Pin mặt trời công nghệ và vật liệu

Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Luận văn tốt nghiệp đại học Pin mặt trời Công nghệ vật liệu Giáo viên h-ớng dẫn : T.S Nguyễn Hồng Quảng Sinh viên thực : Đào Thị Thu H»ng Líp : 46 B2 - VËt lÝ Mơc lục -1- Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Trang Lời cảm ơn Danh mục bảng biểu hình vẽ Mở đầu Ch-ơng Giới thiệu công nghệ pin mặt trời 1.1 Hiệu ứng quang điện 1.2 Pin mặt trời 14 Ch-ơng2 Quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời sở Silic 2.1 Sơ lọc cát thạch anh để có silic có độ kĩ thuật 21 2.2 Tinh chế silic để có độ bán dẫn 22 2.3 Tạo đơn tinh thể Silic 22 2.4 Tạo phiến đơn tinh thể Silic từ thỏi Silic 24 2.5 Tạo bán dẫn loại p n tạo tiếp xúc p-n .24 2.6 Tạo lớp tiếp xúc điện 27 2.7 Phủ lớp chống phản xạ ánh sáng .28 2.8 Đóng gói pin mặt trời thành modun 29 Ch-ơng Các vật liệu sản xuất pin mặt trời 3.1 Vật liệu vô định hình31 3.2 Vật liệu nano40 3.3 Vật liệu hữu ( Polymer dẫn điện )42 Kết luận45 Tài liệu tham khảo 46 Lời cảm ơn -2- Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Khóa luận đ-ợc thực tr-ờng Đại Học Vinh d-ới h-ớng dẫn thầy giáo, Tiến Sĩ Nguyễn Hồng Quảng Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy đà nhiệt tình h-ớng dẫn tác giả suốt thời gian hoàn thành khóa luận Nhân dịp tác giả xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm khoa Vật lí, thầy giáo, cô giáo khoa Vật lí tr-ờng Đại Học Vinh, gia đình bạn bè đà tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành khoá luận Trong trình hoàn thành khóa luận, đà nhiều cố gắng nh-ng chắn không tránh khỏi khuyết điểm hạn chế Tác giả biết ơn trân trọng ý kiến phê bình góp ý từ phía thầy giáo, cô giáo, bạn sinh viên nh- tất bạn đọc khác Vinh tháng năm 2009 Tác giả Danh mục bảng biểu : Trang -3- Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Bảng 1.1 Các giá trị Eg, a b Si GaAs 19 Bảng 3.1 Hiệu suất lý thuyết số vật liệu pin mặt trời.32 Bảng 3.2 Các vật liệu pin mặt trời màng mỏng 33 Danh mục hình vẽ: Hình 1.1..8 Hình 1.2 Hình 1.3 Các mạch điện đo đặc tr-ng V- A tiếp xúc bán dẫn p-n10 Hình 1.4 Đặc tr-ng tối tiếp xúc bán dẫn p-n.11 Hình 1.5 Đ-ờng đặc tr-ng V-A sáng tiếp xúc bán dẫn p-n 14 Hình 1.6 Mạng lưới pin mặt trời 14 Hình 1.7 Cấu trúc pin mặt trời silic chế tạo dòng điện15 Hình 1.8 Sơ đồ tương đương pin mặt trời 16 Hình 1.9 Đường đặc trưng sáng pin mặt trời.17 Hình 1.10 Sự phụ thuộc hiệu suất vào nhiệt độ.20 Hình 2.1 Sơ đồ chế tạo đơn tinh thể Si phương pháp Cz.23 Hình 2.2 Sơ đồ chế tạo tinh thể Si phương pháp vùng 24 Hình 2.3 Ph-ơng pháp tạo bán dẫn tạp chất p-Si 25 Hình 2.4 Tạo bán dẫn n-Si phương pháp khuếch tán nhiệt.26 Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc pin mặt trời Si điển hình.29 Hình 2.6 Các lớp vật liệu modun pin mặt trời 30 Hình 3.1 Sự phụ thuộc hiệu suất quang điện vào độ rộng vùng cấm vật liệu 300K31 Hình 3.2 Công nghệ chế tạo modun pin mặt trời vô định hình a- Si…… 34 H×nh 3.3 TiÕt diƯn ngang cđa pin mặt trời loại a- SiC..35 Hình 3.4 Sơ đồ dây chuyền sản xuất pin mặt trời a-Si.36 -4- Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Hình 3.5 Tiết diện ngang cấu trúc hai nhiều líp tiÕp xóc…… 37 H×nh 3.6 CÊu tróc gÊp cđa pin mặt trời vô định hình Si. 38 Hình 3.7 Sơ đồ vùng l-ợng lớp tiếp xúc khác chất có cửa sổ nhiều lớp.39 Hình 3.8 Cấu trúc điển hình pin mặt trời màng mỏng hƯ CuInSe2 40 H×nh 3.9 Líp phđ vËt liƯu nano tế bào pin mặt trời 41 Hình 3.10 Tập hợp điểm lượng tử (tinh thể nano) Si 41 Hình 3.11 Quang tử ánh sáng mặt trời đánh bật điện tử khỏi mạch polymer43 Hình 3.12 Tiến trình phân ly cặp điện tử- lỗ trống 44 Mở đầu -5- Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Năng l-ợng mặt trời nguồn l-ợng tái tạo quan trọng mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh Năng l-ợng mặt trời nói vô tận Trong năm gần nguồn nhiên liệu hóa thạch sản xuất điện cạn kiệt dẫn đến khủng hoảng cho ngành công nghiệp l-ợng điện, cần thiết phải có nguồn l-ợng để bổ sung, thay nh- l-ợng gió, địa nhiệt, l-ợng mặt trờiđể cung cấp điện cho vùng hẻo lánh, cho hoạt động vệ tinh vùng mà điện mạng l-ới ch-a v-ơn tới đ-ợc Một kĩ thuật sử dụng nguồn nhiên liệu tái tạo sản xuất điện năng, mà sản phẩm thông dụng thị tr-ờng pin mặt trời hay gọi pin quang điện Tuy nhiên công nghệ sản xuất pin mặt trời gặp nhiều khó khăn thách thức Một lý khiến công nghệ pin mặt trời ch-a đ-ợc sử dụng rộng rÃi giá thành cao Những phát triển khoa học vật liệu cho phép chế tạo vật liệu có tính tiên tiến có khả thay vật liệu đắt tiền, đặt triển vọng chế tạo pin mặt trời với hiệu suất cao hơn, nhờ góp phần giảm giá thành sản xuất điện mặt trời Do việc tìm hiểu pin mặt trời vật liệu nhu cầu cần thiết cho Đó lý chọn đề tài Pin mặt trời, công nghệ vật liệu Mục đích đề tài nghiên cứu công nghệ sản xuất pin mặt trời hiệu suất biến đổi vật liệu dùng để sản xuất pin mặt trời Bằng phương pháp nghiên cứu tài liệu báovề pin mặt trời, công nghệ sản xuất pin mặt trời, vật liệu sản xuất pin mặt trời tài liệu có liên quan kết hợp với h-ớng dẫn, sửa đổi tận tình giáo viên h-ớng dẫn đà hoàn thành khóa ln víi bè cơc gåm ba ch-¬ng nh- sau: -6- Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Ch-ơng Giới thiệu công nghệ pin mặt trời, ch-ơng trình bày tóm tắt lý thuyết trình chuyển hóa l-ợng mặt trời thành dòng điện thông số đặc tr-ng ảnh h-ởng đến hiệu suất pin mặt trời Ch-ơng Quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời sở Silic, b-ớc công nghệ chế tạo pin mặt trời vật liệu thông dụng Silic( Si ) đ-ợc mô tả cách chi tiết Ch-ơng Các vật liệu sản xuất pin mặt trời Đây phần nội dung khóa luận, trình bày tóm tắt tính chất hiệu suất biến đổi ánh sáng thành dòng điện vật liệu hứa hẹn thành công công nghệ đ-a vào sản suất pin mặt trời Khoá luận đ-ợc kết thúc phần kết luận, nêu tóm tắt kết đạt đ-ợc nghiên cứu danh mục tài liệu tham khảo Sau phần nội dung khoá luận Ch-ơng Giới thiệu công nghệ Pin mặt trời -7- Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Nh- đà trình bày phần mở đầu l-ợng mặt trời nguồn l-ợng nói vô hạn Trong công nghệ pin mặt trời, l-ợng mặt trời đ-ợc biến đổi trực tiếp thành điện nhờ tế bào quang điện bán dẫn, hay gọi pin mặt trời đ-ợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn điện Các pin mặt trời sản xuất điện cách liên tục chừng có xạ mặt trời tới Các hệ thống l-ợng pin mặt trời đơn giản, phần chuyển động, không đòi hỏi phải bảo d-ỡng chăm sóc thường xuyên hệ thống lượng khácnên hệ thống đ-ợc quan tâm nghiên cứu, phát triển ứng dụng Ngay từ năm 1950 pin mặt trời đà trở thành nguồn điện tốt cho vệ tinh nhân tạo tàu vũ trụ Đặc biệt từ khủng hoảng dầu lửa năm 1973, hoạt động nghiên cứu hoàn thiện công nghệ pin mặt trời đà phát triển mạnh mẽ Hiện sản xuất pin mặt trời đà trở thành ngành công nghiệp phát triển giới Phần sau giới thiệu tóm tắt nguyên lý hoạt động, cấu tạo đặc tr-ng pin mặt trời 1.1 Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện t-ợng xuất dòng điện vật rắn có ánh sáng chiếu bề mặt vật rắn 1.1.1 Hiệu ứng quang điện hệ thống hai mức l-ợng Xét hệ hai mức l-ợng điện tử E1 E2 ( hình 1.1) E2 hv -8- E1 E2 Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học E1 Hình 1.1 Bình th-ờng điện tử chiếm mức l-ợng thấp E1 Khi bị chiếu sáng ánh sáng thích hợp điện tử hấp thụ l-ợng tử có giá trị h E2 E1 chuyển lên mức l-ợng E2 Trong vật rắn, t-ơng tác mạnh mạng tinh thể lên điện tử vành nên mức l-ợng bị tách nhiều mức l-ợng sát tạo thành vùng l-ợng Vùng l-ợng thấp bị điện tử chiếm đầy trang thái cân gọi vùng hóa trị mà bờ có l-ợng Ev Vùng l-ợng phía tiếp hoàn toàn trống bị chiếm phần gọi vùng dẫn, bờ d-ới vùng l-ợng Ec Cách ly hai vùng hoá trị vùng dẫn vùng cấm có độ rộng l-ợng Eg , mức l-ợng cho phép điện tư ( h×nh 1.2) Vïng dÉn Ec h Eg Ev Vùng hoá trị E0 Hình 1.2 Khi chiếu sáng vật rắn có cấu trúc l-ợng nói trên, photon có l-ợng h tới hệ thống bị điện tử vùng hóa trị hấp thụ chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự e để lại vùng hóa trị -9- Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học lỗ trống coi nh- hạt mang điện tích d-ơng nguyên tố đ-ợc kí hiệu h , lỗ trống di chuyển tham gia vào trình dẫn điện Hiệu ứng l-ợng tử trình hấp thụ photon mô tả ph-ơng trình sau: ev hv e h (1.1) Điều kiện để điện tử hấp thụ l-ợng photon chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo cặp điện tử - lỗ trống là: hv hc Eg  Ec  Ev Tõ ®ã cã thĨ tÝnh đ-ợc b-ớc sóng giới hạn (1.2) c ánh sáng để tạo cặp điện tử - lỗ trống lµ: c  hc hc 1.24   (  m) Ec  Ev Eg Eg (1.3) ( Chó ý: Trong công thức l-ợng đ-ợc tính đơn vị eV ) Trong thực tế hạt dẫn bị kích thích điện tử lỗ trống tự tham gia vào trình hồi phục, chuyển động tới bờ vùng l-ợng: Điện tử e giải phóng l-ợng để chuyển tới bờ vùng dẫn Ec , lỗ trống h tới bờ Ev Quá trình hồi phục xảy khoảng thời gian 12 ngắn 10 10 giây gây dao động mạng Năng l-ợng bị tổn hao trình hồi phục (hv Eg ) Tóm lại chiếu sáng vật rắn, điện tử vùng hóa trị hấp thụ l-ợng photon chuyển lên vùng dẫn tạo cặp điện tử - lỗ trống tức đà tạo hiệu điện Hiện t-ợng đ-ợc gọi hiệu ứng quang ®iƯn bªn 1.1.2 TÝnh chØnh l-u cđa líp tiÕp xúc bán dẫn - 10 - Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Ta thấy rằng, Si có vùng cấm Eg = 1,16 eV vật liệu tốt để sản xuất pin mặt trời Nh-ng thị tr-ờng pin mặt trời giới nay, 90% pin mặt trời Si Si vật liệu công nghiệp điện tử Nó đà đ-ợc nghiên cứu đầy đủ đà sản xuất quy mô công nghiệp Các vật liệu khác nh­ InP, GaAs, CdTe, AlSb, InP, … cã ®é réng vïng cÊm cịng n»m giíi h¹n cho hiƯu st cao nói Các pin mặt trời từ vật liệu đ-ợc chế tạo d-ới dạng màng mỏng vô định hình Bảng 3.1 cho biết hiệu suất biến đổi quang ®iƯn lý thut cđa mét sè vËt liƯu pin mặt trời Bảng 3.1 Hiệu suất lý thuyết sè vËt liƯu pin mỈt trêi - [7] VËt liƯu Năng l-ợng vùng Hiệu suất lý thuyết cực cấm (eV) ®¹i(%) Indi diselenid (CulnSe2) 1,04 13 Cadmi sulfid ( CdS) 2,6 18 Silicon (Si) 1,1 22 Cadmi tellurid (CdTe) 1,4 25 Indi phosphorid (InP) 1,2 26 Gali arsenid ( GaAs) 1,4 27 Nhôm antimonid ( AlSb) 1,6 27 Vấn đề giá cao pin mặt trời tinh thể Si khó khăn ứng dụng pin mặt trời Một công nghệ triển vọng để giảm giá pin mặt trời công nghệ màng mỏng vô định hình Ngoài ra, nhờ công nghệ ng-ời ta chế tạo đ-ợc pin cã mét líp tiÕp xóc p-n ®iƯn tÝch lín mà tạo đ-ợc pin mặt trời gåm nhiỊu líp tiÕp xóc p-n nèi tiÕp cho hiệu suất biến đổi quang điện cao - 33 - Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Bảng 3.2 trình bày số vật liệu pin mặt trời màng mỏng vô định hình đà đ-ợc nghiên cứu, phát triển Từ bảng ta thấy số vật liệu tính dẫn điện l-ỡng tính ( p n ) Vì vật liệu ng-ời ta th-ờng dùng cấu trúc nh- pin mặt trời bất đồng chất, hàng rào Schottky cấu trúc MIS ( kim loại- cách điện- bán dẫn ) Bảng 3.2 Các vật liệu pin mặt trời màng mỏng - [7] Vật liệu Vùng cấm Loại ®é Vïng cÊm Lo¹i ®é Eg (eV) dÉn Eg(eV) dÉn 1,7 p-i-n Cd(Se,Te 1,5  1,7 p/n a- (Si,Ge) 1,3  1,7 p-i-n ZnTe 2,26 p a- (Si,C) 1,7  2,2 p-i-n ZnSe 2,4 n culnSe2 1,04 p/n 2,2  2,4 p/n CuGaSe2 1,68 p Wse2 1,3 p/n Cu(ln,Ga)Se2 1,04  1,68 p/n FeS2 0,8 p/n CulnS2 1,5 p/n FeSi2 0,9 p CdSe 1,7 n GaAs 1,4 p/n CdTe 1,5 p/n a- Si Vật liệu Zn(Te,Se) D-ới trình bày công nghệ thông dụng để chế tạo pin mặt trời màng mỏng đ-ợc nghiên cứu ứng dụng hiƯn Mét sè vËt liƯu b¶ng cã thĨ trực tiếp chế tạo đ-ợc pin mặt trời có chất l-ợng cao, nh-ng số ph-ơng pháp khác đòi hái c¸c sư lý phơ kÌm theo nh- đ ë nhiệt độ cao, ủ môi trường khí đặc biệt Các ph-ơng pháp tạo màng mỏng thông dụng bao gồm: Các trình chân không: - Lắng đọng từ pha - 34 - Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học - Epitaxy t-ờng nóng - Lắng đọng sôi / trào Các trình kèm theo phản ứng hóa học từ pha hơi: - Lắng đọng hóa học - Phản ứng rắn Các trình khác: - Lắng đọng điện - In l-ới Ưu điểm lớn kỹ thuật pin mặt trời màng mỏng khả tạo cấu trúc modun cách áp dụng liên tiếp ph-ơng pháp mặt nạ, in l-ới hay cắt tia laser nh- đ-ợc trình bày sơ đồ hình 3.2 Hình 3.2 Công nghệ chế tạo modun pin mặt trời vô định hình a- Si - [7] Vì ng-ời ta tạo pin mặt trời cấu trúc nhiều lớp phức tạp, có hình dạng tùy ý - 35 - Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Hiện hiệu suất pin mặt trời vô định hình đà đạt đ-ợc cao, khoảng đến 15% Tuy nhiên khó khăn khác đ-ợc quan tâm nghiên cứu giải độ ổn định theo thời gian hiệu suất biến đổi quang điện pin làm việc trời dài ngày D-ới ta trình bày tỉ mỉ công nghệ chế tạo pin mặt trời màng mỏng số vật liệu quan trọng 3.1.1 Pin mặt trời vô định hình Si ( a-Si ) ( Amorphous Silicon ) Silicon trạng thái vô định hình cã c¸c tÝnh chÊt lÝ hãa kh¸c Si tinh thĨ VÝ dơ nh- vïng cÊm cđa a- Si lµ vïng cấm trực tiếp có độ rộng khoảng 1,7 eV thay đổi cách liên tục từ 1,3 eV đến 2,2 eV nhờ pha tạp Ge C Độ linh động hạt tải bị giảm mạnh so với Si tinh thể Vì để tăng trình góp điện tích cần phải đặt lớp tiếp xúc p-n điện tr-ờng Một pin mặt trêi mµng máng a-Si lµ cÊu tróc p-i-n chØ cã tổng độ dày nhỏ m , tiết kiệm mặt vật liệu Hình 3.3 Tiết diện ngang pin mặt trời loại a- SiC - [7] Vì lớp chuyển TCO / P-SiC i / n đà đ-ợc xác định nguyên nhân gây tổn hao tái hợp hạt tải, nên cấu trúc p- i- n đơn giản - 36 - Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học ban đầu đà đ-ợc cải tiến cách đ-a vào lớp đệm pha tạp với nồng độ thích hợp chí có cấu trúc siêu mạng Sự chế tạo lớp màng a- Si th-ờng đ-ợc thực nhờ công nghệ lắng đọng hoá học ( CVD ) từ hỗn hợp silan Để tạo cấu trúc p-i-n ng-êi ta dïng mét d©y chun nhiỊu bng nèi tiÕp nh- hình 3.4 công nghệ nhiều buồng nối tiếp tránh đ-ợc làm bẩn vật liệu tạp chất đ-a vào Hình 3.4 Sơ đồ dây chuyền sản xt pin mỈt trêi a-Si - [7] HiƯu st biÕn đổi quang điện pin mặt trời màng mỏng a-Si đạt đến 13% Nhưng có vấn đề đáng quan tâm trình già hóa (giảm hiệu suất) pin mặt trời loại nhanh Quá trình già hóa lại bị gia tốc mạnh tồn liên kết lắc vật liệu khối, đóng vai trò nh- tâm tái hợp Các tâm tái hợp gây tổn hại nh- phá vỡ liên kết yếu ( Si-H, Si-Si ) phá vỡ liên kết cặp Cơ chế phải đ-ợc xem nh- vấn đề thuộc tính pin mặt trời a-Si - 37 - Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Sự cải thiện tính ổn định pin mặt trời a-Si có nâng cao chất l-ợng vật liệu, mà quan trọng tìm cấu trúc thích hợp Trên hình 3.5 trình bày cấu trúc pin nhiều lớp tiếp xúc Với cấu trúc ng-ời ta đà thu đ-ợc pin mặt trời ổn định với hiệu st tõ 10  11,3% Ngoµi mét cÊu tróc khác pin mặt trời gấp ( hình 3.6) đà thử nghiệm Cấu trúc cho độ dày quang học lớn cách đáng kể so với độ dày điện tử pin Hình 3.5 Tiết diện ngang cấu trúc hai nhiều lớp tiếp xóc (a) cïng vïng cÊm; (b) vïng cÊm kh¸c đế thủy tinh; (b) vùng cấm khác đế thép không gỉ - [7] Về mặt giá giá đơn vị ( tính Wp ) modun pin mặt trời a-Si vào cì gi¸ cđa modun Si tinh thĨ Së dÜ nh- công nghệ sản xuất pin a-Si có tốc độ tạo màng thấp ( khoảng m / giờ) Để giảm giá thành, đ-ờng phải làm tăng trình sản xuất lên khoảng 10 lần mà không làm giảm chất l-ợng pin mặt trời Hiện ng-ời ta đà phát triển công nghệ tia lửa điện siêu cao tần Theo dự báo áp - 38 - Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học dụng công nghệ giảm giá pin mặt trời a-Si xuống 0,35 USD / Wp Đối với việc sản xuất pin a-Si có diện tích lớn đòi hỏi biện pháp đặc biệt để trì đồng dòng khí hỗn hợp khí nh- phân bố điện tr-ờng thông số plasma khác Vì ng-ời ta đà thiết kế loại thiết bị gọi lò phản ứng hay buồng plasma để sản xuất pin mặt trời a-Si Hình 3.6 Cấu trúc gấp pin mặt trời vô định hình Si với làm tăng độ hấp thụ màng mỏng I ( 100 nm ) - [7] 3.1.2 Pin mặt trời vô định hình bán dẫn hợp chất Nh- đà cho thấy bảng 3.1, phần lớn bán dẫn tạp chất thích hợp pin mặt trời vô định hình có độ dẫn loại n hay p Vì Vậy việc tạo lớp tiếp xúc p-n hay p-i-n theo ph-ơng pháp nh- a-Si không phù hợp Đối với pin mặt trời màng mỏng bán dẫn hợp chất ng-ời ta th-ờng phải dùng cấu trúc tiếp xúc khác chất cấu trúc MIS ( Metal- InsulatorSemiconductor) Để nâng cao hiệu suất, ánh sáng tới cần bị hấp thụ miền lân cận lớp tiếp xúc p-n Vì tr-ờng hợp cÊu tróc tiÕp xóc kh¸c chÊt hay kiĨu cÊu tróc khác chất tạo tổ hợp cửa sổ cấu lớp tiếp xúc nông thích hợp Hình 3.7 cho thấy sơ đồ vùng - 39 - Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học l-ợng lớp tiếp xúc khác chất nguyên lý cửa sổ- hấp thụ: ¸nh s¸ng tíi bÞ hÊp thơ trùc tiÕp ë líp tiÕp xóc p-n, nÕu vïng cÊm cđa cưa sỉ lo¹i n đủ lớn Hình 3.7 Sơ đồ vùng l-ợng lớp tiếp xúc khác chất có cửa sổ nhiều lớp - [7] Mặt khác, vật liệu làm cửa sổ hấp thụ phải phù hợp với vỊ h»ng sè m¹ng tinh thĨ, hƯ sè gi·n në nhiệt lực liên kết điện tử để trì mật độ trạng thái thấp miền tiếp xúc đóng vai trò nh- tâm tái hợp không làm tổn hao điện Cũng nh- đà cho thấy hình 3.7, lớp màng đệm cần thiết để liên kết lớp cửa sổ lớp hấp thụ Việc lựa chọn lớp đệm thích hợp vấn đề quan trọng để nâng cao hiệu suất pin 3.1.3 Pin mặt trời sở vật liệu CuInSe2 Pin mặt trời vô định hình hệ CuInSe2 có hiệu suất t-ơng đối cao đ-ợc chế tạo cách bốc đồng thời Cu, In Se lên mét ®Õ thđy tinh ®· phđ mét líp máng Mo sau đ-ợc màng cửa sổ CdS (Zn,Cd)S Hình 3.8 sơ đồ cấu trúc pin mặt trời loại - 40 - Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học h Cửa sổ Lớp đệm Màng hấp thụ Tiếp xúc kim loại Đế thủy tinh Hình 3.8 Cấu trúc điển hình pin mặt trời màng mỏng hệ CuInSe2 Màng mỏng thành phần Cu(In, Ga)Se2 (viết tắt CIGS) cho phép nhiều khả lựa chọn độ rộng vùng cấm vật liệu hấp thụ Đây vật liệu cấu trúc cho phép thu đ-ợc hiệu suất cao pin mặt trời có nhiỊu triĨn väng nhÊt Tuy nhiªn, so víi a-Si, vËt liệu mà đà đ-ợc nghiên cứu hiểu biết t-ơng đối cặn kẽ, vật liệu sở hệ CuInSe nhiều vấn đề ch-a đ-ợc hiểu biết rõ ràng Ví dụ nh- vấn đề động học phản ứng tạo thành hợp chất , tính chất biên giới hạt, v.v 3.2 Các vật liệu nano Silic loại vật liệu thông dụng cho pin mặt trời nay, có khả chuyển đổi l-ợng t-ơng đối hiệu nh-ng có giá thành cao Do giải pháp ®ang thu hót sù chó ý cđa rÊt nhiỊu nhµ khoa học tinh thể bán dẫn sản xuất pin mặt trời màng mỏng có kích th-ớc cực nhá chØ vµo cì nano ( 1nm =1/1000000000 m) Víi trợ giúp công nghệ nano ng-ời ta dự đoán đến năm 2050 l-ợng mặt trời cung ứng khoảng 25% nhu cầu l-ợng điện nhân loại ý t-ởng công nghệ nano chế tạo hàng tỉ tế bào pin mặt trời kích th-ớc nanomet gọi điểm l-ợng tử thay dïng tõng m¶ng vËt liƯu nhhiƯn - 41 - Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Hình 3.9 Lớp phủ vật liệu nano tế bào pin mặt trời nhìn qua kính hiển vi ( nguồn Rensselaer/ ShawnLin ) - [3] VÝ dơ nh- ®èi víi vật liệu nano silic (Si) Mỗi điểm l-ợng tử có bán kính nm chứa từ 50 70 nguyên tử Si Nhờ -u điểm kích th-ớc chấm l-ợng tử có khả độc đáo t-ơng tác với ánh sáng Thông th-ờng quang tử Si đánh bật điện tử, nh-ng thứ nguyên nano cực nhỏ quang tử va chạm vào điểm l-ợng tử sinh điện tử tự Kết ta có nhiều điện tử tạo dòng điện Hình 3.10 Tập hợp điểm l-ợng tử (tinh thể nano) Si ( Nguån: tiÕn sÜ Arthur Nozik ) - [8] - 42 - Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Nhờ vào hiệu ứng đa điện tử điểm l-ợng tử Si, hiệu suất chuyển hóa đạt 60% gấp đôi số lý thuyết 31% tr-ờng hợp quang tử cho điện tử Chính nghiên cứu việc sử dụng công nghệ nano vào sản xuất pin mặt trời cho hiệu suất thấp, ch-a tạo đ-ợc loại vật liệu thích hợp để th-ơng mại hóa Tuy nhiên tiềm to lớn tinh thể nano cho thấy tới ngày chấm l-ợng tử giúp tăng đ-ợc hiệu suất biến đổi ánh sáng thành điện Bản thân chấm l-ợng tử có giá thành chế tạo rẻ chúng dễ dàng kết hợp với nguyên liệu khác, chẳng hạn nh- polymer dẫn điện vật liệu rẻ Một pin mặt trời kết hợp chấm l-ợng tử với polymer sản xuất điện có giá cạnh tranh với điện sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch D-ới ta tìm hiểu vật liệu sản xuất pin mặt trời: Polymer dẫn điện 3.3 Vật liệu hữu ( Polymer dẫn điện ) Trong tr-ờng hợp silic bán dẫn vô khác nh- ta đà đề cập bên vùng chuyển tiếp p-Si n-Si nơi phân ly cặp điện tử lỗ trống Đây khe giải l-ợng mà chọn vật liệu chế tạo pin mặt trời nhà khoa học vật liệu cần ý tới Đối với vật liệu hữu đ-ợc đặc biệt trọng nhờ vào ph-ơng pháp tổng hợp đơn giản, gia công dễ dàng, tạo đ-ợc phim mỏng thiết kế để có trị số khe dải l-ợng khác Những -u điểm làm giảm giá thành sản xuất tạo điều kiện cho sản xuất quy mô lớn Trong pin mặt trời dùng vật liệu hữu cơ, nguyên tắc di chuyển điện tử từ polymer / phân tử cho điện tử ®Õn mét polymer / ph©n tư nhËn ®iƯn tư Sù di chuyển điện tử tạo thành dòng điện Một pin mặt trời hữu thông dụng pin mặt trời Polymer- Fullenrene, polymer polymer mang nối liên hợp ( - C = C- C = C - ) nh- 43 - Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Polyacetylene (PA); polypyrrole (PPY)và polymer dẫn suất Polymer liên hợp kết hợp với dopant trở thành polymer dẫn điện Điện tử nối liên hợp lần thể vai trò quan trọng Khi có quang tử ánh sáng mặt trời chiếu vào polymer mang nối liên hợp phóng thích điện tử để lại nhiều lỗ trống h mạch polymer, polymer đ-ợc gọi vật liệu loại p Ng-ợc lại Fullenrene vật liệu nhận điện tử hiệu quả, sau nhận điện tử mang điện tích âm nên đ-ợc gọi vật liệu loại n Hình 3.11 Quang tử ánh sáng mặt trời đánh bật điện tử khỏi mạch polymer - [4] Quá trình chuyển hóa l-ợng mặt trời thành dòng điện vật liệu hữu t-ơng tự nh- Si Những quang tử đánh bật điện tử khỏi mạng vật liệu p tạo cặp điện tử- lỗ trống Những cặp khuếch tán vật liệu có cặp gần vùng chuyển tiếp p-n bị phân chia Sau bị tách ra, điện tử di chuyển vật liệu n tiến đến cực d-ơng (+) lỗ trống di chuyển vật liệu p tiến đến cực âm (-) ( Hình 3.12 a) Nh- để gia tăng hiệu suất chuyển hóa l-ợng diện tích - 44 - Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học mặt tiếp xúc vùng chuyển tiếp p-n cần phải đ-ợc c-c đại hóa Đối với vật liệu hữu việc cực đại hóa cần ph-ơng pháp đơn giản trộn hai loại vật liêu n vật liệu p lại thành composite Để tạo cho di chuyển điện tử lỗ trống đến điện cực không bị ùn tắc đ-ờng composite cần có đ-ờng vân liên tục vật liệu p n đan xen vào tiếp nối đến điện cực để điện tử lỗ trống di chuyển đến Hình 3.12 (a) Tiến trình phân ly cặp điện tử- lỗ trống mặt chuyển tiếp vật liêu p vật liệu n, (b) Điện tử theo đ-ờng vân vật liệu n tiến đến cực d-ơng lỗ trống theo đ-ờng vân vật liệu p tiến đến cực âm Dòng điện xuất - [3] Ngoài vật liệu phải nguyên chất (silic có độ nguyên chất cao 99,99%) tạp chất trở thành rào cản chặn đứng di chuyển điện tử lỗ trống Đây đòi hỏi thách thức đ-ợc đặt pin mặt trời đ-ợc sản xuất từ vật liệu hữu Tuy nhiên với khả dẫn điện Polymer nh- đà trình bày chắn có ứng dụng thông minh việc chế tạo pin mặt trời hữu đạt hiệu cao t-ơng lai không xa - 45 - Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Kết luận Nội dung khoá luận nghiên cứu b-ớc tiến hành trình sản xuất pin mặt trời từ tinh thể Silic trình bày vật liệu mới: Vật liệu vô vô định hình, vật liệu nano, vật liệu hữu với tính chất bản, hiệu suất biến đổi khả ứng dụng vật liệu đ-a vào sản xuất pin mặt trời Từ thái d-ơng hệ xuất hiện, tia sáng mặt trời truyền đến mặt đất đà bị hoang phí hàng tỉ năm Hơn nửa kỉ tr-ớc học l-ợng tử đà giúp loài người đạt nhiều kỳ tích đuổi bắt ánh sáng kỳ diệu Thêm nửa kỷ tới, khai thác l-ợng mặt trời đặt nhà nghiên cứu khoa học tr-ớc nhiều thách thức việc cải tiến công nghệ sản xuất pin mặt trời chọn lựa vật liệu, tối -u hoá thiết kế cấu trúc tế bào quang điện để tăng hiệu suất sử dụng mang đến cho nhân loại dụng cụ tiện ích nhiều khám phá kỳ thú Bài toán làm chủ công nghệ sản xuất pin mặt trời, với thành phẩm đủ sức cạnh tranh thị tr-ờng đ-ợc đặt với sở nghiên cứu khoa học thÕ giíi vµ ë ViƯt Nam vµ lµ mét vÊn đề cần thiết Ngành công nghiệp điện mặt trời hứa hẹn ngành khoa học quan trọng có ảnh h-ởng lớn đến sống t-ơng lai Với tiềm lớn lao l-ợng mặt trời hy vọng ngành công nghệ pin mặt trời Việt Nam phát triĨn xu thÕ héi nhËp khoa häc c«ng nghƯ toàn cầu - 46 - Đào Thị Thu Hằng Luận văn tốt nghiệp đại học Tài liệu tham khảo [1] Đặng Đình Thống Pin mặt trời ứng dụng Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội.Tháng 6-2005 [2] Vũ Linh, Đặng Đình Thống Nghiên cứu công nghệ chế tạo modun pin mặt trời Hội nghị Vật lí toàn quốc lần thứ 4, Hà Nội 5-8-1993 [3] http:// Vietsciences.org.Tr-ơng Văn Tân [4] http:// www.Khoahoc@vnepress.net [5] http:// www.Thegioipin.com.AllRightsReserud [6] Martin Mc Phillips Thesolar age, Everest House Publishers, New Press,1979 [7] Y Marfaing “Solar Energy, Conversion and Application”, Paris,1987 [8] http://Vietsciences.free.fr/lichsu/nanocarbon- C60.htm [9] George Warfield Solar Photovoltaic Electricity System- Design and Installation, Mc Graw Hill Book Company, USA, 1983 [10] Bernard Mc Nelis Solar Photovoltaic Electricity Generation, Expert Group Meeting on the Application of solarb Energy, Bali, Indonesia 12-17 July,1993 - 47 - ... nghệ vật liệu Mục đích đề tài nghiên cứu công nghệ sản xuất pin mặt trời hiệu suất biến đổi vật liệu dùng để sản xuất pin mặt trời Bằng phương pháp nghiên cứu tài liệu báovề pin mặt trời, công nghệ. .. tốt nghiệp đại học Ch-ơng vật liệu sản xuất pin mặt trời Hiện silic loại vật liệu thông dụng để sản xuất pin mặt trời Tuy nhiên công nghệ sản xuất pin mặt trời từ vật liệu Silic gặp nhiều khó... cao pin mặt trời tinh thể Si khó khăn ứng dụng pin mặt trời Một công nghệ triển vọng để giảm giá pin mặt trời công nghệ màng mỏng vô định hình Ngoài ra, nhờ công nghệ ng-ời ta chế tạo đ-ợc pin