4. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.1. Cơ sở phƣơng pháp mô phỏng số
Một số phần mềm đã đƣợc tạo ra với một mục tiêu mô hình hóa pin mặt trời dựa trên việc giải các phƣơng trình bán dẫn cơ bản tại giao diện giữa các lớp khác nhau của cấu trúc pin. Các phần mềm có những khả năng và hạn chế khác nhau nhƣng cơ bản là nhƣ nhau. Các phƣơng trình này dựa trên mô tả sự khuếch tán của sóng mang và chúng là ba phƣơng trình vi phân từng phần phi tuyến tính [14]. (2.1) (2.2) (2.3) Với: (2.4) ( ) (2.5) (2.6) Trong đó: Gp và Gn: tốc độ phát sinh lỗ trống và điện tử Rp và Rn: hệ số tốc độ tái hợp lỗ trống và điện tử N: nồng độ điện tích bẫy ε/εo: hằng số điện môi
μp và μn: độ linh động lỗ trống và độ linh động điện tử Vp và Vn, các thông số vùng
Nguyên lý mô phỏng số
Trong sự phát triển của các linh kiện quang điện, đặc biệt là pin mặt trời màng mỏng chuyển tiếp dị chất thì phƣơng pháp mô phỏng trong nghiên
cứu pin mặt trời nhằm giải quyết những hạn chế mà phƣơng pháp thực nghiệm không thể khắc phục. Trong khi các phƣơng pháp thực nghiệm có ích và cần thiết để chứng minh các giả định lý thuyết thì chúng lại gặp phải khó khăn để điều chỉnh một biến số mà không ảnh hƣởng nhiều biến số khác.
Với mô hình số, các tham số riêng biệt nhƣ: Độ rộng vùng cấm, chiều dày,…có thể thay đổi mà không cần thiết tác động các tham số khác. Điều này cho phép ngƣời nghiên cứu khảo sát các ảnh hƣởng liên quan đến một tham số. Ngoài ra, mô hình số cho phép biến số thay đổi trong một phạm vi rộng, có thể lớn hơn rất nhiều lần khả năng thiết lập trong phòng thí nghiệm. Hơn thế nữa, mô hình số cung cấp sự hiểu biết bên trong sự vật vào ảnh hƣởng của một biến số, thậm chí các tham số này là phi hiện thực hoặc không thực tế. Một thuận lợi khác nữa của các mô hình số là khả năng thiết lập chính xác các dữ liệu ghi lại trƣớc đó của các thực nghiệm, thể hiện chính xác quá trình thay đổi của mỗi trƣờng hợp. Do đó, một kết quả xác định có nghi ngờ thì dễ dàng xem xét lại các tham số đầu vào và suy luận đƣợc nguyên nhân của kết quả trên cơ sở thay đổi các tham số.
Có thể nói rằng, phƣơng pháp thực nghiệm và phƣơng pháp mô phỏng là hai phƣơng pháp bổ sung lẫn nhau đầy hiệu quả. Quy trình mô hình hóa và mô phỏng số đƣợc mô tả theo sơ đồ nhƣ hình 2.1 [9].
Ngoài những thuận lợi trên thì mô hình số cũng có nhiều sự bất lợi nhƣ là không có khả năng xây dựng mô hình chính xác. Mô hình số chính xác cũng là một mô hình, do đó mọi kết quả đạt đƣợc phải đƣợc xem xét trong phạm vi hạn chế của mô hình đó. Để áp dụng các kết quả mô phỏng cho các pin mặt trời thực tế thì cần phải xác định đƣợc mối tƣơng quan giữa mô hình và các linh kiện thực.
Tóm lại, việc sử dụng mô hình số và mô phỏng đối với pin mặt trời chuyên tiếp dị chất là một phƣơng thức quan trọng để phân tích các quá trình vật lý trong pin mặt trời và dự đoán ảnh hƣởng của các thay đổi đó lên hiệu suất của pin và trên cơ sở đó có thể đề ra các giải pháp để cải thiện hiệu suất của pin.
2.2. PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PIN MẶT TRỜI
Trong lĩnh vực pin mặt trời màng mỏng, hiện nay có rất nhiều chƣơng trình mô phỏng mạnh nhƣ các chƣơng trình AMPS-1D, ASA, PC1D và nhiều chƣơng trình khác.
Một số phần mềm mô phỏng số đã đƣợc phát triển bởi cộng đồng nghiên cứu trong lĩnh vực này. Một số trong đó đƣợc trích dẫn trong bảng 2.1.
Trong luận văn này, mô phỏng một chiều SCAPS-1D đã đƣợc sử dụng làm công cụ thiết kế pin mặt trời màng mỏng CZTSSe. Năm 1998, giáo sƣ M. Bulgerman và các cộng sự làm việc tại Trƣờng Đại học Gent (Vƣơng quốc Bỉ) đã nghiên cứu phát triển phần mềm mô phỏng một chiều có tên Solar Cell Capacitance Simulator in 1 Dimention (SCAPS-1D). Mục tiêu của SCAPS là nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số nhất định tới các quá trình vật lý xảy ra trong pin mặt trời. Nó có thể mô phỏng các thông số nhƣ điện áp hở mạch (VOC), mật độ dòng ngắn mạch (JSC), đặc tính J-V đầu ra, hệ số lấp đầy (FF), hiệu suất lƣợng tử (QE), hiệu suất chuyển đổi quang điện (η)… Hình 2.2 biểu diễn giao diện của phần mềm SCAPS-1D.
Chƣơng trình đƣợc tổ chức trong một bảng số, trong đó ngƣời dùng có thể đặt tham số hoặc trong đó kết quả đƣợc hiển thị. Chƣơng trình mở ra với một “bảng hành động”, trong đó ngƣời dùng có thể đặt điểm vận hành (nhiệt độ, điện áp, tần số, chiếu sáng) và một danh sách hành động tính toán để thực hiện (I-V, C-V, C-f, QE). Sau đó ngƣời dùng tiến hành thiết lập mô hình mô phỏng các lớp của pin mặt trời bằng cách nhấp vào nút “Set problem” sẽ hiển thị giao diện nhƣ hình 2.3.
Hình 2.3. Giao diện thiết kế mô hình các lớp của pin mặt trời trên phần mềm SCAPS-1D
Với mỗi lớp yêu cầu ngƣời dùng phải nhập các thông số đầu vào đã lựa chọn phù hợp với từng loại vật liệu sử dụng để chế tạo nhƣ hình 2.4
Sau khi tiến hành xong các bƣớc thiết lập ngƣời dùng tiến hành cho chạy phần mềm tính toán. Trong mỗi phép tính, tham số đang chạy (V, f hoặc l) đƣợc thay đổi trong phạm vi đƣợc chỉ định, trong khi tất cả các tham số khác có giá trị đƣợc chỉ định trong điểm hoạt động. Ví dụ, để có thể xác định đƣờng cong I-V ngƣời dùng nhấp vào các nút I-V và xem kết quả hiển thị các
thông số quang điện nhƣ mật độ dòng ngắn mạch JSC, điện áp hở mạch Voc, hệ số lấp đầy FF, hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin nhƣ hình 2.5.
Hình 2.4. Giao diện thiết lập các thông số đầu vào các lớp của pin mặt trời trên phần mềm SCAPS-1D
Hình 2.5. Giao diện hiển thị kết quả các thông đầu ra của pin mặt trời trên phần mềm SCAPS-1D
Mỗi phép đo có thể đƣợc tính cho các điều kiện sáng hoặc tối nhƣ là một hàm của nhiệt độ. Trong quá trình giải các mô phỏng, sơ đồ dải năng lƣợng và điện tích và dòng điện trong thiết bị đƣợc hiển thị trên màn hình cho từng điện áp hoặc bƣớc sóng trung gian. Những giải pháp trung gian sau đó có thể đƣợc lƣu vào một tập tin. Khi mô phỏng hoàn thành, các đặc điểm có thể đƣợc xem và so sánh với các đặc điểm từ các mô phỏng khác, cũng có thể đƣợc lƣu vào một tệp.
2.3. MÔ HÌNH MỘT CHIỀU PIN MẶT TRỜI
Để phát triển một mạch tƣơng đƣơng chính xác cho một tế bào quang điện, nó liên quan đến cấu hình vật lý của các phần tử của PMT cũng nhƣ đặc tính điện của từng nguyên tố. Theo nguyên tắc này, một số mô hình một chiều của PMT đã đƣợc đề xuất để đại diện cho các tế bào quang điện.
Mô hình phân tích phổ biến nhất liên quan đặc tính J-V của một tế bào quang điện là mô hình của một diode đƣợc mô tả trong hình 2.6 [33]. Trên thực tế không thể bỏ qua điện trở của vật liệu bán dẫn khối, điện trở các tiếp xúc kim loại - bán dẫn và của tiếp xúc kim loại - kim loại. Tổng các điện trở này đƣợc đƣợc biểu diễn bởi điện trở nối tiếp Rs.
Ngoài ra, cần đặc biệt lƣu ý đến sự hiện diện của điện trở ngắn mạch Rsh. Sự tồn tại của Rsh đƣợc xác định bởi các tạp chất trong lớp hấp thụ, sự không hoàn hảo của bề mặt cũng nhƣ dòng điện rò bề mặt của pin mặt trời. Vì vậy trong mạch điện tƣơng đƣơng cần phải mắc thêm vào một điện trở nối tiếp Rs và một điện trở song song Rsh với tải RL đƣợc thể hiện trên hình 2.6.
Theo định luật Kirchhoff về cƣờng độ dòng điện:
(2.7)
Theo định luật Kirchhoff về điện thế:
(2.8)
Từ các phƣơng trình trên, suy ra phƣơng trình đặc tính I-V của đối với mô hình một diode có dạng nhƣ sau :
(2.9)
Các giá trị của Is ,Rs, Rsh phụ thuộc vào kích thƣớc vật lý của pin mặt trời. Vì lý do này, phƣơng trình đặc trƣng thƣờng đƣợc viết theo mật độ dòng trên mỗi đơn vị diện tích:
(2.10)
Thông thƣờng điện trở Rsh có giá trị rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối trong biểu thức.
Mô hình một chiều của pin mặt trời chính là cơ sở của mô hình vật lý mà phần mềm SCAPS-1D lựa chọn để thiết kế phần mềm mô phỏng pin mặt trời.
2.4. TỔN HAO TRONG PIN MẶT TRỜI
Hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin mặt trời thực thƣờng thấp hơn so với pin mặt trời lý tƣởng là do một số nguyên nhân chính sau [3], [33]:
Mất mát hiệu suất từ nguyên nhân quang: Các quá trình ngăn cản để các photon tạo ra cặp điện tử - lỗ trống đƣợc gọi chung là mất mát
quang. Các quá trình này sẽ làm suy giảm sự phát sinh các cặp điện tử - lỗ trống dẫn đến làm suy giảm dòng mạch ngoài JSC. Các mất mát quang có thể là sự phản xạ, sự che phủ và sự truyền qua.
Mất mát hiệu suất do quá trình tái hợp: Các thông số vật liệu ảnh hƣởng đến hiệu suất của pin mặt trời là thời gian sống của hạt tải không cơ bản và độ linh động của chúng. Nếu các hạt tải phát sinh trong vùng nghèo có chiều dài khuếch tán không đủ lớn so với kích thƣớc của vùng nghèo sẽ làm suy giảm dòng quang điện hay nói cách khác là hiệu suất của pin.
Sự mất mát do làm chậm vận tốc nhiệt: Các photon có năng lƣợng lớn hơn năng lƣợng vùng cấm sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống mới. Năng lƣợng dƣ của các photon này bị tổn hao bởi quá trình nhiệt hóa, có nghĩa là các điện tử tạo thành trong vùng dẫn không chỉ bởi phát xạ photon mà còn làm tăng nhiệt của pin.
Mất mát do điện trở nối tiếp Rs và điện trở song song Rsh: Nguồn gốc của Rs là trở kháng của bán dẫn khối, điện trở tiếp xúc và điện trở hình thành từ tƣơng tác... còn Rsh hình thành bởi các khuyết tật mạng tinh thể và dòng rò trên các bề mặt của pin.
Nhƣ vậy, có thể kết luận rằng để tăng hiệu suất thì điều cần thiết nhất là phải giảm đƣợc tổng mất mát của pin.
2.5. CƠ CHẾ PHÁT SINH VÀ TÁI HỢP
Quá trình phát sinh của điện tử
Trong các linh kiện bán dẫn luôn xảy ra hai quá trình trái ngƣợc nhau, đó là quá trình phát sinh hạt tải và quá trình tái hợp hạt tải. Ở điều kiện cân bằng nhiệt động, hai quá trình này là cân bằng nhau. Quá trình chiếu sáng sẽ phá vỡ điều kiện cân bằng nhiệt động làm sinh ra cặp điện tử và lỗ trống mới dẫn đến nồng độ lỗ trống và điện tử thay đổi. Các điện tử chuyển dời qua tải ở
mạch ngoài và trở về tái hợp với lỗ trống, kết thúc một chu trình làm việc. Phƣơng trình liên tục mô tả sự thay đổi nồng độ hạt tải bởi các quá trình phát sinh và trình tái hợp hạt tải với sự chênh lệch thông lƣợng hạt tải Φx ở tọa độ x với thời điểm t bất kỳ đƣợc viết nhƣ sau [1]:
( ) (2.11) ( ) (2.12) Trong đó:
Jn và Jp tƣơng ứng là mật độ dòng điện tử và lỗ trống
R(x) là hệ số tốc độ tái hợp và Gop là tốc độ phát sinh hạt tải.
Phƣơng trình Poisson không tính đến trƣờng hợp số lƣợng điện tử tự do hoặc lỗ trống tự do có thể thay đổi và tính chất của vật liệu có thể thay đổi theo tọa độ.
Mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống đƣợc viết nhƣ sau [1]:
(2.13)
(2.14) Trong đó: μn và μp lần lƣợt là độ linh động điện tử và lỗ trống
Hai biểu thức (2.9) và (2.10) đƣợc sử dụng trong chƣơng trình mô phỏng SCAPS để tính toán cho sự thay đổi của tính chất vật liệu để tìm ra cấu trúc tối ƣu của pin mặt trời với lớp hấp thụ CZTSSe.
Quá trình tái hợp của điện tử
Sự tái hợp điện tử là hiện tƣợng các điện tử tham gia các phản ứng, quá trình không mong muốn trƣớc khi di chuyển đến điện cực oxide trong suốt dẫn điện để góp phần vào dòng điện ở mạch ngoài. Sự tái hợp điện tử ảnh hƣởng quan trọng đến khả năng sản xuất ra dòng điện có năng lƣợng hiệu dụng của pin mặt trời. Trong mọi trƣờng hợp, khi không tồn tại trạng thái cân
bằng (với bán dẫn không suy biến n.p ≠ ni2) sẽ xảy ra quá trình tái hợp nhằm đƣa trạng thái không cân bằng trở về trạng thái cân bằng.
Trong chƣơng trình SCAP-1D, tốc độ tái hợp đƣợc xác định là [1]: (2.15)
Quá trình tái hợp đƣợc phân loại theo nhiều phƣơng diện khác nhau. Có rất nhiều quá trình tái hợp xảy ra nhƣng trong phạm vi bài luận này, chúng tôi chỉ xét đến quá trình tái hợp vùng - vùng (tái hợp cơ bản hoặc tái hợp trực tiếp). Trong dạng tái hợp này, một điện tử tự do trực tiếp gặp một lỗ trống và tái hợp với nhau. Thực chất, một điện tử trên vùng dẫn chuyển mức xuống một trạng thái trống ở vùng hoá trị. Bán dẫn ta xét là bán dẫn có vùng cấm thẳng nên quá trình tái hợp không đòi hỏi sự tham gia của photon.
Xét trƣờng hợp tái hợp vùng - vùng (tái hợp trực tiếp giữa điện tử và lỗ trống), tốc độ tái hợp tổng cộng tỷ lệ với số điện tử nằm trên vùng dẫn và số lỗ trống nằm trên vùng hoá trị:
(2.16) Ở trạng thái cân bằng, quá trình tái hợp cân bằng với quá trình nhiệt phát sinh, tốc độ tái hợp trƣờng hợp này có dạng:
(2.17) Với Rth là tốc độ tái hợp cân bằng, Gth là tốc độ nhiệt phát sinh cân bằng.
Nếu bỏ qua tốc độ tái hợp tổng cộng (R) và tốc độ phát sinh nhiệt cân bằng thì tốc độ tái hợp trong trƣờng hợp này sẽ là:
(2.18) Ở đây, n0 và p0 lần lƣợt là nồng độ điện tử và lỗ trống tự do trong trạng thái cân bằng nhiệt động.
2.6. THAM SỐ ĐẦU VÀO SỬ DỤNG MÔ PHỎNG SCAPS-1D (PC-1D)
Phần này trình bày các thông số cơ sở của các lớp chức năng để định hƣớng cho thiết kế pin mặt trời màng mỏng glass/ZnO:In/lớp đệm/CZTSSe/Me (hình 1.13b) bằng phần mềm SCAPS-1D. Các thông số đầu vào đƣợc lựa chọn là các thông số cơ bản nhất, dựa trên các dữ liệu thực nghiệm, các công trình đã công bố, lý thuyết hoặc các trƣờng hợp giả thiết hợp lý (trình bày cụ thể trong chƣơng 3).
Trên cơ sở đó, chúng ta nghiên cứu nghiên cứu những đại lƣợng đặc trƣng của pin mặt trời CZTSSe thông qua chƣơng trình mô phỏng một chiều. Để từ đó chúng ta đƣa ra các phƣơng án thiết kế, chế tạo tối ƣu cho pin mặt trời thực nghiệm.
Những thông tin mô phỏng bởi SCAPS gồm:
Đặc tính J-V khi chiếu sáng và chƣa chiếu sáng.
Đặc tính C-V, C-f.
Cấu trúc vùng năng lƣợng.
Hiệu suất chuyển đổi quang điện.
Mật độ dòng hạt tải.
Thời gian sống của hạt tải.
2.6.1. Phân tích các tham số cơ sở
2.6.1.1. Điều kiện môi trường
Yếu tố đầu tiên để chƣơng trình có thể bắt đầu là điều kiện môi trƣờng hoạt động của thiết bị. Một số hành tinh có nguồn năng lƣợng khổng lồ dƣới dạng tia X hoặc sóng radio, tuy nhiên mặt trời có thể tạo ra phần lớn các nguồn năng lƣợng nhƣ là ánh sáng nhìn thấy. Tuy nhiên, ánh sáng nhìn thấy chỉ thể hiện ở một đoạn của dải quang phổ phóng xạ. Đặc biệt, tia cực tím và