5. Phương pháp nghiên cứu
1.5.2. Nguyên lý pin mặt trời ETA
Cấu tạo cơ bản của pin mặt trời ETA bao gồm một lớp cấu trúc nano hoặc vi mô được lắng đọng trên đế thủy tinh dẫn điện, đóng vai trò là lớp cửa sổ loại n cho tế bào quang điện (Eg < 3 eV), một chất hấp thụ vật liệu loại p (1,1 < Eg < 1,8 eV) được lắng đọng với công nghệ phù hợp trên lớp này và tiếp theo là lớp tiếp xúc mặt sau bằng kim loại (Hình 1.14a). Trong pin mặt
trời ETA, có thể sử dụng một lớp mỏng của vật liệu hấp thụ bán dẫn thuần được kẹp giữa hai lớp vật liệu loại n và vật liệu loại p, theo cách tối đa hóa diện tích bề mặt tiếp xúc và tạo ra chuyển tiếp p-i-n (Hình 1.14b) [10].
Hình 1.14. (a) Sơ đồ của pin mặt trời ETA và (b) sơ đồ dải của một tế bào chứa chất bán dẫn loại n và p với lớp hấp phụ lý tưởng [10].
Nguyên lý thiết kế của pin mặt trời ETA sử dụng chuyển tiếp p-i-n cho phép làm giảm đáng kể tái hợp xảy trong lớp hấp thụ bởi vì trong cấu hình này, các hạt tải luôn được tạo ra trong vùng lân cận của các lớp loại n và p, tương ứng, trong đó chúng có thể được “bơm” gần ngay lập tức sau khi phát sinh hạt tải và trước khi nó có thể tái hợp lại. Trong trường hợp này, các yêu cầu về độ dài khuếch tán các hạt tải được nới lỏng tương phản với trường hợp của các tế bào tiếp giáp p-n thông thường. Do đó, các yêu cầu chất lượng cho vật liệu hấp thụ được hạ thấp đáng kể. Việc giảm độ dày hấp thụ này cải thiện đáng kể xác suất thu gom, do chiều dài đường vận chuyển ngắn hơn cho các hạt tải bị kích thích. Đồng thời, tán xạ tại các giao diện bên trong của cấu trúc sẽ làm tăng đường quang học qua mẫu và do đó tăng cường sự hấp thụ photon. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng “bẫy ánh sáng” [18]. Về nguyên tắc, các pin mặt trời dị thể nhạy sáng mang lại tính linh hoạt cao vì chất hấp thụ ánh sáng và vật liệu vận chuyển điện tích có thể được chọn độc lập để hấp thu được năng lượng mặt trời tối ưu và tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện.
Trong trường hợp pin mặt trời ETA, sử dụng chất hấp thụ là một chất bán dẫn loại p tốt (ví dụ CuInS2), một mô hình đơn giản hơn có thể được hình thành trong đó lỗ trống loại p của vật dẫn điện trong suốt được bỏ qua và thay vào đó, cấu trúc nano xốp được lấp đầy bằng chất hấp thụ loại p. Trong cấu trúc này, khoảng cách trung bình từ bên trong lớp hấp thụ đến giao diện vẫn nằm trên thang đo nanomet, và do đó, một trong những tính năng chính của khái niệm ETA được giữ nguyên. Loại pin mặt trời cấu trúc nano này được gọi là tế bào dị thể 3D hoặc pin mặt trời ETA hai thành phần bằng cách tương tự với pin mặt trời ETA ba thành phần (Hình 1.14a).
Cũng như các pin mặt trời thế hệ thứ hai, pin mặt trời ETA cũng giảm thiểu khối lượng vật liệu sử dụng chế tạo, bằng cách sử dụng vật liệu hấp thụ có hệ số hấp thụ cao (trong luận văn sử dụng vật liệu Cu(In,Al)S2 trình bày trong mục 1.4) cho phép giảm thiểu độ dày vật liệu.
Trong pin mặt trời màng mỏng, độ dày hấp thụ CIS khoảng 2 μm là đủ để hấp thụ hầu hết ánh sáng tới với năng lượng phía trên Eg. Tuy nhiên, pin mặt trời ETA chỉ sử dụng độ dày lớp hấp thụ xuống còn vài trăm nanomet hoặc ít hơn. Khả năng hấp thụ ánh sáng thấp của một lớp ETA duy nhất được bù bằng cách sử dụng “bẫy ánh sáng” của ETA sao cho độ dày quang học vẫn tương tự như độ dày lớp hấp thụ trong pin mặt trời màng mỏng thông dụng [25]. “Bẫy ánh sáng” ETA có thể thực hiện được thông qua việc sử dụng các vật liệu trong suốt về mặt quang học như TiO2 hoặc ZnO với cấu trúc dây nano hay thanh nano [4], [7], [13], [35].