Luận án tiến sĩ Vật lý: Động học lắng đọng lớp hấp thụ pin mặt trời màng CIGS bằng phương pháp điện hóa - ĐHQG Hà Nội 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Đặng Thị Bích Hợp NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH LẮNG ĐỌNG LỚP HẤP THỤ CỦA PIN MẶT TRỜI MÀNG CIGS TRONG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Đặng Thị Bích Hợp NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH LẮNG ĐỌNG LỚP HẤP THỤ CỦA PIN MẶT TRỜI MÀNG CIGS TRONG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt Mã số: (Đào tạo thí điểm) LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Phạm Hồng Quang 2. Đỗ Thị Kim Anh Hà Nội – 2015 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tác giả LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin kính gửi tới PGS.

Phạm Hồng Quang và PGS. Đỗ Thị Kim Anh những lời cảm ơn sâu sắc nhất. Các Thầy là người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG Hà Nội đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi trong quá trình thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Đỗ Phúc Quân và NCS. Lưu Mạnh Quỳnh, những người đã rất nhiệt tình cùng tôi thực hiện các phép đo đạc và vận hành các thiết bị thí nghiệm. Tôi cũng xin gửi tới TS.

Ngô Đình Sáng, TS. Trần Hải Đức, ThS. Đỗ Quang Ngọc lời cảm ơn chân thành vì sự quan tâm, động viên cũng như các ý kiến đóng góp, các thảo luận khoa học trong quá trình hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Phòng Vật lý Khí quyển cũng như Lãnh đạo Viện Vật lý Địa cầu, Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam đã luôn động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian thực hiện luận án.

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới đề tài QG 10-15 đã có những hỗ trợ về kinh phí trong quá trình tôi làm thực nghiệm. Cuối cùng, tôi đặc biết bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Bố, Mẹ, Anh, Chị, Em và đặc biệt là Chồng tôi, những người đã luôn mong mỏi, động viên, giúp tôi thêm nghị lực để hoàn thành luận án này! Hà Nội, tháng 10 năm 2015 Tác giả LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục ………………………………………………………………………….1 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt…………………………….5 Danh mục các bảng …………………………………………………………….6 Danh mục các hình ảnh, đồ thị …………………………………………….11 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG CIGS ……18 1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS. Cấu trúc cơ bản của PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS.

Sơ đồ vùng năng lượng của PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS. Nguyên lý hoạt động của PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS. Đặc trưng dòng-thế (I-V) của PMT. Lớp hấp thụ CIGS.

Tính chất quang điện. Sự hấp thụ ánh sáng. Sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm vào thành phần của CIGS. Cấu trúc tinh thể.

Giản đồ pha và các thông số nhiệt động học. Một số phương pháp lắng đọng chế tạo màng mỏng CIGS. Đồng bốc bay từ các nguồn nguyên tố. Selen hóa của lớp tiền chất kim loại.

Bốc bay từ các nguồn hợp chất. Lắng đọng hơi hóa học. Phương pháp lắng đọng điện hóa một bước chế tạo màng mỏng CIGS. Cơ chế lắng đọng màng CIGS.

Vai trò của các tham số trong lắng đọng điện hóa màng CIGS .36 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Nhiệt động học quá trình lắng đọng điện hóa màng mỏng. Động học điện cực. Quá trình lắng đọng điện hóa của các hợp chất .39 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM.

Phương pháp chế tạo mẫu. Nghiên cứu cơ chế lắng đọng màng CIGS. Kỹ thuật Vol-Ampe Vòng (Cyclic Voltammetry - CV). Kỹ thuật cân vi lượng tinh thể thạch anh trong điện hóa (EQCM).

Nghiên cứu cấu trúc và hình thái bề mặt của màng mỏng. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng (EDS). Phân tích cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Đo độ dày màng mỏng bằng phương pháp Stylus Profiler.

Đo đặc trưng quang - điện. Kỹ thuật ủ xử lý nhiệt.58 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Nghiên cứu cơ chế tạo pha CuSex trong quá trình điện hóa bằng phương pháp EQCM. Thực nghiệm phép đo EQCM kết hợp CV và lắng đọng màng CuSex.

Vai trò của chất tạo phức axit sulfamic trong sự tạo pha CuSex trong chế độ quét thế. Cơ chế lắng đọng của Cu - Nghiên cứu EQCM kết hợp CV. Cơ chế lắng đọng của hệ Cu –Se. Nghiên cứu EQCM kết hợp CV.

Vai trò của chất axit sulfamic trong sự tạo pha CuSex trong chế độ thế không đổi. Lắng đọng tại thế không đổi. Thành phần của các mẫu lắng đọng ở chế độ thế không đổi. Nghiên cứu lắng đọng Ga (hệ CuGaSe2) trên các đế Mo và ITO.

Thực nghiệm về lắng đọng Ga (hệ CuGaSe2) trên các đế Mo và ITO. Các kết quả CV .79 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Đặc trưng I-V của các đơn chất Cu, Ga và Se. Đặc trưng I-V của hệ 3 nguyên Cu-Ga-Se.

Kết quả lắng đọng của màng CuGaSe2. Nghiên cứu cơ chế lắng đọng điện hóa màng mỏng CIGS bằng phương pháp Vol-Ampe Vòng (CV). Thực nghiệm về lắng đọng điện hóa màng mỏng CIGS bằng phương pháp Vol-Ampe Vòng (CV). Ảnh hưởng của nồng độ chất tạo phức axit sulfamic lên quá trình lắng đọng điện hóa lớp hấp thụ CIGS - Các kết quả CV.

Đặc trưng I-V của các đơn chất Cu, Ga, In và Se. Đặc trưng I-V của hệ 2 nguyên Cu- Se. Đặc trưng I-V của hệ bốn Cu-In-Ga-Se. Ảnh hưởng của nồng độ chất tạo phức axit sulfamic acid lên thành phần màng CIGS.

Ảnh hưởng của nồng độ axit sulfamic lên thành phần màng mỏng CIGS trước khi xử lý nhiệt. Ảnh hưởng của nồng độ axit sulfamic lên thành phần màng mỏng CIGS sau khi xử lý nhiệt. Ảnh hưởng của nồng độ axit sulfamic lên độ dày, hình thái học và độ kết tinh màng CIGS. Chế tạo màng mỏng CIGS với hợp thức Cu(In0.3)Se2 và khảo sát đặc trưng quang điện.

Thực nghiệm chế tạo màng mỏng CIGS với hợp thức Cu(In0.3)Se2 và khảo sát đặc trưng quang điện. Chế tạo màng mỏng CIGS với hợp thức Cu(In0. Sự phụ thuộc vào điện thế của thành phần màng CIGS. Ảnh hưởng của nồng độ ion Cu2+ lên thành phần màng CIGS.

Chế tạo thử nghiệm tế bào PMT đơn giản dựa trên màng mỏng CIGS với hợp thức Cu(In0.106 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu tạo của PMT Al/CIGS/ITO/soda-lime glass. Nguyên lý hoạt động của PMT Al/CIGS/ITO/soda-lime glass. Khảo sát đặc trưng quang điện .109 KẾT LUẬN CHƯƠNG III .111 KẾT LUẬN CHUNG .112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN …………………………………………………………….113 TÀI LIỆU THAM KHẢO .114 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt chữ viết tắt CE Counter Electrode Điện cực đếm CV Cyclic Voltammetry Quét thế vòng CVD Chemical Vapour Deposition Lắng đọng hơi hóa học dc Direct current Dòng điện một chiều ED Electrochemical Deposition Lắng đọng điện hóa EDS Energy Dispersive Spectroscopy Phổ tán sắc năng lượng EMF Electromotive force Lực điện động lực EQCM Electrochemical Quartz Crystal Cân vi lượng tinh thể thạch anh Microbalance trong lắng đọng điện hóa FF Fill factor (%) Hệ số điền đầy J SC Short circuit open density Mật độ dòng đoản mạch (mA/cm2) MBE Molecular Beam Epitaxy Epitaxi chùm phân tử PMT Solar cell Pin mặt trời PV Photovoltaic Quang điện RE Reference Electrode Điện cực so sánh SCE Satured Calomel Electrode Điện cực calomel bão hòa SEM Scanning Electron Microscopy Hiển vi điện tử quét SHE Standard Hydrogen Electrode Điện cực chuẩn hydro TCO Transparent Conducting oxide Oxit dẫn điện trong suốt VOC Open circuit voltage (V) Thế hở mạch WE Working Electrode Điện cực làm việc CIGS Copper indium gallium (di)selenide Vật liệu bán dẫn gồm đồng, indi, (CuInxGa(1-x)Se2 ) gali, và selen ITO Tin oxide doped Indium Oxit thiếc pha tạp Indi 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Một số kết quả sử dụng làm nguồn Se trong phương pháp Selen hóa .1: Giá trị x mô tả thành phần của màng phát triển trong quá trình lắng đọng với chế độ thế không đổi được đo bằng EDS.2: Thành phần mẫu CuGaSe2 lắng đọng trên hai đế ITO và Mo tại các điện thế khác nhau.3: Thành phần của màng mỏng CIGS chưa ủ được chế tạo ở -0,9 V trong dung dich chứa axit sulfamic với nồng độ khác nhau được đo bằng EDS.4: Thành phần của màng mỏng CIGS sau ủ được chế tạo ở -0,9 V trong dung dich chứa axit sulfamic với nồng độ khác nhau được đo bằng EDS.5: Thành phần của màng CIGS lắng đọng ở các điện thế khác nhau được đo bằng EDS.6: Thành phần trước khi ủ của các mẫu CIGS được lắng đọng ở -0.9 V từ dung dịch có nồng độ ion Cu2+ khác nhau được đo bằng EDS .7: Thành phần sau khi ủ của các mẫu CIGS được lắng đọng ở -0.9 V từ dung dịch có nồng độ ion Cu2+ khác nhau được đo bằng EDS .105 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Độ rộng vùng cấm thay đổi theo hằng số mạng của một số chất bán dẫn .2: Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ α vào năng lượng photon của một số chất bán dẫn .3: Cấu trúc một PMT màng mỏng CIGS .4: Sơ đồ vùng năng lượng của PMT dạng ZnO/CdS/CIGS .5: Sự tạo thành dòng điện của các điện tử-lỗ trống .6: Sơ đồ minh họa đặc trưng dòng –thế của PMT trong điều kiện chiếu sáng và không chiếu sáng ……………………………………………………………….7: Mạch điện tương đương của một PMT thực .8: Hiệu suất theo lý thuyết (“Wirkungsgrad”) như một hàm của năng lượng vùng cấm ………………………………………………………………………….9: Cấu trúc tinh thể Cu(In,Ga)Se2 (màu đỏ: Cu, màu vàng: Se, màu xanh: In/Ga) .10: Giản đồ pha của hệ Cu-Se .11: Gian đồ pha của hệ Ga-Se …………………………………………….