Luận án Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phun phủ nhiệt phân quay đầu phun và hỗ trợ siêu âm chế tạo các phần tử pin mặt trời họ Cux(In,Zn,Sn)Sy

Mục lục

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt . 5

Danh mục hình vẽ . 8

Danh mục bảng biểu . 12

MỞ ĐẦU . 14

Chương 1 . 17

Tổng quan về pin mặt trời . 17

1.1. Pin mặt trời . 17

1.1.1. Lịch sử phát triển của pin mặt trời . 17

1.1.2. Pin mặt trời bán dẫn hợp chất . 17

1.1.3. Chuyển tiếp đồng chất . 18

1.1.4. Chuyển tiếp dị chất . 19

1.2. Pin mặt trời màng mỏng. 20

1.2.1. Pin mặt trời màng mỏng CIGS .21

1.2.1.1. Cấu tạo của pin mặt trời màng mỏng CIGS . 21

1.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của PMT CIGS . 23

1.2.1. Pin mặt trời sử dụng bán dẫn hợp chất III-V . 26

1.2.2. Pin mặt trời trên cơ sở chất bán dẫn CdTe . 27

1.2.3. Pin mặt trời trên cơ sở lớp hấp thụ họ Kesterite . 27

1.2.4. Pin mặt trời trên cơ sở lớp hấp thụ họ Chalcopyrite . 29

1.3. Các phương pháp chế tạo PMT màng mỏng . 32

1.3.1. Phương pháp bay hơi nhiệt . 32

1.3.2 Phương pháp phún xạ . 33

1.3.3 Phương pháp sol-gel . 33

1.3.4. Phương pháp phun phủ nhiệt phân . 35

Kết luận chương 1 . 37

Chương 2 . 38

Nghiên cứu phát triển phương pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm quay SSPD (Spin

Spray Pyrolysis Deposition) . 38

2.1. Xác định các thông số tối ưu của quá trình lắng đọng màng mỏng bằng phương pháp

mô phỏng phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Ansys Fluent Ver. 15 . 39

2.1.1. Cơ sở của phương pháp .39

2.1.1.1. Các phương trình cơ bản được sử dụng trong mô phỏng . 39

2.1.2. Triển khai mô phỏng .41

2.1.2.1. Xác định mô hình hình học. 41

2.1.2.2. Chia lưới và xác định điều kiện biên . 412

2.1.2.3. Xác định mô hình tính toán . 44

2.1.2.4. Chạy mô phỏng và kiểm tra tính hội tụ của bài toán . 45

2.1.3. Phân tích kết quả mô phỏng.46

2.1.3.1. Xác định ngưỡng làm việc của áp suất khí mang . 46

2.1.3.2. Xác định khoảng cách đầu phun đến đế . 48

2.1.3.3. Xác định ngưỡng tốc độ bơm dung dịch vào đầu phun . 49

2.1.3.4. Đánh giá kết quả lắng đọng màng khi sử dụng tập hợp các thông số công

nghệ tối ưu . 50

2.2. Thiết kế và chế tạo hệ lắng đọng màng mỏng phun nhiệt phân hỗ trợ rung siêu âm

quay (SSPD) . 52

2.2.1. Thiết kế và chế tạo hệ SSPD.52

2.2.1.1. Đầu rung siêu âm . 54

2.2.1.2. Bộ định hướng khí cho đầu phun . 54

2.2.1.3. Bộ cấp khí chung . 56

2.2.1.4. Lò nhiệt và bộ phận điều khiển nhiệt độ . 56

2.2.1.5. Cơ cấu dịch chuyển đầu phun . 57

2.2.2. Các thông số công nghệ của hệ SSPD.61

2.2.2.1. Nhiệt độ đế. 62

2.2.2.2. Tiền chất ban đầu . 62

2.2.2.3. Tốc độ quay . 62

2.2.2.4. Khoảng cách đầu phun đến đế . 63

2.3. Khảo sát hệ lắng đọng màng mỏng SSPD . 63

2.3.1. Hiệu ứng Pinhole. 64

2.3.2. Diện tích lắng đọng màng . 65

2.3.2.1. Hình thái bề mặt . 65

2.3.2.2. Độ truyền qua. 66

2.3.2.3. Cấu trúc pha tinh thể . 67

2.3.2.4. Thành phân nguyên tố . 67

2.3.3. Độ đồng đều trong diện tích lắng đọng .68

2.3.3.1. Hình thái bề mặt . 68

2.3.3.2. Độ truyền qua. 69

2.3.3.3. Cấu trúc pha tinh thể . 70

2.3.3.4. Thành phần nguyên tố . 70

Kết luận chương 2 . 71

Chương 3 . 72

Lắng đọng các lớp chức năng sử dụng trong PMT màng mỏng cấu trúc

Glass/ITO/ZnO/CdS/CuxIn(ZnSn)Sy/Metal bằng phương pháp SSPD . 72

3.1. Nghiên cứu lắng đọng lớp ZnO . 733

3.1.1. Thực nghiệm .73

3.1.1.1. Chuẩn bị. 73

3.1.1.2. Lắng đọng màng ZnO . 73

3.1.2. Kết quả và thảo luận.75

3.1.2.1. Khảo sát thời gian lắng đọng màng. 75

3.1.2.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ . 76

3.1.3. Kết luận .82

3.2. Nghiên cứu lắng đọng lớp đệm . 83

3.2.1. Thực nghiệm .84

3.2.1.1. Chuẩn bị. 84

3.2.1.2. Lắng đọng màng CdS . 84

3.2.2. Kết quả và thảo luận.85

3.2.2.1. Khảo sát thời gian lắng đọng màng CdS . 85

3.2.2.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ lắng đọng màng CdS . 88

3.2.2.3. Khảo sát tính chất của màng In2S3 lắng đọng bằng phương pháp SSPD . 92

3.2.3. Kết luận .95

3.3. Nghiên cứu lắng đọng lớp hấp thụ . 96

3.3.1. Nghiên cứu lắng đọng lớp Cu2ZnSnS4 bằng phương pháp SSPD .96

3.3.1.1. Chuẩn bị thực nghiệm . 96

3.3.1.2. Lắng đọng màng Cu2ZnSnS4 . 97

3.3.1.3. Khảo sát tính chất màng Cu2ZnSnS4 lắng đọng bằng phương pháp SSPD . 97

3.3.2. Nghiên cứu lắng đọng lớp CuInS2 bằng phương pháp SSPD.100

3.3.2.1. Chuẩn bị thực nghiệm . 100

3.3.2.2. Lắng đọng màng CuInS2 . 101

3.3.2.3. Khảo sát tính chất màng CuInS2 lắng đọng bằng phương pháp SSPD . 101

Kết luận chương 3 . 107

Chương 4 . 109

Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của PMT màng mỏng đa lớp cấu trúc

ITO/ZnO:n/CdS/CuInS2/Me . 109

4.1. Chế tạo PMT cấu trúc ITO/ZnO:n/CdS/CuInS2/Me. 110

4.2. Khảo sát thông số cơ bản của PMT-CIS . 112

4.2.1. Ảnh hưởng của độ mấp mô bề mặt (Rms) lớp ZnO . 112

4.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động đến thông số của PMT-CIS . 114

4.3. Chế tạo thử nghiệm pannel PMT-CIS kích thước 20x30 cm2 . 123

Kết luận chương 4 . 126

KẾT LUẬN . 128

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN . 130

BẰNG ĐỘC QUYỀN SÁNG CHẾ . 1304

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 131

PHỤ LỤC I – CÁC BẢN VẼ KỸ THUẬT . 139

PHỤ LỤC II – CÁC QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ . 146