1 MỞ ĐẦU Theo thông báo Cơ quan Thông tin Năng lượng (EIA) Bộ Năng lượng Mỹ “Outlook Năng lượng Quốc tế” năm 2013 khoảng từ năm 2010 đến 2040 mức tiêu thụ lượng giới dự kiến tăng 56% Có thể nói, lượng mặt trời bắt đầu phát triển đà trưởng thành, giá thành đắt nhiều so với nguồn lượng truyền thống Rõ ràng là, để thực thay đổi định việc nâng cao hiệu suất, giảm giá thành đa dạng hóa ứng dụng, lĩnh vực lượng mặt trời cần đầu tư nhân lực, cơng nghệ tài đáng kể Một loạt yếu tố góp phần giảm giá thành lượng mặt trời như: khả lắng đọng màng mỏng diện tích lớn, khả tự động hóa cơng nghệ, khả tăng hiệu suất quang điện,… Như thấy, vấn đề thu hút quan tâm to lớn giới Việt Nam nghiên cứu công nghệ chế tạo pin mặt trời ứng dụng pin mặt trời màng mỏng Đây thực vấn đề thời thiết nhằm góp phần giải toán an ninh lượng, đặc biệt hướng nghiên cứu pin mặt trời màng mỏng già rẻ, hiệu suất cao thân thiện với môi trường không sử dụng công nghệ chân không Đây sở để lựa chọn nội dung nghiên cứu luận án Tên đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng lớp chức nano ZnO đến hoạt động pin mặt trời màng mỏng glass/TCO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me lắng đọng phương pháp USPDILGAR’’ Mục đích nghiên cứu luận án 1) Nghiên cứu phát triển công nghệ lắng đọng không chân không: USPD-ILGAR 2) Nghiên cứu lắng đọng lớp cửa sổ nanoZnO, nanoZnO:In, nanoZnO:Al, phương pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm USPD để xác định quy trình cơng nghệ phù hợp 3) Nghiên cứu lắng đọng lớp hấp thụ CuInS2 phương pháp USPD để xác định quy trình cơng nghệ phù hợp 4) Nghiên cứu lắng đọng lớp đệm CdS phương pháp USPDILGAR để xác định quy trình cơng nghệ phù hợp 5) Khảo sát ảnh hưởng thông số cơng nghệ lắng đọng tới tính chất phân biên ZnO/CdS CdS/CuInS2 phương pháp phổ trở kháng phức CIS 6) Ứng dụng phần mềm SCAPS-1D để thiết kế pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me 7) Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me phương pháp USPD-ILGAR Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận án 1) Nghiên cứu lắng đọng lớp cửa sổ nanoZnO, nanoZnO:In, nanoZnO:Al, phương pháp USPD 2) Nghiên cứu lắng đọng lớp hấp thụ CuInS2 phương pháp USPD 3) Nghiên cứu lắng đọng lớp đệm CdS phương pháp USPDILGAR 4) Khảo sát ảnh hưởng thơng số lắng đọng tới tính chất phân biên ZnO/CdS CdS/CuInS2 phương pháp phổ trở kháng phức CIS 5) Mô pin mặt trời màng mỏng cấu trúc kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me phần mềm SCAPS-1D 6) Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me phương pháp USPD-ILGAR Phƣơng pháp nghiên cứu Trong cơng trình này, chúng tơi sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với đốn nhận lý thuyết phương pháp mơ phần mềm Zview 3.0 SCAPS-1D Tất mẫu nghiên cứu luận án mẫu tự chế tạo hệ thực nghiệm xây dựng phát triển Các phương pháp lắng đọng bao gồm phương pháp USPD phương pháp USPD-ILGAR Chất lượng mẫu khảo sát phương pháp nhiễu xạ tia X, phổ tán xạ Raman, hiển vi điện tử quét hiển vi lực nguyên tử Hệ số hấp thụ độ rộng vùng cấm quang xác định sở phổ truyền qua UV-VIS Tính chất điện mẫu khảo sát phương pháp hiệu ứng Hall đặc trưng J-V Đặc trưng J-V sáng pin mặt trời khảo sát điều kiện AM1.5 hệ đo Keithley 4200-SCS Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học 1) Nghiên cứu vật lý công nghệ lắng đọng lớp chức pin mặt trời màng mỏng cấu trúc kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me phương pháp USPDILGAR 2) Lần xác định quy trình cơng nghệ USPDILGAR để lắng đọng lớp chức cấu trúc pin mặt trời màng mỏng 3) Lần sử dụng phương pháp phổ trở kháng phức CIS để khảo sát phân biên ZnO/CdS CdS/CuInS2 cấu trúc pin mặt trời màng mỏng Kết nghiên cứu cho phép đánh giá cách định tính tính đồng chuyển tiếp ZnO/CdS CdS/CuInS2 công nghệ lắng đọng chúng 4) Cấu trúc nano lớp cửa sổ ZnO ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt động góp phần gia tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện pin măt trời màng mỏng 5) Các pin mặt trời màng mỏng kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me cấu trúc đảo có hiệu suất chuyển đổi quang điện đạt ƞ= 1.84% Đây giá trị tương đương kết công bố quốc tế thời gian gần Ý nghĩa thực tiễn 1) Kết nghiên cứu công nghệ USPD-ILGAR cho phép ứng dụng công nghệ để lắng đọng lớp chức cấu trúc pin mặt trời màng mỏng khác 2) Công nghệ USPD-ILGAR cho phép mở khả ứng dụng phương pháp công nghệ đơn giản, rẻ tiền để chế tạo pin mặt trời có giá thành thấp 3) Cấu trúc pin mặt trời đảo kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me cấu trúc sử dụng điều kiện nhiệt đới nóng ẩm Kết cấu luận án Nội dung Luận án trình bày chương sau: Chương 1: Tổng quan tài liệu Chương 2: Nghiên cứu công nghệ lắng đọng lớp chức cấu trúc pin mặt trời màng mỏng Chương 3: Khảo sát phân biên ZnO/CdS CdS/CuInS2 phương pháp phổ trở kháng phức CIS Chương 4: Thiết kế chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc kiểu Glass/ITO/ nanoZnO/CdS/CuInS2/Me CHƢƠNG I-TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Năng lƣợng mặt trời - nguồn lƣợng tƣơng lai Lịch sử phát triển giới cho thấy, phát triển kinh tế toàn cầu liên quan chặt chẽ với gia tăng sử dụng lượng phát thải khí nhà kính GHG (Green House Gas) Trong nhiều thập kỷ qua, nhà khoa học có nỗ lực vơ to lớn để giải nhu cầu lượng ngày gia tăng toàn giới giảm thiểu tới mức tối đa gia tăng phát thải khí nhà kính Để đáp ứng nhu cầu ngày tăng, EIA dự báo việc sử dụng than tăng mạnh vòng 20 năm tới gia tăng mạnh việc phát triển nguồn lượng tái tạo giải pháp hữu hiệu nhu cầu lượng Hiện nay, lượng mặt trời nhận quan tâm đặc biệt toàn giới Ở nước phát triển, nhà máy lượng mặt trời hòa với lưới điện quốc gia, nước phát triển, nhà máy lượng mặt trời lại hoạt động đơn vị độc lập Có thể nói, lượng mặt trời bắt đầu phát triển đà trưởng thành, giá thành đắt nhiều so với nguồn lượng truyền thống Rõ ràng là, để thực thay đổi định việc nâng cao hiệu suất, giảm giá thành đa dạng hóa ứng dụng, lĩnh vực lượng mặt trời cần đầu tư nhân lực, cơng nghệ tài đáng kể Một loạt yếu tố góp phần giảm giá thành lượng mặt trời như: khả lắng đọng màng mỏng diện tích lớn, khả tự động hóa cơng nghệ, khả tăng hiệu suất quang điện,… Ngoài ra, chuyên gia đưa hướng sau để giảm giá thành điện mặt trời nữa, là: 1) Tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện tế bào mặt trời Cụ thể với pin mặt trời silicon hiệu suất quang điện  phải đạt 20÷24% pin mặt trời màng mỏng  phải đạt 15% vào năm 2020 2) Ứng dụng nhiều đa dạng pin mặt trời màng mỏng 3) Đưa vào ứng dụng loại pin mặt trời sở vật liệu pin mặt trời nhuộm màu, pin mặt trời hữu cơ…v.v 4) Nghiên cứu sử dụng vật liệu chế tạo pin mặt trời Nói tóm lại, lượng mặt trời dần trở thành nguồn lượng vô quan trọng giới Với tiến vượt bậc cơng nghệ, pin mặt trời tăng hiệu suất lên đến 43% hứa hẹn đem lại phát triển to lớn cho ngành công nghiệp "năng lượng xanh" tương lai 1.2 Hiệu ứng PV (Photovoltaic Effect) linh kiện quang điện sử dụng hiệu ứng PV 1.3 Cơ sở vật lý pin mặt trời 1.3.1 Nguyên lý hoạt động Khi chuyển tiếp PN chiếu sáng, photon có lượng lớn lượng vùng cấm vật liệu hấp thụ làm phát sinh cặp điện tử - lỗ trống Dưới tác dụng điện trường tiếp xúc chuyển tiếp PN, cặp điện tử - lỗ trống bị tách ra, gia tốc chuyển dời điện cực đối diện tạo suất điện động quang điện[9], [65] Dòng quang điện phát sinh trường hợp dòng điện trực tiếp sử dụng cách chuyển đổi thành dịng điện xoay chiều tích trữ để sử dụng sau 1.3.2 Đặc trƣng J-V 1.4 Pin mặt trời màng mỏng chalcopyrite 1.4.1 Cấu trúc pin mặt trời màng mỏng chalcopyrite 1.4.2 Vật liệu chalcopyrite 1.5 Pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano 1.5.1 Các tính chất vật liệu cấu trúc nano 1.5.2 Giản đồ lƣợng pin mặt trời cấu trúc nano 1.5.3 Các cấu hình pin mặt trời cấu trúc nano 1.6 Vật liệu kẽm oxide (ZnO) 1.6.1 Vật liệu ZnO 1.6.2 Công nghệ lắng đọng lớp chức pin mặt trời Có thể thấy, PMT màng mỏng cấu trúc nano hướng nghiên cứu để tăng hiệu suất pin Hơn phương pháp USPD ILGAR phương pháp giảm tối thiểu chi phí sản xuất PMT Đây lý Luận án hướng tới nghiên cứu lớp cửa sổ cấu trúc nano sử dụng công nghệ USPDILGAR để lắng đọng lớp chức PMT màng mỏng CHƢƠNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ LẮNG ĐỌNG CÁC LỚP CHỨC NĂNG TRONG CẤU TRÚC PMT MÀNG MỎNG Trong chương này, tiến hành nghiên cứu lắng đọng lớp chức ZnO, CdS CuInS2 phương pháp USPD USPD-ILGAR Các nghiên cứu thực để có cấu trúc nano đặc thù lớp cửa sổ ZnO để có thơng số tối ưu lớp đệm CdS lớp hấp thụ CuInS2 Để khảo sát thông số lớp chức sử dụng kỹ thuật sau đây: 1) Phổ nhiễu xạ tia X, phổ tán xạ Raman, hiển vi điện tử quét hiển vi lực nguyên tử sử dụng để xác định thông số cấu trúc hình thái học 2) Phổ truyền qua UV-VIS sử dụng để xác định hệ số hấp thụ độ rộng vùng cấm quang 3) Tính chất điện khảo sát phương pháp hiệu ứng Hall, phương pháp bốn mũi dò, phổ trở kháng phức CIS đặc trưng J-V 2.1.1.2 Lắng đọng màng nano ZnO 2.1.2 Kết thảo luận 2.1.2.1 Lựa chọn dung môi Hình 2.2 ảnh FESEM màng nano ZnO lắng đọng TS = 420oC với tỉ lệ thể tích VC3H7OH:VH2O =3:3, 3:2 3:1 Các màng ký hiệu ZnO-33, ZnO-32 ZnO-31 với tỉ lệ VC3H7OH:VH2O 3:3, 3:2 3:1 Có thể thấy, điều kiện lắng đọng với tỉ lệ dung mơi khác hình thái bề mặt màng ZnO hình thành hồn tồn khác Với tỉ lệ VC3H7OH:VH2O=3:3, màng ZnO lắng đọng có hình thái biểu diễn hình 2.2a Màng tạo thành có hình 2.2b tỉ lệ rượu nước VC3H7OH:VH2O=3:2 a) b) c) Hình 2.1 Ảnh SEM mẫu màng nano ZnO lắng đọng TS=420oC (a) VC3H7OH:VH2O = 3:3 (b) VC3H7OH:VH2O =3:2 (c) VC3H7OH:VH2O = 3:1 Trên hình 2.4 minh họa phổ tán xạ Raman mẫu mẫu ZnO33, ZnO-32 ZnO-31 Dễ dàng thấy rằng, dạng phổ Raman không thay đổi theo tỉ lệ VC3H7OH:VH2O có xen phủ số đỉnh dải sóng  = 300÷500 cm-1 7 2.1.2.2 Ảnh hƣởng anion Các mẫu màng nano ZnO ký hiệu Z-N, Z-C Z-A tương ứng với nguồn muối kẽm nitrat, kẽm clorua kẽm acetat Hình 2.6 ảnh bề mặt FESEM mẫu màng ZnO (Z-N, ZC Z-A) Sử dụng muối kẽm acetate (Zn(CH3COO)2), kết màng tạo thành có dạng nano (hình 2.6a) Trong trường hợp sử dụng muối kẽm nitơrat Zn(NO3)2 màng có dạng khối đặc sít (hình 2.6b) Theo tác giả cơng bố cơng trình [33][51], [164], màng ZnO tạo thành có dạng nano thủy phân muối nitơrat môi trường bazơ NaOH, NH4OH HMTA Trong trường hợp sử dụng muối kẽm clorua, màng có hình 2.6c[120] Theo tác giả M Krunks [41]–[43], [112] U Alver [6], màng tạo thành có dạng nano với nhiệt độ lắng đọng cao TS  500oC Từ kết khảo sát hình thái bề mặt mẫu Z-N, Z-C Z-A, kết luận rằng, màng ZnO có xu hướng hình thành với dạng nano sử dụng tiền chất muối kẽm clorua kẽm acetate sử dụng kỹ thuật phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm USPD a) b) c) Hình 2.2 Ảnh FESEM mẫu màng (a) Z-A (b) Z-N (c) Z-C 2.1.2.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ lắng đọng Các mẫu màng nano ZnO ký hiệu Z-400, Z-420, Z-450 Z-500 tương ứng với nhiệt độ lắng đọng là: 400, 420, 450 500oC Hình thái bề mặt mẫu màng nano ZnO biểu diễn hình 2.11 Có thể nhận thấy, hình thái bề mặt màng ZnO phụ thuộc lớn vào nhiệt độ lắng đọng Lắng đọng TS = 400oC, màng hình thành từ hạt đặc sít với kích thước khoảng 50÷150nm (hình 2.11a) Khi nhiệt độ lắng đọng TS = 420oC, đặc sít hạt khơng suất tinh thể lục giác với đường kính khoảng 50nm chiều dài khoảng 50÷150nm (hình 2.11b) Ở T S = 450oC màng lắng đọng tạo thành lớp gồm nano tinh thể lục giác có đường kính khoảng 150÷400nm chiều dài khoảng 500÷800nm (hình 2.11c) Ở TS = 500oC, lúc màng hình thành nano đường kính khoảng 50÷250nm chiều dài lên tới 1,5m (hình 2.11c) Như kết luận rằng, nhiệt độ đế tăng nano xuất Trong cấu trúc màng lắng đọng, màng nano ZnO có dạng nano bắt đầu hình thành TS  420oC (a) (b) (c) (d) Hình 2.3 Ảnh FESEM mẫu màng nano ZnO lắng đọng nhiệt độ TS = 400÷500oC (a) Z-400, (b) Z-420, (c) Z-450 (d) Z-500 Hình 2.12 biểu diễn giản đồ nhiễu xạ tia X màng nano ZnO lắng đọng nhiệt độ TS = 400oC÷500oC với 2=25÷75o Dễ dàng thấy rằng, tất mẫu lắng đọng có cấu trúc tinh thể hexagonal wurtzite Theo J.R Ramos-Barrado [14] trình phun phủ nhiệt phân, Zn(CH3COO)2 bắt đầu bị nhiệt phân nhiệt độ T 180÷200oC Trong trường hợp chúng tơi, TS = 400oC đỉnh nhiễu xạ đặc trưng (100), (002), (101), (102), (110), (103), (112) vật liệu ZnO xuất đầy đủ rõ ràng với cấu trúc hecxagonal wurtzite (theo thẻ PDF 36-1451) Chúng không phát thấy xuất pha lạ khác kết tinh có định hướng ngẫu nhiên với cường độ đỉnh gần Ở TS  420oC, đỉnh nhiễu xạ đặc trưng (100), (002), (101), (102), (110), (103), (112) xuất đỉnh nhiễu xạ (002) chiếm ưu với cường độ Intensity, au 002 đỉnh mặt (002) tăng mạnh Theo thông báo [68][80], màng ZnO lắng đọng thường có xu hướng phát triển 100 101 103 112 102 theo mặt (002) mặt có 110 (d) lượng bề mặt thấp nhất, (c) lúc nhiệt độ thấp TS (b) 400oC nguyên tử dường (a) không đủ lượng để di 2degree chuyển tới vị trí có mức lượng thấp nên phát Hình 2.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X triển tinh thể mặt định mẫu màng nano ZnO lắng hướng ngẫu nhiên Khi nhiệt đọng nhiệt T = 400÷500oC S độ lắng đọng TS  400oC, nguyên tử ZnO có động lớn để định xứ vị trí có mức lượng thấp ( trạng thái ổn định nhất) kết màng phát triển theo trục c Phổ truyền qua mẫu Z-400, Z-420, Z-450 Z-500 biểu diễn hình 2.15 Dễ dàng nhận thấy rằng, nhiệt độ lắng đọng tăng độ truyền qua giảm bờ hấp thụ dịch chuyển vùng bước sóng ngắn vào khoảng bước sóng 380nm Chúng cho rằng, dịch chuyển bờ hấp thụ giải thích sau: TS400oC, tiền chất chưa kịp nhiệt phân hồn tồn Do màng tạo thành nhiệt độ lắng đọng thấp hình thành với nhiều sai hỏng dẫn đến hấp thụ ánh sáng mạnh Khi màng lắng đọng nhiệt độ TS  400oC, màng ZnO hình thành hồn thiện nên có độ truyền qua tốt Kết khảo sát cấu trúc nhiễu xạ XRD cho thấy, nhiệt độ lắng đọng màng cao tính tinh thể tốt Cần lưu ý rằng, nhiệt độ cao q trình bay dung mơi tăng lên nên lượng tiền chất đến đế nên màng hình thành mỏng dẫn đến độ truyền qua tăng lên Tuy nhiên, trường hợp màng ZnO hình thành cấu trúc nano, kết khảo sát phổ truyền qua theo nhiệt độ lắng đọng cho quy luật ngược lại Sự giảm độ truyền qua theo nhiệt độ lắng đọng trường hợp chúng tơi gán cho hình thành nano Ở nhiệt độ cao đường kính chiều dài nano tăng lên nên tán xạ ánh sáng xảy dẫn đến độ truyền qua giảm 30 40 50 60 70 10 Độ rộng vùng cấm quang Eg mẫu Z-400, Z-420, Z-450 Z-500 tương ứng  3,15eV; 3,2eV; 3,3eV 3,25 eV 2.1.2.4 Ảnh hƣởng loại đế Các mẫu màng nano ZnO ký hiệu Z-G, Z-I Z-F tương ứng với loại đế sử dụng đế thủy tinh, đế ITO đế FTO Kết khảo sát hình thái bề mặt mẫu Z-G, Z-I Z-F biểu diễn hình 2.17 Có thể thấy mẫu màng Z-G có bề mặt ghồ ghề với cấu trúc tinh thể hình que nano (hình 2.17a) Loại cấu trúc nano thông báo trong[111] Trường hợp mẫu Z-I, nano hình thành rõ nét với đường kính khoảng 150÷400nm chiều dài đồng  500÷800nm (hình 2.17b) so với mẫu Z-F(hình 2.17c) Kết có bề mặt đế ITO phẳng so với đế FTO a) b) c) Hình 2.5 Ảnh FESEM mẫu màng nano ZnO lắng đọng đế (a) Z-G (b) Z-I (c) Z-F 2.1.2.5 Ảnh hƣởng tốc độ lắng đọng 2.1.2.6 Ảnh hƣởng nồng độ muối kẽm Các mẫu màng nano ZnO ký hiệu là: Z-001, Z-005, Z-01, Z-02 Z-04 tương ứng với nồng độ muối kẽm 0,001, 0,005, 0,01, 0,02 0,04M Hình 2.25 ảnh hiển vi điện tử quét FESEM mẫu Z-005, Z-01, Z-02 Z-04 Dễ dàng nhận thấy, màng Z-005 có bề mặt đồng đặc sít với hình thành nano có đường kính trung bình d50nm ÷150nm chiều dài L  10nm ÷50nm (hình 2.25a) Khi nồng độ muối kẽm tăng chiều dài nano tăng lên lúc đường kính chúng lại giảm Ở nồng độ muối kẽm CM = 0,01M, nano hình thành với đường kính đồng dao động khoảng d  400nm÷500nm chiều dài L  1,2m (hình 25b) Khi nồng độ muối kẽm tăng nữa, nano có xu hướng dài đường kính lại giảm (hình 25c,d) 11 (a) (c) (b) (d) Hình 2.6 Ảnh FESEM mẫu màng nano ZnO lắng đọng nồng độ muối kẽm (a) Z-005 (b) Z-01 (c) Z-02 (d) Z-04 2.1.2.7 Ảnh hƣởng pha tạp In Al Các mẫu nghiên cứu ký hiệu là: ZO, IZO-001, IZO-003, IZO-006, AZO-001, AZO-003, AZO-006 tương ứng với nồng độ indi nhôm pha tạp 1, 6wt% Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu ZO, IZO AZO biểu diễn hình 2.27 Có thể thấy, mẫu ZO, IZO AZO màng đa tinh thể với cấu trúc tinh thể hexagonal wurtzite có đỉnh nhiễu xạ đặc trưng (100), (002), (101), (102), (110), (103), (112) (theo thẻ PDF 36-1451) Ngoài đỉnh nhiễu xạ đặc trưng pha hexagonal wurtzite, không phát thấy đỉnh đặc trưng pha In, Al hay hợp chất chúng Ngoài ra, hàm lượng In gia tăng, định hướng ưu tiên (002), định hướng khác (101) (100) tăng cường so với mẫu ZO (hình 2.25a) Khi gia tăng hàm lượng Al, định hướng (002) ưu tiên Với [Al]/[Zn]= 6wt% định hướng (101) (100) gia tăng Kết phù hợp với kết công bố W Widiyastuti [191][187] giả thiết bán kính ion Zn2+ 0,072nm Al3+ 0,053nm nên nguyên tử Al thay vào vị trí ngun tử Zn mà khơng làm thay đổi cấu trúc hay 12 biến dạng tinh thể Hình thái bề mặt mẫu IZO AZO biểu diễn hình 2.29 Có thể thấy, màng lắng đọng có hình thái bề mặt khác nồng độ In gia tăng (hình 2.29a,b,c) Đối với màng pha tạp Al nồng độ thấp, nhận thấy hình thành nano Khi gia tăng nồng độ Al, số lượng nano giảm dần hình thành cấu trúc dạng đĩa trịn(hình 2.29d,e,f) Một số thơng số đặc trưng tính chất điện mẫu IZO, AZO thể bảng 2.7 Bảng 2.1 Thông số điện mẫu Điện trở suất Nồng độ hạt Độ linh động Mẫu Loại dẫn tải, N (cm-3)  (cm2/V.s)  (.cm) ZO-000 0,465 3,5 1017 39 n 18 IZO-001 2,610-2 n 10 47 IZO-003 3,1.10-2 4,2 1018 48 n IZO-006 4,4.10-2 5,2 1018 27 n 18 AZO-001 3,2.10-2 4,1 10 48 n AZO-003 2,5.10-2 4,8 1018 52 n AZO-006 3,2.10-2 3,9 1018 50 n 2.2 Nghiên cứu lắng đọng lớp hấp thụ CuInS2 phƣơng pháp USPD 2.2.1 Chuẩn bị hóa chất 2.2.2 Lắng đọng màng CuInS2 2.2.3 Kết thảo luận Các mẫu lắng đọng có cấu trúc đơn pha với cấu trúc tetragonal Kích thước tinh thể độ biến dạng tăng mạnh với gia tăng chiều dày màng Đã phát diện nguyên tử clo thành phần màng lắng đọng Hệ số hấp thụ đạt giá trị   6,0.104  9,2.104 cm-1 Độ rộng vùng cấm quang Eg =1,47÷1,445eV giảm dần với gia tăng chiều dày từ =0,6 ÷2,67m 2.3 Nghiên cứu lắng đọng lớp đệm CdS phƣơng pháp USPD-ILGAR 2.3.1 Tại lại cần lớp đệm pin mặt trời màng mỏng 2.3.2 Màng CdS 13 2.3.3 Lắng đọng lớp đệm nano CdS phƣơng pháp USPD-ILGAR Màng CdS kết tinh đơn pha với cấu trúc tetragonal định hướng ưu tiên (101) Kích thước tinh thể mẫu CdS gia tăng từ d  9,2 nm ÷ 18,5 nm chiều dày gia tăng từ 50 ÷ 150 nm Độ gồ ghề màng có giá trị khoảng Ra 7,2÷16,7 độ gồ ghề màng giảm gia tăng chiều dày Các màng có độ truyền qua T 80% mẫu có bờ hấp thụ khoảng bước sóng   480nm Độ rộng vùng cấm quang Eg  2,4eV tất màng Kết luận chƣơng CHƢƠNG KHẢO SÁT CÁC PHÂN BIÊN ZnO/CdS VÀ CdS/CuInS2 BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ TRỞ KHÁNG PHỨC CIS 3.1 Phƣơng pháp phổ trở kháng phức CIS 3.2 Ứng dụng phƣơng pháp phổ trở kháng phức để nghiên cứu linh kiện cấu trúc lớp 3.3 Thực nghiệm 3.4 Kết thảo luận 3.4.1 Khảo sát phổ CIS hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag Phổ CIS mẫu Glass/ITO/ZnO/CdS/CuInS2/Ag với chiều dày lớp CdS thay đổi biểu diễn hình 3.8 Dễ dàng  = 0nm  = 60nm thấy rằng, phổ CIS bán  = 80nm nguyệt có bán kính thay đổi  =120nm với tâm định xứ trục thực Có thể sơ thấy rằng, chiều dày lớp CdS tăng bán kính bán nguyệt gia tăng phụ thuộc vào chiều dày lớp CdS Có Z',  nghĩa trở kháng mẫu thay đổi theo chiều dày lớp Hình 3.1 Phổ CIS mẫu CdS Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag chiều dày lớp CdS thay đổi 4000 CdS CdS 3000 CdS -Z'',  CdS 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 14 3.4.2 Mơ hình hóa hệ vật liệu Ag/ITO/ZnO/CdS/CuInS2/Ag Các giả thiết mơ hình 1) Phương pháp USPD cho phép hình thành sol khí có kích thước tới hạn  nanomet chúng có kích thước đồng (xem §2.1.5) 2) Phản ứng nhiệt phân xảy liên tục bề mặt đế đồng thời với tất sol khí 3) Vì chiều dày lớp chức ( 4.5 m) nhỏ nhiều kích thước linh kiện nên sử dụng mơ hình 1D 4) Các q trình vật lý xảy theo chiều vng góc với bề mặt đế Như vậy, hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag chế tạo theo thông số công nghệ xác định (chương 2) hoàn toàn đảm bảo giả thiết mơ hình Xác định sơ đồ tương đương hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag Như phân tích trên, bỏ qua ảnh hưởng phân biên Ag/ITO CuInS2/Ag, giả thiết sơ đồ tương đương hệ vật liệu khảo sát bao gồm mạch Rn-Cn mơ tả tính chất phân biên ZnO/CdS nối tiếp với mạch Rj-Cj mô tả tính chất phân biên CdS/CuInS2 Tuy nhiên, hình thành chuyển tiếp PN CdS(n)/ CuInS2(p) nên mạch Rj-Cj cần thay mạch RjCPEj Ngoài ra, cần bổ sung thêm vào sơ đồ điện trở Rs mơ tả tính chất lớp chức khác cấu trúc pin đặc biệt lớp TCO lớp CuInS2 biểu diễn hình 3.9 Rn Rj RS Cn CPEj Hình 3.2 Sơ đồ tương đương hệ vật liệu khảo sát Khảo sát phổ CIS hệ vật liệu Kết mô sơ đồ tương đương phổ trở kháng phức CIS 15 hệ vật liệu Glass/ITO/ZnO/CdS/CuInS2/Ag biểu diễn hình 3.10 2000 2000 (a) (b) Giá trị thực nghiệm Giá trị lý thuyết 1500 -Z'', -Z'', 1500 Giá trị thực nghiệm Giá trị lý thuyết 1000 Phõn biờn ZnO/CdS 500 1000 Phân biên CdS/CuInS2 Phân biên ZnO/CdS Phõn biờn CdS/CuInS2 500 0 500 1000 1500 2000 500 1000 Z',  Z',  4000 5000 (c) 2000 2500 Giá trị thực nghiệm Giá trị lý thuyết 4000 Phân biên CdS/CuInS2 Phân biên ZnO/CdS 2000 -Z'', 3000 -Z'', (d) Giá trị thực nghiệm Giá trị lý thuyết 1500 Phân biên ZnO/CdS 3000 Phân biên CdS/CuInS2 2000 1000 1000 0 1000 2000 Z',  3000 4000 5000 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Z',  Hình 3.3 Phổ CIS hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag :a) CdS = 0nm b) CdS = 60nm c) CdS = 80nm d) CdS = 120nm Để khảo sát ảnh hưởng lớp CdS, xác định giá trị Cj (CPE phân biên CdS/CIS) Cn (điện dung phân biên ZnO/CdS) Đồ thị phụ thuộc giá trị Cj vào chiều dày lớp CdS biểu dễn hình 3.11.Có thể thấy rằng, giá trị Cj suy giảm với gia tăng chiều dày lớp CdS từ 0nm (khơng có lớp CdS) tới 60nm Kết cho thấy, khoảng giá trị lớp CdS vùng điện tích khơng gian phát triển vào lớp CdS giá trị Cj phụ thuộc vào chiều dày lớp CdS Giá trị Cj đạt giá trị tới hạn (CdS60nm) không đổi khoảng chiều dày lớp CdS 60   120nm Điều có nghĩa là, khoảng giá trị lớp CdS chiều dày vùng điện tích khơng gian khơng cịn phụ thuộc vào chiều dày lớp CdS lúc lớp CdS cịn đóng góp vào điện trở nối tiếp RS hệ vật liệu Chúng ta giải thích phụ thuộc Cj vào chiều dày lớp CdS theo mơ hình đây: 16 Khi chiều dày lớp CdS CdS=0nm (có nghĩa khơng có lớp CdS), chuyển tiếp PN hình thành lớp ZnO CuInS2 chiều dày vùng điện tích khơng gian w  wo hình 3.12 x CuInS2 Vùng điện tích khơng gian xpwo x0 ZnO Hình 3.4 Mơ hình chuyển tiếp PN CdS=0 nm Giá trị Cj biểu diễn phần tử CPE phân biên ZnO/CuInS2 có giá trị 1,123.10-7F Khi đó, chiều dày vùng điện tích khơng gian w xác định theo biểu thức sau đây: (3.7) Trong đó, o số điện môi chân không, S số điện môi tương đối vật liệu S diện tích tiếp xúc linh kiện w chiều dày vùng điện tích khơng gian Ở đây, o 8,854.10-12F/m; S(ZnO)  10; S(CdS)  10; S(CuInS2)  10 S  3,14.10-6m2 Suy ra: w 2,5nm Khi chiều dày lớp CdS CdS=30nm, lúc chuyển tiếp PN bắt đầu hình thành lớp CuInS2 lớp CdS chiều dày vùng điện tích khơng gian có giá trị w=wo+xn minh họa hình 3.13 Khi đó, chiều dày vùng điện tích khơng gian xác định là: w 21,4nm Tiếp tục tăng chiều dày lớp CdS, CdS=60nm Lúc này, chuyển tiếp PN hình thành lớp CuInS2 lớp CdS chiều dày vùng điện tích khơng gian có giá trị w=wo+xn minh họa hình 3.14 giá trị chiều dày vùng điện tích khơng gian là: w 57,2 nm Có thể thấy rằng, vùng điện tích khơng gian phát triển vào lớp CdS Tiếp tục tăng chiều dày lớp CdS, CdS>60nm (hình 3.15), chiều dày vùng điện tích khơng gian có giá trị là: w 57,8nm Điều có nghĩa là, chiều dày vùng điện tích khơng gian có giới 17 hạn 60nm Hãy xét ảnh hưởng phân biên ZnO/CdS Đồ thị hình 3.16, cho thấy giá trị Cn không phụ thuộc vào chiều dày lớp CdS CdS60nm Rõ ràng là, lúc chiều dày vùng điện tích khơng gian phân biên CdS/CIS không mở rộng tới lớp ZnO Kết thực nghiệm giá trị Cn phân biên ZnO/CdS nhỏ khoảng 100 lần so với Cj Giá trị hoàn toàn phụ thuộc vào thông số công nghệ lắng đọng lớp chức cấu trúc ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2 Để khảo sát không đồng chuyển tiếp pn, khảo sát giá trị CPE-P giá trị cho biết tính đồng chuyển tiếp PN hình thành Như biết, CPE-P=1 dung kháng lí tưởng, có nghĩa khơng có diện sai hỏng hay biên hạt chuyển tiếp PN CPE-P=0 khơng có chuyển tiếp hình thành [18] Đồ thị phụ thuộc giá trị CPE-P vào chiều dày lớp CdS biểu diễn hình 3.17 Có thể thấy rằng, chuyển tiếp CdS(n)/CuInS2(p) hình thành với chất lượng tốt giá trị phần tử CPE gần khơng đổi có giá trị 1 khoảng biến thiên chiều dày lớp CdS CdS  60120nm Kết cho phép khẳng định lựa chọn thông số công nghệ tối ưu lắng đọng lớp CdS CuInS2 chọn chương Khảo sát ảnh hưởng cấu trúc lớp ZnO đến hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag Hình 3.18 phổ trở kháng phức CIS khảo sát phân biên ZnO/CdS với CdS=80nm ZnO lắng đọng nồng độ muối kẽm 0,005; 0,01 0,04M.Có thể thấy phổ CIS bán nguyệt nguyên vẹn bán kính chúng phụ thuộc vào nồng độ muối kẽm acetat precusor Hình 3.18a biểu diễn phổ trở kháng phức CIS nồng độ muối kẽm acetat C M=0,05M Có thể thấy, tâm bán nguyệt trục thực cách xa trục thực Nói cách khác phân biên ZnO(n)/CdS(n) tồn nhiều sai hỏng hình thành trình lắng đọng màng ZnO Khi nồng độ muối kẽm acetat CM=0,01M, bán nguyệt có tâm gần trục thực nhất, điều có nghĩa phân biên ZnO(n)/CdS(n) khơng có sai hỏng lắng đọng (hình 3.18b) Khi nồng độ muối kẽm acetat CM=0,04M phổ trở kháng phức CIS giống với trường hợp phổ CIS sử dụng nồng độ muối kẽm acetat CM=0,005M (hình 3.18c) Như vậy, việc sử dụng nồng độ muối kẽm acetat có CM=0,01M 18 cho phép nhận phân biên ZnO/CdS hình thành sai hỏng Điều minh chứng lần phân tích hình thái bề mặt ảnh FESEM biểu diễn hình 3.19 Để khảo sát ảnh hưởng cấu trúc lớp nano ZnO lên toàn hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Ag khảo sát phổ trở kháng phức CIS CdS=80nm ZnO lắng đọng nồng độ muối kẽm 0,005, 0,01 0,04M (hình 3.20) Kết cho thấy, giá trị nồng độ muối kẽm CM = 0,01M phổ trở kháng phức CIS chồng chập bán nguyệt mô tả phân biên ZnO/CdS CdS/CuInS2 với tần số cộng hưởng gần Như vậy, cho rằng, cấu trúc nano ZnO cho phép nhận phân biên ZnO/CdS sai hỏng ảnh hưởng đến phân biên CdS/CuInS2 CHƢƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM PIN MẶT TRỜI CẤU TRÚC NANO HỆ GLASS/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2 4.1 Thiết kế pin mặt trời cấu trúc lớp kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2 4.1.1 Mơ hình số 4.1.2 Chƣơng trình mơ SCAPS 4.1.3 Thiết kế pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano 4.1.3.1 Lựa chọn cấu trúc Pin mặt trời màng mỏng cấu trúc lớp kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me chọn biểu diễn hình 4.4 Điện cực Ag CIS CdS ZnO TCO Đế thủy tinh Ag Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ làm việc hay nhiệt độ môi trƣờng Te Trong cơng trình này, hoạt động PMT hệ Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2 khảo sát dải nhiệt độ Te= 298 ÷ 398K 19 Hình 4.6 biểu diễn đồ thị phụ thuộc thông số PV theo nhiệt độ làm việc Từ đồ thị hình 4.6a, dễ dàng nhận thấy, nhiệt độ làm việc tăng hở mạch VOC giảm Điều phù hợp điện áp hở mạch VOC phụ thuộc vào nhiệt độ theo quy luật sau: (4.6) Khi độ rộng vùng cấm lớp bán dẫn giả thiết không phụ thuộc vào nhiệt độ, Voc thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ Mật độ dịng ngắn mạch Jsc khơng thay đổi khoảng 3,35 mA/cm2 (hình 4.6b) Kết phù hợp với công thức lý thuyết Isc = Iph = qKNph = αE Do Isc phụ thuộc vào số cặp hạt tải tạo giới hạn (Nph) hay phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng E mà không phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, Voc giảm, Jsc không thay đổi nên hệ số điền đầy giảm, đẫn tới công suất tới hạn giảm, đồng thời hiệu suất chuyển đổi quang điện pin giảm (hình 4.6c,d) Như vậy, dải nhiệt độ 298÷398K, nhận thông số sau đây: Te= 298K: η= 7,51(%), ff = 55,41(%), Jsc= 3,35(mA/ cm2), Voc= 0,5(V) Te= 398K: η= 1,56(%), ff = 54,32(%), Jsc= 3,34(mA/ cm2), Voc= 0,412(V) Lựa chọn thông số đầu vào cho chƣơng trình mơ SCAPS Khảo sát ảnh hƣởng chiều dày lớp hấp thụ CuInS2 Hiện nay, tiêu chí chung công nghệ chế tạo pin mặt trời màng mỏng sử dụng lớp hấp thụ có chiều dày mỏng mà đảm bảo hiệu suất chuyển đổi quang điện cao Đối với PMT màng mỏng hệ vật liệu Cu-chalcopyrite chiều dày lớp hấp thụ ảnh hưởng mạnh đến thông số đặc trưng pin mặt trời [92] Để xác định thông số chiều dày tối ưu lớp hấp thụ với cấu trúc PMT hình 4.4, chúng tơi tiến hành khảo sát chiều dày lớp hấp thụ CuInS2 thay đổi giới hạn CuInS2 = 0,1 ÷ 2,5 m, chiều dày lớp ZnO CdS cố định với giá trị ZnO = 500 nm CdS = 80 nm Kết mô thông số quang điện phụ thuộc CIS trình bày bảng 4.1 hình 4.6 20 Bảng 4.1 Các thơng số PMT mô SCAPS-1D chiều dày lớp hấp thụ thay đổi VOC JSC ff η CuInS2 Mẫu (mV) (mA/ cm2) (%) (%) (nm) M-01 100 281 1,87 50,23 0,26 M-02 300 356 2,54 49,79 0,45 M-03 500 407 2,79 51,3 0,58 M-04 700 416 3,48 53,11 0,77 M-05 1000 421 4,94 54,04 1,12 M-06 1500 423 5,56 55,07 1,29 M-07 2500 422 6,01 54,38 1,38 Hình 4.6 biểu diễn thay đổi VOC JSC thông số PMT theo chiều dày lớp hấp thụ CuInS2 Có thể thấy rằng, hở mạch VOC hệ số điền đầy ff thay đổi không đáng kể giá trị cao đạt VOC423mV ff 5055% (hình 4.6a,c) Ngược lại mật độ dòng ngắn mạch JSC giảm đáng kể từ  mA.cm-2 CuInS2 2500 nm tới  1,5 mA.cm-2 CuInS2 100 nm (hình 4.6b) Sự giảm mật độ dịng có lẽ liên quan đến khơng hấp thụ photon chiều dày lớp hấp thụ giảm trình tái kết hơp bề mặt phân biên lớp hấp thụ/tiếp xúc mặt sau PMT tăng nên điện tử dễ dàng bị bắt giữ sau phát sinh [95] Hơn nữa, độ truyền qua tăng với lớp hấp thụ mỏng nên tổn hao quang lớn Do đó, số điện tử phát sinh tham gia đóng góp cho hiệu suất lượng tử pin mặt trời nên JSC  hình thành có giá trị thấp (hình 4.6b,d) Khi CuInS2  1000nm, giá trị VOC đạt giá trị bão hòa Trong trường hợp hệ số lấp đầy hiệu suất gần không đổi (FF  55 %,  1,12 %) (hình 4.6c,d Hiệu suất  PMT giảm chiều dày lớp hấp thụ CuInS2 CuInS2 1000nm thể hình 4.6d Như vậy, thấy, thông số quang điện PMT thay đổi mạnh chiều dày lớp hấp thụ thay đổi Với tiêu chí lựa chọn trình bày để đảm bảo phù hợp thông số đặc trưng PMT, chiều dày lớp hấp thụ lựa chọn phù hợp phạm vi CuInS2 1000nm Khảo sát ảnh hƣởng chiều dày lớp đệm CdS 4.2 Chế tạo pin mặt trời màng mỏng cấu trúc Glass/ ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me 4.2.1 Đặc trƣng quang điện pin mặt trời màng mỏng hệ 21 JSC, mA.cm -2 Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2 4.2.1.1 Ảnh hƣởng chiều dày lớp hấp thụ CuInS2 Điện cực lắng đọng lớp hấp thụ phương pháp bốc bay chân khơng với diện tích S = ÷10 mm2 Các pin mặt trời sử dụng nghiên cứu bao gồm: PMT-05 (CuInS2 = 0,54 m), PMT-10 (CuInS2 = 1,08 m), PMT-14 (CuInS2 = 1,47 m), PMT-18 (CuInS2 = 1,87 m) PMT-22 (CuInS2 = 2,23 m) Hình 4.10 biểu diễn đặc trưng J-V pin mặt trời chế tạo với chiều dày lớp hấp thụ thay đổi 10 Các thông số quang điện CEL-05 CEL-10 pin mặt trời xác định từ đặc CEL-14 CEL-18 trưng J-V sáng trình bày CEL- 22 bảng 4.6 Kết nhận bảng 4.6 cho thấy, điện áp hở mạch đạt giá trị cực -5 đại (VOC = 414 mV), mật độ -10 dịng ngắn mạch có giá trị JSC  4.19 mA/cm hiệu suất -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 V ,mV 1,28% mẫu PMT-10 có chiều dày lớp hấp thụ CuInS2 Hình 4.1 Đặc trưng J-V sáng pin mặt trời chế tạo (CuInS2 = 1,08 m) OC Bảng 4.2 Các thông số quang điện pin mặt trời với chiều dày lớp hấp thụ khác VOC JSC ff  Mẫu (mV) (mA/cm2) (%) (%) PMT -05 297 2,18 41,76 0,27 PMT -10 414 9,87 31,35 1,28 PMT -14 399 6,91 24,31 0,67 PMT -18 296 6,34 32,055 0,60 PMT -22 437 2,94 33,78 0,43 Đối với mẫu PMT -05, điện áp hở mạch đạt giá trị thấp mẫu VOC = 297 mV, mật độ dịng ngắn mạch có giá trị J SC  2.18 mA/cm2 hiệu suất 0,27% So sánh với kết mô phỏng, quy luật thay đổi thông số quang điện mẫu chế tạo PMT -05 hoàn toàn phù hợp Đối với mẫu PMT-18, PMT-14, PMT-22 với chiều dày lớp 22 hấp thụ  CuInS2  1,0 m có thơng số quang điện suy giảm dần theo gia tăng chiều dày lớp hấp thụ CuInS2 So sánh với kết mô phỏng, quy luật thay đổi thông số quang điện mẫu chế tạo PMT -14, PMT-18 PMT-22 ngược hồn tồn Có thể kết luận sơ bộ, với chiều dày lớp hấp thụ CuInS2 = 1,08 m cho phép chế tạo PMT đạt thông số quang điện tốt So sánh thông số quang điện (VOC, JSC, ff ) mẫu thực nghiệm PMT-10 (xem bảng 4.6) mẫu mô M-05 (xem bảng 4.4) Có thể thấy, giá trị thơng số quang điện mẫu mô M-05 nhỏ giá trị mẫu thực nghiệm PMT -10 Chúng tiếp tục thực mô với số thông số đầu vào thay đổi, bao gồm: nồng độ khuyết tật acceptor NA nồng độ khuyết tật khối Nt lớp hấp thụ, nồng độ khuyết tật bề mặt N tiếp xúc CuInS2/CdS điện trở RS, Rsh Có thể thấy rằng, NA giảm xuống giá trị 1.5.1016 cm-3 Hình 4.2 So sánh đặc trưng Jthì hiệu suất gia tăng  = 1,25 % V mẫu thực nghiệm mẫu gần với hiệu suất mẫu chế mô tạo PMT -10 ( = 1,28%) giá trị JSC VOC thấp Tiếp tục thay đổi RS =  Rsh = 80  nhận thông số quang điện phù hợp tốt với mẫu chế tạo Hình 4.11 trình bày đặc trưng J-V mẫu thực nghiệm PMT -10 mẫu mô M-05 Kết so sánh hình 4.11 cho thấy, cịn có chênh lệch số thông số VOC, FF, RS Rsh Trong trường hợp phương pháp mô chưa phản ánh Tuy nhiên, sai khác không ảnh hưởng đến hiệu suất mật độ dịng ngắn mạch Dựa vào kết mơ phỏng, chúng tơi xác định thơng số vật lý lớp chức PMT hệ Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me Đối với lớp hấp thụ CuInS2 ranh giới công nghệ CuInS2/CdS xác định NA = 1,5.1016 cm-3, Nt = 0,5.1016 cm-3 N = 4.10.1012 cm-2 23 4.2.1.2 Ảnh hƣởng lớp cửa sổ nano ZnO Để khảo sát ảnh hưởng lớp cửa sổ nano ZnO đến đặc trưng J-V PMT chế tạo so sánh với kết khảo sát mô phỏng, nồng độ muối kẽm acetat khảo sát giới hạn CM = 0,005  0,04M Điện cực lắng đọng lớp hấp thụ phương pháp bốc bay chân không với diện tích S = 3,14mm2 Các PMT sử dụng nghiên cứu bao gồm: PMT -005 (CM = 0,005M), PMT -01 (CM = 0,01M) PMT -04 (CM = 0,04M) Hình 4.12 biểu diễn đặc trưng J-V PMT chế tạo với nồng độ muối kẽm acetat thay đổi CM = 0,005  0,04M Có thể thấy, điện áp hở mạch đạt giá trị cực đại (VOC = 425 mV), mật độ dịng ngắn mạch có giá trị JSC  7,8 mA/cm2 hiệu suất 1,84% mẫu PMT -01 tương ứng với nồng độ muối kẽm acetat CM = 0,01M Đối với mẫu PMT -005, điện áp hở mạch đạt giá trị VOC = 405 mV, mật độ dịng ngắn mạch có giá trị JSC  7,1 mA/cm2 hiệu suất lại thấp ba mẫu 1,025% Đối với mẫu CEL-04 điện áp hở mạch mật độ dòng ngắn mạch đạt giá trị VOC = 401 mVvà JSC  5,85 Hình 4.3 Đặc trưng J-V sáng mA/cm2 thấp ba pin mặt trời chế tạo mẫu Hiệu suất 1,125% Kết mẫu PMT-01 có sai hỏng so với mẫu PMT-005 PMT-04 (chương 3) Có thể kết luận sơ bộ, với nồng độ muối kẽm acetat cho phép chế tạo PMT đạt thông số quang điện tốt Bảng 4.3 Các thông số quang điện PMT với nồng độ muối kẽm acetat khác VOC JSC ff  Mẫu (mV) (mA/cm2) (%) (%) PMT-005 405 7,1 35,65 1,025 PMT -01 425 8,7 49,5 1,84 PMT -04 401 5,85 47,96 1,125 24 KẾT LUẬN 1) Trong cơng trình này, lần chế tạo thử nghiệm thành công pin mặt trời màng mỏng cấu trúc kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Metal phương pháp USPDILGAR đạt thông số quang điện sau: VOC  425mV, JSC  8,7mA/cm2, ff49,5% 1,84% Các thông số tiệm cận với thông số cơng bố cơng trình quốc tế thời gian gần 2) Các thông số công nghệ kiểm tra hiệu chỉnh thực nghiệm mô SCAPS-1D 3) Lần sử dụng phương pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm USPD để lắng đọng màng nano ZnO có hình thái bề mặt nano Phương pháp cho phép lắng đọng lớp chức có độ đồng cao thành phần hóa học hình thái bề mặt mong muốn 4) Đã xác định thông số công nghệ lắng đọng lớp chức pin mặt trời màng mỏng kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me phương pháp USPDILGAR 5) Lần đầu tiên, sở phương pháp USPD-ILGAR, đưa mơ hình chiều mơ tả phân biên ZnO/CdS CdS/CuInS2 Các phân biên ZnO/CdS CdS/CuInS2 khảo sát phương pháp phổ trở kháng phức CIS nhận thơng tin hữu ích sau đây:  Phương pháp công nghệ USPD-ILGAR cho phép nhận phân biên ZnO/CdS CdS/CuInS2 có tác động gần tương đương hệ vật liệu Glass/ITO/ZnO/CdS/CuInS2/Ag  60nm giá trị tới hạn lớp CdS cho phép hình thành chuyển tiếp PN phân biên CdS/CuInS2 6) Cấu trúc lớp nano ZnO ảnh hưởng rõ rệt đến phân biên CdS/CuInS2 Nồng độ muối kẽm acetat CM=0,01M nồng độ tối ưu để nhận phân biên ZnO/CdS có sai hỏng hóa học 7) Các thông số quang điện pin mặt trời cải thiện rõ rệt sử dụng lớp cửa sổ ZnO cấu trúc nano  ... nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me phương pháp USPD-ILGAR Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận án 1) Nghiên cứu lắng đọng lớp cửa sổ nanoZnO, nanoZnO:In, nanoZnO:Al,... đa dạng pin mặt trời màng mỏng 3) Đưa vào ứng dụng loại pin mặt trời sở vật liệu pin mặt trời nhuộm màu, pin mặt trời hữu cơ…v.v 4) Nghiên cứu sử dụng vật liệu chế tạo pin mặt trời Nói tóm lại,... trúc nano lớp cửa sổ ZnO ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt động góp phần gia tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện pin măt trời màng mỏng 5) Các pin mặt trời màng mỏng kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS2/Me