Nghiên cứu chế tạo vật liệu dẫn điện trong suốt và vật liệu hấp thụ ánh sáng nhằ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ THU HIỀN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT VÀ VẬT LIỆU HẤP THỤ ÁNH SÁNG NHẰM SỬ DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI CZTSe LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ THU HIỀN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT VÀ VẬT LIỆU HẤP THỤ ÁNH SÁNG NHẰM SỬ DỤNG TRONG PIN MẶT TRỜI CZTSe Ngành: Khoa học vật liệu Mã số: 9440122 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. NGUYỄN DUY CƯỜNG 2. NGUYỄN HỮU DŨNG Hà Nội – 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi, NCS. Nguyễn Thị Thu Hiền, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của: PGS.

Nguyễn Duy Cường và TS. Nguyễn Hữu Dũng. Kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án là khách quan, trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố. Hà nội, ngày 31 tháng 01 năm 2020 Thay mặt tập thể giáo viên hướng dẫn Tác giả PGS.

Nguyễn Duy Cường NCS. Nguyễn Thị Thu Hiền ii LỜI CẢM ƠN Sau 3 năm nghiên cứu chính thức dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của PGS. Nguyễn Duy Cường và TS. Nguyễn Hữu Dũng, tôi đã hoàn thành bản Luận án với đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu dẫn điện trong suốt và vật liệu hấp thụ ánh sáng nhằm sử dụng trong pin mặt trời CZTSe”.

Qua bản luận án này, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS. Nguyễn Duy Cường và TS. Nguyễn Hữu Dũng, những người Thầy đã giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn tập thể các Thầy, Cô giảng viên trong Viện Tiên Tiến Khoa học và Công nghệ, những người đã trực tiếp giảng dạy và trang bị cho tôi những kiến thức cơ bản về ngành khoa học Vật liệu Nano.

Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới Ban Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Tiên tiến Khoa học và Công Nghệ (AIST) đã tạo điều kiện cho tôi được học tập và nghiên cứu tại cơ sở trong thời gian vừa qua. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban Lãnh đạo Trường Đại học Điện lực, Khoa Kỹ thuật điện đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi được tập trung học tập và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên trong gia đình, các Anh - Chị - Em đồng nghiệp và Nghiên cứu sinh đã giúp đỡ về công việc cũng như động viên khích lệ tôi rất nhiều về mặt tinh thần để tôi có thể hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu của mình. Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí từ Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) cho nghiên cứu này trong đề tài mã số “103.45” và sự hỗ trợ kinh phí từ nguồn học bổng 911 của Bộ Giáo dục và Đào tạo.

Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 31 tháng 01 năm 2020 Tác giả NCS. Nguyễn Thị Thu Hiền iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.

vii DANH MỤC BẢNG. x DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. xi MỞ ĐẦU. Lý do chọn đề tài.

Mục tiêu của luận án. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Những đóng góp mới của luận án. Bố cục của luận án. 7 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI CZTSe .1 Giới thiệu chung .2 Pin mặt trời CZTSe .1 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời CZTSe .2 Cấu trúc – chức năng cơ bản các lớp trong pin mặt trời CZTSe .2 Lớp chống phản xạ .3 Lớp điện cực cửa sổ .5 Lớp hấp thụ ánh sáng.3 Giản đồ năng lượng của pin mặt trời CZTSe .3 Vật liệu hấp thụ ánh sáng CZTSe .1 Cấu trúc tinh thể CZTSe .2 Tính chất quang – điện của vật liệu CZTSe .1 Độ hấp thụ ánh sáng……………………………………………………….2 Độ rộng vùng cấm của vật liệu CZTSe…………………………………….3 Sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào thành phần của CZTSe……………24 1.3 Vật liệu CZTSe nghèo Đồng .4 Vật liệu dẫn điện trong suốt truyền qua .1 Tính chất quang – điện của vật liệu dẫn điện trong suốt .2 Điện cực dẫn điện trong suốt ứng dụng cho pin mặt trời .5 Giới thiệu các phương pháp chế tạo màng mỏng .1 Pin mặt trời chế tạo dựa trên điều kiện chân không .1 Pin mặt trời chế tạo dựa trên phương pháp phún xạ……………………….2 Pin mặt trời chế tạo dựa trên phương pháp bốc bay…………………………32 1.3 Pin mặt trời chế tạo dựa trên phương pháp lắng đọng xung laser………….2 Pin mặt trời chế tạo dựa trên điều kiện không chân không .1 Pin mặt trời chế tạo dựa trên phương pháp phun phủ nhiệt……………….2 Pin mặt trời chế tạo dựa trên phương pháp lắng đọng điện hóa……………34 1.3 Pin mặt trời chế tạo dựa trên phương pháp Sol – gel………………………35 1.4 Pin mặt trời chế tạo dựa trên dung dịch chứa hạt nano………………………36 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT .1 Chế tạo lớp điện cực cửa sổ ITO bằng phương pháp phún xạ .1 Hệ phún xạ sử dụng để chế tạo lớp điện cực cửa sổ ITO .2 Chế tạo màng ITO bằng phương pháp phún xạ .1 Màng ITO được phún xạ với nồng độ O2 khác nhau: .2 Màng ITO được phún xạ với nhiệt độ đế khác nhau .3 Kết luận về chế tạo màng ITO .2 Chế tạo lớp điện cực cửa sổ AgNW/ITO bằng phương pháp in gạt .1 Phương pháp in gạt và quy trình chế tạo lớp điện cực cửa sổ AgNW/ITO .2 Phân tích kết quả tạo màng AgNW/ITO .1 Ảnh FESEM bề mặt màng AgNW/ITO .3 Phổ truyền qua của màng AgNW/ITO .4 Thử nghiệm trên pin mặt trời CZTSSe (CZTS) .3 Kết luận về màng AgNW/ITO.

53 CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP HẠT NANO Cu(Zn,Sn)Se2 CHO ỨNG DỤNG LÀM LỚP HẤP THỤ ÁNH SÁNG TRONG PIN MẶT TRỜI CZTSe .1 Giới thiệu tổng hợp hạt nano CZTSe .2 Phương pháp phun nóng .3 Quy trình tổng hợp hạt nano CZTSe .4 Phân tích kết quả tổng hợp hạt nano CZTSe .1 Tổng hợp hạt nano CZTSe ở các nhiệt độ khác nhau .1 Ảnh FESEM và Phổ EDX .2 Tổng hợp hạt nano CZTSe theo tỉ lệ tiền chất khác nhau .1 Ảnh FESEM và Phổ EDX .3 Tổng hợp hạt nano CZTSe với các tốc độ phun dung dịch Se khác nhau .1 Ảnh FESEM và Phổ EDX .4 Kết quả thu được trên các mẫu lặp lại .5 Kết luận về tổng howph hạt nano. 73 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LỚP HẤP THỤ ÁNH SÁNG CZTSe VÀ TẾ BÀO PIN MẶT TRỜI .1 Nghiên cứu quá trình chế tạo màng CZTSe làm lớp hấp thụ ánh sáng trong pin mặt trời.1 Giới thiệu phương pháp nghiên cứu .2 Phương pháp in gạt chế tạo lớp hấp thụ ánh sáng CZTSe .1 In gạt tạo màng tiền chất CZTSe .2 Xử lý màng CZTSe ở nhiệt độ cao tạo lớp hấp thụ ánh sáng. 78 a) Quy trình xử lý nhiệt màng CZTSe trong môi trường khí N2….…………………78 b) Xác định điều kiện xử lý nhiệt màng CZTSe trong môi trường khí N 2………….3 Kết quả chế tạo màng CZTSe .1 Màng CZTSe theo nhiệt độ. 80 a) Chế tạo màng ở nhiệt độ khác nhau trong môi trường N2, không có hơi Selen.

80 b) Chế tạo màng ở các nhiệt độ khác nhau trong môi trường N2, có hơi Selen…….2 Màng CZTSe theo lượng hơi Se khác nhau .3 Màng CZTSe theo thời gian xử lý nhiệt khác nhau .4 Kết luận về chế tạo màng CZTSe .2 Nghiên cứu chế tạo pin mặt trời CZTSe hoàn chỉnh .1 Cấu trúc và phương pháp chế tạo các lớp trong pin mặt trời CZTSe hoàn chỉnh……………………………………………………………………………….2 Kết quả chế tạo pin mặt trời CZTSe hoàn chỉnh .3 Kết luận về chế tạo màng hấp thụ ánh sáng và pin mặt trời CZTSe. 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. Kết luận chung về kết quả đạt được của luận án. Kiến nghị và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

92 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 94 Tạp chí ISI. 94 Tạp chí trong nước. 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

95 vii DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Stt Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt 1 EV Valence energy Năng lượng vùng hoá trị 2 EC Conduction energy Năng lượng vùng dẫn 3 Ef Fermi energy Năng lượng Fermi 4 Eg Energy band gap Độ rộng vùng cấm 5 FF Fill factor Hệ số điền đầy 6 e Electron Điện tử 7 h Hole Lỗ trống 8 ISC Short circuit current Cường độ dòng ngắn mạch 9 JSC Short circuit current density Mật độ dòng ngắn mạch 10 SLG Đế thủy tinh 11 VCB Valence Band Maximum Mức cao nhất của vùng hóa trị 12 CBM Conduction Band Minimum Mức thấp nhất của vùng dẫn 13 Rbềmặt Sheet resistance Điện trở bề mặt 14 T Transmitance Độ truyền qua 15 VOC Open circuit voltage Điện thế hở mạch 16 S Sulfide Lưu huỳnh 17 Se Selenium Selen 18  Resistivity Điện trở suất Conversion efficiency of the Hiệu suất chuyển đổi của pin 19  solar cell mặt trời 20 λ Wavelength Bước sóng 21  Ohm Đơn vị điện trở Ohm per square 22 /☐ Đơn vị điện trở bề mặt (Sheet Resistance Unit) Hệ số lan truyền ánh sáng trong 23 AM Air Mass khí quyển 24 AgNW Ag nano wires Màng dây nano Bạc viii 25 AgNW/ITO Ag nano wires/ Tinc Oxide Màng dây nano Bạc phủ ITO 26 AZO Aluminum-doped ZincOxide Oxít kẽm pha tạp nhôm 27 CBD Chemical Bath Deposition Phương pháp nhúng 28 CdS Cadmium sulfide 29 CIGSSe Cu(In,Ga)(S,Se)2 30 CIGS Cu(In,Ga)S2 31 CIS CuInS2 32 CZTSSe Cu(Zn,Sn)(S,Se)2 33 CZTSe Cu(Zn,Sn)Se2 34 CZTS Cu(Zn,Sn)S2 35 DC Direct Curent Dòng một chiều 36 EDX Energy Dispersive X-ray Tán sắc năng lượng tia X Field Emission Scanning Hiển vi điện tử quét phát xạ 37 FESEM Electron Microscope trường 38 FTO Fluorine-doped Tin Oxide Oxít thiếc pha tạp flo 39 ITO Indium Tin Oxide Oxít thiếc indium Joint Committee on Powder Ủy ban chung về tiêu chuẩn 40 JCPDS Diffraction Standards nhiễu xạ của vật liệu 41 MFC Mass Flow Controller Bộ điều khiển lưu lượng khí Standard Cubic Centimeters 42 sccm Đơn vị chuẩn cm3/ phút per Minute Đơn vị cường độ sáng 43 SUN SUN (100 mW/cm2) 44 RF Radio Frequecy Tần số radio Transparent Conducting 45 TCO Oxít dẫn điện trong suốt Oxide Máy quang phổ hấp thụ UV- 46 UV-VIS UV-VIS Spectrophotometer VIS 47 XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X 48 Mo Molypdenium Mo-lip-đen ix 49 ZnO Zinc Oxide Oxít kẽm Thermal Gravimetric 50 TGA Phân tích nhiệt trọng lượng Analysis 51 CdTe Cadmium Terillium 52 PLD Pulsed Laser Deposition Lắng đọng xung laze x DANH MỤC BẢNG Bảng 1.