B GIÁO DC VÀ ĐÀO TO
TRƯNG ĐI HC BÁCH KHOA HÀ NI
NGUYỄN THỊ THU HIỀN
NGHIÊN CỨU CHẾ TO VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
TRONG SUỐT VÀ VẬT LIỆU HẤP THỤ ÁNH SÁNG
NHẰM SỬ DỤNG TRONG PIN MẶT TRI CZTSe
Ngành: Khoa học vật liệu
Mã s: 9440122
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN S KHOA HC VẬT LIỆU
Hà Ni – 2020
Hà Ni –
Công trình được hoàn thành tại
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Nguyễn Duy Cường
2. TS. Nguyễn Hữu Dũng
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường
họp tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi: … giờ, ngày … tháng … năm 20…
Có th tìm hiu luận án tại thư viện:
1. Thư Viện Tạ Quang Bu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Khi thế giới càng phát trin, nhu cầu s dụng năng lượng của con người càng tăng
cao. Việc s dụng các nguồn năng lượng cũng như làm thế nào đ duy trì và phát trin
các nguồn năng lượng là vấn đề đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.
Hiện nay, nguồn năng lượng hóa thạch trên Trái Đất đang bị cạn kiệt dần. Hàng năm,
khoảng 90% lượng năng lượng tiêu thụ trên thế giới là năng lượng hóa thạch như than
đá, dầu mỏ và khí tự nhiên. Trong khi đó, khí thải do các nguồn năng lượng này gây ô
nhiễm môi trường, ảnh hưởng xấu tới môi trường và khí hậu Trái đất như gây ra hiệu
ứng nhà kính, biến đổi khí hậu Elnino gây thiên tai lũ lụt, hạn hán, động đất, sóng thần,
...
Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn như ở trên, việc nghiên cứu và ứng dụng các
nguồn năng lượng xanh là hết sức cần thiết. Trong các nguồn năng lượng xanh thì năng
lượng mặt trời được xem như là vô tận. Thật vậy, nếu khai thác năng lượng mặt trời trên
bề mặt rắn của Trái Đất, khoảng 1/4 diện tích bề mặt, thì có th thu được xấp xỉ 250 lần
mức năng lượng tiêu thụ hiện tại. Như vậy tức là chỉ cần s dụng năng lượng mặt trời
trên khoảng 0,4% diện tích bề mặt Trái Đất sẽ đủ năng lượng đáp ứng cho nhu cầu về
năng lượng hiện nay của con người [1]. Rõ ràng, việc khai thác trực tiếp năng lượng mặt
trời sẽ cung cấp nguồn năng lượng lớn thực sự. Ngày nay, các nghiên cứu và ứng dụng
năng lượng mặt trời được quan tâm và ưu tiên phát trin hàng đầu của các quc gia thế
giới. Đến năm 2050, điện mặt trời chiếm tới khoảng (20 - 25%) tổng lượng điện năng
tiêu thụ trên thế giới và tại Việt Nam đạt khoảng 20% tổng lượng điện năng cả nước.
Đ chuyn đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện, người ta nghiên
cứu và s dụng các tấm pin năng lượng mặt trời. Có rất nhiều loại pin mặt trời từ các
loại vật liệu khác nhau đã được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và chế tạo
thành công như pin Si, pin CdTe, pin CIS, pin CIGS, pin GaAs, pin CZTSSe, ... Đ giảm
chi phí nguyên vật liệu, người ta ưu tiên phát trin công nghệ pin mặt trời màng mỏng.
Các pin mặt trời màng mỏng phổ biến bao gồm pin Si vô định hình, pin CuInS2 (CIS),
CuInGaS2 (CIGS), GaAs, CdTe và CZTSSe (Cu2ZnSn(S1-x,Sex)4). Trong đó, pin CIS,
CIGS bao gồm các thành phần hiếm và đắt tiền như Indium; pin GaAs, CdTe chứa các
thành phần có độc tính cao như Gallium và Cadimi. Vì vậy, các nhà khoa học trên thế
giới đều cho rằng pin CZTSSe (gồm CZTSe, CZTS và CZT(S,Se)) là loại pin tiềm năng,
có th thay thế cho pin Silicon và pin CIGS trong tương lai do loại pin này có nhiều ưu
đim như nguồn nguyên liệu dồi dào, phương pháp chế tạo đa dạng và không đòi hỏi
công nghệ phức tạp. Ngoài ra, pin CZTSSe còn có độ hấp thụ và tính ổn định tương đi
cao.
Pin CZTSSe được bắt đầu nghiên cứu từ những năm 1988 bởi nhóm của giáo sư
Tatsuo Nakazawa, Đại học Shinshu, Nhật Bản. Tuy nhiên, phải đến những năm gần đây
thì hiệu suất chuyn đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng mới được cải
thiện một cách đáng k. Hiệu suất cao nhất của pin CZTSSe cho đến thời đim này là
12,6% do nhóm nghiên cứu tại trung tâm nghiên cứu Watson của IBM chế tạo. Nhóm
này đã s dụng dung môi có tính kh mạnh Hydrazine đ hòa tan các kim loại như Cu,
Zn, Sn và không phải kim loại như Se thành dung dịch. Và các dung dịch này được quay
phủ đ chế tạo các tế bào pin CZTSSe. Phương pháp này khá đơn giản nhưng cho hiệu
suất cao nhất cho đến nay. Tuy nhiên, dung môi Hydrazine là chất rất độc và ảnh hưởng
2
không tt cho sức khỏe con người nên quy trình chế tạo pin CZTSSe bằng phương pháp
này bắt buộc thực hiện trong các tủ kín đặc biệt. Nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm
năng lượng tái tạo quc gia, Mỹ (NREL) đã nghiên cứu và chế tạo thành công pin
CZTSe bằng phương pháp đồng bc bay (co-evaporation) và đã thu được hiệu suất
9,15% [5]. Nhược đim của phương pháp đồng bc bay là yêu cầu chân không cao, kích
thước mẫu không lớn, và tc độ chế tạo mẫu chậm. Nhóm nghiên cứu của giáo sư
Rakesh Agrawal tại Đại học Purdue, Mỹ, đã chế tạo thành công pin CZTSSe s dụng
các hạt nano CZTS và đã thu được hiệu suất 9% [6]. Những nhóm nghiên cứu được liệt
kê ở trên là các nhóm nghiên cứu mạnh về pin CZTSSe. Ngoài ra, còn rất nhiều các
nhóm nghiên cứu khác trên thế giới đã và đang nghiên cứu về loại pin này bằng các
phương pháp chế tạo khác nhau.
Hiện nay tại Việt Nam, các nghiên cứu và chế tạo pin năng lượng mặt trời nói chung
và pin CZTSSe nói riêng còn rất hạn chế, chưa có các nhóm nghiên cứu mạnh và chuyên
sâu về lĩnh vực này. Cho đến thời đim hiện tại việc nghiên cứu và chế tạo pin CZTSSe
chủ yếu được quan tâm nghiên cứu nhiều bởi các nhà khoa học nước ngoài. Các nghiên
cứu trong nước về pin CZTSSe vẫn còn khá khiêm tn. Năm 2016, nhóm nghiên cứu
của PGS.TS. Nguyễn Duy Cường đã công bchế tạo thành công pin CIGS và CZTSSe
với hiệu suất lần lượt là 4,2 và 3% [2]. Trong công b này, hạt nano được chế tạo bằng
phương pháp phun nóng (hot - injection method). Trong đó, lớp hấp thụ ánh sáng của
pin CZTSSe là màng mỏng được in gạt từ mực in chứa hạt nano CZTS hòa tan trong
dung môi. Màng này sau đó được thực hiện quá trình Selen hóa tạo thành màng CZTSSe
hấp thụ ánh sáng trong pin mặt trời. Nhóm nghiên cứu đưa ra kết luận, khi Selen hóa
màng ở nhiệt độ cao, lớp màng hấp thụ ánh sáng được kết tinh dần từ trên bề mặt và
Selen (Se) sẽ thay thế Lưu huỳnh (S) khiến cho màng được kết tinh tt hơn, kích thước
hạt tinh th to hơn và giảm bớt biên hạt trong màng, góp phần nâng cao hiệu suất của
pin. Tuy nhiên, do kết tinh từ trên bề mặt nên phía dưới màng hấp thụ ánh sáng còn tồn
tại một lớp hạt nhỏ CZTS chưa được kết tinh hết khiến cho hiệu suất của pin bị ảnh
hưởng. Ngoài ra, đến thời đim hiện tại, trên thế giới chưa có nhiều nghiên cứu về việc
chế tạo vật liệu hấp thụ ánh sáng cho pin mặt trời CZTSe bằng phương pháp này vì gặp
khó khăn trong việc tổng hợp hạt nano CZTSe. Đ khắc phục các nhược đim trên, trong
đề tài ‘‘Nghiên cứu chế tạo vật liệu dẫn điện trong suốt và vật liệu hấp thụ ánh sáng
nhằm sử dụng trong pin mặt trời CZTSe’’ này, chúng tôi tập trung vào việc nghiên cứu
và chế tạo các vật liệu đ ứng dụng trong pin mặt trời đặc biệt là vật liệu hấp thụ ánh
sáng được chế tạo từ hạt nano CZTSe với mong mun s dụng Se ngay trong thành phần
mực in màng sẽ giúp cho quá trình x lý nhiệt tạo màng đơn giản hơn, các hạt trong
màng sẽ kết tinh từ trong ra ngoài từ đó loại bỏ được lớp hạt nhỏ đã đề cập đến ở trên,
góp phần cải thiện hiệu suất pin mặt trời.
Trong đề tài này, cùng với việc nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ ánh sáng, chúng
tôi cũng thực hiện nghiên cứu chế tạo vật liệu dẫn điện trong sut bằng phương pháp in
gạt và phương pháp phún xạ. Việc nghiên cứu thành công đề tài sẽ cho phép chế tạo
được các loại vật liệu đ s dụng trong chế tạo pin mặt trời CZTSe theo phương pháp
đơn giản nhất, góp một phần nhỏ vào việc giải quyết bài toán giá thành của pin năng
lượng mặt trời đang được hầu hết các nhà nghiên cứu về lĩnh vực này trên thế giới quan
tâm.
3
2. Mục tiêu của luận án
- Tổng hợp thành công hạt nano CZTSe (có công thức Cu(Zn,Sn)Se2) đơn pha tinh
th, có thành phần nghèo Cu (Đồng) , phân tán tt trong dung môi và không bị vón cục
theo thời gian.
- Chế tạo thành công lớp màng hấp thụ ánh sáng đơn pha tinh th CZTSe và có độ
kết tinh cao, kích thước hạt cỡ μm.
- Chế tạo vật liệu dẫn điện trong sut ITO bằng phương pháp phún xạ và
AgNW/ITO bằng phương pháp in gạt có độ truyền qua cao và điện trở bề mặt thấp.
- Chế tạo thành công các tế bào pin năng lượng mặt trời với lớp hấp thụ ánh sáng là
CZTSe s dụng các hạt CZTSe đã tổng hợp được và có hiệu ứng quang điện.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Hạt nano CZTSe.
- Lớp vật liệu hấp thụ ánh sáng từ hạt nano CZTSe.
- Lớp vật liệu dẫn điện trong sut truyền qua ITO.
- Lớp vật liệu dẫn điện trong sut truyền qua nanocompozit AgNW/ITO.
- Tế bào pin mặt trời CZTSe hoàn chỉnh.
4. Nội dung nghiên cứu
Nội dung 1: Nghiên cứu chế tạo lớp vật liệu dẫn điện trong sut ITO và AgNW/ITO.
- Nghiên cứu chế tạo lớp vật liệu dẫn điện trong sut ITO bằng phương pháp phún
xạ và đánh giá đặc tính quang - điện theo các điều kiện phún xạ khác nhau.
- Nghiên cứu chế tạo lớp vật liệu dẫn điện trong sut AgNW/ITO bằng phương pháp
in gạt. Trong đó đánh giá đặc tính quang - điện theo độ dày của các lớp vật liệu.
Nội dung 2: Nghiên cứu và tổng hợp hạt nano CZTSe bằng phương pháp phun nóng
(Hot-injection method).
- Nghiên cứu tổng hợp hạt nano bằng phương pháp phun nóng.
- Nghiên cứu các yếu t ảnh hưởng đến quá trình tạo hạt nano, kích thước, thành
phần và cấu trúc các hạt nano CZTSe.
Nội dung 3: Nghiên cứu chế tạo lớp vật liệu hấp thụ ánh sáng làm từ màng CZTSe.
- S dụng phương pháp in gạt tạo màng CZTSe.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ, khi lượng Selen và thời gian x
lý trong quá trình x lý nhiệt lên các đặc tính cấu trúc và đặc tính quang điện của màng
CZTSe được chế tạo từ các hạt nano CZTSe.
Nội dung 4: Nghiên cứu quy trình chế tạo các tế bào pin mặt trời.
- Nghiên cứu quy trình chế tạo các tế bào pin mặt trời CZTSe.
- Nghiên cứu các đặc tính quang - điện của pin CZTSe.
5. Phương pháp nghiên cứu
Các nội dung nghiên cứu trong luận án được thực hiện bằng phương pháp thực
nghiệm, trong đó bao gồm:
- Phương pháp phun nóng đ chế tạo hạt nano CZTSe.
- Phương pháp in gạt và Selen hóa đ chế tạo lớp hấp thụ ánh sáng.
- Phương pháp nhúng đ chế tạo lớp đệm CdS.
- Phương pháp phún xạ và phương pháp in gạt được s dụng đ chế tạo lớp vật liệu
dẫn điện trong sut truyền qua.