5- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
3.4.2 So sánh pinmặt trời CZTS sử dụng lớp cửa sổ ZnO màng mỏng và
mỏng và ZnO cấu trúc thanh nano
Để đánh giá hiệu năng của pin mặt trời sử dụng lớp cửa sổ ZnO màng mỏng và ZnO cấu trúc thanh nano. Chúng tôi khảo sát đặc trưng J-V của các pin mặt trời sau:
a) PMT cấu trúc nano: glass/ITO/nano ZnO/CdS/CZTS/Pt [Luận văn thực hiện] (ký hiệu mẫu CEL-LV_01).
b) PMT cấu trúc phẳng: glass/ZnO/CdS/CZTS/Ag [tham khảo tài liệu [23]] (ký hiệu mẫu CEL-TK_01).
Hình 3.14 biểu diễn đặc trưng J-V của PMT cấu trúc nano CEL-LV_01 (đường (a)) và PMT cấu trúc phẳng CEL-TK_01 (đường (b)).
0.0 0.2 0.4 0.6 -20 -10 0 10 (b) J (m A/cm 2 ) V (V) (a) CEL- LV_01 (b) CEL-TK_01 (a)
Hình 3.14 Đặc trưng J-V của mẫu thử nghiệm CEL-T_01 và PMT CEL-TK
Chúng tôi đã sử dụng phương pháp mô phỏng SCAPS-1D để khảo sát các quá trình vật lý xảy ra bên trong các mẫu CEL-LV_01 và CEL-TK_01. Hình 3.15 là kết quả làm khớp các đặc trưng J-V của mẫu CEL-TN_01 và mẫu CEL-TK bằng mô phỏng SCAPS-1D.
0.0 0.2 0.4 0.6 -20 -10 0 10 (b) J (m A/cm 2 ) V (V) (a) CEL- LV_01 (b) CEL-TK_01 lam khop CEL-LV_01 lam khop CEL-TK_01 (a)
Hình 3.15 Kết quả làm khớp đặc trưng J-V của mẫu CEL-TN_01 và mẫu CEL-TK_01
Từ kết quả mô phỏng, chúng tôi có thể phân tích các tính chất quang điện đặc trưng của PMT sau: Đặc trưng J-V sáng, hiệu suất lượng tử ngoài EQE,
i) Phân tích đặc trưng J-V sáng
Bảng 3.8 trình bày các thông số quang điện của các mẫu thực nghiệm PMT cấu trúc nano CEL-LV_01 và PMT cấu trúc phẳng CEL-TK_01.
Bảng 3.8 Thông số quang điện của PMT cấu trúc nano CEL-LV_01 và PMT cấu trúc phẳng CEL-TK_01
Thông số Ký hiệu Đơn vị
Loại mẫu Thực nghiệm CEL-LV_01 Tham khảo [] CEL-TK_01 Điện áp hở mạch VOC mV 452 595 Mật độ dòng điện ngắn mạch JSC mA/cm2 16,87 4,92 Hệ số lấp đầy FF % 26,87 38,97 Hiệu suất % 2,01 1,14 Độ rộng vùng cấm lớp hấp thụ Eg eV 1,46 eV 1,42 eV
Điện trở nối tiếp RS 12 25
Điện trở song song RSH 120 180
Từ bảng 3.8 có thể nhận xét, PMT cấu trúc nano có mật độ dòng ngắn mạch và hiệu suất chuyển đổi cao hơn đáng kể (Jsc tăng từ 4,92 mA/cm2 lên đến 16,87 mA/cm2 và tăng từ 1,14% lên đến 2,01%), nhưng điện áp hở mạch thấp hơn (Voc giảm từ từ 595 mV xuống còn 452 mV). Chúng tôi cho rằng mật độ dòng ngắn mạch cao hơn trong mẫu CEL-LV_01 là do điện trở nối tiếp của pin nhỏ hơn và lớp cửa sổ ZnO cấu trúc thanh nano đã tăng cường tán xạ ánh sáng đồng thời hỗ trợ khả năng hấp thụ ánh sáng cho lớp hấp thụ dẫn đến làm phát sinh hạt tải nhiều hơn; kết quả kéo theo hiệu suất
chuyển đổi quang điện của pin tăng lên đáng kể. Còn nguyên nhân làm giảm Voc là do điện trở song song RSH giảm.
ii) Phân tích phổ hiệu suất lượng tử EQE
Phổ EQE tương ứng của PMT cấu trúc nano CEL-LV_01 và PMT cấu trúc phẳng CEL-TK_01 biểu diễn trên hình 3.16.
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 EQE (%) h (eV) CEL-TK_01 CEL-LV_01
Hình 3.16 Phổ hiệu suất lượng tử bên ngoài (EQE) của mẫu CEL-LV_01 và mẫu CEL-TK_01 nhận được từ mô phỏng SCAPS-1D
Quan sát trong hình 3.16, phổ EQE của PMT cấu trúc phẳng CEL- TK_01 đạt cực đại tại 32% tương ứng mức năng lượng 2,25 eV và phổ EQE của PMT cấu trúc nano CEL-LV_01 có giá trị cực đại là 72% tại mức năng lượng 1,90 eV. Cũng dễ nhận biết, EQEmax của PMT CEL-LV_01 lớn hơn gấp đôi EQEmax của PMT CEL-TK_01. Nguyên nhân có sự gia tăng đáng kể nêu trên có thể là do lớp cửa sổ ZnO có cấu trúc thanh nano trong PMT CEL- LV_01 đã tăng cường hấp thụ photon ánh sáng và làm giảm tái hợp tại tiếp xúc lớp đệm/lớp hấp thụ như thông báo trong [22]. Do đó, có thể kết luận sơ bộ sự gia tăng của đường đi quang học ánh sáng do nhiều lần phản xạ (hoặc tán xạ) trong lớp cửa sổ nano ZnO dẫn đến năng hấp thụ photon ánh sáng cao hơn trong PMT sử dụng lớp cửa sổ nano ZnO. Nhận định này cũng phù hợp
với với kết quả so sánh độ truyền qua của màng ZnO cấu trúc phẳng và màng ZnO cấu trúc thanh nano như trên hình 3.17.
Đối với màng ZnO phẳng phổ truyền qua có các vân giao thoa tại các bước sóng lớn hơn 500nm, điều đó chứng tỏ ánh sáng đã bị phản xạ tại bề mặt màng, trong khi đó màng ZnO cấu trúc thanh nano không có hiện tượng trên nhưng độ truyền qua thấp hơn. Điều này cho thấy ánh sáng đã bị hấp thụ hay bị phản xạ nhiều lần (tán xạ) giữa các thanh nano ZnO, có cơ chế như “bẫy ánh sáng”. 300 400 500 600 700 800 900 0 20 40 60 80 100
(a) - ZnO phang (b) - ZnO cau truc nano
b T ( %) (nm) a
Hình 3.17 Phổ truyền qua của lớp cửa sổ ZnO: (a) ZnO phẳng, (b) ZnO cấu trúc thanh nano
3.5. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường làm việc
Pin mặt trời hoạt động hiệu quả nhất trong một điều kiện thời tiết nhất định, thực tế môi trường luôn thay đổi theo thời gian trong ngày nên pin mặt trời khi sử dụng ngoài trời không hoạt động như trong môi trường phòng thí nghiệm. Do vậy, để xác định chế độ làm việc của pin mặt trời khi đưa vào thực tế, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường hoạt động đến các thông số cơ bản của pin mặt trời.
Để tìm hiểu ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt động của pin mặt trời CZTS sử dụng lớp cửa sổ nano chúng tôi khảo sát T thay đổi từ 300oK ÷ 400oK.
Bảng 3.9. Các thông số quang điện của pin mặt trời CZTS mô phỏng bằng SCAPS-1D khi nhiệt độ làm việc thay đổi
Mẫu Nhiệt độ T (oK) Điện áp hở mạch (mV) Mật độ dòng ngắn mạch (mA/cm2) Hệ số lấp đầy (%) Hiệu suất (%) M-41 300 473 17.04 25.12 2.03 M-42 310 453 17.04 25.63 2.01 M-43 320 429 17.05 26.16 1.96 M-44 330 405 17.05 26.58 1.92 M-45 340 380 17.06 26.87 1.86 M-46 350 356 17.07 27.03 1.80 M-47 360 331 17.07 27.04 1.74 M-48 370 307 17.08 26.9 1.67 M-49 380 282 17.08 26.61 1.60 M-50 390 257 17.09 26.15 1.52 M-51 400 232 17.10 25.53 1.44 300 320 340 360 380 400 100 200 300 400 500 600 700 VOC ( mV ) T(oK) a 300 320 340 360 380 400 16.8 17.0 17.2 17.4 T(oK) JSC ( mA/cm 2 ) b
300 320 340 360 380 400 10 15 20 25 30 35 40 FF (%) T(oK) c 300 320 340 360 380 400 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 (%) T(oK) d
Hình 3.18. Sự thay đổi (a) mật độ dòng ngắn mạch, (b) hệ số lấp đầy, (c) điện áp hở mạch và (d) hiệu suất chuyển đổi theo nhiệt độ làm việc T
Có thể nhận thấy, điện áp hở mạch VOC giảm đáng kể khi nhiệt độ làm việc tăng khi nhiệt độ làm việc tăng. Quy luật này hoàn toàn phù hợp với công thức xác định VOC [16,20]:: g e D 0 oc ph E kT AL g V ln q q KN = −
Khi độ rộng vùng cấm của các lớp bán dẫn giả thiết là không phụ thuộc vào nhiệt độ, VOC sẽ thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ. Trong khi đó, mật độ dòng ngắn mạch JSC ít phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc. Kết quả này cũng phù hợp với công thức lý thuyết [16,20]:
Jsc = Jph = qKNph = αE
Khi nhiệt độ tăng, Voc giảm, Jsc hầu như không thay đổi, hệ số lấp đầy thay đổi không đáng kể, dẫn tới công suất tới hạn giảm, đồng thời hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin cũng giảm.
Mặt khác, chúng tôi xác định mức suy hao của hiệu suất chuyển đổi quang điện pin CZTS sử dụng lớp cửa sổ nano ZnO trong dải nhiệt độ 300oK đến 400oK khoảng -0,0052%/K. Kết quả cho thấy sự suy hao hiệu suất theo nhiệt độ của pin CZTS sử dụng lớp cửa sổ nano ZnO là rất thấp và rất đáng
chú ý vì đối với pin CZTS sử dụng lớp cửa sổ ZnO phẳng mức suy hao này theo công bố trong [24] là 0,0776%/K.
b) Kết quả khảo sát bằng thực nghiệm
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 J (mA/cm 2 ) V (V) 340oK 320oK 300oK
Hình 3.19. Đặc trưng J-V sáng của pin mặt trời CZTS phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường
Trong thực tế, môi trường hoạt động của pin mặt trời có thể lên đến 50 hoặc 60oC. Tuy nhiên, để phù hợp với điều kiện Việt Nam, giới hạn dải nghiên cứu trong luận văn này tại ba điểm nhiệt độ 27oC (300oK), 47oC (320oK) và 67oC (340oK). Hình 3.19 biểu diễn đặc trưng J-V sáng của pin mặt trời CZTS sử dụng lớp cửa sổ nano ZnO khi nhiệt độ môi trường làm việc thay đổi trong dải 300oK đến 340oK.
Từ hình 3.19, có thể nhận thấy điện áp hở mạch giảm khi nhiệt độ làm việc tăng, trong khi đó mật độ dòng ngắn mạch gần như không đổi. Có thể thấy, quy luật phản ánh sự phụ thuộc hai thông số quang điện trên vào nhiệt độ làm việc giữa thực nghiệm và mô phỏng là hoàn toàn thống nhất.
Ngoài ra khi nhiệt độ làm việc của pin mặt trời CZTS tăng lên còn có xuất hiện hiện tượng dịch chuyển điểm công suất cực đại của phần tử quang điện pin mặt trời CZTS.
Như vậy nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng đến các thông số quang điện của pin mặt trời CZTS. Mức suy hao của hiệu suất chuyển đổi quang điện pin CZTS trong dải nhiệt độ 300oK đến 340oK khoảng -0,0054%/K.
Từ kết quả phân tích trên có thể kết luận: i) Các kết quả đạt được trên mới chỉ là bước đầu nhưng cũng cho thấy phương pháp mô phỏng SCAPS-1D có thể xem là một trong những công cụ hỗ trợ hữu hiệu cho nghiên cứu chế tạo pin mặt trời màng mỏng và góp phần giảm giá thành sản phẩm; ii) Việc sử dụng lớp cửa sổ cấu trúc thanh nano trong pin mặt trời glass/ITO/nano ZnO/CdS/CZTS/Pt cho phép tăng gấp đôi khả năng hấp thụ ánh sáng, cùng với đó mật độ dòng điện ngắn mạch và hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin cũng tăng đáng kể so với pin mặt trời cấu trúc phẳng; iii) PMT cấu trúc nano có điện áp hở mạch thấp hơn PMT cấu trúc phẳng nên cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về lý thuyết và thực nghiệm để cải thiện.
Bảng 3.10. Thống kê một số kết quả nghiên cứu
về pin mặt trời CZTS cấu trúc đảo trong thời gian gần đây
Cấu trúc Thông số Phương
pháp Năm công bố TL trích dẫn VOC (mV) JSC (mA/cm2) FF (%) (%) Au/CZTS/CdS/ZnO NR/ITO 679 4,1 43,8 1,2 Thực nghiệm 2014 [21] Carbon paste/CZTS/TiO2NP/ TiO2NP/ TCO 564 2,85 43 0,51 Thực nghiệm 2016 [20] Glass/FTO/ TiO2/CdS/CZTS/Au 474 5,07 44 1,05 Thực nghiệm 2018 [24] Glass/FTO/TiO2/In2S3/CZTS 490 3,1 37 0,7 Thực nghiệm 2019 [25] Glass/FTO/TNR/CdS/CZTS/ Au 500 5,4 35 1,04 Thực nghiệm 2020 [26] ITO/ZnO/CdS/CZTS 380 13,32 41,92 2,18 Mô phỏng 2021 [18] 370 13,14 37,9 1,93 Thực nghiệm
CZTS/Pt phỏng văn [27] 452 16,87 25,15 2,01 Thực
nghiệm
KẾT LUẬN
Trên cơ sở những kết quả nghiên cứu đã đạt được của luận văn, có thể đưa ra kết luận như sau:
1. Pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ITO/nano ZnO/CdS/CZTS/Pt đã được thiết kế tối ưu bằng phương pháp mô phỏng SCAPS-1D và bước đầu chế tạo thử nghiệm đã thể hiện đáp ứng phù hợp giữa thiết kế và thực nghiệm, kết quả cụ thể như sau:
- Xây dựng bộ các thông số mô phỏng cơ bản đối với pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ITO/nano ZnO/CdS/CZTS/Pt
- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc đến hiệu năng của pin trong phạm vi T = 300 ÷ 400 K.
2. Pin mặt trời CZTS sử dụng lớp cửa sổ ZnO có cấu trúc thanh nano đã cho phép tăng gấp đôi khả năng hấp thụ ánh sáng, cùng với đó mật độ dòng điện ngắn mạch và hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin cũng tăng đáng kể so với pin mặt trời sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu trúc phẳng. Có thể đánh giá đây là kết quả rất triển vọng cho nghiên cứu sử dụng lớp cửa sổ nano để chế tạo pin mặt trời CZTS có mật độ dòng điện cao.
3. Kết quả chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo glass/ITO/nano ZnO/CdS/CZTS/Pt bằng công nghệ FSPD đạt được các thông số quang điện cao nhất:
Voc = 452 mV, Jsc = 16,87 mA/cm2, FF = 25,15 % và = 2,01 %. 4. Các kết quả của luận văn cho phép mở ra khả năng sử dụng phương
pháp mô phỏng SCAPS-1D như là một phương pháp thiết kế hữu hiệu để hỗ trợ cho thực nghiệm chế tạo các pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo có hiệu suất cao và giá thành thấp.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Sabrina Stierwalt (2015). Einstein's Legacy: The Photoelectric Effect. SCIENTIFIC AMERICAN
[2] Effect of Light on Selenium During the Passage of An Electric Current* . Nature 7, 303 (1873).
[3] Harper, GDJ (2015, December 21). cadmium telluride solar cells. Encyclopedia Britannica.
[4] Selin, N. Eckley (2020, ngày 6 tháng 1). dấu chân carbon . Bách khoa toàn thư Britannica
[5] Gessert, Timothy. (2012). Chapter 1.19: Cadmium Telluride Photovoltaic Thin Film: CdTe. Earth and Planetary Sciences.
[6] Cutler J. Cleveland (2004). Photovoltaic Conversion: Space Applications.
Encyclopedia of energy. Boston University, Boston, Massachusetts, 25-33 [7] J. Fonash, Solar cell device physics (2010), The Boulevard, Langford
Lane, Kidlington, Oxford, OX5 1GB, UKton, MA 01803, USA The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford, OX5 1GB, U.
[8] Journal of Science-Quy Nhon University,2021,15(1),45-50
[9] Phạm Văn Thịnh (2016). Phương pháp phún xạ Magnetron RF trong chế tạo màng mỏng, Luận văn thạc sĩ Vật lý ứng dụng, Trường Đại học Khoa học tự nhiên
[10] Phạm Phi Hùng (2016). Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phun phủ nhiệt phân quay đầu phun và hỗ trợ siêu âm chế tạo các phần tử pin mặt trời họ Cux(In,Zn,Sn)Sy, Luận án tiến sĩ Vật lý kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
(CVD). Chemical Vapor Deposition, ASM International, Albuquerque,1, 1-10
[12] Ratnayake, SP , Ren, J. , Colusso, E. , Guglielmi, M. , Martucci, A. , Della Gaspera 2101666, E. , SILAR Deposition of Metal Oxide Nanostructured Films. SMALL 2021 , 2101666.
[13] Lambert M. Surhone, Mariam T. Tennoe, Susan F. Henssonow(2013).
Vacuum Evaporating, Betascrift Puslishing,
[14] Bharat A Bhanvase, Vijay B Pawade, Sanjay J. Dhoble, Shirish H. Sonawane, Muthupandian Ashokkumar (2018). Synthesis of Multifunctional Inorganic Materials: From Micrometer to Nanometer Dimensions. Nanomaterials for Green Energy, Elsevier, 197-229
[15] John Mo, Sherman Cheung, Raj Das (2018). Demystifying Numerical Models. ELSERVIER]
[16] Võ Thạch Sơn (2001), “Linh kiện bán dẫn và vi điện tử”, NXB KHKT [17] Trần Thanh Thái (2012), “Nghiên cứu vật lý và công nghệ PMT màng
mỏng cấu trúc đảo Glass/ZnO:In/CdS/CuInS2/Metal chế tạo bằng phương pháp phun phủ nhiệt phân toàn phần (FSPD)”, Luận án tiến sỹ - Vật lý kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
[18] Hardan T. Ganem, Ayed N. Saleh (2021), “Enhancement of the efficiency of the CZTS/CdS/ZnO/ITO solar cell by back reflection and buffer layers using SCAPS -1D”, Iraqi Journal of Science, Vol. 62, No. 4, p. 1144-1157
[19] Frisk, .C, Doctoral Thesis (2017), “Modeling and electrical characterization of Cu(In,Ga)Se2 and Cu2ZnSnS4 solar cells”, Uppsala University, SE-75121 Uppsala, Sweden
[20] Kurokawa M, Tanaka K, Moriya K and Uchiki H (2012) “Japan J. Appl. Phys”. 51 10NC33
[21] Dongwook Lee and Kijung Yong (2014), “Solution-processed Cu2ZnSnS4 superstrate solar cell using vertically aligned ZnO nanorods”, Nanotechnology 25 (2014) 065401 (8pp)
[22] Erki Kärber, Doctoral Thesis (2014), “Properties of ZnO- nanorod/In2S3/CuInS2 solar cell and the constituent layers deposited by chemical spray method”, Tallinn University of Technology, Ehitajate tee 5, Tallinn
[23] Đào Thị Trúc Quyên (2018), “Nghiên cứu mô phỏng pin mặt trời màng mỏng đa lớp dựa trên vật liệu nền Cu2ZnSnS4”, Luận văn Thạc sĩ – Vật lý chất rắn, Trường Đại học Quy Nhơn
[24] M. Zhong, S. Liu, H. Li, C. Li (2018), “Superstrate-type Cu2ZnSnS4
solar cells without sulfurization fabricated by spray pyrolysis”, Chalcogenide Letters Vol. 15, No. 3, March 2018, p. 133 – 137
[25] Ahmet Tumbul, Ferhat Aslan, Abdullah Gooktas, I.H. Mutlu (2019), “All solution processed superstrate type Cu2ZnSnS4(CZTS) thin film solar cell: Effect of absorber layer thickness”, Journal of Alloys and Compounds 781 (2019) 280-288
[26] Vinayak Vitthal Satale, S. Venkataprasad Bhat (2020), “Superstrate type CZTS solar cell with all solution processed functional layers at low temperature”, Solar Energy 208, p. 220–226
[27] Md. Fakhrul Islam, Nadhrah Md Yatim, Mohd Azman Hashim (2021), “A review of CZTS thin film solar cell technology”, Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences 81, Issue 1, p.73-87