6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
2.3. Mô hình vật lý pin mặt trời
Mô hình vật lý là mô hình được cấu tạo bởi các phần tử vật lý. Các thuộc tính của đối tượng phản ánh các định luật vật lý xảy ra trong mô hình. Nhóm mô hình vật lý được chia thành mô hình thu nhỏ và mô hình tương tự. Mô hình vật lý thu nhỏ có cấu tạo giống đối tượng thực nhưng có kích thước nhỏ hơn cho phù hợp với điều kiện của phòng thí nghiệm. Ưu điểm của loại mô hình này là các quá trình vật lý xảy ra trong mô hình giống như trong đối tượng thực, có thể đo lường quan sát các đại lượng vật lý một cách trực quan với độ chính xác cao. Nhược điểm của mô hình vật lý thu nhỏ là giá thành đắt, vì vậy chỉ sử dụng khi thực sự cần thiết. Mô hình vật lý tương tự được cấu tạo bằng các phần tử vật lý không giống với đối tượng thực nhưng các quá trình xảy ra trong mô hình tương đương với quá trình xảy ra trong đối tượng thực. Ưu điểm của loại mô hình này là giá thành rẻ, cho phép chúng ta nghiên cứu một số đặc tính chủ yếu của đối tượng thực.
Đối với việc nghiên cứu chế tạo pin mặt trời CZTS ở đây chúng tôi xây dựng theo mô hình vật lý tương tự bằng phần mềm SCAPS-1D. Trong bất kỳ
giá trị cố định hoặc được tính toán dựa trên nhiệt độ, sóng mang cục bộ và mật độ pha tạp bằng một trong các mô hình sau:
• Mô hình Caughey và Thomas (pha tạp và phụ thuộc biến đổi nhiệt độ) • Mô hình Arora (bao gồm sự pha tạp và phụ thuộc nhiệt độ)
• Mô hình Dorkel-Leturg (bao gồm sự phụ thuộc vào nhiệt độ, pha tạp và tán xạ sóng mang Carrier)
• Mô hình vùng biến đổi của Klaassen
Có ba loại tái hợp cho mỗi lớp trong pin mặt trời:
- Tái hợp bức xạ (vùng - vùng) (cm3/s)
- Tái tổ hợp Auger (cm6/s); nó được chia theo hệ số lỗ trống Auger và hệ số điện tử Auger
- Tái hợp Shockley - Read - Hall; cũng được gọi là tái hợp tại các khiếm khuyết trong phần mềm SCAPS.
Có những mô hình vật lý khác rất quan trọng đối với chất bán dẫn và cũng được sử dụng cho mô phỏng pin mặt trời trong bất kỳ chương trình nào: độ dày lớp (μm), chỉ số khúc xạ ε, hệ số hấp thụ quang α (cm− 1), độ thấm, khoảng cách dải Eg (eV), ái lực điện tử (eV), CB (VB) mật độ vùng dẫn (vùng hóa trị) và ND (NA) nồng độ donor và acceptor (cm− 3).
2.4. 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 ngược 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.
Phương 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 lượng hạt tải Φx ở tọa độ x với thời điểm t bất kỳ được viết như sau [1]:
1 q(dJn dx) = − Gop(x) + R(x) (2.7) 1 q(dJp dx) = Gop(x) + R(x) (2.8) Trong đó: Jn và Jp tương 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
Phương trình Poisson không tính đến trường hợp số lượng 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 được viết như sau [1]: Jn(x) = qμnn(dEfn dx ) (2.9) Jp(x) = qμpn(dEfp dx ) (2.10) Trong đó: Jn và Jp lần lượt là mật độ dòng điện tử và lỗ trống
μn và μp lần lượt là độ linh động điện tử và lỗ trống
Hai biểu thức (2.9) và (2.10) được sử dụng trong chương trình mô phỏng SCAPS để tính toán cho sự thay đổi của tính chất vật liệu để tìm ra cấu trúc tối ưu của pin mặt trời với lớp hấp thụ CZTS.
Quá trình tái hợp của điện tử
Sự tái hợp điện tử là hiện tượng các điện tử tham gia các phản ứng, quá trình không mong muốn trước 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 hưởng quan trọng đến khả năng sản xuất ra dòng điện có năng lượng hiệu
dụng của pin mặt trời. Trong mọi trường 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 đưa trạng thái không cân bằng trở về trạng thái cân bằng.
Trong chương trình mô phỏng SCAP-1D, tốc độ tái hợp được xác định là [1]:
R(x) = RD(x) + RI(x) (2.11)
Quá trình tái hợp được phân loại theo nhiều phương diện khác nhau. Có rất nhiều quá trình tái hợp xảy ra nhưng 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 trường 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:
R = β. n. p = β(n0 + δn)(p0 + δp) (2.12)
Ở trạng thái cân bằng, quá trình tái hợp cân bằng với quá trình nhiệt phát sinh, tốc độ tái hợp trường hợp này có dạng:
Rth = β. n0. p0 = Gth (2.13)
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 trường hợp này sẽ là:
RD(x) = R − Gth = R − Rth = β(n0δp + p0δn + δpδn) (2.14) Ở đây, n0 và p0 lần lượt là nồng độ điện tử và lỗ trống tự do trong trạng thái cân bằng nhiệt động.
2.5. Tham số đầu vào sử dụng mô phỏng SCAPS-1D
Phần này trình bày các thông số cơ sở của các lớp chức năng để định hướng cho thiết kế pin mặt trời màng mỏng glass/ZnO:In/lớp đệm/Cu2ZnSnS4/ Me (hình 1.13b) bằng phần mềm SCAPS-1D. Các thông số đầu vào được 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 trường hợp giả thiết hợp lý (trình bày cụ thể trong chương 3). Trên cơ sở đó, chúng ta nghiên cứu nghiên cứu những đại lượng đặc trưng của pin mặt trời CZTS thông qua chương trình mô phỏng một chiều. Để từ đó chúng ta đưa ra các phương án thiết kế, chế tạo tối ưu cho pin mặt trời thực nghiệm.
Những thông tin mô phỏng bởi SCAPS gồm:
Đặc tính J-V khi chiếu sáng và chưa chiếu sáng.
Đặc tính C-V, C-f.
Cấu trúc vùng năng lượng.
Hiệu suất chuyển đổi quang điện.
Mật độ dòng hạt tải.
Thời gian sống của hạt tải.