Đang tải... (xem toàn văn)
PHÂN TÍCH CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MỘTCHIỀU AMPS – 1D (Analysis of Microelectronic and Photonic Structures)
MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG - KHÁI QUÁT VỀ PMT MÀNG MỎNG THẾ HỆ MỚI DỰA TRÊN LỚP HẤP THỤ CuIn1-xGaxSe2 (CIGS) 1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Những thách thức đặt 1.3 Cấu trúc tham số đặc trưng .9 1.3.1 Cấu trúc PMT 1.3.2 Các đặc trưng hiệu hoạt động 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 nguồn nguyên tố 12 1.4.2 Selen hóa lớp bán vật liệu dạng kim loại 13 1.4.3 Lắng đọng hóa học 13 1.4.4 Các phương pháp pha lỏng nhiệt độ thấp .14 CHƯƠNG - 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 nồng độ lỗ trống tự 16 2.1.2 Nồng độ trạng thái định xứ (ND+, NA-, pt, nt) 18 2.1.3 Nồng độ mức sai hỏng (nt pt) 22 2.2.1 Mật độ dòng điện tử mật độ dòng lỗ trống (Jn Jp) .23 2.2.2 Quá trình tái hợp hạt dẫn .24 CHƯƠNG - CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG MỘT CHIỀU AMPS – 1D 26 3.1 Các tham số 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 sau .30 3.2.2 Hệ số phản xạ 30 3.2.3 Sự tái hợp bề mặt 31 3.3 Tính chất lớp 31 3.3.1 Tốc độ hạt tải mối liên hệ với mật độ trạng thái 32 3.3.2 Nồng độ hạt tải 33 3.3.3 Sự dịch chuyển lượng 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 hồ ion hố 37 3.4.2 Sự phân bố sai hỏng 38 CHƯƠNG - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .39 4.1 Ảnh hưởng hệ số phản xạ mặt trước 39 4.2 Ảnh hưởng độ chênh lệch lượng đáy vùng dẫn (∆ EC) mặt tiếp xúc lớp 43 4.3 Ảnh hưởng độ dầy lớp hấp thụ CIGS 46 4.4 Ảnh hưởng độ rộng vùng cấm Eg lớp hấp thụ CIGS .49 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 MỞ ĐẦU Mặc dù hiệu ứng quang điện phát vào kỷ 19 100 năm sau nhà khoa học chưa chế tạo pin mặt trời (PMT) có tính khả thi Thử nghiệm PMT dựa Silic Chapin, Fuller Pearson thực phịng thí nghiệm Bell vào năm 1954 với hiệu suất chuyển đổi % Cùng với thời gian, nhà khoa học không ngừng sáng tạo phát triển để nâng cao hiệu suất chuyển đổi PMT Tính nay, PMT dựa hiệu ứng quang điện trải qua ba hệ Thế hệ pin mặt trời dựa Si mà sản phẩm loại phổ biến Thế hệ thứ hai PMT loại màng mỏng CIGS Hầu hết, nghiên cứu loại pin tiếp cận với sản xuất quy mô lớn giá thành thấp Thế hệ thứ ba nhóm cơng nghệ chưa triển khai quy mô lớn hứa hẹn tiềm hiệu suất chuyển đổi giá thành Cho đến nay, nhà khoa học không ngừng nghiên cứu, sáng tạo phát triển công nghệ tiên tiến nhằm tạo linh kiện đa chức với tốc độ xử lí ngày cao Bên cạnh đó, kỹ thuật tổng hợp vật liệu phát triển nhanh chóng, cơng nghệ chế tạo màng mỏng ngày quan tâm ý tính chất quý báu khả thu nhỏ kích thước linh kiện điện tử Vì vậy, PMT hệ dựa lớp hấp thụ màng mỏng chất bán dẫn CuIn 1GaxSe2 (CIGS) hướng nghiên cứu nhà khoa học giới x quan tâm Với đặc tính màng mỏng, loại pin mặt trời có nhiều ưu điểm bật so với loại cổ điển dựa silic như: giá thành thấp, nhẹ, bền vững, làm loại đế uốn cong, đặc biệt lớp chế tạo liên tục thành panel hồn chỉnh với kích thước lớn Trong phịng thí nghiệm, hiệu suất chuyển đổi lượng kỷ lục pin mặt trời hệ loại màng mỏng CIGS 19,9 % cho mẫu nhỏ Ở quy mô sản xuất thử, hiệu suất chuyển đổi lượng thu khoảng 13 - 15% cho panel kích thước 60 x 90 cm2 [13] Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu PMT hệ loại màng mỏng CIGS nhóm nhà khoa học 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 khoá luận xác định mối liên hệ tính chất lớp hệ số phản xạ mặt trước lên hiệu hoạt động pin, nhằm hiểu rõ chế nâng cao phẩm chất pin Đây bước chuẩn bị kiến thức phương pháp chế tạo để đưa khả sản xuất PMT hồn chỉnh với quy mơ sản xuất thử Phương pháp nghiên cứu đề tài tính tốn mơ hoạt động cấu trúc pin hồn chỉnh với thông số đầu vào chọn cách thích hợp, chủ yếu thu từ tính tốn thực nghiệm Các kết mơ sở cho việc thiết kế cấu trúc, định hướng cho quy trình cơng nghệ chế tạo CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ PMT MÀNG MỎNG THẾ HỆ MỚI DỰA TRÊN LỚP HẤP THỤ CuIn1-xGaxSe2 (CIGS) 1.1 Lịch sử phát triển Hiện nay, lượng vấn đề thời quốc gia Từ trước tới nay, người sử dụng nguồn lượng sẵn có nguồn gốc từ hóa thạch như: than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên Những nguồn lượng có nguy cạn kiệt có khả không đủ đáp ứng nhu cầu lượng người Bên cạnh đó, cuối kỉ 21, nóng lên tồn cầu làm tăng nhiệt độ trung bình khí trái đất lên 1,4 oC – 5,8 oC Việc hướng tới dạng lượng sạch, với khơng có phát xạ thử thách lớn kỷ XXI Một nỗ lực đầy hứa hẹn ứng dụng hiệu ứng quang điện để tận dụng lượng lớn lượng mà trái đất nhận giây từ mặt trời[12] Hội nghị lượng toàn cầu Born năm 2004 khẳng định tâm giới thay 20 % lượng điện truyền thống nguồn lượng có điện mặt trời vào năm 2020 Trong vài công nghệ ứng dụng để thu hiệu suất cao thành cơng tốt màng mỏng từ tế bào lượng mặt trời Thiết bị chế tạo công nghệ lắng đọng không tốn dựa chất khơng đắt Vì vậy, chúng có tiềm để trở thành nguồn lượng có sức cạnh tranh mặt kinh tế thập kỷ sau PMT hệ dựa lớp hấp thụ CuIn1-xGaxSe2 (CIGS) đạt hiệu cao tất màng mỏng tế bào lượng mặt trời Hiệu suất chuyển đổi lượng pin mặt trời kỷ lục 19,9 % Pin mặt trời ngày Công nghiệp quang điện trở thành sản phẩm thương mại trị giá hàng tỷ đô la, sản phẩm quang điện vượt qua 1GW thời gian đầu năm 2004 người ta hy vọng vượt qua 3GW vào năm 2010 Thị trường tăng với tốc độ kép vài năm gần (20% – 40% năm) Giá đưa phạm vi đô la Watt peak ($/Wp) tiếp tục giảm, xấp xỉ với đường cong nghiên cứu 80% [11] Đường cong nghiên cứu hình chỉ Khi sản lượng tăng lên đến 100 % giá thành chỉ tương đương giá nhiên liêu hóa thạch Chúng ta hi vọng điều xảy khoảng 15 năm Công nghệ Silicon tinh thể quang điện sở cho PMT giá nguyên vật liệu đắt nhiều Như vậy, PMT màng mỏng trở thành ứng cử viên nhiều hứa hẹn cho sản xuất PMT với số lượng lớn Hình 1: Quá trình phát triển pin mặt trời Các PMT loại màng mỏng CIGS có lợi đáng kể giá đường cong nghiên cứu mức thấp so với công nghệ Silic Các màng mỏng chế tạo với chi phí sản phẩm thấp Sự thành công thương mại PMT quan trọng thúc đẩy phát triển tương lai Sự thành cơng lại phụ thuộc chủ yếu vào khuyến khích phủ như: giảm giá thuế, trợ cấp lắp đặt Hiện nay, PMT hệ loại màng mỏng CIGS chiếm 10 % thị phần hàng hóa pin quang điện Tồn sản phẩm điện từ mặt trời không đáng kể so với lượng lượng mà giới yêu cầu Vì vậy, hướng nghiên cứu pin mặt trời hệ loại màng mỏng cấp thiết có tính khả thi PMT đến năm 2050 Đối mặt với tình trạng cơng nghiệp hóa tăng dân số giới liên tục, loài người phải đương đầu với thách thức yêu cầu lượng Từ năm 2000 đến năm 2050, yêu cầu lượng trung bình tăng từ 13 TW (2000) đến khoảng 30 TW Năng lượng tập trung chủ yếu vào lượng nhiên liệu hóa thạch Nhân tố thúc đẩy lượng tái tạo làm tăng sản xuất khí gây hiệu ứng nhà kính, đặc biệt khí CO tích tụ khí Từ cuối kỉ XIX, nồng độ CO2 tăng từ khoảng 280 phần triệu (ppm) đến 360 ppm [16] Nồng độ CO tăng từ 450 đến 550 ppm dự đoán gây thay đổi thời tiết Với tốc độ tiêu thụ lượng hóa thạch nhu cầu sử dụng lượng toàn cầu tăng, phải đối mặt với nguồn nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt nồng độ CO2 tăng đến 750 ppm vào năm 2050, gấp lần nồng độ [9] Trong viễn cảnh này, Trái đất trở thành nơi có hội sống Vấn đề nguời phải làm để tận dụng nguồn lượng đáp ứng yêu cầu xã hội bảo vệ mội trường sống Như vậy, lượng mặt trời ứng cử viên tốt ngăn chặn thảm hoạ khí hậu 1.2 Những thách thức đặt Việc phát triển loại pin mặt trời màng mỏng CIGS có vướng mắc cần nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu tháo gỡ Vấn đề lớn đặc trưng hiệu hoạt động (dòng cực đại, cực đại, hiệu suất biến đổi lượng, hệ số lấp đầy) loại pin chưa cao sản xuất qui mơ lớn cịn chưa ổn định, tức phụ thuộc nhiều yếu tố thành phần, cấu trúc, công nghệ chế tạo Để giải toán này, trước hết nhà khoa học phải chế tạo lớp riêng rẽ cấu trúc pin với phẩm chất mong muốn, phải hiểu mối liên quan điều kiện chế tạo với tính chất vật liệu, tính chất lớp riêng rẽ với hiệu hoạt động toàn cấu trúc Trong lĩnh vực này, nghiên cứu thực nghiệm chế tạo mẫu phương pháp khác nhau, đo đạc đặc tính vật liệu, phương pháp mô công cụ hữu hiệu [11-12] Ở tốn mơ phỏng, nhà nghiên cứu ý khảo sát ảnh hưởng tham số đặc trưng vật liệu lên hiệu làm việc pin thơng qua mơ hình vi mơ chế hoạt động Một loạt hướng nghiên cứu khác nhà khoa học tiến hành giảm chiều dầy lớp [6-7], tăng cường độ bền học pin, nâng cao suất chế tạo, giảm giá thành đảm bảo an tồn mơi trường chế tạo [4-15] Trên giới có số trung tâm nghiên cứu mạnh pin mặt trời màng mỏng CIGS, điển hình NREL (Mỹ), Đại học Tổng hợp Colorado (Mỹ), Đại học Tổng hợp Uppsala (Thụy Điển) với kinh phí lớn, khoảng 10 đến 20 triệu đô la cho dự án Tại trung tâm này, nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu xây dựng dây chuyền sản xuất, bên cạnh tiếp tục nghiên cứu theo hướng nêu Vấn đề thứ hai đặt độ bền lâu dài thiết bị Câu hỏi đặt số mô đun giữ chất lượng bền vững số khác khơng? Để trả lời câu hỏi này, cần hiểu biết tốt chế suy giảm linh kiện, phận mơ đun hồn chỉnh Ví dụ, việc thấm nước qua vỏ bọc làm suy giảm chất lượng Vì vậy, việc cải tiến hàng rào màng mỏng với nước nâng cao độ bền hoạt động Nhiều nghiên cứu tiến hành để điểu chỉnh khảo sát chất lượng mô đun CIGS ngồi mơi trường Cho tới ngày nay, mức độ hiểu biết nguyên nhân làm suy giảm chất lượng không phù hợp thiếu đồng nghiên cứu thiết bị mơ đun Tình hình nghiên cứu sử dụng PMT Viêt Nam thể đầy đủ Hội thảo quốc tế “Điện mặt trời công nghiệp từ sản xuất chế tạo đến khai thác hiệu quả” tổ chức thành phố Hồ Chí Minh vào tháng năm 2008 [1] Tại Việt Nam, nghiên cứu PMT sớm đối tượng PMT silic Việc sử dụng PMT mức độ hạn chế Thời gian gần đây, qui mô sử dụng PMT phát triển nhanh chóng sở loại pin silic thường nhập từ nước dạng bán thành phẩm thành phẩm Trước nhu cầu lớn PMT, đặc biệt nhu cầu phục vụ vùng sâu, vùng xa, hải đảo, tầu đánh cá, gần nhất, số nhà máy sản xuất mô đun PMT loại silic khởi công xây dựng Việt Nam với dây chuyền cơng nghệ hồn tồn nhập Một số cơng ty nước cho mắt sản phẩm phục vụ ngành điện mặt trời thiết bị lưu điện, thiết bị chuyển đổi điện ăcqui thành điện lưới Như điện mặt trời có nhu cầu tiềm lớn nước ta Các thông tin cho thấy PMT hệ sở màng mỏng CIGS lĩnh vực Việt Nam 1.3 Cấu trúc tham số đặc trưng 1.3.1 Cấu trúc PMT PMT hệ dựa lớp hấp thụ CIGS chế tạo dựa thuỷ tinh chất không chỉ sử dụng công nghệ lắng đọng Cấu trúc pin mô tả hình vẽ đây: Lưới Al Hình 2: Cấu trúc pin mặt trời với lớp hấp thụ CIGS Lớp lớp dẫn điện suốt ZnO, lớp hệ số phản xạ thấp hiệu pin cao Do vậy, việc tạo lớp chống phản xạ bề mặt cần thiết Trên thực tế, thường sử dụng MgF2 Lớp thứ hai lớp đệm CdS với độ dày khoảng (50 nm) Phần lớn photon có bước sóng ngắn bị hấp thụ lớp Lớp thứ ba lớp hấp thụ CIGS với độ dày khoảng 1000 nm – 3000 nm, hệ số hấp thụ lớn khoảng 105cm-1 Phần lớn ánh sáng chiếu tới bị hấp thụ lớp Lớp dẫn điện đế Al Cuối cùng, lớp đế Mo [14] Trong lớp tạo nên cấu trúc hồn chỉnh PMT, có ba lớp đóng vai trị quan trọng lớp hấp thụ CIGS, lớp đệm CdS lớp dẫn điện truyền qua suốt ZnO Trong đó, lớp hấp thụ CIGS bán dẫn loại p, lớp CdS lớp ZnO bán dẫn loại n Cả ba lớp chất bán dẫn nên thông số đầu vào tham số tính chất chất bán dẫn số điện môi, hệ số hấp thụ, độ rộng vùng cấm, nồng độ hạt tải, độ linh động hạt tải Ảnh hưởng sai hỏng tính đến qua tham số mật độ, phân bố sai hỏng, tiết diện bắt điện tử lỗ trống trạng thái sai hỏng Phân bố vùng lượng mặt phân cách phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm lực hóa học lớp Ngoài ra, hiệu ứng bề mặt lớp ZnO mặt đáy CIGS tính đến thông qua tham số hệ số phản xạ, tốc độ điện tử lỗ trống tái hợp Ngoại trừ tham số chọn để khảo sát, tham số khác chọn từ số liệu thực nghiệm giả thiết thích hợp Hoạt động pin mô điều kiện chiếu sáng tiêu chuẩn AM-1.5G 300 K 1.3.2 Các đặc trưng hiệu hoạt động PMT màng mỏng CIGS Luận văn nghiên cứu tập trung bốn thông số đặc trưng đầu hiệu hoạt động PMT: Thế hở mạch, mật độ dòng đoản mạch, hệ số lấp đầy hiệu suất chuyển đổi lượng 10 ... tiếp dị thể n-Si/p-CIS 14 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG MỘTCHIỀU AMPS – 1D (Analysis of Microelectronic and Photonic Structures) Chương trình mơ chiều AMPS – 1D chương trình đa để khảo sát ảnh... dung chương trình giải phương trình Poisson hai phương trình liên tục với điều kiện biên thích hợp [17] 2.1 Phương trình Poisson Trong khơng gian chiều, phương trình Poisson mơ tả phân bố điện tích, ... mạch, hệ số lấp đầy hiệu suất chuyển đổi lượng 10 Bảng 1: Các thông số đặc trưng đầu chương trình mơ chiều AMPS – 1D Thông số Ký hiệu Đơn vị Xác định Thế hở mạch Voc V J=0 Mật độ dòng đoản mạch JSC
