Luận án Tiến sĩ Vật lý: Mô phỏng vật lý linh kiện, chế tạo và khảo sát tính chất một số lớp chính của pin mặt trời trên cơ sở màng mỏng CIGS

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:168

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án trình bày tình hình nghiên cứu PMT trên thế giới và tại Việt Nam, trong đó PMT màng mỏng CIGS được trình bày khá chi tiết; các vấn đề về chương trình mô phỏng AMPS-1D và ứng dụng của nó trên đối tượng một PMT CIGS hoàn chỉnh; thực nghiệm và các kết quả nghiên cứu chế tạo các mẫu màng ZnO, CIGS bằng hai phương pháp lắng đọng điện hóa và PED; chế tạo thử một PMT với lớp hấp thụ CIGS lắng đọng bằng phương pháp điện hóa và kết quả khảo sát tính chất quang điện của chúng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Mô phỏng vật lý linh kiện, chế tạo và khảo sát tính chất một số lớp chính của pin mặt trời trên cơ sở màng mỏng CIGS

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGÔ ĐÌNH SÁNG MÔ PHỎNG VẬT LÝ LINH KIỆN, CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT MỘT SỐ LỚP CHÍNH CỦA PIN MẶT TRỜI TRÊN CƠ SỞ MÀNG MỎNG CIGS LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGÔ ĐÌNH SÁNG MÔ PHỎNG VẬT LÝ LINH KIỆN, CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT MỘT SỐ LỚP CHÍNH CỦA PIN MẶT TRỜI TRÊN CƠ SỞ MÀNG MỎNG CIGS Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn Mã số: 62 44 07 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Phạm Hồng Quang TS. Lê Tuấn Tú Hà Nội – 2013
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Ngô Đình Sáng
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin kính gửi tới PGS. TS. Phạm Hồng Quang và TS. Lê Tuấn Tú những lời cảm ơn sâu sắc nhất. Các Thầy là người đã trực tiếp hướng dẫn tôi, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành bản luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Nguyễn Huy Sinh, người thầy đã dạy bảo và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập cũng như quá trình hoàn thiện bản luận án tại Bộ môn Vật lí Nhiệt độ thấp. Tôi cũng xin cảm ơn sự nhiệt tình động viên, giúp đỡ và luôn luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi của Thầy Bùi Hữu Thắng - Trưởng Bộ môn Vật lí Trường Đại học Xây dựng trong suốt quá trình hoàn thành bản luận án này. Tôi xin gửi tới NCS. Vũ Văn Khải, CN. Đỗ Quang Ngọc, TS. Trần Thị Quỳnh Hoa, TS. Hồ Khắc Hiếu, NCS. Đặng Thị Bích Hợp lòng biết ơn vì sự quan tâm, động viên tôi cũng như các ý kiến đóng góp, các thảo luận khoa học trong quá trình hoàn thành luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới NCS. Lưu Mạnh Quỳnh, ThS. Nguyễn Duy Thiện, những người đã rất nhiệt tình cùng tôi thực hiện các phép đo đạc và vận hành các thiết bị thí nghiệm. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Vật lí Nhiệt độ thấp và Bộ môn Vật lí Chất rắn, Khoa Vật lí, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội, đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin gửi lời cám ơn tới đề tài Nafosted mã số 103.02.59.09 đã có những hỗ trợ về kinh phí trong quá trình tôi làm thực nghiệm ở nước ngoài. Tôi xin gửi lòng biết ơn sự động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi của các thầy cô trong Bộ môn Vật lí cũng như lãnh đạo Khoa Cơ khí Xây dựng và Ban Giám hiệu Trường Đại học Xây dựng trong quá trình tôi thực hiện luận án. Cuối cùng tôi dành tình cảm đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Bố, Mẹ, Anh, Em ruột của tôi, Vợ và Bố, Mẹ, Anh, Em ruột của Vợ tôi, những người đã luôn mong mỏi, động viên tôi, giúp tôi thêm nghị lực để hoàn thành bản luận án này! Hà Nội, tháng 03 năm 2013 Tác giả
MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục các kí hiệu ……………………………………………………….. i Danh mục các chữ viết tắt …………………………………………………... iii Danh mục các hình ảnh và đồ thị …………………………………………… v Danh mục các bảng………………………………………………………….. x MỞ ĐẦU ………………………………………………………………….. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG 8 TRÊN CƠ SỞ LỚP HẤP THỤ CuIn1-xGaxSe2 (CIGS)….. 8 1.1 Các thế hệ pin mặt trời …………………………………………….. 8 1.2 Nguyên lý hoạt động của PMT CIGS …........................................... 14 1.2.1 Cơ sở lý thuyết ……………………………………………………………… 14 1.2.2 Cấu tạo của pin………………………..……………………………………. 15 1.2.3 Đặc trưng dòng-thế (I-V)………………………………………………….. 17 1.3 Một số phương pháp chế tạo các lớp chính của PMT dạng CIGS 19 1.3.1 Phương pháp bốc bay chân không ………………………………………. 20 1.3.2 Phương pháp chế tạo màng bằng phún xạ catot (Cathode 1 Sputtering)…………………………………………………………………… 21 1.3.3 Phương pháp laze xung (PLD - Pulsed Laser Deposition)……………. 21 1.3.4 Phương pháp chế tạo màng mỏng bằng điện tử xung (Pulse 1717 Electrodeposition-PED)…………………………………………………… 22 1.3.5 Phương pháp epitaxi chùm phân tử (MBE-Molecular Beam Epitaxy) 22 1.3.6 Phương pháp chế tạo màng bằng lắng đọng điện hóa 1919
(Electrodeposition)…………………………………………………………. 23 1.4 Một số phương pháp khảo sát cấu trúc và tính chất màng mỏng 24 1.4.1 Phân tích cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X ……… 24 1.4.2 Phân tích hình thái học bề mặt màng mỏng bằng hiển vi điện tử quét 22 22 (Scanning Electron Microscopy - SEM)…………………………………. 26 1.4.3 Phân tích tính chất quang của màng mỏng bằng quang phổ kế……… 27 1.4.4 Phương pháp xác định chiều dày màng mỏng bằng dao động thạch 25 anh (quartz)…………………………………………………………………. 29 1.4.5 Phương pháp Van der Pauw………………………………………………. 30 1.4.5.1 Đo điện trở mặt của mẫu màng mỏng bằng kỹ thuật Van der 2 Pauw……………………………………………………………….. 30 1.4.5.2 Phép đo hiệu ứng Hall……………………………………………. 32 1.4.6 Phương pháp đo chiều dày màng mỏng bằng Stylus Profiler………… 35 1.4.7 Phương pháp đo điện trở vuông của mẫu màng mỏng………………… 35 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1………………………………………………….. 37 CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ HOẠT ĐỘNG CỦA 3 PMT MÀNG MỎNG CIGS BẰNG CHƯƠNG TRÌNH 3 MÔ PHỎNG AMPS-1D …………………………………... 38 2.1 Cấu trúc cơ bản và các tham số đặc trưng của PMT màng mỏng 3 CIGS ………………………………………………………………… 38 2.1.1 Cấu trúc cơ bản của pin mặt trời CIGS…………………………………. 38 2.1.2 Các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của PMT ……………………… 40 2.2 Phương trình Poisson………………………………………………. 42 2.2.1 Nồng độ điện tử tự do và nồng độ lỗ trống tự do………………………. 43 2.2.2 Nồng độ trạng thái định xứ (ND+, NA-, pt, nt)……………………………. 45 2.2.2.1 Nồng độ donor và nồng độ acceptor (ND+, NA)……………….. 45
2.2.2.2 Nồng độ các mức sai hỏng (nt và pt)…………………………….. 49 2.3 Phương trình liên tục………………………………………………. 50 2.3.1 Mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống (Jn và Jp)………………. 50 2.3.2 Quá trình tái hợp của hạt tải……………………………………………… 51 2.4 Mô phỏng hiệu năng hoạt động của PMT bằng AMPS-1D……. 52 2.4.1 Các tham số đầu vào………………………………………………………. 52 2.4.1.1 Các tham số đặt vào toàn bộ thiết bị……………………………. 53 2.4.1.2 Các tham số đặt vào từng lớp riêng biệt………………………. 54 2.4.1.3 Các tham số để xác định quang phổ chiếu sáng………………. 58 2.4.2 Khảo sát hiệu năng hoạt động của PMT bằng AMPS-1D……………. 60 2.4.2.1 Ảnh hưởng của độ dày của lớp hấp thụ CIGS…………………. 60 2.4.2.2 Ảnh hưởng của độ rộng vùng cấm Eg của lớp hấp thụ CIGS… 64 2.4.2.3 Ảnh hưởng của hệ số phản xạ mặt trước………………………. 68 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2………………………………………………….. 72 CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT LỚP DẪN ĐIỆN TRUYỀN 7 QUA ZnO VÀ LỚP HẤP THỤ CIGS BẰNG PHƯƠNG 7 PHÁP ĐIỆN TỬ XUNG (PULSED ELECTRON 7 DEPOSITION-PED)……………………………………….. 73 3.1 Tổng quan về thiết bị điện tử xung (PED)………………………… 73 3.2 Chế tạo màng mỏng ZnO và CIGS bằng phương pháp PED......... 76 3.2.1 Thực nghiệm…………………………………………………………………. 76 3.2.2 Kết quả……………………………………………………………………… 80 3.2.2.1 Màng mỏng dẫn điện trong suốt ZnO:Al (AZO)….…………… 80 3.2.2.2 Màng mỏng hấp thụ CIGS………………………………………... 89 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3………………………………………………….. 97
CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT LỚP HẤP THỤ CGS, CIGS 9 BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HÓA……. 98 4.1 Phương pháp Vol-Ampe vòng (Cyclic Voltammetry-CV)……….. 98 4.2 Ảnh hưởng của các chất tạo phức lên quá trình lắng đọng màng 9 hấp thụ CuGaSe (CGS) trên đế ITO……………………………... 101 4.2.1 Thực nghiệm phép đo CV và lắng đọng màng CGS………………….. 101 4.2.2 Các kết quả và thảo luận…………………………………………………. 103 4.2.2.1 Đặc trưng Vol-Ampe của các hệ đơn nguyên…………………. 103 4.2.2.2 Đặc trưng Vol-Ampe của hệ ba nguyên Cu-Ga-Se……………. 106 4.2.2.3 Kết quả lắng đọng điện hóa của màng CGS…………………… 107 4.3 Ảnh hưởng của thế lắng đọng điện hóa lên quá trình lắng đọng 1 màng hấp thụ CIGS trên đế Mo…………………………………… 109 4.3.1 Chế tạo lớp dẫn điện đế Mo bằng phương pháp phún xạ catot………. 109 4.3.1.1 Thực nghiệm……………………………………………………….. 110 4.3.1.2 Kết quả khảo sát mẫu thu được…………………………………. 111 4.3.2 Phép đo Vol-Ampe vòng và sự lắng đọng màng CIGS......................... 112 4.3.3 Kết quả và thảo luận………………………………………………………. 112 4.3.3.1 Đặc trưng Vol- Ampe của đơn chất Cu, Ga, In và Se………… 112 4.3.3.2 Đặc trưng Vol-Ampe của hệ hai nguyên Cu-Se, Ga-Se, In-Se 116 4.3.3.3 Đặc trưng Vol-Ampe của hệ bốn nguyên Cu-In-Ga-Se............ 119 4.3.3.4 Sự phụ thuộc vào thế khử của thành phần màng mỏng............ 120 4.3.3.5 Hình thái học và tinh thể.......................................................... 123 4.4 Chế tạo thử nghiệm và khảo sát tính chất PMT trên cơ sở màng 125 hấp thụ CIGS..................................................................................... 126 4.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PMT Glass/ITO/CIGS/Al........... 126
4.4.2 Khảo sát tính chất chuyển hóa quang điện........................................... 128 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4.............................................................................. 134 KẾT LUẬN CHUNG..................................................................................... 135 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN....................................................................................................... 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………… 139
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Kí hiệu Absorption coefficient Hệ số hấp thụ α Circuit current density (mA/cm2) Mật độ dòng điện J Conduction band energy (eV) Năng lượng đáy vùng dẫn EC Conversion efficiency of the solar cell Hiệu suất chuyển đổi quang η (%) điện Current density at maximum power Mật độ dòng tương ứng điểm Jmax output (mA/cm2) công suất cực đại Pmax Electron Điện tử e Electron mobility (cm2/Vs) Độ linh động điện tử µe Energy (eV) Năng lượng E Fermi energy (eV) Năng lượng Fecmi EF Fill factor (%) Hệ số điền đầy FF Hole Lỗ trống h Hole mobility (cm2/Vs) Độ linh động lỗ trống µh Open circuit voltage (V) Thế hở mạch VOC Độ rộng năng lượng vùng Optical band gap energy (eV) Eg cấm quang Resitivity (Ωcm) Điện trở suất ρ Short circuit open density (mA/cm2) Mật độ dòng đoản mạch JSC Square resistance Điện trở vuông R□ Substrate temperature (0C) Nhiệt độ đế TS Thickness (µm) Chiều dày d i
Transmittance (%) Độ truyền qua T Năng lượng đỉnh vùng hóa Valence band energy (eV) EV trị Voltage (V) Điện thế V Điện thế tương ứng điểm Voltage at maximum power output (V) Vmax công suất cực đại Pmax Wavelength (µm) Bước sóng λ ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Ký hiệu Analysis of Microelectronic and Chương trình mô phỏng AMPS-1D Photonic Structure-1Dimension AMPS-1D Atomic Force Microscopy Hiển vi lực nguyên tử AFM Chemical Bath Deposition Lắng đọng bể hóa học CBD Chemical Vapour Deposition Lắng đọng hơi hóa học CVD Counter Electrode Điện cực đếm CE Quét thế vòng kiểu chu Cyclic Voltammetry CV kì Electronchemical Deposition Lắng đọng điện hóa ED Energy Dispersive Spectroscopy Phổ tán sắc năng lượng EDS Full width at half maximum Độ rộng bán cực đại FWHM Molecular Beam Epitaxy Epitaxy chùm phân tử MBE Photovoltaic Effect Hiệu ứng quang điện PV Pulsed Electron Deposition Lắng đọng điện tử xung PED Pulsed Laser Deposition Lắng đọng laze xung PLD Reference Electrode Điện cực so sánh RE Điện cực Calomel bão Satured Calomel Electrode SCE hòa Scanning Electro Microscopy Hiển vi điện tử quét SEM Điện cực tiêu chuẩn Standard Hydrogen Electrode SHE Hydro Tin oxide doped Indium Oxit thiếc pha tạp Indi ITO iii
Oxit dẫn điện trong Transparent Conducting oxide TCO suốt Ultra-violet visible Spectrophotometer Phổ hấp thụ UV-vis UV-Vis Working Electrode Điện cực làm việc WE X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X XRD iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Nội dung Trang Hình 1.1. Đường biểu diễn mối quan hệ giá thành và sản lượng PMT.................... 11 Hình 1.2. Sự hình thành của lớp tiếp xúc p-n........................................................... 15 Hình 1.3. Cấu trúc vùng năng lượng của PMT dạng ZnO/CdS/CIGS..................... 16 Hình 1.4. Đặc trưng I-V của một PMT trong điều kiện tối (a) và chiếu sáng (b).... 18 Hình 1.5. Mạch điện tương đương của một PMT thực............................................ 18 Hình 1.6. Ảnh hưởng của RS và rsh lên đặc trưng I-V của PMT khi chiếu sáng….. 19 Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lí hệ bốc bay chân không.................................................. 20 Hình 1.8. Hiện tượng nhiễu xạ tia X từ hai mặt phẳng mạng tinh thể..................... 24 Hình 1.9. Sơ đồ cấu tạo của một kính hiển vi điện tử quét...................................... 26 Hình 1.10. Sơ đồ hệ đo phổ truyền qua và phổ phản xạ........................................... 28 Hình 1.11. Hình dạng mẫu thường được sử dụng trong kĩ thuật Van der Pauw...... 31 Hình 1.12. Mô tả hiệu ứng Hall cho các hạt tải điện tích dương (a) và các hạt tải điện tích âm (b)......................................................................................................... 33 Hình 1.13. Mẫu màng mỏng để đo điện trở vuông.................................................. 35 Hình 2.1. Cấu trúc cơ bản của PMT với lớp hấp thụ CIGS..................................... 39 Hình 2.2. Đặc trưng I-V để xác định các thông số hoạt động của PMT………….. 41 Hình 2.3. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của các mức năng lượng pha tạp rời rạc vào mật độ trạng thái………………………………………………………………. 46 Hình 2.4. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc vào mật độ trạng thái của các mức năng lượng donor và acceptor liên tục…………………………………………………... 48 Hình 2.5. Sơ đồ vùng của một thiết bị bán dẫn khi có thế đặt vào………………... 55 Hình 2.6. Đồ thị biểu diễn một mức donor Gauss và một mức acceptor Gauss….. 57 v
Hình 2.7. Phổ chiếu sáng chuẩn AM 1.5G………………………………………... 58 Hình 2.8. Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào bước sóng mỗi lớp riêng biệt…….. 59 Hình 2.9. Sự phụ thuộc của mật độ dòng đoản mạch vào độ dày của lớp hấp thụ CIGS………………………………………………………………………………. 61 Hình 2.10. Sự phụ thuộc của thế hở mạch vào độ dày của lớp hấp thụ CIGS……. 62 Hình 2.11. Sự phụ thuộc của hiệu suất vào độ dày của lớp hấp thụ CIGS………... 63 Hình 2.12. Sự phụ thuộc của hệ số điền đầy vào độ dày của lớp hấp thụ CIGS….. 63 Hình 2.13. Đồ thị về sự phụ thuộc của mật độ dòng đoản mạch vào độ rộng vùng cấm của lớp hấp thụ CIGS………………………………………………………… 65 Hình 2.14. Đồ thị về sự phụ thuộc của thế hở mạch với độ rộng vùng cấm của lớp hấp thụ CIGS………………………………………………………………….. 66 Hình 2.15. Đồ thị về sự phụ thuộc của hiệu suất chuyển đổi năng lượng vào độ rộng vùng cấm của lớp hấp thụ CIGS……………………………………………... 66 Hình 2.16. Đồ thị về sự phụ thuộc của hệ số điền đầy vào độ rộng vùng cấm của lớp hấp thụ CIGS………………………………………………………………….. 67 Hình 2.17. Sự phụ thuộc của mật độ dòng đoản mạch vào hệ số phản xạ mặt trước……………………………………………………………………………….. 69 Hình 2.18. Sự phụ thuộc của thế hở mạch vào hệ số phản xạ mặt trước…………. 70 Hình 2.19. Sự phụ thuộc của hệ số lấp đầy vào hệ số phản xạ mặt trước………… 70 Hình 2.20. Sự phụ thuộc của hiệu suất vào hệ số phản xạ mặt trước……………... 71 Hình 3.1. Hệ thống PED-180 được trang bị tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên-Đại học Quốc gia Hà Nội................................................................................ 74 Hình 3.2. Sơ đồ một hệ điện tử xung........................................................................ 75 Hình 3.3. Hình ảnh trước và trong khi bắn chùm xung điện tử vào bề mặt bia vật liệu…………………………………………………………………………………. 79 Hình 3.4. Ảnh hưởng của áp suất khí oxy lên độ dày màng hệ AZO-1 chế tạo ở các áp suất khí oxy khác nhau: 5, 10, 15, 20 mTorr………………………………. 80 Hình 3.5. Bề mặt của hai mẫu ZnO lắng đọng tại áp suất 10 mTorr: a) ở nhiệt độ vi
phòng và b) ở nhiệt độ đế 4000C……………………………………………………. 81 Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ AZO-1 chế tạo ở nhiệt độ phòng với các áp suất khí khác nhau: 5, 10, 15, 20 mTorr………………………………………………. 82 Hình 3.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hệ AZO-2 chế tạo ở áp suất khí 10 mTorr với nhiệt độ đế tăng dần: 150, 400, 6000C………………………………………………... 83 Hình 3.8. a) Phổ truyền qua của các mẫu AZO-1chế tạo ở nhiệt độ phòng với áp suất khí khác nhau: 5, 10, 15, 20 mTorr; b) Phổ truyền qua của các mẫu AZO-2 chế tạo ở áp suất khí 10 mTorr với nhiệt độ đế tăng dần: 150, 400, 6000C……………. 84 Hình 3.9. Đồ thị quan hệ giữa (αhν)2 và hν của các mẫu AZO-1chế tạo ở nhiệt độ phòng với áp suất khí khác nhau: 5, 10, 15, 20 mTorr…………………………….. 85 Hình 3.10. Đồ thị quan hệ giữa (αhν)2 và hν của các mẫu AZO-2 chế tạo ở áp suất khí 10 mTorr với nhiệt độ đế tăng dần: 150, 400, 6000C……………………………... 86 Hình 3.11. Sự phụ thuộc của điện trở Hall vào cường độ từ trường H của mẫu Q4 lắng đọng ở nhiệt độ đế 4000C trong hệ AZO-2………………………………. 87 Hình 3.12. Sự phụ thuộc độ dày vào điện thế gia tốc mẫu hệ CIGS-1 chế tạo ở nhiệt độ phòng với thế gia tốc tăng dần: 8, 10, 12, 14 kV…………………………………... 90 Hình 3.13. Hình thái học bề mặt SEM của các mẫu CIGS các hình a), b), c) của hệ CIGS-1, hình d) của hệ CIGS-2 lắng đọng ở 6000C…………………………… 91 Hình 3.14. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các hệ mẫu CIGS-1……………………… 92 Hình 3.15. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các hệ mẫu CIGS-2………………………. 93 Hình 3.16. Đồ thị quan hệ giữa (αhν)2 và hν của các mẫu CIGS-2 chế tạo tại thế gia tốc 12 kV và có nhiệt độ đế tăng dần: 150, 280, 400, 6000C………………….. 94 Hình 3.17. Sự phụ thuộc của điện trở Hall vào cường độ từ trường H của mẫu CIGS-Q5 lắng đọng ở nhiệt độ đế 1500C trong hệ CIGS-2……………………….. 95 Hình 4.1. Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng-thế trong quá trình khử………………... 99 Hình 4.2. Đồ thị biểu diễn quan hệ dòng-thế trong quét thế vòng………………... 100 Hình 4.3. Đặc trưng Vol-Ampe của dung dịch H2SeO3 nồng độ 20 mM………… 100 Hình 4.4. Sơ đồ của hệ điện hóa một bước. 1-WE, 2-CE, 3-RE………………….. 102 Hình 4.5. Đặc trưng Vol-Ampe của CuCl2 trong các dung dịch có chất tạo phức vii
khác nhau………………………………………………………………………….. 103 Hình 4.6. Đặc trưng Vol-Ampe của H2SeO3 trong các dung dịch có chất tạo phức khác nhau………………………………………………………………………….. 104 Hình 4.7. Đặc trưng Vol-Ampe của Ga(NO3)3 trong các dung dịch có chất tạo phức khác nhau……………………………………………………………………. 105 Hình 4.8. Đặc trưng Vol-Ampe của CuCl2, Ga(NO3)3, H2SeO3 trong các dung dịch có các chất tạo phức khác nhau………………………………………………. 106 Hình 4.9. Phổ EDS đặc trưng của màng CGS được lắng đọng ở -0,95 V từ dung dịch chứa axit HCl………………………………………………………………… 108 Hình 4.10. Hình thái học SEM của màng CGS được lắng đọng ở -0,95 V từ dung dịch chứa axit HCl………………………………………………………………… 108 Hình 4.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng Mo chế tạo bằng phún xạ catot......... 111 Hình 4.12. Đặc trưng Vol-Ampe của dung dịch điện phân...................................... 113 Hình 4.13. Đặc trưng Vol-Ampe của dung dịch chứa CuCl2................................... 113 Hình 4.14. Đặc trưng Vol-Ampe của dung dịch InCl3............................................. 114 Hình 4.15. Đặc trưng Vol-Ampe của dung dịch chứa H2SeO3................................ 115 Hình 4.16. Đặc trưng Vol-Ampe của dung dịch chứa Ga(NO3)3............................. 116 Hình 4.17. Đặc trưng Vol-Ampe của hệ Cu-Se........................................................ 117 Hình 4.18. Đặc trưng Vol-Ampe của hệ In - Se....................................................... 118 Hình 4.19. Đặc trưng Vol-Ampe của hệ Ga-Se........................................................ 119 Hình 4.20. Đặc trưng Vol-Ampe của hệ bốn nguyên CIGS..................................... 120 Hình 4.21. Ảnh mặt cắt ngang và hình thái học bề mặt của các mẫu điển hình (trước khi ủ) lắng đọng tại a) -0,3 V; b) -0,6 V và c) -0,9 V.................................... 123 Hình 4.22. Ảnh mặt cắt ngang và hình thái học bề mặt của các mẫu (sau khi ủ) lắng đọng tại a) -0,3 V; b) -0,6 V và c) -0,9 V.......................................................... 124 Hình 4.23. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu CIGS: a) mẫu trước khi ủ và các mẫu sau ủ lắng đọng tại b) -0,3 V; c) -0,6 V và d) -0,9 V................................................ 125 viii
Hình 4.24. Sơ đồ của PMT cấu trúc Glass/ITO/CIGS/Al........................................ 126 Hình 4.25. Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của chuyển tiếp dị chất CIGS/ITO khi có chiếu sáng trong điều kiện hở mạch............................................................... 127 Hình 4.26. Đặc trưng I-V của PMT với lớp hấp thụ CIGS lắng đọng ở -0,8V, đường màu đỏ là dòng sáng và đường màu đen là dòng tối..................................... 129 Hình 4.27. Đặc trưng I-V của PMT với lớp hấp thụ CIGS lắng đọng ở -0,85V, đường màu đỏ là dòng sáng và đường màu đen là dòng tối..................................... 131 Hình 4.28. Đặc trưng I-V của PMT với lớp hấp thụ CIGS lắng đọng ở -0,9V, đường màu đỏ là dòng sáng và đường màu đen là dòng tối..................................... 131 Hình 4.29. Đặc trưng I-V của PMT với lớp hấp thụ CIGS lắng đọng ở -1,0 V, đường màu đỏ là dòng sáng và đường màu đen là dòng tối..................................... 132 ix
DANH MỤC CÁC BẢNG Nội dung Trang Bảng 2.1. Các giá trị đặc trưng đầu ra của chương trình mô phỏng một chiều AMPS-1D………………………………………………………………………. 41 Bảng 2.2. Giá trị các tham số đặt vào trên toàn bộ thiết bị……………………... 59 Bảng 2.3. Giá trị các tham số đặt vào từng lớp riêng biệt……………………… 60 Bảng 2.4. Kết quả mô phỏng các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của pin theo độ dày lớp hấp thụ CIGS…………………………………………………... 61 Bảng 2.5. Kết quả mô phỏng các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của pin theo độ độ rộng vùng cấm lớp hấp thụ CIGS…………………………………… 65 Bảng 2.6. Kết quả mô phỏng các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của pin khi thay đổi hệ số phản xạ mặt trước……………………………………………….. 69 Bảng 3.1. Thông số quá trình lắng đọng của các hệ mẫu AZO và CIGS………. 77 Bảng 3.2. Bảng các tính chất chuyển của hệ AZO-2…………………………… 88 Bảng 3.3. Bảng các tính chất chuyển của hệ CIGS-2…………………………... 95 Bảng 4.1. Thành phần cấu tạo của màng CGS được xác định bằng EDS……… 107 Bảng 4.2. Thành phần của màng CIGS................................................................ 121 Bảng 4.3. Thành phần của màng CIGS lắng đọng tại các thế -0,8V, -0,9V và -1,0 V được ủ ở 5500C trong khí Ar với thời gian 60 phút..................... 122 Bảng 4.4. Thành phần của màng CIGS (với nồng độ của các nguyên tố tương ứng: 20 mM CuCl2, 30 mM Ga(NO3)3, 20 mM InCl3 và 20 mM H2SeO3 ) lắng đọng tại các thế -0,8V, -0,9V và -1,0 V được ủ ở 5500C trong khí Ar với thời gian 60 phút............................................................... 123 Bảng 4.5. Bảng kí hiệu các pin chế tạo bởi lớp hấp thụ CIGS lắng đọng ở các thế khác nhau......................................................................................... 128 Bảng 4.6. Các thông số quang điện của PMT đơn giản dựa trên lớp hấp thụ CIGS lắng đọng ở các thế khác nhau: -0,8; -0,85; -0,9; -1,0V.............................. 132 x
MỞ ĐẦU Năng lượng "tái tạo" là mục tiêu hướng tới của các nhà khoa học trong nhiều thập niên gần đây khi nguồn năng lượng truyền thống như than, dầu mỏ và khí đốt ngày càng cạn kiệt. Thêm vào đó, sự biến đổi khí hậu toàn cầu ngày càng trở nên nghiêm trọng. Mà nguyên nhân chính của sự biến đổi khí hậu là do nhiên liệu hóa thạch bị đốt cháy thải vào khí quyển gây ra hiệu ứng nhà kính. Vấn đề càng trở nên thời sự sau thảm họa kép động đất và sóng thần tại Nhật Bản xảy ra vào ngày 11 tháng 3 năm 2011. Mà hậu quả nặng nề nhất mà thảm họa này để lại chính là việc khắc phục sự cố phóng xạ nguyên tử. Có thể thấy rằng vấn đề an ninh năng lượng đang hết sức nóng bỏng và là bài toán thách thức giới khoa học công nghệ trên toàn thế giới. Trước thực trạng như vậy, giải pháp tối ưu được các nhà nghiên cứu đưa ra chính là năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng bền vững và thân thiện với môi trường. Chính vì vậy, pin mặt trời (PMT) đã trở thành hướng nghiên cứu được ưu tiên hàng đầu của hầu hết các quốc gia trên thế giới. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhiều loại vật liệu khác nhau đã được thử nghiệm để chế tạo PMT. Từ những PMT truyền thống là những tinh thể thạch anh, cho đến PMT làm bằng vật liệu tổng hợp (hiệu suất 5,2%). Sau đó là sự ra đời của PMT là các silic tinh thể (hiệu suất 24,7% trong ph ng thí nghiệm và khoảng 10-15 % ở quy mô sản xuất công nghiệp). Tuy nhiên loại PMT silic có giá thành sản xuất khá cao. Vì vậy, việc nâng cao hiệu suất và hạ giá thành của PMT là một đề tài hấp dẫn, lôi cuốn nhiều nhà khoa học trên thế giới vào cuộc. Với 2 tiêu chí trên, PMT màng mỏng được đánh giá là có tiềm năng đóng góp quan trọng cho nhu cầu năng lượng toàn cầu ở thế kỷ 21 [32 .Trong số các pin màng mỏng, loại pin màng mỏng C S sử dụng các lớp vật liệu bán dẫn cực mỏng có độ dày c microm t với lớp hấp thụ là hợp chất bán dẫn Cu n1-xGaxSe2 (C S) 1