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 r _ Tác giả luận văn rri •2 _ Đào Thị Trúc Quyên LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Trần Thanh Thái người hướng dẫn việc học, truyền cho tơi 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 Cơ giảng dạy học phần chun 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 •'• QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao) DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Anh rpA r J • /V 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 tồn phần ITO Tin Oxide doped-Indium Ơxit 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 Transparent Conductive Oxide Hiệu suất lượng tử 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 Ôxit dẫn suốt Cu(In,Ga)S2 DANH MỤC CÁC BẢNG • DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ •• Hình 3.16 Đặc trưng J-V pin mặt trời ứng với lớp đệm khác 65 LỜI MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện lượng vấn đề cấp thiết toàn xã hội Thế giới đứng trước nguy thiếu hụt lượng trầm trọng, nguồn lượng truyền thống dần cạn kiệt khai thác mức khơng tái tạo được, Từ đó, đặt giải pháp cần phải tìm kiếm nguồn lượng bền vững, thân thiện với môi trường tái tạo tận dụng nguồn sẵn có, để giải vấn đề cấp thiết Một nguồn lượng tiềm phát triển khai thác lượng mặt trời Đây nguồn lượng vô giá, có sức mạnh to lớn nước giới đầu tư khai thác Nhật, Mỹ, Anh, Đức, Việt Nam bước tiếp cận gần lĩnh vực khai thác nguồn lượng [36] Cơ chế khuyến khích phát triển lượng tái tạo Việt Nam thể rõ nét Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg ngày 11/04/2017 Thủ tướng Chính phủ chế khuyến khích phát triển dự án điện mặt trời Việt Nam [37] Tại Bình Định, vào tháng 4/2018 nhà máy điện mặt trời Fujiwara khởi công xây dựng địa bàn tỉnh, sườn phía Tây núi Phương Mai, khu kinh tế Nhơn Hội với diện tích 60 vào hoạt động từ tháng 6/2019 Fujiwara nhà máy lượng tái tạo, va thân thiên vơi mơi trương Dự án có cơng suất thiết kế giai đoạn 50 MW diện tích 60 ha, sản lượng điện sản xuất hàng năm dự kiến 74 triệu kWh, với tổng vốn đầu tư 1.400 tỉ đồng [38] Có thể thấy, việc chế tạo pin mặt trời phương pháp thực nghiệm mang đến nhiều thành tựu quan trọng lĩnh vực công nghệ có vai trị to lớn việc sản xuất pin mặt trời thị trường Tuy nhiên, phương pháp mang đến nhiều tồn việc cần phải đầu tư nhiều trang thiết bị máy móc, hóa chất thời gian để tiến hành lâu dài nên dẫn đến tăng giá thành sản phẩm Trong đó, chiều hướng giảm giá thành sản phẩm hiệu suất chuyển đổi quang điện vấn đề quan tâm Do đó, phương pháp mơ xu hướng hỗ trợ hữu hiệu đáp ứng hiệu kinh tế, kỹ thuật cho phương pháp thực nghiệm Vì vậy, với xu hướng với mong 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 đề tài Trên giới, vài năm trở lại hệ vật liệu Cu-chalcopyrite nói chung vật liệu Cu2ZnSnS4 nói riêng vấn đề thu hút quan tâm đặc biệt lớn nhiều nhà khoa học công nghệ pin mặt trời màng mỏng Trong đó, pin mặt trời màng mỏng CZTSSe sử nguồn vật liệu Cu2(Zn,Sn) (S,Se)4 (CZTSSe) làm lớp hấp thụ ánh sáng, pin mặt trời CIGSSe sử nguồn vật liệu Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe) làm lớp hấp thụ ánh sáng hai số loại pin mặt trời nhiều phịng thí nghiệm lớn Mỹ, Nhật, Đức, Thụy Sĩ, tập trung nghiên cứu Như thấy, vấn đề thu hút quan tâm to lớn giới Việt Nam nghiên cứu công nghệ chế tạo pin mặt trời màng mỏng ứng dụng Đây thực vấn đề thời thiết nhằm góp phần giải toán an ninh lượng, đặc biệt hướng nghiên cứu pin mặt trời màng mỏng đa lớp giá rẻ, hiệu suất cao thân thiện với môi trường không sử dụng cơng nghệ chân khơng Các nhóm nghiên cứu Việt Nam lĩnh vực tập trung chủ yếu số đơn vị nghiên cứu như: Viện Hóa học, Viện Khoa học Vật liệu (Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam); Phịng thí nghiệm Cơng nghệ nano (ĐHQG Tp Hồ Chí Minh); Viện Vật lý kỹ thuật, Viện AIST, Viện ITIMS (ĐHBK Hà Nội) với số kết bước đầu nghiên cứu loại pin, phương pháp chế tạo, công bố tạp chí nước ngồi nước [3], [8], [21], [30] Mục đích nghiên cứu luận văn Nghiên cưru tổng quan pin mặt trời màng mỏng, phương pháp mơ hình hóa mơ số Xây dựng mơ hình vật lý tối ưu hóa phần tử pin mặt trời màng mỏng sở lớp hấp thụ Cu2ZnSnS4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: pin mặt trời màng mỏng sở lớp hấp thụ Cu2ZnSnS4 - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu mơ hình hóa xây dựng mơ hình vật lý phần tử pin mặt trời màng mỏng cấu trúc glass/TCO/lớp đệm/Cu2ZnSnS4/Me phần mềm SCAPS-1D Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đề tài mơ số phần tử pin mặt trời phần mềm SCAPS-1D, kết hợp với đốn nhận lý thuyết để lựa chọn thơng số thiết kế pin mặt trời tối ưu Các kết mô sở cho việc thiết kế cấu trúc, định hướng cho quy trình cơng nghệ chế tạo pin mặt trời Cu2ZnSnS4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn Xác định thông số thiết kế tối ưu cho pin mặt trời màng mỏng Cu2ZnSnS4 Từ kết nghiên cứu đề tài phát triển ứng dụng để chế tạo pin mặt trời màng mỏng sử dụng phương pháp chế tạo không sử dụng chân không (như phun phủ nhiệt phân toàn phần FSPD, phương pháp in, phương pháp sol-gel) Chương TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 1.1 Giới thiệu pin mặt trời 1.1.1 Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện tượng điện tử có liên kết yếu với mạng ion tinh thể khỏi vật chất sau bị kích thích lượng xạ ánh sáng, minh họa hình 1.1 Năm 1839, lần hiệu ứng quang điện PV (Photovoltaic Effect) phát nhà vật lý người Pháp Edmond Becquerel [31] E Becquerel đặt hai kim loại chất lỏng dẫn điện cho chúng tiếp xúc ánh sáng mặt trời, ông quan sát thấy điện áp nhỏ xuất hai kim loại Năm 1873, Willoughby Smith phát selen (Se) có tính quang dẫn [15] Năm 1887, Heinrich Hertz quan sát thấy hiệu ứng quang điện kim loại Đến năm 1904, Albert Einstien xây dựng hoàn chỉnh lý thuyết tượng quang điện hiệu ứng PV dễ dàng hiểu [4], ơng trao giải Nobel vào năm 1921 Lý thuyết Einstein Robert Millikan kiểm chứng thực nghiệm vào năm 1916 Hình 1.1 Hiệu ứng quang điện Pin mặt trời hay pin quang điện thiết bị chuyển đổi lượng ánh sáng trực tiếp thành điện hiệu ứng quang điện Sự chuyển hóa lượng quang điện pin mặt trời gồm hai bước bản: - Đầu tiên chất bán dẫn hấp thụ photon với lượng lớn lượng vùng cấm Eg làm sinh cặp electron lỗ trống pin phơi sáng Đây trình chuyển hóa quang thành hóa - Sau cặp electron lỗ trống phân ly chuyển 10 mạch Đây trình chuyển hóa hóa thành điện 1.1.2 Các hệ pin mặt trời 1.1.2.1 Pin mặt trời hệ I (Pin mặt trời đơn tinh thể) Pin mặt trời hệ I pin mặt trời bán dẫn tiếp xúc n-p, đại diện pin mặt trời bán dẫn đơn tinh thể Silicon (c-Si) cấu tạo từ hai lớp bán dẫn Silicon n, p đặt tiếp xúc wafer Silicon mơ tả hình 1.2 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt độngcủa pin mặt trời n-p tiếp xúc Silicon Khi cho hai khối bán dẫn n p tiếp xúc nhau, chúng có mật độ điện tử lỗ trống khác nên có khuếch tán điện tử từ n sang p khuếch tán lỗ trống từ p sang n Trong trình khuếch tán chúng tái hợp với hạt miền chúng vừa tới dẫn đến bán dẫn loại n, vùng gần mặt tiếp xúc hình thành miền điện tích dương bán dẫn loại p xuất miền điện tích âm Khi trạng thái cân thiết lập, lớp tiếp xúc hình thành hiệu điện tiếp xúc E tiếp xúc tương ứng hàng rào ngăn cản khuếch tán tiếp tục electron lỗ trống [35] Khi có ánh sáng chiếu vào lớp tiếp xúc n-p photon ánh sáng mặt trời kích thích làm cho điện tử liên kết với nguyên tử bị bật khỏi Mẫu M70M71M72M73M74M75M76M77 Nhiệt độ T o (300 K) Điện áp hở mạch (mV) 630 ■ 310 320 330 340 350 360 605 581 556 532 507 483 Mật độ dòng ngắn mạch (mA/cm2) 6,32 6,33 6,33 6,34 6,34 6,35 6,35 370 459 6,36 Hệ số lấp đầy (%) 40,33 40,96 41,47 41,87 42,13 42,26 42,25 42,08 Hiệu suất (%) 1,60 1,57 1,53 1,48 1,42 1,36 1,30 1,23 M-78 M-79 380 390 434 409 6,37 6,37 41,75 41,26 1,15 1,08 M-74 400 384 6,38 40,62 0,99 6.8700600 400800 -| “3 6.2- 300- 200 50- -I -, -I -, -I -, -I -, -I -, -I -, 300 — 45 1S iz"40- y 7.0 "I w ■ 320 340 360 380 1.6 300 400 320 340 o\ 360 380 400 T(oK) T(oK) 2.0 "I 60-| 3555- d 1.80.8- 300.6 25-1 -1 -. -1 . -1 -. -1 . -1 -. -1 300 320 340 360 380 400 -' -' -' -' -' 1— 300 320 340 360 380 400 T(oK) o 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]: g Voc=Eg - kTeinALD oc qq (3.2) KNph 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 dòng ngắn mạch JSC thay đổi không đáng kể Kết phù hợp với công thức lý thuyết [34]: Jsc = Jph = qKNph = aE (3.3) Do đó, Jsc phụ thuộc vào số cặp hạt tải tạo giới hạn Àc (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 Hình 3.15 Đặc trưng J-V sáng pin mặt trời CZTS phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường 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 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 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 rpi * / ỗ (Ltm) Eg (eV) X (eV) Nc (1/cm3) Nv (1/cm3) Le (cm2/V.s) Lip (cm /V.s) CZTS CdS ZnS ZnSe In2S3 ZnO:In 2,0 1,46 0,12 2,45 0,12 3,5 0,12 2,9 0,12 0,2 3,4 4,5 4,6 4,5 2.1018 2.1018 1,5.1019 50 2.1018 50 20 20 4,4 2,8 4,7 4,65 2.1018 1,5.1019 2.1018 1,5.1019 2.1018 1,5.1019 4,0.1018 9,0.1018 50 50 50 50 20 16 20 16 20 16 20 16 ND (1/cm ) 1.10 1.10 1.10 1.10 5,5.1016 NA (1/cm3) 8.1016 0 0 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 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/CZT S Điện áp hở mạch (mV) 630 Mật độ dòng ngắn mạch (mA/cm2) 6,32 Hệ số lấp đầy (%) 40,33 Hiệu suất (%) 1,60 glass/ZnO:In/In2S3/CZT S glass/ZnO:In/ZnS/CZTS glass/ZnO:In/ZnSe/CZT S 542 6,29 42,62 1,45 953 706 6,34 6,14 43,19 34,74 1,68 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 thông số công nghệ tối ưu nhất: • Lớp cửa sổ ZnO: ỗZnO = 200 nm, Eg = 3,4 eV, ND = 8.1016 cm-3 • Lớp đệm CdS: ỗCdS = 120 nm, Eg = 2,45 eV, ND = 1.1016 cm-3 • Lớp hấp thụ CZTS: ỖCZTS = 2,0 mil, 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 % 'H = 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 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, In 2S3, 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 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, In 2S3, 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 thông số công nghệ tối ưu cho pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/CdS/CZTS/Ag: • Lớp cửa sổ ZnO: ỗZnO = 200 nm, Eg = 3,4 eV, ND = 8.1016 cm-3 • Lớp đệm CdS: ỗcds = 120 nm, Eg = 2,45 eV, ND = 1.1016 cm-3 • Lớp hấp thụ CZTS: ỖCZTS = 2,0 mil, 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: Voc = 630 mV, Jsc = 6,32 mA/cm2, FF = 40,33 % 'H = 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 % 'H = 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 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), “ Uber 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 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 Xiao- Ming (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 255274 [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 [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 allspray 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 [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] Wurfel, 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 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. .. 1.1.2.2 Pin mặt trời hệ III Pin mặt trời hệ III gồm loại pin mặt trời nano tinh thể, pin mặt trời quang điện hóa (PEC), pin mặt trời polymer, pin mặt trời tẩm chất nhạy quang (DSSC) Đây hệ pin khác