Tổng quan về vật liệu màng mỏng CZTS Thông số về cấu trúc và các tính chất đặc trưng của màng mỏng CZTS Quy trình tạo màng mỏng CZTS Hạt nano CZTS trong chế tạo màng CZTSSe ứng dụng trong tế bào Pin mặt trời
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT Báo cáo Vật liệu quang điện tiên tiến Đề tài: Vật liệu CZTS ứng dụng quang điện pin mặt trời Nội dung trình bày Tổng quan CZTS Thơng số tính chất màng mỏng CZTS Quy trình tạo màng mỏng CZTS Hạt nano CZTS chế tạo màng CZTSSe ứng dụng tế bào Pin mặt trời Tổng quan CZTS Tổng quan CZTS • CZTS : Copper Zin Tin Sulfuze • Đồng kẽm thiếc lưu huỳnh (Cu2ZnSnS4) hợp chất bán dẫn bậc bốn • Được tạo từ Cu,Zn,Sn,S Tiền chất có nhiều vỏ trái đất Chi phí sản suất giảm đáng kể • Khơng gây hại cho mơi trường • Bề rộng vùng cấm vật liệu khoảng 1,5 eV (Cu: 50 ppm, Zn: 75 ppm, Sn: 2.2 ppm, S: 260 ppm) ppm là đơn vị đo mật độ thường dành cho mật độ tương đối thấp Nó thường tỷ lệ lượng chất tổng số lượng hỗn hợp chứa chất Ở lượng hiểu là khối lượng, thể tích, số hạt (số mol) ppm = 1/1 000 000 = 10-6 CZTS chất bán dẫn hợp chất bậc bốn I2-II-IV-VI4 cách thay selen lưu huỳnh, kim loại quý indium với kẽm thiếc hợp chất CIS Thông số Cu2ZnSnS4 Khối lượng phân tử : 439.471g/mol Độ nóng chảy 990 ° C Cu2ZnSnS4 Hệ số hấp thụ cao: 104 cm-1 Tỉ trọng : 4.56g/cm3 Cấu trúc tinh thể Kestenite CZTS Cấu trúc tinh thể stannite Cấu trúc Stannite [1] Mỗi mạng nguyên tử lưu huỳn bao quanh nguyên tử kim loại :2 Cu,1 Zn,1 Sn Mỗi nguyên tử kim loại được bao quanh nguyên tử lưu huỳnh Hình[1]: cấu trúc stannite Cấu trúc Kestenite [1] • Tỉ số số mạng a/c xấp xỉ bng ẵ ã Theo Chen v cng s ch cấu trúc kesterite có lượng thấp bền vững so với cấu trúc stannite • CZTS tồn pha kesterite có cấu trúc tinh thể tương đồng với CIGS chalcopyrite ta thay nguyên tử In Ga Zn Sn Hình [2] cấu trúc kestenite So sánh cấu trúc kesterite stannite Hình 1: Cấu trúc mạng tinh thể vật liệu CZTS : Kesterite (a); Stannite (b) [1] Hai cấu trúc kesterite stannite khác cách xếp vị trí ngun tử đỉnh Hình [3] cấu trúc kesterite stannite 10 Giới thiệu Thực nghiệm Chế tạo Kết luận 34 Giới thiệu Để Pin mặt trời đạt hiệu suất cao, lớp hấp thụ ánh sáng cần có cấu trúc tinh thể với hạt lớn Tuy nhiên thân hạt nano CZTS tổng hợp có kích thước 30nm có độ kết tinh thấp Chính cần tạo màng có độ kết tinh cao hơn, kích thước tinh thể lớn Màng hấp thụ ánh sáng CZTSSe đóng vai trò quan trọng, chúng phải đảm bảo hấp thụ tốt ánh sáng mặt trời, dễ dàng để điện tử lỗ trống di chuyển phía điện cực chúng sinh cặp, độ bám dính màng phải tốt để giữ pin ổn định độ dày màng phải đồng để tránh dòng rò pin => Chế tạo pin mặt trời phương pháp in gạt Selen hóa 35 Chế tạo lớp hấp thụ ánh sáng CZTSSe Phương pháp in gạt mực in nano để tạo màng CZTS Phương pháp Selen hóa màng CZTS để tạo màng CZTSSe 36 Khơng địi hỏi công nghệ cao thiết bị đắt tiền 2.1 Chế tạo lớp màng CZTS phương pháp in gạt Thời gian chế tạo nhanh Có thể chế tạo mẫu lớn 37 Pin mặt trời CZTSSe có lớp màng hấp thụ ánh sáng nằm phía lớp điện cực bên Điện cực phía dùng điện cực Mo, màng CZTS in gạt để chế tạo đế màng Mo để tạo màng Mo/CZTS 38 Các bước thực Dán lớp băng dính xung quanh để Mo để tạo thành dạng bể để lắng đọng hạt tạo màng Kết thúc chu trình tạo lớp màng CZTS dế Mo Để màng dày thực lặp lại chu trình in gạt Mực in CZTS nhỏ thành dải thành bể sử dụng cần gạt thủy tinh , gạt gạt lại khoảng từ đến lần Sau gạt xong băng dính bóc ra, sau sấy đế khoảng phút nhiệt độ 300 độ C cho bay hết dung môi 39 Số lần gạt mực đế Nồng độ hạt CZTS đế Mo Chiều dày màng phụ thuộc vào yếu tố Loại đế sử dụng Tốc độ gạt mực đế Lực ấn cần gạt đế 40 Phương pháp Selen hóa màng CZTS để tạo màng CZTSSe Màng Mo/CZTS kích thước 20x20 (mm) đặt hộp kích thước 25x60x5 (mm) với 0,2g bột Se đậy kín Đưa hộp vào ống thủy tinh dùng khí Nito đẩy Oxi ống đưa ống vào lò Khi Selen hóa, nhiệt độ lị nâng lên thành nhiệt độ cần Selen hóa thời gian Selen hóa 20 phút Để dịng khí Nito liên tục chảy qua ống, kết thúc trình mẫu làm nguội nhanh nhiệt độ phịng 41 Giải thích Khi mẫu CZTS xử lý nhiệt môi trường Selen nhiệt độ khoảng 500 độ C Selen thâm nhập vào CZTS thay lưu huỳnh phần lớn đỉnh tạo thành hợp chất CZTSSe từ hợp chất ban dầu CZTS Đa phần hạt nano CZTS ban đầu có kích thước 30 nm sau Selen hóa tạo thành hạt CZTSSe chúng kết dính lại với thành hạt có kích thước lớn cỡ vài trăm nano mét liên kết thành màng CZTSSe Hình [14] Quy trình in gạt tạo màng CZTS Selen hóa tạo màng CZTSSe * 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, Nguyễn Anh Tuân 42 Thực nghiệm Phân tán tạo mực CZTS Tạo điện cực Ag, hoàn thiện pin Phún xạ tạo lớp điện cực Mo Tạo lớp điện cực cử sổ phún xạ ZnO/ITO In gạt tạo màng CZTS đế Mo Tạo lớp CdS phương pháp nhúng CBD Selen hóa tạo màng CZTSSe 43 Đặc trưng I-V pin mặt trời ứng dụng CZTSSe Với quy trình pin mặt trời CZTSSe đưuọc nghiên cứu chế tạo có cấu trúc: Đế thủy tinh/CZTSSe/CdS/ZnO/ITO/Ag Thực thí nghiệm với mẫu điều kiên nhiệt độ: 470; 490; 510; 530 độ C Các mẫu cắt với diện tích tế bào 0,25 cm² tiến hành đo đặc trưng Hệ đo Pin mặt trời 44 Mật độ dòng điện ngắn mạch Hình Đặc trưng I-V pin mặt trời theo nhiệt độ Selen hóa [15] Khi tăng nhiệt độ Selen hóa, màng hấp thụ ánh sáng có độ kết tinh tốt hơn, màng tinh thể CZTSSe dày làm cho chuyển đổi quang-điện pin tốt Thế hở mạch Hệ số điền kín Hiệu suất pin Bảng Các thông số đăng trưng PMT theo nhiệt độ Selen hóa [16] Tuy nhiên mật độ đòn ngắn mạch giảm xuống màng CZTSSe Selen hóa nhiệt độ 530, Mo phản ứng với Se tạo thành lớp màng cản trở dịch chuyển hạt dẫn 45 Kết luận Các hạt nano CZTS phân bố đồng dùng môi, dễ tạo màng phương pháp in gạt Màng hấp thụ ánh sáng CZTSSe chế tạo phương pháp Sele hóa đạt hiệu suất tốt 510 độ C cho kích thước hạt lớn, độ kết tinh tốt [1] 46 Tài liệu tham khảo: 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, Nguyễn Anh Tuân Ahmed, S., K B Reuter, O Gunawan, L Guo, L T Romankiw, and H Deligianni, (2012), A High Efficiency Electrodeposited Cu2ZnSnS4 Solar Cell, Adv Energy Mater., vol 2, no 2, p 253 Wang, W., M T Winkler, O Gunawan, T Gokmen, T K Todorov, Y Zhu, and D B Mitzi, (2014), Device characteristics of CZTSSe thin-film solar cells with 12.6% efficiency, Adv Energy Mater., vol 4, no 7, p 10301465 Development of CZTS-based thin film solar cells, Hironori Katagiri ⁎, Kazuo Jimbo, Win Shwe Maw, Koichiro Oishi, Makoto Yamazaki, Hideaki Araki, Akiko Takeuchi The Influence of Se Concentration on Optical Properties of Thermal Evaporated Cu2ZnSn(SexS1-x)4Thin Films, A M Mansoor, M F A Alias, I S Naji 47 Cảm ơn cô bạn lắng nghe! 48 ... Tổng quan CZTS Thơng số tính chất màng mỏng CZTS Quy trình tạo màng mỏng CZTS Hạt nano CZTS chế tạo màng CZTSSe ứng dụng tế bào Pin mặt trời Tổng quan CZTS Tổng quan CZTS • CZTS : Copper... lớp điện cực cử sổ phún xạ ZnO/ITO In gạt tạo màng CZTS đế Mo Tạo lớp CdS phương pháp nhúng CBD Selen hóa tạo màng CZTSSe 43 Đặc trưng I-V pin mặt trời ứng dụng CZTSSe Với quy trình pin mặt trời. .. soát độ dày mặt tạo màng tương đối chất lượng 32 Hạt nano CZTS chế tạo màng CZTSSe ứng dụng tế bào Pin mặt trời 33 Giới thiệu Thực nghiệm Chế tạo Kết luận 34 Giới thiệu Để Pin mặt trời đạt hiệu