MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 - KHÁI QUÁT VỀ PMT MÀNG MỎNG THẾ HỆ MỚI DỰA TRÊN LỚP HẤP THỤ CuIn1-xGaxSe2 (CIGS) 5

1.1 Lịch sử phát triển 5

1.2 Những thách thức đặt ra 7

1.3 Cấu trúc cơ bản và các tham số đặc trưng 9

1.3.1 Cấu trúc cơ bản của PMT 9

1.3.2 Các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của PMT màng mỏng CIGS 10

1.4 Một số phương pháp chế tạo lớp hấp thụ CIGS 12

1.4.1 Đồng bốc bay từ các nguồn nguyên tố 12

1.4.2 Selen hóa của các lớp bán vật liệu dạng kim loại 13

1.4.3 Lắng đọng hơi hóa học 13

1.4.4 Các phương pháp pha lỏng nhiệt độ thấp 14

CHƯƠNG 2 - CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MỘTCHIỀU AMPS – 1D (Analysis of Microelectronic and Photonic Structures) 15

2.1 Phương trình Poisson 15

2.1.1 Nồng độ điện tử tự do và nồng độ lỗ trống tự do 16

2.1.2 Nồng độ trạng thái định xứ (ND+, NA-, pt, nt) 18

2.1.3 Nồng độ các mức sai hỏng (nt và pt) 22

2.2.1 Mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống (Jn và Jp) 23

2.2.2 Quá trình tái hợp của hạt dẫn 24

CHƯƠNG 3 - CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MỘT CHIỀU AMPS – 1D 26

3.1 Các tham số cơ bản 26

3.1.1 Điều kiện môi trường 26

3.1.2 Cấu trúc mô hình. 29

3.2 Tính chất chung. 30

3.2.1 Điều kiện ban đầu, hệ số phản xạ mặt trước và sau 30

3.2.2 Hệ số phản xạ 30

3.2.3 Sự tái hợp bề mặt 31

3.3 Tính chất của các lớp 31

3.3.1 Tốc độ hạt tải và mối liên hệ với mật độ trạng thái 32

3.3.2 Nồng độ hạt tải 33

3.3.3 Sự dịch chuyển năng lượng giữa các lớp (chuyển tiếp dị chất) 33

3.3.4 Hệ số hấp thụ 35

3.4 Các trạng thái sai hỏng 35

3.4.1 Mật độ trạng thái sai hỏng trung hoà và ion hoá 37

3.4.2 Sự phân bố sai hỏng 38

CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39

4.1 Ảnh hưởng của hệ số phản xạ mặt trước 39

4.2 Ảnh hưởng của độ chênh lệch năng lượng đáy vùng dẫn (∆ EC) tại mặt tiếp xúc giữa các lớp 43

4.3 Ảnh hưởng của độ dầy của lớp hấp thụ CIGS 46

4.4 Ảnh hưởng của độ rộng vùng cấm Eg của lớp hấp thụ CIGS 49

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

MỞ ĐẦU

Mặc dù hiệu ứng quang điện được phát hiện vào giữa thế kỷ 19 nhưng cho đến 100 năm sau các nhà khoa học vẫn chưa chế tạo được một pin mặt trời (PMT) nào có tính khả thi. Thử nghiệm đầu tiên về PMT dựa trên Silic do Chapin, Fuller và Pearson thực hiện tại phòng thí nghiệm Bell vào năm 1954 với hiệu suất chuyển đổi là 6 %. Cùng với thời gian, các nhà khoa học đã không ngừng sáng tạo và phát triển để nâng cao hiệu suất chuyển đổi của PMT. Tính cho đến nay, PMT dựa trên hiệu ứng quang điện đã trải qua ba thế hệ. Thế hệ đầu tiên là các pin mặt trời dựa trên Si mà sản phẩm của nó đang là loại phổ biến nhất. Thế hệ thứ hai là PMT loại màng mỏng CIGS. Hầu hết, các nghiên cứu của loại pin này đang tiếp cận với sản xuất quy mô lớn và giá thành thấp. Thế hệ thứ ba là một nhóm các công nghệ mới chưa được triển khai trên quy mô lớn nhưng hứa hẹn tiềm năng về hiệu suất chuyển đổi và giá thành.

Cho đến nay, các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu, sáng tạo và phát triển công nghệ tiên tiến nhằm tạo ra các linh kiện đa chức năng với tốc độ xử lí ngày càng cao. Bên cạnh đó, các kỹ thuật tổng hợp vật liệu cũng phát triển nhanh chóng, trong đó công nghệ chế tạo màng mỏng đang ngày càng được quan tâm chú ý bởi các tính chất quý báu và khả năng thu nhỏ kích thước các linh kiện điện tử. Vì vậy, PMT thế hệ mới dựa trên lớp hấp thụ là màng mỏng chất bán dẫn CuIn1-xGaxSe2 (CIGS) đang là một hướng nghiên cứu được các nhà khoa học trên thế giới rất quan tâm. Với đặc tính là màng mỏng, loại pin mặt trời này có rất nhiều ưu điểm nổi bật so với loại cổ điển dựa trên silic như: giá thành thấp, nhẹ, bền vững, có thể làm trên loại đế có thể uốn cong, đặc biệt các lớp có thể được chế tạo liên tục thành một panel hoàn chỉnh với kích thước lớn. Trong phòng thí nghiệm, hiệu suất chuyển đổi năng lượng kỷ lục của một pin mặt trời thế hệ mới loại màng mỏng CIGS là 19,9 % cho một mẫu nhỏ. Ở quy mô sản xuất thử, hiệu suất chuyển đổi năng lượng thu được khoảng 13 - 15% cho một panel kích thước 60 x 90 cm2 .

Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu về PMT thế hệ mới loại màng mỏng CIGS đang được một nhóm các nhà khoa học tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, khoa Vật Lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội tiến hành.

Mục tiêu của bài khoá luận này là xác định mối liên hệ tính chất của các lớp và hệ số phản xạ mặt trước lên hiệu năng hoạt động của một pin, nhằm hiểu rõ hơn cơ chế nâng cao phẩm chất của pin. Đây chính là những bước đầu tiên chuẩn bị về kiến thức và phương pháp chế tạo để đưa ra khả năng sản xuất các PMT hoàn chỉnh với quy mô sản xuất thử.

Phương pháp nghiên cứu chính của đề tài là các tính toán mô phỏng hoạt động của một cấu trúc pin hoàn chỉnh với các thông số đầu vào được chọn một cách thích hợp, chủ yếu thu được từ các tính toán thực nghiệm. Các kết quả mô phỏng sẽ là cơ sở cho việc thiết kế cấu trúc, định hướng cho quy trình công nghệ chế