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.

Hành động tiếp theo: 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.