Đề tài Ý thuyết và tiến hành chế tạo Pin Mặt Trời

lớn hơn nhiều lần so với năng lượng nhiệt trung bình của các hạt tải điện cân bằng. Nhưng do tán xạ với mạng tinh thể, chúng nhanh chóng thiết lập trạng thái cân bằng với mạng tinh thể (nhường năng lượng 1eV sau khoảng 1000 lần va chạm mất khoảng 10-10 s). Sau đó, điện tử sẽ tồn tại trong thời gian sống của chúng trên vùng dẫn, tương tự với lỗ trống ở vùng hóa trị. Lúc này nồng độ của các hạt tải điện lớn hơn giá trị của chúng ở trạng thái cân bằng (hình I.2.2.1c) [6]. Khi bán dẫn hấp thụ quang, hàm phân bố Fermi – Dirac trong trạng thái cân bằng không còn đúng nữa. Mức Fermi mô tả cho sự phân bố của các electron trên vùng dẫn lúc này dịch gần về phía vùng dẫn hơn, và mức Fermi mô tả cho sự phân bố của các lỗ trống trong vùng hóa trị dịch gần về vùng hóa trị hơn so với mức Fermi ở trạng thái cân bằng. Để giải quyết vấn đề này người ta đã đưa ra một khái niệm chuẩn mức Fermi mới: EFn cho điện tử và EFp cho lỗ trống trong điều kiện không cân bằng. Nồng độ electron trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị được mô tả: Với hiệu năng lượng EFn - EFp đặc trưng cho độ lệch khỏi trạng thái cân bằng của bán dẫn và được gọi là hóa thế µe,h của cặp electron lỗ trống [6]. Những yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ quang Khi có ánh sáng chiếu vào, bán dẫn chỉ hấp thụ một phần cường độ ánh sáng, phần không hấp thụ được sẽ truyền qua. Hình I.2.2.1d mô tả cường độ photon chiếu vào tại x và cường độ photon đi ra tại x+dx. Với Iv0 là cường độ photon chiếu vào bán dẫn, Iv (x) là cường độ photon đi ra (energy/cm2-s). Hình I.2.2.1d: Photon chiếu qua bán dẫn có bề dày dx Năng lượng bị hấp thụ trong khoảng dx được tính bằng : Trong đó, α là hệ số hấp thụ (cm-1) Suy ra: Chọn điều kiện đầu tại Iv(0) = Iv0 Ta thấy rằng cường độ photon đi ra giãm theo hàm mũ của hệ số hấp thụ và bề dày của bán dẫn. Nếu hệ số hấp thụ lớn, thì có khả năng ánh sáng có thể được hấp thụ đối với một bề dày nhỏ [6]. I.2.2.2: Quá trình tách hạt tải, tạo dòng quang điện Khi Pin Mặt Trời chưa được chiếu sáng Khi chưa được chiếu sáng, nồng độ của lỗ trống trong bán dẫn loại p lớn hơn rất nhiều so với nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại n (pp >> pn). Nồng độ electron trong bán dẫn loại n lớn hơn rất nhiều so với nồng độ electron trong bán dẫn loại p (nn >> np). Chính sự chênh lệch nồng độ này gây ra hiện tượng khuếch tán của các hạt tải đa số: lỗ trống khuếch tán từ P sang N, electron khuếch tán từ N sang P. Trên đường khuếch tán, các electron tái hợp với lỗ trống. Khi đó, tại vùng hẹp ở ranh giới tiếp xúc, nồng độ hạt tải giảm xuống rất nhanh: bên phía bán dẫn loại P, tại ranh giới chỉ còn lại các ion âm aceptor còn bên bán dẫn loại N có các ion dương donor. Sự hình thành hai lớp điện tích không gian trái dấu đối diện nhau này sẽ làm xuất hiện sự chênh lệch điện thế gọi là thế tiếp xúc Vtx. Do vậy, trong vùng tiếp xúc lân cận mặt ranh giới xuất hiện một điện trường tiếp xúc Etx có chiều từ N sang P. Vùng này được gọi là vùng nghèo, nồng độ hạt dẫn trong vùng này rất thấp nên điện trở suất của nó rất lớn so với các vùng còn lại. Do sự xuất hiện của điện trường tiếp xúc Etx nên xuất hiện dòng trôi của hạt dẫn thiểu số ngược chiều với hạt dẫn đa số: lỗ trống ở bán dẫn loại N cuốn về phía cực âm của điện trường, electron trong bán dẫn loại P bị cuốn về phía cực dương của điện trường. Mật độ dòng trôi tổng cộng: Khi nồng độ hạt tải đa số giữa hai bán dẫn càng chênh lệch thì dòng khuếch tán càng tăng và sự tái hợp càng nhiều nên điện trường tiếp xúc Etx càng lớn. Do đó, dòng điện trôi càng tăng lên. Nên chỉ sau một khoảng thời gian ngắn dòng trôi và dòng khuếch tán trở nên cân bằng nhau và dòng tổng hợp qua lớp biên sẽ bằng không: Đây chính là trạng thái cân bằng của chuyển tiếp p-n. Hình I.2.2.2a: Giản đồ vùng năng lượng khi bán dẫn ở trạng thái cân bằng Khi đạt trạng thái cân bằng, mức Fermi trong bán dẫn là hằng số, do đó các mức năng lượng của vùng dẫn và vùng hóa trị bị uốn cong khi đi qua vùng điện tích không gian và hình thành rào thế tiếp xúc Vtx. Rào thế này duy trì sự cân bằng giữa các lỗ trống tải điện cơ bản trong bán dẫn loại P và các electron tải điện không cơ bản trong bán dẫn loại P, giữa các electron tải điện cơ bản trong bán dẫn loại N và các lỗ trống tải điện không cơ bản trong bán dẫn loại N. Trong điều kiện cân bằng, rào thế tiếp xúc giữa bán dẫn loại N và bán dẫn loại P là một giá trị xác định và phụ thuộc vào sự chênh lệch nồng độ của hai bán dẫn. Khi đó, độ rộng vùng điện tích không gian bằng: Trong đó : εs : hằng số điện môi của bán dẫn. Khi Pin Mặt Trời được chiếu sáng: Như đã đề cập ở mục I.2.2.2, khi chuyển tiếp p-n được chiếu sáng thì mức Fermi không còn là hằng số trong toàn hệ mà sẽ “tách” thành hai mức EFC và EFV tương ứng được gọi là chuẩn mức Fermi của điện tử và lỗ trống [10]. Hình I.2.2.2b: Sự tách mức trong bán dẫn loại n khi được chiếu sáng Giả sử chuyển tiếp p-n được nối với hai điện cực và sự tái hợp tại hai bề mặt này rất lớn. Dẫn đến nồng độ electron tại tiếp xúc bên trái và lỗ trống tại tiếp xúc bên phải của chuyển tiếp p-n khi được chiếu sáng cũng bằng với nồng độ của chúng khi chưa chiếu sáng. Kết quả là hai chuẩn mức Fermi EFC và EFV sẽ có cùng giá trị tại hai tiếp xúc, tạm gọi là EFt và EFp. Do electron là hạt tải thiểu số trong vùng p và lỗ trống là hạt tải thiểu số trong vùng n nên hai chẩn mức Fermi EFC và EFV của chuyển tiếp p-n trong trạng thái không cân bằng sẽ có dạng như trong hình I.2.2.2c [10]. Hình I.2.2.2c: Tiếp xúc p-n khi được chiếu sáng, trường hợp chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng Với qV là độ chênh lệch giữa hai chuẩn mức Fermi, là điện trường tại vùng điện tích không gian trong điều kiện không cân bằng. Lúc này, bên trong chuyển tiếp p-n sẽ tồn tại một lượng hóa năng là Nme,h. Đây là năng lượng tối đa mà chúng có thể cung cấp cho tải ngoài. Đó chính là quá trình hóa năng chuyển hóa thành điện năng [3][10] Có hai trường hợp xảy ra, trường hợp thứ nhất là thế tiếp xúc j của chuyển tiếp p-n có giá trị lớn hơn hoặc bằng thế chênh lệch V giữa hai chuẩn mức Fermi EFC và EFV. Ở trường hợp này hóa năng được chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng. Khi đó ta có EFt – EFp = EFC - EFV = qV. Hình I.2.2.2c mô tả cho trường hợp này[3][10] Trường hợp thứ hai, thế tiếp xúc j của chuyển tiếp p-n có giá trị nhỏ hơn thế V giữa hai chuẩn mức Fermi EFC và EFV. Vì thế, hóa năng không được chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng. Lúc này EFt – EFp < EFC - EFV = qV như mô tả trong hình I.2.2.2d[3][10]. Hình I.2.2.2d: Chuyển tiếp p-n khi chiếu sáng, trường hợp không chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng Thế chênh lệch giữa hai đuôi vùng chính là thế mạch hở của PMT: EFt - EFp = qVoc. Trong trường hợp hóa năng chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng, nó cũng chính là thế chênh giữa hai chuẩn mức Fermi [3][10]. I.2.3. Đặc trưng I-V của Pin Mặt Trời I.2.3.1. Mật độ dòng chuyển tiếp trong nối p-n Hình I.2.3.1: Các vùng sinh hạt tải trong Pin Mặt Trời.(chấm đen là electron, chấm trắng là lỗ trống) Khi chuyển tiếp p-n được chiếu sáng, các cặp electron và lỗ trống có thể được sinh ra khắp nơi trong chất bán dẫn. Nhưng chỉ những cặp electron và lỗ trống được sinh ra trong vùng nghèo và vùng lân cận (-x0£ x £ x0) mới đóng góp vào dòng điện đi ra tải ngoài. Trên hình I.2.3.1 mô tả khá rõ về các vùng sinh hạt tải trong Pin Mặt Trời bao gồm: Vùng thứ nhất (1) trong khoảng x x0, những cặp electron và lỗ trống được sinh ra trong những khoảng này xem như không đóng góp vào dòng điện. Vùng thứ hai là vùng điện tích không gian (2), electron sinh ra trong vùng này sẽ bị điện trường đẩy về vùng n và lỗ trống tương tự sẽ bị đẩy về vùng p. Trong vùng thứ ba (3): electron sinh ra trong vùng P bị cuốn về vùng N và lỗ trống sinh ra trong vùng N bị cuốn về vùng P [6][10][12]. Vì dòng trong Pin Mặt Trời chủ yếu là dòng do các hạt tải sinh thành (trong độ dài khuếch tán của hạt tải) khi Pin được chiếu sáng chịu tác dụng của điện trường. Mật độ dòng tổng cộng J, có thể được tính theo mật độ dòng lỗ trống (tương tự có thể tính với mật độ dòng electron). Với : Le là độ dài khuếch tán của electron, Lh là độ dài khuếch tán của lỗ trống. Sử dụng phương trình Ambipolar cho lỗ trống: Trong đó: là tốc độ thay đổi nồng độ lỗ trống theo thời gian. Ở đây được xét là bằng 0. Gh là tốc độ sinh lỗ trống. Ta xét tới trường hợp khi được ánh sáng chiếu vào, lượng lỗ trống tăng lên là . Vậy : Rh là tốc độ tái hợp của lỗ trống: Trong trường hợp chưa được chiếu sáng,ở nhiệt độ phòng, tốc độ sinh hạt tải bằng tốc độ tái hợp nên: Thế tất cả về lại phương trình Ambipolar: Thế vào phương trình mật độ dòng tổng cộng J [6][10]: Trong biểu thức trên, thành phần thứ nhất biểu thị cho dòng bão hòa ngược trong Pin Mặt Trời ở trạng thái cân bằng, thành phần thứ hai biểu thị cho dòng điện tử sinh ra khi được chiếu sáng. Vì thế người ta mong thành phần thứ hai đạt giá trị lớn nhất có thể. I.2.3.2. Đặc trưng I-V của Pin Mặt Trời: Phương trình mật độ dòng tổng cộng chính là phương trình đặc trưng I-V của Pin Mặt Trời. Khi V=0 (trường hợp đoản mạch), ta thu được dòng đoản mạch JSC: Khi chưa chiếu sáng (DGe,h = 0) và trường hợp thế phân cực nghịch rất lớn (exp(eV/kT) << 1) ta tìm được dòng bão hòa ngược JS: Dòng đoản mạch Jsc và dòng bão hòa ngược là hai thành phần cơ bản của đặc tuyến I – V của Pin Mặt Trời: Khi dòng tổng cộng trong Pin bằng không (J=0), khi đó vẫn có một hiệu điện thế qua Pin ta gọi là thế mạch hở Voc (cũng là một thành phần quan trọng trong đặc tuyến I-V) [6][10]: Hình I.2.3.2: Đặc trưng I-V của Pin Mặt Trời I.3. Hiệu suất của Pin Mặt Trời: Trong Pin Mặt Trời, có hai vấn đề chính ảnh hưởng đến năng suất của Pin đó là: hiệu suất chuyển đổi từ photon ánh sáng sáng dòng quang điện và khả năng tập trung cường độ ánh sáng chiếu vào Pin. I.3.1.Hiệu suất chuyển đổi từ quang năng sang điện năng của Pin Mặt Trời I.3.1.1. Xác định hiệu suất chuyển đổi của Pin: Hiệu suất chuyển đổi của một Pin Mặt Trời được xác định bằng tỉ số giữa công suất dòng điện đưa ra ngoài tiêu thụ và công suất quang năng chiếu vào Pin. Với Pm là công suất cực đại mà Pin có thể đạt được ứng với Im và Vm. Ta biết, dòng đoản mạch và thế mạch hở trong Pin Mặt Trời là ISC và Voc. Người ta đưa ra định nghĩa hệ số lấp đầy như là một thước đo cho công suất có thể đạt được của Pin Mặt Trời: Hệ số lấp đầy thường đạt trong khoảng 0,7 đến 0,8. Khi đó, hiệu suất của Pin có thể được tính như sau [6]: I.3.1.2. Xác định công suất cực đại của Pin Để công suất P đạt cực đại: Mặt khác, ta có: Suy ra: Từ phương trình trên ta có thể xác định được điện thế cực đại Vm của Pin, từ đó ta có thể suy ra hiệu suất cực đại của Pin. Hình I.3.1.2: Xác định công suất cực đại của Pin I.3.2. Làm tăng hiệu suất chuyển đổi từ quang năng sang điện năng I.3.2.1. Chọn vật liệu làm đế bán dẫn phù hợp Chọn vật liệu bán dẫn sao cho độ rộng vùng cấm đủ nhỏ để hấp thụ ánh sáng tốt nhất. Dòng đoản mạch JSC phụ thuộc chủ yếu vào sự hấp thụ photon của bán dẫn nên độ rộng vùng cấm Eg càng giảm thì JSC càng tăng. Nhưng thế mạch hở Voc tăng khi Eg tăng. Vì vậy, người ta đã ước tính được giá trị hiệu suất cao nhất đối với những vật liệu có độ rộng vùng cấm khoảng 1,4 eV. Silic có độ rong vùng cấm khoảng 1,1eV, nó có thể hấp thụ 80% phổ mặt trời. Vì vậy, Silic là vật liệu thích hợp để chế tạo Pin Mặt Trời. Trong phần I.2.2.1 mục b có trình bày khá rõ về vấn đề này. I.3.2.2. Chọn điện cực kim loại Điện cực kim loại trong bán dẫn chính là một tiếp xúc kim loại – bán dẫn. Có hai dạng tiếp xuc chính là : tiếp xúc Schottky và tiếp xúc Ohmic. Đối với tiếp xúc Schottky: đây là dạng tiếp xúc gây cản trở quá trình chuyển dòng điện ra ngoài tải do có sự xuất hiện rào thế tiếp xúc (trạng thái đóng). Trong khi đó tiếp xúc Ohmic cho phép trao đổi hạt tải rất dễ dàng (tiếp xúc mở) Hình I.3.2.2a: trước và sau khi tiếp xúc kim loại và bán dẫn loại N Hình I.3.2.2a mô tả tiếp xúc giữa kim loại và bán dẫn loại N, ta thấy công thoát của kim loại q.Φm lớn hơn công thoát của bán dẫn qΦs (Φm > Φs). Khi tiếp xúc với nhau, các hạt tải để thỏa mãn điều kiện mức Fermi là một hằng số nên mức chân không trong bán dẫn loại N hạ xuống (các mức năng lượng cũng hạ xuống) tạo ra một rào thế ngăn chặn không cho electron chuyển từ bán dẫn sang kim loại để tải điện ra ngoài. Nên đối với bán dẫn loại N ta cần chọn điện cực sao cho công thoát của kim loại làm điện cực phải nhỏ hơn công thoát của bán dẫn,lúc hình thành tiếp xúc Ohmic Hình I.3.2.2b: trước và sau khi tiếp xúc kim loại và bán dẫn loại P Xét trường hợp bán dẫn loại P nối với kim loại (hình I.3.2.2b), ta thấy Φm Φs để hình thành tiếp xúc Ohmic [6]. Công thoát của một số điện cực thường dùng (Bảng I.3.2.2a): Nguyên tố Công thoát ФM Bạc (Ag) 4,26 Nhôm (Al) 4,28 Vàng (Au) 5,1 Niken (Ni) 5,15 Platin (Pt) 5,65 Bảng I.3.2.2a : Công thoát một số điện cực thường dùng Hình I.3.2.2c: Tạo tiếp xúc Ohmic bằng cách pha tạp đậm Một cách khác để tạo tiếp xúc Ohmic là pha tạp cực đậm để tạo thành p++ trong bán dẫn loại P hoặc pha tạp cực đậm n++ trong bán dẫn loại N để xuất hiện hiện tượng xuyên hầm của các hạt tải. Hình I.3.2.2c là giản đồ năng lượng của tiếp xúc Ohmic bằng hiện tượng xuyên hầm giữa bán dẫn loại N va kim loại. Ở bề mặt tiếp xúc người ta tiến hành pha tạp đậm. Khi đó, nồng độ hạt tải tại biên tiếp xúc rất cao nên vùng nghèo bị hẹp lại, mức Ec giảm xuống thấp. Ngoài ra khi tiến sâu vào trong vật liệu bán dẩn, nồng độ hạt tải thấp hơn so với mặt tiếp xúc khiến cho mức Ec lại lên cao-tạo thành hố thế . Chính nhờ điều này nên electron dễ dàng xuyên hầm qua rào thế để ra điện cực dẫn điện ra ngoài [6][12]. Hình I.3.2.2d: Đặc trưng I-V của tiếp xúc Ohmic và Schottky I.3.2.3 Điện cực trong suốt: Điện cực trong suốt được phủ lên mặt trước của Pin Mặt Trời vừa có tác dụng làm điện cực mà vẫn cho ánh sáng truyền qua. Nó được làm từ vật liệu dẫn điện trong suốt (TCO) như là ITO, ZnO, SnO…Một lợi điểm khác của điện cực này là lớp TCO có thể thụ động hóa trạng thái bề mặt của bán dẫn, đặc biệt là Si:H với những liên kết bất bão hòa. Tuy nhiên, do loại vật liệu này còn hạn chế về tính dẫn điện nên người ta thường kết hợp với điện cực kim loại trong chế tạo Pin Mặt Trời [3]. I.3.3. Các phương pháp làm tăng khả năng tập trung ánh sáng vào Pin: I.3.3.1. Sự hao hụt phổ năng lượng chiếu sáng: Hình I.3.2.1 mô tả sự hao hụt năng lượng phổ chiếu sáng của mặt trởi chiếu xuống Trái Đất. Điểm Air Mass Zero (A0) cho biết giá trị của phổ năng lượng mặt trời bên ngoài khí quyển trái đất là 1353 W/m2. Điểm Air Mass One (A1) là cường độ phổ năng lượng chiếu thẳng góc xuống trái đất: 925 W/m2. Khi này năng lượng đã mất mát hơn 30%. Điểm Air Mass Two (A2) khi mặt trời chiếu lệch góc 600 thì còn lại 691 W/m2 đã mất mát gần 50% [6][12]. Hình I.3.3.1: Sự hao hụt năng lượng phổ chiếu sáng của mặt trởi chiếu xuống Trái Đất I.3.3.2.Các Phương pháp tăng cường độ ánh sáng chiếu vào Pin: Sử dụng hệ thấu kính để tăng cường độ ánh sáng: Hình I.3.3.2a: Sử dụng hệ thấu kính hội tụ làm tăng hiệu suất Pin Để tăng cường độ ánh sáng chiếu vào Pin, người ta sử dụng các tấm thấu kính lớn để tập trung ánh sáng. Cách giải quyết này góp phần làm cho cường độ ánh sáng tập trung vào pin tăng lên hàng trăm lần. Dòng đoản mạch tăng lên tuyến tính với cường độ ánh sáng tập trung vào Pin, thế mạch hở tăng không đáng kể. Như vậy cũng đã góp phần tăng hiệu suất cho Pin Mặt Trời đáng kể. Hình I.3.2.2a cho thấy nếu sử dụng thấu kính hội tụ gấp 1000 lần cường đô ánh sáng tới thì hiệu suất tối đa có thể tăng lên thêm khoảng 8% [6]. Tạo bề mặt chống phản xạ: Lớp chống phản xạ góp phần làm tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng cho Pin Măt Trời, làm tăng hiệu suất của Pin. Tạo bề mặt kim tự thápbằng cách ăn mòn bề mặt theo hướng (100). Khi đó, ánh sáng chiếu vào sẽ bị phản xạ nhiều lần và bị hấp thụ. Chính nhờ cách ăn mòn này đã làm giãm bớt được 25-30% ánh sáng bị phản xạ. Nếu sử dụng lớp chống phản xạ sẽ giảm được lượng phản xạ vài phần trăm [6]. Hình I.3.3b: bề mặt chống phản xạ dang kim tự tháp và một dạng Pin có bề mặt chống phản xạ Đối với một số loại Pin màng mỏng, người ta ăn mòn ở mặt đáy Pin để ánh sáng truyền qua Pin có thể phản xạ trở lại và được hấp thụ. Hình I.3.3c: Ánh sáng truyền qua Pin màng mỏng bi phản xạ trở lai Lắp đặt góc nghiêng và hướng cho dàn Pin: Xác định góc nghiêng của dàn Pin Mặt Trời sao cho khi cố định, hệ thống có thể nhận được tổng cường độ bức xạ lớn nhất. Điều này phụ thuộc rất nhiều vào vị trí địa lý của từng vùng. Nếu ta gọi β là góc nghiêng của dàn Pin so với mặt phẳng ngang thì thông thường ta chọn : Với φ là vĩ độ nơi lắp đặt. Xác định hướng quay của dàn Pin: nếu lắp đặt dàn Pin ở Bán Cầu Nam thì quay dàn Pin về hướng Bắc, nếu lắp đặt ở bán cầu Bắc thì quay về hướng Nam. PHẦN II: THỰC NGHIỆM Việc chế tạo Pin Mặt Trời hiện nay là một điểm nóng của thế giới nói chung và là hướng tập trung phát triển, nghiên cứu của bộ môn VLCR nói riêng. Dựa trên những tiền đề đã có và chưa có trước đây, dựa trên các điều kiện hiện có của bộ môn và trong phạm vi đề tài của mình, chúng tôi bước đầu nghiên cứu và chế tạo linh kiện Pin Mặt Trời có cấu trúc p-n cơ bản, sau đó khảo sát sự thay đổi các tính chất khi chuyển cấu trúc pin sang loại p-i-n bằng cách thêm vào một đơn lớp a-Si:H. Để thực hiện mục đích này, trước tiên chúng tôi cần nghiên cứu và chế tạo tốt từng đơn lớp bán dẫn và các điện cực-là các thành phần quan trọng của Pin Mặt Trời cơ bản. Đặc biệt là khảo sát các điều kiện pha tạp tạo đơn lớp n+ và p+. Sau đó tiến hành chọn lựa các cấu trúc Pin Mặt Trời thích hợp để thực hiện đề tài của mình. Vì quá trình nghiên cứu và thực nghiệm như trên gồm rất nhiều bước khác nhau, mà kết quả của những bước này sẽ ảnh hưởng đến sự lựa chọn các điều kiện của các bước khác. Nên chúng tôi chia bố cục trình bày của phần thực nghiệm thành nhiều phần nhỏ.Và mỗi phần sẽ được trình bày theo trình tự: tiến trình thực nghiệm, kết quả và thảo luận. Khi trình bày phần kết quả, chúng tôi cũng muốn giới thiệu các phương pháp đo và các thiết bị đo. Tuy nhiên để tránh rối rắm trong bố cục, chúng tôi mang tất cả các phương pháp và thiết bị đo vào phần phụ lục i, và chú thích các kết quả đo đạt để mọi người dễ tham khảo hơn. Bố cục trình bày Bố cục trình bày của phần thực nghiệm được chia thành 3 phần chính II.1.Khảo sát và chế tạo các đơn lớp bán dẫn cơ bản (lớp p, lớp n) và các điện cực (màng dẫn điện ZnO, điện cực Al) một cách riêng biệt: II.1.1. Xử lí bề mặt đế Si. II.1.2.Tạo lớp n+Si bằng cách pha tạp Phốtpho. II.1.3. Tạo lớp p+Si bằng cách pha tạp nhôm. II.1.4.Tạo điện cực lưới nhôm. II.2. Chế tạo linh kiện pin mặt trời cơ bản dựa trên cấu trúc một tiếp xúc p-n: II.2.1.Chế tạo pin theo cấu trúc bề mặt (được gọi là pin loại 1). II.2.2.Chế tạo pin theo cấu trúc phân lớp (pin loại 2). II.2.3.Khảo sát ảnh hưởng của màng ZnO. II.3.Khảo sát sự thay đổi các tính chất và hiệu suất khi thêm một lớp a-Si:H vào cấu trúc pin. II.3.1 Giới thiệu sơ lược về PECVD II.3.2 Các điều kiện tạo màng đơn lớp a-Si:H II.3.3 Pin Mặt Trời cấu trúc p-i-n II.1.Khảo sát và chế tạo các đơn lớp bán dẫn cơ bản và các điện cực II.1.1Xử lí bề mặt đế Si II.1.1.1 Tiến trình thực nghiệm Tẩy rửa bề mặt Trong quá trình sản xuất, trên bề mặt đế Si luôn xuất hiện các tạp kim loại và một lượng chất hữu cơ. Lượng kim loại này khi nâng nhiệt sẽ khuếch tán vào trong làm cản trở sự dịch chuyển của các hạt tải điện. Ngoài ra các chất bẩn hữu cơ cũng ảnh hưởng tới quá trình ăn mòn, quá trình khuếch tán và quá trình lắng đọng màng. Vì vậy việc làm sạch đế Si nhằm giảm thiểu lượng kim loại và hữu cơ trước khi tiến hành chế tạo linh kiện pin mặt trời là rất cần thiết. Đế Si được làm sạch qua 2 bước: Bước 1: loại bỏ lượng hữu cơ bám trên bề mặt đế Silic bằng dung dịch NH4OH/H2O2/H2O với tỷ lệ 1:1:5 ở nhiệt độ 700C trong 15 phút. Bước 2: loại bỏ lượng kim loại trên bề mặt bằng dung dịch HCl/H2O2/H2O Với tỷ lệ 1:1:6 ở nhiệt độ 700C trong 15 phút. Ngoài ra trên bề mặt đế Si luôn tồn tại một lớp SiO2 (lớp này hình thành trên bề mặt đế Si sau một thời gian để lâu ngoài không khí hoặc khi nâng nhiệt cao, vì vậy sau mỗi bước ta phải luôn để ý điều này và cân nhắc xử lí lại bề mặt nếu cần thiết). Để tẩy lớp SiO2 này chúng tôi dùng dung dịch HF: SiO2 + 6HF à H2SiF6 + 2H2O Sau mỗi bước, chúng tôi siêu âm lại bằng iso- propanol bằng máy siêu âm Jac Ultrasonic 1050 Jinwoo nhằm loại bỏ dung môi còn bám trên đế và sau đó đế được sấy khô bằng lò sấy SPT 200 vacuum drier [5][8][11]. Hình II.1.1.1b:lò sấy SPT 200 vacuum drier. Hình II.1.1.1a: Máy siêu âm Jac Ultrasonic 1050 Jinwoo Ăn mòn kim tự tháp: Sự phản xạ ánh sáng tại bề mặt Si là khá lớn làm cho sự hấp thụ ánh sáng của Pin Mặt Trời thấp, làm giảm hiệu suất pin. Vì vậy, chúng tôi tiến hành ăn mòn tạo các “kim tự tháp” trên bề mặt đế Si. Các “kim tự tháp” sẽ đóng vai trò các bẫy ánh sáng làm tăng khả năng hấp thụ của pin. Việc ăn mòn “kim tự tháp” được thực hiện với 2 bước chính: Hình II.1.1.1c: Hệ điều nhiệt bằng điện trở. 1. Ăn mòn bề mặt bằng dung dịch CH3COOH/HNO3/HF với tỉ lệ 10:7:4 trong thời gian 5 phút [5][11]. Các phản ứng xảy ra: 4HNO3 + Si à SiO2 + 4NO2 + 2H2O SiO2 + 6HF à H2SiF6 + 2H2O 2. Ăn mòn “kim tự tháp” bằng dung dịch KOH 33% nóng ( 800C ) trong thời gian 15 phút [5][11]. Nhiệt độ của KOH được giữ cố định bởi thiết bị điều nhiệt bằng điện trở của phòng thí nghiệm. II.1.1.2: Kết quả và thảo luận: Sử dụng máy đo: Stylus profiler Veeco Detak 6M (phụ lục i.1) SEM JMS-6480LV(phụ lục i.5) Một số kết quả thu được sau quá trình xử lý bề mặt: Bảng II.1.1.2a: bề mặt của mẫu Si sau khi rửa μm A0 A0 Bảng II.1.1.2b: bề mặt của mẫu Si sau khi rửa và ăn mòn bề mặt μm Với mẫu Si được tẩy rửa bề mặt, độ gồ ghề vào khoảng 100Å –500 Å (10 – 50 nm) là không đáng kể. Trong khi đó ở mẫu Si sau khi ăn mòn ta thấy có sự xuất hiện của các đỉnh có chiều cao vào khoảng -15.000Å – 25.000 Å (2 – 4μm). Điều này chứng tỏ quá trình ăn mòn đã làm tăng độ ghồ ghề của bề mặt Si lên rất nhiều lần. Để tìm hiểu rõ hơn về cấu trúc của bề mặt Si sau khi ăn mòn chúng tôi tiến hành đo SEM, và kết quả thu được như hình II.1.1.2c Hình II.1.1.2c: bề mặt của mẫu Si sau khi rửa và ăn mòn bề mặt Do không có điều kiện chụp mặt cắt ngang (cross-section) nên ở đây chúng tôi chỉ chụp ảnh bề mặt nhìn từ trên xuống của đế Si. Tuy nhiên từ ảnh SEM này ta cũng có thể thấy được sự hình thành của các “kim tự tháp” với kích thước không đồng đều. Bề rộng ước lượng của chân “kim tự tháp” vào khoảng 2 μm –5 μm. Chúng tôi đã xử lí bề mặt Si khá tốt và có thể ăn mòn “kim tự tháp”. Tuy nhiên, việc tạo mặt “Kim Tự Tháp” đầu tiên trong các khâu chế tạo pin mặt trời làm ảnh hưởng không tốt tới các công đoạn sau( lớp n+ , màng a-Si:H ), nên chúng tôi quyết định thay việc ăn mòn Kim Tự Tháp bằng việc tạo màng dẫn điện trong suốt có cấu trúc tương đối xốp để tạo hiệu ứng bề mặt. II.1.2: Tạo lớp n+Si bằng cách pha tạp Phôtpho Vì chúng tôi sử dụng đế Si loại p để chế tạo linh kiện Pin Mặt Trời, nên có thể nói đơn lớp n+ giữ một vai trò cực kì quan trọng để tạo tiếp xúc p-n. Ngoài ra, một đơn lớp n+ tốt sẽ làm cho tiếp xúc với điện cực tốt hơn. Hơn nữa, nếu các đơn lớp n+ và p+ của chúng tôi càng đậm, thì độ chênh thế giữa các lớp cao sẽ làm giảm sự thất thoát hạt tải trong quá trình lấy hạt tải, nghĩa là làm tăng hệ số lấp đầy của pin. II.1.2.1 Tiến trình thực nghiệm Nhằm tạo một lớp n+ tương đối đậm trên bề mặt đế c-Si, chúng tôi sử dụng phương pháp khuếch tán nhiệt từ nguồn rắn và phốtpho đỏ (P2O5) được dùng làm nguồn tạp chất khuếch tán. Chúng tôi khảo quá trình pha tạp tại các điều nhiệt độ 6000C ,8000C ,9000C trong môi trường khí nitơ (N2) và một mẫu ở 9000C trong môi trường chân không (CK) thấp (khoảng 10-3torr), các mẫu cùng được ủ nhiệt trong 2 giờ[13] [14]. Để có thể khảo sát các điều kiện trên trong những môi trường khác nhau, chúng tôi đã thiết kế một hệ ủ nhiệt khuếch tán phục vụ đề tài này, gồm các bộ phận sau: Bơm hút chân không: gồm bơm sơ cấp và bơm Root. Hình II.1.2.1a: hệ thống hút chân không Bơm sơ cấp: Áp suất giới hạn: 5.10-4 Torr Áp suất đối : khí trời Vận tốc hút: 25 l/s. Bơm root: Áp suất giới hạn: 10-4Torr Áp suất đối : 10 Torr Vận tốc hút: 25 l/s. Buồng chân không dạng ống làm bằng thép không gỉ. Hình II.1.2.1b: buồng nung mẫu Lò nâng nhiệt được dùng là lò Elektro Usarmar – RK42 có giới hạn nâng nhiệt đến 12000C. Ống thạch anh và thuyền thạch anh chứa mẫu nhằm mục đích tránh tạp chất từ thành buồng trong quá trình ủ nhiệt. Nguồn cung cấp khí N2 (99,99 %). Đế Si sau khi xử lí bề mặt và P2O5 được đặt chung trong thuyền thạch anh cùng được đặt trong ống thạch anh và đưa vào buồng hút chân không. Sau khi chân không của hệ đạt đến 10-3 Torr, lúc này chúng tôi có thể dẫn hoặc không dẫn khí N2 vào tùy vào từng điều kiện khảo sát riêng biệt. Hình II.1.2.1c hút chân không cho buồng Chúng tôi tiến hành nâng nhiệt với tốc độ 1000C sau mỗi 15 phút đến khi đạt 4000C chúng tôi ủ nhiệt trong 1 giờ rồi tiếp tục nâng nhiệt tới nhiệt độ khảo sát và giữ nhiệt độ ổn định trong 2 giờ. Hình II.1.2.1d: n