Nghiên cứu mô hình và tính chất điện của pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp cửa sổ zno cấu trúc nano

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu mơ hình và tính chất
điện của pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu trúc
nano” là cơng trình nghiên cứu của tơi sau hai năm theo học chương trình cao
học chuyên ngành Vật lý chất rắn tại Trường Đại học Quy Nhơn. Các số liệu và
tài liệu trong luận văn là trung thực và chưa được cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nghiên cứu nào. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn
và tham chiếu đầy đủ.

Quy Nhơn, ngày … tháng … năm 2019

Nguyễn Thị Thúy


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được Luận văn này trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn
Quý thầy cô giáo khoa Vật lý (hiện nay là khoa Khoa học Tự nhiên) và Phòng
Đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ
tôi hồn thành Luận văn này.
Tơi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sự kính trọng sâu sắc nhất
đến với TS. Trần Thanh Thái, Thầy đã trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Tơi xin trân trọng cảm ơn GS. M. Burgelman và các cộng sự thuộc
Trường Đại học Gent (Sweden) đã hỗ trợ phần mềm SCAPS-1D và các tài
liệu liên quan.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo Phịng Thí nghiệm Phân tích
và Đo lường Vật lý, TS. Lưu Thị Lan Anh (ĐHBK Hà Nội) đã trợ giúp thực
nghiệm.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng song luận văn này không thể tránh khỏi
những hạn chế và thiếu sót. Kính mong Q thầy cơ giáo, các nhà nghiên
cứu và những ai quan tâm đến đề tài tiếp tục góp ý để tác giả hồn thiện

hơn về hướng nghiên cứu của mình.
Một lần nữa tơi xin chân thành cảm ơn!
Quy Nhơn, ngày … tháng … năm 2019

Nguyễn Thị Thúy


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................... 1
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài ........................................................ 2
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn .............................................................. 3
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................ 4
5. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 4
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI ......................................... 5
1.1. Năng lượng mặt trời .................................................................................. 5
1.2. Các thế hệ pin mặt trời .............................................................................. 7
1.3. Cơ sở vật lý của pin mặt trời .................................................................. 10
1.3.1. Hiệu ứng quang điện ...................................................................... 10
1.3.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ........................................... 12
1.4. Pin mặt trời màng mỏng Cu(In,Al)S2 .................................................... 13
1.4.1. Cấu trúc pin mặt trời Cu(In,Al)S2 .................................................. 13
1.4.2. Lớp hấp thụ Cu(In,Al)S2 ................................................................. 14

1.4.3. Lớp cửa sổ ZnO .............................................................................. 15
1.4.4. Lớp đệm In2S3 ................................................................................. 20
1.4.5. Điện cực ITO .................................................................................. 22
1.5. Pin mặt trời sử dụng lớp hấp thụ cực mỏng (ETA) ............................... 22


1.5.1. Giới thiệu chung ............................................................................. 22
1.5.2. Nguyên lý pin mặt trời ETA ........................................................... 22
1.5.3. Hiệu suất lý thuyết tối đa của pin mặt trời ETA ............................ 24
1.5.4. Sự phát triển của pin mặt trời ETA ................................................ 26
Chương 2. LÝ THUYẾT VỀ MÔ PHỎNG SCAPS-1D ........................... 30
2.1. Giới thiệu phần mềm mơ phỏng SCAPS-1D ......................................... 30
2.2. Mơ hình một chiều pin mặt trời ............................................................. 32
2.2.1. Mơ hình một chiều pin mặt trời ..................................................... 32
2.2.2. Đặc trưng J-V của pin mặt trời ...................................................... 33
2.2.3. Các đặc tính khơng lý tưởng trong mơ hình .................................. 34
2.2.4. Các thơng số quang điện đánh giá hoạt động của pin mặt trời .... 36
2.2.5. Hiệu suất lượng tử ......................................................................... 38
2.2.6. Tổn hao trong pin mặt trời ............................................................. 39
2.3. Mơ hình tốn học và mơ hình vật lý của pin mặt trời ............................ 41
2.3.1. Mơ hình tốn học ........................................................................... 41
2.3.2. Mơ hình vật lý ................................................................................ 43
Chương 3. MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG CÁC THƠNG SỐ HOẠT
ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI Cu(In,Al)S2 ............................................... 46
3.1. Lựa chọn cấu trúc .................................................................................... 46
3.2. Các thông số đầu vào cho mô phỏng SCAPS ......................................... 47
3.3. Mô phỏng hoạt động của pin mặt trời ..................................................... 50
3.3.1. Ảnh hưởng của chiều dày các lớp chức năng ................................ 50
3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp của các lớp chức năng .............. 58
3.4. Đánh giá hiệu năng pin mặt trời CIAS sử dụng lớp cửa sổ nano ZnO ... 63

3.4.1. Chế tạo thử nghiệm pin mặt trời CIAS sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu
trúc thanh nano .............................................................................................. 63


3.4.2. So sánh pin mặt trời CIAS sử dụng lớp cửa sổ ZnO màng mỏng và
ZnO cấu trúc thanh nano ............................................................................... 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 73
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................... 74
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt



Absorption coefficient

Hệ số hấp thụ



Thickness

Chiều dày

Conversion efficiency of the

Hiệu suất chuyển đổi của pin

solar cell

mặt trời



Resistivity

Điện trở suất

n

Capture cross section electrons

Tiết diện bắt giữ điện tử

p

Hole mobility

Độ linh động lỗ trống

p

Capture cross section holes

Tiết diện bắt giữ lỗ trống

µn

Electron mobility

Độ linh động điện tử

A

Quality factor

Hệ số phẩm chất

AC

Solar cell surface area

Diện tích bề mặt pin mặt trời



Dn

Diffusion coefficient for
electrons

Hệ số khuếch tán của điện tử

Dp

Diffusion coefficient for holes

Hệ số khuếch tán của lỗ trống

E

Incoming radiation intensity

Cường độ bức xạ tới


Electron

Điện tử

EA

Ionization energy

Năng lượng ion hóa

EC

Conduction band energy

Năng lượng vùng dẫn

EF

Fermi energy

Năng lượng Fermi

EFn

Quasi-Fermi level for electron

Mức Quasi-Fermi của điện tử

EFp

Quasi-Fermi level for hole

Mức Quasi-Fermi của lỗ trống

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

G

Generation rate

Tốc độ phát sinh

J

Current density

Mật độ dòng

JL

Photo-generated current density

e

Mật độ dòng quang điện phát
sinh

Current density at maximum

Mật độ dịng ở cơng suất ra cực

power output

đại

JMP

Maximum current

Mật độ dòng cực đại

Jn

Mobility of electrons

Mật độ dòng của điện tử

Jp

Mobility holes

Mật độ dòng của lỗ trống

Jmax


JS

Reverse saturation current

Mật độ dòng bảo hòa ngược

JSC

Short circuit current density

Mật độ dòng ngắn mạch

jth,n

Particle current

Mật độ dòng hạt chất bán dẫn

LC

The carrier collection length

Chiều dài tập hợp các hạt tải

LD

Diffusion length

Chiều dài khuếch tán

n

Electron concentrations

Nồng độ electron

Concentrations electrons at the

Nồng độ electron tại tiếp xúc

contact in equilibrium

p-n ở trạng thái cân bằng

NS

Interface-defects concentration

Nồng độ khuyết tật bề mặt

Nt

Bulk-defects concentration

Nồng độ khuyết tật khối

p

Hole

Lỗ trống

Pin

Input power

Công suất đầu vào

Pmax

maximum power

Công suất cực đại

RS

Serial resistance

Điện trở nối tiếp

RSH

Shunt resistance

Điện trở ngắn mạch

T

Transmitance

Độ truyền qua

Un

Net recombination

Tốc độ tái tổ hợp

Up

Generation rate

Tốc độ phát sinh

neq


V

Voltage

Điện áp

Vbi

Built-in voltage

Điện áp tiếp xúc ngoài

Vmax

Voltage at maximum power
output

Điện áp ở công suất ra cực đại

VMP

Maximum voltage

Điện áp cực đại

VOC

Open circuit voltage

Điện áp hở mạch

vth,n

Thermal velocity of electrons

vth,p

Thermal velocity of holes

W

Absorber layer thickness

Chiều dày lớp hấp thụ

Conduction band discontinuity

Năng lượng gián đoạn vùng dẫn

ε

Electric field

Trường điện

λ

Wavelength

Bước sóng

λex

Excitation wavelength

Bước sóng kích thích

ρ

Charge density

Mật độ điện tích

ΔEC

Vận tốc chuyển động nhiệt của
điện tử
Vận tốc chuyển động nhiệt của

lỗ trống


2. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
AM1.5

CIAS

CIS

CVD

Tên tiếng Anh
Air Mass 1.5
Copper Indium Alumium
Sulfide
Copper Indium Sulfide
Chemical Vapour
Deposition

Tên tiếng Việt
Ánh sáng ở điều kiện tiêu
chuẩn Pin = 100 mW/cm2
Cu(In,Al)S2

CuInS2
Lắng đọng hoá học pha hơi

Donor-Acceptor pair

Cặp donor – aceptor

DC

Direct Current

Dòng một chiều

DpC

Dip-Coating

Nhúng phủ

DAP

EQE

External Quantum
Efficiency

ESD

Electro Static Deposition

ETA

Extremely Thin Absorber

FESEM
FSPD

Hiệu suất lượng tử bên ngồi
Lắng đọng tĩnh điện
Lớp hấp thụ có chiều dày rất
mỏng

Field Emission Scanning

Hiển vi điện tử quét phát xạ

Electron Microscope

trường

Full Spray Pyrolysis

Phun phủ nhiệt phân toàn


Deposition

phần

ILGAR

Ion Layer Gas Reaction

Phản ứng pha khí lớp ion

ITO

Tin Oxide doped-Indium

Ơxit thiếc pha tạp indi

J-V

Current - Voltage

Mật độ dịng - Điện áp

Me

Metal

Kim loại

NLMT

Solar Energy

Năng lượng mặt trời

NLTT

Renewable energy

Năng lượng tái tạo

National Renewable

Phịng thí nghiệm năng lượng

Energy Laboratory

tái tạo quốc gia

NRs

Nanorods

Thanh nano

PMT

Solar cells

Tế bào mặt trời

PV

Photovoltaic Effect

Hiệu ứng quang điện

QE

Quantum Efficiency

Hiệu suất lượng tử

Solar Cell Capacitance

Mô phỏng một chiều pin mặt

Simulator in 1 Dimention

trời

SPD

Spray Pyolysis Deposition

Phun phủ nhiệt phân

USP

Ultrasonic Spray Pyolysis

WRs

Nanowires

NREL

SCAPS-1D

Phun phủ nhiệt phân hỗ trợ

siêu âm
Dây nano


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số Bảng

Tên bảng

Bảng 1.1

Các số liệu khảo sát cường độ bức xạ mặt trời tại Việt

Trang

Nam ở các vùng miền của đất nước.

7

Bảng 1.2

Một số tính chất vật lý của vật liệu ZnO.

17

Bảng 1.3

Các thông số quang điện của pin mặt trời CIAS chế
tạo bằng phương pháp phun phủ nhiệt phân toàn phần
FSPD của một số nghiên cứu đã công bố.

29

Bảng 2.1

Các thông số đặc trưng đầu ra của pin mặt trời.

39

Bảng 3.1

Thông số cơ bản đầu vào mô phỏng.

48

Bảng 3.2

Các thông số quang điện của pin mặt trời CIAS mô
phỏng bằng SCAPS-1D khi chiều dày lớp cửa sổ nano
ZnO δZnO thay đổi.

Bảng 3.3

Các thông số quang điện của pin mặt trời mô phỏng
bằng SCAPS-1D khi chiều dày lớp đệm In2S3 thay đổi.

Bảng 3.4

55

Các thông số quang điện của pin mặt trời mô phỏng bằng
SCAPS-1D khi chiều dày lớp hấp thụ δCIAS thay đổi.

Bảng 3.5

53

57

Các thông số quang điện của pin mặt trời CIAS mô
phỏng bằng SCAPS-1D khi nồng độ pha tạp NA của
lớp CIAS thay đổi.

Bảng 3.6

59

Các thông số quang điện của pin mặt trời mô phỏng
bằng SCAPS-1D khi nồng độ pha tạp ND của lớp đệm
In2S3 thay đổi.

Bảng 3.7

61

Các thông số quang điện của pin mặt trời mô phỏng
bằng SCAPS-1D khi nồng độ pha tạp ND của lớp cửa
sổ ZnO thay đổi.

62

Bảng 3.8

Một số thông số cấu trúc được chọn từ mô phỏng
SCAPS-1D.

Bảng 3.9

64

So sánh thông số quang điện của PMT cấu trúc nano
CEL-TN_ 01 và PMT cấu trúc phẳng CEL-TK_01.

70

Bảng 3.10 Thống kê một số kết quả nghiên cứu về pin mặt trời
CuInS2 và Cu(In,Al)S2 chế tạo bằng phương pháp SPD
trong thời gian gần đây.

72


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hình

Tên hình vẽ, đồ thị

vẽ, đồ thị
Hình 1.1

Trang

Cơng suất năng lượng tái tạo dự kiến trong năm 20202030 tại quốc gia.

6

Hình 1.2

Các thế hệ pin mặt trời.

9

Hình 1.3

Sự phát triển của các thế hệ pin mặt trời và hiệu suất
cao nhất qua các năm (1975-2020).

11

Hình 1.4

Cấu trúc của một thiết bị quang điện điển hình.

12

Hình 1.5

Hiện tượng của hiệu ứng quang điện.

13

Hình 1.6

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

13

Hình 1.7

Pin mặt trời màng mỏng CIAS: a) Cấu trúc đảo b) Cấu
trúc thuận.

Hình 1.8

14

Cấu trúc chalcopyrite của Cu(In,Al)S2 theo quy luật
Grimm-Sommerfeld: a) Các cấu trúc Zinc-blende, b)
chalcopyrite và c) Cu-Au.

Hình 1.9

15

Cấu trúc tinh thể của ZnO ở ba dạng: (a) Rocksalt, (b)
Zinc-blende và (c) Wurtzite. Hình cầu màu vàng và
màu xanh biểu thị lần lượt cho các nguyên tử Zn và O.

17

Hình 1.10 Các hình thái của nano ZnO.

18

Hình 1.11 Cấu trúc vùng năng lượng của ZnO.

19

Hình 1.12 Biểu đồ biểu diễn trường tinh thể và spin quỹ đạo chia
vùng hoá trị của ZnO thành 3 vùng con A, B và C, ở
nhiệt độ 4,2 K.
Hình 1.13 Cấu trúc của pha β-In2S3.

20
22


(a) Sơ đồ của pin mặt trời ETA và (b) sơ đồ dải của
Hình 1.14 một tế bào chứa chất bán dẫn loại n và p với lớp hấp
phụ lý tưởng.

24

Hình 1.15 Sơ đồ dải năng lượng của một pin mặt trời hấp thụ cực
mỏng ở trạng thái cân bằng nhiệt động.

26

Hình 2.1

Giao diện sử dụng phần mềm SCAPS.

31

Hình 2.2

Giản đồ vùng năng lượng, mật độ hạt tải, mật độ dòng
điện và xác suất bắt giữ hạt tải bởi các mức tạp sâu
được mơ phỏng bằng SCAPS.

Hình 2.3

Sơ đồ tương đương của pin mặt trời thực khi được
chiếu sáng.

Hình 2.4

32

33

Đồ thị phụ thuộc ảnh hưởng của các điện trở lên đặc
trưng J-V sáng a) Ảnh hưởng của RS, b) Ảnh hưởng
của RSH.

Hình 2.5

35

a) Dịng điện ngắn mạch JSC và b) Điện áp hở mạch
VOC của pin mặt trời.

37

Hình 2.6

Đường đặc trưng J-V và các thơng số của pin mặt trời.

38

Hình 2.7

Phổ hiệu suất lượng tử của pin mặt trời silicon.

40

Hình 2.8

Biểu diễn sự tổn hao quang học trong pin mặt trời .

41

Hình 2.9

Sơ đồ mức năng lượng.

45

Hình 3.1

Cấu trúc pin mặt trời cấu trúc đảo: glass/ITO/nanoZnO/In2S3/Cu(In,Al)S2/Ag.

Hình 3.2

Mơ hình mơ phỏng SCAPS-1D của pin mặt trời
glass/ITO/nano-ZnO/In2S3/Cu(In,Al)S2/Ag.

Hình 3.3

47

48

Phổ truyền qua của mẫu màng nano ZnO với chiều
dày khác nhau: (a) 150 nm, (b) 250 nm (c) 300 nm và

51


(d) 400 nm (e) 450 nm và (g) 550 nm.
Hình 3.4

Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng
với các chiều dày khác nhau: (a) 150 nm, (b) 250 nm
(c) 350 nm và (d) 450 nm.

Hình 3.5

Đồ thị quan hệ giữa (h)2 và h của các mẫu ZnO

với chiều dày khác nhau.

Hình 3.6

52

53

Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch VOC, (b) mật độ dòng
ngắn mạch JSC, (c) hệ số lấp đầy FF và (d) hiệu suất
chuyển đổi η theo chiều dày lớp cửa sổ δZnO.

Hình 3.7

54

Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch VOC, (b) mật độ dòng
ngắn mạch JSC, (c) hệ số lấp đầy FF và (d) hiệu suất
chuyển đổi η theo chiều dày lớp đệm In2S3.

Hình 3.8

56

Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch VOC, (b) mật độ dòng
ngắn mạch JSC, (c) hệ số lấp đầy FF và (d) hiệu suất
chuyển đổi η theo chiều dày lớp hấp thụ δCIAS.

Hình 3.9

58

Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch VOC, (b) mật độ dòng
ngắn mạch JSC, (c) hệ số lấp đầy FF và (d) hiệu suất
chuyển đổi η theo NA của lớp hấp thụ CIAS.

60

Hình 3.10 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch VOC, (b) mật độ dòng
ngắn mạch JSC, (c) hệ số lấp đầy FF và (d) hiệu suất
chuyển đổi η theo ND của lớp đệm In2S3.

62

Hình 3.11 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch VOC, (b) mật độ dòng
ngắn mạch JSC, (c) hệ số lấp đầy FF và (d) hiệu suất
chuyển đổi η theo ND của lớp cửa sổ ZnO.

63


Hình 3.12 Sơ đồ lắng đọng các lớp chức năng trong cấu trúc
PMT glass/ITO/nano-ZnO/In2S3/CIAS/Ag.

65

Hình 3.13 Đặc trưng J-V sáng của pin mặt trời chế tạo thử nghiệm
CEL-TN_01.

66

Hình 3.14 Đặc trưng J-V của mẫu thử nghiệm CEL-TN_01 và
PMT CEL-TK_01.

67

Hình 3.15 Kết quả làm khớp đặc trưng J-V của mẫu CEL-TN_01
và mẫu CEL-TK_01.

67

Hình 3.16 Phổ hiệu suất lượng tử bên ngồi (EQE) của mẫu
CEL-TN_01 và mẫu CEL-TK_01 nhận được từ mơ
phỏng SCAPS-1D.

68

Hình 3.17 Phổ truyền qua của lớp cửa sổ ZnO: (a) ZnO phẳng,
(b) ZnO cấu trúc thanh nano.

69

Hình 3.18 Đồ thị quan hệ (h.EQE)2 với h của các mẫu CELTN_01 và CEL-TK_01.

70


1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, pin mặt trời (PMT) đang nhận được sự quan tâm đặc biệt của
các quốc gia 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 [41],
[43]. Tại Việt Nam, để tạo điều kiện cho sự phát triển năng lượng tái tạo trong
tương lai, ngày 08-01-2019, Thủ tướng Chính phủ đã ký ban hành Quyết định
số 02/2019/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt
trời tại Việt Nam, trong đó quy định giá mua đối với toàn bộ sản lượng điện
từ các nhà máy điện mặt trời nối lưới là 2.086 đồng/kWh (chưa bao gồm thuế
giá trị gia tăng), tương đương 9,35 cent/kWh [40].
Tuy nhiên, pin mặt trời hiện nay tồn tại hai vấn đề cần giải quyết [4]:
1) Cần thiết phải nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện.
2) Hạ giá thành của sản phẩm vì giá thành pin mặt trời vẫn còn đắt hơn
nhiều so với các nguồn năng lượng truyền thống.
Nhiều nghiên cứu về PMT đã diễn ra trên tồn thế giới, trong đó có cả
Việt Nam. Các nghiên cứu đã đưa ra các hướng sau để có thể giảm giá thành
điện mặt trời: khả năng lắng đọng các màng mỏng trên diện tích lớn, khả năng
tự động hóa cơng nghệ, khả năng tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện,…[37].
Trong đó, hướng nghiên cứu PMT màng mỏng giá rẻ, hiệu suất cao và
thân thiện với môi trường không sử dụng công nghệ chân không là một trong
các lựa chọn thu hút nhiều nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước. Cùng với
phương pháp thực nghiệm, việc sử dụng phương pháp nghiên cứu mô phỏng
là một trong các hướng phát triển hiện nay. Đặc biệt trong phát triển công
nghệ chế tạo pin mặt trời màng mỏng và tiếp cận được với các vấn đề khoa
học mới. Với phương pháp mơ phỏng các khảo sát thực nghiệm có thể thực


2

hiện dễ dàng trong thời gian ngắn và chi phí thấp hơn so với phương pháp thí

nghiệm.
Hiện nay, xu hướng phát triển của PMT có thể chia theo 2 hướng chính:
i) Phát triển PMT với các vật liệu mới khơng phải là bán dẫn như
polyme, hợp chất hữu cơ hoặc thuốc nhuộm nhạy sáng...
ii) Hướng thứ hai là tập trung vào nâng cao của hiệu suất pin màng
mỏng với những tiến bộ gần đây trong công nghệ nano. Phương pháp phổ
biến là ứng dụng các cấu trúc nano như ống nano, thanh nano (NRs),
nanocones, nanopillars, nanodomes, dây nano (NWs), chấm lượng tử, các hạt
nano, vv… để nâng cao hiệu suất PMT. Trong số đó, ứng dụng sợi nano ZnO
vào cấu trúc PMT đối xứng tâm (radial junction solar cells) hay thanh nano
ZnO (NRs) vào PMT lớp hấp thụ mỏng ETA (pin mặt trời cấu trúc nano) là
các hướng phát triển đầy triển vọng.
PMT sợi nano ZnO hay PMT thanh nano ZnO (PMT cấu trúc nano) có
ưu điểm hơn PMT truyền thống ở khả năng hấp thụ photon, do có sự xuất
hiện của các sợi nano hay thanh nano trên bề mặt đế làm giảm độ phản xạ,
tăng khả năng bẫy các photon ánh sáng vào trong lớp hấp thụ. Điều này đặc
biệt quan trọng, nhất là trong cấu trúc PMT màng mỏng, vì lớp hấp thụ của
PMT dạng này chỉ dày chừng vài chục đến hàng trăm nanomet.
Chính vì vậy, chúng tôi chọn đề tài Luận văn “Nghiên cứu mô hình
hóa và tính chất điện của pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp cửa sổ ZnO
cấu trúc nano”.
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài
Ở nước ngồi:
- Trong vài năm trở lại đây hệ vật liệu Cu-chalcopyrite nói chung và vật
liệu Cu(In,Al)S2 (CIAS) nói riêng là vấn đề đang thu hút sự quan tâm đặc biệt
lớn của nhiều nhà khoa học trong công nghệ pin mặt trời màng mỏng, nhằm


3

thay thế các hệ vật liệu chứa Selen (CISe, CIGSe) có độc tính. Có hai nhóm
phương pháp chế tạo chính sau: Các phương pháp không sử dụng chân không
và các phương pháp sử dụng chân không.
- Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của các
thông số cơng nghệ đến các tính chất của lớp hấp thụ (chiều dày màng, kích
thước hạt, hệ số hấp thụ, các thông số của chuyển tiếp lớp hấp thụ/lớp đệm,
khả năng tăng hiệu suất hơn nữa...) và tìm kiếm các hệ vật liệu mới thay thế có
thể sử dụng cho pin mặt trời màng mỏng hiệu suất cao và giá thành hạ. Sử dụng
mơ hình hóa và mơ phỏng số để nghiên cứu ảnh hưởng các đặc trưng vật liệu
đến hiệu suất của pin mặt trời.
Ở trong nước:
Trong những năm gần đây, nghiên cứu và phát triển công nghệ pin mặt
trời là một trong những hướng nghiên cứu được ưu tiên hàng đầu. Mục tiêu là
tìm kiếm các vật liệu mới có tính chất đặc biệt phục vụ cho nghiên cứu phát
triển và ứng dụng khoa học kỹ thuật nhằm nắm bắt và theo kịp trình độ
nghiên cứu của các nước trong khu vực và thế giới, đặc biệt nhằm tăng hiệu
suất và giảm giá thành. Các nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực này tập trung
chủ yếu tại một số đơn vị nghiên cứu như Viện Hóa học, Viện Khoa học Vật
liệu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam); Đại học Khoa học tự nhiên
(Đại học Quốc gia Hà Nội); Phịng thí nghiệm Cơng nghệ nano (Đại học
Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh); Phịng thí nghiệm Phân tích và Đo lường Vật lý
(Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học bách khoa Hà Nội). Một số kết quả bước đầu
nghiên cứu về các lớp chức năng và pin mặt trời (như pin Si, pin hữu cơ nhạy
màu và công nghệ chấm lượng tử...) đã được công bố [1-6], [37].
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn
Nghiên cứu tổng quan về pin mặt trời màng mỏng Cu(In,Al)S2 sử dụng
lớp cửa sổ ZnO cấu trúc nano; Phương pháp mơ hình hóa và mô phỏng số.


4

Xây dựng mơ hình mơ phỏng và tối ưu hóa cấu trúc pin mặt trời
glass/ITO/nano-ZnO/In2S3/Cu(In,Al)S2/Me. Khảo sát tính chất điện của pin
mặt trời.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Pin mặt trời màng mỏng trên cơ sở lớp hấp thụ
mỏng Cu(In,Al)S2 sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu trúc nano.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu mô phỏng pin mặt trời màng mỏng
glass/ITO/nano-ZnO/In2S3/Cu(In,Al)S2/Me bằng phần mềm SCAPS-1D. Khảo
sát ảnh hưởng các thông số công nghệ (chiều dày, nồng độ pha tạp, hiệu ứng
lớp nano ZnO) của các lớp chức năng đến các tính chất điện của pin mặt trời.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của Luận văn là phương pháp mô phỏng bằng
phần mềm SCAPS-1D kết hợp với đoán nhận từ lý thuyết để lựa chọn thông
số thiết kế pin mặt trời tối ưu. Các kết quả mô phỏng sẽ là cơ sở cho việc lựa
chọn cấu trúc và định hướng cho quy trình cơng nghệ chế tạo pin mặt trời
màng mỏng Cu(In,Al)S2 sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu trúc nano.
Kết cấu của luận văn
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt,
Danh mục các bảng, Danh mục các hình vẽ và đồ thị và Danh mục tài liệu
tham khảo, nội dung Luận văn được trình bày trong 3 chương như sau:
Chương 1 Tổng quan về pin mặt trời
Chương 2 Lý thuyết về mô phỏng SCAPS-1D
Chương 3 Mơ hình hóa và mơ phỏng các thơng số hoạt động của pin mặt
trời Cu(In,Al)S2


5

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI

1.1. Năng lượng mặt trời
Với sự phát triển của nền kinh tế thế giới, nhu cầu ngày càng tăng đối
với các nguồn năng lượng đã trở thành một trong những thách thức lớn nhất
đối với con người. Các nguồn năng lượng truyền thống như nhiên liệu hóa
thạch sẽ cạn kiệt trong những năm qua và do đó, xu thế của thế giới bắt đầu
tập trung vào các nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) như năng lượng mặt trời
(NLMT), năng lượng gió, năng lượng sinh khối,... Trong đó, NLMT do có trữ
lượng rất lớn và đặc tính thân thiện với mơi trường, thường được coi là một
trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất [14].
Hiện nay, xu thế của phát triển NLTT trên tồn cầu đang chuyển dần
sang phát triển các cơng nghệ NLMT có tốc độ tăng trưởng cao và liên tục,
trong đó cơng nghệ điện mặt trời có vai trị quan trọng nhất.
12000 MW

2030
21%

Công suất lắp đặt dự kiến

2020
9,9%

6000 MW

2000 MW
500 MW

Điện sinh khối

800 MW

Điện gió

850 MW

Điện mặt trời

Điện sinh khối

Điện gió

Điện mặt trời

Nguồn: QHĐ VII điều chỉnh (tính tốn dựa trên sản lượng điện dự báo năm 2020/2030
Hình 1.1. Công suất năng lượng tái tạo dự kiến trong năm 2020-2030 tại quốc gia[42].


6

Các nguyên nhân chính đối với sự phát triển mạnh của các công nghệ
NLMT gồm [39]:
(1) Công nghệ ngày càng hoàn thiện, dẫn đến giá NLMT càng ngày
càng giảm sâu.
(2) Vấn đề an ninh NLMT là nguồn năng lượng địa phương nên không
phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu, và do đó khơng phụ thuộc vào các biến đổi
chính trị và các tác động khác.
(3) Các nguồn năng lượng hóa thạch đã dần cạn kiệt, trong lúc nhu cầu
năng lượng không ngừng tăng.
(4) Ơ nhiễm mơi trường do khai thác sử dụng năng lượng hóa thạch đã
đến mức báo động, dẫn đến các hiện tượng biến đổi khí hậu trên tồn cầu.

Việc cắt giảm phát thải, sử dụng các nguồn năng lượng sạch - các nguồn
NLTT nói chung và nguồn NLMT nói riêng, vì vậy trở nên cấp bách và càng
ngày càng có tính nghĩa vụ đối với các quốc gia.
(5) Một nguyên nhân quan trọng khác của sự phát triển mạnh mẽ của
NLMT nói riêng và NLTT nói chung là sự quan tâm của các chính phủ trong
việc xây dựng, ban hành và thực hiện các chính sách phù hợp.
Sự phát triển công nghệ NLMT đã tạo ra một ngành công nghiệp mới
gọi là công nghiệp NLMT, tạo ra hàng triệu cơng ăn việc làm, góp phần phát
triển kinh tế - xã hội, bảo vệ môi trường và tăng cường an ninh năng lượng ở
nhiều quốc gia trên thế giới.
Bảng 1.1. Các số liệu khảo sát cường độ bức xạ mặt trời tại Việt Nam ở
các vùng miền của đất nước [42].

Số giờ nắng

Bức xạ mặt trời

hàng năm

(kWh/m2/ngày)

Đông Bắc

1600 - 1750

3,3 - 4,1

Trung bình

Tây Bắc

1750 - 1800

4,1 - 4,9

Trung bình

Khu vực

Xếp loại


7

Bắc Trung Bộ
Tây Nguyên và Nam
Trung Bộ
Nam bộ

1700 - 2000

4,6 - 5,2

Tốt

2000 - 2600

4,9 - 5,7

Rất tốt

2200 - 2500

4,3 - 4,9

Rất tốt

Việt Nam được đánh giá là có nguồn tài nguyên NLMT vào loại tốt trên
thế giới với khoảng 843 triệu MWh/năm theo ước tính của Phịng thí nghiệm
Năng lượng tái tạo quốc gia Hoa Kỳ (NREL). Các số liệu ở Bảng 1.1 cho thấy
Việt Nam thuộc vùng có bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới, với số giờ
nắng dao động từ 1600 - 2600 giờ/năm, (trung bình xấp xỉ 5 kWh/m2/ngày),
được đánh giá là khu vực có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc
biệt là tại khu vực miền Trung và miền Nam [41]. Đây là nguồn năng lượng
sạch và tiềm năng lớn này hồn tồn có thể tham gia đóng góp vào cân bằng
năng lượng quốc gia.
1.2. Các thế hệ pin mặt trời
Thế hệ pin mặt trời thứ nhất: Bao gồm pin mặt trời đơn tinh thể và
Pin mặt trời đa tinh thể Silic. Đây là loại công nghệ lâu đời nhất và được sử
dụng phổ biến nhất do hiệu quả cao (15 - 20%), năm 2010 pin mặt trời thế hệ
này chiếm khoảng 80% thị phần thương mại [38]. Pin mặt trời thế hệ thứ nhất
được sản xuất trên các tấm wafer. Mỗi wafer có thể cung cấp năng lượng 2 - 3
watt. Các mô-đun NLMT được sử dụng để tăng sức mạnh. Lợi ích của cơng
nghệ pin mặt trời này nằm ở hiệu suất tốt do hấp thụ được dãy quang phổ ánh
sáng rộng, cũng như độ ổn định cao.
Tuy nhiên, khuyết điểm của pin mặt trời thế hệ này là cơng nghệ chế
tạo có giá thành cao sử dụng nhiều năng lượng trong nuôi và cắt wafer. Sử
dụng nhiều hóa chất độc hại trong q trình chế tạo.

8

PIN MẶT TRỜI

Thế hệ thứ 1

Thế hệ thứ 2

Thế hệ thứ 3

Thế hệ thứ 4

Classic

Thin film

Organic

Hybrid-inorganic crystals

Silicon
Poly

Amorphous

Small

crystal

Silicon

molecule

crystal
Single

Nanocomposite
CdS

Polymers
polymer

CIGS

DSSC

CdTe

Hình 1.2. Các thế hệ pin mặt trời.

Pin mặt trời thế hệ thứ hai: Tập trung vào pin mặt trời màng mỏng aSi, pin mặt trời mc-Si, pin mặt trời CdTe, pin mặt trời CIS và CIGS. Hiệu suất
điển hình là 10 - 15%. Pin mặt trời tái tạo thường được gọi là pin mặt trời
màng mỏng vì khi so sánh với các tế bào dựa trên tinh thể Silicon, chúng
được làm từ các lớp vật liệu bán dẫn chỉ dày vài micromet [17]. Ưu điểm nổi
bậc của pin mặt trời thế hệ thứ hai là giá thành thấp so với pin mặt trời thế hệ
thứ nhất, có thể lắng đọng trên các đế dẻo và có trọng lượng nhẹ.