Nghiên cứu ảnh hưởng của lớp chức năng nano zno đến hoạt động của pin mặt trời m

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LƯU THỊ LAN ANH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP CHỨC NĂNG NANO ZnO ĐẾN HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG GLASS/TCO/NANO ZnO/CdS/CuInS2/Me Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 62520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT Hà Nội - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LƯU THỊ LAN ANH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP CHỨC NĂNG NANO ZnO ĐẾN HOẠT ĐỘNG CỦA PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG GLASS/TCO/NANO ZnO/CdS/CuInS2/Me Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 62520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Võ Thạch Sơn Hà Nội - 2014 1 Mục lục Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt. 4 Danh mục các bảng. 7 Danh mục các hình vẽ, đồ thị .12 CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU .1 Năng lƣợng mặt trời - nguồn năng lƣợng của tƣơng lai .2 Hiệu ứng PV (PhotoVoltaic Effect) và linh kiện quang điện sử dụng hiệu ứng PV.3 Cơ sở vật lý của pin mặt trời .1 Nguyên lý hoạt động .2 Đặc trƣng J-V.4 Pin mặt trời màng mỏng chalcopyrite .1 Cấu trúc của pin mặt trời màng mỏng chalcopyrite.2 Vật liệu chalcopyrite.5 Pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano .1 Các tính chất cơ bản của vật liệu cấu trúc nano.2 Giản đồ năng lƣợng của pin mặt trời cấu trúc nano .3 Các cấu hình pin mặt trời cấu trúc nano .6 Vật liệu kẽm oxide (ZnO) .1 Vật liệu ZnO.2 Công nghệ lắng đọng các lớp chức năng của pin mặt trời. 41 Kết luận chƣơng .45 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ LẮNG ĐỌNG CÁC LỚP CHỨC NĂNG TRONG CẤU TRÚC PMT MÀNG MỎNG .1 Nghiên cứu lắng đọng màng nano ZnO bằng phƣơng pháp USPD .1 Chuẩn bị hóa chất .2 Lắng đọng màng nano ZnO .2 Kết quả và thảo luận .1 Lựa chọn dung môi .2 Ảnh hƣởng của các anion .3 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lắng đọng .4 Ảnh hƣởng của loại đế .5 Ảnh hƣởng của tốc độ lắng đọng.6 Ảnh hƣởng của nồng độ muối kẽm.7 Ảnh hƣởng của sự pha tạp In và Al .2 Nghiên cứu lắng đọng lớp hấp thụ CuInS2 bằng phƣơng pháp USPD.1 Chuẩn bị hóa chất .2 Lắng đọng màng CuInS2 .3 Kết quả và thảo luận .3 Nghiên cứu lắng đọng lớp đệm CdS bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR .1 Tại sao lại cần lớp đệm trong pin mặt trời màng mỏng.3 Lắng đọng lớp đệm nano CdS bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR .1 Chuẩn bị hóa chất .4 Kết quả và Thảo luận.

79 CHƢƠNG 3 KHẢO SÁT CÁC PHÂN BIÊN ZnO/CdS VÀ CdS/CuInS2 BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ TRỞ KHÁNG PHỨC CIS .1 Phƣơng pháp phổ trở kháng phức CIS.2 Ứng dụng phƣơng pháp phổ trở kháng phức để nghiên cứu các linh kiện cấu trúc lớp .1 Chuẩn bị mẫu .2 Khảo sát các phân biên ZnO/CdS và CdS/CuInS2 .4 Kết quả và thảo luận .1 Khảo sát phổ CIS của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag .2 Mô hình hóa hệ vật liệu Ag/ITO/ZnO/CdS/CuInS2/Ag .90 Kết luận chƣơng. 100 CHƢƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM PIN MẶT TRỜI CẤU TRÚC NANO HỆ GLASS/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2 .1 Thiết kế pin mặt trời cấu trúc lớp kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me… …….1 Mô hình số .2 Chƣơng trình mô phỏng SCAPS .3 Thiết kế pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano .1 Lựa chọn cấu trúc .2 Chế tạo pin mặt trời màng mỏng cấu trúc Glass/ ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me .1 Đặc trƣng quang điện của pin mặt trời màng mỏng hệ Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2 .1 Ảnh hƣởng của chiều dày lớp hấp thụ CuInS2 .2 Ảnh hƣởng của lớp cửa sổ nano ZnO. 118 3 Kết luận chƣơng. 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

122 Danh mục các công trình đã công bố của Luận án. 134 Phụ lục……………………………………………………………………………… ……134 4 Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt A Quality factor Hệ số phẩm chất D Average crystallite size Kích thƣớc tinh thể trung bình E Energy Năng lƣợng e Electron Điện tử EA Ionization energy Năng lƣợng ion hóa EC Conduction band energy Năng lƣợng vùng dẫn EF Fermi energy Năng lƣợng Fermi Eg Optical band gap energy Độ rộng vùng cấm quang EV Valence band energy Năng lƣợng đỉnh vùng hoá trị ff fill factor Hệ số điền đầy h Hole Lỗ trống J Current density Mật độ dòng Current density at maximum power Jmax Mật độ dòng ở công suất ra cực đại output JSC Short circuit current density Mật độ dòng ngắn mạch R Resistance between the contacts Điện trở tiếp xúc RS Serial resistance Điện trở nối tiếp Rsh Shunt resistance Điện trở ngắn mạch Rsheet Sheet resistance Điện trở bề mặt t Time Thời gian T Transmitance Độ truyền qua TA Absolute temperature Nhiệt độ tuyệt đối TC Calcined temperature Nhiệt độ ủ 5 Nhiệt độ làm việc, nhiệt độ môi Te Enviromental temperature trƣờng TS Substrate temperature Nhiệt độ đế V Voltage Điện áp Vmax Voltage at maximum power output Điện áp ở công suất ra cực đại VOC Open circuit voltage Điện áp hở mạch  Absorption coefficient Hệ số hấp thụ  Thickness Chiều dày  Conversion efficiency of the solar cell Hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời λ Wavelength Bƣớc sóng λex Excitation wavelength Bƣớc sóng kích thích e Electron mobility Độ linh động điện tử p Hole mobility Độ linh động lỗ trống  Resistivity Điện trở suất 6 Danh mục các chữ viết tắt Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt AFM Atomic Force Microscope Hiển vi lực nguyên tử CBD Chemical Bath Deposition Lắng đọng bể hóa học CH Chacopyrite structure Cấu trúc Chacopyrite CIS Complex Impedance Spectroscopy Phổ trở kháng phức CVD Chemical vapour deposition Lắng đọng từ pha hơi hóa học EDX Energy Dispersive X-ray Tán sắc năng lƣợng tia X ETA Extremely thin absorber Chất hấp thụ chiều dày rất mỏng Field Emission Scanning Electron FESEM Hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng Microscope FTO Tin oxide doped Fluorine Ôxit thiếc pha tạp Flo FWHM Full width at half maximum Độ rộng bán cực đại ILGAR Ion Layer Gas Reaction Phản ứng pha khí lớp ion ITO Tin oxide doped Indium Ôxit thiếc pha tạp Indi IZO Zinc oxide doped Indium Ôxit kẽm pha tạp Indi PV Photovoltaic Effect Hiệu ứng quang điện PMT Solar cells Tế bào mặt trời SCAPS- Solar Cell CAPacitance Simulator in CAP-mô phỏng một chiều pin mặt 1D 1 Dimension trời SEM Scanning Electron Microscope Hiển vi điện tử quét SPD Spray Pyolysis Deposition Phun phủ nhiệt phân TCO Transparent conducting oxide Ôxít dẫn điện trong suốt USPD Ultrasonic Spray Pyolysis Deposition Phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm UV-VIS UV-VIS Spectrophotometer Máy quang phổ hấp thụ UV-VIS XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X 7 Danh mục các bảng Bảng 1.1 Dự báo công suất năng lượng tái tạo năm 2030-2035 và năm 2050 [143] .2 Các thông số đặc trưng của PMT CuInS2 lý tưởng và PMT CuInS2 thực đạt hiệu suất cao nhất hiện nay [71],[153] .3 Một số tính chất vật lý của vật liệu ZnO .1 Bảng tóm tắt các phương pháp sử dụng để khảo sát các lớp chức năng .2 Danh mục các hóa chất sử dụng.3 Trị số đường kính aerosol phụ thuộc loại dung môi .4 Các kiểu dao động của màng nano ZnO .5 Các thông số kích thước màng ZnO phụ thuộc nhiệt độ lắng đọng .6 Hàm lượng của các nguyên tố trong các mẫu .7 Thông số điện của các mẫu .8 Danh mục hóa chất sử dụng .9 Các thông số cấu trúc và kích thước tinh thể của các mẫu CIS-06, CIS-08, CIS-12, CIS-21 và CIS-26 .10 Thành phần các nguyên tố trong các mẫu CIS-06, CIS-08, CIS-12, CIS-21, CIS-26 .11 Các thông số điện của mẫu lắng đọng với chiều dày khác nhau .12 Danh mục hóa chất sử dụng .13 Các thông số điện của các mẫu CdS lắng đọng .1 Số liệu mô phỏng theo sơ đồ tương đương của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag .1 Các thông số đầu vào mô phỏng ảnh hưởng của nhiệt độ Te .2 Kết quả mô phỏng theo nhiệt độ Te.3 Thông số cơ bản đầu vào mô phỏng .4 Các thông số của PMT mô phỏng bằng SCAPS-1D khi chiều dày lớp hấp thụ thay đổi .5 Các thông số quang điện của pin mặt trời mô phỏng bằng SCAPS-1D .6 Các thông số quang điện của pin mặt trời với chiều dày lớp hấp thụ khác nhau .7 Các thông số đầu vào mô phỏng sử dụng trong trường hợp so sánh với mẫu thực nghiệm .8 So sánh thông số của mẫu thực nghiệm PMT -10 và mẫu mô phỏng M05 .9 Các thông số quang điện của pin mặt trời với nồng độ muối kẽm acetat khác nhau .119 8 Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Xu hướng tiêu thụ năng lượng toàn cầu từ 1990 đến 2040 [16] .2 Công suất các nguồn năng lượng tái tạo trong những năm gần đây (1) Năng lượng tái tạo hydro, (2) năng lượng gió, (3) năng lượng sinh khối, (4) năng lượng mặt trời, (5) năng lượng địa nhiệt [130] .3 Sự phát triển của các thế hệ pin mặt trời [17].4 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của pin mặt trời .5 Cấu trúc một chiều của PMT chuyển tiếp PN đồng chất.6 Đồ thị mật độ dòng ngắn mạch Jsc phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm Eg [9], [172] .7 Đồ thị điện áp hở mạch Voc phụ thuộc vào .8 Đồ thị hiệu suất quang điện  phụ thuộc.9 Đặc trưng J-V của PMT trong điều kiện trong tối và chiếu sáng [89] .10 Sơ đồ tương đương của PMT thực [183][180].11 Đồ thị phụ thuộc ảnh hưởng của các điện trở lên đặc trưng J-V sáng [180],[128],[89] a)Ảnh hưởng của RS b) Ảnh hưởng của Rsh .12 Cấu trúc PMT màng mỏng chalcopyrite [11] .13 Trạng thái điện tử của bán dẫn khối(a), tinh thể nhỏ(b) và phân tử(c) .14 Giản đồ năng lượng của các bán dẫn .15 Giản đồ năng lượng trong hai trường hợp (giả thiết rằng năng lượng vùng cấm của bán dẫn A lớn hơn bán dẫn B và các photon được hấp thụ trong B) .16 Giản đồ năng lượng của pin mặt trời cấu trúc nano .17 Sơ đồ các dạng cấu trúc của pin mặt trời cấu trúc nano.18 Cấu trúc tinh thể Wurtzite của vật liệu ZnO .19 Cấu trúc vùng năng lượng của hợp chất AIIBVI (a) và của ZnO (b) .20 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun phủ nhiệt phân [95][160] .21 Sơ đồ khối hệ phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm.22 Hệ thiết bị USPD kết hợp ILGAR .1 Cấu trúc pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano .2 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở TS=420oC với các tỉ lệ thể tích của C3H7OH và nước (ảnh trái là độ phóng đại 100k, ảnh phải là độ phóng đại 25k) (a) VC3H7OH:VH2O = 3:3 (b) VC3H7OH:VH2O =3:2 (c) VC3H7OH:VH2O = 3:1 .3 Sự va chạm của các aerosol lên trên bề mặt đế nóng [144]. 4 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở TS=420oC .5 Kết quả tách phổ Raman thu được trong dải số sóng 300 ÷ 500 cm-1 bằng kỹ thuật tách phổ trên cơ sở phân bố Lorenzt .