp đệm khác ta nhận kết đường đặc trưng J-V thơng số quang điện xác định hình 3.16 bảng 3.10 ZnS ZnSe In2S3 J (mA/cm2) -1 -2 CdS -3 -4 -5 -6 -7 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 V (V ) Hình 3.16 Đặc trưng J-V pin mặt trời ứng với lớp đệm khác Bảng 3.10 Các thông số quang điện pin mặt trời với lớp đệm khác mô SCAPS-1D Cấu trúc pin mặt trời glass/ZnO:In/CdS/CZTS Điện áp Mật độ dòng Hệ số Hiệu hở mạch (mV) ngắn mạch (mA/cm ) lấp đầy (%) suất (%) 630 6,32 40,33 1,60 66 glass/ZnO:In/In2S3/CZTS 542 6,29 42,62 1,45 glass/ZnO:In/ZnS/CZTS 953 6,34 43,19 1,68 glass/ZnO:In/ZnSe/CZTS 706 6,14 34,74 1,50 Từ kết mô đường đặc trưng J-V thông số quang điện xác định thấy pin mặt trời CZTS sử dụng lớp đệm ZnS để thay cho CdS Tuy nhiên nghiên cứu thực nghiệm phải thực để kiểm chứng xây dựng quy trình cơng nghệ chế tạo tối ưu KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương này, giải vấn đề sau: 1) Lựa chọn cấu trúc pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/lớp đệm/Cu2ZnSnS4/Ag để khảo sát SCAPS-1D 2) Khảo sát ảnh hưởng thông số chiều dày, nồng độ pha tạp lớp chức năng; độ rộng vùng cấm quang lớp hấp thụ đến thông số quang điện pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/CdS/Cu2ZnSnS4/Ag mô SCAPS-1D, kết sau: i) Thu nhận thơng số cơng nghệ tối ưu nhất: • Lớp cửa sổ ZnO: δZnO = 200 nm, Eg = 3,4 eV, ND = 8.1016 cm-3 • Lớp đệm CdS: δCdS = 120 nm, Eg = 2,45 eV, ND = 1.1016 cm-3 ã Lp hp th CZTS: CZTS = 2,0 àm, Eg = 1,46 eV, NA = 8.1016 cm-3, Nt = 4.1016 cm-3 • Mật độ khuyết tật phân biên tiếp xúc CdS/CZTS: NS = 1,0.1012 cm-2 ii) Các thông số quang điện pin mặt trời thiết kế SCAPS-1D: Voc = 630 mV, Jsc = 6,32 mA/cm2, FF = 40,33 %  = 1,60 % 3) Chế tạo thử nghiệm thành công pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/CdS/Cu2ZnSnS4/Ag phương pháp FSPD (Phịng Thí 67 nghiệm Phân tích Đo lường vật lý - ĐHBK Hà Nội hỗ trợ thực nghiệm này) Pin mặt trời thử nghiệm đạt hiệu suất tốt 1,14% 4) Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ làm việc đến hiệu pin mô phạm vi T = 300 ÷ 400K cho thấy mức suy hao hiệu suất chuyển đổi quang điện theo nhiệt độ khoảng -0,005%/K, khảo sát thực nghiệm dải nhiệt độ 300 ÷ 320K mức suy hao hiệu suất chuyển đổi quang điện theo nhiệt độ khoảng -0,0066%/K 5) Khảo sát khả sử dụng lớp đệm ZnS, In2S3, ZnSe cho pin CZTS cho thấy pin mặt trời lớp đệm ZnS đạt hiệu suất cao 1,68% Do vậy, đánh giá vật liệu ZnS vật liệu có triển vọng thay CdS pin mặt trời CZTS hiệu suất cao 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trên sở kết nghiên cứu đạt luận văn, đưa kết luận sau: Đã thiết kế thành công cấu trúc tối ưu pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/CdS/CZTS/Ag phương pháp mô SCAPS-1D bước đầu chế tạo thử nghiệm thể đáp ứng phù hợp thiết kế thực nghiệm, kết cụ thể sau: - Đã thu thập thông số mô pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/CdS/CZTS/Ag - Đã khảo sát ảnh hưởng chiều dày nồng độ pha tạp lớp chức năng, độ rộng vùng cấm quang lớp hấp thụ - Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ làm việc đến hiệu pin CZTS phạm vi T = 300 ÷ 400K cho thấy mức suy hao hiệu suất chuyển đổi quang điện theo nhiệt độ khoảng -0,005%/K (mẫu mô phỏng) -0,0066%/K (mẫu thực nghiệm) - Khảo sát khả sử dụng lớp đệm ZnS, In2S3, ZnSe cho pin CZTS cho thấy pin mặt trời lớp đệm ZnS đạt hiệu suất cao 1,68% Do vậy, đánh giá vật liệu ZnS vật liệu có triển vọng thay CdS pin mặt trời CZTS hiệu suất cao * Các kết nhận được:  Đã xác định thơng số công nghệ tối ưu cho pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/CdS/CZTS/Ag: • Lớp cửa sổ ZnO: δZnO = 200 nm, Eg = 3,4 eV, ND = 8.1016 cm-3 • Lớp đệm CdS: δCdS = 120 nm, Eg = 2,45 eV, ND = 1.1016 cm-3 • Lớp hấp thụ CZTS: δCZTS = 2,0 µm, Eg = 1,46 eV, NA = 8.1016 cm-3, Nt = 4.1016 cm-3 • Mật độ khuyết tật phân biên tiếp xúc CdS/CZTS: NS = 1,0.1012 cm-2  Kết mô đạt thông số quang điện cao nhất: 69 Voc = 630 mV, Jsc = 6,32 mA/cm2, FF = 40,33 %  = 1,60 % - Kết chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/CdS/CZTS/Ag công nghệ FSPD đạt thông số quang điện cao nhất: Voc = 595 mV, Jsc = 4,92 mA/cm2, FF = 38,97 %  = 1,14 % Các kết luận văn cho phép mở khả sử dụng phương pháp mô SCAPS-1D phương 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 70 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] A Einstein (1905), “Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtsounkt”, Annalen der Physik, vol 17, pp 132-148 [5] A Niemegeers and M Burgelman (1996), "Numerical modelling of ACcharacteristics of CdTe and CIS solar cells," in Conference Record of the Twenty Fifth IEEE Photovoltaic Specialists Conference, pp 901904 [6] Abdellah Benami (2019), “Effect of CZTS Parameters on Photovoltaic Solar Cell from Numerical Simulation”, Journal of Energy and Power Engineering 13, 32-36 [47] Ahmet Tumbul, Ferhat Aslan, Abdullah G€ oktas, I.H Mutlu (2019), “All solution processed superstrate type Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin film solar cell: Effect of absorber layer thickness”, Journal of Alloys and Compounds 781, 280-288 [8] Anh-Tuan Pham, Ngoc-Phan Vu, Duc-Huy Tran, Anh-Dung Dang Viet, Xuan-Quang Nguyen, Duy-Cuong Nguyen, (2016), “Fabrication 71 of Cu(In,Ga)(S,Se)2 solar cells by solution methods”, Journal of Electronic Material, DOI: 10.1007/s11664-016-5236-4 [9] Araujo G L, Marti A., Ragay F.W (1994), “Efficiency of multiple quantum well solar cells”, Proc 12th European Photovoltaic Solar Energy Connference, Amsterdam, Bedford, 1481-1484 [10] Chen Qin-Miao, Li Zhen-Qing, Ni Yi, Cheng Shu-Yi and Dou XiaoMing (2012), “Doctor-bladed Cu2ZnSnS4 light absorption layer for lowcost solar cell application”, Chin Phys B Vol 21, No 3, 038401 [11] Dongwook Lee and Kijung Yong (2014), “Solution-processed Cu2ZnSnS4 superstrate solar cell using vertically aligned ZnO nanorods”, Nanotechnology 25, 065401 (8pp) [12] Frisk, C, Doctoral Thesis (2017), “Modeling and electrical characterization of Cu(In,Ga)Se2 and Cu2ZnSnS4 solar cells”, Uppsala University, SE-75121 Uppsala, Sweden [13] ISE-Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, (2016), “Photovoltaics Report” [14] Ito, K., and Nakazawa, T (1988) “Electrical and Optical Properties of Stannite-Type Quaternary Semiconductor Thin Films.” Jpn J Appl Phys 27: 2094 [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 [16] J.L Gray (1991),“ADEPT: a general purpose numerical device simulator for modeling solar cells in one-, two-, and three-dimensions”, In Photovoltaic Specialists Conference, Conference Record of the Twenty Second IEEE, pp 436–438 72 [17] Kentaro, I.(2015) “Copper Zinc Tin Sulfide-Based Thin-Film Solar Cells” New York: John Wiley & Sons [18] Kurokawa M, Tanaka K, Moriya K and Uchiki H (2012) “Japan J Appl Phys” 51 10NC33 [19] 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, pp 133 – 137 [20] New world Record, (2014), “New world record for solar cell efficiency at 46% French-German cooperation confirms competitive advantage of European photovoltaic industry”, Fraunhofer ISE [21] 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 Vietnam-Korea International Joint Symposium Hanoi, Nov 14 - 15, 2011, pp 181-184, ISBN: 878-604-911-113-6 [22] 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 [23] 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, pp 1-10 [24] S Selberherr (2013),“Analysis and simulation of semiconductor devices”, Springer, New York [25] Shockley, W., and Queisser,H J (1961) “Detailed Balance Limit of Efficiency of pn Junction Solar Cells.” J Appl Phys 32: 510 [26] Smestad, G P., (2002), “Optoelectronics of Solar Cells”, SPIE Press 73 [27] Sudipto Saha, MD Zubair Ebne Rafique, M M Shahidul Hassan, “Performance of CZTSxSe1-x Solar Cell with Various Mole Fractions of Sulfur for Different Buffer Layers”, Department of EEE, Bangladesh University of Engineering and Technology [28] SZE, S and K K NG (2007), “Physics of Semiconductor Device”, [29] Teodor K Todorov, Jiang Tang, Santanu Bag, Oki Gunawan, Tayfun Gokmen, Yu Zhu, David B Mitzi, “Beyond 11%” [30] 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 [31] Tom Markvart and Luis Castanerw (2003), “Practical Handbook of Photovoltaics : Fundamentals and Applications” Elsevier Advanced Technology, The Boulevard Langford Lane, Kidlington OxfordOX5 [32] Wang J, Xin X, Lin Z (2011), “Cu2ZnSnS4 nanocrystals and graphene quantum dots for photovoltaics”, Nanoscale 3, 3040-8 [33] Wang, W., Winkler, M T., Gunawan, O., Gokmen, T., Todorov, T K., Zhu, Y., and Mitzi, D B 2013 “Device Characteristics of CZTSSe Thin-Film Solar Cells with 12.6% Efficiency.” Advanced Energy Materials4 (7) [34] Würfel, P (2005), “Physics of Solar Cells”, Germany, Wiley-VCH [35] 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 [36] http://www.tailieudaihoc.com/doc/257781.html [37] http://vanban.chinhphu.vn [38] https://vi.wikipedia.org/wiki/ Điện mặt trời điện gió Fujiwara Bình Định ... muốn nghiên cứu pin mặt trời màng mỏng sở hệ vật liệu Cu-chalcopyrite nên chọn đề tài luận văn: ? ?Nghiên cứu mô pin mặt trời màng mỏng đa lớp dựa vật liệu Cu2ZnSnS4? ?? Tổng quan tình hình nghiên cứu. .. trúc pin mặt trời đa lớp 10 Ưu điểm pin mặt trời đa lớp so với pin mặt trời đơn lớp có hiệu suất cao Trong công bố cho thấy pin mặt trời đa lớp GaAs đạt hiệu suất lên đến 46% pin mặt trời đơn lớp. .. 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