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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com có nhiều triển vọng h n cả [100]. CuIn1-xGaxSe2 là hợp chất bán dẫn thuộc hệ Cu- chalcopyrit có độ rộng v ng cấm thay đổi từ 1,0 đến 1,7 V t y th o t lệ giữa n và a [47. Ngoài lớp hấp thụ, cấu tr c của pin màng mỏng C S c n có các lớp chính là đế, lớp dẫn điện đế, lớp đệm, lớp dẫn điện trong suốt [79.
Loại pin màng mỏng này cần ít năng lượng h n để chế tạo và có thể được chế tạo bằng nhiều quá trình, do đó chi phí sản xuất sẽ rẻ h n. Ngoài ra, ch ng c n rất lí tưởng cho các ứng dụng không gian vũ trụ và thị trường điện tử cầm tay do trọng lượng nhẹ. Pin C S cũng rất thu h t các nhà nghiên cứu bởi độ rộng v ng cấm của ch ng là lí tưởng. Ngoài ra tính đa tinh thể của lớp hấp thụ C S cũng không làm suy giảm đáng kể đến hiệu quả hoạt động.
ần đây, hiệu suất k lục 20,3% của loại pin C S đã được tạo ra bởi các nhà nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu Năng lượng mặt trời Đức [99. Kết quả này đã đánh dấu một bước tiến trong quá trình tạo ra một loại PMT màng mỏng có khả năng cạnh tranh với hiệu suất của loại pin dựa trên silicon thông thường. Hội thảo về Năng lượng mặt trời thuộc toàn châu Âu được tổ chức tại Milan vào tháng 9 năm 2007 đã đưa ra giải pháp giảm thiểu các vấn đề liên quan đến môi trường của pin CIGS [89. Qua đó ch ng ta cũng thấy được những nỗ lực của các nhà khoa học trên thế giới để PMT màng mỏng C S ngày một hoàn thiện h n.
Trên thế giới hiện có một số trung tâm nghiên cứu mạnh về PMT màng mỏng C S, điển hình là N L (M ), Đại học tổng hợp Colorado (M ), Đại học tổng hợp ppsala (Thụy Điển), Đại học Quốc gia Chonnam (Hàn Quốc). Tại các c sở này đã và đang thực hiện các dự án lớn về PMT màng mỏng C S, trong đó đã có các dự án xây dựng các dây chuyền sản xuất bằng các phư ng pháp vật lý. Tại Việt Nam, nghiên cứu PMT đã từng được bắt đầu từ khá sớm trên đối tượng PMT silic. Cho đến nay chưa có một c sở nghiên cứu nào tại Việt Nam tiến hành nghiên cứu về pin màng mỏng C S.
Việc sử dụng PMT c n ở mức hạn chế, chủ yếu phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt đời sống của các địa phư ng v ng sâu, v ng xa, các công trình nằm trong khu vực không có lưới điện. Thời gian gần đây, quy mô sử dụng PMT đang được phát triển nhanh chóng nhưng vẫn trên c sở loại pin 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com silic thường được nhập từ nước ngoài dưới dạng bán thành ph m. ần đây nhất, nhà máy sản xuất tấm PMT đầu tiên tại Việt Nam đã được khánh thành vào ngày 27/4/2009 tại cụm công nghiệp Đức H a Hạ (huyện Đức H a, t nh Long An). Sản ph m chính của nhà máy là các tấm pin năng lượng mặt trời có thể cung cấp điện năng 5 MW/năm.
Nhà máy sẽ sản xuất linh kiện lắp ráp pin từ nguyên liệu trong nước và đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất c lls (tế bào quang điện) từ các thỏi silic. Đây là công trình tiên phong trong công nghệ cao về năng lượng và là kết quả của sự hợp tác giữa TP.HCM và v ng hôn -Alpes (Pháp). Ngoài ra còn có các nhóm nghiên cứu PMT tại một số đ n vị nghiên cứu uy tín như: Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam với hướng nghiên cứu chấm lượng tử ứng dụng cho PMT; Ph ng thí nghiệm Phân tích và Đo lường vật lý, Viện Vật lý k thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội; Ph ng thí nghiệm Công nghệ nano thuộc Trường Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh th o hướng nghiên cứu PMT d ng vật liệu chính là TiO2 được nh ng vào dung dịch tạo màu với hợp chất hữu c chứa kim loại có màu xanh; … Như vậy, cũng như hầu hết các nước trên thế giới, điện mặt trời có nhu cầu và tiềm năng rất lớn ở nước ta.
Các thông tin cũng cho thấy tuy PMT có lớp hấp thụ trên c sở màng mỏng C S đã được nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới nhưng lại là l nh vực rất mới mẻ ở Việt Nam. Đặc biệt, phư ng pháp điện hóa đang là đề tài hấp dẫn trên thế giới và càng tỏ ra thích hợp với điều kiện của Việt Nam. Tuy nhiên, để PMT màng mỏng C S đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của nhân loại thì các nhà nghiên cứu phải khắc phục được những hạn chế của loại pin này. Hạn chế lớn nhất của pin C S là hiệu suất chưa cao và tính chưa ổn định ở quy mô sản xuất công nghiệp.
Để giải quyết bài toán này, các nhà khoa học phải chế tạo được các lớp riêng rẽ của cấu tr c pin có các đặc tính tối ưu, phải hiểu được mối liên quan giữa điều kiện chế tạo với tính chất vật liệu, giữa các tính chất của các lớp riêng rẽ với hiệu năng hoạt động của toàn bộ cấu tr c, phải đi tìm các phư ng pháp đ n giản, rẻ tiền h n. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong các lớp cấu thành của một PMT màng mỏng C S, lớp hấp thụ C S và lớp dẫn điện trong suốt ZnO là quan trọng h n cả. Đối với lớp hấp thụ C S, có nhiều phư ng pháp chế tạo đã và đang được nghiên cứu. Có thể chia các phư ng pháp này thành hai nhóm, nhóm các phư ng pháp cần chân không bao gồm: đồng bốc bay từ các nguyên tố riêng rẽ, bốc bay từ hợp chất, lắng đọng h i hóa học, phún xạ catot, pitaxy ch m phân tử, lắng đọng điện tử xung, lắng đọng bằng xung laz , nhóm các phư ng pháp không cần chân không bao gồm: lắng đọng điện hóa, lắng đọng bởi nhiệt phân, phun s n nhiệt.
Ưu điểm các phư ng pháp cần chân không là tạo được mẫu có chất lượng tốt, dễ điều khiển thành phần mẫu. Nhược điểm của các phư ng pháp này là cần thiết bị đắt tiền, nguyên liệu đắt tiền, hiệu suất sử dụng nguyên liệu thấp và quy mô chế tạo nhỏ. Các phư ng pháp không chân không có ưu điểm là đ n giản, có thể chế tạo với quy mô lớn, nguyên liệu ban đầu rẻ, hiệu suất sử dụng nguyên liệu cao. Các phư ng pháp này lại có nhược điểm là chất lượng mẫu không cao (xốp, kích thước hạt tinh thể nhỏ, độ bám dính hạn chế và khó khống chế thành phần mong muốn).
Trong các phư ng pháp không chân không, phư ng pháp điện hóa (ED- Electrodeposition) đang tỏ ra có nhiều triển vọng nhất. Tuy nhiên, đây cũng là phư ng pháp mà các tính chất của mẫu phụ thuộc rất mạnh vào điều kiện chế tạo. Phư ng pháp chế tạo lớp hấp thụ C S bằng điện hóa được đề xuất từ năm 1983 [33 bởi nhóm các nhà khoa học tại N L ( SA). Do có ưu điểm c bản là đ n giản, tiêu tốn ít năng lượng, nguyên liệu mà từ đó đến nay, rất nhiều nhóm nghiên cứu đã tham gia vào l nh vực này.
Các nghiên cứu liên quan đến chế tạo màng mỏng C S bằng điện hóa bao gồm nhiều vấn đề khác nhau như cấu tạo buồng điện hóa, các quy trình, các loại vật liệu ban đầu, nồng độ chất h a tan, loại dung dịch và nồng độ dung dịch h a tan, điện thế làm việc, loại và nồng độ chất hỗ trợ độ dẫn dung dịch. Ngoài ra c n có các nghiên cứu tập trung vào các giải pháp xử lý bổ trợ để tăng cường chất lượng mẫu. Các phư ng pháp vật lý bổ trợ bao gồm selen hoá, bốc bay chân không, ph n xạ catot và ủ xử lý nhiệt. Hiệu suất chuyển 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đổi năng lượng k lục của PMT trên c sở lớp hấp thụ CIGS chế tạo bằng điện hóa là 15,4% [12].