Luận văn thạc sĩ: Ảnh hưởng của chất tạo phức lên sự lắng đọng điện hóa màng mỏng Cu(InGa)Se2

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu hus ảnh hưởng của chất tạo phức lên sự lắng đọng bằng điện hóa màng mỏng cuingase2 luận văn ths vật, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Nguyễn Thanh Nghị
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hồng Quang
• Trường học: Trường đại học khoa học tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý nhiệt
• Đề tài: Ảnh hưởng của chất tạo phức lên sự lắng đọng bằng điện hóa màng mỏng Cu(InGa)Se2
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI
• 1.1. Quá trình phát triển của pin mặt trời (PMT)
• 1.2. Một số loại PMT
• 1.2.1. PMT silic
• 1.2.2. PMT hợp chất
• 1.2.3. PMT polyme
• 1.2.4. PMT màu
• 1.3. PMT CIGS (Cu-In-Ga-Se) và cấu tạo
• 1.3.1. Lớp đế và tiếp xúc đế
• 1.3.2. Lớp hấp thụ
• 1.3.2.1. Lớp đệm
• 1.3.3. Lớp dẫn điện trong suốt (TCO)
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO LỚP HẤP THỤ MÀNG MỎNG CIGS
• 2.1. Đồng bốc bay từ các nguồn nguyên tố
• 2.2. Selen hóa của lớp tiền chất kim loại
• 2.3. Bốc bay từ các nguồn hợp chất
• 2.4. Lắng đọng hơi hóa học
• 2.5. Các phương pháp pha lỏng nhiệt độ thấp
• 2.6. Các công nghệ tạo hạt
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA MỘT BƯỚC CHẾ TẠO MÀNG HẤP THỤ CIGS
• 3.1. Khái niệm điện hóa
• 3.2. Phương pháp lắng đọng điện hóa một bước
• 3.2.1. Các bước cơ bản của quá trình lắng đọng
• 3.2.2. Phương pháp cân bằng dòng khuếch tán của các ion thành phần tới catot
• 3.3. Phương pháp đồng lắng đọng cảm ứng
• 3.4. Ưu điểm của phương pháp lắng đọng điện hóa một bước
• 3.5. Mô hình hệ lắng đọng điện hóa một bước
• 3.6. Vai trò của chất tạo phức trong lắng đọng điện hóa một bước
• 3.6.1. Chất tạo phức
• 3.6.2. Vai trò của chất tạo phức trong lắng đọng màng CIGS
• 4. CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Ảnh hưởng của nồng độ chất tạo phức trong quá trình lắng đọng điện hóa lên màng mỏng CGS
• 4.1.1. Tiến hành thí nghiệm
• 4.1.2. Kết quả và thảo luận
• 4.1.2.1. Ảnh hưởng của axit sulfamic (H3SNO3) lên lắng đọng Cu-In-Ga-Se
• 4.1.2.2. Voltammogram của các đơn chất Cu, Ga, In và Se trong dung dịch axit sulfamic với nồng độ khác nhau
• 4.1.2.3. Voltammogram của hệ 2 nguyên Cu-Se
• 4.1.2.4. Voltammogram của hệ Cu-In-Ga-Se
• 4.1.2.5. Ảnh hưởng của axit H3SNO3 lên thành phần lắng đọng của màng CIGS không ủ nhiệt
• 4.1.2.6. Ảnh hưởng của axit H3SNO3 lên thành phần của màng CIGS sau khi ủ nhiệt
• 4.1.2.7. Kết quả nhiễu xạ tia X của các mẫu ủ nhiệt

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng của chất tạo phức lên lắng đọng điện hóa màng mỏng Cu InGa Se2

Màng mỏng Cu(InGa)Se2 (CIGS) đã trở thành một trong những vật liệu quan trọng trong lĩnh vực năng lượng mặt trời. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của chất tạo phức lên quá trình lắng đọng điện hóa của màng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn tối ưu hóa chi phí sản xuất. Chất tạo phức có khả năng điều chỉnh thế khử của các nguyên tố, từ đó nâng cao chất lượng màng lắng đọng. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào các chất tạo phức phổ biến như axit sulfamic, axit clohydric và axit citric, cùng với những ảnh hưởng của chúng đến quá trình lắng đọng.

1.1. Ảnh hưởng của chất tạo phức đến quá trình lắng đọng điện hóa

Chất tạo phức có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh thế khử của các nguyên tố trong dung dịch điện phân. Việc sử dụng các chất này giúp cải thiện khả năng lắng đọng của Cu, Ga và Se, từ đó tạo ra màng CIGS có chất lượng tốt hơn. Nghiên cứu cho thấy rằng nồng độ của chất tạo phức có thể ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần và cấu trúc của màng lắng đọng.

1.2. Tại sao chất tạo phức lại quan trọng trong lắng đọng màng CIGS

Chất tạo phức không chỉ giúp cải thiện hiệu suất lắng đọng mà còn giảm thiểu các vấn đề liên quan đến sự tái hợp của các hạt tải. Việc tối ưu hóa nồng độ chất tạo phức có thể dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong hiệu suất quang điện của màng CIGS. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo.

II. Vấn đề và thách thức trong lắng đọng điện hóa màng mỏng Cu InGa Se2

Mặc dù lắng đọng điện hóa là một phương pháp hứa hẹn, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong quá trình này. Các vấn đề như sự không đồng nhất trong thành phần màng, sự tái hợp của các hạt tải và độ ổn định của màng lắng đọng cần được giải quyết. Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng đọng là rất cần thiết để cải thiện chất lượng màng CIGS.

2.1. Những thách thức trong việc kiểm soát nồng độ chất tạo phức

Việc kiểm soát nồng độ chất tạo phức trong dung dịch điện phân là một thách thức lớn. Nồng độ không phù hợp có thể dẫn đến sự giảm hiệu suất lắng đọng và chất lượng màng. Nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định nồng độ tối ưu cho từng loại chất tạo phức.

2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình lắng đọng

Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình lắng đọng điện hóa. Nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ cao có thể làm tăng tốc độ lắng đọng nhưng cũng có thể dẫn đến sự hình thành các khiếm khuyết trong màng. Cần có các thí nghiệm để xác định nhiệt độ tối ưu cho từng loại chất tạo phức.

III. Phương pháp lắng đọng điện hóa một bước cho màng CIGS

Phương pháp lắng đọng điện hóa một bước là một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để chế tạo màng mỏng CIGS. Phương pháp này cho phép lắng đọng đồng thời các nguyên tố Cu, Ga và Se trong cùng một quá trình, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Tuy nhiên, việc lựa chọn chất tạo phức phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu.

3.1. Các bước cơ bản trong phương pháp lắng đọng điện hóa

Quá trình lắng đọng điện hóa một bước bao gồm các bước như chuẩn bị dung dịch điện phân, điều chỉnh nồng độ chất tạo phức và thực hiện quá trình lắng đọng. Mỗi bước đều cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng màng lắng đọng.

3.2. Lợi ích của phương pháp lắng đọng điện hóa một bước

Phương pháp này không chỉ đơn giản hóa quy trình sản xuất mà còn giúp giảm thiểu chi phí. Việc lắng đọng đồng thời các nguyên tố cũng giúp cải thiện tính đồng nhất của màng, từ đó nâng cao hiệu suất quang điện.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu về màng CIGS

Nghiên cứu về ảnh hưởng của chất tạo phức lên lắng đọng điện hóa màng mỏng CIGS đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Các thí nghiệm cho thấy rằng việc tối ưu hóa nồng độ chất tạo phức có thể dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong hiệu suất quang điện của màng. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng năng lượng mặt trời hiệu quả hơn.

4.1. Kết quả thí nghiệm về ảnh hưởng của chất tạo phức

Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng nồng độ chất tạo phức tối ưu có thể cải thiện đáng kể hiệu suất lắng đọng. Ví dụ, việc sử dụng axit sulfamic với nồng độ phù hợp đã dẫn đến sự gia tăng hiệu suất quang điện lên đến 15%.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất pin mặt trời

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong sản xuất pin mặt trời CIGS, giúp cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Điều này có thể thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu về màng CIGS

Nghiên cứu về ảnh hưởng của chất tạo phức lên lắng đọng điện hóa màng mỏng CIGS đã mở ra nhiều hướng đi mới cho ngành năng lượng mặt trời. Việc tối ưu hóa nồng độ chất tạo phức không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn trong việc phát triển năng lượng tái tạo.

5.1. Tương lai của nghiên cứu về chất tạo phức

Nghiên cứu về chất tạo phức sẽ tiếp tục được mở rộng để tìm ra các chất mới có khả năng cải thiện hiệu suất lắng đọng. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng màng CIGS và mở rộng ứng dụng của chúng trong ngành năng lượng mặt trời.

5.2. Hướng đi mới cho ngành năng lượng tái tạo

Với những kết quả đạt được, ngành năng lượng tái tạo tại Việt Nam có thể phát triển mạnh mẽ hơn. Việc áp dụng các công nghệ mới trong sản xuất pin mặt trời sẽ giúp giảm chi phí và nâng cao hiệu suất, từ đó thúc đẩy sự chuyển mình của ngành công nghiệp này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về pin mặt trời CIGS Chương 2: các phương pháp chế tạo màng mỏng CIGS. Chương 3: phương pháp lắng đọng điện hóa. Chương 4: quá trình thực nghiệm, kết quả và thảo luận. Nguyễn Thanh Nghị 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 1.1 Quá trình phát triển của pin mặt trời (PMT)[1] Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diod bán dẫn p-n, khi hấp thụ ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được.

Hiện tượng chất bán dẫn chuyển quang năng thành điện năng gọi là hiệu ứng quang điện. Hiệu ứng quang điện được phát hiện năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel. Năm 1883, Charles Fritts đã tạo ra một pin năng lượng bằng cách phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối, thiết bị này chỉ có hiệu suất 1%. Đến năm 1946, Russell Ohl được xem là người đã tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên.

PMT lần đầu tiên được ứng dụng là trên vệ tinh Vangaurd 1 của Mĩ, được phóng năm 1958. Kể từ đó PMT đã được cải tiến nhiều nhưng chỉ sử dụng ở những vùng mà giá thành điện đưa tới đắt hơn nhiều. Những năm 1973 khi khủng hoảng dầu mỏ xảy ra khiến giá dầu thế giới tăng lên đột ngột, PMT mới đóng vai trò đáng kể, mặc dù cũng có nhiều nguồn năng lượng khác thay thế như gió, nước, … Ngày nay PMT được sản xuất trên toàn thế giới đặt biệt là ở các nước tiên tiến như Mĩ, Đức, Tây Ban Nha… Pin mặt trời gồm 4 loại : Pin mặt trời silicon,Pin mặt trờihợp chất.Pin mặt trờipolymer,Pin mặt trờimàu. Sơ đồ phân loại PMT.

Nguyễn Thanh Nghị 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp 1.2 Một số loại PMT 1.1 PMT silic a) Silic đơn tinh thể Silic đơn tinh thể module được sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất từ 11% đến 16%. Chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình trụ, các tấm đơn tinh thể này có các mặt trống ở góc nối các module. b) Silic đa tinh thể Silic đa tinh thể làm từ các thỏi đúc - đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm rắn.

Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể nhưng cho hiệu suất kém hơn (từ 8-11%). Tuy nhiên, chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó. c) Dải silic (silic vô định hình) Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể. Loại này thường có hiệu suất thấp nhất trong các loại PMT silicon (từ 3-6%).Tuy nhiên, loại này rẻ nhất trong các loại pin silic vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.

Các loại cấu trúc tinh thể của PMT. PMT hợp chất a) Hợp chất Gali Arsen (GaAs) GaAs là một màng mỏng đơn tinh thể ứng dụng trong PMT có hiệu suất cao. Tuy nhiên, GaAs có giá thành cao. Năm 1970, PMT cấu trúc dị thể GaAs đầu tiên được chế tạo bởi nhóm của Zhores Alferov ở Liên Xô.

Trong những năm 1980, hiệu suất của PMT GaAs tốt nhất vượt trội so với PMT silic, và vào thập niên 1990 PMT GaAs vượt qua PMT silic và là loại pin được sử dụng phổ biến nhất cho các mảng quang điện Nguyễn Thanh Nghị 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp trong các ứng dụng vệ tinh. Sau đó, PMT chuyển tiếp hai và ba thành phần dựa trên GaAs và các lớp Germani và Indi Gali Photphua được phát triển như chuẩn của một PMT chuyển tiếp ba thành phần đã giữ hiệu suất trên 32 % và có thể hoạt động với ánh sáng hội tụ. Tuy nhiên, GaAs khá độc hại do As có tính độc cao và gây ung thư. b) CuInSe2 (CIS) Đồng indi diselenide (CIS) đã và đang được giới thiệu ra thị trường, với các môđun nguyên mẫu đạt hiệu quả lớn hơn 11%.

CIS cũng đã đạt được các thành công trong phòng thí nghiệm, với hiệu quả pin lên đến 19,2 % ở NREL. Nghiên cứu CIS tập trung vào một số những thách thức hiện nay: - Nâng cao hiệu suất PMT bằng cách tối ưu hóa các phương pháp chế tạo hình thành lớp chuyển tiếp, nghiên cứu chế tạo lớp hấp thụ có khả năng hấp thụ tối đa phần năng lượng cao của phổ năng lượng mặt trời. - Giảm chi phí và tạo điều kiện chuyển đổi sang một giai đoạn thương mại bằng cách tăng sản lượng của modun CIS. - Giảm sự phức tạp và giá thành sản xuất, cải thiện modun.

c) CdTe CdTe là một chất bán dẫn tuyệt vời cho các PMT vì độ rộng vùng cấm của nó là 1,44 eV gần như phù hợp hoàn toàn với quang phổ Mặt trời. Cấu trúc thiết bị cũng bao gồm một lớp rất mỏng của cadmium sulfide, cho phép hầu hết ánh sáng mặt trời đi xuyên qua lớp CdTe. Những đặc tính này làm cho CdTe hứa hẹn khả năng nâng cao hiệu suất mođun và có giá thành sản xuất thấp. Hiện nay NREL đang giữ hiệu suất chuyển đổi kỉ lục thế giới cho CdTe là 16,5 %.

Tuy nhiên, nhược điểm lớn của CdTe đó là CdTe rất độc hại khi nuốt vào hay hít phải bụi của nó hoặc nếu nó được xử lý không đúng cách.3 PMT polyme PMT polyme là một loại PMT linh hoạt. Nó có thể có nhiều dạng bao gồm: PMT hữu cơ hoặc PMT quang hóa hữu cơ sản xuất điện từ ánh sáng Mặt trời bằng cách sử dụng polyme. Công nghệ này tương đối mới, đang được tích cực nghiên cứu bởi các trường Đại học, phòng thí nghiệm quốc gia và một số công ty trên thế giới. Nguyễn Thanh Nghị 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp 1.

PMT màu PMT màu là một loại PMT mang mỏng tương đối mới và có giá thành rẻ. Pin này được phát minh bởi Michael Gratzel và Brian O'Regan tại Bang Ecole Polytechnique de Lausanne vào năm 1991. Vì vậy, nó còn được biết đến với tên gọi: pin Gratzel. Loại pin này rất hứa hẹn bởi vì nó được làm bằng vật liệu chi phí thấp và không cần xây dựng bộ máy dây chuyền để sản xuất.

Nó có thể được thiết kế thành các tấm dẻo hoặc cứng. Nên không cần bảo vệ từ những biến cố nhỏ như mưa đá hoặc sét đánh.3 PMT CIGS (Cu-In-Ga-Se) và cấu tạo PMT CIGS (Cu-In-Ga-Se) được cấu tạo từ nhiều lớp: Hình 1. Mô hình cấu tạo PMT. Lớp đế và tiếp xúc đế - Lớp đế: thường là thủy tinh, lá kim loại hay chất dẻo.

- Lớp tiếp xúc đế: thường là Mo. Lớp hấp thụ So với PMT thế hệ Si, CIGS với khe vùng cấm thẳng làm gia tăng hệ số hấp thụ, từ đó tối ưu hóa được chất lượng cũng như thiết kế pin sau này, do hệ số truyền qua phụ thuộc vào tỉ lệ Ga/(Ga+In), từ đó có thể điều chỉnh thành phần Ga để thu được pin mong muốn. Nguyễn Thanh Nghị 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp 1. Lớp đệm Vật liệu thường được sử dụng là CdS bằng phương pháp lắng đọng bể hóa học (CBD), tuy nhiên CdS lại rất độc hại nên rất hạn chế trong sử dụng.

Hiện tại, người ta cũng tìm ra một số hợp chất thay thế và chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau. In(OH)xSy, ZnSe, ZnS bằng phương pháp CBD. ZnS, ZnSe bằng phương pháp bốc bay. Lớp dẫn điện trong suốt (TCO) Hai TCO thường được sử dụng là ZnO/Al và In2O3/Sn (ITO).

Mặt trên của pin là lớp dẫn điện trong suốt, với khe vùng E g> 3,3 beV. Có thể sử dụng khá nhiều vật liệu loại n hoặc loại p, ở dạng đơn chất hay hợp chất nhiều thành phần như: Loại n: Các oxit: ZnO, CdO, SnO2, In2O3, (CdSnO4). Pha tạp: ZnO:B, Al, In, Ga; SnO2:F (FTO). Đa hợp chất: In2O3-SnO2 (ITO)… Loại p: ZnO:N, ZnO:N, Ga; CuGaO2, CuInO2, SrCu2O2.

CIGS là thế hệ pin màng mỏng có nhiều đặc trưng vượt trội so với các thế hệ PMT trước đây: khe vùng thẳng, hệ số hấp thụ cao, năng lượng hấp thụ phù hợp với phổ năng lượng mặt trời, hiệu suất hấp thụ cao và có nhiều phương pháp chế tạo. Nguyễn Thanh Nghị 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp Chƣơng 2 - CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO LỚP HẤP THỤ MÀNG MỎNG CIGS. Cấu trúc của PMT CIGS có nhiều lớp khác nhau nhưng lớp hấ p thụ Cu (In,Ga)Se2 (CIGS) là lớp quan trọng nhất quyết định hiệu suất hoạt động của pin. Mặc dù, có nhiều phương pháp chế tạo màng CIS và CIGS, nhưng cho đến nay chỉ có một vài kỹ thuật cho kết quả PMT hiệu suất cao (trên 15%).

Các màng hấp thụ cho PMT hiệu suất cao thường được chế tạo bởi phương pháp đồng bốc bay từ nguồn nguyên tố hay bởi phản ứng ủ của các màng tiền chất (lớp nguyên tố hay hợp chất) trong môi trường khí chứa Se. Sau đây chúng ta cùng tìm hiểu một số phương pháp chế tạo lớp hấp thụ màng mỏng CIGS. Đồng bốc bay từ các nguồn nguyên tố.4: Hệ đồng bốc bay chế tạo CIGS. Có thể nói phương pháp chế tạo lớp hấp thụ thành công nhất cho các pin nhỏ hiệu suất cao là đồng bốc bay 3 bước từ các nguồn nguyên tố trong hơi Se dư thừa.

Việc lắng đọng thường được thực hiện dưới các điều kiện chân không siêu cao sử dụng hệ epitaxi chùm phân tử (MBE). Quá trình 3 bước được phát minh ở Phòng thí nghiệm năng lực tái tạo Quốc gia Mĩ (NREL) dựa trên quá trình hai lớp. Quá trinh này bao gồm: đồng bốc bay của lớp CIGS giàu đồng ở nhiệt độ đế thấp hơn (450 oC), sau đó là lớp giàu In ở nhiệt độ cao hơn (550oC). Các lớp trộn lẫn vào nhau, tạo thành màng đồng nhất với thành phần thiếu lượng nhỏ Cu.

Quá trình ba bước bao gồm đầu tiên là Nguyễn Thanh Nghị 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn tốt nghiệp tạo lớp (In,Ga)Se3 ở nhiệt độ đế thấp (khoảng 300-350oC) và sau đó đồng bốc bay của Cu và Se ở nhiệt độ cao (500-560oC) để tạo ra CIGS giàu đồng. Sau khi bổ sung một lượng (In,Ga)Se3 ta sẽ thu được thành phần màng cuối cùng thiếu một lượng nhỏ Cu. Việc xử lí hơi Se được thực hiện trong quá trình làm lạnh. Tỷ lệ Ga/(Ga+In) thường biến thiên như một hàm của độ dày.