MỞ ĐẦU 1 – Lí do chọn đề tài Vấn đề năng lượng đã và đang trở thành đề tài không phải của riêng một quốc gia nào mà là mối quan tâm của toàn thế giới. Bên cạnh việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch ngày một cạn kiệt thì vấn đề an ninh năng lượng và biến đổi khí hậu đang hết sức nóng bỏng và là bài toán thách thức giới khoa học công nghệ trên toàn thế giới. Vì vậy, nghiên cứu chế tạo và ứng dụng pin mặt trời (PMT) hiện đang là một trong những hướng nghiên cứu trọng điểm được ưu tiên hàng đầu của hầu hết các quốc gia trên toàn thế giới, trong đó có Việt Nam. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhiều loại vật liệu khác nhau đã được thử nghiệm cho PMT.
Hiện nay, loại PMT thương mại nhất được sử dụng cho những ứng dụng trên mặt đất là “PMT tấm Si”. Thế hệ PMT này chiếm một phần đáng kể trên thị trường PMT thế giới (chiếm hơn 80% và hiệu suất chuyển đổi năng lượng lên đến gần 25%). Thế hệ thứ hai và có triển vọng nhất hiện nay là PMT màng mỏng. Thị trường của loại PMT màng mỏng dự kiến sẽ tăng đáng kể trong những năm sắp tới.
Công nghệ màng mỏng đã làm cho PMT loại này trở nên hấp dẫn hơn khi chúng có thể ứng dụng trong ngành công nghệ điện tử và không gian vũ trụ. Nhìn chung, hiệu suất chuyển đổi của loại pin này thấp hơn của PMT tinh thể Silicon, tuy nhiên một số loại có hiệu suất cao hơn như GaAs (27,6%). Nhiều nghiên cứu gần đây cũng đang hướng vào thế hệ PMT thứ ba, sử dụng nhiều loại vật liệu mới như: lớp hấp thụ là các chất nhạy sáng phủ lên vật liệu TiO2 có cấu trúc nano (hiệu suất chuyển đổi khoảng 11- 12%); các tế bào quang điện hữu cơ (hiệu suất chuyển đổi ~ 6-7%) hay PMT dựa trên cơ sở hấp thụ CuInS2 có thể đạt hiệu suất chuyển đổi quang điện rất e 2 cao (~ 30%) Ưu điểm chính của PMT màng mỏng là độ dày của chúng chỉ bằng một phần rất nhỏ so với các loại PMT khác. Chính kích thước màng mỏng là yếu tố hấp dẫn làm giảm chi phí sản xuất, giảm tạp chất và các sai hỏng tinh thể của lớp, đồng thời dễ dàng hơn trong việc sản xuất hàng loạt.
Hiệu suất chuyển đổi của pin được quyết định bởi chất lượng của lớp hấp thụ Có thể thấy, việc nghiên cứu công nghệ màng mỏng và ứng dụng pin mặt trời màng mỏng đã và đang là một vấn đề thu hút sự quan tâm đặc biệt lớn trên thế giới và ở Việt Nam. Đây là vấn đề thời sự và bức thiết nhằm góp phần giải quyết bài toán an ninh năng lượng, đặc biệt là hướng nghiên cứu pin mặt trời màng mỏng hiệu suất cao và thân thiện với môi trường sử dụng công nghệ lắng đọng không chân không. Đây cũng là cơ sở để chúng tôi lựa chọn nội dung nghiên cứu của bản Luận án này. Đề tài luận văn : “Mô hình hóa và tối ưu hóa pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo ITO/nano ZnO/CdS/CZTS/Me” 2 - Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về pin mặt trời màng mỏng CZTS (Cu2ZnSnS4) sử dụng lớp cửa sổ thanh nano ZnO.
- Tổng quan về phương pháp mô hình hóa và mô phỏng số. - Xây dựng mô hình mô phỏng và tối ưu hóa cấu trúc pin mặt trời ITO/nanoZnO/CdS/CZTS/Me. - Nghiên cứu tính chất điện của pin mặt trời màng mỏng. 3 - Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Pin mặt trời màng mỏng trên cơ sở lớp hấp thụ cực mỏngCZTSvà lớp cửa sổ thanh nano ZnO.
e 3 - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu mô phỏng pin mặt trời màng mỏng ITO/nano ZnO/CdS/CZTS/Mebằng phần mềm SCAPS-1D. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc, các thông số công nghệ (chiều dày, nồng độ pha tạp, hiệu ứng lớp nano ZnO) của lớp hấp thụ và lớp cửa sổ đến các tính chất điện của pin mặt trời. 4 - Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của Luận văn là phương pháp mô phỏng bằng phần mềm SCAPS-1D kết hợp với đoán nhận từlý thuyết để lựa chọn thông số thiết kế PMT tối ưu. Các kết quả mô phỏng sẽ là cơ sở cho việc lựa chọn cấu trúc và định hướng cho quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời màng mỏng CZTS sử dụng lớp cửa sổ thanh nano ZnO.
5 - Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn Ý nghĩa khoa học 1) Nghiên cứu tổng quan về pin mặt trời màng mỏng, phương pháp mô hình hóa và mô phỏng số. 2) Thiết kế được pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo:ITO/ nano ZnO/ CdS/CZTS/Mebằng phần mềm SCAPS-1D và khảo sát tính chất điện của pin mặt trời. Ý nghĩa thực tiễn Xác định các thông số công nghệ tối ưu bằng phần mềm mô phỏng SCAPS-1D cho pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảoITO/ nano ZnO/ CdS/CZTS/Me. Các kết quả nghiên cứu của luận văn là tài liệu tham khảo tốt cho thực nghiệm chế tạo thử nghiệm, phát triển và ứng dụngcho chế tạo pin mặt trời sử dụng lớp hấp thụ rất mỏng CZTS.
e 4 Đây là kết quả khoa học rất có ý nghĩa thực tiễn. Kết quả nghiên cứu này cho thấy khả năng sử dụng phương pháp mô phỏng SCAPS-1D như một phương pháp thiết kế hữu hiệu để hỗ trợ cho thực nghiệm chế tạo các pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo có hiệu suất cao, thân thiện với môi trường và giá thành thấp. TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN PIN MẶT TRỜI Tấm pin năng lượng mặt trời được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1883 bởi Charle Fritts với hiệu suất ban đầu chỉ đạt được 1%.
Nhưng trước đó người khám phá ra hiệu ứng quang điện là nhà vật lý người pháp Alexandre Edmond Becquerel vào năm 1839. Ông nhận ra rằng năng lượng mặt trời có thể tạo ra một hiệu ứng quang điện (quang = ánh sáng, điện = điện thế). Trong những năm 1880, các tế bào quang điện selen (PV) được phát triển có thể chuyển ánh sáng thành điện năng với hiệu suất 1-2% hiệu suất của pin mặt trời là tỷ lệ ánh sáng mặt trời có sẵn được chuyển đổi bởi tế bào quang điện thành điện, nhưng sự biến đổi xảy ra chưa được chứng minh. Do đó, năng lượng quang điện vẫn là câu hỏi trong nhiều năm, vì nó không hiệu quả khi biến ánh sáng mặt trời thành điện.
Tiếp sau đó mãi cho đến khi Albert Einstein đề xuất một lời giải thích cho “hiệu ứng quang điện” vào đầu những năm 1900, sau đó ông đã giành được giải Nobel [1]. Công nghệ năng lượng mặt trời tiến tới gần như thiết kế hiện tại của nó vào năm 1908 khi William J. Bailey của Công ty thép Carnegie đã phát minh ra với một hộp cách nhiệt và thanh selen. Để kiểm chứng lại nguyên nhân ông đã đặt thanh selen vào bên trong chiếc hộp có nắp trượt.
Khi nắp được đóng kín và không có ánh sáng lọt vào, thanh selen có điện trở cực đại và thực hiện đúng nhiệm vụ ngăn cản dòng điện. Nhưng khi chiếc nắp được trượt ra để ánh sáng lọt vào, dòng điện chạy qua ngày càng được tăng cường và tăng theo cường độ ánh sáng chiếu vào. Khi đó ông đã đăng tải phát hiện của mình trên tạp chí Nature với nội dung “Tác động của ánh sáng lên selen thông qua quá trình truyền tải dòng điện [2]”. Bài báo cáo đã gây nên sự chú ý đối e 6 với nhiều nhà khoa học trên khắp Châu Âu thời bấy giờ.
Với nghiên cứu của mình ông được công nhận là người đầu tiên khám phá ra chất quang điện của nguyên tố selen. Khám phá này đã tạo tiền đề cho việc chế tạo ra pin mặt trời sau này. Vào giữa những năm 1950 pin quang năng đã đạt được hiệu suất 4%, và hiệu suất sau đó nâng lên 11%, với các tế bào silicon (nguyên liệu phổ biến thứ hai trên trái đất). “Sức mạnh được tạo ra khi ánh sáng mặt trời chiếu vào vật liệu bán dẫn và tạo ra dòng điện.” Từ đó trở đi, sự quan tâm đến năng lượng mặt trời được chú trọng.
Vào cuối những năm 1950 và 1960, chương trình không gian của NASA đã đóng một vai trò tích cực trong sự phát triển của quang điện. “Các tế bào là nguồn năng lượng điện hoàn hảo cho vệ tinh vì chúng rất chắc chắn, nhẹ và có thể đáp ứng các yêu cầu công suất thấp đáng tin cậy. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI Pin mặt trời hoạt động dựa vào hiệu ứng quang điện trong. Khi ánh sáng chiếu tới chỗ tiếp xúc p-n, các photon ánh sáng cung cấp năng lượng cho chỗ tiếp xúc để tạo ra electron và lỗ trống có thể di chuyển tự do.
Nhưng vì trường điện từ tại tiếp diện p-n nên chúng chỉ đi theo một hướng, electron bị hút về bán dẫn loại n và lỗ trống bị hút về bán dẫn loại p, được góp về các điện cực đối diện và tạo ra một suất điện động quang điện. Điện được tạo ra từ tấm pin năng lượng mặt trời là điện một chiều (DC). Để có thể sử dụng cho các tải, thiết bị bình thường thì cần phải chuyển điện DC thành AC (điện xoay chiều). Và đó là chức năng của inverter.
PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG 1. Giới thiệu chung Pin mặt trời màng mỏng là loại pin mặt trời thế hệ thứ hai được tạo ra e 7 bằng cách lắng đọng một lớp hoặc nhiều lớp màng mỏng (TF) của vật liệu quang điện trên một lớp đế, chẳng hạn như thủy tinh, nhựa, kim loại. Pin mặt trời màng mỏng được sử dụng thương mại trong một số công nghệ bao gồm Cadmium Telluride (CdTe), đồng Indium Gallium diselenide (CIGS) và silicon màng mỏng vô định hình (a-Si, TF-Si). Độ dày của màng mỏng thay đổi từ vài nm đến và m , mỏng hơn rất nhiều so với pin mặt trời silicon tinh thể thế hệ đầu tiên, sử dụng tấm màng dày đên 200 m.
Điều này cho phép các tế bào màng mỏng hoạt động linh hoạt và nhẹ hơn. Công nghệ màn mỏng rẻ hơn nhưng lại kém hiệu quả hơn so với công nghệ Silicon. Tuy nhiên, không phải hiệu quả thấp hơn so với chi phí bỏ ra, mà là để có một hiệu suất tương đương với pin tinh thể thì chúng đòi hỏi nhiều không gian hơn. Chúng là những tấm rẻ bởi chi phí vật liệu rất thấp.
Tùy thuộc vào công nghệ, các nguyên mẫu pin màng mỏng đã được hiệu quả khoảng 7 – 13%. Trong tương lai, dự kiến sẽ tăng lên khoảng 10 – 16%.