CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.5.2.Quá trình tối ưu hóa
1.5. Ưu điểm và quá trình tối ưu hóa của pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic có
1.5.2.Quá trình tối ưu hóa
Năm 2012, Martin Bivour và các cộng sự tập trung nghiên cứu tối ưu hóa tính chất điện và tính chất quang của lớp a-Si:H(p) ở lớp emitter phía sau của pin mặt trời dị thể. Họ đã nhận thấy rằng pin mặt trời với thiết kế lớp emitter phía sau có tác dụng giảm hấp thụ kí sinh trong lớp a-Si:H(p). Bên cạnh đó, hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc nhiều vào nồng độ pha tạp và độ dày của lớp a-Si:H(p). Họ đã thực hiện các phép đo đặc trưng Suns - Voc từ đó mơ tả lại rào thế Schottky và sự ảnh hưởng đến hệ số lấp đầy FF. Thực hiện các thí nghiệm mơ tả sự ảnh hưởng của nồng độ pha tạp ở lớp a-Si:H(p) đến rào thế Schottky. Tạo ra các cấu trúc pin dị thể khác nhau để xem xét sự ảnh hưởng của các vật liệu có giá trị cơng thốt điện tử khác nhau tại mặt tiếp xúc lớp a-Si:H/TCO. Ghi nhận sự ảnh hưởng của cơng thốt điện tử của các lớp tiếp xúc khác nhau đến thể hở mạch đối với các cấu trúc đó. Các pin mặt trời Silic loại n diện tích nhỏ có lớp a-Si:H(p) emitter phía sau đã cho thấy sự cải thiện việc vận chuyển hạt mang điện giữa a-Si:H(p) và lớp TCO, hệ số lấp đầy FF trên 80 %. Họ
cũng chứng minh rằng lớp oxit dẫn điện trong suốt không bắt buộc đối với thiết kế emitter phía sau của pin mặt trời dị thể, điều này giúp đơn giản hóa cấu trúc pin, những pin này có hiệu suất lên đến 22,8 %, hệ số lấp đầy FF đạt đến 81,5 % [18].
19 Năm 2014, Renaud Varacha và các cộng sự đã nghiên cứu toàn diện về tổn thất điện tử do tái hợp trong pin mặt trời dị thể có cấu trúc lớp emitter phía sau dựa trên các kết quả thí nghiệm. Họ nhận thấy rằng, trong cấu trúc emitter phía sau, điện tử được tạo ra và di chuyển về điện cực trước một cách dễ dàng theo chiều ngang, trong khi đó hạt tải lỗ trống được tạo ra từ mặt trước phải di chuyển một đoạn đường dài xuyên qua lớp đế để đến điện cực mặt sau. Vì vậy, chúng dễ bị tái hợp và dẫn đến giảm dòng ngắn mạch Jsc. Do đó, việc phân tích chi tiết sự mất hạt mang điện do tái
hợp trong cấu trúc emitter phía sau là rất cần thiết để tối ưu hóa pin mặt trời. Cụ thể là phân tích sự tái hợp trong lớp a-Si:H(i), lớp a-Si:H(n) và tái hợp tại bề mặt phía trước. Khảo sát sự thay đổi của dòng ngắn mạch Jsc trong các điều kiện tái hợp khác
nhau: thay đổi độ dày lớp đệm a-Si:H(i) và lớp a-Si:H(n). Kết quả thu được là khi độ dày lớp a-Si:H(n) quá nhỏ, khơng hình thành được từ trường trong vùng nghèo điện tích, dẫn đến tăng tái hợp ở bề mặt. Khi lớp a-Si:H(i) không quá dày, các hạt mang điện có thể được tạo ra trong lớp này. Ánh sáng hấp thụ trong lớp a-Si:H(n) tạo ra dòng điện nhưng sẽ bị thất thoát một phần, tùy thuộc vào độ dày của lớp a-Si:H [38]. Năm 2018, Sen Li và nhóm nghiên cứu đã thực hiện nghiên cứu so sánh sự khác biệt giữa cấu trúc emitter phía trước và cấu trúc emitter phía sau của pin mặt trời dị thể. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng pin mặt trời có cấu trúc emitter phía sau có thế hở mạch Voc, hệ số lấp đầy FF, hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn, nhưng mật
độ dòng ngắn mạch Jsc lại thấp hơn so với cấu trúc emitter phía trước. Hiệu suất lượng tử của cấu trúc emitter phía sau thấp hơn cấu trúc emitter phía trước mặc dù lớp mỏng a-Si:H(n+) có độ truyền quang tốt hơn lớp a-Si:H(p). Bằng cách điều chỉnh độ dày của lớp a-Si:H(i) của cấu trúc emitter phía sau, hiệu suất của pin mặt trời dị thể tăng lên. Điện trường gấp khúc (folded electrical fields) được hình thành bởi ba lớp ITO, lớp a-Si:H pha tạp và c-Si(n) có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của pin. Kết quả thu được là khi tối ưu độ dày lớp a-Si:H(n+) bằng 16 nm và độ dày lớp a-Si:H(i) bằng 8 nm trong cấu trúc emitter phía sau, hiệu suất pin đạt được là 21,71 % với diện tích mặt là 238,9 cm2, thế hở mạch Voc = 731 mV, mật độ dòng ngắn mạch Jsc = 37,46
mA/cm2 và hệ số lấp đầy FF = 0,793 % [11].
Năm 2018, Sangho Kim và các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu lớp μc-
SiO:H(n) ở lớp bán dẫn mặt trước của pin mặt trời dị thể có cấu trúc emitter phía sau để tối ưu hóa và nâng cao hiệu suất của pin mặt trời. Họ đã nhận thấy trong cấu trúc emitter phía sau, khả năng ánh sáng được truyền đến lớp hấp thụ là tối đa. Họ chọn vật liệu μc-SiO:H(n) làm lớp bán dẫn mặt trước vì có độ rộng vùng cấm quang học lớn, chỉ số khúc xạ thích hợp, độ dẫn điện cao, phù hợp với tính chất quang điện của
20 các lớp xung quanh và giảm thiểu tổn thất quang điện. Vì vậy họ thực hiện nghiên cứu tối ưu hóa lớp μc-SiO:H(n) bằng cách thay đổi các thơng số về lưu lượng khí CO2 trong q trình chế tạo bằng phương pháp RF PECVD. Họ dùng cấu trúc texture ở mặt trước có thể giảm sự phản xạ ánh sáng tại bề mặt. Lớp μc-SiO:H(p) được dùng làm emitter bởi vì có độ hấp thụ quang học cao hơn với Si:H(p) thường dùng. Mặt trước của pin dị thể gồm có điện cực ITO, μc-SiO:H(n), a-Si:H(i); sự khác nhau giữa chiết suất các lớp này sẽ góp phần làm giảm bớt sự mất mát ánh sáng. Kết quả thu được là sự phản xạ ánh sáng nhỏ nhất khi lớp μc-SiO:H(n) được lắng đọng với lưu lượng khí CO2 = 4 sccm, khi đó hiệu suất lượng tử đạt giá trị cao nhất và đạt giá trị là 21,64 %, mật độ dòng ngắn mạch Jsc = 38,83 mA/cm2 và hiệu suất năng lượng chuyển đổi bằng 21,64 %. Khi lưu lượng khí CO2 giảm còn 2 sccm, hiệu suất đạt cao nhất bằng 22,34 %, Jsc = 38,71 mA/cm2 và tính chất quang điện tốt hơn so với trường hợp lưu lượng khí CO2 bằng 4 sccm [39].
Năm 2019, Duy Phong Pham và các cộng sự đã nghiên cứu các lớp xếp chồng ở lớp bán dẫn mặt trước của pin mặt trời dị thể có cấu trúc lớp emitter phía sau, các lớp xếp chồng gồm lớp μc-Si:H(n) và μc-SiOx:H(n). Lớp μc-Si:H(n) có thể pha tạp đậm và có hệ số hấp thụ thấp hơn so với a-Si:H tại vùng bước sóng ngắn, điều này giúp giảm hấp thụ kí sinh. Lớp μc-SiOx:H(n) được tạo ra bằng cách oxy hóa lớp μc- Si:H(n), nhờ vậy độ trong suốt sẽ được cải thiện mà không làm ảnh hưởng đến độ dẫn điện. Ngoài ra, sự hiện diện của lớp a-Si:H còn giúp giảm độ dày và hệ số khúc xạ của lớp μc-SiOx:H(n). Nhưng việc tạo lớp mỏng μc-SiOx:H(n) có chất lượng tinh thể cao mà không làm ảnh hưởng đến lớp a-Si:H bên dưới là một thách thức. Chính vì vậy họ đã tiến hành tạo lớp mỏng μc-Si:H(n) trong điều kiện pha loãng hydro cao và mật độ năng lượng plasma thấp rồi tiếp sau đó phát triển lớp μc-SiOx:H(n). Đánh giá độ dày tối ưu của lớp μc-SiOx:H(n) bằng độ chất lượng tinh thể và độ dẫn điện, phân tích các thơng số đặc trưng của pin mặt trời bao gồm Voc, Jsc, FF. Kết quả thu được
là Jsc tăng 2,64 %, Voc tăng 0,56 % khi sử dụng lớp μc-Si:H(n). Tăng Jsc là do giảm
sự mất mát hấp thụ kí sinh của lớp bán dẫn mặt trước, còn Voc tăng là do được tăng cường xử lý thụ động bề mặt của wafer khi phát triển lớp mầm trong môi trường plasma hydro. Độ dày lớp μc-SiOx:H(n) thấp làm giảm khả năng tái hợp cặp điện tử - lỗ trống. Khi tối ưu hóa lớp μc-Si:H(n) và μc-SiOx:H(n), hiệu suất chuyển đổi năng lượng đạt được là η = 21,8 %, thế hở mạch Voc = 727 mV, mật độ dòng ngắn mạch Jsc = 39 mA/cm2 và hệ số lấp đầy FF = 77 % trong điều kiện chế tạo trong phịng thí
21 Năm 2019, Janne-Petteri Niemelä và nhóm nghiên cứu đã thay thế lớp oxit dẫn điện trong suốt In2O3:Sn bằng lớp nguyên tử lắng đọng ZnO:Al của pin mặt trời dị thể có thiết kế emitter phía sau. Vật liệu In2O3:Sn có độ linh động hạt mang điện cao và dễ dàng lắng đọng bằng phương pháp phún xạ. Tuy nhiên, trong quá trình phún xạ sẽ làm tăng các liên kết chưa bão hòa ở bề mặt, thêm vào đó nguồn vật liệu Indium rất khan hiếm nên cần phải tìm vật liệu khác để thay thế. Trong khi đó vật liệu ZnO:Al có độ linh động cao và dồi dào nên rất khả thi để thay thế In2O3:Sn. Phương pháp lắng đọng lớp nguyên tử được lựa chọn để lắng đọng lớp ZnO:Al mà không tạo ra các sai hỏng ở bề mặt. Kết quả của nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu suất của loại pin này cao hơn 21 % khi dùng lớp nguyên tử lắng đọng ZnO:Al với vai trò là lớp oxit dẫn điện trong suốt phía trước hoặc sau. Các phép đo chỉ ra rằng, các lớp bao gồm a-Si:H(i,p) và a-Si:H(i,n) có sự thụ động hóa học tốt, khi lắng đọng lớp ZnO:Al không làm thay đổi tính thụ động hóa học của a-Si:H(i,p) và a-Si:H(i,n). Có thể tăng sự thụ động với tiếp xúc a-Si:H(p)/ZnO:Al bằng cách giảm pha tạp Al. Việc giảm pha tạp Al kết hợp với cấu trúc emitter phía sau cho phép Jph cao hơn do giảm sự hấp
thụ hạt mang điện tự do trong ZnO:Al. Khuyến khích sử dụng pin mặt trời dị thể thay thế lớp oxit dẫn điện In2O3:Sn mà hiệu suất vẫn không bị giảm đi [41].
Năm 2019, Hyeongsik Park và nhóm nghiên cứu đã thực hiện nghiên cứu mô phỏng lớp bán dẫn mặt trước của pin mặt trời dị thể có cấu trúc emitter phía sau và đạt được hiệu suất 25 %. Họ nhận thấy trong pin mặt trời dị thể có cấu trúc emitter phía sau ít sự hấp thụ kí sinh hơn phía trước, giảm thất thốt quang học. Do đó việc tối ưu hóa pin mặt trời dị thể emitter phía sau chỉ cần tập trung tối ưu các yếu tố như: bề mặt, sự di chuyển hạt mang điện và sự tái hợp cặp điện tử - lỗ trống. Bên cạnh đó, lớp bán dẫn mặt trước bao gồm nhiều lớp khác nhau và tính chất quang điện của các lớp này có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của pin mặt trời dị thể. Vì vậy họ đã thực hiện mô phỏng bằng phần mềm AFORS - HET để tối ưu lớp μc-Si:H(n) khi thay đổi cơng thốt điện tử TCO, độ rộng vùng cấm quang học, nồng độ pha tạp; sau đó họ thực hiện so sánh với vật liệu có độ rộng vùng cấm khác như a-Si:H(n) và μc- SiO:H(n) để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời dị thể. Tiếp theo là tối ưu hóa lớp hấp thụ c-Si(n) để nâng cao hiệu suất. Kết quả thu được pin có hiệu suất bằng 24,01 % khi tối ưu hóa lớp a-Si:H(n) với các thông số: nồng độ pha tạp Nd = 1016 cm-3, độ dày T = 3 nm, ái lực điện tử χ = 4,1 eV. Đối với lớp μc-Si:H(n), Jsc = 39,71 mA/cm2,
Nd = 1020 cm-3. Đối với lớp μc-SiO:H(n), hiệu suất đạt 25,35 %, Jsc = 42,04 mA/cm2,
Voc = 755,3 mV và FF = 79,82 % khi điều chỉnh nồng độ pha tạp Nd = 1019 cm-3, ái lực điện tử χ = 4,1 eV [15].
22
Nhiệm vụ đồ án
Như vậy đa số các cơng trình nghiên cứu về pin mặt trời dị thể có cấu trúc emitter phía sau đều là nghiên cứu thực nghiệm. Việc mơ phỏng tính tốn trước các thông số của pin mặt trời là vô cùng quan trọng, giúp tiết kiệm được thời gian, công sức, cũng như chi phí ngun vật liệu trong q trình nghiên cứu. Nhưng hiện nay có rất ít cơng trình nghiên cứu bằng mô phỏng tổng thể các đặc trưng của pin mặt trời có cấu trúc emitter phía sau và cụ thể là chưa có cơng trình nghiên cứu mơ phỏng đồng thời về các tính chất của lớp TCO, lớp a-Si:H(n+) và lớp hấp thụ c-Si(n) . Từ những lí do trên, luận văn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía sau” với sự ảnh
hưởng của các yếu tố bao gồm: cơng thốt điện tử của lớp TCO; nồng độ pha tạp và độ dày lớp a-Si:H(n+); mật độ oxy, điện trở suất và độ dày lớp hấp thụ c-Si(n).
23