Để khảo sỏt ảnh hƣởng của lớp cửa sổ nano ZnO đến đặc trƣng J-V của PMT chế tạo và so sỏnh với kết quả khảo sỏt bằng mụ phỏng, nồng độ muối kẽm acetat đƣợc khảo sỏt trong giới hạn CM = 0,005 0,04M. Điện cực đƣợc lắng đọng trờn lớp hấp thụ bằng phƣơng phỏp bốc bay chõn khụng với diện tớch S = 3,14mm2. Cỏc PMT sử dụng trong nghiờn cứu này bao gồm: PMT -005 (CM = 0,005M), PMT -01 (CM = 0,01M) và PMT -04 (CM = 0,04M).
Hỡnh 4.12 biểu diễn đặc trƣng J-V của PMT chế tạo với nồng độ muối kẽm acetat thay đổi CM = 0,005 0,04M. Cỏc thụng số quang điện của pin mặt trời xỏc định từ đặc trƣng J-V sỏng đƣợc trỡnh bày trong bảng 4.9. Cú thể thấy, điện ỏp hở mạch đạt giỏ trị cực đại
(VOC = 425 mV), mật độ dũng ngắn mạch cú giỏ trị JSC 7,8 mA/cm2 và hiệu suất
1,84% đối với mẫu PMT -01 tƣơng ứng với nồng độ muối kẽm acetat CM = 0,01M.
-0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 -9 -6 -3 0 3 6 JSC , mA. cm -2 VOC, V PMT-005 PMT-01 PMT-04 AM1.5
Hỡnh 4.12 Đặc trưng J-V sỏng của pin mặt trời chế tạo
Đối với mẫu PMT -005, điện ỏp hở mạch đạt giỏ trị VOC = 405 mV, mật độ dũng ngắn mạch cú giỏ trị JSC 7,1 mA/cm2 nhƣng hiệu suất lại thấp nhất trong ba mẫu 1,025%.
Đối với cỏc mẫu CEL-04 điện ỏp hở mạch và mật độ dũng ngắn mạch đạt giỏ trị VOC = 401 mVvà JSC 5,85 mA/cm2 thấp nhất trong ba mẫu. Hiệu suất 1,125%. Kết quả này cú thể do mẫu PMT -01 cú ớt sai hỏng hơn so với mẫu PMT -005 và PMT -04 (chƣơng 3). Cú thể kết luận sơ bộ, với nồng độ muối kẽm acetat cho phộp chế tạo PMT đạt đƣợc cỏc thụng số quang điện tốt nhất.
Bảng 4.9 Cỏc thụng số quang điện của pin mặt trời với nồng độ muối kẽm acetatkhỏc nhau
Mẫu Điện ỏp hở mạch VOC(mV) Mật độ dũng ngắn mạch JSC (mA/cm2) Hệ số lấp đầy ff (%) Hiệu suất (%) PMT-005 405 7,1 35,65 1,025 PMT -01 425 8,7 49,5 1,84 PMT -04 401 5,85 47,96 1,125 Kết luận chƣơng
Trong chƣơng này, chỳng tụi đó giải quyết cỏc vấn đề sau đõy:
1) Sử dụng chƣơng trỡnh mụ phỏng SCAPS-1D để thiết kế pin mặt trời màng mỏng kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Metal và khảo sỏt ảnh hƣởng cỏc thụng số vật liệu nhằm xỏc định giỏ trị tối ƣu cho thực nghiệm. Cỏc giỏ trị này là:
Chiều dày lớp hấp thụ CuInS2 1,08 m
2) Xỏc định quy trỡnh cụng nghệ chế tạo pin mặt trời màng mỏng cấu trỳc kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Metal và chế tạo thử nghiệm cỏc phần tử pin mặt trời này bằng phƣơng phỏp USPD và USPD-ILGAR.
Phần tử pin mặt trời cấu trỳc kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Metal sử dụng đơn lớp hấp thụ CuInS2 đạt hiệu suất chuyển đổi quang điện 1,28%. Đõy là giỏ trị cao hơn nhiều so với pin mặt trời cấu trỳc kiểu Glass/ ZnO/CdS/CuInS2/Metal sử dụng đơn lớp hấp thụ CuInS2 cú hiệu suất chuyển đổi quang điện 0,74%.
Chiều dày lớp hấp thụ CuInS2 cú thể giảm từ khoảng CuInS2 3 m xuống CuInS2
1,08 m khi sử dụng lớp cửa sổ nano ZnO.
Pin mặt trời cấu trỳc kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Metal sử dụng lớp cửa sổ nano ZnO cú hỡnh thỏi bề mặt khỏc nhau (với nồng độ muối kẽm acetat khỏc nhau) đều cú hiệu suất chuyển đổi quang điện 1%. Cỏc giỏ trị thụng số quang điện VOC 425mV, JSC
8,7mA/cm2, ff49,5% và 1,84% là tƣơng ứng với trƣờng hợp sử dụng nồng độ muối kẽm acetat CM=0,01M. Trong trƣờng hợp này, hỡnh thỏi bề mặt màng nano ZnO hỡnh thành cỏc thanh nano cú đƣờng kớnh đồng đều nhất và dao động trong khoảng d 400nmữ500nm với chiều dài là L 1,2m
3) Cỏc kết quả nghiờn cứu trờn khẳng định pin mặt trời màng mỏng cấu trỳc kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Metal đó đƣợc chế tạo thành cụng bằng phƣơng phỏp USPD-ILGAR cú hiệu suất chuyển đổi quang điện 1,84% xấp xỉ cỏc thụng bỏo quốc tế cụng bố gần đõy.
4) Lần đầu tiờn, cỏc kết quả này cho phộp mở ra khả năng sử dụng phƣơng phỏp phun phủ nhiệt phõn cú hỗ trợ siờu õm USPD kết hợp phƣơng phỏp USPD-ILGAR một cỏch hữu hiệu để chế tạo pin mặt trời màng mỏng cấu trỳc nano cú hiệu suất chuyển đổi quang điện cao và giỏ thành thấp.
KẾT LUẬN
1) Trong cụng trỡnh này, lần đầu tiờn đó chế tạo thử nghiệm thành cụng pin mặt trời màng mỏng cấu trỳc kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Metal bằng phƣơng phỏp USPD-ILGAR và đạt đƣợc cỏc thụng số quang điện nhƣ sau: VOC 425mV, JSC
8,7mA/cm2, ff49,5% và 1,84%. Cỏc thụng số trờn đó tiệm cận với cỏc thụng số đó cụng bố trong cỏc cụng trỡnh quốc tế trong thời gian gần đõy.
2) Cỏc thụng số cụng nghệ đó kiểm tra và hiệu chỉnh thực nghiệm bằng mụ phỏng SCAPS-1D.
3) Lần đầu tiờn sử dụng phƣơng phỏp phun phủ nhiệt phõn hỗ trợ siờu õm USPD để lắng đọng màng nano ZnO cú hỡnh thỏi bề mặt là cỏc thanh nano. Phƣơng phỏp này cho phộp lắng đọng cỏc lớp chức năng cú độ đồng đều cao về thành phần húa học và hỡnh thỏi bề mặt mong muốn.
4) Đó xỏc định cỏc thụng số cụng nghệ lắng đọng cỏc lớp chức năng của pin mặt trời màng mỏng kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me bằng phƣơng phỏp USPD-ILGAR với cỏc thụng số điển hỡnh là:
Đối với lớp cửa sổ ZnO, ZnO:In và ZnO:Al lắng đọng bằng phƣơng phỏp USPD: CM(ZnO) = 0,01M; v = 1 ml/min; VC3H7OH/VH2O = 3:2; TS = 450oC
CM(ZnO) = 0,01M; [In]/[In+Zn]=0,01;v =1ml/min; VC3H7OH/VH2O = 3:2; TS = 450oC CM(ZnO) = 0,01M; [Al]/[Al+Zn]=0,03; v = 1 ml/min; VC3H7OH/VH2O = 3:2; TS = 450oC
Đối với lớp hấp thụ CuInS2 lắng đọng bằng phƣơng phỏp USPD: [Cu]/[In]=1,1; [S]/[Cu+In] = 5; TS350oC; CuInS2 1,08 m
Đối với lớp đệm CdS lắng đọng bằng phƣơng phỏp USPD-ILGAR: CM50mM; T= 380oC; 6 chu kỳ; CdS 80nm
5) Lần đầu tiờn, trờn cơ sở phƣơng phỏp USPD-ILGAR, chỳng tụi đó đƣa ra mụ hỡnh một chiều mụ tả cỏc phõn biờn ZnO/CdS và CdS/CuInS2. Cỏc phõn biờn ZnO/CdS và CdS/CuInS2 đó đƣợc khảo sỏt bằng phƣơng phỏp phổ trở khỏng phức CIS và nhận đƣợc thụng tin hữu ớch sau đõy:
Phƣơng phỏp cụng nghệ USPD-ILGAR đó cho phộp nhận đƣợc cỏc phõn biờn ZnO/CdS và CdS/CuInS2 cú tỏc động gần nhƣ tƣơng đƣơng trong hệ vật liệu Glass/ITO/ZnO/CdS/CuInS2/Ag
60nm là giỏ trị tới hạn của lớp CdS cho phộp hỡnh thành chuyển tiếp PN ở phõn biờn CdS/CuInS2
6) Cấu trỳc của lớp nano ZnO đó ảnh hƣởng rừ rệt đến phõn biờn CdS/CuInS2. Nồng độ muối kẽm acetat CM=0,01M là nồng độ tối ƣu để nhận đƣợc phõn biờn ZnO/CdS cú ớt sai hỏng húa học hơn cả.
7) Cỏc thụng số quang điện của pin mặt trời đó đƣợc cải thiện rừ rệt khi sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu trỳc nano.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, and W. Warta, “Solar cell efficiency tables (version 37),” Prog. Photovoltaics Res. Appl., vol. 19, no. 1, pp. 84-92, Jan. 2011. [2] J. L. Barden, M. L. Mellish, B. T. Murphy, N. Slater-thompson, D. Peterson, and P.
Lindstrom, “International Energy Outlook 2013,” 2013.
[3] J. R. C. I. April, D. Rickerby, and M. Morrison, “Report from the Workshop on Nanotechnologies for Environmental Remediation,” nanoforum.org, April, 2007. [4] J. Peng, L. Lu, and H. Yang, “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, Mar. 2013.
[5] L. A. Turner, “The Renewable Energy Review,” Renew. Energy Rev. Commitee Clim. Chang., pp. 1-166, 2011.
[6] E. Martinot, Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation Special Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University
Press, 2012, pp. 1-1088.
[7] N. M. Komerath and P. P. Komerath, “Terrestrial Micro Renewable Energy Applications of Space Technology,” Phys. Procedia, vol. 00, pp. 1-15, 2011.
[8] M. Martớn-Gonzỏlez, O. Caballero-Calero, and P. Dớaz-Chao, “Nanoengineering thermoelectrics for 21st century: Energy harvesting and other trends in the field,”
Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 24, pp. 288-305, Aug. 2013.
[9] M. B. C. Grasso, K. Ernst, R. Kửnenkamp, M. C. Lux-Steiner, “Photoelectrical Characterisation and Modelling of the Eta-Solar Cell C.,” Proc. 17th Eur. Photovolt.
Sol. Energy Conf., vol. I, pp. 211-214, 2001.
[10] T. Barker, “Climate Change 2007 : An Assessment of the Intergovernmental Panel on Climate Change,” IPCC, no. November, pp. 12-17, 2007.
[11] Pachauri and et al, “Climate Change 2007,” 2007.
[12] A. Reference, M. For, I. Fifth, and A. Report, “Agreed reference material for the IPCC fifth assessment report,” IPCC, pp. 1-27.
[13] Eric Martinot, “Renewables Global Futures Report 2013,” Rep. REN 21, pp. 1-76, 2013. [14] Antonio Luque and Steven Hegedus, Handbook of Photovoltaic Science and
Engineering. Copyright 2003 John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate,
Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England, 2003, pp. 1-1167.
[15] E. T. Perspectives and C. E. Ministerial, “Tracking Clean Energy Progress Energy Technology Perpectives 2012 excerpt as IEA input to the Clean Energy Ministerial,”
Int. Energy Agency, pp. 1-82, 2012.
[16] N. Tanaka, “Technology Roadmap: Solar Photovoltaic Energy,” Int. Energy Agency, pp. 1-18, May 2010.
[17] Tom Markvart and Luis Castanerw, Practical Handbook of Photovoltaics : Fundamentals and Applications. Elsevier Advanced Technology, The Boulevard.
Langford Lane, Kidlington OxfordOX5, 2003.
[18] T. Soga, Nanostructured Materials for Solar Energy Conversion. Elsevier Radarweg 29, PO Box 211, 1000 AE Amsterdam, The Netherlands The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford OX5 1GB, UK First, 2006.
[19] S. J.Fonash, Material Properties and Device Physics Basic to Photovoltaics. The
Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford, OX5 1GB, UK, 2010, pp. 9-65. [20] P. D. P. and V. D. K. L. Chopra, “Thin-Film Solar Cells: An Overview,” Prog.
Photovolt Res. Appl, vol. 92, no. December 2003, pp. 69-92, 2004.
[21] S. K. Deb, “Thin film solar cells: An overview,” WREC, pp. 375-379, 1996.
[22] S. J.Fonash, Solar cell device physics. The Boulevard, Langford Lane, Kidlington,
Oxford, OX5 1GB, UKton, MA 01803, 2010.
[23] T. Markvart and E. Sciences, Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation. The Boulivard Langford Lane Kidlington Oxford UK, 2012.
[24] T. T. Thai, N. D. Hieu, L. T. L. Anh, P. P. Hung, V. T. Son, and V. T. Bich, “Fabrication and characteristics of fully-sprayed ZnO/CdS/CuInS2 solar cells,” J. Korean Phys. Soc., vol. 61, no. 9, pp. 1494-1499, Nov. 2012.
[25] G. Sissoko and S. Mbodji, “A Method to Determine the Solar Cell Resistances from Single I-V Characteristic Curve Considering the Junction Recombination Velocity ( Sf ),” Int. J. Pure Appl. Sci. Technol., vol. 6, no. 2, pp. 103-114, 2011.
[26] M. A. Green and A. Ho-Baillie, “Forty three per cent composite split-spectrum concentrator solar cell efficiency,” Prog. Photovoltaics Res. Appl., vol. 18, no. 1, pp. 42-47, Jan. 2010.
[27] Frank Dumisani Dhlamini, “Growth of Pentenary Chalcopyrite Thin Films and Characterization of Photovoltaic Devices from these Films,” Dissertation, no.
March, 2009.
[28] J. Kaneshiro, N. Gaillard, R. Rocheleau, and E. Miller, “Advances in copper- chalcopyrite thin films for solar energy conversion,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells,
vol. 94, no. 1, pp. 12-16, Jan. 2010.
[29] S. Siebentritt, “What limits the efficiency of chalcopyrite solar cells?,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 95, no. 6, pp. 1471-1476, Jun. 2011.
[30] A. a. Rockett, “Current status and opportunities in chalcopyrite solar cells,” Curr. Opin. Solid State Mater. Sci., vol. 14, no. 6, pp. 143-148, Dec. 2010.
[31] V. Avrutin, N. Izyumskaya, and H. Morkoỗ, “Semiconductor solar cells: Recent progress in terrestrial applications,” Superlattices Microstruct., vol. 49, no. 4, pp.
337-364, Apr. 2011.
[32] C. J. Stolle, T. B. Harvey, and B. a Korgel, “Nanocrystal photovoltaics: A review of recent progress,” Curr. Opin. Chem. Eng., vol. 2, no. 2, pp. 160-167, May 2013. [33] T. A. Gessert, S. Wei, J. Ma, D. S. Albin, R. G. Dhere, J. N. Duenow, D.
Kuciauskas, A. Kanevce, T. M. Barnes, J. M. Burst, W. L. Rance, M. O. Reese, and H. R. Moutinho, “Solar Energy Materials & Solar Cells Research strategies toward improving thin-film CdTe photovoltaic devices beyond 20 % conversion ef fi ciency,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2013.
[34] N. Asim, K. Sopian, S. Ahmadi, K. Saeedfar, M. A. Alghoul, O. Saadatian, and S. H. Zaidi, “A review on the role of materials science in solar cells,” Renew. Sustain.
Energy Rev., vol. 16, no. 8, pp. 5834-5847, 2012.
[35] J.-F. Mercure and P. Salas, “An assessement of global energy resource economic potentials,” Energy, vol. 46, no. 1, pp. 322-336, Oct. 2012.
[36] V. V. Tyagi, N. A. A. Rahim, N. A. Rahim, and J. A. L. Selvaraj, “Progress in solar PV technology: Research and achievement,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 20, pp. 443-461, Apr. 2013.
[37] V. Fthenakis, “Sustainability of photovoltaics: The case for thin-film solar cells,”
Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 13, pp. 2746-2750, 2009.
[38] A. Jager-Waldau, “Progress in chalcopyrite compound semiconductor research for photovoltaic applications and transfer of results into actual solar cell production,”
Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 95, no. 6, pp. 1509-1517, Jun. 2011.
[39] I. A. Aguilera, P. Palacios, and P. Wahno, “Enhancement of optical absorption in Ga-chalcopyrite-based intermediate-band materials for high efficiency solar cells,”
Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 94, pp. 1903-1906, 2010.
[40] S. M. Lee, S. Ikeda, Y. Otsuka, W. Septina, T. Harada, and M. Matsumura, “Homogeneous electrochemical deposition of in on a Cu-covered Mo substrate for fabrication of efficient solar cells with a CuInS2 photoabsorber,” Electrochim. Acta, vol. 79, pp. 189-196, Sep. 2012.
[41] J. Xu and Y. Wang, “Preparation of CuInS2 thin films by paste coating,” Mater. Lett., vol. 99, pp. 90-93, 2013.
[42] A. Romeo, M. Terheggen, D. Abou-Ras, D. L. Bọtzner, F.-J. Haug, M. Kọlin, D. Rudmann, and a. N. Tiwari, “Development of thin-film Cu(In,Ga)Se2 and CdTe solar cells,” Prog. Photovoltaics Res. Appl., vol. 12, no. 23, pp. 93-111, Mar. 2004. [43] M. Igalson and M. Edoff, “Compensating donors in Cu(In,Ga)Se2 absorbers of solar
cells,” Thin Solid Films, vol. 480–481, pp. 322-326, Jun. 2005.
[44] K. Ernits, D. Brộmaud, S. Buecheler, C. J. Hibberd, M. Kaelin, G. Khrypunov, U. Mỹller, E. Mellikov, and a. N. Tiwari, “Characterisation of ultrasonically sprayed InxSy buffer layers for Cu(In,Ga)Se2 solar cells,” Thin Solid Films, vol. 515, no. 15, pp. 6051-6054, May 2007.
[45] Y.-D. Chung, D.-H. Cho, N.-M. Park, K.-S. Lee, and J. Kim, “Effect of annealing on CdS/Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells,” Curr. Appl. Phys., vol. 11, no. 1, pp.
S65-S67, Jan. 2011.
[46] T. Sakurai, N. Ishida, S. Ishizuka, M. M. Islam, A. Kasai, K. Matsubara, K. Sakurai, A. Yamada, K. Akimoto, and S. Niki, “Effects of annealing under various atmospheres on electrical properties of Cu(In,Ga)Se2 films and CdS/Cu(In,Ga)Se2 heterostructures,” Thin Solid Films, vol. 516, no. 20, pp. 7036-7040, Aug. 2008. [47] D. H. Shin, J. H. Kim, S. T. Kim, L. Larina, E. a. Al-Ammar, and B. T. Ahn, “Growth of
a High-quality Zn(S,O,OH) thin film via chemical bath deposition for Cd free Cu(In,Ga)Se2 solar cells,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 116, pp. 76-82, Sep. 2013. [48] K. Ellmer, J. Hinze, and J. Klaer, “Copper indium disulfide solar cell absorbers
prepared in a one-step process by reactive magnetron sputtering from copper and indium targets,” Thin Solid Films, vol. 413, no. 1-2, pp. 92-97, Jun. 2002.
[49] O. Kijatkina, M. Krunks, a. Mere, B. Mahrov, and L. Dloczik, “CuInS2 sprayed films on different metal oxide underlayers,” Thin Solid Films, vol. 431-432, no. 03, pp. 105-109, May 2003.
[50] H. Hu, B. Yang, X. Liu, R. Zhang, and Y. Qian, “Large-scale growth of porous CuInS2 microspheres,” Inorg. Chem. Commun., vol. 7, no. 4, pp. 563-565, Apr. 2004.
[51] Y. Chen, X. He, X. Zhao, M. Song, and X. Gu, “Preparation and characterization of copper indium disulfide films by facile chemical method,” Mater. Sci. Eng. B, vol. 139, no. 1, pp. 88-94, Apr. 2007.
[52] A. Katerski, A. Mere, V. Kazlauskiene, J. Miskinis, A. Saar, L. Matisen, A. Kikas, and M. Krunks, “Surface analysis of spray deposited copper indium disulfide films,”
Thin Solid Films, vol. 516, no. 20, pp. 7110-7115, Aug. 2008.
[53] C. Mahendran and N. Suriyanarayanan, “Effect of temperature on structural, optical and photoluminescence properties of polycrystalline CuInS2 thin films prepared by spray pyrolysis,” Phys. B Condens. Matter, vol. 405, no. 8, pp. 2009-2013, Apr. 2010. [54] M. Kruszynska, H. Borchert, J. Parisi, and J. Kolny-Olesiak, “Investigations of solvents
and various sulfur sources influence on the shape-controlled synthesis of CuInS2 nanocrystals,” J. Nanoparticle Res., vol. 13, no. 11, pp. 5815-5824, May 2011.
[55] K. M. A. Hussain, J. Podder, and D. K. Saha, “Synthesis of CuInS2 thin films by spray pyrolysis deposition system,” Indian J. Phys., vol. 87, no. 2, pp. 141-146, Oct. 2012. [56] O. Amiri, M. Salavati-Niasari, M. Sabet, and D. Ghanbari, “Synthesis and
characterization of CuInS2 microsphere under controlled reaction conditions and its application in low-cost solar cells,” Mater. Sci. Semicond. Process., vol. 16, no. 6,
pp. 1485-1494, Dec. 2013.
[57] N. D. Sankir, E. Aydin, H. Unver, E. Uluer, and M. Parlak, “Preparation and characterization of cost effective spray pyrolyzed absorber layer for thin film solar