1

Mục lục
Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt 4
Danh mục các bảng 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8
MỞ ĐẦU 12
CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 16
1.1 Năng lƣợng mặt trời - nguồn năng lƣợng của tƣơng lai 16
1.2 Hiệu ứng PV (PhotoVoltaic Effect) và linh kiện quang điện sử dụng hiệu ứng PV 19
1.3 Cơ sở vật lý của pin mặt trời 21
1.3.1 Nguyên lý hoạt động 21
1.3.2 Đặc trƣng J-V 21
1.4 Pin mặt trời màng mỏng chalcopyrite 29
1.4.1 Cấu trúc của pin mặt trời màng mỏng chalcopyrite 29
1.4.2 Vật liệu chalcopyrite 30
1.5 Pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano 32
1.5.1 Các tính chất cơ bản của vật liệu cấu trúc nano 32
1.5.2 Giản đồ năng lƣợng của pin mặt trời cấu trúc nano 36
1.5.3 Các cấu hình pin mặt trời cấu trúc nano 37
1.6 Vật liệu kẽm oxide (ZnO) 38
1.6.1 Vật liệu ZnO 38
1.6.2 Công nghệ lắng đọng các lớp chức năng của pin mặt trời 41
Kết luận chƣơng 45
CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ LẮNG ĐỌNG CÁC LỚP CHỨC NĂNG
TRONG CẤU TRÚC PMT MÀNG MỎNG 46
2.1 Nghiên cứu lắng đọng màng nano ZnO bằng phƣơng pháp USPD 47
2.1.1 Thực nghiệm 47

2

BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHỔ TRỞ KHÁNG PHỨC CIS 84
3.1 Phƣơng pháp phổ trở kháng phức CIS 84
3.2 Ứng dụng phƣơng pháp phổ trở kháng phức để nghiên cứu các linh kiện cấu trúc lớp 86
3.3 Thực nghiệm 88
3.3.1 Chuẩn bị mẫu 88
3.3.2 Khảo sát các phân biên ZnO/CdS và CdS/CuInS
2
88
3.4 Kết quả và thảo luận 90
3.4.1 Khảo sát phổ CIS của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Ag 90
3.4.2 Mô hình hóa hệ vật liệu Ag/ITO/ZnO/CdS/CuInS
2
/Ag 90
Kết luận chƣơng 100
CHƢƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM PIN MẶT TRỜI CẤU TRÚC
NANO HỆ GLASS/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
101
4.1 Thiết kế pin mặt trời cấu trúc lớp kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me… …… 101
4.1.1 Mô hình số .101
4.1.2 Chƣơng trình mô phỏng SCAPS .
4.1.3 Thiết kế pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano 104
4.1.3.1 Lựa chọn cấu trúc 104
4.2 Chế tạo pin mặt trời màng mỏng cấu trúc Glass/ ITO/nanoZnO/CdS/CuInS

4
Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các ký hiệu

Ký hiệu
Tên tiếng Anh
Tên tiếng Việt
A
Quality factor
Hệ số phẩm chất
D
Average crystallite size
Kích thƣớc tinh thể trung bình
E
Energy

Hole
Lỗ trống
J
Current density
Mật độ dòng
J
max

Current density at maximum power
output
Mật độ dòng ở công suất ra cực đại
J
SC

Short circuit current density
Mật độ dòng ngắn mạch
R
Resistance between the contacts
Điện trở tiếp xúc
R
S

Serial resistance
Điện trở nối tiếp
R
sh

Shunt resistance
Điện trở ngắn mạch
R

S

Substrate temperature
Nhiệt độ đế
V
Voltage
Điện áp
V
max

Voltage at maximum power output
Điện áp ở công suất ra cực đại

V
OC

Open circuit voltage
Điện áp hở mạch

Absorption coefficient
Hệ số hấp thụ

Thickness
Chiều dày

Conversion efficiency of the solar cell
Hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời
λ
Wavelength
Bƣớc sóng
6
Danh mục các chữ viết tắt

Ký hiệu
Tên tiếng Anh
Tên tiếng Việt
AFM
Atomic Force Microscope
Hiển vi lực nguyên tử
CBD
Chemical Bath Deposition
Lắng đọng bể hóa học
CH
Chacopyrite structure
Cấu trúc Chacopyrite
CIS
Complex Impedance Spectroscopy
Phổ trở kháng phức
CVD
Chemical vapour deposition
Lắng đọng từ pha hơi hóa học
EDX
Energy Dispersive X-ray
Tán sắc năng lƣợng tia X
ETA

1 Dimension
CAP-mô phỏng một chiều pin mặt
trời
SEM
Scanning Electron Microscope
Hiển vi điện tử quét
SPD
Spray Pyolysis Deposition
Phun phủ nhiệt phân
TCO
Transparent conducting oxide
Ôxít dẫn điện trong suốt
USPD
Ultrasonic Spray Pyolysis Deposition
Phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm
UV-VIS
UV-VIS Spectrophotometer
Máy quang phổ hấp thụ UV-VIS
XRD
X-ray diffraction
Nhiễu xạ tia X

7
Danh mục các bảng
Bảng 1.1 Dự báo công suất năng lượng tái tạo năm 2030-2035 và năm 2050 [143] 18
Bảng 1.2 Các thông số đặc trưng của PMT CuInS
2

e
107
Bảng 4.3 Thông số cơ bản đầu vào mô phỏng 109
Bảng 4.4 Các thông số của PMT mô phỏng bằng SCAPS-1D khi chiều dày lớp hấp thụ
thay đổi 111
Bảng 4.5 Các thông số quang điện của pin mặt trời mô phỏng bằng SCAPS-1D 112
Bảng 4.6 Các thông số quang điện của pin mặt trời với chiều dày lớp hấp thụ khác nhau 116
Bảng 4.7 Các thông số đầu vào mô phỏng sử dụng trong trường hợp so sánh với mẫu thực nghiệm 116
Bảng 4.8 So sánh thông số của mẫu thực nghiệm PMT -10 và mẫu mô phỏng M05 118
Bảng 4.9 Các thông số quang điện của pin mặt trời với nồng độ muối kẽm acetat khác nhau 119
8

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1 Xu hướng tiêu thụ năng lượng toàn cầu từ 1990 đến 2040 [16] 16
Hình 1.2 Công suất các nguồn năng lượng tái tạo trong những năm gần đây (1) Năng
lượng tái tạo hydro, (2) năng lượng gió, (3) năng lượng sinh khối, (4) năng lượng mặt
trời, (5) năng lượng địa nhiệt [130] 17
Hình 1.3 Sự phát triển của các thế hệ pin mặt trời [17] 20
Hình 1.4 Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 21
Hình 1.5 Cấu trúc một chiều của PMT chuyển tiếp PN đồng chất 22
Hình 1.6 Đồ thị mật độ dòng ngắn mạch J
sc
phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm E
g
[9], [172] 24
Hình 1.7 Đồ thị điện áp hở mạch V
oc

Hình 2.2 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở T
S
=420
o
C với các tỉ lệ
thể tích của C
3
H
7
OH và nước (ảnh trái là độ phóng đại 100k, ảnh phải là độ phóng đại
25k) (a) V
C3H7OH
:V
H2O
= 3:3 (b) V
C3H7OH
:V
H2O
=3:2 (c) V
C3H7OH
:V
H2O
= 3:1 49
Hình 2.3 Sự va chạm của các aerosol lên trên bề mặt đế nóng [144] 50
Hình 2. 4 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở T
S
=420
o
C 52
Hình 2.5 Kết quả tách phổ Raman thu được trong dải số sóng 300 ÷ 500 cm

C (a) Z-400, (b) Z-420, (c) Z-450 và (d) Z-500 58
Hình 2.12 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở nhiệt
T
S
= 400÷500
o
C 58
Hình 2.13 Phổ tán xạ Raman của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở nhiệt độ
T
S
= 400÷500
o
C 60
Hình 2.14 Kết quả tách phổ Raman trong dải số sóng 300 ÷ 500 cm
-1
các mẫu màng nano
ZnO (a) Z-400 (b) Z-420 (c) Z-450 và (d) Z-500………………………………………….60
Hình2.15 Phổ truyền qua của mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở nhiệt độ T
S
= 400÷500
o
C 61
Hình 2.16 Đồ thị quan hệ giữa (

h

)
2
với h


và hυ của mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở các tốc độ
lắng đọng (a) Z-05, (b) Z-1 và (c) Z-4 67
Hình 2.25 Ảnh FESEM của các mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở các nồng độ muối kẽm
(a) Z-005 (b) Z-01 (c) Z-02 và (d) Z-04 68
Hình 2.26 Phổ truyền qua của mẫu màng nano ZnO lắng đọng ở các nồng độ muối kẽm
(a) Z-001 (b) Z-005 (c) Z-01 (d) Z-02 và (e) Z-04 68
Hình 2.27 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu pha tạp In (a) và Al (b) 69
10
Hình 2.28 Sự phụ thuộc của kích thước tinh thể vào nồng độ tạp chất 70
Hình 2.29 Ảnh FESEM của các mẫu IZO và AZO lắng đọng với nồng độ pha tạp khác nhau 71
Hình 2.30 Phổ truyền qua của mẫu ZnO pha tạp Indi và Nhôm 72
Hình 2. 31 Đồ thị quan hệ giữa (

h

)
2
với h

của các mẫu ZnO pha tạp Indi và Nhôm
(a) IZO và (b) AZO 72
Hình 2.32 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu CuInS
2
74
Hình 2.33 Ảnh AFM của các mẫu CuInS
2
(a) CIS-12, (b) CIS-21 và (c) CIS-26 75

Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me (a) và phổ CIS của hệ vật liệu
Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me (b) 87
Hình 3.5 Sơ đồ lắng đọng các lớp chức năng trong cấu trúc PMT
Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
88
Hình3.6 Hệ đo phổ CIS 89
Hình3.7 Sơ đồ khối hệ đo phổ CIS 89
Hình 3.8 Phổ CIS của mẫu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Ag khi chiều dày lớp CdS
thay đổi 90
Hình 3.9 Sơ đồ tương đương của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Ag 91
Hình 3.10 Phổ CIS của hệ vật liệu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Ag khi chiều dày lớp CdS
thay đổi 92
Hình 3.11 Sự phụ thuộc của C
j
(phân biên CdS/CuInS
2
) vào chiều dày lớp CdS 93
Hình 3.12 Mô hình chuyển tiếp PN khi


Hình 3.19 Ảnh FESEM của các mẫu ZnO lắng đọng ở các nồng độ muối kẽm acetat
(a) Z-005 (b) Z-01 (c) Z-04 98
Hình 3.20 Phổ CIS của các mẫu ZnO/CdS/CuInS
2
với

CdS
=80nm và ZnO lắng đọng ở các
nồng độ muối kẽm acetat (a) Z-005 (b) Z-01 (c) Z-04 99

Hình 4.1 Quy trình mô hình hóa để cải thiện hiệu suất quang điện 101
Hình 4.2 Giao diện sử dụng phần mềm SCAPS 102
Hình 4.3 Giản đồ vùng năng lượng, mật độ hạt tải, mật độ dòng điện 103
Hình 4. 4 Cấu trúc pin mặt trời màng mỏng cấu trúc nano 105
Hình 4.5 Giản đồ năng lượng của pin mặt trời mặt trời màng mỏng 105
Hình 4.6 Đồ thị phụ thuộc các thông số đặc trưng theo nhiệt độ làm việc 108
Hình 4.7 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch,(b) mật độ dòng ngắn mạch, (c) hệ số lấp đầy
(d) hiệu suất chuyển đổi theo 
CuInS2
112
Hình 4.8 Sự thay đổi (a) điện áp hở mạch (b) mật độ dòng ngắn mạch, (c) hệ số lấp đầy
(d) hiệu suất chuyển đổi theo

CdS
113
Hình 4. 9 Sơ đồ khối công nghệ chế tạo PMT Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me 114
Hình 4.10 Đặc trưng J-V sáng của pin mặt trời chế tạo 115
Hình 4.11 So sánh đặc trưng J-V của mẫu thực nghiệm và mẫu mô phỏng 117

) do nhiên liệu hóa
thạch bị đốt cháy [1],[2]–[4].
Có thể thấy rằng, vấn đề an ninh năng lƣợng đang trở nên nóng bỏng hơn bao giờ hết và
đây chính là vấn đề mang tính cấp thiết trong bối cảnh cả thế giới đứng trƣớc bài toán hết
sức khó khăn là tìm kiếm các nguồn năng lƣợng bền vững, thân thiện với môi trƣờng để
thay thế cho các nguồn năng lƣợng truyền thống đang dần cạn kiệt. Trong bối cảnh này,
việc nghiên cứu sử dụng các dạng năng lƣợng tái tạo đang nhận đƣợc sự quan tâm đặc biệt
của các nhà khoa học và nhiều quốc gia trên thế giới [4]–[9]. Theo trích dẫn báo cáo mới
nhất của IPCC [10] ƣớc tính: “Gần 80% nhu cầu tiêu thụ năng lƣợng trên thế giới có thể
đƣợc đáp ứng bằng năng lƣợng tái tạo vào giữa thế kỷ này nếu các chính phủ áp dụng hiệu
quả những chính sách khuyến khích sử dụng năng lƣợng sạch”. Báo cáo của IPCC cũng
cho biết, việc chuyển sang sử dụng các nguồn năng lƣợng sạch sẽ giúp giảm đáng kể lƣợng
khí thải gây hiệu ứng nhà kính - một trong những nguyên nhân hàng đầu làm biến đổi khí
hậu, dẫn tới sự gia tăng lũ lụt, hạn hán và mực nƣớc biển dâng.
Tại Việt Nam, năng lƣợng tái tạo cũng đƣợc sự quan tâm to lớn của Chính phủ. Tại hội
thảo quốc tế “Điện mặt trời công nghiệp: Từ sản xuất đến khai thác hiệu quả”, Phó thủ
tƣớng Hoàng Trung Hải đã khẳng định: “Năng lƣợng hiện nay đã trở thành vấn đề thời sự,
là yếu tố quan trọng quyết định đến sự ổn định và phát triển kinh tế - xã hội của quốc gia.
Trƣớc dự báo đến năm 2015 nƣớc ta sẽ bắt đầu phải nhập khẩu năng lƣợng thì bài toán
năng lƣợng càng trở lên quan trọng và cấp bách hơn bao giờ hết ", "việc phát triển nguồn
năng lƣợng mới, trong đó có điện mặt trời khi năng lƣợng hóa thạch đang dần cạn kiệt là
mục tiêu quan trọng ” và “việc phát triển điện mặt trời ở Việt Nam sẽ góp phần hoàn
thành mục tiêu sử dụng năng lƣợng tái tạo chƣơng trình điện khí hóa nông thôn của Chính
phủ”. Tất cả những điều trên cho thấy năng lƣợng tái tạo, đặc biệt là năng lƣợng mặt trời
đang nhận đƣợc sự quan tâm vô cùng to lớn của toàn xã hội và hy vọng có thể là đáp án
góp phần giải quyết vấn đề năng lƣợng cho con ngƣời trong tƣơng lai.
Có thể nói, năng lƣợng mặt trời bắt đầu phát triển và hiện nay đang trên đà trƣởng
thành, mặc dù giá thành vẫn còn đắt hơn nhiều so với các nguồn năng lƣợng truyền thống.
Rõ ràng là, để thực hiện một sự thay đổi quyết định trong việc nâng cao hiệu suất, giảm giá
thành và đa dạng hóa các ứng dụng, lĩnh vực năng lƣợng mặt trời cần đầu tƣ nhân lực,

để chúng tôi lựa chọn nội dung nghiên cứu của bản luận án này.
Tên đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng của lớp chức năng nano ZnO đến hoạt động của
pin mặt trời màng mỏng glass/TCO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me lắng đọng bằng phương pháp
USPD-ILGAR’’
Mục đích nghiên cứu của luận án
1) Nghiên cứu và phát triển công nghệ lắng đọng không chân không:
 Phƣơng pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm USPD
 Phƣơng pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm-phản ứng pha khí lớp ion USPD-
ILGAR
2) Nghiên cứu lắng đọng lớp cửa sổ nanoZnO, nanoZnO:In, nanoZnO:Al, bằng phƣơng
pháp phun phủ nhiệt phân hỗ trợ siêu âm USPD để xác định quy trình công nghệ phù hợp.
3) Nghiên cứu lắng đọng lớp hấp thụ CuInS
2
bằng phƣơng pháp USPD để xác định quy
trình công nghệ phù hợp
4) Nghiên cứu lắng đọng lớp đệm CdS bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR để xác định
quy trình công nghệ phù hợp
5) Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số công nghệ lắng đọng tới tính chất của các phân
biên ZnO/CdS và CdS/CuInS
2
bằng phƣơng 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/CuInS
2
/Me
7) Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc đảo
14


Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR
Phương pháp nghiên cứu
Trong công trình này, chúng tôi đã sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm kết
hợp với các đoán nhận lý thuyết và phƣơng pháp mô phỏng bằng phần mềm Zview 3.0 và
SCAPS-1D. Tất cả các mẫu nghiên cứu trong luận án là các mẫu do chúng tôi tự chế tạo
trên các hệ thực nghiệm do chúng tôi xây dựng và phát triển.
Các phƣơng pháp lắng đọng bao gồm phƣơng pháp USPD và phƣơng pháp USPD-
ILGAR.
Chất lƣợng các mẫu đƣợc khảo sát bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X, phổ tán xạ
Raman, hiển vi điện tử quét và hiển vi lực nguyên tử. Hệ số hấp thụ và độ rộng vùng cấm
quang đƣợc xác định trên cơ sở phổ truyền qua UV-VIS. Tính chất điện của mẫu đƣợc
khảo sát bằng phƣơng pháp hiệu ứng Hall và đặc trƣng J-V. Đặc trƣng J-V sáng của pin
mặt trời đƣợc khảo sát ở điều kiện AM1.5 trên hệ đo Keithley 4200-SCS.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học
1) Nghiên cứu vật lý và công nghệ lắng đọng các lớp chức năng của pin mặt trời màng
mỏng cấu trúc kiểu Glass/ITO/nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me bằng phƣơng pháp USPD-
ILGAR
2) Lần đầu tiên đã xác định đƣợc quy trình công nghệ để lắng đọng các lớp chức năng
trong cấu trúc pin mặt trời màng mỏng bằng phƣơng pháp USPD-ILGAR.
3) Lần đầu tiên đã sử dụng phƣơng pháp phổ trở kháng phức CIS để khảo sát các phân
biên ZnO/CdS và CdS/CuInS
2
trong cấu trúc pin mặt trời màng mỏng. Kết quả nghiên cứu
này cho phép đánh giá một cách định tính tính đồng nhất của các chuyển tiếp ZnO/CdS và
CdS/CuInS

2
bằng phƣơng pháp phổ
trở kháng phức CIS
Chƣơng 4: Thiết kế và chế tạo thử nghiệm pin mặt trời màng mỏng cấu trúc kiểu
Glass/ITO/ nanoZnO/CdS/CuInS
2
/Me 16
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 Năng lƣợng mặt trời - nguồn năng lƣợng của tƣơng lai
Lịch sử phát triển thế giới cho thấy, sự phát triển kinh tế toàn cầu luôn liên quan chặt
chẽ với sự gia tăng sử dụng năng lƣợng và phát thải của khí nhà kính GHG (Green House
Gas). Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học đã có những nỗ lực vô cùng to lớn để giải
quyết nhu cầu năng lƣợng ngày càng gia tăng trên toàn thế giới và giảm thiểu tới mức tối
đa sự gia tăng phát thải khí nhà kính. Theo thông báo của Cơ quan Thông tin Năng lƣợng

5%
N¨ng l-îng h¹t nh©n
N¨ng l-îng t¸i t¹o
KhÝ tù nhiªn
Than
Láng
(gåm c¶ nhiªn liÖu sinh häc)
N¨m
N¨ng l-îng tiªu thô, 10
15
.Btu

Hình 1.1 Xu hướng tiêu thụ năng lượng toàn cầu từ 1990 đến 2040 [2]
Cũng cần lƣu ý rằng, khí nhà kính từ việc cung cấp các dịch vụ năng lƣợng đã góp phần
đáng kể vào sự gia tăng nồng độ khí nhà kính trong khí quyển. Báo cáo đánh giá thứ tƣ của
Ủy ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu IPCC (The Intergovernmental Panel on Climate
Change) (AR4) đã kết luận: "Hầu hết các gia tăng về nhiệt độ trung bình toàn cầu kể từ
giữa thế kỷ 20 liên quan chặt chẽ với sự gia tăng về nồng độ khí nhà kính do con ngƣời
thải ra"[21].
Các khảo sát gần đây đã chứng minh cho kết luận này, trong đó việc tiêu thụ nhiên liệu
hóa thạch do con ngƣời sử dụng chiếm phần lớn sự phát thải khí nhà kính. Sự phát thải khí
nhà kính tiếp tục gia tăng trong những năm gần đây và nồng độ CO
2
đã tăng lên hơn 31,2 tỉ
tấn năm năm 2010 tới 36,4 tỉ tấn năm 2020 và 45,5 tỉ tấn năm 2040 [2]. Có nhiều lựa chọn
cho việc giảm phát thải khí nhà kính từ các hệ thống năng lƣợng trong khi vẫn đáp ứng đủ
17

cần thiết trong đầu tƣ công nghệ và cơ sở hạ tầng.
Trong số các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng khác nhau (thủy điện, năng lƣợng
sinh khối, năng lƣợng gió và năng lƣợng mặt trời) thì năng lƣợng mặt trời là lĩnh vực phát
triển nhanh hơn cả với tốc độ tăng trƣởng bình quân hàng năm khoảng 60% trong những
năm gần đây[4],[6],[13]. Hình 1.2 và bảng 1.1 dƣới đây là dự báo công suất tiêu thụ năng
lƣợng tái tạo theo thông báo trong [4].
Năm 2003, trong tham luận “Động lực cho ứng dụng và phát triển pin mặt trời”, tác giả
Joachim Luther đã giải thích rằng, sự hấp dẫn của công nghệ pin mặt trời xuất phát từ hai
nguyên nhân sau: [8]
1) Khả năng sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời là rất cao, xếp hạng đầu tiên trong số
các nguồn năng lƣợng tái tạo. Đây là nguồn năng lƣợng đủ để sản xuất nhiều hơn gấp hai
lần nhu cầu dự kiến năng lƣợng thế giới cho năm 2030.
2) Năng lƣợng mặt trời là nguồn năng lƣợng bền vững. Nó không tạo ra khí thải độc
hại trong quá trình hoạt động, có thể sản xuất điện không có khí thải, có khả năng mở rộng
và hết sức linh hoạt.
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
0
50
100
150
200
250
300
350
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)


trời địa phƣơng và các yếu tố khác, giá thành pin mặt trời dao động trong khoảng 9÷13
cent/kWh. Trong tính toán dài hạn thì giá thành điện mặt trời sẽ giảm xuống dƣới 10
cent/kWh. Đặc biệt, tính toán của IEA ETP (2012) cho thấy giá thành điện mặt trời vào năm
2030 sẽ khoảng 7÷11 cent/kWh đối với các dự án quy mô lớn và 8÷14 cent/kWh cho việc lắp
Dạng năng lƣợng
Gió
PV
CSP
Sinh khối
Địa nhiệt
Đại
dƣơng
Đơn vị
GW
Công suất thực tế 2011
47
4
0.5
14
3
0
2030-2035
DOE EIA Annual Energy Outlook 2012
70
8
1
6
6
-
EIA World Outlook 2012

Lovins/RMI Reinventing Fire
500
480
80
40
15
-
19
đặt trên tầng mái [15]. Trong [16], [5] tổ chức Greenpeace lại thông báo, giá thành điện mặt
trời sẽ là 5†10 cent/kWh vào năm 2030-2040, tùy thuộc vào từng vùng lãnh thổ.
Một loạt các yếu tố đã góp phần giảm giá thành năng lƣợng mặt trời nhƣ: khả năng
lắng đọng các màng mỏng trên diện tích lớn, khả năng tự động hóa công nghệ, khả năng
tăng hiệu suất quang điện,… Ngoài ra, các chuyên gia đã đƣa ra các hƣớng sau đây để có
thể giảm giá thành điện mặt trời hơn nữa, đó là:
5) Tăng hiệu suất chuyển đổi quang điện các tế bào mặt trời. Cụ thể là với pin mặt trời
silicon hiệu suất quang điện  phải đạt 20†24% và đối với các pin mặt trời màng mỏng 
phải đạt 15% vào năm 2020.
6) Ứng dụng nhiều hơn và đa dạng hơn các pin mặt trời màng mỏng.
7) Đƣa vào ứng dụng các loại pin mặt trời trên cơ sở các vật liệu mới nhƣ pin mặt trời
nhuộm màu, pin mặt trời hữu cơ…v.v
8) Nghiên cứu sử dụng các vật liệu mới trong chế tạo pin mặt trời.
Trong những năm gần đây, ở nƣớc ta, năng lƣợng tái tạo cũng nhận đƣợc sự quan tâm to
lớn của Đảng và Nhà nƣớc. Phó thủ tƣớng Hoàng Trung Hải đã khẳng định: “Năng lƣợng
hiện nay đã trở thành vấn đề thời sự, là yếu tố quan trọng quyết định đến sự ổn định và
phát triển kinh tế - xã hội của quốc gia. Trƣớc dự báo đến năm 2015 nƣớc ta sẽ bắt đầu
phải nhập khẩu năng lƣợng thì bài toán năng lƣợng càng trở lên quan trọng và cấp bách
hơn bao giờ hết Việc phát triển nguồn năng lƣợng mới, trong đó có điện mặt trời khi

bao la. Tuy nhiên, hơn một trăm năm đã trôi qua kể từ khi Charles Fritts nhìn thấy
trƣớc năng lƣợng miễn phí cho tất cả mọi ngƣời, chúng ta mới nhận ra rằng, các công
nghệ khai thác năng lƣợng mặt trời không phải là không có giới hạn và cũng không
phải là không có chi phí.
Có thể hình dung bức tranh phát triển tổng quát về pin mặt trời trên hình 1.3.

Hình 1.3 Sự phát triển của các thế hệ pin mặt trời [10]
Có thể nói rằng, nền tảng của công nghệ pin mặt trời hiện đại đã đƣợc xây dựng trong
những năm 1950 bởi các nhà khoa học ở phòng thí nghiệm American Bell Telephone. Ở
đây, Daryl Chapin và nhóm nghiên cứu của ông đã nghiên cứu khảo sát để cải thiện hiệu
suất của các tế bào mặt trời selen nhƣ một nguồn năng lƣợng thay thế đáng tin cậy cho các
hệ thống thông tin liên lạc [17].
Cũng khoảng thời gian này, lần đầu tiên Calvin Fuller đã nghiên cứu các tế bào mặt trời
trên vật liệu silicon. C.Fuller thấy rằng, silicon làm việc hiệu quả hơn khi pha tạp với các
tạp chất khác nhau. Sau một thời gian, ông và đồng nghiệp đã giới thiệu một tế bào mặt
trời có hiệu suất chuyển đổi 6% [17].
Cũng trong năm này, D. C. Reynolds cùng các cộng sự đã thông báo chế tạo thành công
các pin mặt trời chuyển tiếp dị chất CuS/CdS đạt hiệu suất khoảng 6% [20], [21]. Trong
một hƣớng khác, tế bào mặt trời GaAs đƣợc công bố lần đầu tiên bởi nhóm D. A Jenny vào
năm 1956 [22].
21
Các tế bào mặt trời đã đƣợc cải thiện nhanh chóng trong những năm tiếp theo theo
các hƣớng:
1) Nâng cao hiệu suất quang điện
2) Đa dạng hóa vật liệu sử dụng để chế tạo các tế bào
1.3 Cơ sở vật lý của pin mặt trời
1.3.1 Nguyên lý hoạt động

Cặp điện tử-lỗ trống
-
Điện trở
-
+
Điện cực trƣớc
Điện cực sau
N
P
Vùng điện tích
không gian
+
22

Hình 1.5 Cấu trúc một chiều của PMT chuyển tiếp PN đồng chất
1.3.2.1 Dòng ngắn mạch J
sc

Khi ánh sáng chiếu tới bán dẫn P, số lƣợng các cặp điện tử - lỗ trống đƣợc sinh ra ở một
khoảng cách x tỷ lệ với tốc độ tạo ra chúng và đƣợc xác định theo biểu thức sau [18]:
= (1 )

n
= 0 (1.2)
trong đó, D
n
là hệ số khuếch tán của điện tử, n
p
là nồng độ điện tử trong bán dẫn loại p,
n
po
là nồng độ điện tử trong bán dẫn loại p ở điều kiện cân bằng nhiệt động(cm
-1
) và 
n
là
thời gian sống của điện tử.
Dễ dàng thấy rằng, các điện tử phát sinh trong miền p gần vùng điện tích không gian sẽ
đƣợc gia tốc bởi điện trƣờng thuận ở mặt đối diện của chuyển tiếp.
Vì vậy, có thể thấy rằng:



= 
0

=


Gọi tốc độ tái hợp bề mặt của các điện tử dƣ ở mặt trƣớc là S
n
, phƣơng trình liên tục sẽ

p
= qF

1 R

αL
n

αL
n

2
1
A (1.4)
A =

S
n
L
n
D
n
+αL
n
S
n
L
n
D
n

n
L
n
D
n
sinh
x
p
L
n
+cosh
x
p
L
n
e
αx
p


-x
p

x
n

x=0
P
N
Gianh giới

+ F

1 R

e
x

p
n
p
n 0

p
= 0 (1.5)
với điều kiện biên: p
n
- p
n0
= 0 tại x = x
n

D
p
p
n
x
= S
p

p

p

αL
p

2
1
A (1.6)
A =

αL
p


S
p
L
p
D
p
cosh
d
L
p
+sinh
d
L
p
S
p

sinh
d
L
p
+cosh
d
L
p

e
αd

e
α

x
n


Do điện trƣờng trong vùng điện tích không gian đủ lớn, nên tất cả các điện tử và lỗ
trống sinh ra trong vùng này đƣợc gia tốc và dịch chuyển theo hƣớng ngƣợc chiều nhau.
Nhƣ vậy, mật độ dòng quang điện trong vùng điện tích không gian sẽ đƣợc xác định bởi
biểu thức sau đây[18]:


= 

1 



d (1.8)

trong đó, J
n
là mật độ dòng ở phần bán dẫn loại n, J
p
là mật độ dòng ở phần bán dẫn loại
n và J
d
là mật độ dòng ở vùng điện tích không gian.
với 
min
là bƣớc sóng nhỏ nhất có thể và 
max
là bƣớc sóng lớn nhất có thể của phổ mặt
trời. Trong trƣờng hợp này, 
min
có giá trị khoảng 0,3 m đối với ánh sáng mặt trời và

max
là bƣớc sóng tƣơng ứng với sự hấp thụ của lớp bán dẫn loại n hoặc loại p. Từ (1.8), có
thể thấy, dòng quang điện tỷ lệ thuận với cƣờng độ ánh sáng tới lớp hấp thụ, có độ lớn phụ
thuộc vào chiều dài khuếch tán của điện tử (lỗ trống) và tốc độ tái hợp bề mặt.
Trong trƣờng hợp chuyển tiếp PN lý tƣởng, có thể xác định giới hạn trên của mật độ
dòng ngắn mạch. Để đơn giản, hãy giả thiết rằng:
d = ∞, w = 0, S
n
= S
p
= 0 và L


αL1
L
x
p

(1.10)
và giá trị lớn nhất của dòng J
sc
là:
J
SC
= J
n
+ +J
p
+ J
d
=
qF

1R

cosh 
x
pmax
L

ti x
pmax








(1.12)
Lƣu ý rằng, 
min
là bƣớc sóng thấp nhất có thể hấp thụ, 
max
(m) =1,2398/E
g
(eV) là
bƣớc sóng tƣơng ứng với bờ hấp thụ và giới hạn trên của dòng ngắn mạch có thể biểu diễn
theo năng lƣợng vùng cấm. Rõ ràng là, mật độ dòng ngắn mạch tăng lên cùng với năng
lƣợng vùng cấm giảm. Mối quan hệ giữa mật độ dòng ngắn mạch và năng lƣợng vùng cấm
đƣợc minh họa trên hình1.6, với giả thiết rằng R  0.
Hình 1.6 Đồ thị mật độ dòng ngắn mạch J
sc


1







+
1








(1.14)
Từ các biểu thức (1.13) và (1.14) có thể thấy, để có đƣợc một điện áp hở mạch V
OC
lớn,
dòng bão hòa phải nhỏ và dòng ngắn mạch phải đủ lớn.
Vì vậy, để giảm dòng bão hòa cần phải kéo dài thời gian sống của các hạt tải không cơ
bản và gia tăng nồng độ các tạp chất N
A
và N
D
. Nhƣ vậy, độ lớn của dòng bão hòa phụ

inc
4
(1.15)
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
0
10
20
30
40
50
60
AM 1.5J
SC
, mA.cm
-2
E
g
, eV
25
0.72+




1+



(1.16)
Từ (1.16) dễ dàng thấy rằng, hệ số điền đầy ff sẽ tăng khi điện áp hở mạch V
OC
tăng.
 Hiệu suất chuyển đổi quang điện  đƣợc định nghĩa và xác định theo biểu thức sau [18]:
in
SCOC
in
out
P
ffJV
P
P


(1.17)
,V
AM 1.5
E
g
,eV