Luận án Tiến sĩ: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:136

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án nhằm nghiên cứu và phát triển công nghệ lắng đọng không chân không; nghiên cứu lắng đọng lớp cửa sổ nanoZnO, nanoZnO:In, nanoZnO:Al, bằng phương pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm USPD để xác định quy trình công nghệ phù hợp; nghiên cứu lắng đọng lớp đệm CdS bằng phương pháp USPD-ILGAR để xác định quy trình công nghệ phù hợp... Mời các bạn tham khảo tài liệu!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

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

1 Mục lục Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt ...................................................................................................... 4 Danh mục các bảng ............................................................................................................................. 7 Danh mục các hình vẽ, đồ thị ............................................................................................................. 8 MỞ ĐẦU ...........................................................................................................................................12 CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU .............................................................................. 16 1.1 Năng lƣợng mặt trời - nguồn năng lƣợng của tƣơng lai .......................................................16 1.2 Hiệu ứng PV (PhotoVoltaic Effect) và linh kiện quang điện sử dụng hiệu ứng PV............19 1.3 Cơ sở vật lý của pin mặt trời ......................................................................................................21 1.3.1 Nguyên lý hoạt động ........................................................................................................................ 21 1.3.2 Đặc trƣng J-V.................................................................................................................................... 21 1.4 Pin mặt trời màng mỏng chalcopyrite .......................................................................................29 1.4.1 Cấu trúc của pin mặt trời màng mỏng chalcopyrite...................................................................... 29 1.4.2 Vật liệu chalcopyrite......................................................................................................................... 30 1.5 Pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano .....................................................................................32 1.5.1 Các tính chất cơ bản của vật liệu cấu trúc nano............................................................................. 32 1.5.2 Giản đồ năng lƣợng của pin mặt trời cấu trúc nano ...................................................................... 36 1.5.3 Các cấu hình pin mặt trời cấu trúc nano ......................................................................................... 37 1.6 Vật liệu kẽm oxide (ZnO) ..........................................................................................................38 1.6.1 Vật liệu ZnO...................................................................................................................................... 38 1.6.2 Công nghệ lắng đọng các lớp chức năng của pin mặt trời ........................................................... 41 Kết luận chƣơng ................................................................................................................................45 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ LẮNG ĐỌNG CÁC LỚP CHỨC NĂNG TRONG CẤU TRÚC PMT MÀNG MỎNG ...............................................................................46 2.1 Nghiên cứu lắng đọng màng nano ZnO bằng phƣơng pháp USPD ........................................47 2.1.1 Thực nghiệm ..................................................................................................................................... 47 2.1.1.1 Chuẩn bị hóa chất .......................................................................................................................... 47 2.1.1.2 Lắng đọng màng nano ZnO ......................................................................................................... 48 2.1.2 Kết quả và thảo luận ......................................................................................................................... 48 2.1.2.1 Lựa chọn dung môi ....................................................................................................................... 48 2.1.2.2 Ảnh hƣởng của các anion ............................................................................................................. 53 2.1.2.3 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lắng đọng ............................................................................................. 57 2.1.2.4 Ảnh hƣởng của loại đế .................................................................................................................. 62 2.1.2.5 Ảnh hƣởng của tốc độ lắng đọng................................................................................................. 65
2 2.1.2.6 Ảnh hƣởng của nồng độ muối kẽm............................................................................................. 67 2.1.2.7 Ảnh hƣởng của sự pha tạp In và Al ............................................................................................. 69 2.2 Nghiên cứu lắng đọng lớp hấp thụ CuInS2 bằng phƣơng pháp USPD.........................................73 2.2.1 Chuẩn bị hóa chất ............................................................................................................................. 73 2.2.2 Lắng đọng màng CuInS2 ................................................................................................................. 73 2.2.3 Kết quả và thảo luận ......................................................................................................................... 74 2.3 Nghiên cứu lắng đọng lớp đệm CdS bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR .............................78 2.3.1 Tại sao lại cần lớp đệm trong pin mặt trời màng mỏng................................................................ 78 2.3.2 Màng CdS.......................................................................................................................................... 78 2.3.3 Lắng đọng lớp đệm nano CdS bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR ......................................... 79 2.3.3.1 Chuẩn bị hóa chất .......................................................................................................................... 79 2.3.3.2 Thực nghiệm .................................................................................................................................. 79 2.3.4 Kết quả và Thảo luận ....................................................................................................................... 79 CHƢƠNG 3 KHẢO SÁT CÁC PHÂN BIÊN ZnO/CdS VÀ CdS/CuInS2 BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ TRỞ KHÁNG PHỨC CIS ................................................ 84 3.1 Phƣơng pháp phổ trở kháng phức CIS......................................................................................84 3.2 Ứng dụng phƣơng pháp phổ trở kháng phức để nghiên cứu các linh kiện cấu trúc lớp ......86 3.3 Thực nghiệm................................................................................................................................88 3.3.1 Chuẩn bị mẫu ...........................................................................................................................88 3.3.2 Khảo sát các phân biên ZnO/CdS và CdS/CuInS2 ...............................................................88 3.4 Kết quả và thảo luận ...................................................................................................................90 3.4.1 Khảo sát phổ CIS của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag ........................90 3.4.2 Mô hình hóa hệ vật liệu Ag/ITO/ZnO/CdS/CuInS2/Ag ......................................................90 Kết luận chƣơng ............................................................................................................................. 100 CHƢƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM PIN MẶT TRỜI CẤU TRÚC NANO HỆ GLASS/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2 ............................................................... 101 4.1 Thiết kế pin mặt trời cấu trúc lớp kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me… …….. 101 4.1.1 Mô hình số ............................................................................................................................ .101 4.1.2 Chƣơng trình mô phỏng SCAPS ............................................................................................... . 4.1.3 Thiết kế pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano ................................................................ 104 4.1.3.1 Lựa chọn cấu trúc ........................................................................................................................ 104 4.2 Chế tạo pin mặt trời màng mỏng cấu trúc Glass/ ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me ..113 4.2.1 Đặc trƣng quang điện của pin mặt trời màng mỏng hệ Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2 ... 115 4.2.1.1 Ảnh hƣởng của chiều dày lớp hấp thụ CuInS2 ......................................................................... 115 4.2.1.2 Ảnh hƣởng của lớp cửa sổ nano ZnO ....................................................................................... 118
3 Kết luận chƣơng ............................................................................................................................. 119 KẾT LUẬN .................................................................................................................................... 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................ 122 Danh mục các công trình đã công bố của Luận án ..................................................................... 134 Phụ lục……………………………………………………………………………… ……134
4 Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt A Quality factor Hệ số phẩm chất D Average crystallite size Kích thƣớc tinh thể trung bình E Energy Năng lƣợng e Electron Điện tử EA Ionization energy Năng lƣợng ion hóa EC Conduction band energy Năng lƣợng vùng dẫn EF Fermi energy Năng lƣợng Fermi Eg Optical band gap energy Độ rộng vùng cấm quang EV Valence band energy Năng lƣợng đỉnh vùng hoá trị ff fill factor Hệ số điền đầy h Hole Lỗ trống J Current density Mật độ dòng Current density at maximum power Jmax Mật độ dòng ở công suất ra cực đại output 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
5 Nhiệt độ làm việc, nhiệt độ môi Te Enviromental temperature trƣờng 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 Bƣớc sóng λex Excitation wavelength Bƣớc sóng kích thích e Electron mobility Độ linh động điện tử p Hole mobility Độ linh động lỗ trống  Resistivity Điện trở suất
6 Danh mục các chữ viết tắt Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt AFM Atomic Force Microscope Hiển vi lực nguyên tử CBD Chemical Bath Deposition Lắng đọng bể hóa học CH Chacopyrite structure Cấu trúc Chacopyrite CIS Complex Impedance Spectroscopy Phổ trở kháng phức CVD Chemical vapour deposition Lắng đọng từ pha hơi hóa học EDX Energy Dispersive X-ray Tán sắc năng lƣợng tia X ETA Extremely thin absorber Chất hấp thụ chiều dày rất mỏng Field Emission Scanning Electron FESEM Hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng Microscope FTO Tin oxide doped Fluorine Ôxit thiếc pha tạp Flo FWHM Full width at half maximum Độ rộng bán cực đại ILGAR Ion Layer Gas Reaction Phản ứng pha khí lớp ion ITO Tin oxide doped Indium Ôxit thiếc pha tạp Indi IZO Zinc oxide doped Indium Ôxit kẽm pha tạp Indi PV Photovoltaic Effect Hiệu ứng quang điện PMT Solar cells Tế bào mặt trời SCAPS- Solar Cell CAPacitance Simulator in CAP-mô phỏng một chiều pin mặt 1D 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 UV-VIS Spectrophotometer Máy quang phổ hấp thụ UV-VIS XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X
7 Danh mục các bảng Bảng 1.1 Dự báo công suất năng lượng tái tạo năm 2030-2035 và năm 2050 [143] ........ 18 Bảng 1.2 Các thông số đặc trưng của PMT CuInS2 lý tưởng và PMT CuInS2 thực đạt hiệu suất cao nhất hiện nay [71],[153] ................................................................................ 31 Bảng 1.3 Một số tính chất vật lý của vật liệu ZnO .............................................................. 39 Bảng 2.1 Bảng tóm tắt các phương pháp sử dụng để khảo sát các lớp chức năng ............ 46 Bảng 2.2 Danh mục các hóa chất sử dụng.......................................................................... 47 Bảng 2.3 Trị số đường kính aerosol phụ thuộc loại dung môi ........................................... 48 Bảng 2.4 Các kiểu dao động của màng nano ZnO ............................................................. 51 Bảng 2.5 Các thông số kích thước màng ZnO phụ thuộc nhiệt độ lắng đọng .................... 59 Bảng 2.6 Hàm lượng của các nguyên tố trong các mẫu ..................................................... 70 Bảng 2.7 Thông số điện của các mẫu ................................................................................. 72 Bảng 2.8 Danh mục hóa chất sử dụng ................................................................................ 73 Bảng 2.9 Các thông số cấu trúc và kích thước tinh thể của các mẫu CIS-06, CIS-08, CIS-12, CIS-21 và CIS-26 ................................................................................................................. 74 Bảng 2.10 Thành phần các nguyên tố trong các mẫu CIS-06, CIS-08, CIS-12, CIS-21, CIS-26 . 75 Bảng 2.11 Các thông số điện của mẫu lắng đọng với chiều dày khác nhau ...................... 78 Bảng 2.12 Danh mục hóa chất sử dụng .............................................................................. 79 Bảng 2.13 Các thông số điện của các mẫu CdS lắng đọng ................................................ 82 Bảng 3.1 Số liệu mô phỏng theo sơ đồ tương đương của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag .................................................................................. 91 Bảng 4.1 Các thông số đầu vào mô phỏng ảnh hưởng của nhiệt độ Te ............................ 106 Bảng 4.2 Kết quả mô phỏng theo nhiệt độ Te.................................................................... 107 Bảng 4.3 Thông số cơ bản đầu vào mô phỏng .................................................................. 109 Bảng 4.4 Các thông số của PMT mô phỏng bằng SCAPS-1D khi chiều dày lớp hấp thụ thay đổi .............................................................................................................................. 111 Bảng 4.5 Các thông số quang điện của pin mặt trời mô phỏng bằng SCAPS-1D ............ 112 Bảng 4.6 Các thông số quang điện của pin mặt trời với chiều dày lớp hấp thụ khác nhau ..... 116 Bảng 4.7 Các thông số đầu vào mô phỏng sử dụng trong trường hợp so sánh với mẫu thực nghiệm .... 116 Bảng 4.8 So sánh thông số của mẫu thực nghiệm PMT -10 và mẫu mô phỏng M05 ....... 118 Bảng 4.9 Các thông số quang điện của pin mặt trời với nồng độ muối kẽm acetat khác nhau .....119
8 Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Xu hướng tiêu thụ năng lượng toàn cầu từ 1990 đến 2040 [16] ........................ 16 Hình 1.2 Công suất các nguồn năng lượng tái tạo trong những năm gần đây (1) Năng lượng tái tạo hydro, (2) năng lượng gió, (3) năng lượng sinh khối, (4) năng lượng mặt trời, (5) năng lượng địa nhiệt [130] .................................................................................... 17 Hình 1.3 Sự phát triển của các thế hệ pin mặt trời [17]..................................................... 20 Hình 1.4 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ........................................ 21 Hình 1.5 Cấu trúc một chiều của PMT chuyển tiếp PN đồng chất..................................... 22 Hình 1.6 Đồ thị mật độ dòng ngắn mạch Jsc phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm Eg [9], [172] ... 24 Hình 1.7 Đồ thị điện áp hở mạch Voc phụ thuộc vào ......................................................... 25 Hình 1.8 Đồ thị hiệu suất quang điện  phụ thuộc............................................................. 25 Hình 1.9 Đặc trưng J-V của PMT trong điều kiện trong tối và chiếu sáng [89] ............... 26 Hình 1.10 Sơ đồ tương đương của PMT thực [183][180].................................................. 27 Hình1.11 Đồ thị phụ thuộc ảnh hưởng của các điện trở lên đặc trưng J-V sáng [180],[128],[89] a)Ảnh hưởng của RS b) Ảnh hưởng của Rsh ........................................... 27 Hình 1.12 Cấu trúc PMT màng mỏng chalcopyrite [11] ................................................... 30 Hình 1.13 Trạng thái điện tử của bán dẫn khối(a), tinh thể nhỏ(b) và phân tử(c) ............. 33 Hình 1.14 Giản đồ năng lượng của các bán dẫn ............................................................... 34 Hình 1.15 Giản đồ năng lượng trong hai trường hợp (giả thiết rằng năng lượng vùng cấm của bán dẫn A lớn hơn bán dẫn B và các photon được hấp thụ trong B) ........................................ 35 Hình 1.16 Giản đồ năng lượng của pin mặt trời cấu trúc nano ......................................... 36 Hình 1.17 Sơ đồ các dạng cấu trúc của pin mặt trời cấu trúc nano................................... 37 Hình 1.18 Cấu trúc tinh thể Wurtzite của vật liệu ZnO ...................................................... 38 Hình 1.19 Cấu trúc vùng năng lượng của hợp chất AIIBVI (a) và của ZnO (b) .................. 40 Hình 1.20 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun phủ nhiệt phân [95][160] .................. 41 Hình 1.21 Sơ đồ khối hệ phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm............................................ 42 Hình 1.22 Hệ thiết bị USPD kết hợp ILGAR ...................................................................... 44 Hình 2.1 Cấu trúc pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano ................................................ 47 Hình 2.2 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở 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) (a) VC3H7OH:VH2O = 3:3 (b) VC3H7OH:VH2O =3:2 (c) VC3H7OH:VH2O = 3:1 .................... 49 Hình 2.3 Sự va chạm của các aerosol lên trên bề mặt đế nóng [144] ................................ 50 Hình 2. 4 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở TS=420oC ......... 52 Hình 2.5 Kết quả tách phổ Raman thu được trong dải số sóng 300 ÷ 500 cm-1 bằng kỹ thuật tách phổ trên cơ sở phân bố Lorenzt .......................................................................... 53
9 Hình 2.6 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng với các nguồn muối kẽm (ảnh trái là độ phóng đại 100k, ảnh phải là độ phóng đại 25k).......................................... 54 Hình 2.7 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng với các nguồn muối kẽm ...... 55 Hình 2.8 Kết quả tách phổ Raman thu được trong dải số sóng 300 ÷ 500 cm-1................. 55 Hình 2.9 Phổ truyền qua của các mẫu nano ZnO lắng đọng với các nguồn muối kẽm (a) Z-A (b) Z-N và (c) Z-C .................................................................................................. 56 Hình 2.10 Đồ thị quan hệ giữa (h)2 và h của mẫu màng nano ZnO lắng đọng với các nguồn muối (a) Z-A (b) Z-N và (c) Z-C ............................................................................. 57 Hình 2.11 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở nhiệt độ TS = 400÷500oC (a) Z-400, (b) Z-420, (c) Z-450 và (d) Z-500.................................................... 58 Hình 2.12 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở nhiệt TS = 400÷500oC ................................................................................................................... 58 Hình 2.13 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở nhiệt độ TS = 400÷500oC ................................................................................................................... 60 Hình 2.14 Kết quả tách phổ Raman trong dải số sóng 300 ÷ 500 cm-1 các mẫu màng nano ZnO (a) Z-400 (b) Z-420 (c) Z-450 và (d) Z-500………………………………………….60 Hình2.15 Phổ truyền qua của mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở nhiệt độ TS = 400÷500oC .....61 Hình 2.16 Đồ thị quan hệ giữa (h)2 với h của mẫu lắng đọng ở nhiệt độ TS = 400÷500oC ................................................................................................................... 62 Hình 2.17 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng trên các đế (a) Z-G (b) Z-I và (c) Z-F .................................................................................................... 63 Hình 2.18 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng trên các đế (a) Z-G, (b) Z-I và (c) Z-F ................................................................................................... 63 Hình 2.19 Phổ truyền qua các mẫu màng nano ZnO lắng đọng trên các đế (a) Z-G, (b) Z-I và (c) Z-F ................................................................................................... 64 Hình 2.20 Đồ thị quan hệ giữa (h)2 với h của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng trên các đế (a) Z-G, (b) Z-I và (c) Z-F ....................................................................................... 64 Hình 2.21 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở các tốc độ lắng đọng (a) Z-05, (b) Z-1 và (c) Z-4 ................................................................................. 65 Hình 2.22 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở các tốc độ lắng đọng (a) Z-05, (b) Z-1 và (c) Z-4 .................................................................................................. 66 Hình 2.23 Phổ truyền qua của mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở các tốc độ lắng đọng (a) Z-05, (b) Z-1 và (c) Z-4 .................................................................................................. 66 Hình 2.24 Đồ thị quan hệ (αhυ)2 và hυ của mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở các tốc độ lắng đọng (a) Z-05, (b) Z-1 và (c) Z-4 ................................................................................. 67 Hình 2.25 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở các nồng độ muối kẽm (a) Z-005 (b) Z-01 (c) Z-02 và (d) Z-04 ............................................................................... 68 Hình 2.26 Phổ truyền qua của mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở các nồng độ muối kẽm (a) Z-001 (b) Z-005 (c) Z-01 (d) Z-02 và (e) Z-04 ............................................................... 68 Hình 2.27 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu pha tạp In (a) và Al (b) .................................. 69
10 Hình 2.28 Sự phụ thuộc của kích thước tinh thể vào nồng độ tạp chất .............................. 70 Hình 2.29 Ảnh FESEM của các mẫu IZO và AZO lắng đọng với nồng độ pha tạp khác nhau ......... 71 Hình 2.30 Phổ truyền qua của mẫu ZnO pha tạp Indi và Nhôm ........................................ 72 Hình 2. 31 Đồ thị quan hệ giữa (h)2 với h của các mẫu ZnO pha tạp Indi và Nhôm (a) IZO và (b) AZO .............................................................................................................. 72 Hình 2.32 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu CuInS2........................................................... 74 Hình 2.33 Ảnh AFM của các mẫu CuInS2 (a) CIS-12, (b) CIS-21 và (c) CIS-26 .............. 75 Hình 2.34 Độ truyền qua của các mẫu ............................................................................... 76 Hình 2.35 Hệ số hấp thụ của các mẫu .................................................................................. 77 Hình 2.36 Đồ thị quan hệ quan hệ (h)2 vào h các mẫu .............................................. 77 Hình 2.37 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu màng CdS ................................................ 79 Hình 2.38 Ảnh AFM 3D của các mẫu màng CdS ............................................................... 80 Hình 2.39 Độ truyền qua của các màng CdS ..................................................................... 81 Hình 2.40 Đồ thị quan hệ (h)2 với h của các màng CdS .............................................. 81 Hình 3.1 Biểu diễn vector Fresnel trên mặt phẳng phức.................................................... 85 Hình 3.2 Sơ đồ tương đương của hệ vật liệu (a) và phổ CIS tương ứng (b) ...................... 86 Hình 3.3 Cấu trúc pin mặt trời màng mỏng CuInS2 (a) và giản đồ năng lượng (b) ........... 87 Hình 3.4 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời màng mỏng Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me (a) và phổ CIS của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me (b) ............................................................................ 87 Hình 3.5 Sơ đồ lắng đọng các lớp chức năng trong cấu trúc PMT Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2 ........................................................................................ 88 Hình3.6 Hệ đo phổ CIS ....................................................................................................... 89 Hình3.7 Sơ đồ khối hệ đo phổ CIS ...................................................................................... 89 Hình 3.8 Phổ CIS của mẫu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag khi chiều dày lớp CdS thay đổi ................................................................................................................................ 90 Hình 3.9 Sơ đồ tương đương của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag........... 91 Hình 3.10 Phổ CIS của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag khi chiều dày lớp CdS thay đổi ................................................................................................................................. 92 Hình 3.11 Sự phụ thuộc của Cj (phân biên CdS/CuInS2) vào chiều dày lớp CdS ............. 93 Hình 3.12 Mô hình chuyển tiếp PN khi CdS=0 nm ............................................................. 93 Hình 3.13 Mô hình chuyển tiếp PN khi CdS=30nm ............................................................ 94 Hình 3.14 Mô hình chuyển tiếp PN khi CdS=60nm ............................................................ 94 Hình 3.15 Mô hình chuyển tiếp PN khi CdS60nm ............................................................ 95 Hình 3.16 Sự phụ thuộc của Cn (phân biên ZnO/CdS) vào chiều dày lớp CdS ................. 95 Hình 3.17 Sự phụ thuộc của giá trị CPE-P vào chiều dày lớp CdS .................................... 96
11 Hình 3.18 Phổ CIS của các mẫu ZnO/CdS với CdS=80nm và ZnO lắng đọng ở các nồng độ muối kẽm acetat (a) Z-005 (b) Z-01 (c) Z-04 ............................................... 97 Hình 3.19 Ảnh FESEM của các mẫu ZnO lắng đọng ở các nồng độ muối kẽm acetat (a) Z-005 (b) Z-01 (c) Z-04 .................................................................................................. 98 Hình 3.20 Phổ CIS của các mẫu ZnO/CdS/CuInS2 với CdS=80nm và ZnO lắng đọng ở các nồng độ muối kẽm acetat (a) Z-005 (b) Z-01 (c) Z-04......................................................... 99 Hình 4.1 Quy trình mô hình hóa để cải thiện hiệu suất quang điện ................................. 101 Hình 4.2 Giao diện sử dụng phần mềm SCAPS ................................................................ 102 Hình 4.3 Giản đồ vùng năng lượng, mật độ hạt tải, mật độ dòng điện ............................ 103 Hình 4. 4 Cấu trúc pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano ............................................. 105 Hình 4.5 Giản đồ năng lượng của pin mặt trời mặt trời màng mỏng............................... 105 Hình 4.6 Đồ thị phụ thuộc các thông số đặc trưng theo nhiệt độ làm việc ...................... 108 Hình 4.7 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch,(b) mật độ dòng ngắn mạch, (c) hệ số lấp đầy (d) hiệu suất chuyển đổi theo CuInS2................................................................................ 112 Hình 4.8 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch (b) mật độ dòng ngắn mạch, (c) hệ số lấp đầy (d) hiệu suất chuyển đổi theo CdS ..................................................................................... 113 Hình 4. 9 Sơ đồ khối công nghệ chế tạo PMT Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me ...... 114 Hình 4.10 Đặc trưng J-V sáng của pin mặt trời chế tạo .................................................. 115 Hình 4.11 So sánh đặc trưng J-V của mẫu thực nghiệm và mẫu mô phỏng ..................... 117 Hình 4.12 Đặc trưng J-V sáng của pin mặt trời chế tạo .................................................. 119
12 MỞ ĐẦU Theo thông báo của Cơ quan Thông tin Năng lƣợng (EIA) của Bộ Năng lƣợng Mỹ trong “Outlook Năng lƣợng Quốc tế” năm 2013 thì trong khoảng từ năm 2010 đến 2040 mức tiêu thụ năng lƣợng thế giới dự kiến tăng 56%. Thật vậy, hiện nay nhân loại đang đối diện trƣớc ba “thách thức năng lƣợng” to lớn: 1) Sự cạn kiệt nhanh chóng các nguồn nhiên liệu hóa thạch 2) Sự biến đổi theo chiều hƣớng xấu của khí hậu toàn cầu 3) Nhu cầu sử dụng các dạng năng lƣợng ngày càng tăng Các thách thức kể trên đều có nguyên nhân từ con ngƣời, mà trong đó nguyên nhân sự biến đổi khí hậu chính là sự gia tăng nhanh khí nhà kính trong khí quyển (CO2) do nhiên liệu hóa thạch bị đốt cháy [1],[2]–[4]. Có thể thấy rằng, vấn đề an ninh năng lƣợng đang trở nên nóng bỏng hơn bao giờ hết và đây chính là vấn đề mang tính cấp thiết trong bối cảnh cả thế giới đứng trƣớc bài toán hết sức khó khăn là tìm kiếm các nguồn năng lƣợng bền vững, thân thiện với môi trƣờng để thay thế cho các nguồn năng lƣợng truyền thống đang dần cạn kiệt. Trong bối cảnh này, việc nghiên cứu sử dụng các dạng năng lƣợng tái tạo đang nhận đƣợc sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học và nhiều quốc gia trên thế giới [4]–[9]. Theo trích dẫn báo cáo mới nhất của IPCC [10] ƣớc tính: “Gần 80% nhu cầu tiêu thụ năng lƣợng trên thế giới có thể đƣợc đáp ứng bằng năng lƣợng tái tạo vào giữa thế kỷ này nếu các chính phủ áp dụng hiệu quả những chính sách khuyến khích sử dụng năng lƣợng sạch”. Báo cáo của IPCC cũng cho biết, việc chuyển sang sử dụng các nguồn năng lƣợng sạch sẽ giúp giảm đáng kể lƣợng khí thải gây hiệu ứng nhà kính - một trong những nguyên nhân hàng đầu làm biến đổi khí hậu, dẫn tới sự gia tăng lũ lụt, hạn hán và mực nƣớc biển dâng. Tại Việt Nam, năng lƣợng tái tạo cũng đƣợc sự quan tâm to lớn của Chính phủ. Tại hội thảo quốc tế “Điện mặt trời công nghiệp: Từ sản xuất đến khai thác hiệu quả”, Phó thủ tƣớng Hoàng Trung Hải đã khẳng định: “Năng lƣợng hiện nay đã trở thành vấn đề thời sự, là yếu tố quan trọng quyết định đến sự ổn định và phát triển kinh tế - xã hội của quốc gia. Trƣớc dự báo đến năm 2015 nƣớc ta sẽ bắt đầu phải nhập khẩu năng lƣợng thì bài toán năng lƣợng càng trở lên quan trọng và cấp bách hơn bao giờ hết...", "việc phát triển nguồn năng lƣợng mới, trong đó có điện mặt trời khi năng lƣợng hóa thạch đang dần cạn kiệt là mục tiêu quan trọng...” và “việc phát triển điện mặt trời ở Việt Nam sẽ góp phần hoàn thành mục tiêu sử dụng năng lƣợng tái tạo chƣơng trình điện khí hóa nông thôn của Chính phủ”. Tất cả những điều trên cho thấy năng lƣợng tái tạo, đặc biệt là năng lƣợng mặt trời đang nhận đƣợc sự quan tâm vô cùng to lớn của toàn xã hội và hy vọng có thể là đáp án góp phần giải quyết vấn đề năng lƣợng cho con ngƣời trong tƣơng lai. Có thể nói, năng lƣợng mặt trời bắt đầu phát triển và hiện nay đang trên đà trƣởng thành, mặc dù giá thành vẫn còn đắt hơn nhiều so với các nguồn năng lƣợng truyền thống. Rõ ràng là, để thực hiện một sự thay đổi quyết định trong việc nâng cao hiệu suất, giảm giá thành và đa dạng hóa các ứng dụng, lĩnh vực năng lƣợng mặt trời cần đầu tƣ nhân lực, công nghệ và tài chính đáng kể. Nhiều chuyên gia trong lĩnh vực năng lƣợng mặt trời có cách nhìn rất lạc quan về tƣơng lai của năng lƣợng mặt trời. Thực tế cho thấy, sự phát triển của pin mặt trời trong những
13 năm gần đây bắt đầu cạnh tranh với năng lƣợng gió và địa nhiệt. Nhiều dự đoán cho rằng, công suất năng lƣợng mặt trời toàn cầu có thể đạt 400800 GW sớm nhất là năm 2020. Và đến năm 2050, công suất năng lƣợng mặt trời toàn cầu có thể đạt 8000 GW [6]. Hiện nay, châu Âu chiếm 75% thị phần pin mặt trời trên toàn cầu. Tuy nhiên, một số chuyên gia tin rằng điều này sẽ thay đổi trƣớc năm 2020 với thị phần của châu Âu sẽ giảm xuống dƣới 50% và phần còn lại sẽ do Trung Quốc, Nhật Bản, và các nƣớc châu Á khác chi phối. Một loạt các yếu tố đã góp phần giảm giá thành năng lƣợng mặt trời nhƣ: khả năng lắng đọng các màng mỏng trên diện tích lớn, khả năng tự động hóa công nghệ, khả năng tăng hiệu suất quang điện,… Ngoài ra, các chuyên gia đã đƣa ra các hƣớng sau đây để có thể giảm giá thành điện mặt trời hơn nữa, đó là: 1) Tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện các tế bào mặt trời. Cụ thể là với pin mặt trời silicon hiệu suất quang điện  phải đạt 20†24% và đối với các pin mặt trời màng mỏng  phải đạt 15% vào năm 2020. 2) Ứng dụng nhiều hơn và đa dạng hơn các pin mặt trời màng mỏng. 3) Đƣa vào ứng dụng các loại pin mặt trời trên cơ sở các vật liệu mới nhƣ pin mặt trời nhuộm màu, pin mặt trời hữu cơ…v.v 4) Nghiên cứu sử dụng các vật liệu mới trong chế tạo pin mặt trời. Nhƣ vậy có thể thấy, một trong các vấn đề thu hút sự quan tâm hết sức to lớn trên thế giới và ở Việt Nam là nghiên cứu công nghệ chế tạo pin mặt trời và ứng dụng pin mặt trời màng mỏng. Đây thực sự là vấn đề thời sự và bức thiết nhằm góp phần giải quyết bài toán an ninh năng lƣợng, đặc biệt là hƣớng nghiên cứu pin mặt trời màng mỏng giá rẻ, hiệu suất cao và thân thiện với môi trƣờng không sử dụng công nghệ chân không. Đây cũng là cơ sở để chúng tôi lựa chọn nội dung nghiên cứu của bản luận án này. Tên đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng của lớp chức năng nano ZnO đến hoạt động của pin mặt trời màng mỏng glass/TCO/nanoZnO/CdS/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:  Phƣơng pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm USPD  Phƣơng pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm-phản ứng pha khí lớp ion USPD- ILGAR 2) Nghiên cứu lắng đọng lớp cửa sổ nanoZnO, nanoZnO:In, nanoZnO:Al, bằng phƣơng pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm USPD để xác định quy trình công nghệ phù hợp. 3) Nghiên cứu lắng đọng lớp hấp thụ CuInS2 bằng phƣơng pháp USPD để xác định quy trình công nghệ phù hợp 4) Nghiên cứu lắng đọng lớp đệm CdS bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR để xác định quy trình công nghệ phù hợp 5) Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số công nghệ lắng đọng tới tính chất của các phân biên ZnO/CdS và CdS/CuInS2 bằng phƣơng pháp phổ trở kháng phức CIS 6) Ứng dụng phần mềm SCAPS-1D để thiết kế pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me 7) Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo
14 Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 1) Nghiên cứu lắng đọng các lớp cửa sổ nanoZnO, nanoZnO:In, nanoZnO:Al, bằng phƣơng pháp USPD. Nghiên cứu cấu trúc và tính chất quang - điện của các màng lắng đọng khi thay đổi các thông số nhƣ tỉ lệ dung môi, loại đế sử dụng, nhiệt độ lắng đọng TS, nguồn muối kẽm... 2) Nghiên cứu lắng đọng lớp hấp thụ CuInS2 bằng phƣơng pháp USPD. Khảo sát cấu trúc và tính chất quang - điện của các màng lắng đọng với chiều dày thay đổi 3) Nghiên cứu lắng đọng lớp đệm CdS bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR. Khảo sát cấu trúc và tính chất quang - điện của các màng lắng đọng với chiều dày thay đổi 4) Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số lắng đọng tới tính chất của các phân biên ZnO/CdS và CdS/CuInS2 bằng phƣơng 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 hƣởng của nhiệt độ làm việc, chiều dày lớp hấp thụ và chiều dày lớp đệm đến các thông số quang điện của pin mặt trời. Xác định các thông số tối ƣu nhƣ chiều dày lớp hấp thụ và chiều dày lớp đệm nhằm điều chỉnh các thực nghiệm chế tạo pin mặt trời. 6) Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR Phương pháp nghiên cứu Trong công trình này, chúng tôi đã sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với các đoán nhận lý thuyết và phƣơng pháp mô phỏng bằng phần mềm Zview 3.0 và SCAPS-1D. Tất cả các mẫu nghiên cứu trong luận án là các mẫu do chúng tôi tự chế tạo trên các hệ thực nghiệm do chúng tôi xây dựng và phát triển. Các phƣơng pháp lắng đọng bao gồm phƣơng pháp USPD và phƣơng pháp USPD- ILGAR. Chất lƣợng các mẫu đƣợc khảo sát bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X, phổ tán xạ Raman, hiển vi điện tử quét và hiển vi lực nguyên tử. Hệ số hấp thụ và độ rộng vùng cấm quang đƣợc xác định trên cơ sở phổ truyền qua UV-VIS. Tính chất điện của mẫu đƣợc khảo sát bằng phƣơng pháp hiệu ứng Hall và đặc trƣng J-V. Đặc trƣng J-V sáng của pin mặt trời đƣợc khảo sát ở điều kiện AM1.5 trên hệ đo Keithley 4200-SCS. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học 1) Nghiên cứu vật lý và công nghệ lắng đọng các lớp chức năng của pin mặt trời màng mỏng cấu trúc kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me bằng phƣơng pháp USPD- ILGAR 2) Lần đầu tiên đã xác định đƣợc quy trình công nghệ để lắng đọng các lớp chức năng trong cấu trúc pin mặt trời màng mỏng bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR. 3) Lần đầu tiên đã sử dụng phƣơng pháp phổ trở kháng phức CIS để khảo sát các phân biên ZnO/CdS và CdS/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 hƣởng rõ rệt đến hoạt động và góp phần gia tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin măt trời màng mỏng.
15 5) Các pin mặt trời màng mỏng kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me cấu trúc đảo có hiệu suất chuyển đổi quang điện đạt ƞ= 1.84%. Đây là giá trị tƣơng đƣơng các kết quả đã công bố quốc tế trong thời gian gần đây. Ý nghĩa thực tiễn 1) Kết quả nghiên cứu công nghệ USPD-ILGAR cho phép ứng dụng công nghệ này để lắng đọng các lớp chức năng trong các cấu trúc pin mặt trời màng mỏng khác nhau. 2) Công nghệ USPD-ILGAR cho phép mở ra khả năng ứng dụng một phƣơng pháp công nghệ đơn giản, rẻ tiền để chế tạo pin mặt trời có giá thành thấp. 3) Cấu trúc pin mặt trời đảo kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/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 đƣợc trình bày trong 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan tài liệu Chƣơng 2: Nghiên cứu công nghệ lắng đọng các lớp chức năng trong cấu trúc pin mặt trời màng mỏng Chƣơng 3: Khảo sát các phân biên ZnO/CdS và CdS/CuInS2 bằng phƣơng pháp phổ trở kháng phức CIS Chƣơng 4: Thiết kế và chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc kiểu Glass/ITO/ nanoZnO/CdS/CuInS2/Me
16 CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Năng lƣợng mặt trời - nguồn năng lƣợng của tƣơng lai Lịch sử phát triển thế giới cho thấy, sự phát triển kinh tế toàn cầu luôn liên quan chặt chẽ với sự gia tăng sử dụng năng lƣợng và phát thải của khí nhà kính GHG (Green House Gas). Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học đã có những nỗ lực vô cùng to lớn để giải quyết nhu cầu năng lƣợng ngày càng gia tăng trên toàn thế giới và giảm thiểu tới mức tối đa sự gia tăng phát thải khí nhà kính. Theo thông báo của Cơ quan Thông tin Năng lƣợng (EIA) của Bộ Năng lƣợng Mỹ trong “Outlook Năng lƣợng Quốc tế” của năm 2013 trong khoảng từ năm 2010 đến 2040 thì mức tiêu thụ năng lƣợng thế giới dự kiến tăng 56%. Năng lƣợng tiêu thụ năm 2010 khoảng là 524.1015Btu, 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 nhƣ sự gia tăng mạnh trong việc phát triển các nguồn năng lƣợng tái tạo nhƣ là một trong những giải pháp hữu hiệu đối với các nhu cầu về năng lƣợng. Hình 1.1 biểu diễn xu hƣớng tiêu thụ các dạng năng lƣợng trên thế giới. 250 28% 27% N¨ng l-îng tiªu thô, 10 .Btu 200 Láng 15 (gåm c¶ nhiªn liÖu sinh häc) 23% 34% 150 KhÝ tù nhiªn 28% 100 Than 15% 22% N¨ng l-îng t¸i t¹o 50 11% 7% 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 lƣu ý rằng, khí nhà kính từ việc cung cấp các dịch vụ năng lƣợng đã góp phần đáng kể vào sự gia tăng nồng độ khí nhà kính trong khí quyển. Báo cáo đánh giá thứ tƣ của Ủy ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu IPCC (The Intergovernmental Panel on Climate Change) (AR4) đã kết luận: "Hầu hết các gia tăng về nhiệt độ trung bình toàn cầu kể từ giữa thế kỷ 20 liên quan chặt chẽ với sự gia tăng về nồng độ khí nhà kính do con ngƣời thải ra"[21]. Các khảo sát gần đây đã chứng minh cho kết luận này, trong đó việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch do con ngƣời sử dụng chiếm phần lớn sự phát thải khí nhà kính. Sự phát thải khí nhà kính tiếp tục gia tăng trong những năm gần đây và nồng độ 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 lƣợng trong khi vẫn đáp ứng đủ
17 nhu cầu năng lƣợng toàn cầu. Một trong số các lựa chọn có thể là năng lƣợng tái tạo, năng lƣợng hạt nhân, sự thu giữ các bon (Carbon Capture and Storage - CCS) nhƣ đã đƣợc đánh giá trong AR4. 350 (1) 300 C«ng suÊt n¨ng l-îng t¸i t¹o, GW 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 lƣợng tái tạo, ngoài tiềm năng to lớn để giảm thiểu sự biến đổi khí hậu còn có thể cung cấp cho con ngƣời những tiện ích hữu dụng khác khi sử dụng chúng. Năng lƣợng tái tạo có thể, nếu đƣợc thực hiện đúng cách, sẽ góp phần phát triển kinh tế xã hội, tiếp cận năng lƣợng vì là nguồn cung cấp năng lƣợng an toàn và giảm các tác động tiêu cực đến môi trƣờng và sức khỏe. Trong hầu hết các điều kiện cần có, việc tăng tỷ trọng sử dụng năng lƣợng tái tạo trong hỗn hợp năng lƣợng sẽ cần những chính sách để kích thích những thay đổi trong hệ thống năng lƣợng. Việc triển khai các công nghệ năng lƣợng tái tạo đã tăng lên nhanh chóng trong những năm gần đây. Vì thế cần phải có các chính sách bổ sung để thu hút sự gia tăng cần thiết trong đầu tƣ công nghệ và cơ sở hạ tầng. Trong số các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng khác nhau (thủy điện, năng lƣợng sinh khối, năng lƣợng gió và năng lƣợng mặt trời) thì năng lƣợng mặt trời là lĩnh vực phát triển nhanh hơn cả với tốc độ tăng trƣởng bình quân hàng năm khoảng 60% trong những năm gần đây[4],[6],[13]. Hình 1.2 và bảng 1.1 dƣới đây là dự báo công suất tiêu thụ năng lƣợng tái tạo theo thông báo trong [4]. Năm 2003, trong tham luận “Động lực cho ứng dụng và phát triển pin mặt trời”, tác giả Joachim Luther đã giải thích rằng, sự hấp dẫn của công nghệ pin mặt trời xuất phát từ hai nguyên nhân sau: [8] 1) Khả năng sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời là rất cao, xếp hạng đầu tiên trong số các nguồn năng lƣợng tái tạo. Đây là nguồn năng lƣợng đủ để sản xuất nhiều hơn gấp hai lần nhu cầu dự kiến năng lƣợng thế giới cho năm 2030. 2) Năng lƣợng mặt trời là nguồn năng lƣợng bền vững. Nó không tạo ra khí thải độc hại trong quá trình hoạt động, có thể sản xuất điện không có khí thải, có khả năng mở rộng và hết sức linh hoạt.
18 Bảng 1.1 Dự báo công suất năng lượng tái tạo năm 2030-2035 và năm 2050 [4] Đại Dạng năng lƣợng Gió PV CSP Sinh khối Địa nhiệt dƣơng Đơn vị GW Công suất thực tế 2011 47 4 0.5 14 3 0 2030-2035 DOE EIA Annual Energy Outlook 2012 70 8 1 6 6 - EIA World Outlook 2012 160 70 10 40 8 1 (chính sách mới) EIA World Outlook 2012 (450) 270 120 60 50 12 1 Green peace Energy Revolution 650 390 140 1 50 15 (2012, phiên bản U.S ) 2050 NREL Electricity Futures Study (2012) 460 170 60 80 25 - Lovins/RMI Reinventing Fire 500 480 80 40 15 - Hiện nay, năng lƣợng mặt trời đang nhận đƣợc sự quan tâm đặc biệt trên toàn thế giới. Ở các nƣớc phát triển, các nhà máy năng lƣợng mặt trời đã đƣợc hòa với lƣới điện quốc gia, trong khi ở các nƣớc đang phát triển, các nhà máy năng lƣợng mặt trời lại hoạt động nhƣ các đơn vị độc lập. Có thể nói, năng lƣợng mặt trời bắt đầu phát triển và hiện nay đang trên đà trƣởng thành, mặc dù giá thành vẫn còn đắt hơn nhiều so với các nguồn năng lƣợng truyền thống. Rõ ràng là, để thực hiện một sự thay đổi quyết định trong việc nâng cao hiệu suất, giảm giá thành và đa dạng hóa các ứng dụng, lĩnh vực năng lƣợng mặt trời cần đầu tƣ nhân lực, công nghệ và tài chính đáng kể. Nhiều chuyên gia trong lĩnh vực năng lƣợng mặt trời có cách nhìn rất lạc quan về tƣơng lai của năng lƣợng mặt trời. Thực tế cho thấy, sự phát triển của pin mặt trời trong những năm gần đây bắt đầu cạnh tranh với năng lƣợng gió và địa nhiệt. Nhiều dự đoán cho rằng, công suất năng lƣợng mặt trời toàn cầu có thể đạt 400800 GW sớm nhất là năm 2020. Và đến năm 2050, công suất năng lƣợng mặt trời toàn cầu có thể đạt 8000 GW [6]. Hiện nay, châu Âu chiếm 75% thị phần pin mặt trời trên toàn cầu. Tuy nhiên, một số chuyên gia tin rằng điều này sẽ thay đổi trƣớc năm 2020 với thị phần của châu Âu sẽ giảm xuống dƣới 50% và phần còn lại sẽ do Trung Quốc, Nhật Bản, và các nƣớc châu Á khác chi phối. Theo thông báo của REN21 [6] thì giá thành pin mặt trời hiện nay ở châu Âu khoảng  22÷44 cent/kWh. Ở Mỹ giá lắp đặt trên tầng thƣợng là khoảng  20†37 cent/kWh. Đối với trƣờng hợp lắp đặt quy mô lớn, tùy thuộc vào kích thƣớc hệ thống, điều kiện bức xạ mặt trời địa phƣơng và các yếu tố khác, giá thành pin mặt trời dao động trong khoảng 9÷13 cent/kWh. Trong tính toán dài hạn thì giá thành điện mặt trời sẽ giảm xuống dƣới 10 cent/kWh. Đặc biệt, tính toán của IEA ETP (2012) cho thấy giá thành điện mặt trời vào năm 2030 sẽ khoảng 7÷11 cent/kWh đối với các dự án quy mô lớn và 8÷14 cent/kWh cho việc lắp
19 đặt trên tầng mái [15]. Trong [16], [5] tổ chức Greenpeace lại thông báo, giá thành điện mặt trời sẽ là 5†10 cent/kWh vào năm 2030-2040, tùy thuộc vào từng vùng lãnh thổ. Một loạt các yếu tố đã góp phần giảm giá thành năng lƣợng mặt trời nhƣ: khả năng lắng đọng các màng mỏng trên diện tích lớn, khả năng tự động hóa công nghệ, khả năng tăng hiệu suất quang điện,… Ngoài ra, các chuyên gia đã đƣa ra các hƣớng sau đây để có thể giảm giá thành điện mặt trời hơn nữa, đó là: 5) Tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện các tế bào mặt trời. Cụ thể là với pin mặt trời silicon hiệu suất quang điện  phải đạt 20†24% và đối với các pin mặt trời màng mỏng  phải đạt 15% vào năm 2020. 6) Ứng dụng nhiều hơn và đa dạng hơn các pin mặt trời màng mỏng. 7) Đƣa vào ứng dụng các loại pin mặt trời trên cơ sở các vật liệu mới nhƣ pin mặt trời nhuộm màu, pin mặt trời hữu cơ…v.v 8) Nghiên cứu sử dụng các vật liệu mới trong chế tạo pin mặt trời. Trong những năm gần đây, ở nƣớc ta, năng lƣợng tái tạo cũng nhận đƣợc sự quan tâm to lớn của Đảng và Nhà nƣớc. Phó thủ tƣớng Hoàng Trung Hải đã khẳng định: “Năng lƣợng hiện nay đã trở thành vấn đề thời sự, là yếu tố quan trọng quyết định đến sự ổn định và phát triển kinh tế - xã hội của quốc gia. Trƣớc dự báo đến năm 2015 nƣớc ta sẽ bắt đầu phải nhập khẩu năng lƣợng thì bài toán năng lƣợng càng trở lên quan trọng và cấp bách hơn bao giờ hết....Việc phát triển nguồn năng lƣợng mới, trong đó có điện mặt trời khi năng lƣợng hóa thạch đang dần cạn kiệt là mục tiêu quan trọng...” và “việc phát triển điện mặt trời ở Việt Nam sẽ góp phần hoàn thành mục tiêu sử dụng năng lƣợng tái tạo chƣơng trình điện khí hóa nông thôn của Chính phủ” (Tại hội thảo quốc tế “Điện mặt trời công nghiệp - Từ sản xuất đến khai thác hiệu quả” năm 2008 tại thành phổ Hồ Chí Minh). Nói tóm lại, năng lƣợng mặt trời đã và đang dần trở thành nguồn năng lƣợng sạch vô cùng quan trọng trên thế giới. Với các tiến bộ vƣợt bậc trong công nghệ, pin mặt trời có thể tăng hiệu suất lên đến 43% và hứa hẹn đem lại sự phát triển to lớn cho ngành công nghiệp "năng lƣợng xanh" này trong tƣơng lai. 1.2 Hiệu ứng PV (PhotoVoltaic Effect) và linh kiện quang điện sử dụng hiệu ứng PV Năm 1839, lần đầu tiên hiệu ứng quang điện PV (Photovoltaic Effect) đã đƣợc phát hiện bởi nhà vật lý ngƣời Pháp Edmond Becquerel [5], [17]–[19]. Trong một lần thí nghiệm, E.Becquerel đặt hai tấm kim loại trong một chất lỏng dẫn điện và khi tình cờ cho chúng tiếp xúc ánh sáng mặt trời, ông đã quan sát thấy một điện áp nhỏ xuất hiện giữa hai tấm kim loại. Gần 40 năm sau, vào năm 1877, Willoughby Smith (nhà khoa học ngƣời Anh) phát hiện ra rằng, vật liệu selen (Se) có tính nhạy với ánh sáng [4]. Từ kết quả nghiên cứu của W.Smith, nhà khoa học ngƣời Mỹ Charles Fritts đã nhìn thấy tiềm năng to lớn của hiệu ứng này. Ông tiến hành các thí nghiệm của mình với vật liệu selen và phát triển các tế bào mặt trời selen đầu tiên vào năm 1886. Những tế bào mặt trời này có hiệu suất chuyển đổi quang điện nhỏ hơn 1%. Tuy nhiên, C.Fritts nhận ra tầm quan trọng trong khám phá của mình, và trong một công bố[17], ông đã bày tỏ rằng, một trong những lợi thế rất lớn của các tế bào mặt trời là "nguồn cung cấp năng lƣợng mặt trời không có giới hạn và không có
20 chi phí. Nguồn năng lƣợng này sẽ tiếp tục tới trái đất sau khi chúng ta làm cạn kiệt các nguồn nhiên liệu hóa thạch ". Trong thế giới ngày nay, ngƣời ta vẫn tin rằng việc cung cấp năng lƣợng từ mặt trời là bao la. Tuy nhiên, hơn một trăm năm đã trôi qua kể từ khi Charles Fritts nhìn thấy trƣớc năng lƣợng miễn phí cho tất cả mọi ngƣời, chúng ta mới nhận ra rằng, các công nghệ khai thác năng lƣợng mặt trời không phải là không có giới hạn và cũng không phải là không có chi phí. Có thể hình dung bức tranh phát triển tổng quát về pin mặt trời trên hình 1.3. Hình 1.3 Sự phát triển của các thế hệ pin mặt trời [10] Có thể nói rằng, nền tảng của công nghệ pin mặt trời hiện đại đã đƣợc xây dựng trong những năm 1950 bởi các nhà khoa học ở phòng thí nghiệm American Bell Telephone. Ở đây, Daryl Chapin và nhóm nghiên cứu của ông đã nghiên cứu khảo sát để cải thiện hiệu suất của các tế bào mặt trời selen nhƣ một nguồn năng lƣợng thay thế đáng tin cậy cho các hệ thống thông tin liên lạc [17]. Cũng khoảng thời gian này, lần đầu tiên Calvin Fuller đã nghiên cứu các tế bào mặt trời trên vật liệu silicon. C.Fuller thấy rằng, silicon làm việc hiệu quả hơn khi pha tạp với các tạp chất khác nhau. Sau một thời gian, ông và đồng nghiệp đã giới thiệu một tế bào mặt trời có hiệu suất chuyển đổi 6% [17]. Cũng trong năm này, D. C. Reynolds cùng các cộng sự đã thông báo chế tạo thành công các pin mặt trời chuyển tiếp dị chất CuS/CdS đạt hiệu suất khoảng 6% [20], [21]. Trong một hƣớng khác, tế bào mặt trời GaAs đƣợc công bố lần đầu tiên bởi nhóm D. A Jenny vào năm 1956 [22].