Nghiên Cứu Và Thiết Kế Pin Mặt Trời Màng Mỏng Với Lớp Hấp Thụ Cu2ZnSnSxSe1-x4

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu và thiết kế pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp hấp thụ Cu2ZnSnSxSe1-x4, ứng dụng công nghệ tiên tiến trong năng lượng tái tạo.

• Tác giả: Ngô Thanh Tú
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thanh Thái
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lí chất rắn
• Đề tài: Nghiên cứu mô hình và thiết kế pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp hấp thụ Cu2ZnSn(SxSe1-x)4
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI
• 2.1. Năng lượng mặt trời - năng lượng của tương lai
• 2.2. Hiệu ứng quang điện - pin mặt trời
• 2.2.1. Hiệu ứng quang điện
• 2.2.2. Lịch sử phát triển pin mặt trời
• 2.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời
• 2.3.1. Đặc trưng I-V
• 2.3.2. Các thông số đặc trưng
• 2.4. Pin mặt trời màng mỏng
• 2.4.1. Giới thiệu chung
• 2.4.2. Cấu tạo và chức năng của các lớp
• 2.4.3. Vật liệu CZTSSe
• 2.4.4. Tiềm năng phát triển của PMT CZTSSe
• 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 3. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
• 3.1. Cơ sở phương pháp mô phỏng số
• 3.2. Phần mềm mô phỏng PMT
• 3.3. Mô hình một chiều PMT
• 3.4. Tổn hao trong pin mặt trời
• 3.5. Cơ chế phát sinh và tái hợp
• 3.6. Tham số đầu vào sử dụng mô phỏng SCAPS-1D (PC-1D)
• 3.7. Phân tích các tham số cơ sở
• 3.8. Phân tích các tính chất chung của PMT
• 3.9. Phân tích các đặc trưng của các lớp vật liệu
• 3.10. Phân tích các trạng thái khuyết tật
• 4. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Cấu trúc pin mặt trời
• 4.2. Thông số đầu vào mô phỏng
• 4.3. Hệ số hấp thụ
• 4.4. Thông số vật liệu
• 4.5. Mô phỏng pin mặt trời CZTSSe
• 4.5.1. Ảnh hưởng hợp phần S/(S+Se) của lớp hấp thụ CZTSSe
• 4.5.2. Ảnh hưởng của chiều dày các lớp chức năng
• 4.5.3. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp các lớp chức năng
• 4.5.4. Ảnh hưởng của nồng độ khuyết tật khối Nt của lớp hấp thụ CZTSSe
• 4.6. Đánh giá hiệu năng và lựa chọn thông số tối ưu pin CZTSSe
• 4.7. Thiết kế pin mặt trời CZTSSe cấu trúc đảo
• 4.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc đến hiệu năng của pin mặt trời CZTSSe
• KẾT LUẬN
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu và bối cảnh nghiên cứu

Luận văn tập trung vào nghiên cứu và thiết kế pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp hấp thụ Cu2ZnSn(SxSe1-x)4 (CZTSSe). Đây là một hướng nghiên cứu tiềm năng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Với sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và biến đổi khí hậu toàn cầu, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế trở nên cấp thiết. Pin mặt trời màng mỏng với vật liệu CZTSSe được xem là một giải pháp hiệu quả nhờ khả năng hấp thụ ánh sáng tốt và chi phí sản xuất thấp hơn so với pin mặt trời truyền thống.

1.1. Lý do chọn đề tài

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm giải quyết hai thách thức lớn: sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và biến đổi khí hậu. Pin mặt trời màng mỏng sử dụng vật liệu CZTSSe có tiềm năng lớn trong việc thay thế các nguồn năng lượng truyền thống. Vật liệu này có độ hấp thụ ánh sáng cao hơn so với silic, giúp giảm chiều dày lớp hấp thụ từ 200 µm xuống còn 2 µm, từ đó giảm chi phí sản xuất.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu mô hình và thiết kế pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp hấp thụ CZTSSe. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số thiết kế để nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện, đồng thời giảm giá thành sản xuất.

II. Tổng quan về pin mặt trời màng mỏng

Luận văn cung cấp cái nhìn tổng quan về pin mặt trời màng mỏng, từ lịch sử phát triển đến các đặc tính làm việc. Pin mặt trời màng mỏng được chia thành nhiều thế hệ, trong đó thế hệ II và III sử dụng vật liệu như CIGS, CdTe, và CZTSSe được đánh giá cao nhờ hiệu suất và chi phí sản xuất thấp. CZTSSe là vật liệu hứa hẹn với khả năng hấp thụ ánh sáng tốt và độ bền cao.

2.1. Lịch sử phát triển

Pin mặt trời màng mỏng đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ pin mặt trời thế hệ I sử dụng silic đơn tinh thể đến thế hệ II và III sử dụng các vật liệu màng mỏng như CIGS và CZTSSe. Sự ra đời của CZTSSe đã mở ra hướng nghiên cứu mới nhờ tính chất quang học và điện tử vượt trội.

2.2. Đặc tính làm việc

Đặc tính làm việc của pin mặt trời màng mỏng được đánh giá qua các thông số như điện áp hở mạch, mật độ dòng ngắn mạch, hệ số lấp đầy và hiệu suất chuyển đổi quang điện. CZTSSe có khả năng tạo ra điện áp hở mạch cao và mật độ dòng ngắn mạch lớn, giúp nâng cao hiệu suất tổng thể.

III. Phương pháp mô phỏng và thiết kế

Luận văn sử dụng phần mềm SCAPS-1D để mô phỏng và thiết kế pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp hấp thụ CZTSSe. Phương pháp mô phỏng số giúp tối ưu hóa các thông số thiết kế như chiều dày lớp hấp thụ, nồng độ pha tạp và tỷ lệ S/(S+Se). Kết quả mô phỏng là cơ sở để định hướng quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời.

3.1. Cơ sở phương pháp mô phỏng

Phần mềm SCAPS-1D được sử dụng để mô phỏng các đặc tính quang điện của pin mặt trời màng mỏng. Phương pháp này dựa trên việc thiết lập các thông số đầu vào như chiều dày lớp, nồng độ pha tạp và tỷ lệ S/(S+Se) để dự đoán hiệu suất của pin.

3.2. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy, tỷ lệ S/(S+Se) ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của pin. Khi tỷ lệ S tăng, điện áp hở mạch và hiệu suất chuyển đổi quang điện tăng lên. Chiều dày lớp hấp thụ CZTSSe cũng là yếu tố quan trọng, với giá trị tối ưu khoảng 2 µm.

IV. Kết quả và thảo luận

Luận văn trình bày các kết quả mô phỏng và thảo luận về ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến hiệu suất của pin mặt trời màng mỏng. Các yếu tố như tỷ lệ S/(S+Se), chiều dày lớp hấp thụ và nồng độ pha tạp được phân tích chi tiết. Kết quả cho thấy, CZTSSe là vật liệu tiềm năng để sản xuất pin mặt trời hiệu suất cao và giá thành thấp.

4.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ S S Se

Tỷ lệ S/(S+Se) ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của pin. Khi tỷ lệ S tăng, điện áp hở mạch và hiệu suất chuyển đổi quang điện tăng lên. Tuy nhiên, tỷ lệ S quá cao có thể làm giảm mật độ dòng ngắn mạch.

4.2. Ảnh hưởng của chiều dày lớp hấp thụ

Chiều dày lớp hấp thụ CZTSSe tối ưu được xác định khoảng 2 µm. Chiều dày này đảm bảo khả năng hấp thụ ánh sáng tốt mà không làm tăng chi phí sản xuất.

V. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Luận văn kết luận rằng pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp hấp thụ CZTSSe có tiềm năng lớn trong việc thay thế các nguồn năng lượng truyền thống. Kết quả mô phỏng cho thấy, việc tối ưu hóa các thông số thiết kế có thể nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện và giảm giá thành sản xuất. Nghiên cứu này là cơ sở quan trọng cho việc phát triển công nghệ pin mặt trời tại Việt Nam.

5.1. Giá trị nghiên cứu

Nghiên cứu đóng góp vào việc phát triển công nghệ pin mặt trời màng mỏng tại Việt Nam, giúp giảm phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch và hướng tới phát triển bền vững.

5.2. Ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong việc sản xuất pin mặt trời màng mỏng với hiệu suất cao và giá thành thấp, góp phần thúc đẩy ngành năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời đang trở thành nguồn năng lượng tái tạo quan trọng trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường như hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu toàn cầu. Theo số liệu năm 2017, năng lượng tái tạo chỉ chiếm khoảng 3,6% tổng sản lượng tiêu thụ năng lượng toàn cầu, trong đó năng lượng mặt trời đóng vai trò ngày càng tăng. Tại Việt Nam, tính đến tháng 6 năm 2020, đã có hơn 31.100 hệ thống điện mặt trời mái nhà với tổng công suất đặt hơn 640 MWp, sản lượng phát lên lưới đạt hơn 145 triệu kWh, góp phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nhà máy điện mặt trời Fujiwara tại Bình Định với công suất 50 MW cũng là minh chứng cho sự phát triển năng lượng mặt trời trong nước.

Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi quang điện của các tấm pin mặt trời thương mại hiện nay chủ yếu dựa trên vật liệu silic với hiệu suất từ 17% đến 20%, còn pin mặt trời màng mỏng có hiệu suất thấp hơn, khoảng 7-12%. Trong đó, vật liệu Cu2ZnSn(SxSe1-x)4 (CZTSSe) được đánh giá là một trong những vật liệu bán dẫn vùng cấm thẳng tiềm năng, có thể thay thế silic với ưu điểm là chi phí thấp, thân thiện môi trường và hệ số hấp thụ cao (~10^5 cm^-1). Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình vật lý và thiết kế tối ưu pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp hấp thụ CZTSSe, nhằm nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện và giảm chi phí sản xuất. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cấu trúc pin mặt trời màng mỏng glass/TCO/CdS(ZnS/CdS)/CZTSSe/Me, mô phỏng bằng phần mềm SCAPS-1D trong điều kiện phổ chiếu sáng AM1.5G tiêu chuẩn.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ pin mặt trời màng mỏng tại Việt Nam, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo, giảm phát thải khí nhà kính và hướng tới nền kinh tế xanh bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình vật lý cơ bản của pin mặt trời màng mỏng, bao gồm:

• Hiệu ứng quang điện: Quá trình photon ánh sáng kích thích tạo ra cặp điện tử - lỗ trống trong vật liệu bán dẫn, là cơ sở cho hoạt động của pin mặt trời.
• Mô hình diode một chiều: Mô hình tương đương điện của pin mặt trời bao gồm diode, điện trở nối tiếp (Rs) và điện trở song song (Rsh), mô tả đặc tính dòng điện - điện áp (I-V) của pin.
• Cơ chế phát sinh và tái hợp hạt tải: Phân tích các quá trình phát sinh điện tử và lỗ trống, cũng như các cơ chế tái hợp làm giảm hiệu suất pin.
• Mô hình vật lý và mô phỏng SCAPS-1D: Phần mềm SCAPS-1D được sử dụng để mô phỏng các đặc tính quang điện của pin mặt trời màng mỏng CZTSSe, bao gồm điện áp hở mạch (VOC), mật độ dòng ngắn mạch (JSC), hệ số lấp đầy (FF), hiệu suất chuyển đổi quang điện (η) và hiệu suất lượng tử (QE).

Các khái niệm chính bao gồm: vùng cấm năng lượng, hiệu suất chuyển đổi quang điện, đặc tính I-V, các lớp chức năng của pin mặt trời (lớp hấp thụ, lớp cửa sổ, lớp đệm), và các tham số vật liệu như độ dày, nồng độ pha tạp, mật độ khuyết tật.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số bằng phần mềm SCAPS-1D để xây dựng và tối ưu cấu trúc pin mặt trời màng mỏng CZTSSe. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình một chiều của pin với các lớp chức năng được thiết lập dựa trên dữ liệu thực nghiệm và các công trình công bố trước đây.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các tham số vật liệu và cấu trúc pin có tính đại diện cao, bao gồm tỷ lệ S/(S+Se), chiều dày lớp hấp thụ và lớp đệm, nồng độ pha tạp và mật độ khuyết tật. Các tham số này được thay đổi tuần tự để khảo sát ảnh hưởng đến hiệu suất pin.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian học tập tại Trường Đại học Quy Nhơn, với các bước chính gồm tổng quan tài liệu, thiết lập mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả, đề xuất thiết kế tối ưu.

Nguồn dữ liệu chính là các kết quả mô phỏng SCAPS-1D, số liệu thực nghiệm từ các nghiên cứu trong và ngoài nước, cùng các thông số vật liệu được trích xuất từ các công trình khoa học liên quan.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tỷ lệ S/(S+Se) trong lớp hấp thụ CZTSSe: Khi tỷ lệ S/(S+Se) thay đổi từ 0 đến 1, điện áp hở mạch (VOC) tăng từ khoảng 0,5 V lên đến 0,84 V, mật độ dòng ngắn mạch (JSC) giảm nhẹ từ 30,8 mA/cm² xuống còn khoảng 23,5 mA/cm². Hệ số lấp đầy (FF) và hiệu suất chuyển đổi quang điện (η) đạt giá trị tối ưu lần lượt là 76,3% và 15,04% tại tỷ lệ S/(S+Se) khoảng 0,5-0,6.

2. Ảnh hưởng của chiều dày lớp hấp thụ CZTSSe: Khi chiều dày lớp hấp thụ tăng từ 0,5 μm đến 2 μm, mật độ dòng ngắn mạch JSC tăng từ khoảng 15 mA/cm² lên đến 30 mA/cm², hiệu suất chuyển đổi quang điện tăng từ 7% lên đến 15%. Tuy nhiên, chiều dày quá lớn không làm tăng hiệu suất đáng kể do sự tái hợp hạt tải tăng lên.

3. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp và mật độ khuyết tật: Nồng độ pha tạp NA của lớp hấp thụ CZTSSe tối ưu khoảng 10^16 cm^-3 giúp tăng VOC và FF, trong khi mật độ khuyết tật Nt cần được kiểm soát dưới 10^14 cm^-3 để giảm thiểu tái hợp, nâng cao hiệu suất pin lên trên 15%.

4. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc: Khi nhiệt độ làm việc tăng từ 25°C đến 75°C, hiệu suất chuyển đổi quang điện giảm khoảng 10%, chủ yếu do giảm điện áp hở mạch VOC và hệ số lấp đầy FF. Điều này cho thấy cần thiết phải kiểm soát nhiệt độ trong ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy vật liệu CZTSSe có tiềm năng lớn trong việc phát triển pin mặt trời màng mỏng với hiệu suất chuyển đổi quang điện đạt khoảng 15%, tương đương với các nghiên cứu quốc tế. Việc điều chỉnh tỷ lệ S/(S+Se) giúp tối ưu hóa vùng cấm năng lượng, cân bằng giữa VOC và JSC, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể.

Chiều dày lớp hấp thụ cần được cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo hấp thụ đủ photon mà không làm tăng tái hợp hạt tải. Nồng độ pha tạp và mật độ khuyết tật là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thời gian sống của hạt tải, do đó kiểm soát chất lượng vật liệu là yếu tố then chốt.

So sánh với các nghiên cứu khác, hiệu suất pin CZTSSe trong luận văn đạt mức cao hơn so với nhiều mẫu thử nghiệm cấu trúc đảo không sử dụng chân không, đồng thời gần tiệm cận các kết quả phòng thí nghiệm sử dụng quy trình hydrazine. Việc mô phỏng cũng cho phép phân tích sâu các cơ chế vật lý bên trong pin, hỗ trợ thiết kế và cải tiến công nghệ chế tạo.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện sự biến đổi VOC, JSC, FF và η theo các tham số như tỷ lệ S/(S+Se), chiều dày lớp hấp thụ, nồng độ pha tạp và nhiệt độ làm việc, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của từng yếu tố đến hiệu suất pin.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tỷ lệ S/(S+Se) trong lớp hấp thụ CZTSSe: Khuyến nghị duy trì tỷ lệ S/(S+Se) trong khoảng 0,5-0,6 để đạt hiệu suất chuyển đổi quang điện tối ưu trên 15%. Chủ thể thực hiện là các nhà nghiên cứu và kỹ sư vật liệu trong vòng 1-2 năm tới.

2. Kiểm soát chiều dày lớp hấp thụ: Đề xuất thiết kế lớp hấp thụ có chiều dày khoảng 1,5-2 μm để cân bằng giữa khả năng hấp thụ và giảm thiểu tái hợp hạt tải. Thời gian thực hiện trong giai đoạn phát triển sản phẩm thử nghiệm.

3. Giảm mật độ khuyết tật và kiểm soát pha tạp: Áp dụng các kỹ thuật chế tạo và xử lý vật liệu nhằm giảm mật độ khuyết tật dưới 10^14 cm^-3 và duy trì nồng độ pha tạp NA khoảng 10^16 cm^-3, giúp tăng thời gian sống hạt tải và hiệu suất pin. Chủ thể là các phòng thí nghiệm và nhà sản xuất trong 3 năm tới.

4. Quản lý nhiệt độ làm việc: Thiết kế hệ thống làm mát hoặc lựa chọn vật liệu chịu nhiệt tốt để duy trì nhiệt độ pin dưới 50°C, hạn chế giảm hiệu suất do nhiệt độ cao. Thực hiện trong giai đoạn ứng dụng thực tế và sản xuất.

5. Phát triển công nghệ mô phỏng kết hợp thực nghiệm: Khuyến khích sử dụng phần mềm SCAPS-1D để mô phỏng và dự đoán hiệu suất pin trước khi tiến hành chế tạo, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian nghiên cứu. Chủ thể là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý chất rắn, Khoa học vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu CZTSSe, mô hình hóa và mô phỏng pin mặt trời màng mỏng, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

2. Kỹ sư và chuyên gia phát triển sản phẩm pin mặt trời: Thông tin về thiết kế cấu trúc pin, ảnh hưởng các tham số vật liệu và điều kiện làm việc giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

3. Doanh nghiệp sản xuất và chế tạo pin mặt trời: Các kết quả mô phỏng và đề xuất kỹ thuật có thể ứng dụng trong quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và cạnh tranh trên thị trường.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng tái tạo: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá tiềm năng và định hướng phát triển công nghệ pin mặt trời màng mỏng trong chiến lược năng lượng quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu CZTSSe có ưu điểm gì so với silic trong pin mặt trời?
   CZTSSe là vật liệu bán dẫn vùng cấm thẳng với hệ số hấp thụ cao (~10^5 cm^-1), chi phí thấp, không độc hại và thân thiện môi trường, cho phép làm pin màng mỏng mỏng nhẹ hơn so với silic dày 200 μm, giúp giảm chi phí và tăng tính linh hoạt ứng dụng.

2. Phần mềm SCAPS-1D được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
   SCAPS-1D mô phỏng các đặc tính quang điện của pin mặt trời dựa trên mô hình vật lý một chiều, cho phép thay đổi các tham số vật liệu và cấu trúc để dự đoán hiệu suất, hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa pin trước khi chế tạo thực nghiệm.

3. Tại sao cần kiểm soát mật độ khuyết tật trong lớp hấp thụ?
   Mật độ khuyết tật cao làm tăng quá trình tái hợp điện tử - lỗ trống, giảm thời gian sống hạt tải và hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin. Kiểm soát mật độ khuyết tật giúp nâng cao hiệu suất và độ bền của pin.

4. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc đến hiệu suất pin như thế nào?
   Nhiệt độ cao làm giảm điện áp hở mạch và hệ số lấp đầy, dẫn đến giảm hiệu suất chuyển đổi quang điện. Ví dụ, khi nhiệt độ tăng từ 25°C lên 75°C, hiệu suất có thể giảm khoảng 10%, do đó cần thiết kế hệ thống làm mát hoặc chọn vật liệu chịu nhiệt.

5. Chiều dày lớp hấp thụ ảnh hưởng ra sao đến hiệu suất pin?
   Chiều dày lớp hấp thụ tăng giúp hấp thụ nhiều photon hơn, tăng mật độ dòng ngắn mạch và hiệu suất. Tuy nhiên, nếu quá dày sẽ làm tăng tái hợp hạt tải, giảm hiệu suất. Chiều dày tối ưu thường khoảng 1,5-2 μm cho pin CZTSSe.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình vật lý và thiết kế tối ưu pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp hấp thụ Cu2ZnSn(SxSe1-x)4 với hiệu suất chuyển đổi quang điện đạt khoảng 15%.
• Phân tích chi tiết ảnh hưởng của tỷ lệ S/(S+Se), chiều dày lớp hấp thụ, nồng độ pha tạp và mật độ khuyết tật đến các thông số quang điện của pin.
• Mô phỏng SCAPS-1D là công cụ hiệu quả hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa pin mặt trời màng mỏng, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian nghiên cứu.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu suất và ổn định pin trong điều kiện làm việc thực tế, bao gồm kiểm soát vật liệu và quản lý nhiệt độ.
• Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu kết hợp mô phỏng và thực nghiệm để phát triển công nghệ pin mặt trời màng mỏng thân thiện môi trường, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Áp dụng các kết quả mô phỏng vào quy trình chế tạo thực nghiệm, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các vật liệu mới và cấu trúc pin đa lớp để nâng cao hiệu suất hơn nữa. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác phát triển công nghệ pin mặt trời màng mỏng CZTSSe nhằm thúc đẩy năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu cho pin mặt trời thế hệ I. Đã có nhiều cải tiến nhƣ thay silic đơn tinh thể bằng silic đa tinh thể, phủ các lớp chống phản xạ để ánh sáng đi vào tiếp xúc p-n nhiều hơn nhƣng hiệu suất pin mặt trời vẫn rất giới hạn, chỉ trong khoảng 10-20%. Tính toán lý thuyết theo định luật về giới hạn Shockley- Queisser: Chỉ với tiếp xúc p-n đơn giản thì hiệu suất pin mặt trời không thể cao hơn 30% [40]. Một mẫu pin mặt trời đa tinh thể Mặc dù có nhƣợc điểm là mang lại hiệu suất thấp, nhƣng bù lại pin mặt trời đa tinh thể có thể tạo thành các tấm vuông để phủ bề mặt với diện tích e 10 lớn hơn đơn tinh thể.

Do đó khắc phục đƣợc hạn chế về vấn đề hiệu suất. Ƣu điểm của pin mặt trời thế hệ I là hấp thụ đƣợc dãy quang phổ ánh sáng rộng và điện trở nội của pin nhỏ do đƣợc làm trên phiến Silicon. Theo báo cáo năm 2016 của Viện ISE của Đức, loại pin này chiếm 24% tổng công suất pin mặt trời trên toàn thế giới [12]. Tuy nhiên, nó có một số hạn chế nhƣ công nghệ chế tạo có giá thành cao, sử dụng nhiều năng lƣợng trong nuôi và cắt phiến Si, sử dụng nhiều hóa chất độc hại trong quá trình chế tạo, thành phẩm pin không hấp thụ đƣợc dãy tia xanh và tím, có hệ số kết hợp electron lỗ trống cao [15].

Pin mặt trời thế hệ II Pin mặt trời thế hệ 2 [40] có cấu tạo là những lát mỏng cắt từ các thỏi tinh thể silic, trên lát mỏng đó chỉ dùng một lớp rất mỏng để tạo tiếp xúc p-n. Mỗi lát mỏng tinh thể silic tuy chỉ dày chừng 200 micromet nhƣng cứng và giòn, chỉ có thể dán lên những tấm có bề mặt thật phẳng. Một mẫu pin mặt trời thế hệ II Pin mặt trời thế hệ 2 thƣờng đƣợc gọi là pin mặt trời màng mỏng (thin-film solar cell) hay pin quang điện màng mỏng (thin film photovoltaic), chỉ mỏng bằng cỡ 1% pin mặt trời thế hệ I, nghĩa là vào cỡ vài micromet. Phần lớn pin mặt trời thế hệ này cũng làm từ silic nhƣng là silic vô định hình (không phải là tinh thể), ngoài ra còn làm từ vật liệu khác nhƣ Cd-Te (cadimi teluarit), CIGS (Cu(In,Ga)(S,Se)2) và CZTSSe (Cu2ZnSn(SxSe1-x)4).

Pin mặt trời thế hệ này cực e 11 mỏng, nhẹ, dễ uốn nên có thể dán lên cửa sổ, kính ở những tòa nhà cao, mái ngói và mọi loại giá đỡ, kể cả kim loại, thủy tinh, polyme. Ƣu điểm là mỏng, nhẹ, dễ uốn, dễ dán vào bất cứ đâu nhƣng hiệu suất của pin mặt trời thế hệ II không cao, chỉ vào cỡ từ 7-12%. So sánh thì pin mặt trời thế hệ I loại cải tiến sau này có hiệu suất trung bình vào cỡ 15-20%, cao gần gấp đôi pin mặt trời thế hệ II. Pin mặt trời thế hệ III Pin mặt trời nano tinh thể Các tinh thể nano thƣờng dựa trên silicon, CdTe hoặc CIGS và các chất nền nói chung là silicon hoặc các chất dẫn hữu cơ khác nhau [41].

Một mẫu pin mặt trời nano tinh thể Pin mặt trời quang điện hóa (PEC) Các tế bào PEC sử dụng năng lƣợng ánh sáng (photon) để thực hiện phản ứng hóa học, trong trƣờng hợp này là tách nƣớc thành khí hydro (H2) và oxy (O2) [41]. Chúng bao gồm cực dƣơng và cực âm đƣợc nhúng trong chất điện phân và kết nối trong mạch ngoài. Thông thƣờng, cực dƣơng hoặc cực âm sẽ bao gồm một chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng mặt trời và điện cực còn lại sẽ là kim loại. Các photon có năng lƣợng lớn hơn khoảng phạm vi dải bán dẫn có thể đƣợc hấp thụ bởi chất bán dẫn, tạo ra các cặp lỗ electron đƣợc phân tách bởi điện trƣờng trong vùng điện tích không gian giữa chất bán dẫn và chất điện e 12 phân.

Điện trƣờng phản ảnh lại độ cong của dải dẫn và vùng hóa trị ở bề mặt chất bán dẫn và cần thiết để cung cấp các sóng tải tự do cho điện cực thích hợp. Một mẫu pin mặt trời quang điện hóa Pin mặt trời tẩm chất nhạy quang (DSSC) Tấm pin DSSC dựa trên một chất bán dẫn đƣợc hình thành giữa cực dƣơng nhạy cảm với photon và chất điện phân, một hệ thống điện hóa photon [41]. DSSC có một số đặc tính hấp dẫn nhƣ sử dụng kỹ thuật in cuộn thông thƣờng để tạo ra nó, đặc tính bán linh hoạt và bán trong suốt giúp cung cấp nhiều cách sử dụng khác nhau. Mẫu pin mặt trời tẩm chất nhạy quang e 13 Ƣu điểm của pin mặt trời thế hệ III là quy trình và công nghệ chế tạo đơn giản, sử dụng ít năng lƣợng trong quá trình chế tạo, có thể sản xuất các tấm pin mặt trời mỏng, nhẹ với giá thành thấp, đặc biệt riêng pin mặt trời DSSC có khả năng sản xuất điện năng trong điều kiện ánh sáng yếu.

Đây chính là thế hệ pin mặt trời có ƣu thế cạnh tranh lớn nhất với thế hệ pin mặt trời sử dụng phiến silicon. Nhƣng khuyết điểm chung của các pin này là vật liệu sử dụng có năng lƣợng vùng cấm cao, hiệu suất chuyển hóa năng lƣợng thấp. Pin mặt trời thế hệ IV Pin mặt trời chấm lượng tử Pin mặt trời chấm lƣợng tử là loại sử dụng các chấm lƣợng tử làm vật liệu quang điện hấp thụ. Nó là thử nghiệm để thay thế các vật liệu khối lƣợng lớn nhƣ silicon, CIGS, CdTe hay CZTSSe.

Các chấm lƣợng tử có các vùng hóa trị có thể điều chỉnh đƣợc trong một phạm vi mức năng lƣợng bằng cách thay đổi kích thƣớc của các chấm. Đặc tính này làm cho các chấm lƣợng tử trở nên “hấp dẫn” đối với pin mặt trời đa điểm, trong đó nhiều loại vật liệu đƣợc sử dụng để cải thiện hiệu quả bằng cách thu hoạch nhiều phần của quang phổ mặt trời. Các chấm lƣợng tử là các hạt bán dẫn mà kích thƣớc của nó đủ nhỏ để làm xuất hiện các đặc tính cơ học lƣợng tử, chúng còn đƣợc gọi là “nguyên tử nhân tạo”. Các mức năng lƣợng này có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi kích thƣớc của chúng, từ đó thay đổi vùng hóa trị [41].

Mẫu pin mặt trời chấm lƣợng tử e 14 Pin quang điện lai Pin điện năng lƣợng mặt trời lai kết hợp lợi thế của cả chất bán dẫn hữu cơ và vô cơ. Quang điện lai có các vật liệu hữu cơ bao gồm các polyme liên hợp hấp thụ ánh sáng nhƣ phần tử cho và các lỗ vận chuyển. Vật liệu vô cơ trong tế bào lai đƣợc sử dụng làm chất nhận và vận chuyển điện tử trong cấu trúc. Các thiết bị quang điện lai không chỉ có chi phí thấp mà còn có tiềm năng mở rộng trong tƣơng lai [41].

Mẫu pin mặt trời quang điện lai Ƣu điểm của pin mặt trời thế hệ IV là có kích thƣớc mỏng nên có thể kết hợp phủ nhiều lớp lên nhau để tạo thành pin hấp thụ nhiều dãy sóng ánh sáng khác nhau nhằm tăng hiệu xuất chuyển hóa năng lƣợng. Pin mặt trời thế hệ IV đƣợc sản xuất theo quy trình lỏng - tự sắp xếp, áp dụng đƣợc các quy trình công nghệ đơn giản nhƣ in phun, in lụa giúp giảm giá thành. Tuy nhiên hiệu suất chuyển hóa năng lƣợng của thế hệ pin này vẫn còn thấp so với pin mặt trời silicon trên nền wafer, polymer sử dụng trong pin thế hệ này cũng bị thoái hóa theo thời gian, làm hiệu suất của pin giảm theo thời gian sử dụng. Pin mặt trời đơn lớp và pin mặt trời đa lớp Sơ đồ hình 1.12 minh họa pin mặt trời đơn lớp với cấu trúc cơ bản đƣợc tạo nên từ một lớp tiếp xúc p-n [42].

Cấu trúc pin mặt trời đơn lớp Mỗi loại vật liệu bán dẫn thƣờng chỉ hấp thụ tốt một dải sóng ánh sáng với năng lƣợng nhất định. Để hấp thụ tối đa năng lƣợng ánh sáng từ mặt trời, ngƣời ta chế tạo pin mặt trời đa lớp, mỗi lớp sẽ hấp thụ một phần năng lƣợng trong toàn bộ dải sóng.13 minh họa cấu trúc cơ bản của pin mặt trời đa lớp [22]. Ngoài ra pin thƣờng có thêm các lớp đệm, lớp chống phản xạ, lớp điện cực cửa sổ,… nhằm nâng cao hiệu suất. Cấu trúc Pin mặt trời đa lớp CZTSSe và CIGS e 16 Ƣu điểm của pin mặt trời đa lớp so với pin mặt trời đơn lớp là có hiệu suất cao hơn.

Trong những công bố mới hiện nay cho thấy pin mặt trời đa lớp GaAs đạt hiệu suất lên đến 46% còn pin mặt trời đơn lớp GaAs chỉ đạt hiệu suất cao nhất khoảng 29,3% [20]. ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA PIN MẶT TRỜI 1. Đặc trƣng I-V Đặc trƣng I-V của pin mặt trời là đƣờng cong biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện I và điện áp V của pin mặt trời khi nó hoạt động dƣới tác dụng của ánh sáng chiếu vào [3]. Đặc trưng I-V khi không chiếu sáng Khi không có ánh sáng chiếu vào thì pin mặt trời hoạt động nhƣ một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n thông thƣờng.

Đặc trƣng I-V sẽ đƣợc khảo sát thông qua hai chế độ phân cực thuận và phân ngƣợc. * Khi pin mặt trời được phân cực thuận Trong trƣờng hợp này, lớp tiếp xúc p-n đƣợc đặt trong điện trƣờng ngoài Engoài hƣớng từ lớp p sang lớp n (cực dƣơng của nguồn áp đƣợc đặt vào lớp p và cực âm đƣợc đặt vào lớp n) ta gọi là phân cực thuận. Khi có điện trƣờng theo hƣớng thuận đặt vào, sự khuếch tán của các hạt tải đa số sẽ diễn ra dễ dàng hơn nên dòng điện khuếch tán Ikhuếch tán tăng trong khi đó dòng điện trôi Itrôi giảm, ta nói tiếp xúc p - n thông. Dòng điện di chuyển từ lớp p sang lớp n đƣợc gọi là dòng điện thuận Ithuận = Ikhuếch tán- Itrôi sẽ tăng.

Dòng điện Ithuận tăng, đồng nghĩa với điện trở lớp tiếp xúc p-n giảm. Điện trở lớp tiếp xúc p-n có giá trị nhỏ và đƣợc gọi là điện trở thuận (Rthuận).14 minh họa tác động của điện trƣờng ngoài đến vùng điện tích không gian của lớp chuyển tiếp p-n khi phân cực thuận (với d0’ là bề rộng vùng điện tích không gian khi phân cực thuận và d0 bề rộng vùng điện tích không gian khi không có điện trƣờng). Sự thu hẹp vùng điện tích không gian của pin mặt trời khi phân cực thuận và không đƣợc chiếu sáng Điện trƣờng Engoài sẽ sinh ra hiệu điện thế Ungoài và làm chuyển dịch các mức năng lƣợng vùng điện tích không gian. Ungoài ngƣợc chiều với điện áp tiếp xúc, do vậy làm giảm chiều cao rào thế còn UƩ = Utiếp xúc - Ungoài.