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 tạo.
5
1 CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT VỀ PMT MÀNG MỎNG THẾ HỆ MỚI DỰA
TRÊN LỚP HẤP THỤ CuIn
1-x
Ga
x
Se
2
(CIGS)
1.1 Lịch sử phát triển
Hiện nay, năng lượng đang là vấn đề thời sự của mọi quốc gia. Từ trước tới
nay, con người vẫn sử dụng nguồn năng lượng sẵn có nguồn gốc từ các hóa thạch
như: than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên Những nguồn năng lượng này đang có nguy cơ
cạn kiệt và có khả năng không đủ đáp ứng nhu cầu năng lượng của con người. Bên
cạnh đó, ở cuối thế kỉ 21, sự nóng lên toàn cầu làm tăng nhiệt độ trung bình của khí
quyển trái đất lên 1,4
o
C – 5,8
o
C. Việc hướng tới một dạng năng lượng sạch, với một
ít hoặc không có sự phát xạ sẽ là một trong những thử thách lớn của thế kỷ XXI. Một
sự nỗ lực đầy hứa hẹn là sự ứng dụng hiệu ứng quang điện để tận dụng một lượng
lớn năng lượng mà trái đất nhận được mỗi giây từ mặt trời[12]. Hội nghị năng lượng
mới toàn cầu tại Born năm 2004 đã khẳng định quyết tâm của thế giới thay thế 20 %
năng lượng điện truyền thống bằng nguồn năng lượng mới trong đó có điện mặt trời
vào năm 2020. Trong khi một vài công nghệ đã được ứng dụng để thu được hiệu suất
cao hơn thì thành công tốt nhất là màng mỏng từ tế bào năng lượng mặt trời. Thiết bị
đó được chế tạo bởi công nghệ lắng đọng không tốn kém dựa trên những chất nền
không đắt. Vì vậy, chúng có tiềm năng để trở thành nguồn năng lượng có sức cạnh
tranh về mặt kinh tế trong thập kỷ sau. PMT thế hệ mới dựa trên lớp hấp thụ CuIn
1-
x
Ga
x
Se
2
(CIGS) đã đạt được hiệu quả cao nhất trong tất cả những màng mỏng tế bào
năng lượng mặt trời. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng pin mặt trời kỷ lục cho đến
nay là 19,9 %.
Pin mặt trời ngày nay
Công nghiệp quang điện đã trở thành một sản phẩm thương mại trị giá hàng tỷ
đô la, sản phẩm quang điện đã vượt qua 1GW trong thời gian đầu năm 2004 và người
6
ta hy vọng nó sẽ vượt qua 3GW vào năm 2010. Thị trường đã tăng với tốc độ kép
trong vài năm gần đây (20% – 40% mỗi năm). Giá cả được đưa ra trong phạm vi đô
la trên một Watt peak ($/Wp) và vẫn tiếp tục giảm, xấp xỉ với đường cong nghiên
cứu là 80% [11]. Đường cong nghiên cứu là hình chỉ ra dưới đây.
Khi sản lượng tăng lên đến 100 % thì giá thành chỉ tương đương giá nhiên liêu
hóa thạch. Chúng ta hi vọng điều này sẽ xảy ra trong khoảng 15 năm nữa. Công nghệ
Silicon tinh thể quang điện là cơ sở cho PMT nhưng giá cả nguyên vật liệu đắt hơn
rất nhiều. Như vậy, các PMT màng mỏng sẽ trở thành ứng cử viên nhiều hứa hẹn hơn
cho nền sản xuất PMT với số lượng lớn.
Hình 1: Quá trình phát triển của pin mặt trời
Các PMT loại màng mỏng CIGS có lợi thế đáng kể về giá cả bởi vì các
đường cong nghiên cứu bắt đầu từ một mức thấp hơn so với công nghệ Silic. Các
màng mỏng được chế tạo với chi phí sản phẩm về căn bản là thấp hơn.
Sự thành công về thương mại của PMT rất quan trọng bởi vì nó thúc đẩy sự
phát triển trong tương lai. Sự thành công đó lại phụ thuộc chủ yếu vào sự khuyến
khích của chính phủ như: giảm giá thuế, trợ cấp lắp đặt. Hiện nay, các PMT thế hệ
mới loại màng mỏng CIGS chiếm dưới 10 % thị phần hàng hóa của pin quang điện.
Toàn bộ sản phẩm điện từ mặt trời vẫn không đáng kể so với lượng năng lượng mà
7
thế giới yêu cầu. Vì vậy, hướng nghiên cứu mới về pin mặt trời thế hệ mới loại màng
mỏng là rất cấp thiết và có tính khả thi.
PMT đến năm 2050
Đối mặt với tình trạng công nghiệp hóa và sự tăng dân số thế giới liên tục, loài
người phải đương đầu với những thách thức về yêu cầu năng lượng. Từ năm 2000
đến năm 2050, yêu cầu năng lượng trung bình sẽ tăng từ 13 TW (2000) đến khoảng
30 TW. Năng lượng của chúng ta tập trung chủ yếu vào năng lượng của nhiên liệu
hóa thạch. Nhân tố thúc đẩy các năng lượng tái tạo sẽ làm tăng sự sản xuất khí gây
hiệu ứng nhà kính, đặc biệt là khí CO
2
tích tụ trong khí quyển của chúng ta. Từ cuối
thế kỉ XIX, nồng độ CO
2
tăng từ khoảng 280 phần triệu (ppm) đến 360 ppm [16].
Nồng độ CO
2
tăng từ 450 đến 550 ppm được dự đoán sẽ gây ra sự thay đổi thời tiết.
Với tốc độ tiêu thụ năng lượng hóa thạch hiện nay và nhu cầu sử dụng năng lượng
toàn cầu tăng, chúng ta sẽ phải đối mặt với nguồn nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt và
nồng độ CO
2
tăng đến 750 ppm vào năm 2050, gấp 3 lần nồng độ hiện nay [9].
Trong viễn cảnh này, Trái đất có thể trở thành một nơi ít có cơ hội sống. Vấn đề ở
đây là con nguời phải làm gì để tận dụng được các nguồn năng lượng sạch đáp ứng
được yêu cầu của xã hội và bảo vệ mội trường sống. Như vậy, năng lượng mặt trời là
ứng cử viên tốt nhất có thể ngăn chặn các thảm hoạ khí hậu .
1.2 Những thách thức đặt ra
Việc phát triển loại pin mặt trời màng mỏng CIGS đang có những vướng mắc
cần các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu tháo gỡ. Vấn đề lớn nhất hiện nay là các
đặc trưng về hiệu năng hoạt động (dòng cực đại, thế cực đại, hiệu suất biến đổi năng
lượng, hệ số lấp đầy) của loại pin này chưa cao khi sản xuất ở qui mô lớn và còn
chưa ổn định, tức là phụ thuộc rất nhiều yếu tố như thành phần, cấu trúc, công nghệ
chế tạo. Để giải quyết bài toán này, trước hết các nhà khoa học phải chế tạo được các
lớp riêng rẽ của cấu trúc pin với phẩm chất mong muốn, phải hiểu được mối liên
quan giữa điều kiện chế tạo với tính chất vật liệu, giữa các tính chất của các lớp riêng
rẽ với hiệu năng hoạt động của toàn bộ cấu trúc. Trong lĩnh vực này, ngoài các nghiên
8
cứu thực nghiệm như chế tạo mẫu bằng các phương pháp khác nhau, đo đạc các đặc
tính vật liệu, phương pháp mô phỏng cũng là một công cụ hữu hiệu [11-12].
Ở bài toán mô phỏng, các nhà nghiên cứu chú ý khảo sát ảnh hưởng các tham
số đặc trưng của vật liệu lên hiệu năng làm việc của pin thông qua các mô hình vi mô
về cơ chế hoạt động. Một loạt các hướng nghiên cứu khác cũng được các nhà khoa
học tiến hành như giảm chiều dầy các lớp [6-7], tăng cường độ bền cơ học của pin,
nâng cao năng suất chế tạo, giảm giá thành và đảm bảo an toàn môi trường trong chế
tạo [4-15]. Trên thế giới có một số trung tâm nghiên cứu mạnh về pin mặt trời màng
mỏng CIGS, điển hình là NREL (Mỹ), Đại học Tổng hợp Colorado (Mỹ), Đại học
Tổng hợp Uppsala (Thụy Điển) với kinh phí rất lớn, khoảng 10 đến 20 triệu đô la cho
một dự án. Tại các trung tâm này, các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu xây dựng các
dây chuyền sản xuất, bên cạnh đó vẫn đang tiếp tục các nghiên cứu cơ bản theo các
hướng đã nêu ở trên.
Vấn đề thứ hai đặt ra là độ bền lâu dài của thiết bị. Câu hỏi đặt ra là tại sao
một số mô đun giữ được chất lượng bền vững trong khi một số khác thì không? Để
trả lời câu hỏi này, chúng ta cần hiểu biết tốt hơn về cơ chế suy giảm ở từng linh
kiện, từng bộ phận cũng như trong cả mô đun hoàn chỉnh. Ví dụ, việc thấm hơi nước
qua vỏ bọc cũng làm suy giảm chất lượng. Vì vậy, việc cải tiến hàng rào màng mỏng
với hơi nước sẽ nâng cao độ bền khi hoạt động. Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành
để điểu chỉnh và khảo sát chất lượng của các mô đun CIGS ở ngoài môi trường. Cho
tới ngày nay, mức độ hiểu biết về các nguyên nhân làm suy giảm chất lượng là không
phù hợp và thiếu đồng bộ giữa các nghiên cứu thiết bị và mô đun.
Tình hình nghiên cứu và sử dụng PMT tại Viêt Nam đã được thể hiện khá đầy
đủ tại Hội thảo quốc tế về “Điện mặt trời công nghiệp từ sản xuất chế tạo đến khai
thác hiệu quả” tổ chức tại thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 9 năm 2008 [1]. Tại Việt
Nam, nghiên cứu PMT đã từng được bắt đầu từ khá sớm trên đối tượng PMT silic.
Việc sử dụng PMT còn ở mức độ hạn chế. Thời gian gần đây, qui mô sử dụng PMT
9
đang được phát triển nhanh chóng nhưng vẫn trên cơ sở loại pin silic thường được
nhập từ nước ngoài dưới dạng bán thành phẩm hoặc thành phẩm.
Trước nhu cầu lớn về PMT, đặc biệt nhu cầu phục vụ các vùng sâu, vùng xa,
hải đảo, tầu đánh cá, gần đây nhất, một số nhà máy sản xuất mô đun PMT loại silic đã
được khởi công xây dựng tại Việt Nam với dây chuyền công nghệ hoàn toàn được
nhập khẩu. Một số công ty trong nước cũng đã cho ra mắt các sản phẩm phục vụ
ngành điện mặt trời như các thiết bị lưu điện, thiết bị chuyển đổi điện ăcqui thành
điện lưới. Như vậy điện mặt trời có nhu cầu và tiềm năng rất lớn ở nước ta. Các
thông tin trên cũng cho thấy PMT thế hệ mới trên cơ sở màng mỏng CIGS là lĩnh vực
mới ở Việt Nam.
1.3 Cấu trúc cơ bản và các tham số đặc trưng
1.3.1 Cấu trúc cơ bản của PMT
PMT thế hệ mới dựa trên lớp hấp thụ CIGS chế tạo dựa trên thuỷ tinh hoặc
chất nền không chỉ sử dụng công nghệ lắng đọng. Cấu trúc của pin được mô tả bằng
hình vẽ dưới đây:
Lưới Al
Hình 2: Cấu trúc cơ bản của pin mặt trời với lớp hấp thụ CIGS
Lớp đầu tiên là lớp dẫn điện trong suốt ZnO, lớp này hệ số phản xạ càng thấp
thì hiệu năng của pin càng cao. Do vậy, việc tạo lớp chống phản xạ bề mặt là rất cần
thiết. Trên thực tế, chúng ta thường sử dụng MgF
2
.
10
Lớp thứ hai là lớp đệm CdS với độ dày khoảng (50 nm). Phần lớn các photon
có bước sóng ngắn bị hấp thụ trong lớp này.
Lớp thứ ba là lớp hấp thụ CIGS với độ dày khoảng 1000 nm – 3000 nm, hệ số
hấp thụ lớn khoảng 10
5
cm
-1
. Phần lớn ánh sáng chiếu tới bị hấp thụ trong lớp này.
Lớp dẫn điện đế là Al. Cuối cùng, lớp đế là Mo [14].
Trong các lớp tạo nên cấu trúc hoàn chỉnh của PMT, có ba lớp đóng vai trò
quan trọng hơn cả đó là lớp hấp thụ CIGS, lớp đệm CdS và lớp dẫn điện truyền qua
trong suốt ZnO. Trong đó, lớp hấp thụ CIGS là bán dẫn loại p, còn các lớp CdS và
lớp ZnO là các bán dẫn loại n. Cả ba lớp này đều là chất bán dẫn nên các thông số
đầu vào là các tham số về các tính chất cơ bản của chất bán dẫn như hằng số điện
môi, hệ số hấp thụ, độ rộng vùng cấm, nồng độ hạt tải, độ linh động hạt tải. Ảnh
hưởng của sai hỏng cũng được tính đến qua các tham số mật độ, sự phân bố của sai
hỏng, tiết diện bắt điện tử và lỗ trống của các trạng thái sai hỏng. Phân bố vùng năng
lượng tại các mặt phân cách phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm và ái lực hóa học của
từng lớp. Ngoài ra, các hiệu ứng bề mặt của lớp ZnO và mặt đáy CIGS cũng được
tính đến thông qua các tham số hệ số phản xạ, tốc độ của các điện tử và lỗ trống tái
hợp. Ngoại trừ các tham số được chọn để khảo sát, các tham số khác được chọn từ số
liệu thực nghiệm hoặc các giả thiết thích hợp. Hoạt động của pin được mô phỏng
trong điều kiện chiếu sáng tiêu chuẩn AM-1.5G tại 300 K.
1.3.2 Các đặc trưng về hiệu năng hoạt động của PMT màng mỏng CIGS
Luận văn nghiên cứu tập trung bốn thông số đặc trưng đầu ra về hiệu năng
hoạt động của một PMT: Thế hở mạch, mật độ dòng đoản mạch, hệ số lấp đầy và
hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
11
Bảng 1: Các thông số đặc trưng đầu ra của chương trình mô phỏng một
chiều AMPS – 1D
Thông số
Ký hiệu Đơn vị Xác định
Thế hở mạch
V
oc
V J = 0
Mật độ dòng đoản mạch
J
SC
mA/cm
2
V = 0
Thế cực đại
V
Max
V V tại (JV)
Max
Mật độ dòng cực đại
J
Max
mA/cm
2
J tại (TV)
Max
Hệ số lấp đầy
ff % (JV)
Max
/(V
OC
.J
SC
)
Hiệu suất
η % (JV)
Max
/P
inc
Giá trị điện thế mà tại đó mật độ dòng bằng không gọi là thế hở mạch, kí hiệu
V
OC
.
Giá trị mật độ dòng mà tại đó điện thế bằng không gọi là mật độ dòng đoản
mạch, kí hiệu J
SC
.
Tại một vài điểm trên đường đặc trưng V-I giá trị điện thế và mật độ dòng đạt
giá trị cực đại tương ứng V
max
, J
max
. Phần diện tích có giá trị (JV)
max
gọi là công suất
cực đại P
max
.
Hình 3: Đường đặc trưng V – I
12
Hệ số lấp đầy là tỷ số giữa (JV)
max
và tích J
SC
.V
OC
, kí hiệu là ff. Biểu thức
được mô tả :
OCSC
MM
OCSC
Max
VJ
VJ
VJ
P
ff
.
.
.
==
(1.1)
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng, kí hiệu là η, là tỷ số giữa công suất cực đại
với công suất chiếu xạ. Biểu thức được mô tả như sau:
inc
MM
P
JV .
=
η
1.4 Một số phương pháp chế tạo lớp hấp thụ CIGS
1.3.3 Đồng bốc bay từ các nguồn nguyên tố
Đồng bốc bay 3 bước là phương pháp chế tạo lớp hấp thụ thành công nhất với
pin diện tích nhỏ hiệu suất cao của CIGS từ các nguồn nguyên tố trong hơi Se dư
thường ở dưới các điều kiện chân không siêu cao sử dụng hệ epitaxy chùm phân tử
(MBE). Quá trình 3 bước dựa trên quá trình lớp kép của Boeing kết hợp đồng bốc
bay lớp CIGS giàu đồng tại nhiệt độ đế thấp hơn 450
o
C dưới lớp giàu In tại nhiệt độ
cao hơn 550
o
C. Việc kết hợp các lớp làm hình thành một màng đồng nhất của (In,
Ga)
2
Se
3
tại nhiệt độ đế thấp hơn (khoảng 300 - 350
o
C) và sau đó bốc bay Cu và Se tại
nhiệt độ cao hơn (500 - 560
o
C) để tạo lớp CIGS giàu đồng. Sau đó thêm vào nhiều
hơn (In, Ga)
2
Se
3
giúp hình thành màng cuối cùng hơi khuyết Cu. Việc xử lí hơi Se
được tiến hành trong bước làm lạnh. Tỉ số Ga /(Ga + In) thường biến thiên như hàm
của độ thấm sâu. Vì khe năng lượng của CGS cao hơn của CIS nên tăng thành phần
Ga thì khe năng lượng cũng tăng dần khoảng 1,1 eV tới 1,2 eV do đó làm tăng việc
tách các hạt tải tích điện phát quang điện và giảm tái hợp tại lớp tiếp xúc đế. Ví dụ,
tại NREL đã ghi lại tỉ phần Ga/(Ga+In) khoảng 30 % gần lớp tiếp xúc đế và khoảng
25 % gần bề mặt trên.
13
1.3.4 Selen hóa của các lớp bán vật liệu dạng kim loại
Phương pháp đa bước chung nhất là selen hóa các lớp kim loại hay các lớp
hợp kim được xếp chồng. Các kim loại hay hợp kim có thể được chế tạo bằng nhiều
phương pháp khác nhau, thường là phún xạ, bốc bay, mạ điện.
Selen hóa được sử dụng nhiều nhất trong môi trường chứa Se tại nhiệt độ cao
(thường là 400
o
C). Se có thể tồn tại ở dạng H
2
Se được pha loãng bằng khí Ar hoặc
nguyên tố Se. Thời gian Selen hóa phụ thuộc vào độ dày, cấu trúc và thành phần của
màng cũng như nhiệt độ phản ứng và nguồn Se.
Nói chung, CIS hình thành bằng Selen hóa nhanh hơn và ở nhiệt độ thấp hơn
với CGS. Kết quả các màng CIGS có thể chứa CIS và CGS như 2 pha tách riêng nếu
nhiệt độ phản ứng quá nhỏ hoặc thời gian quá ngắn. Nhiệt độ phản ứng cao cũng có
thể dễ dàng hình thành Mo
2
Se. Phương pháp chalcogen hóa cũng đưa ra khả năng
hình thành các màng mỏng CuIn(S,Se)
2
bằng đưa cả bán vật liệu Se và S vào môi
trường ủ.
1.3.5 Lắng đọng hơi hóa học
Các công nghệ lắng đọng pha khí hóa học cũng như lắng đọng hơi hóa học
(MOCVD) và chuyển dạng hơi nén chặt cũng đã được sử dụng với việc chế tạo các
màng mỏng CIS và CIGS. Thuận lợi của quá trình này là nhiệt độ lắng đọng thấp hơn
so với các quá trình bốc bay.
Nhóm McAleese đã thu được các màng CIS ở 400
o
C – 500
o
C bằng MOCVD
nhiệt tại các áp suất thấp từ các hợp phức methyl-n-hexyldiselenocarbamate của Cu
(II) và In (III) (Cu (Se
2
CNCH
3
C
6
H
13
)
2
và In (Se
2
CNCH
3
C
6
H
13
)
3
). Các màng thu được
gần với hợp thức và khe vùng của chúng được đánh giá khoảng 1,08 eV. Các mẫu
XRD của các màng chỉ ra có nhiễu xạ chính của pha chalcopyrite.
Quá trình PECVD cũng được báo cáo mà hexafluoroacetylacetonate tạo phức
Cu(hfac)
2
và In(hfac)
2
sử dụng như các bán vật liệu dạng kim loại và 4-methy l-1, 2,
3-selenadiazole như nguồn Se. H
2
được sử dụng như các khí tải với các bán vật liệu
dạng kim loại. Nhiệt độ lắng đọng tăng dần từ 150 – 400
o
C. Màng thu được là có khả
14
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét