LỜI MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay năng lượng đang là vấn đề cấp thiết trong toàn xã hội. Thế giới đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng trầm trọng, những nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt do khai thác quá mức và không tái tạo được,… Từ đó, đặt ra một giải pháp cần phải tìm kiếm các nguồn năng lượng bền vững, thân thiện với môi trường và có thể tái tạo hoặc tận dụng những nguồn sẵn có,… để giải quyết vấn đề cấp thiết đó. Một trong những nguồn năng lượng tiềm năng đã và đang được phát triển khai thác hiện nay đó là năng lượng mặt trời.
Đây là nguồn năng lượng vô giá, có sức mạnh to lớn đang được các nước trên thế giới đầu tư khai thác như Nhật, Mỹ, Anh, Đức,… và Việt Nam cũng đang từng bước tiếp cận gần hơn trong lĩnh vực khai thác nguồn năng lượng này [36]. Cơ chế khuyến khích phát triển về năng lượng tái tạo tại Việt Nam được thể hiện rõ nét trong Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg ngày 11/04/2017 của Thủ tướng Chính phủ về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam [37]. Tại Bình Định, vào tháng 4/2018 nhà máy điện mặt trời Fujiwara đã được khởi công xây dựng trên địa bàn tỉnh, tại sườn phía Tây núi Phương Mai, khu kinh tế Nhơn Hội với diện tích 60 ha và đi vào hoạt động từ tháng 6/2019. Fujiwara là nhà máy năng lượng tái tạo, sa ̣ch và thân thiê ̣n với môi trường.
Dự án có công suất thiết kế giai đoạn 1 là 50 MW trên diện tích 60 ha, sản lượng điện sản xuất hàng năm dự kiến là 74 triệu kWh, với tổng vốn đầu tư hơn 1. Có thể thấy, việc chế tạo pin mặt trời bằng phương pháp thực nghiệm mang đến nhiều thành tựu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ và có vai trò to lớn trong việc sản xuất pin mặt trời trên thị trường. Tuy nhiên, phương pháp này mang đến nhiều tồn tại như việc cần phải đầu tư nhiều trang thiết bị 2 máy móc, hóa chất và thời gian để tiến hành lâu dài nên dẫn đến tăng giá thành sản phẩm. Trong khi đó, chiều hướng giảm giá thành sản phẩm và hiệu suất chuyển đổi quang điện đang là vấn đề được quan tâm.
Do đó, phương pháp mô phỏng là một trong những xu hướng có thể hỗ trợ hữu hiệu và đáp ứng hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cho phương pháp thực nghiệm. Vì vậy, cùng với xu hướng trên với mong muốn nghiên cứu pin mặt trời màng mỏng trên cơ sở hệ vật liệu Cu-chalcopyrite nên chúng tôi chọn đề tài luận văn: “Nghiên cứu mô phỏng pin mặt trời màng mỏng đa lớp dựa trên vật liệu nền Cu2ZnSnS4” 2. Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài Trên thế giới, trong vài năm trở lại đây hệ vật liệu Cu-chalcopyrite nói chung và vật liệu Cu2ZnSnS4 nói riêng là vấn đề đang thu hút sự quan tâm đặc biệt lớn của nhiều nhà khoa học trong công nghệ pin mặt trời màng mỏng. Trong đó, pin mặt trời màng mỏng CZTSSe sử nguồn vật liệu Cu2(Zn,Sn)(S,Se)4 (CZTSSe) làm lớp hấp thụ ánh sáng, còn pin mặt trời CIGSSe sử nguồn vật liệu Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGSSe) làm lớp hấp thụ ánh sáng là hai trong số các loại pin mặt trời được nhiều phòng thí nghiệm lớn tại Mỹ, Nhật, Đức, Thụy Sĩ,.
tập trung nghiên cứu. Như vậy có thể thấy, một trong các vấn đề thu hút sự quan tâm hết sức to lớn trên thế giới và ở Việt Nam là nghiên cứu công nghệ chế tạo pin mặt trời màng mỏng và ứng dụng của nó. Đây thực sự 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 đa lớp giá rẻ, hiệu suất cao và thân thiện với môi trường không sử dụng công nghệ chân không. Các nhóm nghiên cứu ở Việt Nam trong lĩnh vực này tập trung chủ yếu tại một số đơn vị nghiên cứu như: Viện Hóa học, Viện Khoa học Vật liệu (Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam); Phòng thí nghiệm Công nghệ nano (ĐHQG Tp.
Hồ Chí Minh); Viện Vật lý kỹ 3 thuật, Viện AIST, Viện ITIMS (ĐHBK Hà Nội). với một số kết quả bước đầu nghiên cứu về các loại pin, các phương pháp chế tạo,. đã được công bố trên các tạp chí trong nước và ngoài nước [3], [8], [21], [30]. Mục đích nghiên cứu của luận văn Nghiên cứu tổng quan về pin mặt trời màng mỏng, phương pháp mô hình hóa và mô phỏng số.
Xây dựng mô hình vật lý và tối ưu hóa phần tử pin mặt trời màng mỏng trên cơ sở lớp hấp thụ Cu2ZnSnS4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: pin mặt trời màng mỏng trên cơ sở lớp hấp thụ Cu2ZnSnS4. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu mô hình hóa và xây dựng mô hình vật lý phần tử pin mặt trời màng mỏng cấu trúc glass/TCO/lớp đệm/Cu2ZnSnS4/Me bằng phần mềm SCAPS-1D. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu chính của đề tài là mô phỏng số phần tử pin mặt trời bằng phần mềm SCAPS-1D, kết hợp với các đoán nhận lý thuyết để lựa chọn thông số thiết kế pin mặt trời tối ưu.
Các kết quả mô phỏng sẽ là cơ sở cho việc thiết kế cấu trúc, định hướng cho quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời Cu2ZnSnS4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn Xác định được thông số thiết kế tối ưu cho pin mặt trời màng mỏng Cu2ZnSnS4. Từ kết quả nghiên cứu của đề tài có thể phát triển và ứng dụng để chế tạo pin mặt trời màng mỏng sử dụng các phương pháp chế tạo không sử dụng chân không (như phun phủ nhiệt phân toàn phần FSPD, phương pháp in, phương pháp sol-gel). TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 1.
Giới thiệu về pin mặt trời 1. Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là hiện tượng điện tử có liên kết yếu với mạng ion tinh thể thoát ra khỏi vật chất sau khi bị kích thích bởi năng lượng của các bức xạ ánh sáng, được minh họa trong hình 1. Năm 1839, lần đầu tiên hiệu ứng quang điện PV (Photovoltaic Effect) đã được phát hiện bởi nhà vật lý người Pháp Edmond Becquerel [31]. Becquerel đặt hai tấm kim loại trong một chất lỏng dẫn điện và khi cho chúng tiếp xúc ánh sáng mặt trời, ông đã quan sát thấy một điện áp nhỏ xuất hiện giữa hai tấm kim loại.
Năm 1873, Willoughby Smith phát hiện rằng selen (Se) có tính quang dẫn [15]. Năm 1887, Heinrich Hertz quan sát thấy hiệu ứng quang điện ngoài đối với các kim loại. Đến năm 1904, Albert Einstien mới xây dựng hoàn chỉnh lý thuyết của hiện tượng quang điện và hiệu ứng PV có thể dễ dàng hiểu được [4], ông được trao giải Nobel vào năm 1921. Lý thuyết của Einstein được Robert Millikan kiểm chứng bằng thực nghiệm vào năm 1916.
Điện tử Ánh sáng Hình 1. Hiệu ứng quang điện Pin mặt trời hay pin quang điện là một thiết bị chuyển đổi năng lượng ánh sáng trực tiếp thành điện năng bằng hiệu ứng quang điện trong. Sự chuyển hóa năng lượng quang điện trong pin mặt trời gồm hai bước cơ bản: 5 - Đầu tiên chất bán dẫn hấp thụ những photon với năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng vùng cấm Eg làm sinh ra những cặp electron và lỗ trống khi pin được phơi sáng. Đây là quá trình chuyển hóa quang năng thành hóa năng.
- Sau đó những cặp electron và lỗ trống này được phân ly và chuyển ra mạch ngoài. Đây là quá trình chuyển hóa hóa năng thành điện năng. Các thế hệ pin mặt trời 1. Pin mặt trời thế hệ I (Pin mặt trời đơn tinh thể) Pin mặt trời thế hệ I là pin mặt trời bán dẫn tiếp xúc n-p, đại diện là pin mặt trời bán dẫn đơn tinh thể Silicon (c-Si) được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn Silicon n, p đặt tiếp xúc nhau trên wafer Silicon như mô tả ở hình 1.
Sơ đồ nguyên lý hoạt độngcủa pin mặt trời n-p tiếp xúc Silicon Khi cho hai khối bán dẫn n và p tiếp xúc nhau, do chúng có mật độ điện tử và lỗ trống khác nhau nên sẽ có sự khuếch tán điện tử từ n sang p và khuếch tán lỗ trống từ p sang n. Trong quá trình khuếch tán này chúng sẽ tái hợp với các hạt cơ bản tại miền chúng vừa tới dẫn đến trong bán dẫn loại n, tại vùng gần mặt tiếp xúc sẽ hình thành một miền điện tích dương và trong 6 bán dẫn loại p cũng xuất hiện một miền điện tích âm. Khi trạng thái cân bằng được thiết lập, ở lớp tiếp xúc hình thành một hiệu điện thế tiếp xúc Etiếp xúc và tương ứng nó là một hàng rào thế ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục của electron và lỗ trống [35]. Khi có ánh sáng chiếu vào lớp tiếp xúc n-p thì photon của ánh sáng mặt trời có thể kích thích làm cho điện tử đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống (quá trình tạo cặp điện tử - lỗ trống).
Cặp điện tử và lỗ trống được tạo thành trên bề mặt lớp tiếp xúc sẽ bị điện trường tác dụng làm lỗ trống di chuyển về phía lớp p và điện tử bị di chuyển về phía lớp n làm gia tăng hiệu thế giữa 2 lớp bán dẫn và tạo nên sức điện động của pin mặt trời. Ưu điểm của pin mặt trời thế hệ I là hấp thụ được dãy quang phổ ánh sáng rộng và điện trở nội của pin nhỏ do được làm trên wafer 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 [13]. Tuy nhiên, nó có một số hạn chế như là: công nghệ chế tạo có giá thành cao, sử dụng nhiều năng lượng trong nuôi và cắt wafer, sử dụng nhiều hóa chất độc hại trong quá trình chế tạo, thành phẩm pin không hấp thu được dãy tia xanh và tím, có hệ số kết hợp electron lỗ trống cao [15].
Pin mặt trời thế hệ II (Pin mặt trời màng mỏng) Nhằm giảm giá thành của sản phẩm pin mặt trời thế hệ I, pin mặt trời thế hệ II ra đời sử dụng cùng một cơ chế tạo năng lượng nhờ lớp tiếp xúc n-p, nhưng được áp dụng các phương pháp tạo màng mỏng CVD, PECVD. Cấu trúc pin gồm một lớp kim loại phủ lên trên đế Si (loại n hoặc p), giữa chúng là một lớp cách điện và mặt trên cùng là điện cực trước. Điện cực kim loại trong pin mặt trời thực ra là một tiếp xúc kim loại - bán dẫn, nó được chia làm hai loại: tiếp xúc Ohmic và tiếp xúc Schottky.