Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI
1.1. Pin mặt trời
1.1.1. Lịch sử phát triển của pin mặt trời
Thuật ngữ “quang điện” (photovoltaic – PV) có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp bằng cách kết hợp của các từ “ánh sáng (light)”, “hình ảnh (photos)” và “volt” là tên đơn vị của lực điện động (lực gây ra chuyển động của điện tử) được đặt theo tên nhà vật lý người Ý Alessandro Volta (người phát minh ra pin Volta). Do đó, thuật ngữ “quang điện” có nghĩa là chỉ sự tạo ra điện từ ánh sáng. Hiệu ứng quang điện được phát hiện lần đầu tiên do nhà vật lý học người Pháp Edmond Becquerel vào năm 1839, ông đã quan sát thấy điện áp khi cho ánh sáng chiếu trên một điện cực trong một dung dịch điện phân [6]. Báo cáo đầu tiên về hiệu ứng PV trong chất rắn được trình bày vào năm 1877 do hai nhà khoa học Anh W. G. Adams and R. E. Day quan sát sự thay đổi tính chất điện của selen khi tiếp xúc với ánh sáng [126]. Năm 1883, Charles Edgar Fritts, một thợ điện ở New York đã chế tạo thành công một pin mặt trời selen bằng cách lắng đọng một lớp vàng mỏng lên bề mặt một phiến bán dẫn selen. Tuy nhiên, pin mặt trời (PMT) selen tại thời điểm đó có hiệu suất rất thấp. Đến năm 1914, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của PMT selen đạt được giá trị khoảng 1%. Đến năm 1954, D. M Chapin và cộng sự đã công bố các nghiên cứu về pin mặt trời trên cơ sở đơn tỉnh thể Si có hiệu suất 6% [32] và cũng trong năm này, D. C. Reynolds cùng các cộng sự đã công bố chế tạo thành công các pin mặt trời chuyển tiếp dị chất Cu2S/CdS [29]. Đây là PMT màng mỏng đầu tiên xuất hiện trên thế giới mang ý nghĩ to lớn trong lịch sử nghiên cứu và phát triển của PMT. Đến nay, trải qua nhiều cuộc cách mạng phát triển về khoa học và công nghệ trong lĩnh vực về quang điện, PMT silic đơn tỉnh thể đã đạt được hiệu suất 24,7% trên giá trị hiệu suất cực đại lý thuyết là 30% [62]. Hiện nay, công nghệ sản xuất pin mặt trời đã trở thành một trong các ngành công nghiệp quan trọng trên thế giới.
1.1.2. Pin mặt trời bán dẫn hợp chất
PMT bán dẫn hợp chất về cơ bản có cấu tạo bao gồm một chất hấp thụ mạnh, một chuyển tiếp dị chất của các chất hấp thụ, một lớp cửa sổ quang và lớp tiếp xúc ohmic [64]. Quá trình chuyển đổi quang năng thành điện năng xảy ra tại vùng chuyển tiếp. Khi chuyển tiếp được chiếu sáng, những photon có năng lượng lớn hơn vùng cấm của vật liệu được hấp thụ làm phát sinh các cặp điện tử – lỗ trống. Dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc của chuyển tiếp p-n, các cặp điện tử – lỗ trống bị tách ra, được gia tốc về các điện cực đối diện và tạo ra một suất điện động quang điện [73,97,17,65,21]. Dòng quang điện phát sinh là dòng điện trực tiếp và có thể sử dụng bằng cách chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều hoặc tích trữ để sử dụng về sau. Việc sử dụng lớp đệm trong chuyển tiếp của PMT bán dẫn hợp chất tạo thành cấu trúc lớp hấp thụ – lớp đệm – lớp cửa sổ đã được R. Scheer nhấn mạnh là thực sự cần thiết để nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện của PMT bán dẫn hợp chất [101].
Hiện nay, các vật liệu bán dẫn được sử dụng để nghiên cứu và chế tạo PMT đã trở nên cực kỳ phong phú với nhiều loại vật liệu có cấu trúc khác nhau, từ vật liệu đơn tinh thể đến
đa tinh thể, từ vật liệu đơn chất đến hợp chất, từ vật liệu vô cơ đến vật liệu hữu cơ. Vật liệu đơn tinh thể có thể nói đến hai vật liệu điển hình đã được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và chế tạo PMT là Si và GaAs. Vật liệu vô định hình dạng màng mỏng như a-Si:H, a-SiGe:H, a-SiC:H), vật liệu đa tinh thể dạng khối như p-Si). Hiện nay, vật liệu đa tinh thể dạng màng mỏng đang được phát triển một cách mạnh mẽ với rất nhiều các họ vật liệu khác nhau như p-CIS, p-CISe, p-CIGSe, p-CZTS, p-CdTe; n-CdS, n-TiO2, n-In2S3…. Trên cơ sở cấu tạo của PMT, có thể phân loại theo chuyển tiếp p-n hình thành như sau: Loại I – Chuyển tiếp đồng chất (homojunction) [66], đây là chuyển tiếp được hình thành từ hai lớp bán dẫn p-n của một loại vật liệu (ví dụ như p-Si/n-Si). Loại II – chuyển tiếp dị chất đơn hình thành từ hai lớp bán dẫn p-n của hai loại khác nhau (ví dụ như: CIS/(In2S3 hoặc ZnO); CIGSe/(CdS hoặc ZnO); CdTe/CdS) [114]. Loại III – chuyên tiếp dị chất đa lớp (multijunction) là chuyên tiếp hình thành từ nhiều hơn hai lớp bán dẫn tiếp xúc với nhau tạo thành nhiều chuyển tiếp tiếp nối nhau. Ngoài ra còn có chuyển tiếp Schottky là loại chuyển tiếp hình thành khi có tiếp xúc giữa kim loại và chất bán dẫn [13,23,30,43,41].
