4. Phƣơng pháp nghiên cứu
3.5. Ảnh hƣởng của nhiệt độ làm việc đến hiệu năng của pin mặt trờ
CỦA PIN MẶT TRỜI CZTSSe
Nhiệt độ làm việc đóng một vai trò đáng kể đến độ ổn định hiệu suất cũng nhƣ các thông số khác của pin mặt trời. Các modun pin mặt trời đƣợc sử dụng ở ngoài nhà và ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp hàng ngày. Vì thế pin mặt trời luôn làm việc ở môi trƣờng có nhiệt độ lớn hơn 300 K nên chúng tôi khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ làm việc của pin mặt trời CZTSSe trong phạm vi T = 300 ÷ 420 K. Kết quả mô phỏng đƣợc trình bày trên hình 3.16 và hình 3.17.
Hình 3.16 mô tả ảnh hƣởng của nhiệt độ làm việc T tới đặc trƣng J-V của pin CZTSSe.
0 200 400 600 -10 -5 0 5 10 15 20 J (m A/cm 2 ) V (mV) 300K 320K 340K 360K 380K 400K 420K
Hình 3.16 Ảnh hƣởng của nhiệt độ làm việc T tới đặc trƣng J-V của pin CZTSSe T tăng
Hình 3.17 biểu diễn đồ thị sự phụ thuộc của các thông số quang điện nhận đƣợc từ đặc trƣng J-V (hình 3.16) với nhiệt độ làm việc.
Các thông số quang điện của vật liệu nhƣ độ rộng vùng cấm quang, nồng độ hạt tải, độ linh động điện tử và lỗ trống, độ dẫn luôn bị ảnh hƣởng ở nhiệt độ cao, đây là nguyên nhân làm cho hiệu suất của pin mặt trời thấp.
Từ hình 3.17a, dễ dàng nhận thấy, khi nhiệt độ làm việc tăng thì điện áp hở mạch VOC giảm. Điều này là phù hợp bởi vì điện áp hở mạch VOC phụ thuộc vào nhiệt độ theo quy luật sau [9]:
(
) (3.6)
Khi độ rộng vùng cấm của các lớp bán dẫn giả thiết là không phụ thuộc vào nhiệt độ, Voc sẽ thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ nhƣ hình 3.17a.
280 300 320 340 360 380 400 420 440 400 440 480 520 560 600 640 680 720 VOC (mV) T (K) a 280 300 320 340 360 380 400 420 440 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 T (K) JSC ( mA/cm 2) b 280 300 320 340 360 380 400 420 440 38 40 42 44 46 48 FF (% ) T (K) c 280 300 320 340 360 380 400 420 440 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 T (K) (%) d
Hình 3.17. Sự thay đổi (a) mật độ dòng ngắn mạch, (b) hệ số lấp đầy, (c) điện áp hở mạch và (d) hiệu suất chuyển đổi theo theo nhiệt độ làm việc T
Hình 3.17b phản ánh mật độ dòng ngắn mạch Jsc hầu nhƣ không thay đổi theo nhiệt độ T. Kết quả này cũng phù hợp với công thức lý thuyết [1]:
Jsc = Jph = qKNph = αE (3.7)
Do đó, Jsc chỉ phụ thuộc vào số cặp hạt tải đƣợc tạo ra trong giới hạn
lc(Nph) hay phụ thuộc vào cƣờng độ chiếu sáng E mà hầu nhƣ không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trƣờng làm việc.
Khi nhiệt độ tăng, Voc giảm, Jsc hầu nhƣ không thay đổi nên hệ số lấp đầy giảm, dẫn tới hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin cũng giảm (hình 3.17c,d).
Trên cơ sở mô hình của chúng tôi (hình 3.1), trong dải nhiệt độ làm việc khảo sát T = 300 ÷ 400 K, chúng tôi nhận đƣợc bộ các thông số sau đây:
Tại T= 300K nhận đƣợc bộ các thông số quang điện sau:
η = 2,09 %, FF= 43,63 %, Jsc= 6,96 mA/ cm2, Voc= 689,8 mV
Tại T= 400K nhận đƣợc bộ các thông số quang điện sau:
η= 1,33 %, FF= 42,22 %, Jsc= 6,95 mA/ cm2, Voc= 453,6 mV
Mức suy hao của hiệu suất chuyển đổi quang điện theo nhiệt độ đƣợc xác định khoảng -0,76 %/K. Kết quả cho thấy sự suy hao hiệu suất theo nhiệt độ môi trƣờng làm việc của pin CZTSSe là thấp so với pin CIGS
vì đối với pin CIGS mức suy hao này theo công bố trong [21] là -1,7%/K.
KẾT LUẬN
Trên cơ sở những kết quả nghiên cứu đã đạt đƣợc của luận văn, có thể đƣa ra kết luận nhƣ sau:
1. Đã thiết kế thành công cấu trúc tối ƣu của pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/ZnS/CdS/CZTSSe/Pt sử dụng lớp đệm kép bằng phƣơng pháp mô phỏng SCAPS-1D và bƣớc đầu chế tạo thử nghiệm đã thể hiện đáp ứng phù hợp giữa thiết kế và thực nghiệm, kết quả cụ thể nhƣ sau:
2. Đã thu thập bộ các thông số mô phỏng cơ bản đối với pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/ZnS/CdS/CZTSSe/Pt
3. Đã khảo sát ảnh hƣởng của hợp phần S/S+Se, chiều dày, nồng độ pha tạp và khuyết tật khối của lớp hấp thụ CZTSSe; chiều dày và nống độ pha tạp của lớp đệm kép CdS/ZnS.
4. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ làm việc đến hiệu năng của pin trong phạm vi T = 300 ÷ 420 K cho thấy mức suy hao của hiệu suất chuyển đổi quang điện theo nhiệt độ là khoảng -0,76%/K.
5. Khảo sát khả năng sử dụng lớp đệm kép CdS/ZnS cho pin CZTSSe cho thấy sử dụng thêm lớp đệm ZnS có độ rộng vùng cấm cao hơn CdS và cải thiện dải năng lƣợng liên kết với ZnO đã làm tăng lƣợng photon đến tiếp xúc CdS/CZTSSe và đồng thời làm giảm tái hợp phân biên nên làm tăng hiệu suất lƣợng tử. Có thể đánh giá đây là kết quả rất triển vọng cho nghiên cứu sử dụng lớp đệm kép ZnS/CdS thay thế CdS cho pin mặt trời CZTSSe hiệu suất cao.
6. Các kết quả chính nhận đƣợc:
Đã xác định đƣợc bộ thông số công nghệ tối ƣu cho pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/ZnS/CdS/CZTSSe/Pt :
= 250 nm; Eg = 3,37 eV; ND = 2,1.1016 cm-3
o Lớp đệm kép CdS/ZnS:
= 120 nm; Eg = 1,45 eV; ND = 2.1016 cm-3
o Lớp hấp thụ CZTSSe:
= 1,8 µm, Eg = 1,18 eV, NA = 5,5.1015 cm-3, Nt = 2.1013 cm-3
Kết quả mô phỏng đạt đƣợc các thông số quang điện cao nhất: Voc = 699,7 mV, Jsc = 7,12 mA/cm2, FF = 46,16 % và = 2,30 %
Kết quả chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/ZnS/CdS/CZTSSe/Pt bằng công nghệ FSPD đạt đƣợc các thông số quang điện cao nhất:
Voc = 685,7 mV, Jsc = 6,93 mA/cm2, FF = 43,62 % và = 2,09 %
7. Các kết quả của luận văn cho phép mở ra khả năng sử dụng phƣơng pháp mô phỏng SCAPS-1D nhƣ là một phƣơng pháp thiết kế hữu hiệu để hỗ trợ cho thực nghiệm chế tạo các pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo có hiệu suất cao và giá thành thấp.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng Việt
[1] Võ Thạch Sơn (2001), “Linh kiện bán dẫn và vi điện tử”, NXB KHKT [2] Trần Thanh Thái (2012), “Nghiên cứu vật lý và công nghệ PMT màng
mỏng cấu trúc đảo Glass/ZnO:In/CdS/CuInS2/Metal chế tạo bằng
phương pháp phun phủ nhiệt phân toàn phần (FSPD)”, Luận án tiến
sỹ - Vật lý kỹ thuật
[3] Phạm Anh Tuân (2017), “Nghiên cứu và chế tạo pin mặt trời Cu(Zn,Sn)(S,Se)2 và Cu(In,Ga)(S,Se)2”, Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu
Tài liệu tiếng Anh
[4] 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. [5] Abdellah Benami (2019), “Effect of CZTS Parameters on Photovoltaic
Solar Cell from Numerical Simulation”, Journal of Energy and Power
Engineering 13 (2019) 32-36
[6] CJ Hages , Carter, NJ , và Agrawal, R. , (2016)"General quantum efficiency analysis for non-ideal solar cells: Cu2ZnSnSe4 case",
Journal of Applied Physics, vol. 119, no. 1, p. 014505
[7] C. Steinhagen , Panthani, MG , Akhavan, V. , Goodfellow, B. , Koo, B. , và Korgel, BA ,(2009)"Synthesis of Cu2ZnSnS4 nanocrystals for use in low cost photoelectricity", Journal of the American Chemical Society, vol. 131, pages 12554–12555
[8] Dongwook Lee and Kijung Yong (2014), “Solution-processed Cu2ZnSnS4 superstrate solar cell using vertically aligned ZnO
nanorods”, Nanotechnology 25 (2014) 065401 (8pp)
[9] Frisk, .C, Doctoral Thesis (2017), “Modeling and electrical characterization of Cu(In,Ga)Se2 and Cu2ZnSnS4 solar cells”, Uppsala University, SE-75121 Uppsala, Sweden
[10] H. Katagiri , Sasaguchi, N. , Hando, S. , Hoshino, S. , Ohashi, J. , và Yokota, T. ,(1997)"Preparation and evaluation of Cu2ZnSnS4 thin films by sulfide EB-volatile precursor", Solar Materials and Solar Cells, vol. 49, pp. 407 – 414.
[11] Ito, K. (2015), Copper Zinc Tin Sulfide-Based Thin-Film Solar Cells. [12] ISE-Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, (2016),
Photovoltaics Report.
[13] J. L. Barden, M. L. Mellish, B. T. Murphy, N. Slater-thompson, D. Peterson, and P.Lindstrom, (2013), “International Energy Outlook 2013”
[14] 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
[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, Mar. 2013.
[16] Kentaro, I. (2015). “Copper Zinc Tin Sulfide-Based Thin-Film Solar Cells”. New York: John Wiley & Sons.
[17] Lhoussayne Et-taya, Touria Ouslimane, Abdellah Benami (2020),
Numerical analysis of earth-abundant Cu2ZnSn(SxSe1-x)4 solar cells based on Spectroscopic Ellipsometry results by using SCAPS-1D, Solar Energy 201, 827-835.
[18] 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, March 2018, p. 133 – 137
[19] 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
[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] 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
[22] Paetel, S., (2016), Roadmap CIGS towards 25 % Efficiency, Zent. Für Sonnenenergie- und Wasserstoff-forsch. Baden-württemb.
[23] Q. Guo , Hillhouse, HW , và Agrawal, R. , (2009)"Synthesis of ZnSnS4Cu2 nanocrystalline ink and its use in solar cells", Journal of the American Chemical Society, vol. 131, no. 33, pages 11672 – 11673
[24] Rafee Mahbub, Md. Saidul Islam, Farhana Anwar, Sakin Sarwar Satter, Saeed Mahmud Ullah (2016), “Simulation of CZTS thin film solar cell for different bufferlayers for high efficiency performance”, South Asian Journal of Engineering and Technology Vol.2, No.52 (2016) 1–10
[25] S. Selberherr (2013),“Analysis and simulation of semiconductor devices”, Springer, New York
[26] Smestad, G. P., (2002), Optoelectronics of Solar Cells, SPIE Press. [27] Sze. . and K. K. NG, (2007), Physics of Semiconductor Device, Wiley. [28] Sudipto Saha, MD Zubair Ebne Rafique, M. M. Shahidul Hassan
(2016), Performance of CZTSxSe1-x Solar Cell with Various Mole Fractions of Sulfur for Different Buffer Layers, 4th International Conference on the Development in the in Renewable Energy Technology (ICDRET-2016)
[29] 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.
[30] T. Magorian Friedlmeier , Wieser, N. , Walter, T. , Dittrich, H. , và Schock, HW , (1997)"Allergies based on Cu2ZnSnS4 and Cu2ZnSnSe4 thin films", in Europe's 14th PVSEC
[31] T. Gokmen , Gunawan, O. , Todorov, TK và Mitzi,
DB ,(2013)"Limiting Performance and Strips in Kesterite Solar Cells", Applied Physical Letter, vol. 103, p. 103506
[32] 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.
[33] Würfel, P. (2005), “Physics of Solar Cells”, Germany, Wiley-VCH. [34] 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
[35] Statistical Review of World Energy,
https://www.bp.com/content/dam/bp/en/corporate/pdf/energy- economics/statistical-review/bp-statsreview-2018-full-report.pdf [cited 15/11/2018].
[36] Global Market Outlook for Solar Power/2018-2022,
http://www.solarpowereurope.org/wpcontent/uploads/2018/09/Global -Market- Outlook-2018-2022.pdf. 2018 [cited 29/11/2018].
[37] http://vanban.chinhphu.vn[cited 6/4/2020].
[38] https://vi.wikipedia.org/wiki/ Điện mặt trời và điện gió Fujiwara Bình Định [cited 15/6/2019]. [39] http://www.pecc1.com.vn/d4/news/Cong-nghe-va-ky-thuat-cua- quang-dien-8-1351.aspx[cited 13/9/2020]. [40] http://vecea.vn/tin-tuc/t460/cac-the-he-pin-mat-troi.html [cited 12/8/2020]. [41] https://givasolar.com.vn/cac-loai-pin-nang-luong-mat-troi-va-ung- dung-cua-pin-mat-troi/[cited 15/12/2019]. [42] http://moitruong24h.vn/pin-mat-troi-la-cay.html [cited 15/7/2020]. [43] https://evn.com.vn/c2/nang-luong-tai-tao/Nang-luong-tai-tao-141.aspx [cited 5/9/2020].