6 Nanowire trong năng lượng mặt trời

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 20/77



Trong những năm trở lại đây thì cơng nghệ nano ngày càng phát triển một cách

nhanh chóng một cách vượt bậc và cũng là chủ để nóng trong những năm gần đây.

Với những yêu cầu càng cao thì dẫn đến sự phát triển một cách nhanh chóng thì, từ

đó u cầu những tấm pin năng lượng mặt trời ngày càng phải tốn càng ít chi phí

nhưng phải cho hiệu suất cao. Đối mặt với vấn đề ấy những nhà khoa học cùng với

kĩ sư đã áp dụng công nghệ nano trong việc sản suất pin năng lượng mặt trời, sự áp

dụng kĩ thuật này đã đáp được những yêu cầu ngày càng cao hiện nay.

Nhưng trong pin năng lượng mặt trời đặc biệt được áp dụng cơng nghệ nano thì

mức độ u cầu một cách tối thiểu là micronmet điều này dẫn đến tấm pin năng

lượng mặt trời sẽ có kích thước rất là mỏng điều này dẫn đến việc quá trình sản xuất

mỗi tấm pin sẽ rất tốn chi phí vì cơng nghệ cao được áp dùng vào. Với hai loại cấu

tạo thường dùng trong nanowire:

•

•



Cấu tạo xun tâm (Radial).

Cấu tạo hình trụ (Axial).



Hình 2-23: Cấu tạo xuyên tâm của nanowire solarcell [10]



MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 21/77



Hình 2-24: Cấu tạo hình trụ trong nanowire solarcell [10]



1.1.8 Kỹ thuật trồng nanowire

Giới thiệu kỹ thuật VLS ( Vapor liquid solid )

Là một trong những kỹ thuật được Wagner và Ellis công bố lý thuyết vào năm 1964.

Kỹ thuật này áp dụng cho sự hình thành nanowire trong khoảng 300nm nhưng được

kết hợp với một số hợp chất bán dẫn khác. Kỹ thuật VLS này dựa trên sự phản ứng

hóa học của các chất bán dẫn với nhau với những điều khiển áp suất, nhiệt độ để

hình thành nên những hình dạng cũng như cấu tạo của nanowire. Những chất bán

dẫn này có thể ở dạng khí, chất lỏng, khối khí nóng. Kỹ thuật VLS có nguyên lý

như sau là được dùng vàng (Au) làm chất rắn là nơi xúc tác cho việc hình thành

nanowire cùng với mơi trường khơng khí là silane (SiH 4), vàng (Au) được dùng

trong kỹ thuất VLS có thể thay thế bằng cách chất khác như Cu, Al, Ti, Ga…

Sự phát triển nanowire trong kỹ thuật VLS được giải thích bởi Givargizov trong

năm 1975 và kỹ thuật này được áp dụng trong thực tiễn một cách thành cơng vào

nằm 2010 bởi Schmidt et al. [11]

MƠ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 22/77



Hình 2-25: Biểu đồ cho biết được nhiệt độ và phần trăm chất bán dẫn Silic phản ứng trong kỹ

thuật VLS [11]



Như hình 2-23 thì nhiệt độ đo được 363 oC thì mức độ phân từ tham gia phản ứng

của Si là 19% còn đối với Au thì 81% mức độ này sẽ sai lệch nhiều khi mà nhiệt độ

trong khoảng nhiệt độ thấp hơn 700 oC. Nếu như hợp chất Au-Si rơi xuống bề mặt

SiH4 thì SiH4 sẽ chuyển hóa thành Silic (Si) và khí hidro (H 2), trong điều kiện mơi

trường phân tử thì các phân tử SiH 4 đi phản ứng với Au và cho phân tử Si đi vào

bên dưới bề mặt mà Au đang được đặt từ đó theo thời gian hình thành được

nanowire được mọc lên như hình 2-24. [11]



MƠ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 23/77



Hình 2-26: Ảnh cho thấy được sự mọc lên của nanowire theo thứ tự (a), (b), (c), (d) [11]



1.1.9 Cấu tạo của nanowire

Qua mục 2.4.2 nanowire được cấu tạo và hình thành dựa trên phản ứng hóa học

muốn hình thành cấu tạo của nanowire gồm hai phần chính để hình thành là lõi và

lớp phủ từ đó có thể hình thành cấu tạo nanowire theo cấu tạo hình trụ hoặc cấu tạo

xun tâm như hình 2-25. [11]



MƠ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 24/77



Hình 2-27: Cấu tạo xuyên tâm nanowire (a, b, c) và cấu tạo hình trụ (d) với nhiều lớp chất

bán dẫn khác nhau [11]



Cấu tạo xuyên tâm nanowire

Với sự chiếu ánh sáng của mặt trời thì năng lượng mặt trời được hấp thụ qua bề mặt

của pin năng lượng mặt trời và với kỹ thuật nanowire solar cell.



Hình 2-28: Cấu tạo xuyên tâm nanowire trong mô phỏng (a) và trong thực tế (b) với kích

thước 100nm [12]

MƠ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 25/77



Thì trong sắp xếp các nanowire vơi cấu tạo xuyên tâm làm cho sự hấp thụ ánh sáng

tăng từ đó cơng suất tăng lên. So với cấu tạo hình trụ nanowire với kết quả thực thế

có thể biết được là cấu tạo xuyên tâm nanowire cho ra hiệu suất lớn hơn rất nhiều

với cấu tạo hình trụ nanowire. Vì với cấu tạo xuyên tâm thì nanowire có bề mặt tiếp

xúc của bản dẫn N và bán dẫn P được nhiều hơn từ đó hiệu suất chuyển hóa điện

tích và lỗ trống rất là lớn.

Cấu tạo hình trụ nanowire

Cấu tạo hình trụ nanowire cùng giống các thành phần cấu tạo giống với cấu tạo

xuyên tâm nanowire nhưng với cấu tạo hình học khác nhau như hình 2-27.



Hình 2-29: Cấu tạo hình trụ nanowire [13]



Như hình 2-27 thì có thể thấy được cấu tạo hình trụ nanowire khơng được như là

cấu tạo xuyên tâm nanowire được dùng nhiều trong việc sản xuất pin năng lượng

mặt trời, vì khơng có nhiều vùng tiếp xúc giống như cấu tạo xuyên tâm nanowire.

Nên gần như trong thực tế cấu tạo xuyên tâm nanowire được dùng nhiều nhưng ở

một số lãnh vực nào đó thì cấu tạo hình trụ được sử dụng một cách rộng rãi.

1.1.10 Hiện tượng bẫy ánh sáng trong nanowire solarcell

MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 26/77



Hình 2-30: Nguyên lý hoạt động bẫy ánh sáng theo pin mặt trời truyền thống (a) và hoạt động

của bẫy ánh sáng nanowire solar cell(b) [12]



Hiện tượng bẫy ánh sáng như hình 2-29 trong nanowire khá giống với hiện tượng

bẫy ánh sáng trong pin năng lượng mặt trời dùng những chất phản chiếu ánh sáng

bao phủ bề mặt của tấm pin năng lượng mặt trời.

Với việc phủ bề mặt của tấm pin năng lượng mặt trời với những chất phản chiếu lại

ánh sáng mặt trời nếu quá mỏng sẽ không thể nào giữa được các photon. Vậy nếu

muốn phản chiếu tia năng lượng mặt trời một cách hiệu quả thì phải làm sao cho

việc phản xạ có hiệu quả và khoảng cách giữa các nanowire. [12]

 Phản xạ ánh sáng

Trong phản xạ ánh sáng để tăng sự phản xạ là một điều cần thiết để làm được điều

đó thì càng phải coi tới sự khúc xạ giữa hai môi trường. Khi mà bề mặt của chất bán

dẫn siêu hấp thụ ánh sáng không được bao phủ bởi lớp phản xạ ánh sáng thì việc

khúc xạ ánh sáng là việc sẽ xảy ra. Vậy thì chất bán dẫn siêu hấp thụ ánh sáng này

MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 27/77



sẽ hấp thụ khoảng từ 10% tới 50% với ánh sáng có bước sóng () từ 400nm tới

2000nm, từ điều đó cho thấy sẽ có một lượng lớn tia năng lượng ánh sáng sẽ thất

thoát đi.

Sự phản xạ ánh sáng sẽ giảm hiệu quả nếu như bề mặt mơi trường là khơng khí

cùng với chất bán dẫn. Việc phủ chất phản xạ ánh sáng càng dày thêm thì làm cho

việc giao thoa ánh sáng giữa ánh sáng phản xạ và ánh sáng tới thì ánh sáng thực ra

được hấp thụ thì được giao thoa mà sẽ làm cho một số trường hợp sẽ triệt tiêu lẫn

nhau. Nhưng mà việc phủ lớp phản xạ ánh sáng này chỉ phù hợp nếu như chỉ xét

trên một bước sóng. Việc sắp xếp những nanowire một cách hợp lý sẽ làm tăng hiệu

quả hấp thụ ánh sáng cũng như làm tăng hiệu suất. [15]



Hình 2-31: Biểu độ hiệu suất của pin mặt trời truyền thống với nanowire và nanocone [15]



Pin mặt trời có nanowire

Cấu tạo của một tấm pin năng lượng mặt trời được thêm nanowire vào nhằm để

tăng hiệu suất hấp thụ của tấm pin mặt trời truyền thống như hình 2-31.



MƠ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 28/77



Hình 2-32: Cấu tạo cơ bản của một tấm pin mặt trời có dùng nanowire [14]



Cũng như hình hình 2-31 thì một tấm pin năng lượng mặt trời có dùng nanowire

cũng có nhiều lớp bao gồm:

 Metal là lớp kim dùng để dẫn điện trong pin năng lượng mặt trời ra hai điện

cực của pin mặt trời những chất thường dùng như là: bạc (Au), nhôm (Al), ni

(Niken).

 Transparent conducting oxide (TCO) là hợp chất dẫn điện cũng giống như

bán dẫn P nhưng có tính trong suốt làm cho những tia tử ngoại (UV) và tia

sáng nhìn thấy được (Visible light) có thể đi qua gần như khơng bị cản lại

nhiều, gần giống với bán dẫn loại P thì có khả năng dẫn điện.



MƠ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 29/77



 Lớp bán dẫn P dùng để có các lỗ trống khi mà điện tích ở lớp bán dẫn N

được sinh ra và tạo thành dòng điện kết hợp với lỗ trống tại lớp bán dẫn P tại

đây.

 Polymer là lớp đêm mục đích để cố định nanowire không bị rung lắc và tránh

cho các nanowire va chạm vào nhau dẫn đến các bề mặt nanowire bị hư tốn

làm giảm hiệu suất.

 Isolation là lớp cách điện.



MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 30/77



CHƯƠNG 3.



TỔNG QUAN PHẦN MỀM ATLAS



1.7 Giới thiệu phần mềm ATLAS

Phần mềm Atlas là phần mềm mô phỏng cấu trúc vật lý của vật liệu của chất bán

dẫn. Phần mềm giúp cho người dùng thấy được sự diễn biến của vật liệu bán dẫn

trong không gian hai chiều và ba chiều. Từ điều đó có thể giúp cho người kỹ sư

thiết kế thấy được bản thiết kế của mình trong sẽ diễn biến như thế nào trong môi

trường thực tế, điều này giúp phần nào cho người kỹ sư thiết kế cũng như người học

có một cái nhìn trực quan hơn về vật liệu chất bán dẫn.

1.8 Ứng dụng của ATLAS

Deckbuild trong phần mềm ATLAS cho phép người dùng mô phỏng như:











Pin năng lượng mặt trời.

Cảm biến ảnh.

Nguồn phát laser

Chuyển đổi điện quang.



Những ứng dụng trên chỉ là một phần nhỏ những gì mà DeckBuild có thể mơ phỏng

được.

3.1 Sơ đồ sự hoạt động của phần mềm ATLAS



MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI

SỬ DỤNG DÂY NANO (NANOWIRE SOLAR CELL)

BẰNG PHẦN MỀM ATLAS