Pin Mặt Trời Màng Mỏng Sử Dụng Lớp Hấp Thụ CIGS

MỤC LỤC
1.1 Lịch sử phát triển.......................................................................................................................3
1.2 Những thách thức đặt ra...........................................................................................................3
1.3 Cấu trúc cơ bản và các tham số đặc trưng................................................................................4
1.3.1 Cấu trúc cơ bản của PMT..................................................................................................4
1.3.2 Các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của PMT màng mỏng CIGS..................................5

2 CHƯƠNG 2 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG..........................................6
2.1 Phương trình Poisson................................................................................................................6
2.1.1 Nồng độ điện tử tự do và nồng độ lỗ trống tự do............................................................6
2.1.2 Nồng độ trạng thái (ND+, NA-, pt, nt)...............................................................................8
2.1.3 Nồng độ các mức sai hỏng (nt và pt)...............................................................................11
2.2 Phương trình liên tục..............................................................................................................11
2.2.1 Mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống (Jn và Jp)................................................12
2.2.2 Quá trình tái hợp của hạt dẫn.........................................................................................12

3 CHƯƠNG 3 CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA CHƯƠNG TRÌNH
MÔ PHỎNG MỘT CHIỀU AMPS – 1D...................................................14
3.1 Các tham số cơ bản.................................................................................................................14
3.1.1 Điều kiện môi trường......................................................................................................14
3.1.2 Cấu trúc mô hình............................................................................................................15
3.2 Tính chất chung.......................................................................................................................16
3.2.1 Điều kiện ban đầu, hệ số phản xạ mặt trước và sau.......................................................16
3.2.2 Hệ số phản xạ.................................................................................................................17
3.2.3 Sự tái hợp bề mặt...........................................................................................................17
3.3 Tính chất của các lớp...............................................................................................................17
3.3.1 Tốc độ hạt tải và mối liên hệ với mật độ trạng thái.........................................................18
3.3.2 Hệ số hấp thụ..................................................................................................................19

1

3.4 Các trạng thái sai hỏng............................................................................................................19

CHƯƠNG 4 Kết quả và Kết luận...............................................................20
4.1Ảnh hưởng của độ dầy của lớp hấp thụ CIGS..........................................................................20
4.2Ảnh hưởng của hệ số phản xạ mặt trước................................................................................23

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................28

2


CHƯƠNG I
KHÁI QUÁT VỀ PMT MÀNG MỎNG THẾ HỆ MỚI
1.1 Lịch sử phát triển
Hiện nay,sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật.Song song với nó là
nguồn nguyên liệu truyền thống ngày càng cạn kiệt dần không đủ đáp ứng nhu cầu
năng lượng của con người.Điều đó thúc đẩy con người tìm ra những vật liệu
mới,những nguyên liệu mới Bên cạnh đó, ở cuối thế kỉ 21, sự nóng lên toàn cầu làm
tăng nhiệt độ trung bình của khí quyển trái đất lên 1,4 oC – 5,8 oC. Việc hướng tới
một dạng năng lượng sạch, với một ít hoặc không có sự phát xạ sẽ là một trong
những thử thách lớn của thế kỷ XXI. Hội nghị năng lượng mới toàn cầu tại Born
năm 2004 đã khẳng định quyết tâm của thế giới thay thế 20 % năng lượng điện
truyền thống bằng nguồn năng lượng mới trong đó có điện mặt trời vào năm 2020.
Trong khi một vài công nghệ đã được ứng dụng để thu được hiệu suất cao hơn thì
thành công tốt nhất là màng mỏng từ tế bào năng lượng mặt trời. Thiết bị đó được
chế tạo bởi công nghệ lắng đọng không tốn kém dựa trên những chất nền không đắt.
Vì vậy, chúng có tiềm năng để trở thành nguồn năng lượng có sức cạnh tranh về
mặt kinh tế trong thập kỷ sau. PMT thế hệ mới dựa trên lớp hấp thụ CuIn 1-xGaxSe2
(CIGS) đã đạt được hiệu quả cao nhất trong tất cả những màng mỏng tế bào năng

lượng mặt trời. Các màng mỏng được chế tạo với chi phí sản phẩm về căn bản là
thấp hơn.

1.2 Những thách thức đặt ra
Việc phát triển loại pin mặt trời màng mỏng CIGS đang có những vướng
mắc cần các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu tháo gỡ. Vấn đề lớn nhất hiện nay là
các đặc trưng về hiệu năng hoạt động (dòng cực đại, thế cực đại, hiệu suất biến đổi
năng lượng, hệ số lấp đầy) của loại pin này chưa cao khi sản xuất ở qui mô lớn và
còn chưa ổn định, tức là phụ thuộc rất nhiều yếu tố như thành phần, cấu trúc, công
nghệ chế tạo. Để giải quyết bài toán này, trước hết các nhà khoa học phải chế tạo

3


được các lớp riêng rẽ của cấu trúc pin với phẩm chất mong muốn, phải hiểu được
mối liên quan giữa điều kiện chế tạo với tính chất vật liệu, giữa các tính chất của
các lớp riêng rẽ với hiệu năng hoạt động của toàn bộ cấu trúc. Trong lĩnh vực này,
ngoài các nghiên cứu thực nghiệm như chế tạo mẫu bằng các phương pháp khác
nhau, đo đạc các đặc tính vật liệu, phương pháp mô phỏng cũng là một công cụ hữu
hiệu .

1.3 Cấu trúc cơ bản và các tham số đặc trưng
1.3.1

Cấu trúc cơ bản của PMT
PMT thế hệ mới dựa trên lớp hấp thụ CIGS chế tạo dựa trên thuỷ tinh hoặc

chất nền không chỉ sử dụng công nghệ lắng đọng. Cấu trúc của pin được mô tả bằng
hình vẽ dưới đây:

Hình 2: Cấu trúc cơ bản của pin mặt trời với lớp hấp thụ CIGS
Lớp đầu tiên là lớp dẫn điện trong suốt ZnO, lớp này hệ số phản xạ càng thấp
thì hiệu năng của pin càng cao. Lớp thứ hai là lớp đệm CdS với độ dày khoảng (50
nm). Phần lớn các photon có bước sóng ngắn bị hấp thụ trong lớp này.
Lớp thứ ba là lớp hấp thụ CIGS dày khoảng 1000 nm – 3000 nm, hệ số hấp
thụ lớn khoảng 105cm-1. Phần lớn ánh sáng chiếu tới bị hấp thụ trong lớp này.
Lớp dẫn điện đế là Al. Cuối cùng, lớp đế là Mo .

4


1.3.2 Các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của PMT màng mỏng CIGS
Bốn thông số đặc trưng đầu ra về hiệu năng hoạt động của một PMT: Thế hở
mạch, mật độ dòng đoản mạch, hệ số lấp đầy và hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
Bảng 1: Các thông số đặc trưng đầu ra của chương trình mô phỏng
Thông số

Ký hiệu

Đơn vị

Xác định

Thế hở mạch

Voc

V

J=0

Mật độ dòng đoản mạch

JSC

mA/cm2

V=0

Thế cực đại

VMax

V

V tại (JV)Max

Mật độ dòng cực đại

JMax

mA/cm2

J tại (TV)Max

Hệ số lấp đầy

ff

%

(JV)Max/(VOC.JSC)

Hiệu suất

η

%

(JV)Max/Pinc

Giá trị điện thế tại đó mật độ dòng bằng không gọi là thế hở mạch, kí hiệu VOC.
Giá trị mật độ dòng mà tại đó điện thế bằng không gọi là mật độ dòng đoản
mạch, kí hiệu JSC.
Tại một vài điểm trên đường đặc trưng V-I giá trị điện thế và mật độ dòng đạt
giá trị cực đại tương ứng Vmax, Jmax. Phần diện tích có giá trị (JV)max gọi là công
suất cực đại Pmax.
Hình 3: Đường đặc trưng V – I

5


2 CHƯƠNG 2
CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG
Chương trình mô phỏng khảo sát ảnh hưởng cấu tạo và tính chất vật liệu của
các cấu trúc bán dẫn đa lớp. Nội dung của chương trình là giải phương trình Poisson
và hai phương trình liên tục với các điều kiện biên thích hợp .

2.1 Phương trình Poisson
Trong không gian một chiều, phương trình Poisson mô tả sự phân bố điện

tích, điện thế, vùng năng lượng được cho bởi phương trình sau:

[

d
dΨ
(ε ( x)
) = q p( x) − n( x) + N D+ ( x) − N A− ( x) + pt ( x) − nt ( x)
dx
dx

]

(2.1)

Trong đó:
Ψ: Thế tĩnh điện
n: Nồng độ điện tử tự do
p: Nồng độ lỗ trống tự do
nt: Nồng độ các điện tử bị bắt
pt: Nồng độ lỗ trống bị bắt
ND: Nồng độ donor
NA: Nồng độ acceptor
ε: Hằng số điện môi
q: Điện tích của một điện tử
2.1.1 Nồng độ điện tử tự do và nồng độ lỗ trống tự do
Số điện tử tự do nằm trong khoảng dE từ E đến (E+dE) trong một đơn vị thể
tích là:

dn = 2.N ( E ). f 0 ( E ).d ( E )

6

(2.2)


Với N(E) là mật độ trạng thái xác định bởi biểu thức sau:
N (E ) =

dτk
8π dE
1

(2.3)

3

f0(E) là hàm phân bố Fermi – Dirac:
f0 ( E, T ) =

1

e


E − EF
KT


− 1÷



(2.4)

Nồng độ điện tử nằm trong vùng dẫn là:
n=

Emax

∫

EC

dn = 2

Emax

∫

N ( E ). f o ( E ).dE

(2.5)

EC

Vì hàm Fermi – Dirac giảm rất nhanh khi năng lượng lớn do đó có thể thay
∞

n = 2 ∫ N ( E ). f o ( E ).dE

thế Emax là :

EC

(2.6)
Trong trạng thái cân bằng nhiệt động, nồng độ điện tử trong vùng dẫn là:

n = N C γ n exp(

EF − EC
)
KT

(2.7)

Đối với nồng độ lỗ trống tự do trong vùng hoá trị xác định tương tự là:

p = NV F1 exp(
2

EV − EF
)
KT

(2.8)

Đối với vật liệu kết tinh thì NC và NV xác định bằng biểu thức sau:

2πmn* KT 32
N C = 2(

)
h2

7

(2.9)


NV = 2(

2πm*p KT
h2

)

3
2

(2.10)

Phương trình (2.7) và (2.8) sử dụng trong mô hình trong trường hợp cân
bằng nhiệt động. Trong trường hợp suy biến thì biểu thức của nồng độ điện tử tự do
và lỗ trống tự do sẽ là:

n = N C γ n exp(

EF − EC
)
KT

(2.11)

p = NV γ p exp(

EV − EF
)
KT

(2.12)

Hệ số suy biến xác định là:

EF − EC
)
KT
γn = 2
E − EC
exp( F
)
KT
F1 (

(2.13)

Và hệ số suy biến với nồng độ lỗ trống tự do sẽ là:

EV − EF
)
KT
γp = 2

E − EF
exp( V
)
KT
F1 (

(2.14)

Khi một thiết bị lệch khỏi trạng thái cân bằng nhiệt động bởi các tác động
của thế hiệu dịch, sự chiếu sáng hoặc cả hai yếu tố đó thì giá trị của nồng độ điện tử
tự do và lỗ trống tự do được tính theo biểu thức (2.11) và (2.12). Chỉ khác ở chỗ là
thay thế mức Fermi cơ bản bằng mức Fermi lượng tử.
2.1.2 Nồng độ trạng thái (ND+, NA-, pt, nt)
Chúng ta đã tìm hiểu về các giá trị của n và p của phương trình Poisson.
Chúng ta đi tìm hiểu thêm các đại lượng khác của phương trình Poisson với sự góp
thêm và phát triển của điện tích.

8


2.1.2.1 Nồng độ Donor và nồng độ Acceptor (ND+, NA)
Các mức tạp trong mô hình của chúng ta được hình thành bởi tập hợp các
mức rời rạc, tạo nên một dải với một độ rộng nhất định. Trong bất cứ trường hợp
pha tạp nào thì tổng điện tích tăng lên trong các trạng đều được xác định bởi các
biểu thức sau:
Nồng độ donor:
+
+
N D+ = N dD
+ N bD

(2.15)

−
−
N A− = N dA
+ N bA

(2.16)

Nồng độ acceptor:

Trong đó:
+
N dD
: Là tổng nồng độ điện tích ở các mức donor rời rạc
−
N dA
: Là tổng nồng độ điện tích ở các mức acceptor rời rạc
+
N bD
: Là tổng nồng độ điện tích phát sinh ở mức donor liên tục
−
N bA
: Là tổng nồng độ điện tích phát sinh từ mức acceptor

2.1.2.2 Mức pha tạp rời rạc (

N dD ,i N dA, j

,

)

Hình 4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của các mức năng lượng
pha tạp rời rạc vào mật độ trạng thái

9


Điện tích sinh ra từ trạng thái donor và acceptor rời rạc thứ i và thứ j là:
+
N dD
= ∑ N dD ,i . f D ,i

(2.17)

i

−
N dA
= ∑ N dA,i . f A,i

(2.18)

i

Trong trạng thái cân bằng nhiệt động hàm xác suất fD,i và fA,j đặc trưng bởi
hàm
Fermi:

f D ,i =

Và

f A, j =

1
E − Ei
1 + exp( F
)
KT

1 + exp(

1
E j − EF
KT

)

(2.19)

(2.20)

Nồng độ điện tử tự do và nồng độ lỗ trống tự do sẽ là:

nk ( Ek ) = N C exp(

Ek − EC

)
KT

(2.21)

pk ( Ek ) = NV exp(

EV − Ek
)
KT

(2.22)

Trong trạng thái suy biến thì nồng độ điện tử tự do sẽ xác định theo hệ số suy
biến sẽ là:

p = NV γ pi exp(

EV − Ei
)
KT

(2.23)

Nồng độ lỗ trống tự do :
n = N C γ ni exp(

10

Ei − EC

)
KT

(2.24)


2.1.3 Nồng độ các mức sai hỏng (nt và pt)
Các trạng thái sai hỏng bao gồm cả trạng thái sai hỏng liên tục và trạng thái
sai hỏng rời rạc.Các mức sai hỏng này tuân theo hàm phân bố liên tục Gauss. Trong
trường hơp này, tổng nồng độ trạng thái sai hỏng phát sinh ở mức donor:

pt = p d t + pbt + p ct

(2.33)

Tổng nồng độ trạng thái sai hỏng phát sinh ở trạng thái acceptor:

nt = nd t + nbt + nct

(2.34)

Trong đó:
nt, pt xuất hiện trong phương trình Poisson.
ndt: Nồng độ trạng thái sai hỏng ở mức acceptor rời rạc.
pdt: Nồng độ trạng thái sai hỏng ở mức donor rời rạc.
nbt: Nồng độ trạng thái sai hỏng ở mức acceptor liên tục.
pbt: Nồng độ trạng thái sai hỏng ở mức donor liên tục.

2.2 Phương trình liên tục
Phương trình liên tục mô tả sự sinh ra, sự tái hợp và sự dịch chuyển của điện

tử tự do:

1  dJ n 
= − Gop ( x) + R( x)
q  dx ÷

(2.35)

Phương trình liên tục mô tả cho sự sinh ra, sự tái hợp và sự dịch chuyển của
lỗ trống tự do:
1  dJ p 

÷= Gop ( x) − R( x)
q  dx 

Trong đó:
Jn và Jp lần lượt là mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống.

11

(2.36)


R: Là tốc độ tái hợp.
Gop: Là tốc độ tạo hạt tải tạo bởi hấp thụ quang học.
2.2.1 Mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống (Jn và Jp)
Phương trình Possion không tính đến trường hợp số lượng điện tử tự do hoặc
lỗ trống tự do có thể suy biến và tính chất của vật liệu có thể thay đổi theo vị trí.
Mật độ điện tử tự do của phương trình liên tục được xác định bởi phương trình sau:

 dE fn 
J n ( x) = q µn n 
÷
 dx 

(2.37)

 dE fp 
J p ( x) = q µp p 
÷
 dx 

(2.38)

Mật độ lỗ trống tự do:

Ở đây:
J n, J p :là mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống.
µ n, µ p :là tốc độ dòng điện tử và tốc độ dòng lỗ trống.
Hai biểu thức (2.37) và (2.38) sử dụng trong chương trình mô phỏng để tính
toán cho sự thay đổi của tính chất vật liệu để tìm ra cấu trúc tối ưu của pin mặt trời
thế hệ mới với lớp hấp thụ CIGS.
2.2.2 Quá trình tái hợp của hạt dẫn
Trong chương trình mô phỏng tốc độ tái hợp được xác định là:

R( x) = RD ( x) + RI ( x)

(2.39)

Quá trình tái hợp được phân loại theo nhiều phương diện khác nhau.Ở đây,

chúng tôi chỉ xét đến quá trình tái hợp vùng – vùng (tái hợp cơ bản hoặc tái hợp
trực tiếp).
Trong dạng tái hợp này, một điện tử tự do trực tiếp gặp một lỗ trống và tái
hợp với nhau. Thực chất, một điện tử trên vùng dẫn chuyển mức xuống một trạng

12


thái trống ở vùng hoá trị. Bán dẫn ta xét là bán dẫn có vùng cấm thẳng nên quá trình
tái hợp không đòi hỏi sự tham gia của phonon.
Xét trường hợp tái hợp vùng – vùng (tái hợp trực tiếp giữa điện tử và lỗ
trống), tốc độ tái hợp tổng cộng tỷ lệ với số điện tử nằm trên vùng dẫn và số lỗ
trống nằm trên vùng hoá trị:
R = β .n. p = β (n0 + δ n )( p0 + δ p )

(2.40)

Ở trạng thái cân bằng, quá trình tái hợp cân bằng với quá trình nhiệt phát
sinh, tốc độ tái hợp trường hợp này có dạng:

Rth = β .n0 . po = Gth

(2.41)

Trong đó:
Rth: Là tốc độ tái hợp cân bằng.
Gth: Tốc độ nhiệt phát sinh cân bằng.
Nếu bỏ qua tốc độ tái hợp tổng cộng (R) và tốc độ phát sinh nhiệt cân bằng
thì tốc độ tái hợp trong trường hợp này sẽ là:

RD ( x) = R − Gth = R − Rth = β (n0 .δ p + p0δ n + δ pδ n )
Ở đây :
n0: nồng độ điện tử tự do trong trạng thái cân bằng nhiệt động.
p0: nồng độ lỗ trống tự do trong trạng thái cân bằng nhiệt động

13

(2.42)


3 CHƯƠNG 3
CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA CHƯƠNG TRÌNH
MÔ PHỎNG MỘT CHIỀU AMPS – 1D
Những thông số được chọn để đưa vào chương trình là những thông số cơ
bản nhất. Qua đó chúng ta đưa ra những thông số phù hợp nhất để định hướng cho
công nghệ chế tạo pin mặt trời thực nghiệm.

3.1 Các tham số cơ bản
Để bắt đầu chương trình mô phỏng thì cần ba thông số quan trọng là:
•

Tính chất của các lớp tiếp xúc.

•

Điều kiện của môi trường.

•

Lưới chia cho các số liệu tính toán, thế hiệu dịch để sinh ra dòng J-V và QE.

3.1.1 Điều kiện môi trường
Yếu tố đầu tiên để chương trình có thể bắt đầu là điều kiện môi trường hoạt
động của thiết bị.
Hầu hết, mặt trời tạo ra năng lượng ở bước sóng từ 2x10 -7m tới 4x10-6 m.
Mỗi bước sóng tương ứng với tần suất và năng lương: bước sóng càng ngắn, tần
suất càng cao và năng lượng càng lớn (thể hiện bằng eV).
PMT tương tác khác nhau ở những bước sóng, ánh sáng và màu sắc khác
nhau. Tuy nhiên, năng lượng của phần quang phổ hồng ngoại cũng như phóng xạ
bước sóng dài, thấp để có thể tạo ra dòng điện. Phóng xạ năng lượng cao mới có thể
tạo ra dòng điện.Tuy nhiên, hầu hết năng lượng này là không thể sử dụng. Tóm lại,
ánh sáng quá cao hoặc quá thấp PMT đều không sử dụng để tạo năng lượng điện .
Trong chương trình mô phỏng này,ta sử dụng phổ chiếu sáng rời rạc AM1.5
như ở hình vẽ dưới đây. Phổ chiếu sáng với bước sóng xét trong khoảng 0,38 μm
đến 1,24 μm với bước nhảy khoảng 0,02 μm . Do đặc điểm của pin mặt trời thế hệ

14


mới với lớp hấp thụ CIGS hiệu năng chỉ đạt giá trị tốt nhất trong khoảng bước sóng
đó. Chúng ta có thể tính toán phổ chiếu sáng rời rạc thông qua phổ chiếu sáng
chuẩn IAM1.5G:

I dis (λi ) =

λi + 0,01

∫

I AM 1.5 (λ )d λ

(3.1)

λi − 0,01

Trong đó: IAM1.5 ( λ ) với đơn vị là [số photon]/[diện tích] [thời gian].

Hình 6: Phổ chiếu sáng chuẩn AM 1.5G
Về nhiệt độ: Sử dụng ở đây là đại lượng không đổi 300 K.
3.1.2 Cấu trúc mô hình.
Chương trình mô phỏng : Mật độ trạng thái và thời gian sống.
a. Mật độ trạng thái (DOS)
Mô hình mật độ trạng thái là cần thiết để giải quyết với vật liệu có tồn tại
trạng thái sai hỏng như vật liệu silicon vô định hình và các sai hỏng tại mặt biên
giữa các hạt của vật liệu đa tinh thể. Mặt khác mật độ trạng thái cho phép xác định
sự phân bố năng lượng, thiết diện bắt của điện tử và lỗ trống. Dựa trên những thông
tin này có thể tính toán được các đại lượng quan trọng sử dụng trong phương trình
Poisson.

15


b. Thời gian sống
Chương trình khảo sát thời gian sống của điện tử tự do và lỗ trống tự do.
Trong trạng thái cân bằng nhiệt động, khi có chiếu sáng, thời gian sống của điện tử
tự do và lỗ trống tự do được xác định là:
Đối với bán dẫn loại p:
Rn =

∆n

τn

(3.2)

Đối với bán dẫn loại n:

Rp =

∆p

τp

(3.3)

Trong các trạng thái sai hỏng, các trạng thái bị bắt của lỗ trống, của điện tử
thì thời gian sống của điện tử và lỗ trống đặc trưng bằng:

R = Rn = R p =

( n. p − n0 . p0 )

τ p0 (n + nt ) + τ n0 ( p + pt )

(3.4)

Xét trường hợp mô hình kết hợp vùng – vùng bức tranh thời gian sống đưa ra:

R = Rn = R p = k (n. p − n0 . p0 )

(3.5)

3.2 Tính chất chung.
3.2.1 Điều kiện ban đầu, hệ số phản xạ mặt trước và sau

Các điều kiện biên.
a. PHIBO = Φb0 = EC – EF ở x = 0 (eV)
b. PHIBL = ΦbL = EC – EF ở x = L (eV)
Lớp tiếp xúc trước và sau chỉ được xác định bởi tính chất vật liệu của chúng
và hệ số phản xạ của bề mặt chất bán dẫn: Φ b0 = 0 eV tại vùng dẫn ở mức Fecmi E F
khi

16


x = 0 µm (trước) và ΦbL = 0,9 eV tại vùng dẫn 0,9 eV về E F khi x = L (sau). Những
thông số này tạo thành vùng tiếp xúc thuần trở ở phía trước và hàng rào Schottky
không đáng kể ở phía sau
Tại RF = RF = hệ số phản xạ ở x = 0 (mặt trước).
Tại RB = RB = hệ số phản xạ ở x = L (mặt sau).
3.2.2 Hệ số phản xạ
Hệ số phản xạ mặt trước trực tiếp quyết định đến mật độ dòng và hiệu năng
hoạt động của pin. Do đặc điểm tính chất của vật liệu nên ta không thể chế tạo vật
liệu có hệ số phản xạ rất nhỏ hoặc bằng không. Qua các tài liệu nghiên cứu và thực
nghiệm, ta thấy hệ số phản xạ khoảng 0,07 ÷ 0,1 là phù hợp nhất.
Khi nghiên cứu các kết quả thực nghiệm sử dụng chương trình mô phỏng, hệ
số phản xạ mặt sau không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng hoạt động của pin.
3.2.3 Sự tái hợp bề mặt
Tái hợp bề mặt là dạng tái hợp xảy ra trên bề mặt. Do sự gián đoạn tính tuần
hoàn của tinh thể, do các khuyết tật mạng, các nguyên tử lạ, sự không bão hoà hoá

trị của các nguyên tử.Trong chương trình, chúng ta sử dụng tốc độ tái hợp mặt là
107 cm/s, tương ứng gần bằng chuyển động nhiệt của điện tử. Đối với các trường
hợp đặc biệt:
a. SNO= SND = các điện tử ở bề mặt x = 0 (cm/s).
b. SPO = SPD = các lỗ trống ở bề mặt x = 0 (cm/s).
c. SPL = SNL= các điện tử ở bề mặt x = L (cm/s).
d. SPL = SPL = các lỗ trống bề mặt x =L (cm/s).

3.3 Tính chất của các lớp
Từ các tài liệu lý thuyết và thực nghiêm, ta có bảng giá trị của tính chất các
lớp như sau:

17


Bảng 2: Tính chất của các lớp trong pin mặt trời với lớp hấp thụ CIGS
Các lớp

ZnO

CdS

CIGS

Độ dày

80 nm

50 nm

1000 nm – 3000 nm

Hằng số điện môi

9,0

10

13,6

100 cm2/Vs

100 cm2/Vs

100 cm2/Vs

lỗ trống

25 cm2/Vs

25 cm2/Vs

25 cm2/Vs

Nồng độ hạt tải

ND = 1018 cm-3

ND = 1017 cm-3

NA = 2. 101 cm-3

Độ rộng vùng cấm

3,3 eV

2,4 eV

1 eV – 1,7 eV

2,22 x 1018 cm-3

2,22 x 1018 cm-3

2,22 x 1018 cm-3

hiệu dụng NV

1,78 x 10-19 cm-3

1,78 x 10-19 cm-3

1,78 x 10-19 cm-3

Ái lực hoá học

4,0 eV

3,8 eV

3,8 – 4,1 eV

Độ linh động của
điện tử
Độ linh động của

Mật độ trạng thái
hiệu dụng NC
Mật độ trạng thái

3.3.1 Tốc độ hạt tải và mối liên hệ với mật độ trạng thái
Với vật liệu đơn tinh thể CIGS tốc độ điện tử là:

trống tốc độ: µh = 30
• Tỷ số tốc độ
•

µe = 300

cm 2
vs

và đối với lỗ

cm 2
.
vs

µe
tương tự bằng tỷ số (mh*/me*) với me* = 0,2 m0; mh*=0,8 m0.

µh

Mật độ trạng thái trên vùng dẫn và mật độ trạng thái trên vùng hoá trị
được tính theo công thức:

18


N C = 2(

2π me* KT 32
)
h2

NV = 2(

Như vậy tỷ số về tốc độ

(3.6)

2π mh* KT 32
)
h2

(3.7)

µe
tương đương với tỷ số mật độ trạng thái NC/NV.
µh

3.3.2 Hệ số hấp thụ
Hệ số hấp thụ được xác định bởi xác suất hấp thụ photon, phụ thuộc vào xác
suất chuyển mức điện tử giữa các vùng cho phép, số trạng thái điền đầy trong vùng
hoá trị và số các trạng thái trống trên vùng dẫn. Những yếu tố đó phụ thuộc rất
nhiều vào từng vật liệu. Như vậy, đối với từng vật liệu khác nhau sẽ có phổ hấp thụ
khác nhau. Ta có phổ hấp thụ của các lớp trong PMT thế hệ mới như ở hình 9.

Hình 9: Phổ hấp thụ đối với các lớp trong pin mặt trời thế hệ mới

3.4 Các trạng thái sai hỏng
Mô hình tái hợp Shockley-Read-Hall, mô hình tái hợp này được tìm ra vào
năm 1952. Sau đây, chúng ta thảo luận về đại lượng trạng thái acceptor và trạng thái
sai hỏng donor. Hình vẽ dưới đây:

19


Hình 10: Các trạng thái chuyển tiếp của cặp điện tử và lỗ trống
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.

CHƯƠNG 4
Kết quả và Kết luận
4.1Ảnh hưởng của độ dầy của lớp hấp thụ CIGS
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày lớp hấp thụ CIGS lên các đại lượng
đặc trưng cho hiệu năng hoạt động của pin mặt trời màng mỏng, độ dầy của lớp hấp

thụ nằm trong khoảng từ 1000 nm – 11000 nm.

20


Bảng 6 : Kết quả mô phỏng các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của pin
theo độ dầy lớp hấp thụ CIGS
(nm)

JSC (A/cm2)

η (%)

ff

VOC (V)

1000

30.119

15.925

0.824

0.641

2000

30.191

16.623

0.831

0.663

3000

30.188

16.921

0.831

0.674

4000

30.188

17.089

0.830

0.682

5000

30.187

17.189

0.828

0.688

6000

30.199

17.256

0.825

0.693

7000

30.192

17.286

0.822

0.697

8000

30.188

17.3

0.819

0.7

9000

30.187

17.305

0.816

0.703

10000

30.187

17.305

0.813

0.706

11000

30.184

17.303

0.81

0.708

Kết quả mô phỏng được biểu diễn trên các hình vẽ

Hình 20: Sự phụ thuộc của mật độ dòng đoản mạch theo độ dầy của lớp hấp thụ
CIGS
Các đại lượng đặc trưng như mật độ dòng đoản mạch đều tăng dần theo bề
dày của lớp hấp thụ và đến một khoảng giá trị nhất định bề dày lớp hấp thụ thì các
đặc trưng trên đạt trạng thái bão hoà.

21


Hình 21: Sự phụ thuộc của thế hở mạch theo độ dầy của lớp hấp thụ CIGS
Ta thấy rằng đối với đặc trưng về thế hở mạch. Giá trị của thế hở mạch sẽ
tăng dần khi ta tăng bề dầy của lớp hấp thụ.

Hình 22: Sự phụ thuộc của hiệu suất chuyển đổi năng lượng
với độ dầy của lớp hấp thụ CIGS
Tương tự như vậy ta thấy rằng ta thay đổi độ dày của lớp hấp thụ từ 1000nm
đến 5000nm thì giá trị hiệu suất tăng từ 16% đến 17,2%. Khi độ dày của lớp hấp thụ

22

thay đổi từ 6000nm đến 11000nm thì hiệu suất đạt giá trị bão hoà là 17,3%. .

Hình 23: Sự phụ thuộc của hệ số lấp đầyvới độ dầy của lớp hấp thụ CIGS
Như vậy các đặc trưng đầu ra sẽ thay đổi khác nhau khi ta thay đổi bề dày
của lớp hấp thụ. Ở đây ta thấy rằng độ dày phù hợp nhất trong khoảng 2000nm đến
3000nm. Vì khi đó vừa đảm bảo được sự phù hợp cả ba đặc trưng còn lại và đặc
biệt nếu ta tăng độ dầy lớp hấp thụ lên vừa tốn nguyên vật liệu mà hiệu suất chuyển
đổi năng lượng cũng không thay đổi đáng kể. Mặt khác, khi ta tăng độ dày lớp hấp
thụ quá lớn thì quá trình tái hợp lại tăng nhanh hơn quá trình tạo cặp lên làm giảm
hệ số lấp đầy. Vậy, độ dày lớp hấp thụ phù hợp là khoảng từ 2000 nm đến 3000 nm.

4.2Ảnh hưởng của hệ số phản xạ mặt trước
Trên thực tế, hệ số phản xạ mặt trước không quá nhỏ hoặc bằng không do
tính chất phản xạ bề mặt của vật liệu. Vì vậy, mục này sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của
hệ số phản xạ mặt trước đến các đặc trưng đầu ra khi chạy chương trình mô phỏng
có phù hợp với lý thuyết không? Từ đó, ta có thể chọn được giá trị phù hợp để định
hướng cho công nghệ chế tạo.
Với sự thay đổi hệ số phản xạ mặt trước trong khoảng 0.01 ÷ 0.2 với bước
nhảy là 0.01. Các thông số khác như độ rộng vùng cấm, độ dày các lớp, vv là các
giá trị phù hợp nhất lấy từ các tài liệu lý thuyết và các tài liệu thực nghiệm đã
nghiên cứu. Khi chạy chương trình mô phỏng AMPS, ta thu được giá trị đặc trưng
đầu ra như bảng 4.

23


Bảng 4. Bảng các giá trị đặc trưng đầu ra về hiệu năng hoạt động của pin mặt trời
thế hệ mới khi thay đổi hệ số phản xạ mặt trước.

Thay đổi hệ

Hiệu suất

số phản xạ

(η)

Hệ số lấp đầy

Thế hở mạch

Mật độ dòng

(ff)

(VOC)

đoản mạch
(JSC)

mặt trước
0,01

18,176

0,8320

0,6760

32,30

0,02

17,984

0,8318

0,6755

31,976

0,03

17,792

0,8316

0,6750

31,651

0,04

17,599

0,8315

0,6749

31,326

0,05

17,407

0,8314

0,6746

31,001

0,06

17,215

0,8313

0,6743

30,676

0,07

17,023

0,8312

0,6740

30,352

0,08

16,831

0,8311

0,6738

30,027

0,09

16,639

0,8310

0,6734

29,702

0,10

16,447

0,8309

0,6730

29,377

0,12

16,256

0,8308

0,6729

29,052

0,13

16,064

0,8307

0,6726

28,727

0,14

15,872

0,8306

0,6723

28,402

0,15

15,681

0,8305

0,6720

28,077

0,17

15,489

0,8304

0,6715

27,751

0,20

15,107

0,8303

0,6710

27,101

24


Hình 12: Sự phụ thuộc của hiệu suất vào hệ số phản xạ mặt trước
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng giảm dần từ 18,176% xuống 15,107 % khi
tăng dần hệ số phản xạ mặt trước.

Hình 13: Sự phụ thuộc của mật độ dòng đoản mạch vào hệ số phản xạ mặt trước.
Các đặc trưng đầu ra khác thì có giảm nhưng giảm chậm hơn và gần như
không thay đổi nhiều. Hệ số lấp đầy cũng giảm từ 0,832 xuống 0,830. Tương tự, thế
hở mạch cũng giảm chậm từ 0,676 V xuống 0,671 V.

Hình 14: Sự phụ thuộc của thế hở mạch vào hệ số phản xạ mặt trước

25