6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
1.5.2. Sự phát triển của pin mặt trời Cu2ZnSnS4
Pin mặt trời màng mỏng CZTS sử dụng vật liệu bán dẫn Cu2ZnSnS4 có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp như: phún xạ, đồng bốc bay, điện phân, sol - gel lưu huỳnh, hòa tan tiền chất muối phân tử kim loại,... Năm 1988, Ito và Nakazawa lần đầu tiên phát hiện ra hiệu ứng quang điện trong các bộ pin CZTS được chế tạo bằng phương pháp phún xạ chùm nguyên tử với hiệu suất 0,66% [14]. Năm 2012, Todorov và cộng sự đã phát triển pin mặt trời CZTS có khả năng chuyển đổi 11% năng lượng mặt trời thành điện năng [29]. Wang và cộng sự báo cáo hiệu suất chuyển đổi cao kỉ luật của CZTS là 12,6% thông qua một quy trình tinh khiết hydrazine [33],… Trong thời gian qua, nhiều nghiên cứu đã được công bố với mục đích cải thiện hiệu năng của pin mặt trời CZTS thể hiện ở hình 1.15 và bảng 1.
Hình 1.15. Sự phát triển của số lượng nghiên cứu được công bố mỗi năm về pin mặt trời CZTS tính đến tháng 9 năm 2018 (nguồn: Cơ sở dữ liệu Web of Science)
Bảng 1. Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu về pin mặt trời CZTS
Cấu trúc Thông số Năm
công bố TL trích dẫn VOC (mV) JSC (mA/cm2) FF (%) (%) Cấu trúc thuận ZnO:Al/i-ZnO/CdS/CZTS 860 26,38 12,73 13,34 2015 [35] ZnO:Al/i-ZnO/CdS/CZTS/MoS2 780 51,93 55,83 22,63 2016 [23] ZnO:Al/i-ZnO/ZnS/CZTS/MoS2 724 53,31 69,44 26,82 ZnO:Al/i-ZnO/In2S3/CZTS/MoS2 724 54,06 65,06 25,47 ZnO:Al/i-ZnO/ZnSe/ CZTS/MoS2 684 48,44 48 15,9 ZnO:Al/CdS/CZTS/Mo/Glass 519 41,01 49,39 10,51 2016 [27] ZnO/CdS/CZTS/Mo/Glass 840 23,51 76,28 15,04 2019 [6] Cấu trúc đảo
Glass/FTO/ TiO2/ In2S3/CZTS/Mo 240 7,82 29 0,55 2012 [10]
Au/CZTS/CdS/ZnO NR/ITO 679 4,1 43,8 1,2 2014 [11]
Carbon paste/CZTS/TiO2NP/
TiO2NP/ TCO 564 2,85 43 0,51 2016 [18]
Glass/FTO/ TiO2/CdS/CZTS/Au 474 5,07 44 1,05 2018 [19]
Glass/FTO/TiO2/In2S3/CZTS 490 3,1 37 0,7 2019 [7]
Có thể nhận thấy, tất cả các báo cáo cho đến bây giờ về hiệu suất của pin mặt trời CZTS vẫn còn thấp hơn giới hạn vật lý 32% [25]. Đối với pin mặt
Năm công bố Số
lượng công
trời CZTS cấu trúc đảo chế tạo bằng phương pháp không sử dụng chân không cho hiệu suất còn rất thấp nhưng đặc biệt được sự chú ý của các phòng thí nghiệm trên thế giới trong thời gian gần đây. Các nghiên cứu này được phát triển theo một số hướng như:
- Nghiên cứu tìm kiếm các vật liệu mới sẵn có, thân thiện môi trường để thay thế các vật liệu hấp thụ trong pin mặt trời màng mỏng CdTe, CIGS.
- Nghiên cứu cải thiện quy trình công nghệ chế tạo bằng phương pháp không sử dụng chân không, trong đó có phương pháp phun phủ nhiệt phân SPD.
- Nghiên cứu các phương pháp mô phỏng kết hợp với thực nghiệm để thử nghiệm các cấu trúc khác của pin mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện và giảm giá thành sản phẩm.
Trong nội dung đề tài này chúng tôi tiếp cận hướng nghiên cứu về pin mặt trời màng mỏng CZTS bằng phương pháp SCAPS-1D nhằm lựa chọn các thông số công nghệ tối ưu định hướng cho thực nghiệm chế tạo pin mặt trời bằng phương pháp FSPD.
KẾT LUẬN CHƯƠNG
Trong chương này, chúng tôi đã tổng quan và hệ thống hóa các vấn đề:
1) Các thông tin và kiến thức cần thiết liên quan đến lịch sử phát triển của pin mặt trời qua các thế hệ, đặc tính làm việc và các thông số đặc trưng của pin, cấu trúc pin mặt trời màng mỏng nhằm bổ trợ cho các bàn luận và giải thích các kết quả mô phỏng sau này.
2) Pin mặt trời màng mỏng CZTS được tổng quan trên cơ sở các kết quả nghiên cứu trước đây.
Các thông tin trên đã cho thấy, tiềm năng to lớn và đầy hứa hẹn của pin mặt trời màng mỏng Cu2ZnSnS4.
Chương 2. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 2.1. Giới thiệu chung
Khi nghiên cứu trên hệ thống thực gặp nhiều khó khăn do nhiều nguyên nhân gây ra như sau: giá thành nghiên cứu trên hệ thống thực quá đắt, nghiên cứu trên hệ thống thực đòi hỏi thời gian quá dài, ảnh hưởng đến sản xuất hoặc gây nguy hiểm cho người và thiết bị và trong một số trường hợp không cho phép làm thực nghiệm trên hệ thống thực… Trong những trường hợp này dùng phương pháp mô phỏng là giải pháp duy nhất để nghiên cứu hệ thống. Phương pháp mô hình hóa cho phép đánh giá độ nhạy của hệ thống khi thay đổi tham số hoặc cấu trúc của hệ thống cũng như đánh giá phản ứng của hệ thống khi thay đổi tín hiệu điều khiển. Những số liệu này dùng để thiết kế hệ thống hoặc lựa chọn thông số tối ưu để vận hành hệ thống. Ngoài ra phương pháp mô hình hóa cho phép nghiên cứu hệ thống ngay cả khi chưa có hệ thống thực.
Tiến sĩ Siegfried Selberherr đã đưa ra giả thuyết “Mô hình hóa sẽ ngày càng trở nên quan trọng tương lai" [24]. Giả định này được kiểm chứng khi mô phỏng pin mặt trời đã ngày càng được sử dụng nhiều trong những năm gần đây cùng với nhiều phần mềm mô phỏng số đã được phát triển bởi cộng đồng nghiên cứu trong lĩnh vực này. Một số trong đó được trích dẫn trong bảng 2.1.
Trong luận văn này, mô phỏng một chiều SCAPS-1D đã được sử dụng làm công cụ mô phỏng pin mặt trời màng mỏng CZTS. SCAPS là một phần mềm miễn phí và được giới thiệu vào năm 1998 tại khoa Điện tử và Hệ thống thông tin (ELIS) của Đại học Gent, Bỉ [5] và kể từ đó nó đã trải qua các cải tiến và thêm các chức năng. Nó được tạo ra đặc biệt để có thể mô hình hóa các hệ thống PV màng mỏng. SCAPS được lập trình để giải các phương trình bán dẫn cơ bản và để xử lý tối đa bảy lớp vật liệu khác nhau. Mỗi lớp có các thuộc tính vật lý có thể được thực hiện để thay đổi theo chức năng của độ dày lớp hoặc thay đổi theo biến thể thành phần. Điều này làm cho SCAPS trở nên rất linh hoạt. Trong thực tế, SCAPS có thể cho phép các tham số được đặt độc lập với nhau, mặc dù phải có mối quan hệ giữa chúng, đặt ra yêu cầu lớn hơn cho người dùng. Một điểm mạnh lớn của chương trình là người dùng có thể chỉ cần quan tâm tới các tham số đặc trưng. Phần mềm SCAPS-1D có thể mô phỏng các thông số như điện áp hở mạch (Voc), mật độ dòng ngắn mạch (Jsc), đặc tính J-V đầu ra, hệ số lấp đầy (FF), hiệu suất lượng tử (QE), hiệu suất chuyển đổi quang điện (η)… Giao diện của phần mềm SCAPS-1D được biểu diễn như hình 2.1.
Chương trình được tổ chức trong một bảng số, trong đó người dùng có thể đặt tham số hoặc trong đó kết quả được hiển thị. Chương trình mở ra với một “bảng hành động”, trong đó người 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 người 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 như hình 2.2.
Hình 2.2. Giao diện thiết kế mô hình các lớp của pin mặt trời trên phần mềm SCAPS-1D
Với mỗi lớp yêu cầu người dùng phải nhập các thông số đầu vào đã lựa chọn phù hợp với từng loại vật liệu sử dụng để chế tạo.
Sau khi tiến hành xong các bước thiết lập người dùng tiến hành cho chạy phần mềm tính toán. Trong mỗi phép tính, tham số đang chạy (V, f hoặc l) được thay đổi trong phạm vi được chỉ định, trong khi tất cả các tham số khác có giá trị được chỉ định trong điểm hoạt động. Ngoài ra, người dùng có thể trực tiếp xem kết quả được tính toán: I-V, C-V, C-f, QE.
Ví dụ để có thể nhìn thấy được đường cong I-V người dùng nhấp vào nút I-V và xem kết quả hiển thị các hệ số như mật độ dòng ngắn mạch Jsc, Voc, hệ số lấp đầy FF, hiệu suất ƞ của pin như hình 2.4.
Hình 2.4. Giao diện hiển thị kết quả các thôngđầu ra của pin mặt trời trên phần mềm SCAPS-1D
Mỗi phép đo có thể được tính cho các điều kiện sáng hoặc tối như là một hàm của nhiệt độ. Trong quá trình giải các mô phỏng, sơ đồ dải năng lượng, điện tích và dòng điện trong thiết bị được hiển thị trên màn hình cho từng điện áp hoặc bước sóng trung gian. Những giải pháp trung gian sau đó có thể được lưu vào một tập tin. Khi mô phỏng hoàn thành, các đặc điểm có thể được xem và so sánh với các đặc điểm từ các mô phỏng khác, cũng có thể được lưu vào một tệp.
*Cơ sở vật lý của phương pháp mô phỏng số
Một số phần mềm đã được tạo ra với một mục tiêu mô hình hóa pin mặt trời dựa trên việc giải các phương 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 nhưng cơ bản là như nhau. Các phương trình này dựa trên mô tả sự khuếch tán của sóng mang và chúng là ba phương trình vi phân từng phần phi tuyến tính [16]: D = q(p − n + N) (2.1) Jp = q(Gp − Rp∂p ∂t) (2.2) Jn = −q(Gn − Rn∂n ∂t) (2.3) Với: D = −ε∇V (2.4) Jp = −qμpp∇(V − Vp) − kTμp∇p (2.5) Jn = −qμnn∇(V + Vn) + kTμn∇n (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/ε0: 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