Nghiên cứu ảnh hưởng của lớp chức năng nano ZnO đến hoạt động của pin mặt trời màng mỏng glass/TCO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me lắng đọng bằng phương pháp USPD-ILGAR

1




Mục lục
Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt 4
Danh mục các bảng 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8
MỞ ĐẦU 12
CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 16
1.1 Năng lƣợng mặt trời - nguồn năng lƣợng của tƣơng lai 16
1.2 Hiệu ứng PV (PhotoVoltaic Effect) và linh kiện quang điện sử dụng hiệu ứng PV 19
1.3 Cơ sở vật lý của pin mặt trời 21
1.3.1 Nguyên lý hoạt động 21
1.3.2 Đặc trƣng J-V 21
1.4 Pin mặt trời màng mỏng chalcopyrite 29
1.4.1 Cấu trúc của pin mặt trời màng mỏng chalcopyrite 29
1.4.2 Vật liệu chalcopyrite 30
1.5 Pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano 32
1.5.1 Các tính chất cơ bản của vật liệu cấu trúc nano 32
1.5.2 Giản đồ năng lƣợng của pin mặt trời cấu trúc nano 36
1.5.3 Các cấu hình pin mặt trời cấu trúc nano 37
1.6 Vật liệu kẽm oxide (ZnO) 38
1.6.1 Vật liệu ZnO 38
1.6.2 Công nghệ lắng đọng các lớp chức năng của pin mặt trời 41
Kết luận chƣơng 45
CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ LẮNG ĐỌNG CÁC LỚP CHỨC NĂNG
TRONG CẤU TRÚC PMT MÀNG MỎNG 46
2.1 Nghiên cứu lắng đọng màng nano ZnO bằng phƣơng pháp USPD 47
2.1.1 Thực nghiệm 47

2.1.1.1 Chuẩn bị hóa chất 47
2.1.1.2 Lắng đọng màng nano ZnO 48
2.1.2 Kết quả và thảo luận 48
2.1.2.1 Lựa chọn dung môi 48
2.1.2.2 Ảnh hƣởng của các anion 53
2.1.2.3 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lắng đọng 57
2.1.2.4 Ảnh hƣởng của loại đế 62
2.1.2.5 Ảnh hƣởng của tốc độ lắng đọng 65
2



2.1.2.6 Ảnh hƣởng của nồng độ muối kẽm 67
2.1.2.7 Ảnh hƣởng của sự pha tạp In và Al 69
2.2 Nghiên cứu lắng đọng lớp hấp thụ CuInS
2
bằng phƣơng pháp USPD 73
2.2.1 Chuẩn bị hóa chất 73
2.2.2 Lắng đọng màng CuInS
2
73
2.2.3 Kết quả và thảo luận 74
2.3 Nghiên cứu lắng đọng lớp đệm CdS bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR 78
2.3.1 Tại sao lại cần lớp đệm trong pin mặt trời màng mỏng 78
2.3.2 Màng CdS 78
2.3.3 Lắng đọng lớp đệm nano CdS bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR 79
2.3.3.1 Chuẩn bị hóa chất 79
2.3.3.2 Thực nghiệm 79
2.3.4 Kết quả và Thảo luận 79
CHƢƠNG 3 KHẢO SÁT CÁC PHÂN BIÊN ZnO/CdS VÀ CdS/CuInS

2

BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ TRỞ KHÁNG PHỨC CIS 84
3.1 Phƣơng pháp phổ trở kháng phức CIS 84
3.2 Ứng dụng phƣơng pháp phổ trở kháng phức để nghiên cứu các linh kiện cấu trúc lớp 86
3.3 Thực nghiệm 88
3.3.1 Chuẩn bị mẫu 88
3.3.2 Khảo sát các phân biên ZnO/CdS và CdS/CuInS
2
88
3.4 Kết quả và thảo luận 90
3.4.1 Khảo sát phổ CIS của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Ag 90
3.4.2 Mô hình hóa hệ vật liệu Ag/ITO/ZnO/CdS/CuInS
2
/Ag 90
Kết luận chƣơng 100
CHƢƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM PIN MẶT TRỜI CẤU TRÚC
NANO HỆ GLASS/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
101
4.1 Thiết kế pin mặt trời cấu trúc lớp kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me… …… 101
4.1.1 Mô hình số .101
4.1.2 Chƣơng trình mô phỏng SCAPS .
4.1.3 Thiết kế pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano 104
4.1.3.1 Lựa chọn cấu trúc 104
4.2 Chế tạo pin mặt trời màng mỏng cấu trúc Glass/ ITO/nanoZnO/CdS/CuInS

2
/Me 113
4.2.1 Đặc trƣng quang điện của pin mặt trời màng mỏng hệ Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
115
4.2.1.1 Ảnh hƣởng của chiều dày lớp hấp thụ CuInS
2
115
4.2.1.2 Ảnh hƣởng của lớp cửa sổ nano ZnO 118
3



Kết luận chƣơng 119
KẾT LUẬN 121
TÀI LIỆU THAM KHẢO 122
Danh mục các công trình đã công bố của Luận án 134
Phụ lục……………………………………………………………………………… ……134

4



Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các ký hiệu

Ký hiệu
Tên tiếng Anh
Tên tiếng Việt
A
Quality factor
Hệ số phẩm chất
D
Average crystallite size
Kích thƣớc tinh thể trung bình
E
Energy

Năng lƣợng
e

Electron
Điện tử
E
A

Ionization energy
Năng lƣợng ion hóa
E
C
Conduction band energy
Năng lƣợng vùng dẫn
E
F
Fermi energy
Năng lƣợng Fermi
E
g
Optical band gap energy
Độ rộng vùng cấm quang
E
V
Valence band energy
Năng lƣợng đỉnh vùng hoá trị
ff
fill factor
Hệ số điền đầy
h

Hole
Lỗ trống
J
Current density
Mật độ dòng
J
max

Current density at maximum power
output
Mật độ dòng ở công suất ra cực đại
J
SC

Short circuit current density
Mật độ dòng ngắn mạch
R
Resistance between the contacts
Điện trở tiếp xúc
R
S

Serial resistance
Điện trở nối tiếp
R
sh

Shunt resistance
Điện trở ngắn mạch
R

sheet

Sheet resistance
Điện trở bề mặt
t
Time
Thời gian
T
Transmitance
Độ truyền qua
T
A

Absolute temperature
Nhiệt độ tuyệt đối
T
C
Calcined temperature
Nhiệt độ ủ
5



T
e

Enviromental temperature
Nhiệt độ làm việc, nhiệt độ môi
trƣờng
T

S

Substrate temperature
Nhiệt độ đế
V
Voltage
Điện áp
V
max

Voltage at maximum power output
Điện áp ở công suất ra cực đại

V
OC

Open circuit voltage
Điện áp hở mạch

Absorption coefficient
Hệ số hấp thụ

Thickness
Chiều dày

Conversion efficiency of the solar cell
Hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời
λ
Wavelength
Bƣớc sóng

λ
ex
Excitation wavelength
Bƣớc sóng kích thích

e

Electron mobility
Độ linh động điện tử

p

Hole mobility
Độ linh động lỗ trống

Resistivity
Điện trở suất

6



Danh mục các chữ viết tắt

Ký hiệu
Tên tiếng Anh
Tên tiếng Việt
AFM
Atomic Force Microscope
Hiển vi lực nguyên tử
CBD
Chemical Bath Deposition
Lắng đọng bể hóa học
CH
Chacopyrite structure
Cấu trúc Chacopyrite
CIS
Complex Impedance Spectroscopy
Phổ trở kháng phức
CVD
Chemical vapour deposition
Lắng đọng từ pha hơi hóa học
EDX
Energy Dispersive X-ray
Tán sắc năng lƣợng tia X
ETA

Extremely thin absorber
Chất hấp thụ chiều dày rất mỏng
FESEM
Field Emission Scanning Electron
Microscope
Hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng
FTO
Tin oxide doped Fluorine
Ôxit thiếc pha tạp Flo
FWHM
Full width at half maximum
Độ rộng bán cực đại
ILGAR
Ion Layer Gas Reaction
Phản ứng pha khí lớp ion
ITO
Tin oxide doped Indium
Ôxit thiếc pha tạp Indi
IZO
Zinc oxide doped Indium
Ôxit kẽm pha tạp Indi
PV
Photovoltaic Effect
Hiệu ứng quang điện
PMT
Solar cells
Tế bào mặt trời
SCAPS-
1D
Solar Cell CAPacitance Simulator in

1 Dimension
CAP-mô phỏng một chiều pin mặt
trời
SEM
Scanning Electron Microscope
Hiển vi điện tử quét
SPD
Spray Pyolysis Deposition
Phun phủ nhiệt phân
TCO
Transparent conducting oxide
Ôxít dẫn điện trong suốt
USPD
Ultrasonic Spray Pyolysis Deposition
Phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm
UV-VIS
UV-VIS Spectrophotometer
Máy quang phổ hấp thụ UV-VIS
XRD
X-ray diffraction
Nhiễu xạ tia X

7



Danh mục các bảng
Bảng 1.1 Dự báo công suất năng lượng tái tạo năm 2030-2035 và năm 2050 [143] 18
Bảng 1.2 Các thông số đặc trưng của PMT CuInS
2

lý tưởng và PMT CuInS
2
thực đạt
hiệu suất cao nhất hiện nay [71],[153] 31
Bảng 1.3 Một số tính chất vật lý của vật liệu ZnO 39

Bảng 2.1 Bảng tóm tắt các phương pháp sử dụng để khảo sát các lớp chức năng 46
Bảng 2.2 Danh mục các hóa chất sử dụng 47
Bảng 2.3 Trị số đường kính aerosol phụ thuộc loại dung môi 48
Bảng 2.4 Các kiểu dao động của màng nano ZnO 51
Bảng 2.5 Các thông số kích thước màng ZnO phụ thuộc nhiệt độ lắng đọng 59
Bảng 2.6 Hàm lượng của các nguyên tố trong các mẫu 70
Bảng 2.7 Thông số điện của các mẫu 72
Bảng 2.8 Danh mục hóa chất sử dụng 73
Bảng 2.9 Các thông số cấu trúc và kích thước tinh thể của các mẫu CIS-06, CIS-08, CIS-12,
CIS-21 và CIS-26 74
Bảng 2.10 Thành phần các nguyên tố trong các mẫu CIS-06, CIS-08, CIS-12, CIS-21, CIS-26 . 75
Bảng 2.11 Các thông số điện của mẫu lắng đọng với chiều dày khác nhau 78
Bảng 2.12 Danh mục hóa chất sử dụng 79
Bảng 2.13 Các thông số điện của các mẫu CdS lắng đọng 82

Bảng 3.1 Số liệu mô phỏng theo sơ đồ tương đương của hệ vật liệu
Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Ag 91

Bảng 4.1 Các thông số đầu vào mô phỏng ảnh hưởng của nhiệt độ T
e
106
Bảng 4.2 Kết quả mô phỏng theo nhiệt độ T

e
107
Bảng 4.3 Thông số cơ bản đầu vào mô phỏng 109
Bảng 4.4 Các thông số của PMT mô phỏng bằng SCAPS-1D khi chiều dày lớp hấp thụ
thay đổi 111
Bảng 4.5 Các thông số quang điện của pin mặt trời mô phỏng bằng SCAPS-1D 112
Bảng 4.6 Các thông số quang điện của pin mặt trời với chiều dày lớp hấp thụ khác nhau 116
Bảng 4.7 Các thông số đầu vào mô phỏng sử dụng trong trường hợp so sánh với mẫu thực nghiệm 116
Bảng 4.8 So sánh thông số của mẫu thực nghiệm PMT -10 và mẫu mô phỏng M05 118
Bảng 4.9 Các thông số quang điện của pin mặt trời với nồng độ muối kẽm acetat khác nhau 119
8




Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1 Xu hướng tiêu thụ năng lượng toàn cầu từ 1990 đến 2040 [16] 16
Hình 1.2 Công suất các nguồn năng lượng tái tạo trong những năm gần đây (1) Năng
lượng tái tạo hydro, (2) năng lượng gió, (3) năng lượng sinh khối, (4) năng lượng mặt
trời, (5) năng lượng địa nhiệt [130] 17
Hình 1.3 Sự phát triển của các thế hệ pin mặt trời [17] 20
Hình 1.4 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 21
Hình 1.5 Cấu trúc một chiều của PMT chuyển tiếp PN đồng chất 22
Hình 1.6 Đồ thị mật độ dòng ngắn mạch J
sc
phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm E
g
[9], [172] 24
Hình 1.7 Đồ thị điện áp hở mạch V
oc

phụ thuộc vào 25
Hình 1.8 Đồ thị hiệu suất quang điện

phụ thuộc 25
Hình 1.9 Đặc trưng J-V của PMT trong điều kiện trong tối và chiếu sáng [89] 26
Hình 1.10 Sơ đồ tương đương của PMT thực [183][180] 27
Hình1.11 Đồ thị phụ thuộc ảnh hưởng của các điện trở lên đặc trưng J-V sáng
[180],[128],[89] a)Ảnh hưởng của R
S
b) Ảnh hưởng của R
sh
27
Hình 1.12 Cấu trúc PMT màng mỏng chalcopyrite [11] 30
Hình 1.13 Trạng thái điện tử của bán dẫn khối(a), tinh thể nhỏ(b) và phân tử(c) 33
Hình 1.14 Giản đồ năng lượng của các bán dẫn 34
Hình 1.15 Giản đồ năng lượng trong hai trường hợp (giả thiết rằng năng lượng vùng cấm của
bán dẫn A lớn hơn bán dẫn B và các photon được hấp thụ trong B) 35
Hình 1.16 Giản đồ năng lượng của pin mặt trời cấu trúc nano 36
Hình 1.17 Sơ đồ các dạng cấu trúc của pin mặt trời cấu trúc nano 37
Hình 1.18 Cấu trúc tinh thể Wurtzite của vật liệu ZnO 38
Hình 1.19 Cấu trúc vùng năng lượng của hợp chất A
II
B
VI
(a) và của ZnO (b) 40
Hình 1.20 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun phủ nhiệt phân [95][160] 41
Hình 1.21 Sơ đồ khối hệ phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm 42
Hình 1.22 Hệ thiết bị USPD kết hợp ILGAR 44

Hình 2.1 Cấu trúc pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano 47

Hình 2.2 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở T
S
=420
o
C với các tỉ lệ
thể tích của C
3
H
7
OH và nước (ảnh trái là độ phóng đại 100k, ảnh phải là độ phóng đại
25k) (a) V
C3H7OH
:V
H2O
= 3:3 (b) V
C3H7OH
:V
H2O
=3:2 (c) V
C3H7OH
:V
H2O
= 3:1 49
Hình 2.3 Sự va chạm của các aerosol lên trên bề mặt đế nóng [144] 50
Hình 2. 4 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở T
S
=420
o
C 52
Hình 2.5 Kết quả tách phổ Raman thu được trong dải số sóng 300 ÷ 500 cm

-1
bằng kỹ
thuật tách phổ trên cơ sở phân bố Lorenzt 53
9



Hình 2.6 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng với các nguồn muối kẽm
(ảnh trái là độ phóng đại 100k, ảnh phải là độ phóng đại 25k) 54
Hình 2.7 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng với các nguồn muối kẽm 55
Hình 2.8 Kết quả tách phổ Raman thu được trong dải số sóng 300 ÷ 500 cm
-1
55
Hình 2.9 Phổ truyền qua của các mẫu nano ZnO lắng đọng với các nguồn muối kẽm
(a) Z-A (b) Z-N và (c) Z-C 56
Hình 2.10 Đồ thị quan hệ giữa (

h

)
2
và h

của mẫu màng nano ZnO lắng đọng với các
nguồn muối (a) Z-A (b) Z-N và (c) Z-C 57
Hình 2.11 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở nhiệt độ T
S
=
400÷500
o

C (a) Z-400, (b) Z-420, (c) Z-450 và (d) Z-500 58
Hình 2.12 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở nhiệt
T
S
= 400÷500
o
C 58
Hình 2.13 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở nhiệt độ
T
S
= 400÷500
o
C 60
Hình 2.14 Kết quả tách phổ Raman trong dải số sóng 300 ÷ 500 cm
-1
các mẫu màng nano
ZnO (a) Z-400 (b) Z-420 (c) Z-450 và (d) Z-500………………………………………….60
Hình2.15 Phổ truyền qua của mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở nhiệt độ T
S
= 400÷500
o
C 61
Hình 2.16 Đồ thị quan hệ giữa (

h

)
2
với h


của mẫu lắng đọng ở nhiệt độ
T
S
= 400÷500
o
C 62
Hình 2.17 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng trên các đế
(a) Z-G (b) Z-I và (c) Z-F 63
Hình 2.18 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng trên các đế
(a) Z-G, (b) Z-I và (c) Z-F 63
Hình 2.19 Phổ truyền qua các mẫu màng nano ZnO lắng đọng trên các đế
(a) Z-G, (b) Z-I và (c) Z-F 64
Hình 2.20 Đồ thị quan hệ giữa (

h

)
2
với h

của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng trên
các đế (a) Z-G, (b) Z-I và (c) Z-F 64
Hình 2.21 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở các tốc độ
lắng đọng (a) Z-05, (b) Z-1 và (c) Z-4 65
Hình 2.22 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở các tốc độ lắng đọng
(a) Z-05, (b) Z-1 và (c) Z-4 66
Hình 2.23 Phổ truyền qua của mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở các tốc độ lắng đọng
(a) Z-05, (b) Z-1 và (c) Z-4 66
Hình 2.24 Đồ thị quan hệ (αhυ)
2

và hυ của mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở các tốc độ
lắng đọng (a) Z-05, (b) Z-1 và (c) Z-4 67
Hình 2.25 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở các nồng độ muối kẽm
(a) Z-005 (b) Z-01 (c) Z-02 và (d) Z-04 68
Hình 2.26 Phổ truyền qua của mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở các nồng độ muối kẽm
(a) Z-001 (b) Z-005 (c) Z-01 (d) Z-02 và (e) Z-04 68
Hình 2.27 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu pha tạp In (a) và Al (b) 69
10



Hình 2.28 Sự phụ thuộc của kích thước tinh thể vào nồng độ tạp chất 70
Hình 2.29 Ảnh FESEM của các mẫu IZO và AZO lắng đọng với nồng độ pha tạp khác nhau 71
Hình 2.30 Phổ truyền qua của mẫu ZnO pha tạp Indi và Nhôm 72
Hình 2. 31 Đồ thị quan hệ giữa (

h

)
2
với h

của các mẫu ZnO pha tạp Indi và Nhôm
(a) IZO và (b) AZO 72
Hình 2.32 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu CuInS
2
74
Hình 2.33 Ảnh AFM của các mẫu CuInS
2
(a) CIS-12, (b) CIS-21 và (c) CIS-26 75

Hình 2.34 Độ truyền qua của các mẫu 76
Hình 2.35 Hệ số hấp thụ của các mẫu 77
Hình 2.36 Đồ thị quan hệ quan hệ (

h

)
2
vào h

các mẫu 77
Hình 2.37 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu màng CdS 79
Hình 2.38 Ảnh AFM 3D của các mẫu màng CdS 80
Hình 2.39 Độ truyền qua của các màng CdS 81
Hình 2.40 Đồ thị quan hệ (

h

)
2
với h

của các màng CdS 81

Hình 3.1 Biểu diễn vector Fresnel trên mặt phẳng phức 85
Hình 3.2 Sơ đồ tương đương của hệ vật liệu (a) và phổ CIS tương ứng (b) 86
Hình 3.3 Cấu trúc pin mặt trời màng mỏng CuInS
2
(a) và giản đồ năng lượng (b) 87
Hình 3.4 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời màng mỏng

Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me (a) và phổ CIS của hệ vật liệu
Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me (b) 87
Hình 3.5 Sơ đồ lắng đọng các lớp chức năng trong cấu trúc PMT
Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
88
Hình3.6 Hệ đo phổ CIS 89
Hình3.7 Sơ đồ khối hệ đo phổ CIS 89
Hình 3.8 Phổ CIS của mẫu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Ag khi chiều dày lớp CdS
thay đổi 90
Hình 3.9 Sơ đồ tương đương của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Ag 91
Hình 3.10 Phổ CIS của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Ag khi chiều dày lớp CdS
thay đổi 92
Hình 3.11 Sự phụ thuộc của C
j
(phân biên CdS/CuInS
2
) vào chiều dày lớp CdS 93
Hình 3.12 Mô hình chuyển tiếp PN khi


CdS
=0 nm 93
Hình 3.13 Mô hình chuyển tiếp PN khi

CdS
=30nm 94
Hình 3.14 Mô hình chuyển tiếp PN khi

CdS
=60nm 94
Hình 3.15 Mô hình chuyển tiếp PN khi

CdS

60nm 95
Hình 3.16 Sự phụ thuộc của C
n
(phân biên ZnO/CdS) vào chiều dày lớp CdS 95
Hình 3.17 Sự phụ thuộc của giá trị CPE-
P
vào chiều dày lớp CdS 96
11



Hình 3.18 Phổ CIS của các mẫu ZnO/CdS với

CdS
=80nm và ZnO lắng đọng
ở các nồng độ muối kẽm acetat (a) Z-005 (b) Z-01 (c) Z-04 97

Hình 3.19 Ảnh FESEM của các mẫu ZnO lắng đọng ở các nồng độ muối kẽm acetat
(a) Z-005 (b) Z-01 (c) Z-04 98
Hình 3.20 Phổ CIS của các mẫu ZnO/CdS/CuInS
2
với

CdS
=80nm và ZnO lắng đọng ở các
nồng độ muối kẽm acetat (a) Z-005 (b) Z-01 (c) Z-04 99

Hình 4.1 Quy trình mô hình hóa để cải thiện hiệu suất quang điện 101
Hình 4.2 Giao diện sử dụng phần mềm SCAPS 102
Hình 4.3 Giản đồ vùng năng lượng, mật độ hạt tải, mật độ dòng điện 103
Hình 4. 4 Cấu trúc pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano 105
Hình 4.5 Giản đồ năng lượng của pin mặt trời mặt trời màng mỏng 105
Hình 4.6 Đồ thị phụ thuộc các thông số đặc trưng theo nhiệt độ làm việc 108
Hình 4.7 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch,(b) mật độ dòng ngắn mạch, (c) hệ số lấp đầy
(d) hiệu suất chuyển đổi theo 
CuInS2
112
Hình 4.8 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch (b) mật độ dòng ngắn mạch, (c) hệ số lấp đầy
(d) hiệu suất chuyển đổi theo

CdS
113
Hình 4. 9 Sơ đồ khối công nghệ chế tạo PMT Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me 114
Hình 4.10 Đặc trưng J-V sáng của pin mặt trời chế tạo 115
Hình 4.11 So sánh đặc trưng J-V của mẫu thực nghiệm và mẫu mô phỏng 117

Hình 4.12 Đặc trưng J-V sáng của pin mặt trời chế tạo 119












12




MỞ ĐẦU

Theo thông báo của Cơ quan Thông tin Năng lƣợng (EIA) của Bộ Năng lƣợng Mỹ
trong “Outlook Năng lƣợng Quốc tế” năm 2013 thì trong khoảng từ năm 2010 đến 2040
mức tiêu thụ năng lƣợng thế giới dự kiến tăng 56%.
Thật vậy, hiện nay nhân loại đang đối diện trƣớc ba “thách thức năng lƣợng” to lớn:
1) Sự cạn kiệt nhanh chóng các nguồn nhiên liệu hóa thạch
2) Sự biến đổi theo chiều hƣớng xấu của khí hậu toàn cầu
3) Nhu cầu sử dụng các dạng năng lƣợng ngày càng tăng
Các thách thức kể trên đều có nguyên nhân từ con ngƣời, mà trong đó nguyên nhân sự biến
đổi khí hậu chính là sự gia tăng nhanh khí nhà kính trong khí quyển (CO
2

) do nhiên liệu hóa
thạch bị đốt cháy [1],[2]–[4].
Có thể thấy rằng, vấn đề an ninh năng lƣợng đang trở nên nóng bỏng hơn bao giờ hết và
đây chính là vấn đề mang tính cấp thiết trong bối cảnh cả thế giới đứng trƣớc bài toán hết
sức khó khăn là tìm kiếm các nguồn năng lƣợng bền vững, thân thiện với môi trƣờng để
thay thế cho các nguồn năng lƣợng truyền thống đang dần cạn kiệt. Trong bối cảnh này,
việc nghiên cứu sử dụng các dạng năng lƣợng tái tạo đang nhận đƣợc sự quan tâm đặc biệt
của các nhà khoa học và nhiều quốc gia trên thế giới [4]–[9]. Theo trích dẫn báo cáo mới
nhất của IPCC [10] ƣớc tính: “Gần 80% nhu cầu tiêu thụ năng lƣợng trên thế giới có thể
đƣợc đáp ứng bằng năng lƣợng tái tạo vào giữa thế kỷ này nếu các chính phủ áp dụng hiệu
quả những chính sách khuyến khích sử dụng năng lƣợng sạch”. Báo cáo của IPCC cũng
cho biết, việc chuyển sang sử dụng các nguồn năng lƣợng sạch sẽ giúp giảm đáng kể lƣợng
khí thải gây hiệu ứng nhà kính - một trong những nguyên nhân hàng đầu làm biến đổi khí
hậu, dẫn tới sự gia tăng lũ lụt, hạn hán và mực nƣớc biển dâng.
Tại Việt Nam, năng lƣợng tái tạo cũng đƣợc sự quan tâm to lớn của Chính phủ. Tại hội
thảo quốc tế “Điện mặt trời công nghiệp: Từ sản xuất đến khai thác hiệu quả”, Phó thủ
tƣớng Hoàng Trung Hải đã khẳng định: “Năng lƣợng hiện nay đã trở thành vấn đề thời sự,
là yếu tố quan trọng quyết định đến sự ổn định và phát triển kinh tế - xã hội của quốc gia.
Trƣớc dự báo đến năm 2015 nƣớc ta sẽ bắt đầu phải nhập khẩu năng lƣợng thì bài toán
năng lƣợng càng trở lên quan trọng và cấp bách hơn bao giờ hết ", "việc phát triển nguồn
năng lƣợng mới, trong đó có điện mặt trời khi năng lƣợng hóa thạch đang dần cạn kiệt là
mục tiêu quan trọng ” và “việc phát triển điện mặt trời ở Việt Nam sẽ góp phần hoàn
thành mục tiêu sử dụng năng lƣợng tái tạo chƣơng trình điện khí hóa nông thôn của Chính
phủ”. Tất cả những điều trên cho thấy năng lƣợng tái tạo, đặc biệt là năng lƣợng mặt trời
đang nhận đƣợc sự quan tâm vô cùng to lớn của toàn xã hội và hy vọng có thể là đáp án
góp phần giải quyết vấn đề năng lƣợng cho con ngƣời trong tƣơng lai.
Có thể nói, năng lƣợng mặt trời bắt đầu phát triển và hiện nay đang trên đà trƣởng
thành, mặc dù giá thành vẫn còn đắt hơn nhiều so với các nguồn năng lƣợng truyền thống.
Rõ ràng là, để thực hiện một sự thay đổi quyết định trong việc nâng cao hiệu suất, giảm giá
thành và đa dạng hóa các ứng dụng, lĩnh vực năng lƣợng mặt trời cần đầu tƣ nhân lực,

công nghệ và tài chính đáng kể.
Nhiều chuyên gia trong lĩnh vực năng lƣợng mặt trời có cách nhìn rất lạc quan về tƣơng
lai của năng lƣợng mặt trời. Thực tế cho thấy, sự phát triển của pin mặt trời trong những
13



năm gần đây bắt đầu cạnh tranh với năng lƣợng gió và địa nhiệt. Nhiều dự đoán cho rằng,
công suất năng lƣợng mặt trời toàn cầu có thể đạt 400800 GW sớm nhất là năm 2020. Và
đến năm 2050, công suất năng lƣợng mặt trời toàn cầu có thể đạt 8000 GW [6].
Hiện nay, châu Âu chiếm 75% thị phần pin mặt trời trên toàn cầu. Tuy nhiên, một số
chuyên gia tin rằng điều này sẽ thay đổi trƣớc năm 2020 với thị phần của châu Âu sẽ giảm
xuống dƣới 50% và phần còn lại sẽ do Trung Quốc, Nhật Bản, và các nƣớc châu Á khác
chi phối.
Một loạt các yếu tố đã góp phần giảm giá thành năng lƣợng mặt trời nhƣ: khả năng
lắng đọng các màng mỏng trên diện tích lớn, khả năng tự động hóa công nghệ, khả năng
tăng hiệu suất quang điện,… Ngoài ra, các chuyên gia đã đƣa ra các hƣớng sau đây để có
thể giảm giá thành điện mặt trời hơn nữa, đó là:
1) Tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện các tế bào mặt trời. Cụ thể là với pin mặt trời
silicon hiệu suất quang điện  phải đạt 20†24% và đối với các pin mặt trời màng mỏng 
phải đạt 15% vào năm 2020.
2) Ứng dụng nhiều hơn và đa dạng hơn các pin mặt trời màng mỏng.
3) Đƣa vào ứng dụng các loại pin mặt trời trên cơ sở các vật liệu mới nhƣ pin mặt trời
nhuộm màu, pin mặt trời hữu cơ…v.v
4) Nghiên cứu sử dụng các vật liệu mới trong chế tạo pin mặt trời.
Nhƣ vậy có thể thấy, một trong các vấn đề thu hút sự quan tâm hết sức to lớn trên thế
giới và ở Việt Nam là nghiên cứu công nghệ chế tạo pin mặt trời và ứng dụng pin mặt trời
màng mỏng. Đây thực sự là vấn đề thời sự và bức thiết nhằm góp phần giải quyết bài toán
an ninh năng lƣợng, đặc biệt là hƣớng nghiên cứu pin mặt trời màng mỏng giá rẻ, hiệu suất
cao và thân thiện với môi trƣờng không sử dụng công nghệ chân không. Đây cũng là cơ sở

để chúng tôi lựa chọn nội dung nghiên cứu của bản luận án này.
Tên đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng của lớp chức năng nano ZnO đến hoạt động của
pin mặt trời màng mỏng glass/TCO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me lắng đọng bằng phương pháp
USPD-ILGAR’’
Mục đích nghiên cứu của luận án
1) Nghiên cứu và phát triển công nghệ lắng đọng không chân không:
 Phƣơng pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm USPD
 Phƣơng pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm-phản ứng pha khí lớp ion USPD-
ILGAR
2) Nghiên cứu lắng đọng lớp cửa sổ nanoZnO, nanoZnO:In, nanoZnO:Al, bằng phƣơng
pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm USPD để xác định quy trình công nghệ phù hợp.
3) Nghiên cứu lắng đọng lớp hấp thụ CuInS
2
bằng phƣơng pháp USPD để xác định quy
trình công nghệ phù hợp
4) Nghiên cứu lắng đọng lớp đệm CdS bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR để xác định
quy trình công nghệ phù hợp
5) Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số công nghệ lắng đọng tới tính chất của các phân
biên ZnO/CdS và CdS/CuInS
2
bằng phƣơng pháp phổ trở kháng phức CIS
6) Ứng dụng phần mềm SCAPS-1D để thiết kế pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo
kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me
7) Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo
14

Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
1) Nghiên cứu lắng đọng các lớp cửa sổ nanoZnO, nanoZnO:In, nanoZnO:Al, bằng
phƣơng pháp USPD. Nghiên cứu cấu trúc và tính chất quang - điện của các màng lắng
đọng khi thay đổi các thông số nhƣ tỉ lệ dung môi, loại đế sử dụng, nhiệt độ lắng đọng T
S
,
nguồn muối kẽm
2) Nghiên cứu lắng đọng lớp hấp thụ CuInS
2
bằng phƣơng pháp USPD. Khảo sát cấu
trúc và tính chất quang - điện của các màng lắng đọng với chiều dày thay đổi
3) Nghiên cứu lắng đọng lớp đệm CdS bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR. Khảo sát cấu
trúc và tính chất quang - điện của các màng lắng đọng với chiều dày thay đổi
4) Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số lắng đọng tới tính chất của các phân biên
ZnO/CdS và CdS/CuInS
2
bằng phƣơng pháp phổ trở kháng phức CIS
5) Mô phỏng pin mặt trời màng mỏng cấu trúc kiểu
Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me bằng phần mềm SCAPS-1D. Khảo sát ảnh hƣởng
của nhiệt độ làm việc, chiều dày lớp hấp thụ và chiều dày lớp đệm đến các thông số quang
điện của pin mặt trời. Xác định các thông số tối ƣu nhƣ chiều dày lớp hấp thụ và chiều dày
lớp đệm nhằm điều chỉnh các thực nghiệm chế tạo pin mặt trời.
6) Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc kiểu

Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR
Phương pháp nghiên cứu
Trong công trình này, chúng tôi đã sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm kết
hợp với các đoán nhận lý thuyết và phƣơng pháp mô phỏng bằng phần mềm Zview 3.0 và
SCAPS-1D. Tất cả các mẫu nghiên cứu trong luận án là các mẫu do chúng tôi tự chế tạo
trên các hệ thực nghiệm do chúng tôi xây dựng và phát triển.
Các phƣơng pháp lắng đọng bao gồm phƣơng pháp USPD và phƣơng pháp USPD-
ILGAR.
Chất lƣợng các mẫu đƣợc khảo sát bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X, phổ tán xạ
Raman, hiển vi điện tử quét và hiển vi lực nguyên tử. Hệ số hấp thụ và độ rộng vùng cấm
quang đƣợc xác định trên cơ sở phổ truyền qua UV-VIS. Tính chất điện của mẫu đƣợc
khảo sát bằng phƣơng pháp hiệu ứng Hall và đặc trƣng J-V. Đặc trƣng J-V sáng của pin
mặt trời đƣợc khảo sát ở điều kiện AM1.5 trên hệ đo Keithley 4200-SCS.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học
1) Nghiên cứu vật lý và công nghệ lắng đọng các lớp chức năng của pin mặt trời màng
mỏng cấu trúc kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me bằng phƣơng pháp USPD-
ILGAR
2) Lần đầu tiên đã xác định đƣợc quy trình công nghệ để lắng đọng các lớp chức năng
trong cấu trúc pin mặt trời màng mỏng bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR.
3) Lần đầu tiên đã sử dụng phƣơng pháp phổ trở kháng phức CIS để khảo sát các phân
biên ZnO/CdS và CdS/CuInS
2
trong cấu trúc pin mặt trời màng mỏng. Kết quả nghiên cứu
này cho phép đánh giá một cách định tính tính đồng nhất của các chuyển tiếp ZnO/CdS và
CdS/CuInS

2
và công nghệ lắng đọng chúng.
4) Cấu trúc nano của lớp cửa sổ ZnO đã ảnh hƣởng rõ rệt đến hoạt động và góp phần
gia tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin măt trời màng mỏng.
15



5) Các pin mặt trời màng mỏng kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me cấu trúc
đảo có hiệu suất chuyển đổi quang điện đạt ƞ= 1.84%. Đây là giá trị tƣơng đƣơng các kết
quả đã công bố quốc tế trong thời gian gần đây.
Ý nghĩa thực tiễn
1) Kết quả nghiên cứu công nghệ USPD-ILGAR cho phép ứng dụng công nghệ này để
lắng đọng các lớp chức năng trong các cấu trúc pin mặt trời màng mỏng khác nhau.
2) Công nghệ USPD-ILGAR cho phép mở ra khả năng ứng dụng một phƣơng pháp
công nghệ đơn giản, rẻ tiền để chế tạo pin mặt trời có giá thành thấp.
3) Cấu trúc pin mặt trời đảo kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me là cấu trúc có
thể sử dụng trong điều kiện nhiệt đới nóng ẩm.
Kết cấu của luận án
Ngoài phần “Mở đầu”, “Kết luận”, “Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt”, “Danh mục các
bảng”, “Danh mục các hình ảnh và hình vẽ”, “Danh mục các công trình đã công bố của Luận
án” và “Tài liệu tham khảo”, nội dung Luận án đƣợc trình bày trong 4 chƣơng nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan tài liệu
Chƣơng 2: Nghiên cứu công nghệ lắng đọng các lớp chức năng trong cấu trúc pin mặt
trời màng mỏng
Chƣơng 3: Khảo sát các phân biên ZnO/CdS và CdS/CuInS

2
bằng phƣơng pháp phổ
trở kháng phức CIS
Chƣơng 4: Thiết kế và chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc kiểu
Glass/ITO/ nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me











16



CHƢƠNG I
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 Năng lƣợng mặt trời - nguồn năng lƣợng của tƣơng lai
Lịch sử phát triển thế giới cho thấy, sự phát triển kinh tế toàn cầu luôn liên quan chặt
chẽ với sự gia tăng sử dụng năng lƣợng và phát thải của khí nhà kính GHG (Green House
Gas). Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học đã có những nỗ lực vô cùng to lớn để giải
quyết nhu cầu năng lƣợng ngày càng gia tăng trên toàn thế giới và giảm thiểu tới mức tối
đa sự gia tăng phát thải khí nhà kính. Theo thông báo của Cơ quan Thông tin Năng lƣợng

(EIA) của Bộ Năng lƣợng Mỹ trong “Outlook Năng lƣợng Quốc tế” của năm 2013 trong
khoảng từ năm 2010 đến 2040 thì mức tiêu thụ năng lƣợng thế giới dự kiến tăng 56%.
Năng lƣợng tiêu thụ năm 2010 khoảng là 524.10
15
Btu, thì năm 2020 dự kiến khoảng
630.10
15
Btu và năm 2040 dự kiến khoảng 820.10
15
Btu [2]. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng
tăng, EIA dự báo việc sử dụng than sẽ tăng mạnh trong vòng 20 năm tới cũng nhƣ sự gia
tăng mạnh trong việc phát triển các nguồn năng lƣợng tái tạo nhƣ là một trong những giải
pháp hữu hiệu đối với các nhu cầu về năng lƣợng. Hình 1.1 biểu diễn xu hƣớng tiêu thụ
các dạng năng lƣợng trên thế giới.
1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040
0
50
100
150
200
250
28%
27%
23%
15%
7%
34%
28%
22%
11%

5%
N¨ng l-îng h¹t nh©n
N¨ng l-îng t¸i t¹o
KhÝ tù nhiªn
Than
Láng
(gåm c¶ nhiªn liÖu sinh häc)



N¨m
N¨ng l-îng tiªu thô, 10
15
.Btu

Hình 1.1 Xu hướng tiêu thụ năng lượng toàn cầu từ 1990 đến 2040 [2]
Cũng cần lƣu ý rằng, khí nhà kính từ việc cung cấp các dịch vụ năng lƣợng đã góp phần
đáng kể vào sự gia tăng nồng độ khí nhà kính trong khí quyển. Báo cáo đánh giá thứ tƣ của
Ủy ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu IPCC (The Intergovernmental Panel on Climate
Change) (AR4) đã kết luận: "Hầu hết các gia tăng về nhiệt độ trung bình toàn cầu kể từ
giữa thế kỷ 20 liên quan chặt chẽ với sự gia tăng về nồng độ khí nhà kính do con ngƣời
thải ra"[21].
Các khảo sát gần đây đã chứng minh cho kết luận này, trong đó việc tiêu thụ nhiên liệu
hóa thạch do con ngƣời sử dụng chiếm phần lớn sự phát thải khí nhà kính. Sự phát thải khí
nhà kính tiếp tục gia tăng trong những năm gần đây và nồng độ CO
2
đã tăng lên hơn 31,2 tỉ
tấn năm năm 2010 tới 36,4 tỉ tấn năm 2020 và 45,5 tỉ tấn năm 2040 [2]. Có nhiều lựa chọn
cho việc giảm phát thải khí nhà kính từ các hệ thống năng lƣợng trong khi vẫn đáp ứng đủ
17

nhu cầu năng lƣợng toàn cầu. Một trong số các lựa chọn có thể là năng lƣợng tái tạo, năng
lƣợng hạt nhân, sự thu giữ các bon (Carbon Capture and Storage - CCS) nhƣ đã đƣợc đánh
giá trong AR4.












Hình 1.2 Công suất các nguồn năng lượng tái tạo trong những năm gần đây (1) Năng lượng tái
tạo hydro, (2) năng lượng gió, (3) năng lượng sinh khối, (4) năng lượng mặt trời,
(5) năng lượng địa nhiệt [6]
Năng lƣợng tái tạo, ngoài tiềm năng to lớn để giảm thiểu sự biến đổi khí hậu còn có thể
cung cấp cho con ngƣời những tiện ích hữu dụng khác khi sử dụng chúng. Năng lƣợng tái
tạo có thể, nếu đƣợc thực hiện đúng cách, sẽ góp phần phát triển kinh tế xã hội, tiếp cận
năng lƣợng vì là nguồn cung cấp năng lƣợng an toàn và giảm các tác động tiêu cực đến
môi trƣờng và sức khỏe.
Trong hầu hết các điều kiện cần có, việc tăng tỷ trọng sử dụng năng lƣợng tái tạo trong
hỗn hợp năng lƣợng sẽ cần những chính sách để kích thích những thay đổi trong hệ thống
năng lƣợng. Việc triển khai các công nghệ năng lƣợng tái tạo đã tăng lên nhanh chóng
trong những năm gần đây. Vì thế cần phải có các chính sách bổ sung để thu hút sự gia tăng

cần thiết trong đầu tƣ công nghệ và cơ sở hạ tầng.
Trong số các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng khác nhau (thủy điện, năng lƣợng
sinh khối, năng lƣợng gió và năng lƣợng mặt trời) thì năng lƣợng mặt trời là lĩnh vực phát
triển nhanh hơn cả với tốc độ tăng trƣởng bình quân hàng năm khoảng 60% trong những
năm gần đây[4],[6],[13]. Hình 1.2 và bảng 1.1 dƣới đây là dự báo công suất tiêu thụ năng
lƣợng tái tạo theo thông báo trong [4].
Năm 2003, trong tham luận “Động lực cho ứng dụng và phát triển pin mặt trời”, tác giả
Joachim Luther đã giải thích rằng, sự hấp dẫn của công nghệ pin mặt trời xuất phát từ hai
nguyên nhân sau: [8]
1) Khả năng sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời là rất cao, xếp hạng đầu tiên trong số
các nguồn năng lƣợng tái tạo. Đây là nguồn năng lƣợng đủ để sản xuất nhiều hơn gấp hai
lần nhu cầu dự kiến năng lƣợng thế giới cho năm 2030.
2) Năng lƣợng mặt trời là nguồn năng lƣợng bền vững. Nó không tạo ra khí thải độc
hại trong quá trình hoạt động, có thể sản xuất điện không có khí thải, có khả năng mở rộng
và hết sức linh hoạt.
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
0
50
100
150
200
250
300
350
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)

C«ng suÊt n¨ng l-îng t¸i t¹o,
GW
N¨m
18



Bảng 1.1 Dự báo công suất năng lượng tái tạo năm 2030-2035 và năm 2050 [4]
Hiện nay, năng lƣợng mặt trời đang nhận đƣợc sự quan tâm đặc biệt trên toàn thế giới.
Ở các nƣớc phát triển, các nhà máy năng lƣợng mặt trời đã đƣợc hòa với lƣới điện quốc
gia, trong khi ở các nƣớc đang phát triển, các nhà máy năng lƣợng mặt trời lại hoạt động
nhƣ các đơn vị độc lập.
Có thể nói, năng lƣợng mặt trời bắt đầu phát triển và hiện nay đang trên đà trƣởng
thành, mặc dù giá thành vẫn còn đắt hơn nhiều so với các nguồn năng lƣợng truyền thống.
Rõ ràng là, để thực hiện một sự thay đổi quyết định trong việc nâng cao hiệu suất, giảm giá
thành và đa dạng hóa các ứng dụng, lĩnh vực năng lƣợng mặt trời cần đầu tƣ nhân lực,
công nghệ và tài chính đáng kể.
Nhiều chuyên gia trong lĩnh vực năng lƣợng mặt trời có cách nhìn rất lạc quan về tƣơng
lai của năng lƣợng mặt trời. Thực tế cho thấy, sự phát triển của pin mặt trời trong những
năm gần đây bắt đầu cạnh tranh với năng lƣợng gió và địa nhiệt. Nhiều dự đoán cho rằng,
công suất năng lƣợng mặt trời toàn cầu có thể đạt 400800 GW sớm nhất là năm 2020. Và
đến năm 2050, công suất năng lƣợng mặt trời toàn cầu có thể đạt 8000 GW [6].
Hiện nay, châu Âu chiếm 75% thị phần pin mặt trời trên toàn cầu. Tuy nhiên, một số
chuyên gia tin rằng điều này sẽ thay đổi trƣớc năm 2020 với thị phần của châu Âu sẽ giảm
xuống dƣới 50% và phần còn lại sẽ do Trung Quốc, Nhật Bản, và các nƣớc châu Á khác
chi phối.
Theo thông báo của REN21 [6] thì giá thành pin mặt trời hiện nay ở châu Âu khoảng 
22÷44 cent/kWh. Ở Mỹ giá lắp đặt trên tầng thƣợng là khoảng  20†37 cent/kWh. Đối với
trƣờng hợp lắp đặt quy mô lớn, tùy thuộc vào kích thƣớc hệ thống, điều kiện bức xạ mặt

trời địa phƣơng và các yếu tố khác, giá thành pin mặt trời dao động trong khoảng 9÷13
cent/kWh. Trong tính toán dài hạn thì giá thành điện mặt trời sẽ giảm xuống dƣới 10
cent/kWh. Đặc biệt, tính toán của IEA ETP (2012) cho thấy giá thành điện mặt trời vào năm
2030 sẽ khoảng 7÷11 cent/kWh đối với các dự án quy mô lớn và 8÷14 cent/kWh cho việc lắp
Dạng năng lƣợng
Gió
PV
CSP
Sinh khối
Địa nhiệt
Đại
dƣơng
Đơn vị
GW
Công suất thực tế 2011
47
4
0.5
14
3
0
2030-2035
DOE EIA Annual Energy Outlook 2012
70
8
1
6
6
-
EIA World Outlook 2012

(chính sách mới)
160
70
10
40
8
1
EIA World Outlook 2012 (450)
270
120
60
50
12
1
Green peace Energy Revolution
(2012, phiên bản U.S )
650
390
140
1
50
15
2050
NREL Electricity Futures Study (2012)
460
170
60
80
25
-

Lovins/RMI Reinventing Fire
500
480
80
40
15
-
19



đặt trên tầng mái [15]. Trong [16], [5] tổ chức Greenpeace lại thông báo, giá thành điện mặt
trời sẽ là 5†10 cent/kWh vào năm 2030-2040, tùy thuộc vào từng vùng lãnh thổ.
Một loạt các yếu tố đã góp phần giảm giá thành năng lƣợng mặt trời nhƣ: khả năng
lắng đọng các màng mỏng trên diện tích lớn, khả năng tự động hóa công nghệ, khả năng
tăng hiệu suất quang điện,… Ngoài ra, các chuyên gia đã đƣa ra các hƣớng sau đây để có
thể giảm giá thành điện mặt trời hơn nữa, đó là:
5) Tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện các tế bào mặt trời. Cụ thể là với pin mặt trời
silicon hiệu suất quang điện  phải đạt 20†24% và đối với các pin mặt trời màng mỏng 
phải đạt 15% vào năm 2020.
6) Ứng dụng nhiều hơn và đa dạng hơn các pin mặt trời màng mỏng.
7) Đƣa vào ứng dụng các loại pin mặt trời trên cơ sở các vật liệu mới nhƣ pin mặt trời
nhuộm màu, pin mặt trời hữu cơ…v.v
8) Nghiên cứu sử dụng các vật liệu mới trong chế tạo pin mặt trời.
Trong những năm gần đây, ở nƣớc ta, năng lƣợng tái tạo cũng nhận đƣợc sự quan tâm to
lớn của Đảng và Nhà nƣớc. Phó thủ tƣớng Hoàng Trung Hải đã khẳng định: “Năng lƣợng
hiện nay đã trở thành vấn đề thời sự, là yếu tố quan trọng quyết định đến sự ổn định và
phát triển kinh tế - xã hội của quốc gia. Trƣớc dự báo đến năm 2015 nƣớc ta sẽ bắt đầu
phải nhập khẩu năng lƣợng thì bài toán năng lƣợng càng trở lên quan trọng và cấp bách
hơn bao giờ hết Việc phát triển nguồn năng lƣợng mới, trong đó có điện mặt trời khi

năng lƣợng hóa thạch đang dần cạn kiệt là mục tiêu quan trọng ” và “việc phát triển điện
mặt trời ở Việt Nam sẽ góp phần hoàn thành mục tiêu sử dụng năng lƣợng tái tạo chƣơng
trình điện khí hóa nông thôn của Chính phủ” (Tại hội thảo quốc tế “Điện mặt trời công
nghiệp - Từ sản xuất đến khai thác hiệu quả” năm 2008 tại thành phổ Hồ Chí Minh).
Nói tóm lại, năng lƣợng mặt trời đã và đang dần trở thành nguồn năng lƣợng sạch vô
cùng quan trọng trên thế giới. Với các tiến bộ vƣợt bậc trong công nghệ, pin mặt trời có thể
tăng hiệu suất lên đến 43% và hứa hẹn đem lại sự phát triển to lớn cho ngành công nghiệp
"năng lƣợng xanh" này trong tƣơng lai.
1.2 Hiệu ứng PV (PhotoVoltaic Effect) và linh kiện quang
điện sử dụng hiệu ứng PV
Năm 1839, lần đầu tiên hiệu ứng quang điện PV (Photovoltaic Effect) đã đƣợc phát
hiện bởi nhà vật lý ngƣời Pháp Edmond Becquerel [5], [17]–[19]. Trong một lần thí
nghiệm, E.Becquerel đặt hai tấm kim loại trong một chất lỏng dẫn điện và khi tình cờ
cho chúng tiếp xúc ánh sáng mặt trời, ông đã quan sát thấy một điện áp nhỏ xuất hiện
giữa hai tấm kim loại.
Gần 40 năm sau, vào năm 1877, Willoughby Smith (nhà khoa học ngƣời Anh) phát hiện
ra rằng, vật liệu selen (Se) có tính nhạy với ánh sáng [4]. Từ kết quả nghiên cứu của
W.Smith, nhà khoa học ngƣời Mỹ Charles Fritts đã nhìn thấy tiềm năng to lớn của hiệu
ứng này. Ông tiến hành các thí nghiệm của mình với vật liệu selen và phát triển các tế bào
mặt trời selen đầu tiên vào năm 1886. Những tế bào mặt trời này có hiệu suất chuyển đổi
quang điện nhỏ hơn 1%. Tuy nhiên, C.Fritts nhận ra tầm quan trọng trong khám phá của
mình, và trong một công bố[17], ông đã bày tỏ rằng, một trong những lợi thế rất lớn của
các tế bào mặt trời là "nguồn cung cấp năng lƣợng mặt trời không có giới hạn và không có
20



chi phí. Nguồn năng lƣợng này sẽ tiếp tục tới trái đất sau khi chúng ta làm cạn kiệt các
nguồn nhiên liệu hóa thạch ".
Trong thế giới ngày nay, ngƣời ta vẫn tin rằng việc cung cấp năng lƣợng từ mặt trời là

bao la. Tuy nhiên, hơn một trăm năm đã trôi qua kể từ khi Charles Fritts nhìn thấy
trƣớc năng lƣợng miễn phí cho tất cả mọi ngƣời, chúng ta mới nhận ra rằng, các công
nghệ khai thác năng lƣợng mặt trời không phải là không có giới hạn và cũng không
phải là không có chi phí.
Có thể hình dung bức tranh phát triển tổng quát về pin mặt trời trên hình 1.3.

Hình 1.3 Sự phát triển của các thế hệ pin mặt trời [10]
Có thể nói rằng, nền tảng của công nghệ pin mặt trời hiện đại đã đƣợc xây dựng trong
những năm 1950 bởi các nhà khoa học ở phòng thí nghiệm American Bell Telephone. Ở
đây, Daryl Chapin và nhóm nghiên cứu của ông đã nghiên cứu khảo sát để cải thiện hiệu
suất của các tế bào mặt trời selen nhƣ một nguồn năng lƣợng thay thế đáng tin cậy cho các
hệ thống thông tin liên lạc [17].
Cũng khoảng thời gian này, lần đầu tiên Calvin Fuller đã nghiên cứu các tế bào mặt trời
trên vật liệu silicon. C.Fuller thấy rằng, silicon làm việc hiệu quả hơn khi pha tạp với các
tạp chất khác nhau. Sau một thời gian, ông và đồng nghiệp đã giới thiệu một tế bào mặt
trời có hiệu suất chuyển đổi 6% [17].
Cũng trong năm này, D. C. Reynolds cùng các cộng sự đã thông báo chế tạo thành công
các pin mặt trời chuyển tiếp dị chất CuS/CdS đạt hiệu suất khoảng 6% [20], [21]. Trong
một hƣớng khác, tế bào mặt trời GaAs đƣợc công bố lần đầu tiên bởi nhóm D. A Jenny vào
năm 1956 [22].
21



Các tế bào mặt trời đã đƣợc cải thiện nhanh chóng trong những năm tiếp theo theo
các hƣớng:
1) Nâng cao hiệu suất quang điện
2) Đa dạng hóa vật liệu sử dụng để chế tạo các tế bào
1.3 Cơ sở vật lý của pin mặt trời
1.3.1 Nguyên lý hoạt động

Pin mặt trời (PMT)(còn gọi là tế bào mặt trời) là linh kiện quang điện có khả năng
chuyển đổi trực tiếp ánh sáng thành dòng điện. Về cơ bản, PMT là một điốt bán dẫn cấu
tạo từ một lớp bán dẫn n có chiều dày rất mỏng ( vài trăm nm) để ánh sáng có thể truyền
qua và một lớp bán dẫn p có chiều dày  1÷5 m đƣợc sử dụng nhƣ một lớp hấp thụ ánh
sáng. Nguyên tắc hoạt động của PMT đƣợc biểu diễn trên hình 1.4.










Hình 1.4 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
Khi chuyển tiếp PN đƣợc chiếu sáng, những photon có năng lƣợng lớn hơn năng lƣợng
vùng cấm của vật liệu đƣợc hấp thụ và làm phát sinh các cặp điện tử - lỗ trống. Dƣới tác
dụng của điện trƣờng tiếp xúc của chuyển tiếp PN, các cặp điện tử - lỗ trống bị tách ra,
đƣợc gia tốc và chuyển dời về các điện cực đối diện và tạo ra một suất điện động quang
điện[14],[22]. Dòng quang điện phát sinh trong trƣờng hợp này là dòng điện trực tiếp
và có thể sử dụng bằng cách chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều hoặc tích trữ để sử
dụng về sau.
1.3.2 Đặc trƣng J-V
Để thiết lập đƣợc biểu thức giải tích của đặc trƣng J-V, hãy xét một cấu trúc PMT một
chiều nhƣ biểu diễn trên hình 1.5 dƣới đây:

h
Lỗ trống
Điện tử tự do

Cặp điện tử-lỗ trống
-
Điện trở
-
+
Điện cực trƣớc
Điện cực sau
N
P
Vùng điện tích
không gian
+
22










Hình 1.5 Cấu trúc một chiều của PMT chuyển tiếp PN đồng chất
1.3.2.1 Dòng ngắn mạch J
sc

Khi ánh sáng chiếu tới bán dẫn P, số lƣợng các cặp điện tử - lỗ trống đƣợc sinh ra ở một
khoảng cách x tỷ lệ với tốc độ tạo ra chúng và đƣợc xác định theo biểu thức sau [18]:
= (1 )


(1.1)
trong đó, α là hệ số hấp thụ, R là hệ số phản xạ của ánh sáng trên bề mặt và F là thông
lƣợng photon tới. F đƣợc xác định bởi số lƣợng photon trên một đơn vị diện tích, trong một
đơn vị thời gian và đơn vị bƣớc sóng. Có thể thấy, trong biểu thức (1.1), tất cả các biến số
đều phụ thuộc vào bƣớc sóng. Nhƣ vậy, ở điều kiện cân bằng nhiệt động, phƣơng trình liên
tục sẽ đƣợc biểu diễn nhƣ sau [18]:
D
n

2
n
p
n
p 0

x
2
+ F

1 R

e
x

n
p
n
p 0


n
= 0 (1.2)
trong đó, D
n
là hệ số khuếch tán của điện tử, n
p
là nồng độ điện tử trong bán dẫn loại p,
n
po
là nồng độ điện tử trong bán dẫn loại p ở điều kiện cân bằng nhiệt động(cm
-1
) và 
n
là
thời gian sống của điện tử.
Dễ dàng thấy rằng, các điện tử phát sinh trong miền p gần vùng điện tích không gian sẽ
đƣợc gia tốc bởi điện trƣờng thuận ở mặt đối diện của chuyển tiếp.
Vì vậy, có thể thấy rằng:



= 
0

=


Gọi tốc độ tái hợp bề mặt của các điện tử dƣ ở mặt trƣớc là S
n
, phƣơng trình liên tục sẽ

có dạng nhƣ sau [18]:
D
n
n
p
x
= S
n
n
p
n
p0
  x = 0 (1.3)
Theo các điều kiện biên, mật độ dòng điện tử trong lớp P đƣợc xác định theo phƣơng
trình sau [18]:
J
n
= qD
n



n
p
n
p 0

x

x=x

p
= qF

1 R

αL
n

αL
n

2
1
A (1.4)
A =

S
n
L
n
D
n
+αL
n
S
n
L
n
D
n

sinh
x
p
L
n
+cosh
x
p
L
n
αL
n
+
S
n
L
n
D
n
cosh
x
p
L
n
+sinh
x
p
L
n
S

n
L
n
D
n
sinh
x
p
L
n
+cosh
x
p
L
n
e
αx
p


-x
p

x
n

x=0
P
N
Gianh giới

công nghệ
Vùng điện tích
không gian
w x
p
+x
n

x
Vùng
giả cân bằng
Vùng
giả cân bằng
23



Tƣơng tự, đối với lớp N chúng ta có:
D
n

2

p
n
p
n 0

x
2

+ F

1 R

e
x

p
n
p
n 0

p
= 0 (1.5)
với điều kiện biên: p
n
- p
n0
= 0 tại x = x
n

D
p
p
n
x
= S
p

p

n
p
n0

 x = d
với S
p
là tốc độ tái hợp bề mặt của các lỗ trống dƣ ở mặt sau. Lúc này, mật độ dòng lỗ
trống sẽ đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
J
p
= qD
p



p
n
p
n 0

x

x=x
n
= qF

1 R

αL

p

αL
p

2
1
A (1.6)
A =

αL
p


S
p
L
p
D
p
cosh
d
L
p
+sinh
d
L
p
S
p

L
p
D
p
sinh
d
L
p
+cosh
d
L
p



αL
p

S
p
L
p
D
p
S
p
L
p
D
p

sinh
d
L
p
+cosh
d
L
p

e
αd

e
α

x
n


Do điện trƣờng trong vùng điện tích không gian đủ lớn, nên tất cả các điện tử và lỗ
trống sinh ra trong vùng này đƣợc gia tốc và dịch chuyển theo hƣớng ngƣợc chiều nhau.
Nhƣ vậy, mật độ dòng quang điện trong vùng điện tích không gian sẽ đƣợc xác định bởi
biểu thức sau đây[18]:


= 

1 













(1.7)
trong đó, q là điện tích
Vì quá trình tái hợp là không đáng kể, nên tổng mật độ dòng ngắn mạch sẽ đƣợc xác
định bởi tích phân trên toàn bộ phổ mặt trời. Cuối cùng, chúng ta có [18]:
J
sc
=


J
n
+ J
p
+ J
d


max

min

d (1.8)

trong đó, J
n
là mật độ dòng ở phần bán dẫn loại n, J
p
là mật độ dòng ở phần bán dẫn loại
n và J
d
là mật độ dòng ở vùng điện tích không gian.
với 
min
là bƣớc sóng nhỏ nhất có thể và 
max
là bƣớc sóng lớn nhất có thể của phổ mặt
trời. Trong trƣờng hợp này, 
min
có giá trị khoảng 0,3 m đối với ánh sáng mặt trời và

max
là bƣớc sóng tƣơng ứng với sự hấp thụ của lớp bán dẫn loại n hoặc loại p. Từ (1.8), có
thể thấy, dòng quang điện tỷ lệ thuận với cƣờng độ ánh sáng tới lớp hấp thụ, có độ lớn phụ
thuộc vào chiều dài khuếch tán của điện tử (lỗ trống) và tốc độ tái hợp bề mặt.
Trong trƣờng hợp chuyển tiếp PN lý tƣởng, có thể xác định giới hạn trên của mật độ
dòng ngắn mạch. Để đơn giản, hãy giả thiết rằng:
d = ∞, w = 0, S
n
= S
p
= 0 và L

n
= L
p
= L (1.9)
Khi đó, từ biểu thức (1.4), (1.6) và (1.7) chúng ta có:
J
SC
= J
n
+ J
p
+ J
d
= qF

1 R

αL

αL

2
1
1
cosh
x
p
L

αL e


αL1
L
x
p

(1.10)
và giá trị lớn nhất của dòng J
sc
là:
J
SC
= J
n
+ +J
p
+ J
d
=
qF

1R

cosh 
x
pmax
L

ti x
pmax

L
ln

αL

αL1
(1.11)
24



Nếu chiều dài khuếch tán là đủ lớn, hay là αL >>1, thì giới hạn trên của 

+ +

+ 


là 

1 

. Do đó, giới hạn trên của mật độ dòng ngắn mạch đƣợc xác định nhƣ sau:


= 



1 








(1.12)
Lƣu ý rằng, 
min
là bƣớc sóng thấp nhất có thể hấp thụ, 
max
(m) =1,2398/E
g
(eV) là
bƣớc sóng tƣơng ứng với bờ hấp thụ và giới hạn trên của dòng ngắn mạch có thể biểu diễn
theo năng lƣợng vùng cấm. Rõ ràng là, mật độ dòng ngắn mạch tăng lên cùng với năng
lƣợng vùng cấm giảm. Mối quan hệ giữa mật độ dòng ngắn mạch và năng lƣợng vùng cấm
đƣợc minh họa trên hình1.6, với giả thiết rằng R  0.









Hình 1.6 Đồ thị mật độ dòng ngắn mạch J
sc

phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm E
g
[14], [18]
1.3.2.2 Điện áp hở mạch V
oc

Điện áp hở mạch của PMT đƣợc xác định theo biểu thức sau [18]:


=







0
+ 1

(1.13)
với J
0
là mật độ dòng bão hòa và xác định nhƣ sau [18]:

0
= 





1







+
1








(1.14)
Từ các biểu thức (1.13) và (1.14) có thể thấy, để có đƣợc một điện áp hở mạch V
OC
lớn,
dòng bão hòa phải nhỏ và dòng ngắn mạch phải đủ lớn.
Vì vậy, để giảm dòng bão hòa cần phải kéo dài thời gian sống của các hạt tải không cơ
bản và gia tăng nồng độ các tạp chất N
A
và N
D
. Nhƣ vậy, độ lớn của dòng bão hòa phụ

thuộc rất nhiều vào chính chất bán dẫn mà chúng ta chọn. Giới hạn trên của điện áp hở
mạch có thể xác định gần đúng nhƣ sau:
V
oc

E
g
q

1 
T
0
T
s

+
kT
0
q
ln
T
s
T
0
+
kT
0
q
ln


inc
4
(1.15)
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
0
10
20
30
40
50
60
AM 1.5


J
SC
, mA.cm
-2
E
g
, eV
25

Hình 1.7 Đồ thị điện áp hở mạch V
oc
phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm E
g
[18]
Với T
0
là nhiệt độ làm việc của pin mặt trời, T
s
nhiệt độ của mặt trời, và


góc tới mà
các tế bào năng lƣợng mặt trời nhận đƣợc sự bức xạ từ mặt trời. Nhƣ vậy, giới hạn trên của
điện áp hở mạch V
oc
tăng cùng với sự tăng năng lƣợng vùng cấm nhƣ biểu diễn trên hình 1.7.
1.3.2.3 Hệ số điền đầy ff (fill factor) và hiệu suất quang điện  (Conversion
Efficiency)
 Hệ số điền đầy ff là một hàm của điện áp hở mạch đƣợc định nghĩa và xác định theo
biểu thức sau [18]:
=




0.72+




1+



(1.16)
Từ (1.16) dễ dàng thấy rằng, hệ số điền đầy ff sẽ tăng khi điện áp hở mạch V
OC
tăng.
 Hiệu suất chuyển đổi quang điện  đƣợc định nghĩa và xác định theo biểu thức sau [18]:
in
SCOC
in
out
P
ffJV
P
P


(1.17)

Hình 1.8 Đồ thị hiệu suất quang điện

phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm Eg [18]
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
10
15
20
25
30
35
E
g
,eV


,%
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
V
OC

,V
AM 1.5
E
g
,eV