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 Cu 2ZnSn(Sx Se1-x)4” công 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 lạc quan, lịng đam mê khoa học, tinh thần học hỏi khơng 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 vững tâm học tập hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn! MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày với tình hình dân số cơng nghiệp phát triển không ngừng, lƣợng thể rõ vai trò quan trọng trở thành yếu tố thiếu sống Nhân loại đối diện trƣớc hai thách thức to lớn: Thứ cạn kiệt nhanh nguồn nhiên liệu hóa thạch thứ hai biến đổi khí hậu tồn cầu Vì nguồn ngun liệu hố thạch cho thấy tác động xấu đến môi trƣờng, gây ô nhiễm bầu khí nhƣ gây hiệu ứng nhà kính, thủng tầng ozôn, nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên [13], [35] Trƣớc tình hình đó, vấn đề phải tìm đƣợc nguồn lƣợng để đáp ứng nhu cầu sử dụng lƣợng gia tăng lớn mạnh hàng ngày thay nguồn lƣợng có hại cho mơi trƣờng cạn kiệt trở nên cấp thiết Trong số dạng lƣợng thay tiềm năng, lƣợng mặt trời thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu nƣớc [36] Hiện nay, pin mặt trời thị trƣờng thƣơng mại chủ yếu pin mặt trời dựa sở vật liệu bán dẫn silic (đơn tinh thể màng mỏng đa tinh thể) có hiệu suất chuyển đổi quang điện từ 17% đến 20% Vì vật liệu Si thuộc loại bán dẫn vùng cấm xiên nên độ hấp thụ thấp so với bán dẫn vùng cấm thẳng Do đó, việc sử dụng bán dẫn vùng cấm thẳng cho phép thay lớp hấp thụ Si dày 200m màng mỏng bán dẫn dày 2,0 m Một hệ vật liệu bán dẫn vùng cấm thẳng triển vọng làm lớp hấp thụ hệ vật liệu Cu(In,Ga)(S,Se) gần hệ vật liệu Cu2ZnSn(SxSe1-x)4 [1], [17] Ở nƣớc ta, nghiên cứu phát triển công nghệ pin mặt trời hƣớng nghiên cứu đƣợc ƣu tiên hàng đầu Các nhóm nghiên cứu lĩnh vực tập trung chủ yếu số đơn vị nghiên cứu nhƣ Viện Khoa học Vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam), Phịng thí nghiệm Cơng nghệ nano (Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh), Viện Vật lý kỹ thuật, Viện AIST, Viện ITIMS (ĐHBK Hà Nội) với số kết bƣớc đầu nghiên cứu loại pin, phƣơng pháp chế tạo đƣợc công bố tạp chí nƣớc ngồi nƣớc [3], [4], [19], [29] Qua tìm hiểu nghiên cứu trên, thấy việc chế tạo pin mặt trời phƣơng pháp thực nghiệm mang đến nhiều thành tựu quan trọng lĩnh vực cơng nghệ có vai trị to lớn việc sản xuất pin mặt trời thị trƣờng Tuy nhiên, dùng phƣơng pháp thực nghiệm nghiên cứu cần tiến hành lâu dài nên dẫn đến tăng giá thành sản phẩm Trong đó, chiều hƣớng giảm giá thành sản phẩm hiệu suất chuyển đổi quang điện vấn đề đƣợc quan tâm Do đó, phƣơng pháp mơ xu hƣớng hỗ trợ hữu hiệu đáp ứng hiệu kinh tế, kỹ thuật cho phƣơng pháp thực nghiệm Vì vậy, với xu hƣớng với 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 đích nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan pin mặt trời màng mỏng, phƣơng pháp mơ hình hóa mơ số Xây dựng mơ hình vật lí thiết kế tối ƣu hóa phần tử PMT màng mỏng sở lớp hấp thụ Cu2ZnSn(SxSe1-x)4 Đối 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 glass/TCO/CdS(ZnS/CdS)/ Cu2ZnSn(SxSe1-x)4 /Me phần mềm SCAPS-1D Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài mô số phần tử pin mặt trời phần mềm SCAPS-1D, kết hợp với đoán nhận lý thuyết để lựa chọn thông số thiết kế PMT tối ƣu Các kết mô sở cho việc thiết kế cấu trúc định hƣớng cho quy trình cơng nghệ chế tạo PMT Cu2ZnSn(SxSe1-x)4 Chƣơng TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 1.1 NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI - NĂNG LƢỢNG CỦA TƢƠNG LAI Hiện nay, nguồn lƣợng khai thác từ nhiên liệu hóa thạch nguồn lƣợng chủ yếu giới với sản lƣợng tiêu thụ chiếm 85% vào năm 2017 Bên cạnh đó, nguồn lƣợng tái tạo (năng lƣợng gió lƣợng mặt trời) đóng góp sản lƣợng tiêu thụ 3,6%, điều cho thấy xu tăng trƣởng đáng kể thị trƣờng lƣợng tái tạo toàn cầu Tỷ lệ tiêu thụ nguồn lƣợng toàn cầu năm 2017 đƣợc thể Hình 1.1 [35] Hình 1.1 Tỷ lệ nguồn lƣợng tiêu thụ toàn cầu Trong số nguồn lƣợng đƣợc sử dụng nhƣ nguồn nguyên liệu hoá thạch cho thấy tác động xấu đến môi trƣờng, gây nhiễm bầu khí nhƣ gây hiệu ứng nhà kính, thủng tầng ozơn, nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên Còn nguồn lƣợng thuỷ điện (cũng đƣợc coi loại lƣợng sạch) khơng đáp ứng đƣợc nhu cầu tiêu thụ điện tình trạng mực nƣớc hồ chứa thƣờng xuyên lên xuống thất thƣờng Trƣớc tình hình đó, vấn đề phải tìm đƣợc nguồn lƣợng để đáp ứng nhu cầu sử dụng lƣợng gia tăng lớn mạnh hàng ngày thay nguồn lƣợng có hại cho môi trƣờng cạn kiệt trở nên cấp thiết Trong số dạng lƣợng thay tiềm năng, lƣợng mặt trời thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu đƣợc nƣớc giới đầu tƣ khai thác mạnh mẽ nhƣ Nhật, Mỹ, Anh, Đức,… với thị phần nguồn lƣợng mặt trời nhƣ minh họa Hình 1.2 [36] Hình 1.2 Thị trƣờng sử dụng pin mặt trời toàn cầu Việt Nam bƣớc tiếp cận gần lĩnh vực khai thác nguồn lƣợng Cơ chế khuyến khích phát triển lƣợng tái tạo Việt Nam đƣợc thể rõ nét Quyết định số 13/2020/QĐTTg ngày 06/4/2020 Thủ tƣớng Chính phủ chế khuyến khích phát triển dự án điện mặt trời Việt Nam [37] Quyết định 13 Thủ tƣớng Chính phủ thức có hiệu lực “cú hích” tạo đà cho điện mặt trời mái nhà (ĐMTMN) phát triển Với nhiều lợi ích mang lại cho chủ đầu tƣ nhƣ cộng đồng, việc lắp đặt ĐMTMN thời gian gần đƣợc ngƣời dân, doanh nghiệp quan tâm Theo báo cáo EVN, tính đến 7/6/2020, ĐMTMN nƣớc có: Hơn 31.100 hệ thống ĐMTMN, Tổng công suất đặt 640 MWp, Sản lƣợng phát lên lƣới 145 triệu kWh [43] Một báo cáo gần EVN (Tập đoàn điện lực quốc gia Việt Nam) cho thấy tháng đầu năm 2020, sản lƣợng điện từ lƣợng mặt trời chiếm khoảng 3,2 tỷ kWh điện, tƣơng đƣơng với sản lƣợng năm nhà máy nhiệt điện chạy than có cơng suất 500-600 MW, đáp ứng tốt nhu cầu điện Việt Nam, đặc biệt miền nam, tiết kiệm đƣợc lƣợng dầu, khí từ việc sử dụng lƣợng mặt trời, qua giảm thiểu đƣợc chi phí vận chuyển điện, nhƣ giảm thiểu đƣợc tác động mơi trƣờng [43] Tại Bình Định, nhà máy điện mặt trời Fujiwara Khu Kinh tế Nhơn Hội vào hoạt động từ tháng 6/2019 Đây dự án điện mặt trời Bình Định Dự án có cơng suất thiết kế giai đoạn 50 MW diện tích 60 ha, sản lƣợng điện sản xuất hàng năm dự kiến 74 triệu kWh, với tổng vốn đầu tƣ 1.400 tỉ đồng [38] Có thể nói, lƣợng mặt trời bắt đầu phát triển đà trƣởng thành, giá thành đắt nhiều so với nguồn lƣợng truyền thống Rõ ràng là, để thực thay đổi định việc nâng cao hiệu suất, giảm giá thành đa dạng hóa ứng dụng, lĩnh vực lƣợng mặt trời cần đầu tƣ nhân lực, công nghệ tài đáng kể Một loạt yếu tố góp phần giảm giá thành lƣợng mặt trời nhƣ: Khả lắng đọng màng mỏng diện tích lớn, khả tự động hóa cơng nghệ, khả tăng hiệu suất quang điện,… Ngoài ra, chuyên gia đƣa hƣớng sau để giảm giá thành điện mặt trời nữa, [36]: - Tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện tế bào mặt trời Cụ thể với pin mặt trời silicon hiệu suất quang điện phải đạt 20 - 24% pin mặt trời màng mỏng phải đạt 20% vào năm 2025 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 Nói tóm lại, lƣợng mặt trời dần trở thành nguồn lƣợng vô quan trọng giới đặc biệt Việt Nam Với tiến vƣợt bậc cơng nghệ, pin mặt trời tăng hiệu suất lên đến 43% hứa hẹn đem lại phát triển to lớn cho ngành công nghiệp "năng lƣợng xanh" tƣơng lai 1.2 HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN - PIN MẶT TRỜI 1.2.1 Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện tƣợng điện - lƣợng tử, điện tử đƣợc khỏi ngun tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thƣờng) sau hấp thụ lƣợng từ photon ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron ngồi đƣợc minh họa Hình 1.3 [39] Hiệu ứng quang điện đơi đƣợc ngƣời ta dùng với tên hiệu ứng Hertz, nhà khoa học Heinrich Hertz tìm Việc nghiên cứu hiệu ứng quang điện đƣa tới bƣớc quan trọng việc tìm hiểu lƣợng tử ánh sáng electron, nhƣ tác động đến hình thành khái niệm lƣỡng tính sóng hạt ... muốn nghiên cứu pin mặt trời màng mỏng sở hệ vật liệu Cu2ZnSn(SxSe1- x)4 nên tơi 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? ??... 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