22
2.4 Mô phỏng hiệu năng hoạt động của PMT bằng AMPS-1D
2.4.2.1 Ảnh hưởng của độ dày của lớp hấp thụ CIGS
dày c a l p h p th ó ọng trong quá trình h p th photon ánh sáng t i pin, các quá trình d ch chuy n c a h t t p ư giá thành c a pin thành ph m.
tài này, chúng tôi kh o sát sự nh ư ng c dày l p h p th CIGS ượ ư ệ ng c a PMT b ng cách gi nguyên các giá tr thông số ầu vào khác và ổi chi u dày c a l p h p th trong kho ng từ 1000 nm - 11000 nm.
Các kết qu mô phỏ ược bi u diễn trên b ng 2.4 và các hình v 2.9; 2.10; 2,11; 2.12.
Bảng 2.4. Kết quả mô phỏng các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của
pin theo độ dày lớp hấp thụ CIGS.
STT dày CIGS (nm) JSC (A/cm2
) η % ff VOC (V) 1 1000 30,119 15,925 0,824 0,641 2 2000 30,191 16,623 0,831 0,663 3 3000 30,188 16,921 0,831 0,674 4 4000 30,188 17,089 0,830 0,682 5 5000 30,187 17,189 0,828 0,688 6 6000 30,199 17,256 0,825 0,693 7 7000 30,192 17,286 0,822 0,697 8 8000 30,188 17,300 0,819 0,700 9 9000 30,187 17,305 0,816 0,703 10 10000 30,187 17,305 0,813 0,706 11 11000 30,184 17,303 0,810 0,708
Hình 2.9 bi u diễn sự ph thu c c a m n m ch JSC vào dày c a l p h p th CIGS.
Ta th ư ng v dày c a màng trong kho ng từ 1000 ến 2000 nm thì m dò n m ch JSC ó ó ư ng bão hòa. ược gi i thích: khi chi u dày l p h p th p ện tử-lỗ trống sinh ra gi m dầ ượ p ược h p th gi m dần theo chi u dày c a l p h p th .
Hình 2.10. Sự phụ thuộc của thế hở mạch vào độ dày của lớp hấp thụ CIGS.
Hình 2.10 bi u diễn sự ph thu c c a thế h m ch v dày c a l p h p th CIGS. Thế h m ch cho biết sự chênh lệch ện thế gi a hai cực c a pin (khi khơng có m ch ngồi) t o b i sự chênh lệch n ện tích, kh dày l p h p th ần. Kết qu mô phỏng cho th y giá tr thế h m ch VOC ầ e dày trong kho ng nghiên c u c a l p h p th CIGS.
Hì 2 11 th bi u diễn sự ph thu c c a hiệu su t chuy ổ ượng η c a pin v dày c a l p h p th CIGS. Từ th ta th y hiệu su t
hòa. Kết qu này cho th y, dọc theo chi u dày l p h p th , â trong, hiệ ượ ện trong gi m dần.
Hình 2.11. Sự phụ thuộc của hiệu suất vào độ dày của lớp hấp thụ CIGS.
Hình 2.12. Sự phụ thuộc của hệ số điền đầy vào độ dày của lớp hấp thụ CIGS.
Hình 2.12 là th bi u diễn sự ph thu c c a hệ số ầy v dày c a l p h p th CIGS. Giá tr hệ số ầy FF gi m dầ e e dày c a
l p h p th CIGS. N ư ã ết, hệ số ầy FF là m t thông số ầu ra c a pin cho biết kh n chuy n h t t i trong pin: hệ số ầy FF càng cao thì kh n chuy n h t t i càng l n. Vì v y khi l p h p th càng dày thì kh ện tử và lỗ trống v n chuy n v ện cực càng gi m.
N ư y các kết qu mô phỏng chỉ ra r dày tố ư a l p h p th CIGS nên chọn trong kho ng 2000 nm - 3000 nm, kết qu này phù hợp v i giá tr P ã 72]. Việc phát tri n s n xu t quy mô l n s không kh quan v giá thành nế dày c a l p h p th CIGS l n 3000 Ứng d ng c a các kết qu mơ phỏ ó ư ng cho công nghệ chế t o PMT trong ư
2.4.2.2 Ảnh hưởng của độ rộng vùng cấm quang Eg của lớp hấp thụ CIGS
r ng vùng c m c a l p h p th CIGS ược kh o sát từ 1,0 eV-1,7 eV. Giá tr r ng vùng c m c a hợp ch t CIGS có th ổi, nó ph thu c vào n nguyên tố Ga ược pha vào CuIn1-xGaxSe2 (khi x ổi từ 0 t i 1).
Nếu x = 0 thì Eg = 1,0 eV ó CIGS ó ng
c a Ga ó p h p th là hợp ch t CIS.
Nếu x = 1 thì Eg = 1,7 eV, t c là trong CIGS có n c a Ga cao nh t
ó p h p th là hợp ch t CGS.
N ư ã các m ư c, hợp ch t CIGS là bán d n lo i p có h t t i ch yếu là lỗ trống, v i c u trúc vùng c m quang có chuy n dời thẳng vùng- vùng. Việ ổi b r ng vùng c m c a l p h p th CIGS d n t ổi kh p th photon ánh sáng chiếu t i pin, có ư ng l n t i hiệ việc c a pin.
B ng cách gi nguyên các thông số ầ ổi các giá tr vùng c m quang Eg c a l p h p th CIGS trong kho ng 1,0-1,7 eV, thông qua ư AMPS-1D ược giá tr c a các thông số ầu ra v hiệ làm việc c a pin. Kết qu mô phỏng ư ng c r ng vùng c m l p h p th CIGS lên hiệ ng c a pin ược bi u diễn trên b ng 2.5 và các hình 2.13, 2.14, 2.15, 2.16.
Bảng 2.5. Kết quả mô phỏng các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của
pin theo độ độ rộng vùng cấm lớp hấp thụ CIGS.
STT Eg (eV) JSC (A/cm2) η % ff VOC (V) 1 1,00 30,310 12,784 0,801 0,527 2 1,05 30,312 14,165 0,812 0,575 3 1,10 30,273 15,552 0,822 0,625 4 1,15 30,282 16,976 0,831 0,674 5 1,20 30,292 18,406 0,839 0,724 6 1,25 30,301 19,836 0,846 0,774 7 1,30 30,310 21,232 0,852 0,822 8 1,35 29,261 21,627 0,857 0,863 9 1,40 26,864 20,422 0,858 0,886 10 1,45 25,675 19,675 0,858 0,893 11 1,50 23,358 17,909 0,857 0,894 12 1,55 23,358 17,904 0,857 0,894 13 1,60 22,072 16,918 0,857 0,895 14 1,65 19,540 16,580 0,855 0,895 15 1,70 18,324 14,018 0,855 0,895
Hình 2.13. Đồ thị về sự phụ thuộc của mật độ dòng đoản mạch vào độ
Từ hình 2.13, ta th y giá tr m n m ch JSC gi m dầ r ng vùng c m c a l p h p th CIGS ược gi i thích b i sự suy gi m số ện tử ó ượng nh y từ vùng hoá tr lên vùng d n t o ra c p h t t ện tử-lỗ trống.
Hình 2.14. Đồ thị về sự phụ thuộc của thế hở mạch với độ rộng vùng cấm
của lớp hấp thụ CIGS.
Hình 2.15. Đồ thị về sự phụ thuộc của hiệu suất chuyển đổi năng lượng
Trên hình 2.14, ta th y thế h m ch VOC khi Eg có giá tr trong kho ng 1 0 e ến 1,4 eV, từ giá tr 1,4 eV tr thế h m ổi xung quanh giá tr 0,895 V.
Trong hình 2.15, giá tr hiệu su t chuy ổ ượ giá tr r ng vùng c m Eg ư ó ó m dần. Hiệu su t l n nh t ược trong q trình mơ phỏng này là 21,627 % 1,35 eV. Kết qu này có nguyên nhân từ phổ chiếu sáng c a m t trời có giá tr cự i t ư c sóng v i ượng photon kho ng 1,4 eV.
Hình 2.16. Đồ thị về sự phụ thuộc của hệ số điền đầy vào độ rộng vùng
cấm của lớp hấp thụ CIGS.
Hình 2.16 cho th y hệ số ầy FF ầ e r ng vùng c m r i gi m dần v sau. Kết qu này phù hợp v i các kết qu v sự ph thu c c a hiệu su n m ch c a pin vào sự ổi c r ng vùng c m quang c a l p h p th trên.
N ư y, từ các kết qu mô phỏng ta th y r ng r ng vùng c m tố ư ối v i l p h p th CIGS là 1,4 e ư ng v i tỉ lệ n In/Ga là 70/30.
Giá tr này phù hợp v i vùng cự i c a phổ chiế AM 1 5G ã ược các nhà chế t o lựa chọ ư n xu t.
2.4.2.3 Ảnh hưởng của hệ số phản xạ mặt trước
N ư ã u v tính ch t c a các l p phần trên ối v i m t PMT dựa trên l p h p th CIGS, hệ số ph n x m ư c càng nhỏ thì kh h p th ượng m t trời càng l n nên hiệu su t chuy ổ ượng càng l n.
Tuy nhiên, trên thực tế, hệ số ph n x m ư c không quá nhỏ ho c b ng khơng do tính ch t ph n x b m t c a v t liệu. Vì v y, m c này ta s nghiên c u ư ng c a hệ số ph n x m ư ế ư ầu ra khi ch y ư p ỏng có phù hợp v i lý thuyết khơng? Từ ó ó chọn ược giá tr phù hợp ư ng cho công nghệ chế t o.
V i sự thay ổi hệ số ph n x m t trư c trong kho ng 0,01÷ 0,20 v i ư c nh y là 0,01. Các thông số ư r ng vùng c dày các l p … là các giá tr phù hợp nh t l y từ các tài liệu lý thuyết và các tài liệu thực nghiệm ã u. Khi ch ư p ỏ AMPS ược giá tr c ư ầ ư ng 2.6.
Từ b ng giá tr ược, sự ph thu c c ư ầu ra c a ư p ỏng v hiệ ng c a pin vào hệ số ph n x m t ư c ược bi u diễn trong các hình 2.17; 2.18; 2.19 và 2.20.
Nhìn chung, các giá tr ư ầu ra: hiệu su t chuy ổ ượng, m n m ch, hệ số l p ầy và thế h m u gi m dần theo giá tr hệ số ph n x m ư ần. C th là:
Trên hình 2.17, m dịng ngắn m ch gi m nhanh từ 32,3 A/cm2 xuống 27,101 A/cm2.
Trên hình 2.20, ta th y hiệu su t chuy ổ ượng gi m dần từ giá tr 18,176% xuống 15,107% ần hệ số ph n x m ư c.
C ư ầu ra khác có gi ư m ch ầ ư ổi nhi u. Hệ số l p ầ m từ 0,832 xuống 0,830.
Bảng 2.6. Kết quả mô phỏng các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của
pin khi thay đổi hệ số phản xạ mặt trước.
STT Hệ số ph n x η % FF VOC (V) JSC (A/cm2) 1 0,01 18,176 0,8320 0,6760 32,30 2 0,02 17,984 0,8318 0,6755 31,976 3 0,03 17,792 0,8316 0,6750 31,651 4 0,04 17,599 0,8315 0,6749 31,326 5 0,05 17,407 0,8314 0,6746 31,001 6 0,06 17,215 0,8313 0,6743 30,676 7 0,07 17,023 0,8312 0,6740 30,352 8 0,08 16,831 0,8311 0,6738 30,027 9 0,09 16,639 0,8310 0,6734 29,702 10 0,10 16,447 0,8309 0,6730 29,377 11 0,12 16,256 0,8308 0,6729 29,052 12 0,13 16,064 0,8307 0,6726 28,727 13 0,14 15,872 0,8306 0,6723 28,402 14 0,15 15,681 0,8305 0,6720 28,077 15 0,17 15,489 0,8304 0,6715 27,751 16 0,20 15,107 0,8303 0,6710 27,101
Hình 2.18. Sự phụ thuộc của thế hở mạch vào hệ số phản xạ mặt trước.
Hình 2.20. Sự phụ thuộc của hiệu suất vào hệ số phản xạ mặt trước.
Từ các nh n xét trên ta th y kết qu ược từ ư p ỏng phù hợp v i lý thuyết. Khi hệ số ph n x m ư c càng l n thì kh kh h p th ượng ánh sáng từ PMT gi m. M t khác hiệu su t chuy ổ ượng là tỷ số gi a công su t chuy ổi v i công su t chiếu sáng nh ược từ m t trời. Bên c ó m r t nhanh.
N ư nâng cao hiệu su t chuy ổ ượng v quan trọng là ph i gi m hệ số ph n x m ư c. M t số biệ p p gi m hệ số m ư c ư:
- Chọn v t liệu có hệ số ph n x th p, trong suốt;
- Chế t o b m t phẳng nhẵn, m ư c ph ó dày phù hợp x y ra hiện ượng giao thoa b n mỏng;
- Việc t o l p chống ph n x là r t cần thiết. Trên thực tế, ườ ường chọn v t liệu làm l p chống ph n x là MgF2.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Phần m m AMPS-1D là m ư p ng cho b t c d ng chuy n tiếp nào. Có th áp d ng cho hiệu ện trong, sự phân cực thu n, phân cực ược trong tiếp xúc bán d n và chế chiếu ánh sáng…
tài này, chúng tôi sử d ư AMPS-1D cho các quá trình q ện trong x y ra gi a các l p c a PMT màng mỏng CIGS. Áp d ng c th cho c u hình có ba l p chính: l p h p th CIGS, l p ệm CdS và l p d n ện trong suốt ZnO.
V i việc chọn lựa kho ng 40 thơng số thích hợp áp d ng cho v t liệu này, ã ược các kết qu mô phỏng v hiệ ng c a pin. Các kết qu ó ó tóm tắ ư :
- C ư p ỏng AMPS-1D là công c h u hiệ kh o sát ư ng c u t o pin và tính ch t v t liệu lên hiệ ng c a pin. Kết qu mô phỏng là thông tin h ư ng cho công nghệ chế t o.
- dày tố ư a l p h p th CIGS vào kho ng 2000 nm-3000 nm.
- r ng vùng c m tố ư ối v i l p h p th CIGS là 1,4 e ư ng v i tỉ lệ n In/Ga là 70/30.
- Hiệ ng c a pin v i c u hình tố ư : η = 17,6 %; JSC = 30,19 A/cm2; VOC = 0,67 V; ff = 0,831
CHƯƠNG 3
CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT LỚP DẪN ĐIỆN TRUYỀN
QUA ZnO VÀ LỚP HẤP THỤ CIGS BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN TỬ XUNG (PULSED ELECTRON DEPOSITION-PED)
Trong chương này chúng tơi trình bày một cơng nghệ mới trong chế tạo màng mỏng để chế tạo một số lớp chính trong PMT màng mỏng CIGS, đó là phương pháp lắng đọng điện tử xung (Pulsed Electron Deposition-PED). Ở đây, chúng tơi sử dụng hệ PED để khảo sát q trình lắng đọng màng ZnO và CIGS theo các thông số khác nhau, như áp suất buồng lắng đọng; thế gia tốc điện tử; nhiệt độ đế… Tính chất điện, quang, cấu trúc của các mẫu được khảo sát bằng các phép đo hiệu ứng Hall, phổ hấp thụ, nhiễu xạ tia X. Từ các kết quả khảo sát đó, ta tìm ra được cơng nghệ chế tạo tối ưu để thu được các màng ZnO và CIGS bằng phương pháp PED.
3.1 Thiết bị điện tử xung (PED) và ứng dụng
Lắng đọng màng mỏng bằng kỹ thuật laze xung (PLD) đã được biết đến như một phương pháp chế tạo mẫu màng mỏng khá phổ biến và hiệu quả với ưu điểm nổi bật là khả năng tạo mẫu có thành phần giống với thành phần của bia vật liệu. Tuy nhiên kỹ thuật này có một số nhược điểm, đó là giá thành cao, sử dụng khí độc, nguy hiểm cho mắt và kém hiệu quả đối với các vật liệu trong suốt với bước sóng laze (các vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm rộng) [25, 40, 68, 91 ]. Gần đây, một phương pháp mới chế tạo màng mỏng đã được phát triển, đó là phương pháp lắng đọng xung điện tử. Như tên gọi của nó, phương pháp này sử dụng chùm tia điện tử năng lượng cao dưới dạng xung để bắn phá bề mặt bia vật liệu [7, 9, 17, 18, 20, 43, 45, 53, 65].
Trong kỹ thuật lắng đọng màng mỏng bằng xung điện tử, một xung các điện tử được tạo ra trong một catot rỗng ở áp suất khoảng 5-30 mTorr. Các điện tử được truyền đi trong ống ơxít nhơm rỗng đường kính khoảng 2-4 mm đến đầu ống, cách
bề mặt bia vật liệu khoảng 3-5 mm. Các điện tử được gia tốc bởi điện thế từ 8-20 kV. Các điện tử tự bó thành chùm có kích thước nhỏ bởi hiệu ứng điện từ. Các điện tử xuyên vào bề mặt bia với một độ sâu phụ thuộc vào thế gia tốc cũng như bản chất vật liệu bia. Sự tương tác của điện tử với bia gây nên sự nóng chảy cục bộ trên bề mặt bia, làm bốc hơi vật liệu và cuối cùng tạo thành chùm plasma vng góc với bề mặt bia. Tiếp theo, chùm plasma sẽ truyền đi trong khơng gian về phía đế mẫu, dưới một áp suất nào đó của khí làm việc. Tại đế mẫu sẽ diễn ra quá trình lắng đọng các ion tạo thành lớp màng mỏng vật liệu cần chế tạo. Do đặc tính xung, cũng như PLD, PED có khả năng giảm thiểu sự sai lệch thành phần giữa bia và mẫu. Ưu điểm nổi bật của PED so với PLD là khả năng làm việc với các vật liệu có độ rộng vùng cấm lớn do ở kỹ thuật này, các hạt bắn phá bia là các điện tử. Hình 3.1 là ảnh chụp thiết bị PED được trang bị tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Hình 3.1. Hệ thống PED-180 được trang bị tại Trường
Phương pháp này đã khắc phục được những nhược điểm trên của PLD, đặc biệt, năng lượng của chùm tia điện tử sẽ được hấp thụ ngay cả đối với vật liệu có độ