Luận án tiến sĩ về vật liệu dẫn điện trong suốt và hấp thụ ánh sáng cho pin mặt trời CZTSE

• Tác giả: Nguyễn Thị Thu Hiền
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Duy Cường
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu vật liệu dẫn điện trong suốt và hấp thụ ánh sáng cho pin mặt trời CZTSe
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI CZTSe
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Pin mặt trời CZTSe
• 1.2.1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời CZTSe
• 1.2.2. Cấu trúc – chức năng cơ bản các lớp trong pin mặt trời CZTSe
• 1.2.2.1. Lớp chống phản xạ
• 1.2.2.2. Lớp điện cực cửa sổ
• 1.2.2.3. Lớp hấp thụ ánh sáng
• 1.3. Giản đồ năng lượng của pin mặt trời CZTSe
• 1.4. Vật liệu hấp thụ ánh sáng CZTSe
• 1.4.1. Cấu trúc tinh thể CZTSe
• 1.4.2. Tính chất quang – điện của vật liệu CZTSe
• 1.4.2.1. Độ hấp thụ ánh sáng
• 1.4.2.2. Độ rộng vùng cấm của vật liệu CZTSe
• 1.4.2.3. Sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào thành phần của CZTSe
• 1.4.3. Vật liệu CZTSe nghèo Đồng
• 1.4.4. Vật liệu dẫn điện trong suốt truyền qua
• 1.4.4.1. Tính chất quang – điện của vật liệu dẫn điện trong suốt
• 1.4.4.2. Điện cực dẫn điện trong suốt ứng dụng cho pin mặt trời
• 1.5. Giới thiệu các phương pháp chế tạo màng mỏng
• 1.5.1. Pin mặt trời chế tạo dựa trên điều kiện chân không
• 1.5.1.1. Pin mặt trời chế tạo dựa trên phương pháp phún xạ
• 1.5.1.2. Pin mặt trời chế tạo dựa trên phương pháp bốc bay
• 1.5.1.3. Pin mặt trời chế tạo dựa trên phương pháp lắng đọng xung laser
• 1.5.2. Pin mặt trời chế tạo dựa trên điều kiện không chân không
• 1.5.2.1. Pin mặt trời chế tạo dựa trên phương pháp phun phủ nhiệt
• 1.5.2.2. Pin mặt trời chế tạo dựa trên phương pháp lắng đọng điện hóa
• 1.5.2.3. Pin mặt trời chế tạo dựa trên phương pháp Sol – gel
• 1.5.2.4. Pin mặt trời chế tạo dựa trên dung dịch chứa hạt nano
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT
• 2.1. Chế tạo lớp điện cực cửa sổ ITO bằng phương pháp phún xạ
• 2.1.1. Hệ phún xạ sử dụng để chế tạo lớp điện cực cửa sổ ITO
• 2.1.2. Chế tạo màng ITO bằng phương pháp phún xạ
• 2.1.2.1. Màng ITO được phún xạ với nồng độ O2 khác nhau
• 2.1.2.2. Màng ITO được phún xạ với nhiệt độ đế khác nhau
• 2.1.2.3. Kết luận về chế tạo màng ITO
• 2.2. Chế tạo lớp điện cực cửa sổ AgNW/ITO bằng phương pháp in gạt
• 2.2.1. Phương pháp in gạt và quy trình chế tạo lớp điện cực cửa sổ AgNW/ITO
• 2.2.2. Phân tích kết quả tạo màng AgNW/ITO
• 2.2.2.1. Ảnh FESEM bề mặt màng AgNW/ITO
• 2.2.2.2. Phổ truyền qua của màng AgNW/ITO
• 2.2.2.3. Thử nghiệm trên pin mặt trời CZTSSe (CZTS)
• 2.2.3. Kết luận về màng AgNW/ITO
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HẠT NANO Cu(Zn,Sn)Se2 CHO ỨNG DỤNG LÀM LỚP HẤP THỤ ÁNH SÁNG TRONG PIN MẶT TRỜI CZTSe
• 3.1. Giới thiệu tổng hợp hạt nano CZTSe
• 3.2. Phương pháp phun nóng
• 3.3. Quy trình tổng hợp hạt nano CZTSe
• 3.4. Phân tích kết quả tổng hợp hạt nano CZTSe
• 3.4.1. Tổng hợp hạt nano CZTSe ở các nhiệt độ khác nhau
• 3.4.1.1. Ảnh FESEM và Phổ EDX
• 3.4.2. Tổng hợp hạt nano CZTSe theo tỉ lệ tiền chất khác nhau
• 3.4.2.1. Ảnh FESEM và Phổ EDX
• 3.4.3. Tổng hợp hạt nano CZTSe với các tốc độ phun dung dịch Se khác nhau
• 3.4.3.1. Ảnh FESEM và Phổ EDX
• 3.4.4. Kết quả thu được trên các mẫu lặp lại
• 3.4.5. Kết luận về tổng hợp hạt nano
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP HẤP THỤ ÁNH SÁNG CZTSe VÀ TẾ BÀO PIN MẶT TRỜI
• 4.1. Nghiên cứu quá trình chế tạo màng CZTSe làm lớp hấp thụ ánh sáng trong pin mặt trời
• 4.1.1. Giới thiệu phương pháp nghiên cứu
• 4.1.2. Phương pháp in gạt chế tạo lớp hấp thụ ánh sáng CZTSe
• 4.1.2.1. In gạt tạo màng tiền chất CZTSe
• 4.1.2.2. Xử lý màng CZTSe ở nhiệt độ cao tạo lớp hấp thụ ánh sáng
• 4.1.2.2.1. Quy trình xử lý nhiệt màng CZTSe trong môi trường khí N2
• 4.1.2.2.2. Xác định điều kiện xử lý nhiệt màng CZTSe trong môi trường khí N2
• 4.1.2.3. Kết quả chế tạo màng CZTSe
• 4.1.2.3.1. Màng CZTSe theo nhiệt độ
• 4.1.2.3.1.1. Chế tạo màng ở nhiệt độ khác nhau trong môi trường N2, không có hơi Selen
• 4.1.2.3.1.2. Chế tạo màng ở các nhiệt độ khác nhau trong môi trường N2, có hơi Selen
• 4.1.2.3.2. Màng CZTSe theo lượng hơi Se khác nhau
• 4.1.2.3.3. Màng CZTSe theo thời gian xử lý nhiệt khác nhau
• 4.1.2.3.4. Kết luận về chế tạo màng CZTSe
• 4.2. Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời CZTSe hoàn chỉnh
• 4.2.1. Cấu trúc và phương pháp chế tạo các lớp trong pin mặt trời CZTSe hoàn chỉnh
• 4.2.2. Kết quả chế tạo pin mặt trời CZTSe hoàn chỉnh
• 4.2.3. Kết luận về chế tạo màng hấp thụ ánh sáng và pin mặt trời CZTSe
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về pin mặt trời CZTSe

Pin mặt trời CZTSe là một trong những công nghệ năng lượng tái tạo hứa hẹn nhất hiện nay. Vật liệu dẫn điện trong suốt và vật liệu hấp thụ ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất quang điện của pin. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời CZTSe dựa trên việc chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng thông qua các lớp vật liệu khác nhau. Cấu trúc của pin bao gồm lớp chống phản xạ, lớp điện cực cửa sổ và lớp hấp thụ ánh sáng. Lớp hấp thụ ánh sáng CZTSe có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt, giúp tăng cường hiệu suất quang điện. Theo nghiên cứu, hiệu suất cao nhất của pin CZTSe hiện tại đạt 12,6%, cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ này trong tương lai.

1.1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời CZTSe

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời CZTSe dựa trên hiện tượng quang điện. Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào lớp hấp thụ CZTSe, các photon sẽ kích thích các electron trong vật liệu, tạo ra cặp electron-lỗ trống. Sự di chuyển của các electron này tạo ra dòng điện. Tính chất quang điện của vật liệu CZTSe rất quan trọng, vì nó quyết định khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi thành điện năng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa cấu trúc tinh thể và thành phần hóa học của CZTSe có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của pin mặt trời.

1.2. Cấu trúc và chức năng cơ bản các lớp trong pin mặt trời CZTSe

Cấu trúc của pin mặt trời CZTSe bao gồm nhiều lớp với chức năng riêng biệt. Lớp chống phản xạ giúp giảm thiểu sự phản xạ ánh sáng, tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng của lớp CZTSe. Lớp điện cực cửa sổ, thường là vật liệu dẫn điện trong suốt, cho phép ánh sáng đi qua và đồng thời dẫn điện. Lớp hấp thụ ánh sáng CZTSe là nơi diễn ra quá trình chuyển đổi năng lượng. Việc nghiên cứu và phát triển các lớp này là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất quang điện của pin mặt trời.

II. Nghiên cứu chế tạo lớp vật liệu dẫn điện trong suốt

Lớp điện cực cửa sổ là một phần không thể thiếu trong cấu trúc của pin mặt trời CZTSe. Việc chế tạo lớp vật liệu dẫn điện trong suốt như ITO (Indium Tin Oxide) và AgNW (Silver Nanowires) đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Phương pháp phún xạ và in gạt là hai phương pháp chính được sử dụng để chế tạo lớp này. Kết quả cho thấy, lớp ITO có khả năng dẫn điện tốt và độ truyền qua cao, trong khi lớp AgNW mang lại tính linh hoạt và khả năng dẫn điện tốt hơn. Sự kết hợp giữa hai loại vật liệu này có thể tạo ra lớp điện cực cửa sổ tối ưu cho pin mặt trời CZTSe.

2.1. Chế tạo lớp điện cực cửa sổ ITO bằng phương pháp phún xạ

Phương pháp phún xạ được sử dụng để chế tạo lớp ITO với nồng độ O2 khác nhau. Kết quả cho thấy, nồng độ O2 ảnh hưởng đến tính chất quang điện của lớp ITO. Màng ITO phún xạ với nồng độ O2 tối ưu cho thấy độ truyền qua cao và điện trở bề mặt thấp, điều này rất quan trọng cho hiệu suất của pin mặt trời. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở cho việc phát triển các lớp điện cực cửa sổ hiệu quả hơn trong tương lai.

2.2. Chế tạo lớp điện cực cửa sổ AgNW ITO bằng phương pháp in gạt

Phương pháp in gạt được áp dụng để chế tạo lớp điện cực cửa sổ AgNW/ITO. Kết quả phân tích cho thấy, lớp AgNW/ITO có khả năng dẫn điện tốt và độ truyền qua cao. Hệ số điện trở bề mặt của lớp này thấp hơn so với lớp ITO đơn thuần, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong pin mặt trời. Việc tối ưu hóa quy trình chế tạo lớp này sẽ giúp nâng cao hiệu suất quang điện của pin mặt trời CZTSe.

III. Nghiên cứu chế tạo lớp hấp thụ ánh sáng CZTSe

Lớp hấp thụ ánh sáng CZTSe là yếu tố quyết định hiệu suất của pin mặt trời. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp chế tạo lớp CZTSe có thể cải thiện đáng kể khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu suất quang điện. Phương pháp phun nóng và lắng đọng điện hóa là hai phương pháp chính được sử dụng để chế tạo lớp này. Kết quả cho thấy, lớp CZTSe chế tạo bằng phương pháp phun nóng có độ hấp thụ ánh sáng cao và tính ổn định tốt.

3.1. Giới thiệu tổng hợp hạt nano CZTSe

Hạt nano CZTSe được tổng hợp bằng phương pháp phun nóng, cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt. Kết quả phân tích cho thấy, hạt nano CZTSe có cấu trúc tinh thể tốt và tính chất quang điện vượt trội. Việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp hạt nano sẽ giúp nâng cao hiệu suất của lớp hấp thụ ánh sáng trong pin mặt trời.

3.2. Nghiên cứu chế tạo màng CZTSe làm lớp hấp thụ ánh sáng

Quá trình chế tạo màng CZTSe được thực hiện thông qua phương pháp in gạt và xử lý nhiệt. Kết quả cho thấy, màng CZTSe chế tạo ở nhiệt độ tối ưu có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt và hiệu suất quang điện cao. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở cho việc phát triển các lớp hấp thụ ánh sáng hiệu quả hơn trong pin mặt trời CZTSe.