5- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
2.5.4 Phân tích các trạng thái khuyết tật
Quan hệ giữa khuyết tật và tái hợp được mô tả trong mô hình thống kê phát triển bởi Shockley - Read - Hall (SRH).Mô hình thống kê này giả thiết bốn khả năng chuyển tiếp và quy cho xác suất chuyển tiếp cho mỗi trường hợp của chúng.Các chuyển tiếp cho phép được trình bày trên hình 2.8.
a) Trạng thái sai hỏng acceptor trung hoà. 1: Giữ một điện tử từ vùng dẫn.
2: Phát ra một lỗ trống từ vùng hoá trị. b) Trạng thái sai hỏng acceptor ion hoá.
3: Giữ một lỗ trống từ vùng hoá trị. 4: Phát ra một điện tử từ vùng dẫn.
Chuyển tiếp 2 và chuyển tiếp 4 sinh ra một cặp điện tử - lỗ trống, chuyển tiếp 1 và chuyển tiếp 3 tái hợp một cặp điện tử - lỗ trống. Trong trạng thái cân bằng nhiệt động, cả hai cặp chuyển tiếp (2,4) và (1,3) là bằng nhau về số lượng cặp điện tử - lỗ trống. Dưới sự chiếu sáng hoặc thế hiệu dịch quá trình tái hợp chiếm ưu thế, do đó quá trình tái hợp phụ thuộc vào độ tăng lên của nồng độ hạt tải tự do trong vùng dẫn. Vùng hoá trị ta coi nồng độ hạt tải tự do ở đây bằng 0. Bảng 2.2 trình bày các thông số trạng thái khuyết tật trong khối.
Bảng 2.2. Các thông số trạng thái khuyết tật trong khối
Thông số Đơn vị
Kiểu khuyết tật Trung tính, donor, acceptor
Tiết diện bắt điện tử/lỗ trống cm2
Nồng độ khuyết tật Nt cm-3
Hàm phân bố
Độ rộng vùng khuyết tật eV
Mốc tính mức năng lượng khuyết tật chuẩn Et
Khoảng cách Et so với mốc năng lượng eV
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Trong chương này, chúng tôi đã trình bày cơ sở lý thuyết:
- Khái niệm mô hình số và giới thiệu về mô hình một chiều pin mặt trời.
- Phân tích các thông số đặc trưng sử dụng cho mô phỏng. Đây là cơ sở quan trọng cho việc thảo luận các kết quả nghiên cứu của luận văn.
- Phân tích cơ chế phát sinh và tái tổ hợp của điện tử và sự tổn hao của pin mặt trời.
Để hỗ trợ thực nghiệm chế tạo pin mặt trời CZTS bằng phương pháp phun phủ nhiệt phân toàn phần FSPD trong nghiên cứu của luận văn này chúng tôi sử dụng phương pháp SCAPS-1D để mô phỏng thiết kế pin mặt trời CZTS. Khảo sát chi tiết sẽ được trình bày trong chương 3.
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Cấu trúc pin mặt trời
Pin mặt trời màng mỏng kiểu cấu trúc đảo glass/ITO/nano ZnO/CdS/CZTS/Pt (gọi tắt pin mặt trời CZTS) được chọn khảo sát và biểu diễn trong hình 3.1 dưới đây. Cấu trúc gồm các lớp chức năng sau:
- Lớp oxít dẫn điện trong suốt ZnO:In (viết gọn ZnO) dạng thanh nano được lắng đọng trên đế kính ITO đóng vai trò như lớp cửa sổ đồng thời cũng là điện cực tiếp xúc mặt trước trong suốt.
- Lớp đệm CdS - Lớp hấp thụ CZTS
- Mặt trên lớp hấp thụ CZTS lắng đọng một lớp mỏng kim loại (Pt) đóng vai trò như điện cực công tác của pin mặt trời. Trong cấu trúc đảo ánh sáng mặt trời xuyên qua đế kính để đến lớp hấp thụ CZTS.
Hình 3.1.Cấu trúc khảo sát pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ITO/nano ZnO/CdS/CZTS/Pt
Mô hình pin mặt trời CZTS sử dụng để mô phỏng SCAPS-1D trong nghiên cứu của luận văn như mô tả trong hình 3.2.
Hình 3.2. Mô hình mô phỏng SCAPS-1D của pin mặt trời glass/ITO/nano ZnO/CdS/CZTS/Pt
Hình 3.3 biểu diễn giản đồ năng lượng của cấu trúc pin mặt trời được xây dựng bằng phần mềm mô phỏng SCAPS-1D.
Hình 3.3 Giản đồ năng lượng của pin mặt trời mặt trời màng mỏng glass/ITO/nano ZnO/CdS/CZTS/Pt nhận được bằng mô phỏng
Lớp cửa sổ ZnO với độ rộng vùng cấm rộng (Eg = 3,4 eV) và lớp đệm CdS (Eg = 2,45 eV) cho phép phần lớn photon ánh sáng được hấp thụ trong
lớp hấp thụ CZTS với độ rộng vùng cấm nhỏ hơn (Eg = 1,45 ÷ 1,50 eV). Cặp điện tử - lỗ trống phát sinh bởi các photon trong lớp hấp thụ sẽ được tách ra nhờ điện trường khuếch tán tiếp xúc trong chuyển tiếp CdS/CZTS và góp cho dòng quang điện. Điện áp hở mạch của pin mặt trời được xác định bởi điện thế Vbi. Cần lưu ý rằng, sự khác nhau về ái lực điện tử tại phân biên của chuyển tiếp dị chất CdS/CZTS dẫn đến sự thay đổi đột ngột EC trong vùng dẫn (xem hình 3.3).
3.2. Lựa chọn các thông số đầu vào cho mô phỏng SCAPS
Các thông số vật lý và vật liệu của các lớp chức năng ZnO, CdS và CZTS được được chọn dựa trên các tài liệu đã công bố [16,17,18, 19], lý thuyết [20] hoặc trong một số trường hợp ước tính hợp lý xem Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Thông số cơ bản đầu vào mô phỏng
1. Tính chất các lớp điện cực
Thông số Đơn vị Điện cực tiếp xúc mặt trước
Điện cực tiếp xúc mặt sau Tốc độ phát xạ nhiệt/Tốc độ tái
hợp bề mặt đối với điện tử cm/s 1,10
7 1,104 Tốc độ phát xạ nhiệt/Tốc độ tái hợp bề mặt đối với lỗ trống cm/s 1,10 4 1,107 Công thoát Ev 4,74 5,7 Hệ số truyền qua 0,9 0,2 Hệ số phản xạ 0,1 0,8 2. Tính chất các lớp vật liệu Thông số Ký
hiệu Đơn vị Lớp vật liệu
CZTS CdS ZnO
Chiều dày m thay đổi thay đổi thay đổi
Độ rộng vùng cấm Eg eV 1,46 2,45 3,4
Ái lực điện tử eV 4,5 4,6 4,65
Hằng số điện môi tương đối 10 10 10
vùng dẫn Mật độ trạng thái hiệu dụng vùng hóa trị NV cm-3 2.1018 1,5.1019 9.1018 Vận tốc chuyển động nhiệt điện tử vth,n cm/s 107 107 107 Vận tốc chuyển động nhiệt lỗ trống vth,p cm/s 10 7 107 107 Độ linh động điện tử n cm2/v.s 50 50 50 Độ linh động lỗ trống p cm2/v.s 20 20 20
Nồng độ tạp chất donor ND cm-3 0 2.1017 thay đổi
Nồng độ tạp chất acceptor NA cm-3 thay đổi 0 0 Kiểu phân mức thành phần lớp bán dẫn Không phân mức Không phân mức Không phân mức 3. Tính chất các khuyết tật Thông số Ký hiệu Đơn vị CZTS Bề mặt CdS ZnO
Kiểu khuyết tật Trung
tính Trung tính Trung tính Trung tính Tiết diện bắt giữ điện tử n cm2 1.10-12 1.10-13 1.10-12 1.10-12
Tiết diện bắt giữ lỗ trống p cm2 1.10-13 1.10-14 1.10-13 1.10-13
Hàm phân bố các mức năng lượng khuyết tật fn, fp Phân bố đơn Phân bố đơn Phân bố đơn Phân bố đơn Khoảng cách mức năng lượng
khuyết tật Et so với EV
eV 0,73 1,21 1,21 1,65
Nồng độ khuyết tật khối Nt cm-3 6.1016 1.1017 1.1017 Nồng độ khuyết tật bề mặt Ns cm-3 6,5.1012
4. Tính chất các điện trở
Thông số Ký hiệu Đơn vị Độ lớn
Điện trở nối tiếp RS 12
Điện trở song song Rsh 180
5. Điều kiện môi trường
Thông số Ký hiệu Đơn vị Độ lớn
3.3 Thiết kế pin mặt trời