6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
3.5. Vai trò lớp đệm CdS trong pin mặt trời CZTS và khả năng thay thế
Vai trò chính của lớp đệm là tạo thành một điểm nối với lớp hấp thụ trong khi tiếp nhận một lượng ánh sáng tối đa đến vùng tiếp giáp và lớp hấp thụ. Ngoài ra, lớp này phải có tổn thất hấp thụ tối thiểu và có khả năng điều khiển các chất mang được tạo ra với tổn thất tái hợp tối thiểu và vận chuyển các chất mang ra mạch ngoài với điện trở tối thiểu. Đối với thông lượng quang cao với tổn thất điện trở tối thiểu, độ rộng vùng cấm của lớp đệm phải càng cao càng tốt và độ dày phải càng mỏng càng tốt để duy trì điện trở thấp. CdS có tính truyền quang và tính chất điện tốt làm cho nó trở thành một trong những vật liệu lý tưởng cho ứng dụng chế tạo pin mặt trời.
Hiệu suất chuyển đổi quang điện tốt nhất của pin mặt trời màng mỏng công bố vào năm 2016 tên tạp chí Kỹ thuật và Công nghệ Nam Á là 22,63% đối với pin ZnO:Al/i-ZnO/CdS/CZTS/MoS2 [23] và khoảng 1,05% đối với pin cấu trúc đảo glass/FTO/TiO2/CdS/CZTS/Au [19]. Các kết quả trên cho thấy sự phù hợp của việc sử dụng lớp đệm CdS cho pin mặt trời màng mỏng CZTS.
Tuy nhiên, các vấn đề môi trường và ô nhiễm phát sinh vì độc tính của CdS đã đặt ra các nhà khoa học trên thế giới một bài toán rất cấp thiết và mang tính thời sự phải giải quyết [35]. Hơn nữa, độ rộng vùng cấm thấp của CdS (~ 2,42 eV) dẫn đến sự hấp thụ một lượng lớn các bước sóng ngắn của bức xạ mặt trời. Do đó cần tiếp tục nghiên cứu tìm kiếm vật liệu mới làm lớp đệm thay thế cho lớp đệm CdS truyền thống trong pin mặt trời màng mỏng. Yêu cầu vật liệu thay thế lớp đệm CdS phải đảm bảo các yêu cầu sau [22]:
- Vật liệu bán dẫn loại n để có thể hình thành chuyển tiếp p-n với lớp hấp thụ.
-Độ rộng vùng cấm quang lớn hơn độ rộng vùng cấm của CdS để có thể cho lượng photon lớn nhất đến được lớp hấp thụ.
-Vật liệu phải là một hợp chất ổn định.
-Vật liệu phong phú, không độc tính hoặc ít độc tính và giá thành rẻ. Quá trình lắng đọng phải có chi phí thấp và phù hợp với sự lắng đọng diện rộng.
Đáp ứng các yêu cầu trên, các vật liệu ZnS, In2S3, ZnSe,… được coi là các vật liệu tiềm năng có khả năng thay thế CdS.
Để khảo sát khả năng sử dụng lớp đệm ZnS, In2S3, ZnSe cho pin CZTS, chúng tôi thực hiện mô phỏng SCAPS-1D. Các tham số đầu vào mô phỏng được chọn theo bảng 3.1 và 3.9.
Bảng 3.9. Một số thông số vật liệu sử dụng mô phỏng pin mặt trời glass/ZnO:In/lớp đệm (CdS, In2S3, ZnS, ZnSe)/CZTS/Ag
Thông số CZTS CdS ZnS ZnSe In2S3 ZnO:In
(μm) 2,0 0,12 0,12 0,12 0,12 0,2 Eg (eV) 1,46 2,45 3,5 2,9 2,8 3,4 (eV) 4,5 4,6 4,5 4,4 4,7 4,65 Nc (1/cm3) 2.1018 2.1018 2.1018 2.1018 2.1018 4,0.1018 Nv (1/cm3) 2.1018 1,5.1019 1,5.1019 1,5.1019 1,5.1019 9,0.1018 μe (cm2/V.s) 50 50 50 50 50 50 μp (cm2/V.s) 20 20 20 20 20 20 ND (1/cm3) 0 1.1016 1.1016 1.1016 1.1016 5,5.1016 NA (1/cm3) 8.1016 0 0 0 0 0
Sau khi thực hiện mô phỏng pin mặt trời với các lớp đệm khác nhau ta nhận được kết quả các đường đặc trưng J-V các thông số quang điện được xác định như hình 3.16 và bảng 3.10. -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 V(V) J ( mA /cm 2 ) ZnS ZnSe In2S3 CdS
Hình 3.16. Đặc trưng J-V của pin mặt trời ứng với các lớp đệm khác nhau Bảng 3.10. Các thông số quang điện của pin mặt trời với các lớp đệm khác nhau
mô phỏng bằng SCAPS-1D
Cấu trúc pin mặt trời Điện áp hở mạch (mV) Mật độ dòng ngắn mạch (mA/cm2) Hệ số lấp đầy (%) Hiệu suất (%)
glass/ZnO:In/In2S3/CZTS 542 6,29 42,62 1,45
glass/ZnO:In/ZnS/CZTS 953 6,34 43,19 1,68
glass/ZnO:In/ZnSe/CZTS 706 6,14 34,74 1,50
Từ kết quả mô phỏng các đường đặc trưng J-V và các thông số quang điện được xác định có thể thấy pin mặt trời CZTS có thể sử dụng lớp đệm ZnS để thay thế cho CdS. Tuy nhiên các nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo phải thực hiện để kiểm chứng và xây dựng quy trình công nghệ chế tạo tối ưu.
KẾT LUẬN CHƯƠNG
Trong chương này, chúng tôi đã giải quyết được các vấn đề sau:
1) Lựa chọn cấu trúc pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/lớp đệm/Cu2ZnSnS4/Ag để khảo sát bằng SCAPS-1D.
2) Khảo sát ảnh hưởng các thông số chiều dày, nồng độ pha tạp của các lớp chức năng; độ rộng vùng cấm quang của lớp hấp thụ đến các thông số quang điện của pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/CdS/Cu2ZnSnS4/Ag bằng mô phỏng SCAPS-1D, kết quả như sau:
i) Thu nhận được bộ thông số công nghệ tối ưu nhất: • Lớp cửa sổ ZnO: δZnO = 200 nm, Eg = 3,4 eV, ND = 8.1016 cm-3 • Lớp đệm CdS: δCdS = 120 nm, Eg = 2,45 eV, ND = 1.1016 cm-3
• Lớp hấp thụ CZTS: δCZTS = 2,0 µm, Eg = 1,46 eV, NA = 8.1016 cm-3, Nt = 4.1016 cm-3
• Mật độ khuyết tật phân biên tại tiếp xúc CdS/CZTS: NS = 1,0.1012 cm-2
ii) Các thông số quang điện của pin mặt trời thiết kế bằng SCAPS-1D: Voc = 630 mV, Jsc = 6,32 mA/cm2, FF = 40,33 % và = 1,60 %.
3) Chế tạo thử nghiệm thành công pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/CdS/Cu2ZnSnS4/Ag bằng phương pháp FSPD (Phòng Thí
nghiệm Phân tích và Đo lường vật lý - ĐHBK Hà Nội hỗ trợ thực nghiệm này). Pin mặt trời thử nghiệm đạt hiệu suất tốt nhất 1,14%
4) Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc đến hiệu năng của pin bằng mô phỏng trong phạm vi T = 300 ÷ 400K cho thấy mức suy hao của hiệu suất chuyển đổi quang điện theo nhiệt độ là khoảng -0,005%/K, còn khi khảo sát bằng thực nghiệm trong dải nhiệt độ 300 ÷ 320K mức suy hao của hiệu suất chuyển đổi quang điện theo nhiệt độ là khoảng -0,0066%/K.
5) Khảo sát khả năng sử dụng lớp đệm ZnS, In2S3, ZnSe cho pin CZTS cho thấy pin mặt trời lớp đệm ZnS đạt hiệu suất cao nhất 1,68%. Do vậy, có thể đánh giá vật liệu ZnS là vật liệu có triển vọng thay thế CdS trong pin mặt trời CZTS hiệu suất cao.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trên cơ sở những kết quả nghiên cứu đã đạt được của luận văn, có thể đưa ra kết luận như sau: Đã thiết kế thành công cấu trúc tối ưu của pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/CdS/CZTS/Ag bằng phương pháp mô phỏng SCAPS-1D và bước đầu chế tạo thử nghiệm đã thể hiện đáp ứng phù hợp giữa thiết kế và thực nghiệm, kết quả cụ thể như sau:
- Đã thu thập bộ các thông số mô phỏng cơ bản đối với pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/CdS/CZTS/Ag.
- Đã khảo sát ảnh hưởng của chiều dày và nồng độ pha tạp của các lớp chức năng, độ rộng vùng cấm quang của lớp hấp thụ.
- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc đến hiệu năng của pin CZTS trong phạm vi T = 300 ÷ 400K cho thấy mức suy hao của hiệu suất chuyển
đổi quang điện theo nhiệt độ là khoảng -0,005%/K (mẫu mô phỏng) và -0,0066%/K (mẫu thực nghiệm).
- Khảo sát khả năng sử dụng lớp đệm ZnS, In2S3, ZnSe cho pin CZTS cho thấy pin mặt trời các lớp đệm ZnS đạt hiệu suất cao nhất là 1,68%. Do vậy, có thể đánh giá vật liệu ZnS là vật liệu có triển vọng thay thế CdS trong pin mặt trời CZTS hiệu suất cao.
* Các kết quả chính nhận được:
Đã xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu cho pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/CdS/CZTS/Ag:
• Lớp cửa sổ ZnO: δZnO = 200 nm, Eg = 3,4 eV, ND = 8.1016 cm-3 • Lớp đệm CdS: δCdS = 120 nm, Eg = 2,45 eV, ND = 1.1016 cm-3 • Lớp hấp thụ CZTS: δCZTS = 2,0 µm, Eg = 1,46 eV, NA = 8.1016 cm-3,
Nt = 4.1016 cm-3
• Mật độ khuyết tật phân biên tại tiếp xúc CdS/CZTS: NS = 1,0.1012 cm-2
Voc = 630 mV, Jsc = 6,32 mA/cm2, FF = 40,33 % và = 1,60 %.
- Kết quả chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ZnO:In/CdS/CZTS/Ag bằng công nghệ FSPD đạt được các thông số quang điện cao nhất:
Voc = 595 mV, Jsc = 4,92 mA/cm2, FF = 38,97 % và = 1,14 %
Các kết quả của luận văn cho phép mở ra khả năng sử dụng phương pháp mô phỏng SCAPS-1D như là một phương 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] A. Einstein (1905), “Über einen die Erzeugung und Verwandlung des
Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtsounkt”, Annalen der Physik,
vol. 17, pp. 132-148.
[5] A. Niemegeers and M. Burgelman (1996), "Numerical modelling of AC-
characteristics of CdTe and CIS solar cells," in Conference Record of
the Twenty Fifth IEEE Photovoltaic Specialists Conference, pp. 901-
904.
[6] Abdellah Benami (2019), “Effect of CZTS Parameters on Photovoltaic
Solar Cell from Numerical Simulation”, Journal of Energy and Power
Engineering 13, 32-36
[47] Ahmet Tumbul, Ferhat Aslan, Abdullah G€ oktas, I.H. Mutlu (2019), “All solution processed superstrate type Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin film solar cell: Effect of absorber layer thickness”, Journal of Alloys and
Compounds 781, 280-288
[8] 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.
[9] Araujo G. L, Marti A., Ragay F.W (1994), “Efficiency of multiple
quantum well solar cells”, Proc. 12th. European Photovoltaic Solar
Energy Connference, Amsterdam, Bedford, 1481-1484.
[10] Chen Qin-Miao, Li Zhen-Qing, Ni Yi, Cheng Shu-Yi and Dou Xiao-
Ming (2012), “Doctor-bladed Cu2ZnSnS4 light absorption layer for low- cost solar cell application”, Chin. Phys. B Vol. 21, No. 3, 038401
[11] Dongwook Lee and Kijung Yong (2014), “Solution-processed
Cu2ZnSnS4 superstrate solar cell using vertically aligned ZnO nanorods”, Nanotechnology 25, 065401 (8pp)
[12] Frisk, .C, Doctoral Thesis (2017), “Modeling and electrical characterization of Cu(In,Ga)Se2 and Cu2ZnSnS4 solar cells”, Uppsala
University, SE-75121 Uppsala, Sweden
[13] ISE-Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, (2016), “Photovoltaics Report”.
[14] Ito, K., and Nakazawa, T. (1988). “Electrical and Optical Properties of
Stannite-Type Quaternary Semiconductor Thin Films.” Jpn. J. Appl.
Phys. 27: 2094.
[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
[16] 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
[17] Kentaro, I.(2015). “Copper Zinc Tin Sulfide-Based Thin-Film Solar
Cells”. New York: John Wiley & Sons.
[18] Kurokawa M, Tanaka K, Moriya K and Uchiki H (2012) “Japan J. Appl.
Phys”. 51 10NC33
[19] 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, pp. 133 – 137
[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] 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
[22] 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
[23] Rafee Mahbub, Md. Saidul Islam, Farhana Anwar, Sakin Sarwar Satter, Saeed Mahmud Ullah (2016), “Simulation of CZTS thin film solar cell
for different buffer layers for high efficiency performance”, South Asian
Journal of Engineering and Technology Vol.2, No.52, pp. 1-10
[24] S. Selberherr (2013),“Analysis and simulation of semiconductor
devices”, Springer, New York
[25] Shockley, W., and Queisser,H. J. (1961). “Detailed Balance Limit of
Efficiency of pn Junction Solar Cells.” J. Appl. Phys. 32: 510.
[27] Sudipto Saha, MD Zubair Ebne Rafique, M. M. Shahidul Hassan, “Performance of CZTSxSe1-x Solar Cell with Various Mole Fractions of
Sulfur for Different Buffer Layers”, Department of EEE, Bangladesh
University of Engineering and Technology
[28] SZE, S. . and K. K. NG (2007), “Physics of Semiconductor Device”, [29] Teodor K. Todorov, Jiang Tang, Santanu Bag, Oki Gunawan, Tayfun
Gokmen, Yu Zhu, David B. Mitzi, “Beyond 11%”
[30] 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.
[31] Tom Markvart and Luis Castanerw (2003), “Practical Handbook of
Photovoltaics : Fundamentals and Applications”. Elsevier Advanced
Technology, The Boulevard. Langford Lane, Kidlington OxfordOX5 [32] Wang J, Xin X, Lin Z (2011), “Cu2ZnSnS4 nanocrystals and graphene
quantum dots for photovoltaics”, Nanoscale 3, 3040-8.
[33] Wang, W., Winkler, M. T., Gunawan, O., Gokmen, T., Todorov, T. K., Zhu, Y., and Mitzi, D. B. 2013. “Device Characteristics of CZTSSe
Thin-Film Solar Cells with 12.6% Efficiency.” Advanced Energy
Materials4 (7).
[34] Würfel, P. (2005), “Physics of Solar Cells”, Germany, Wiley-VCH. [35] 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
[36] http://www.tailieudaihoc.com/doc/257781.html
[37] http://vanban.chinhphu.vn
[38] https://vi.wikipedia.org/wiki/ Điện mặt trời và điện gió Fujiwara Bình Định