Nghiên cứu ảnh hưởng của lớp chức năng nano zno đến hoạt động của pin mặt trời màng mỏng glassTCOnanoZnOCdSCuInS2Me lắng đọng bằng phương pháp USPD ILGAR

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LƯU THỊ LAN ANH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP CHỨC NĂNG NANO ZnO ĐẾN
HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG
GLASS/TCO/NANO ZnO/CdS/CuInS2/Me

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
Mã số:
62520401

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LƯU THỊ LAN ANH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP CHỨC NĂNG NANO ZnO ĐẾN
HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG
GLASS/TCO/NANO ZnO/CdS/CuInS2/Me

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
Mã số:
62520401

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS.TS Võ Thạch Sơn

Hà Nội - 2014


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi dưới sự hướng dẫn
của GS.TS. Võ Thạch Sơn. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và
chưa từng công bố trong bất kỳ một công trình nào.

Tác giả luận án

Lưu Thị Lan Anh


Lời cảm ơn
Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Trường Đại Học Bách khoa Hà Nội
và Viện Vật lý Kỹ thuật đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin bày tỏ lời cám ơn chân thành và sự kính trọng đối với GS.TS Võ Thạch Sơn
người đã hướng dẫn tôi thực hiện bản Luận án này. Thầy đã tận tình chỉ bảo cả
về lĩnh vực khoa học cũng như trong cuộc sống. Tôi đã học được rất nhiều từ
những điều chỉ dẫn tận tình và từ nhân cách nhà giáo của Thầy. Tôi cảm phục
những hiểu biết sâu sắc về chuyên môn, khả năng sư phạm cũng như sự tận tình
của Thầy. Những kiến thức mà tôi tiếp nhận được từ Thầy không chỉ là bản Luận
án mà trên hết là cách nhìn nhận, đánh giá cũng như phương thức giải quyết các
vấn đề khoa học và sự trải nghiệm của cuộc sống. Tôi xin bầy tỏ sự kính trọng và

biết ơn to lớn đối với Thầy.
Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Dương Ngọc Huyền, PGS.TS. Nguyễn Ngọc Trung,
TS.Nguyễn Tuyết Nga, TS.Nguyễn Hoàng Thoan, TS.Lương Hữu Bắc, ThS. Lê Ngọc
Minh, ThS.Phạm Văn Thắng, ThS. Phạm Phi Hùng Viện Vật lý kỹ thuật, Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội, TS. Trần Thanh Thái- Đại học Quy Nhơn đã giúp đỡ tôi rất
nhiều trong suốt quá trình thực hiện các thực nghiệm của Luận án, đồng thời có
những đóng góp gợi mở quý báu trong quá trình tôi hoàn thiện Luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn ThS. Cao Xuân Quân, Phòng Đo lường Quang học, Viện
Đo lường Việt Nam vì những giúp đỡ trong việc đo đạc các thông số đặc trưng quang.
Tôi xin trân trọng cảm ơn GS. TS. M. Jouan, Phòng thí nghiệm SPMS (Lab. de
Structures Propriétés et Modelisation des Solides), Trường ECP (Ecole Centrale
Paris, France) đã giúp đỡ tôi khảo sát hình thái bề mặt các mẫu nano ZnO.
Tôi cũng trân trọng cảm ơn TS. Nguyễn Xuân Sáng, Trung tâm SMART
(Singapore - MIT Alliance for Research and Technology), Trường Đại học Quốc gia
Singapo vì những giúp đỡ trong việc chụp và phân tích hình thái bề mặt và tính chất
điện các mẫu nanoZnO,CdS và màng CuInS2.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các đồng nghiệp đã ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận
lợi giúp tôi hoàn thành luận án.
Cuối cùng, tôi muốn giành lời cảm ơn cho những người thân yêu nhất của tôi. Bản
Luận án này là món quà quý giá tôi xin được tặng cho cha mẹ thân yêu của tôi.
Hà Nội, ngày 06 tháng 05 năm 2014
Tác giả luận án

Lưu Thị Lan Anh


1

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 thước tinh thể trung bình

E

Energy

Năng lượng

e

Electron

Điện tử

EA

Ionization energy

Năng lượng ion hóa

EC

Conduction band energy

Năng lượng vùng dẫn

EF

Fermi energy

Năng lượng Fermi

Eg

Optical band gap energy

Độ rộng vùng cấm quang

EV

Valence band energy

Năng lượng đỉnh vùng hoá trị

ff

fill factor

Hệ số lấp đầy

h

Hole

Lỗ trống

J

Current density

Mật độ dòng

Jmax

Current density at maximum power
output

Mật độ dòng ở công suất ra cực đại

JSC

Short circuit current density

Mật độ dòng ngắn mạch

R

Resistance between the contacts

Điện trở tiếp xúc

RS

Serial resistance

Điện trở nối tiếp

Rsh

Shunt resistance

Điện trở ngắn mạch

Rsheet

Sheet resistance

Điện trở bề mặt

t

Time

Thời gian

T

Transmitance

Độ truyền qua

TA

Absolute temperature

Nhiệt độ tuyệt đối

TC

Calcined temperature

Nhiệt độ ủ


2

Te

Enviromental temperature

Nhiệt độ làm việc, nhiệt độ môi
trường

TS

Substrate temperature

Nhiệt độ đế

V

Voltage

Điện áp

Vmax

Voltage at maximum power output

Điện áp ở công suất ra cực đại

VOC

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

Bước sóng

λex

Excitation wavelength

Bước sóng kích thích

e

Electron mobility

Độ linh động điện tử

p

Hole mobility

Độ linh động lỗ trống



Resistivity

Điện trở suất


3

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 lượng tia X

ETA

Extremely thin absorber

Chất hấp thụ chiều dày rất mỏng

FESEM
FTO

Field Emission Scanning Electron
Hiển vi điện tử quét phát xạ trường
Microscope
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

Solar cells

Tế bào mặt trời

PMT
SCAPS1D

Solar Cell CAPacitance Simulator in CAP-mô phỏng một chiều pin mặt
1 Dimension
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
XRD

UV-VIS Spectrophotometer

Máy quang phổ hấp thụ UV-VIS

X-ray diffraction

Nhiễu xạ tia X

4

Danh mục các bảng
Bảng 1.1 Dự báo công suất năng lượng tái tạo năm 2030-2035 và năm 2050 [143] ........ 15
Bảng 1.2 Các thông số đặc trưng của PMT CuInS2 lý tưởng và PMT CuInS2 thực đạt
hiệu suất cao nhất hiện nay [71],[153] ................................................................................ 29
Bảng 1.3 Một số tính chất vật lý của vật liệu ZnO.............................................................. 36
Bảng 2.1 Bảng tóm tắt các phương pháp sử dụng để khảo sát các lớp chức năng ............ 44
Bảng 2.2 Danh mục các hóa chất sử dụng.......................................................................... 45
Bảng 2.3 Trị số đường kính aerosol phụ thuộc loại dung môi ........................................... 46
Bảng 2.4 Các kiểu dao động của màng nano ZnO ............................................................. 49
Bảng 2.5 Các thông số kích thước màng ZnO phụ thuộc nhiệt độ lắng đọng .................... 57
Bảng 2.6 Danh mục hóa chất sử dụng ................................................................................ 67
Bảng 2.7 Các thông số cấu trúc và kích thước tinh thể của các mẫu CuInS2 ....................... 69
Bảng 2.8 Thành phần các nguyên tố trong các mẫu CIS-06, CIS-08, CIS-12, CIS-21, CIS-26 ......69
Bảng 2.9 Các thông số điện của mẫu lắng đọng với chiều dày khác nhau ........................ 72
Bảng 2.10 Danh mục hóa chất sử dụng .............................................................................. 73
Bảng 2.11 Các thông số điện của các mẫu CdS lắng đọng ................................................ 76
Bảng 3.1 Số liệu mô phỏng theo sơ đồ tương đương của hệ vật liệu
Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag .................................................................................. 85
Bảng 4.1 Các thông số đầu vào mô phỏng ảnh hưởng của nhiệt độ Te ............................ 100
Bảng 4.2 Kết quả mô phỏng theo nhiệt độ Te.................................................................... 101
Bảng 4.3 Thông số cơ bản đầu vào mô phỏng .................................................................. 103
Bảng 4.4 Các thông số của PMT mô phỏng bằng SCAPS-1D khi chiều dày lớp hấp thụ
thay đổi .............................................................................................................................. 105
Bảng 4.5 Các thông số quang điện của pin mặt trời mô phỏng bằng SCAPS-1D ............ 106
Bảng 4.6 Các thông số quang điện của pin mặt trời với chiều dày lớp hấp thụ khác nhau....... 110
Bảng 4.7 Các thông số đầu vào mô phỏng sử dụng trong trường hợp so sánh với mẫu thực
nghiệm ............................................................................................................................... 110
Bảng 4.8 So sánh thông số của mẫu thực nghiệm PMT -10 và mẫu mô phỏng M05 ....... 112

Bảng 4.9 Các thông số quang điện của pin mặt trời với nồng độ muối kẽm acetat khác
nhau ................................................................................................................................... 113


5

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1 Xu hướng tiêu thụ năng lượng toàn cầu từ 1990 đến 2040 [2]........................... 13
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] ........................................................................................ 14
Hình 1.3 Sự phát triển của các thế hệ pin mặt trời [10] ..................................................... 17
Hình 1.4 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ........................................ 18
Hình 1.5 Cấu trúc một chiều của PMT chuyển tiếp PN đồng chất..................................... 19
Hình 1.6 Đồ thị mật độ dòng ngắn mạch Jsc phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm Eg [14], [18] ......21
Hình 1.7 Đồ thị điện áp hở mạch Voc phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm Eg [18]............... 22
Hình 1.8 Đồ thị hiệu suất quang điện  phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm Eg [18] .......... 23
Hình 1.9 Đặc trưng J-V của PMT trong điều kiện trong tối và chiếu sáng [22] ................ 23
Hình 1.10 Sơ đồ tương đương của PMT thực [23], [24] .................................................... 24
Hình1.11 Đồ thị phụ thuộc ảnh hưởng của các điện trở lên đặc trưng J-V sáng
[24],[23],[22] a)Ảnh hưởng của RS b) Ảnh hưởng của Rsh ................................................. 24
Hình 1.12 Cấu trúc PMT màng mỏng chalcopyrite [11] ................................................... 27
Hình 1.13 Trạng thái điện tử của bán dẫn khối(a), tinh thể nhỏ(b) và phân tử(c) ............. 31
Hình 1.14 Giản đồ năng lượng của các bán dẫn ............................................................... 31
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) ........................................ 33
Hình 1.16 Giản đồ năng lượng của pin mặt trời cấu trúc nano ......................................... 34
Hình 1.17 Sơ đồ các dạng cấu trúc của pin mặt trời cấu trúc nano................................... 34
Hình 1.18 Cấu trúc tinh thể Wurtzite của vật liệu ZnO ...................................................... 36
Hình 1.19 Cấu trúc vùng năng lượng của hợp chất AIIBVI (a) và của ZnO (b) .................. 38

Hình 1.20 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun phủ nhiệt phân [69], [70] .................. 39
Hình 1.21 Sơ đồ khối hệ phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm............................................ 40
Hình 1.22 Hệ thiết bị USPD kết hợp ILGAR ...................................................................... 42
Hình 2.1 Cấu trúc pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano ................................................ 44
Hình 2.2 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở TS=420oC với các tỉ lệ thể tích
của C3H7OH và nước (ảnh trái là độ phóng đại 100k, ảnh phải là độ phóng đại 25k ..................47
Hình 2.3 Sự va chạm của các aerosol lên trên bề mặt đế nóng [77] .................................. 48
Hình 2. 4 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở TS=420oC ......... 50
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 .......................................................................... 51
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).......................................... 52


6
Hình 2.7 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng với các nguồn muối kẽm52
Hình 2.8 Kết quả tách phổ Raman trong dải số sóng 300 ÷ 500 cm- của các mẫu màng
nanoZnO .............................................................................................................................. 53
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 .................................................................................................. 54
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 .............................................................................. 55
Hình 2.11 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở nhiệt độ
TS = 400÷500oC (a) Z-400, (b) Z-420, (c) Z-450 và (d) Z-500 ........................................... 56
Hình 2.12 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở nhiệt
TS = 400÷500oC ................................................................................................................... 56
Hình 2.13 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở nhiệt độ
TS = 400÷500oC ................................................................................................................... 58
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-50…………………………………………………58

Hình2.15 Phổ truyền qua của mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở nhiệt độ TS = 400÷500oC ......59
Hình 2.16 Đồ thị quan hệ giữa (h)2 với h của mẫu lắng đọng ở nhiệt độ
TS = 400÷500oC ................................................................................................................... 60
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 .................................................................................................... 61
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 ................................................................................................... 62
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 ................................................................................................... 62
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 ........................................................................................ 63
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 ................................................................................ 63
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 .................................................................................................. 64
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 .................................................................................................. 65
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 ................................................................................. 65
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 ............................................................................... 66
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 ............................................................... 67
Hình 2.27 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu CuInS2........................................................... 68
Hình 2.28 Ảnh AFM của các mẫu CuInS2 (a) CIS-12, (b) CIS-21 và (c) CIS-26 .............. 70


7
Hình 2.29 Độ truyền qua của các mẫu ............................................................................... 70
Hình 2.30 Hệ số hấp thụ của các mẫu .................................................................................. 71

Hình 2.31 Đồ thị quan hệ quan hệ (h)2 vào h các mẫu .............................................. 72
Hình 2.32 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu màng CdS ................................................ 74
Hình 2.33 Ảnh AFM 3D của các mẫu màng CdS ............................................................... 75
Hình 2.34 Độ truyền qua của các màng CdS ..................................................................... 75
Hình 2.35 Đồ thị quan hệ (h)2 với h của các màng CdS .............................................. 76
Hình 3.1 Biểu diễn vector Fresnel trên mặt phẳng phức.................................................... 79
Hình 3.2 Sơ đồ tương đương của hệ vật liệu (a) và phổ CIS tương ứng (b) ...................... 80
Hình 3.3 Cấu trúc pin mặt trời màng mỏng CuInS2 (a) và giản đồ năng lượng (b) ........... 81
Hình 3.4 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời màng mỏng Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me
(a) và phổ CIS của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me (b) ..........................................81
Hình 3.5 Sơ đồ lắng đọng các lớp chức năng trong cấu trúc PMT
Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2 ........................................................................................ 82
Hình3.6 Hệ đo phổ CIS ....................................................................................................... 83
Hình 3.7 Sơ đồ khối hệ đo phổ CIS ..................................................................................... 83
Hình 3.8 Phổ CIS của mẫu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag khi chiều dày lớp CdS
thay đổi ................................................................................................................................ 84
Hình 3.9 Sơ đồ tương đương của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag........... 85
Hình 3.10 Phổ CIS của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag khi chiều dày lớp CdS
thay đổi ................................................................................................................................. 86
Hình 3.11 Sự phụ thuộc của Cj (phân biên CdS/CuInS2) vào chiều dày lớp CdS ............. 87
Hình 3.12 Mô hình chuyển tiếp PN khi CdS=0 nm ............................................................. 87
Hình 3.13 Mô hình chuyển tiếp PN khi CdS=30nm ............................................................ 88
Hình 3.14 Mô hình chuyển tiếp PN khi CdS=60nm ............................................................ 88
Hình 3.15 Mô hình chuyển tiếp PN khi CdS60nm ............................................................ 89
Hình 3.16 Sự phụ thuộc của Cn (phân biên ZnO/CdS) vào chiều dày lớp CdS ................. 89
Hình 3.17 Sự phụ thuộc của giá trị CPE-P vào chiều dày lớp CdS .................................... 90
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 ............................................... 91
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 .................................................................................................. 92

Hình 3.20 Phổ CIS của các mẫu ZnO/CdS/CuInS2 với CdS=80nm và ZnO lắng đọng ở các
nồng độ muối kẽm acetat (a) Z-005 (b) Z-01 (c) Z-04......................................................... 93
Hình 4.1 Quy trình mô hình hóa để cải thiện hiệu suất quang điện ................................... 95


8
Hình 4.2 Giao diện sử dụng phần mềm SCAPS .................................................................. 96
Hình 4.3 Giản đồ vùng năng lượng, mật độ hạt tải, mật độ dòng điện .............................. 97
Hình 4. 4 Cấu trúc pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano ............................................... 99
Hình 4.5 Giản đồ năng lượng của pin mặt trời mặt trời màng mỏng................................. 99
Hình 4.6 Đồ thị phụ thuộc các thông số đặc trưng theo nhiệt độ làm việc ...................... 102
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 ................................................................................. 106
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 ..................................................................................... 107
Hình 4. 9 Sơ đồ khối công nghệ chế tạo PMT Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me ...... 108
Hình 4.10 Đặc trưng J-V sáng của pin mặt trời chế tạo .................................................. 109
Hình 4.11 So sánh đặc trưng J-V của mẫu thực nghiệm và mẫu mô phỏng ..................... 111
Hình 4.12 Đặc trưng J-V sáng của pin mặt trời chế tạo .................................................. 113


9

MỞ ĐẦU
Theo thông báo của Cơ quan Thông tin Năng lượng (EIA) của Bộ Năng lượng Mỹ
trong ―Outlook Năng lượng Quốc tế‖ năm 2013 thì trong khoảng từ năm 2010 đến 2040
mức tiêu thụ năng lượng thế giới dự kiến tăng 56%.
Thật vậy, hiện nay nhân loại đang đối diện trước ba ―thách thức năng lượng‖ to lớn:
1)

Sự cạn kiệt nhanh chóng các nguồn nhiên liệu hóa thạch

2)

Sự biến đổi theo chiều hướng xấu của khí hậu toàn cầu

3)

Nhu cầu sử dụng các dạng năng lượng ngày càng tăng

Các thách thức kể trên đều có nguyên nhân từ con người, mà trong đó nguyên nhân sự biến
đổi khí hậu chính là sự gia tăng nhanh khí nhà kính trong khí quyển (CO2) do nhiên liệu hóa
thạch bị đốt cháy [1],[2]–[4].
Có thể thấy rằng, vấn đề an ninh năng lượng 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 trước bài toán hết
sức khó khăn là tìm kiếm các nguồn năng lượng bền vững, thân thiện với môi trường để
thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt. Trong bối cảnh này,
việc nghiên cứu sử dụng các dạng năng lượng tái tạo đang nhận được 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] ước tính: ―Gần 80% nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên thế giới có thể
được đáp ứng bằng năng lượng tái tạo vào giữa thế kỷ này nếu các chính phủ áp dụng hiệu
quả những chính sách khuyến khích sử dụng năng lượng sạch‖. Báo cáo của IPCC cũng
cho biết, việc chuyển sang sử dụng các nguồn năng lượng sạch sẽ giúp giảm đáng kể lượng
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 nước biển dâng.
Tại Việt Nam, năng lượng tái tạo cũng được 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
tướng Hoàng Trung Hải đã khẳng định: ―Năng lượng 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.
Trước dự báo đến năm 2015 nước ta sẽ bắt đầu phải nhập khẩu năng lượng thì bài toán

năng lượng càng trở lên quan trọng và cấp bách hơn bao giờ hết...", "việc phát triển nguồn
năng lượng mới, trong đó có điện mặt trời khi năng lượng 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 lượng tái tạo chương trình điện khí hóa nông thôn của Chính
phủ‖. Tất cả những điều trên cho thấy năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời
đang nhận được 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 lượng cho con người trong tương lai.
Có thể nói, năng lượng mặt trời bắt đầu phát triển và hiện nay đang trên đà trưởng
thành, mặc dù giá thành vẫn còn đắt hơn nhiều so với các nguồn năng lượng 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 lượng mặt trời cần đầu tư nhân lực,
công nghệ và tài chính đáng kể.
Nhiều chuyên gia trong lĩnh vực năng lượng mặt trời có cách nhìn rất lạc quan về tương
lai của năng lượng mặt trời. Thực tế cho thấy, sự phát triển của pin mặt trời trong những
năm gần đây bắt đầu cạnh tranh với năng lượng gió và địa nhiệt. Nhiều dự đoán cho rằng,


10
công suất năng lượng mặt trời toàn cầu có thể đạt 400800 GW sớm nhất là năm 2020. Và
đến năm 2050, công suất năng lượng 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 trước năm 2020 với thị phần của châu Âu sẽ giảm
xuống dưới 50% và phần còn lại sẽ do Trung Quốc, Nhật Bản, và các nước châu Á khác
chi phối.
Một loạt các yếu tố đã góp phần giảm giá thành năng lượng mặt trời như: 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 đưa ra các hướng 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) Đưa vào ứng dụng các loại pin mặt trời trên cơ sở các vật liệu mới như 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.
Như 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 lượng, đặc biệt là hướng nghiên cứu pin mặt trời màng mỏng giá rẻ, hiệu suất
cao và thân thiện với môi trường 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/CuInS2/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: USPD-ILGAR
2) Nghiên cứu lắng đọng các lớp chức năng bằng phương pháp USPD-ILGAR để xác định
quy trình công nghệ phù hợp.
3) Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ lắng đọng tới tính chất của các phân
biên ZnO/CdS và CdS/CuInS2 bằng phương pháp phổ trở kháng phức CIS
4) Ứng dụng phần mềm SCAPS-1D để thiết kế và chế tạo thử nghiệm pin mặt trời
màng mỏng cấu trúc đảo Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me bằng phương pháp USPDILGAR
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
1) Nghiên cứu lắng đọng lớp cửa sổ nanoZnO bằng phương pháp USPD. Nghiên cứu
cấu trúc và tính chất quang - điện của các màng lắng đọng khi thay đổi các thông số như tỉ
lệ dung môi, loại đế sử dụng, nhiệt độ lắng đọng TS, nguồn muối kẽm...
2) Nghiên cứu lắng đọng lớp hấp thụ CuInS2 bằng phương 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 phương pháp USPD-ILGAR. Khảo sát cấu
trúc và tính chất quang - điện của các màng lắng đọng với chiều dày thay đổi

11
4) Khảo sát ảnh hưởng của các thông số lắng đọng tới tính chất của các phân biên
ZnO/CdS và CdS/CuInS2 bằng phương pháp phổ trở kháng phức CIS
5) Mô
phỏng
pin
mặt
trời
màng
mỏng
cấu
trúc
kiểu
Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me bằng phần mềm SCAPS-1D. Khảo sát ảnh hưởng
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 ưu như 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/CuInS2/Me bằng phương pháp USPD-ILGAR
Phương pháp nghiên cứu
Trong công trình này, chúng tôi đã sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết
hợp với các đoán nhận lý thuyết và phương 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 phương pháp lắng đọng bao gồm phương pháp USPD và phương pháp USPDILGAR.
Chất lượng các mẫu được khảo sát bằng phương 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 được xác định trên cơ sở phổ truyền qua UV-VIS. Tính chất điện của mẫu được

khảo sát bằng phương pháp hiệu ứng Hall và đặc trưng J-V. Đặc trưng J-V sáng của pin
mặt trời được 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/CuInS2/Me bằng phương pháp USPDILGAR
2) Lần đầu tiên đã xác định được quy trình công nghệ để lắng đọng các lớp chức năng
trong cấu trúc pin mặt trời màng mỏng bằng phương pháp USPD-ILGAR.
3) Lần đầu tiên đã sử dụng phương pháp phổ trở kháng phức CIS để khảo sát các phân
biên ZnO/CdS và CdS/CuInS2 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/CuInS2 và công nghệ lắng đọng chúng.
4) Cấu trúc nano của lớp cửa sổ ZnO đã ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt động và góp phần
gia tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin măt trời màng mỏng.
5) Các pin mặt trời màng mỏng kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me cấu trúc
đảo có hiệu suất chuyển đổi quang điện đạt ƞ= 1.84%. Đây là giá trị tương đương 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 phương pháp
công nghệ đơn giản, rẻ tiền để chế tạo pin mặt trời có giá thành thấp.


12
3) Cấu trúc pin mặt trời đảo kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/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 được trình bày trong 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan tài liệu
Chương 2: Nghiên cứu công nghệ lắng đọng các lớp chức năng trong cấu trúc pin mặt
trời màng mỏng
Chương 3: Khảo sát các phân biên ZnO/CdS và CdS/CuInS2 bằng phương pháp phổ
trở kháng phức CIS
Chương 4: Thiết kế và chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc kiểu
Glass/ITO/ nanoZnO/CdS/CuInS2/Me


13

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 lượng 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 lượng 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 lượng
(EIA) của Bộ Năng lượng Mỹ trong ―Outlook Năng lượng Quốc tế‖ của năm 2013 trong
khoảng từ năm 2010 đến 2040 thì mức tiêu thụ năng lượng thế giới dự kiến tăng 56%.
Năng lượng tiêu thụ năm 2010 khoảng là 524.1015Btu, thì năm 2020 dự kiến khoảng
630.1015Btu và năm 2040 dự kiến khoảng 820.1015Btu [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 như sự gia
tăng mạnh trong việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như là một trong những giải
pháp hữu hiệu đối với các nhu cầu về năng lượng. Hình 1.1 biểu diễn xu hướng tiêu thụ
các dạng năng lượng trên thế giới.
250

200

15

N¨ng l-îng tiªu thô, 10 .Btu

28%
27%
Láng
(gåm c¶ nhiªn liÖu sinh häc)

150

KhÝ tù nhiªn

28%
100

23%

34%

Than

15%

22%

N¨ng l-îng t¸i t¹o
50

7%

11%
N¨ng l-îng h¹t nh©n
5%

0
1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040

N¨m

Hình 1.1 Xu hướng tiêu thụ năng lượng toàn cầu từ 1990 đến 2040 [2]

Cũng cần lưu ý rằng, khí nhà kính từ việc cung cấp các dịch vụ năng lượng đã góp phần
đáng kể vào sự gia tăng nồng độ khí nhà kính trong khí quyển. Báo cáo đánh giá thứ tư 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 người
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 người 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 CO2 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 lượng trong khi vẫn đáp ứng đủ


14
nhu cầu năng lượng toàn cầu. Một trong số các lựa chọn có thể là năng lượng tái tạo, năng
lượng hạt nhân, sự thu giữ các bon (Carbon Capture and Storage - CCS) như đã được đánh

giá trong AR4.
350

C«ng suÊt n¨ng l-îng t¸i t¹o, GW

(1)
300
250

(2)

200
150
100

(3)
50

(4)
(5)

0
2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

N¨m

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 lượng tái tạo, ngoài tiềm năng to lớn để giảm thiểu sự biến đổi khí hậu còn có thể
cung cấp cho con người những tiện ích hữu dụng khác khi sử dụng chúng. Năng lượng tái
tạo có thể, nếu được thực hiện đúng cách, sẽ góp phần phát triển kinh tế xã hội, tiếp cận
năng lượng vì là nguồn cung cấp năng lượng an toàn và giảm các tác động tiêu cực đến
môi trường và sức khỏe.
Trong hầu hết các điều kiện cần có, việc tăng tỷ trọng sử dụng năng lượng tái tạo trong
hỗn hợp năng lượng sẽ cần những chính sách để kích thích những thay đổi trong hệ thống
năng lượng. Việc triển khai các công nghệ năng lượng 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 tư công nghệ và cơ sở hạ tầng.
Trong số các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng khác nhau (thủy điện, năng lượng
sinh khối, năng lượng gió và năng lượng mặt trời) thì năng lượng mặt trời là lĩnh vực phát
triển nhanh hơn cả với tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm khoảng 60% trong những
năm gần đây[4],[6],[13]. Hình 1.2 và bảng 1.1 dưới đây là dự báo công suất tiêu thụ năng
lượng 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 lượng mặt trời là rất cao, xếp hạng đầu tiên trong số
các nguồn năng lượng tái tạo. Đây là nguồn năng lượng đủ để sản xuất nhiều hơn gấp hai
lần nhu cầu dự kiến năng lượng thế giới cho năm 2030.
2) Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng 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.


15
Bảng 1.1 Dự báo công suất năng lượng tái tạo năm 2030-2035 và năm 2050 [4]

Dạng năng lượng

Gió

PV CSP Sinh khối Địa nhiệt

Đơn vị

Đại
dương

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

-

Hiện nay, năng lượng mặt trời đang nhận được sự quan tâm đặc biệt trên toàn thế giới.
Ở các nước phát triển, các nhà máy năng lượng mặt trời đã được hòa với lưới điện quốc
gia, trong khi ở các nước đang phát triển, các nhà máy năng lượng mặt trời lại hoạt động
như các đơn vị độc lập.

Có thể nói, năng lượng mặt trời bắt đầu phát triển và hiện nay đang trên đà trưởng
thành, mặc dù giá thành vẫn còn đắt hơn nhiều so với các nguồn năng lượng 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 lượng mặt trời cần đầu tư nhân lực,
công nghệ và tài chính đáng kể.
Nhiều chuyên gia trong lĩnh vực năng lượng mặt trời có cách nhìn rất lạc quan về tương
lai của năng lượng mặt trời. Thực tế cho thấy, sự phát triển của pin mặt trời trong những
năm gần đây bắt đầu cạnh tranh với năng lượng gió và địa nhiệt. Nhiều dự đoán cho rằng,
công suất năng lượng mặt trời toàn cầu có thể đạt 400800 GW sớm nhất là năm 2020. Và
đến năm 2050, công suất năng lượng 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 trước năm 2020 với thị phần của châu Âu sẽ giảm
xuống dưới 50% và phần còn lại sẽ do Trung Quốc, Nhật Bản, và các nước 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 thượng là khoảng  20’37 cent/kWh. Đối với
trường hợp lắp đặt quy mô lớn, tùy thuộc vào kích thước hệ thống, điều kiện bức xạ mặt
trời địa phương 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 dưới 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


16
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 lượng mặt trời như: 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 đưa ra các hướng 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) Đưa vào ứng dụng các loại pin mặt trời trên cơ sở các vật liệu mới như 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 nước ta, năng lượng tái tạo cũng nhận được sự quan tâm to
lớn của Đảng và Nhà nước. Phó thủ tướng Hoàng Trung Hải đã khẳng định: ―Năng lượng
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. Trước dự báo đến năm 2015 nước ta sẽ bắt đầu
phải nhập khẩu năng lượng thì bài toán năng lượng càng trở lên quan trọng và cấp bách
hơn bao giờ hết....Việc phát triển nguồn năng lượng mới, trong đó có điện mặt trời khi
năng lượng 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 lượng tái tạo chương
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 lượng mặt trời đã và đang dần trở thành nguồn năng lượng sạch vô
cùng quan trọng trên thế giới. Với các tiến bộ vượt 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 lượng xanh" này trong tương 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 được phát
hiện bởi nhà vật lý người 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 người 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 người 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 lượng mặt trời không có giới hạn và không có


17
chi phí. Nguồn năng lượng 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, người ta vẫn tin rằng việc cung cấp năng lượng từ mặt trời là
bao la. Tuy nhiên, hơn một trăm năm đã trôi qua kể từ khi Charles Fritts nhìn thấy
trước năng lượng miễn phí cho tất cả mọi người, chúng ta mới nhận ra rằng, các công
nghệ khai thác năng lượng 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 được 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 như một nguồn năng lượng 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 hướng khác, tế bào mặt trời GaAs được công bố lần đầu tiên bởi nhóm D. A Jenny vào
năm 1956 [22].


18
Các tế bào mặt trời đã được cải thiện nhanh chóng trong những năm tiếp theo theo
các hướng:
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 được sử dụng như một lớp hấp thụ ánh
sáng. Nguyên tắc hoạt động của PMT được biểu diễn trên hình 1.4.
h

Điện cực trước
N
-

Vùng điện tích
không gian

+

+

Điện trở

-

P

Điện cực sau
Lỗ trống

Cặp điện tử-lỗ trống

Điện tử tự do

Hình 1.4 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Khi chuyển tiếp PN được chiếu sáng, những photon có năng lượng lớn hơn năng lượng
vùng cấm của vật liệu được hấp thụ và làm phát sinh các cặp điện tử - lỗ trống. Dưới tác
dụng của điện trường tiếp xúc của chuyển tiếp PN, các cặp điện tử - lỗ trống bị tách ra,
được 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 trường 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 được biểu thức giải tích của đặc trưng J-V, hãy xét một cấu trúc PMT một
chiều như biểu diễn trên hình 1.5 dưới đây:

19
Vùng điện tích
không gian

Gianh giới
công nghệ

P

N

-xp
x=0
Vùng
w xp+xn
giả cân bằng

xn

Vùng
giả cân bằng

x

Hình 1.5 Cấu trúc một chiều của PMT chuyển tiếp PN đồng chất

1.3.2.1 Dòng ngắn mạch Jsc
Khi ánh sáng chiếu tới bán dẫn P, số lượng các cặp điện tử - lỗ trống được sinh ra ở một
khoảng cách x tỷ lệ với tốc độ tạo ra chúng và được xác định theo biểu thức sau [18]:

𝐺 = 𝛼𝐹(1 − 𝑅)𝑒 −𝛼𝑥

(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
lượng photon tới. F được xác định bởi số lượng photon trên một đơn vị diện tích, trong một
đơn vị thời gian và đơn vị bước sóng. Có thể thấy, trong biểu thức (1.1), tất cả các biến số
đều phụ thuộc vào bước sóng. Như vậy, ở điều kiện cân bằng nhiệt động, phương trình liên
tục sẽ được biểu diễn như sau [18]:

Dn

∂ 2 n p −n p 0
∂x 2

+ αF 1 − R e−αx −

n p −n p 0
τn

=0

(1.2)

trong đó, Dn là hệ số khuếch tán của điện tử, np là nồng độ điện tử trong bán dẫn loại p,
npo 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
được gia tốc bởi điện trường thuận ở mặt đối diện của chuyển tiếp.
Vì vậy, có thể thấy rằng: 𝑛𝑝 = 𝑛𝑝0

𝑥=−𝑥 𝑝

Gọi tốc độ tái hợp bề mặt của các điện tử dư ở mặt trước là Sn, phương trình liên tục sẽ
có dạng như sau [18]:
Dn

∂n p
∂x

= Sn np − np0 ở x = 0

(1.3)

Theo các điều kiện biên, mật độ dòng điện tử trong lớp P được xác định theo phương
trình sau [18]:
Jn = qDn

∂ n p −n p 0
∂x
x=−x p

A=

αL

= qF 1 − R αL 2n−1 A
n

S n Ln

+αL n
Dn
xp
xp
Sn Ln
sinh +cosh
Dn
Ln
Ln

− αLn +

xp
Sn Ln
cosh +sinh
Dn
Ln
xp
Sn Ln
sinh +cosh
Dn
Ln

(1.4)
xp
Ln
xp
Ln

e−αx p

20
Tương tự, đối với lớp N chúng ta có:
Dn

∂ 2 p n −p n 0
∂x 2

+ αF 1 − R e−αx −

p n −p n 0
τp

=0

(1.5)

với điều kiện biên:

pn - pn0 = 0 tại x = xn
∂pn
Dp
= −Sp pn − pn0 𝑣ớ𝑖 x = d
∂x
với Sp là tốc độ tái hợp bề mặt của các lỗ trống dư ở mặt sau. Lúc này, mật độ dòng lỗ
trống sẽ được biểu diễn như sau:
Jp = −qDp

∂ p n −p n 0

∂x
x=x n

A = αLp −

Sp Lp
cosh
Dp
Sp Lp
Dp

sinh

αL p

= qF 1 − R

d
+sinh
Lp
d
+cosh
Lp

d
Lp
d
Lp

αL p

2

−1

A

(1.6)
Sp Lp
Dp

αL p −

−

Sp Lp
Dp

sinh

d
d
+cosh
Lp
Lp

e−αd e−α x n

Do điện trường trong vùng điện tích không gian đủ lớn, nên tất cả các điện tử và lỗ
trống sinh ra trong vùng này được gia tốc và dịch chuyển theo hướng ngược chiều nhau.

Như vậy, mật độ dòng quang điện trong vùng điện tích không gian sẽ được xác định bởi
biểu thức sau đây[18]:

𝐽𝑑 = 𝑞𝐹 1 − 𝑅 𝑒 −𝛼𝑥 𝑝 − 𝑒 −𝛼

𝑥𝑛

(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 được xác
định bởi tích phân trên toàn bộ phổ mặt trời. Cuối cùng, chúng ta có [18]:

Jsc =

max
min

Jn + Jp + Jd d

(1.8)

trong đó, Jn là mật độ dòng ở phần bán dẫn loại n, Jp là mật độ dòng ở phần bán dẫn loại
n và Jd là mật độ dòng ở vùng điện tích không gian.
với min là bước sóng nhỏ nhất có thể và max là bước sóng lớn nhất có thể của phổ mặt
trời. Trong trường hợp này, min có giá trị khoảng 0,3 m đối với ánh sáng mặt trời và
max là bước sóng tương 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 cường 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 trường hợp chuyển tiếp PN lý tưởng, có thể xác định giới hạn trên của mật độ

dòng ngắn mạch. Để đơn giản, hãy giả thiết rằng:
d = ∞, w = 0, Sn = Sp = 0 và Ln = Lp = L

(1.9)

Khi đó, từ biểu thức (1.4), (1.6) và (1.7) chúng ta có:

JSC = Jn + Jp + Jd = qF 1 − R

αL
αL

2 −1

1
cosh

xp

αL − e

αL −1
L

xp

(1.10)

L

và giá trị lớn nhất của dòng Jsc là:

JSC = Jn + Jp + Jd =

qF 1−R
cosh

x pmax
L

tại xpmax ≅ L

ln αL
αL−1

(1.11)


21
Nếu chiều dài khuếch tán là đủ lớn, hay là αL >>1, thì giới hạn trên của 𝐽𝑛 + +𝐽𝑝 + 𝐽𝑑
là 𝑞𝐹 1 − 𝑅 . Do đó, giới hạn trên của mật độ dòng ngắn mạch được xác định như sau:
𝑚𝑎𝑥
𝑚𝑖𝑛

𝐽𝑠𝑐 = 𝑞

𝑞𝐹 1 − 𝑅 𝑑

(1.12)

Lưu ý rằng, min là bước sóng thấp nhất có thể hấp thụ, max (m) =1,2398/Eg (eV) là
bước sóng tương ứng với bờ hấp thụ và giới hạn trên của dòng ngắn mạch có thể biểu diễn
theo năng lượng vùng cấm. Rõ ràng là, mật độ dòng ngắn mạch tăng lên cùng với năng
lượng vùng cấm giảm. Mối quan hệ giữa mật độ dòng ngắn mạch và năng lượng vùng cấm
được minh họa trên hình1.6, với giả thiết rằng R  0.
60
50

JSC, mA.cm

-2

40
30
20

AM 1.5

10
0
0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Eg, eV

Hình 1.6 Đồ thị mật độ dòng ngắn mạch Jsc phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm Eg [14], [18]

1.3.2.2 Điện áp hở mạch Voc
Điện áp hở mạch của PMT được xác định theo biểu thức sau [18]:

𝑉𝑜𝑐 =

𝑛𝑘𝑇
𝑞

𝐽 𝑠𝑐

𝑙𝑛

𝐽0

+1

(1.13)

với J0 là mật độ dòng bão hòa và xác định như sau [18]:

𝐽0 = 𝑞𝑁𝑣 𝑁𝑐

1

𝐷𝑛

𝑁𝐴

𝜏𝑛

+

1

𝐷𝑝

𝑁𝐷

𝜏𝑝

(1.14)

Từ các biểu thức (1.13) và (1.14) có thể thấy, để có được một điện áp hở mạch VOC 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 NA và ND. Như 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 như sau:

Voc ≅

Eg
q

1−

T0
Ts

+

kT 0
q

ln

Ts
T0

+

kT 0
q

ln

inc
4π

(1.15)