Luận văn Phân tích chương trình mô phỏng một chiều AMPS – 1D (analysis of microelectronic and photonic structures)

CGS như 2 pha tách riêng nếu nhiệt độ phản ứng quá nhỏ hoặc thời gian quá ngắn. Nhiệt độ phản ứng cao cũng có thể dễ dàng hình thành Mo2Se. Phương pháp chalcogen hóa cũng đưa ra khả năng hình thành các màng mỏng CuIn(S,Se)2 bằng đưa cả bán vật liệu Se và S vào môi trường ủ. Lắng đọng hơi hóa học Các công nghệ lắng đọng pha khí hóa học cũng như lắng đọng hơi hóa học (MOCVD) và chuyển dạng hơi nén chặt cũng đã được sử dụng với việc chế tạo các màng mỏng CIS và CIGS. Thuận lợi của quá trình này là nhiệt độ lắng đọng thấp hơn so với các quá trình bốc bay. Nhóm McAleese đã thu được các màng CIS ở 400oC – 500oC bằng MOCVD nhiệt tại các áp suất thấp từ các hợp phức methyl-n-hexyldiselenocarbamate của Cu (II) và In (III) (Cu (Se2CNCH3C6H13)2 và In (Se2CNCH3C6H13)3). Các màng thu được gần với hợp thức và khe vùng của chúng được đánh giá khoảng 1,08 eV. Các mẫu XRD của các màng chỉ ra có nhiễu xạ chính của pha chalcopyrite. Quá trình PECVD cũng được báo cáo mà hexafluoroacetylacetonate tạo phức Cu(hfac)2 và In(hfac)2 sử dụng như các bán vật liệu dạng kim loại và 4-methy l-1, 2, 3-selenadiazole như nguồn Se. H2 được sử dụng như các khí tải với các bán vật liệu dạng kim loại. Nhiệt độ lắng đọng tăng dần từ 150 – 400oC. Màng thu được là có khả năng hụt Se vì Se mất mát trong suốt quá trình lắng đọng làm lạnh xuống trong chân không. Các phương pháp pha lỏng nhiệt độ thấp Các phương pháp chế tạo không chân không, gồm điện hóa, mạ không điện cực, lắng đọng bể hóa học và “các phương pháp dựa vào hạt” v.v… Các phương pháp này vốn đã có giá thành thấp vì nhiệt độ chế tạo nói chung là thấp và các thiết bị đơn giản. Các chất hấp thụ được chế tạo bằng các phương pháp này thường cần xử lý trước khi chế tạo tại các nhiệt độ cao trong các môi trường chứa Se để thu được các thiết bị có hiệu suất cao. Nhóm Bhattacharya đã tập trung nghiên cứu việc chế tạo pin mặt trời CIGS từ các tiền hạt được làm bằng điện hóa, mạ không điện cực và lắng đọng bể hóa học. Các tiền hạt được điện hóa được chế tạo tại nhiệt độ phòng từ các dung dịch ngậm nước chứa CuCl2, InCl3, H2SO3, GaCl3 và LiCl. Màng thu được rất giàu đồng nhưng các hiệu suất pin mặt trời thu được là 15,4 % sau khi hiệu chỉnh hợp thức. Mạ không điện cực dựa trên các phản ứng oxi hóa khử không có nguồn dòng ngoài. Các màng Cu-In-Ga-Se giàu đồng được làm từ các dung dịch ngậm nước chứa CuCl2, InCl3, H2SeO3, GaCl3 và LiCl, việc sử dụng điện cực Fe như tác nhân khử. Sau sự điều chỉnh hợp thức, các màng được sử dụng cho việc chế tạo các PMT và hiệu suất chuyển đổi đã đạt được là 13,4 % . Các màng mỏng CIGS được chế tạo bằng lắng đọng hơi hóa học sử dụng sodium selenosulfate (Na2SeSO3) là tiền hạt Se. Trong các màng được chế tạo tại 40oC sử dụng Cu(NH3)42+ và In3+ được tạo phức bằng citrate là các tiền hạt kim loại. Sau bước tiền ủ ở 520oC trong không khí, VOC khoảng 0,3V được đo với chuyển tiếp dị thể n-Si/p-CIS. CHƯƠNG 2CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MỘTCHIỀU AMPS – 1D(Analysis of Microelectronic and Photonic Structures) Chương trình mô phỏng một chiều AMPS – 1D là một chương trình đa năng để khảo sát ảnh hưởng cấu tạo và tính chất vật liệu của các cấu trúc bán dẫn đa lớp. Nội dung của chương trình là giải phương trình Poisson và hai phương trình liên tục với các điều kiện biên thích hợp [17]. Phương trình Poisson Trong không gian một chiều, phương trình Poisson mô tả sự phân bố điện tích, điện thế, vùng năng lượng được cho bởi phương trình sau: (2.1) Trong đó: Ψ: Thế tĩnh điện n: Nồng độ điện tử tự do p: Nồng độ lỗ trống tự do nt: Nồng độ các điện tử bị bắt pt: Nồng độ lỗ trống bị bắt ND: Nồng độ donor NA: Nồng độ acceptor ε: Hằng số điện môi q: Điện tích của một điện tử Tất cả những đại lượng trên đều là hàm theo vị trí x, chúng ta sẽ khảo sát chi tiết hơn về các đại lượng này ở các mục dưới đây. Nồng độ điện tử tự do và nồng độ lỗ trống tự do Số điện tử tự do nằm trong khoảng dE từ E đến (E+dE) trong một đơn vị thể tích là: (2.2) Với N(E) là mật độ trạng thái xác định bởi biểu thức sau: (2.3) f0(E) là hàm phân bố Fermi – Dirac: (2.4) Nồng độ điện tử nằm trong vùng dẫn là: (2.5) Vì hàm Fermi – Dirac giảm rất nhanh khi năng lượng lớn do đó có thể thay thế Emax là : (2.6) Trong trạng thái cân bằng nhiệt động, nồng độ điện tử trong vùng dẫn là: (2.7) Đối với nồng độ lỗ trống tự do trong vùng hoá trị xác định tương tự là: (2.8) Đối với vật liệu kết tinh thì NC và NV xác định bằng biểu thức sau: (2.9) (2.10) Phương trình (2.7) và (2.8) sử dụng trong mô hình AMPS – 1D trong trường hợp cân bằng nhiệt động. Trong trường hợp suy biến thì biểu thức của nồng độ điện tử tự do và lỗ trống tự do sẽ là: (2.11) (2.12) Hệ số suy biến xác định là: (2.13) Và hệ số suy biến với nồng độ lỗ trống tự do sẽ là: (2.14) Khi một thiết bị lệch khỏi trạng thái cân bằng nhiệt động bởi các tác động của thế hiệu dịch, sự chiếu sáng hoặc cả hai yếu tố đó thì giá trị của nồng độ điện tử tự do và lỗ trống tự do được tính theo biểu thức (2.11) và (2.12). Chỉ khác ở chỗ là thay thế mức Fermi cơ bản bằng mức Fermi lượng tử. Như vậy cả bốn biểu thức cho nồng độ điện tử tự do và lỗ trống tự do đều sử dụng trong chương trình mô phỏng một chiều AMPS cho cả trường hợp suy biến và không suy biến. Nồng độ trạng thái định xứ (ND+, NA-, pt, nt) Chúng ta đã tìm hiểu về các giá trị của n và p của phương trình Poisson. Chúng ta đi tìm hiểu thêm các đại lượng khác của phương trình Poisson với sự góp thêm và phát triển của điện tích. Nồng độ Donor và nồng độ Acceptor (ND+, NA) Đầu tiên chúng ta đề cập đến nồng độ điện tích ở các mức pha tạp định xứ. Các mức tạp trong mô hình của chúng tôi được hình thành bởi tập hợp các mức rời rạc, tạo nên một dải với một độ rộng nhất định. Trong bất cứ trường hợp pha tạp nào thì tổng điện tích tăng lên trong các trạng đều được xác định bởi các biểu thức sau: Nồng độ donor: (2.15) Nồng độ acceptor: (2.16) Trong đó: : Là tổng nồng độ điện tích ở các mức donor rời rạc : Là tổng nồng độ điện tích ở các mức acceptor rời rạc : Là tổng nồng độ điện tích phát sinh ở mức donor liên tục : Là tổng nồng độ điện tích phát sinh từ mức acceptor Mức pha tạp rời rạc (,) Hình 4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của các mức năng lượng pha tạp rời rạc vào mật độ trạng thái Điện tích sinh ra từ trạng thái donor và acceptor rời rạc thứ i và thứ j là: (2.17) (2.18) Trong trạng thái cân bằng nhiệt động hàm xác suất fD,i và fA,j đặc trưng bởi hàm Fermi: (2.19) Và (2.20) Nồng độ điện tử tự do và nồng độ lỗ trống tự do sẽ là: (2.21) (2.22) Trong trạng thái suy biến thì nồng độ điện tử tự do sẽ xác định theo hệ số suy biến sẽ là: (2.23) Nồng độ lỗ trống tự do : (2.24) Mức pha tạp liên tục (NbD,i, NbA,j) Các vị trí pha tạp liên tục định xứ ở một vùng năng lượng. Vùng năng lượng được xác định là giới hạn năng lượng trên E2 và giới hạn năng lượng dưới E1. Sự phân bố các mức năng lượng được thể hiện ở đồ thị dưới đây: Hình 5: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của các mức năng lượng donor và acceptor liên tục vào mật độ trạng thái Ta có tổng nồng độ điện tích ở các mức donor liên tục là: (2.25) Tổng điện tích ở các mức acceptor liên tục là: (2.26) Trong đó: : Tổng nồng độ điện tích ở vùng thứ i của mức donor liên tục : Tổng điện tích ở vùng thứ j của mức acceptor liên tục Mặt khác, ta lại có tổng nồng độ điện tích ở vùng thứ i của mức donor rời rạc: (2.27) Với WDi = E2i – E1i > 0 là độ rộng vùng thứ i của mức donor. Tổng nồng độ điện tích ở vùng thứ j của mức acceptor rời rạc là: (2.28) Với WAj = E2j – E1j > 0 là độ rộng vùng thứ j của mức acceptor. Trong trạng thái cân bằng nhiệt động, theo lý thuyết Fermi – Dirac thì hàm Fermi ứng với mức donor: (2.29) Hàm Fermi ứng với mức acceptor: (2.30) Như vậy nồng độ điện tử tự do và lỗ trống tự do tương ứng trong trường hợp này sẽ là: (2.31) (2.32) Nồng độ các mức sai hỏng (nt và pt) Các trạng thái sai hỏng bao gồm cả trạng thái sai hỏng liên tục và trạng thái sai hỏng rời rạc. AMPS cho phép các mức sai hỏng này tuân theo hàm phân bố liên tục Gauss. Trong trường hơp này, tổng nồng độ trạng thái sai hỏng phát sinh ở mức donor: (2.33) Tổng nồng độ trạng thái sai hỏng phát sinh ở trạng thái acceptor: (2.34) Trong đó: nt, pt xuất hiện trong phương trình Poisson. ndt: Nồng độ trạng thái sai hỏng ở mức acceptor rời rạc. pdt: Nồng độ trạng thái sai hỏng ở mức donor rời rạc. nbt: Nồng độ trạng thái sai hỏng ở mức acceptor liên tục. pbt: Nồng độ trạng thái sai hỏng ở mức donor liên tục. Phương trình liên tục Phương trình liên tục mô tả sự sinh ra, sự tái hợp và sự dịch chuyển của điện tử tự do: (2.35) Phương trình liên tục mô tả cho sự sinh ra, sự tái hợp và sự dịch chuyển của lỗ trống tự do: (2.36) Trong đó: Jn và Jp lần lượt là mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống. R: Là tốc độ tái hợp. Gop: Là tốc độ tạo hạt tải tạo bởi hấp thụ quang học. Mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống (Jn và Jp) Phương trình Possion không tính đến trường hợp số lượng điện tử tự do hoặc lỗ trống tự do có thể suy biến và tính chất của vật liệu có thể thay đổi theo vị trí. Mật độ điện tử tự do của phương trình liên tục được xác định bởi phương trình sau: (2.37) Mật độ lỗ trống tự do: (2.38) Ở đây: J n, J p :là mật độ dòng điện tử và mật độ dòng lỗ trống. µ n, µ p :là tốc độ dòng điện tử và tốc độ dòng lỗ trống. Hai biểu thức (2.37) và (2.38) sử dụng trong chương trình mô phỏng AMPS để tính toán cho sự thay đổi của tính chất vật liệu để tìm ra cấu trúc tối ưu của pin mặt trời thế hệ mới với lớp hấp thụ CIGS. Quá trình tái hợp của hạt dẫn Trong mọi trường hợp, khi không tồn tại trạng thái cân bằng (với bán dẫn không suy biến n.p ≠ ni2) sẽ xảy ra quá trình tái hợp nhằm đưa trạng thái không cân bằng trở về trạng thái cân bằng [3]. Trong chương trình mô phỏng một chiều AMPS – 1D tốc độ tái hợp được xác định là: (2.39) Quá trình tái hợp được phân loại theo nhiều phương diện khác nhau. Có rất nhiều quá trình tái hợp xảy ra nhưng trong phạm vi bài luận này, chúng tôi chỉ xét đến quá trình tái hợp vùng – vùng (tái hợp cơ bản hoặc tái hợp trực tiếp). Trong dạng tái hợp này, một điện tử tự do trực tiếp gặp một lỗ trống và tái hợp với nhau. Thực chất, một điện tử trên vùng dẫn chuyển mức xuống một trạng thái trống ở vùng hoá trị. Bán dẫn ta xét là bán dẫn có vùng cấm thẳng nên quá trình tái hợp không đòi hỏi sự tham gia của phonon. Xét trường hợp tái hợp vùng – vùng (tái hợp trực tiếp giữa điện tử và lỗ trống), tốc độ tái hợp tổng cộng tỷ lệ với số điện tử nằm trên vùng dẫn và số lỗ trống nằm trên vùng hoá trị: (2.40) Ở trạng thái cân bằng, quá trình tái hợp cân bằng với quá trình nhiệt phát sinh, tốc độ tái hợp trường hợp này có dạng: (2.41) Trong đó: Rth: Là tốc độ tái hợp cân bằng. Gth: Tốc độ nhiệt phát sinh cân bằng. Nếu bỏ qua tốc độ tái hợp tổng cộng (R) và tốc độ phát sinh nhiệt cân bằng thì tốc độ tái hợp trong trường hợp này sẽ là: (2.42) Ở đây : n0: nồng độ điện tử tự do trong trạng thái cân bằng nhiệt động. p0: nồng độ lỗ trống tự do trong trạng thái cân bằng nhiệt động CHƯƠNG 3CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MỘT CHIỀU AMPS – 1D Chúng ta thảo luận về việc chọn các thông số của các lớp ZnO/CdS/CIGS để đưa vào chạy chương trình mô phỏng AMPS – 1D. Những thông số được chọn để đưa vào chương trình là những thông số cơ bản nhất, dựa trên các số liệu đã được nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm. Trên cơ sở đó, chúng ta nghiên cứu những đại lượng đặc trưng thu được từ chương trình mô phỏng một chiều. Qua đó chúng ta đưa ra những thông số phù hợp nhất để định hướng cho công nghệ chế tạo pin mặt trời thực nghiệm [18]. Các tham số cơ bản Để bắt đầu chương trình mô phỏng một chiều AMPS – 1D thì cần ba thông số quan trọng là: Tính chất của các lớp tiếp xúc. Điều kiện của môi trường. Lưới chia cho các số liệu tính toán, thế hiệu dịch để sinh ra dòng J-V và QE. Điều kiện môi trường Yếu tố đầu tiên để chương trình có thể bắt đầu là điều kiện môi trường hoạt động của thiết bị. Nguồn năng lượng từ mặt trời là nguồn năng lượng thiết yếu cho sự sống trên Trái đất. Nó quyết định nhiệt độ bề mặt trái đất và cung cấp nguồn năng lượng thiết yếu điều khiển hệ thống và chu trình sống tự nhiên toàn cầu. Một số những hành tinh khác cũng có nguồn năng lượng khổng lồ dưới dạng tia X hoặc sóng radio, tuy nhiên mặt trời có thể tạo ra phần lớn các nguồn năng lượng như là ánh sáng hữu hình. Tuy nhiên, ánh sáng hữu hình chỉ thể hiện ở một đoạn của dải quang phổ phóng xạ. Đặc biệt, tia cực tím và tia hồng ngoại cũng là 1 phần quan trọng của dải quang phổ mặt trời. Hầu hết, mặt trời tạo ra năng lượng ở bước sóng từ 2x10-7m tới 4x10-6 m. Hầu hết năng lượng này nằm ở khu vực ánh sáng hữu hình. Mỗi bước sóng tương ứng với tần suất và năng lương: bước sóng càng ngắn, tần suất càng cao và năng lượng càng lớn (thể hiện bằng eV). Ánh sáng đỏ nằm cuối giới hạn nguồn năng lượng thấp của dải quang phổ hữu hình và ánh sáng tím nằm cuối giới hạn nguồn năng lượng cao mà ở đó 1 nửa lại là nguồn năng lượng ánh sáng đỏ. Ở những phần vô hình của dải quang phổ, phóng xạ ở khu vực tia cực tím gây tổn hại cho da hơn là những khu vực hữu hình. Tương tự như vậy, phóng xạ ở khu vực tia hồng ngoại mà chúng ta cảm giác nóng sẽ ít năng lượng phóng xạ hơn ở khu vực hữu hình. PMT tương tác khác nhau ở những bước sóng, ánh sáng và màu sắc khác nhau. Ví dụ, silicon kết tinh có thể sử dụng hoàn toàn quang phổ hữu hình cùng với một phần quang phổ hồng ngoại. Tuy nhiên, năng lượng của phần quang phổ hồng ngoại cũng như phóng xạ bước sóng dài, thấp để có thể tạo ra dòng điện. Phóng xạ năng lượng cao mới có thể tạo ra dòng điện, tuy nhiên hầu hết năng lượng này là không thể sử dụng. Tóm lại, ánh sáng quá cao hoặc quá thấp PMT đều không thể sử dụng để tạo năng lượng điện được. Dải quang phổ ánh sáng tiêu chuẩn tới bề mặt trái đất là AM1.5G ( trong đó G là global (toàn cầu) và bao gồm cả phóng xạ trực tiếp và phóng xạ khuếch tán) và AM1.5D (chỉ bao gồm phóng xạ trực tiếp). Con số “1.5” là chiều dài ánh sáng truyền trong khí quyển thấp hơn 1.5 lần chiều dài ánh sáng khi mặt trời trên đỉnh đầu. Bước sóng tiêu chuẩn ngoài khí quyển trái đất được gọi là AMO, mà ánh sáng không truyền qua khí quyển. AMO đặc biệt được sử dụng để dự đoán hoạt động của pin mặt trời trong khí quyển. Cường độ phóng xạ 1.5D tương đương với việc giảm 28% dải quang phổ, ở đó 18% được hấp thụ và 10% được tán xạ. Dải quang phổ toàn câu cao hơn 10% dải quang phổ trực tiếp. Khoảng 970W/m2 đối với AM1.5G. Tuy nhiên, dải quang phổ AM1.5G tiêu chuẩn được coi là 1000W/m2. Trong chương trình mô phỏng này chúng tôi sử dụng phổ chiếu sáng rời rạc AM1.5 như ở hình vẽ dưới đây. Phổ chiếu sáng với bước sóng xét trong khoảng 0,38 μm đến 1,24 μm với bước nhảy khoảng 0,02 μm . Do đặc điểm của pin mặt trời thế hệ mới với lớp hấp thụ CIGS hiệu năng chỉ đạt giá trị tốt nhất trong khoảng bước sóng đó. Phổ chiếu sáng với bước sóng trong khoảng 0,38 μm đến 1,24 μm là phù hợp nhất. Chúng ta có thể tính toán phổ chiếu sáng rời rạc thông qua phổ chiếu sáng chuẩn IAM1.5G: (3.1) Trong đó: IAM1.5 () với đơn vị là [số photon]/[diện tích] [thời gian]. Hình 6: Phổ chiếu sáng chuẩn AM 1.5G Về nhiệt độ: Trong phạm vi của bài luận này, chúng tôi không khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu năng làm việc của một pin như thế nào. Nhiệt độ chúng tôi sử dụng ở đây là đại lượng không đổi 300 K. Cấu trúc mô hình. Chương trình mô phỏng AMPS có thể mở ra hai mô hình phân tích: Mật độ trạng thái và thời gian sống. a. Mật độ trạng thái (DOS) Mô hình mật độ trạng thái là cần thiết để giải quyết với vật liệu có tồn tại trạng thái sai hỏng như vật liệu silicon vô định hình và các sai hỏng tại mặt biên giữa các hạt của vật liệu đa tinh thể. Mặt khác mật độ trạng thái cho phép xác định sự phân bố năng lượng, thiết diện bắt của điện tử và lỗ trống. Dựa trên những thông tin này có thể tính toán được các đại lượng quan trọng sử dụng trong phương trình Poisson. b. Thời gian sống Chương trình mô phỏng một chiều AMPS – 1D khảo sát thời gian sống của điện tử tự do và lỗ trống tự do. Trong trạng thái cân bằng nhiệt động, khi có chiếu sáng, thời gian sống của điện tử tự do và lỗ trống tự do được xác định là: Đối với bán dẫn loại p: (3.2) Đối với bán dẫn loại n: (3.3) Trong các trạng thái sai hỏng, các trạng thái bị bắt của lỗ trống, của điện tử thì thời gian sống của điện tử và lỗ trống đặc trưng bằng: (3.4) Xét trường hợp mô hình kết hợp vùng – vùng bức tranh thời gian sống đưa ra: (3.5) Tính chất chung. Điều kiện ban đầu, hệ số phản xạ mặt trước và sau Các điều kiện biên. a. PHIBO = Φb0 = EC – EF ở x = 0 (eV) b. PHIBL = ΦbL = EC – EF ở x = L (eV) Lớp tiếp xúc trước và sau chỉ được xác định bởi tính chất vật liệu của chúng và hệ số phản xạ của bề mặt chất bán dẫn: Φb0 = 0 eV tại vùng dẫn ở mức Fecmi EF khi x = 0 µm (trước) và ΦbL = 0,9 eV tại vùng dẫn 0,9 eV về EF khi x = L (sau). Những thông số này tạo thành vùng tiếp xúc thuần trở ở phía trước và hàng rào Schottky không đáng kể ở phía sau Tại RF = RF = hệ số phản xạ ở x = 0 (mặt trước). Tại RB = RB = hệ số phản xạ ở x = L (mặt sau). Hệ số phản xạ Đầu tiên, ta xét hệ số phản xạ mặt trước. Như chúng ta thấy, cùng với một phổ chiếu sáng nếu năng lượng ánh sáng mà pin mặt trời hấp thụ được nhiều nhất thì mật độ dòng sinh ra sẽ lớn và hiệu năng hoạt động của pin sẽ cao. Như vậy, hệ số phản xạ mặt trước trực tiếp quyết định đến mật độ dòng và hiệu năng hoạt động của pin. Vấn đề đặt ra ở đây là làm thế nào để giảm hệ số phản xạ mặt trước? Do đặc điểm tính chất của vật liệu nên ta không thể chế tạo vật liệu có hệ số phản xạ rất nhỏ hoặc bằng không. Qua các tài liệu nghiên cứu và thực nghiệm, ta thấy hệ số phản xạ khoảng 0,07 0,1 là phù hợp nhất. Khi nghiên cứu các kết quả thực nghiệm sử dụng chương trình mô phỏng, hệ số phản xạ mặt sau không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng hoạt động của pin. Sự tái hợp bề mặt Tái hợp bề mặt là dạng tái hợp xảy ra trên bề mặt, do tính chất quan trọng và tính định xứ của nó nên chúng ta xét riêng. Do sự gián đoạn tính tuần hoàn của tinh thể, do các khuyết tật mạng, do các nguyên tử lạ, do sự không bão hoà hoá trị của các nguyên tử, trên bề mặt thường có các tâm định xứ mà năng lượng nằm trên vùng cấm. Các tâm định xứ này có nồng độ khá cao trên bề mặt và có khả năng đóng vai trò tâm tái hợp Vì vậy, tái hợp bề mặt thường xảy ra mạnh hơn trong lòng chất bán dẫn và làm cho nồng độ hạt dẫn dư trên bề mặt thường thấp hơn trong lòng chất bán dẫn. Những thông số sử dụng để mô tả cho dòng tái hợp mặt này thường là tốc độ tái hợp mặt Trong chương trình mô phỏng một chiều AMPS -1D, chúng ta sử dụng tốc độ tái hợp mặt là 107 cm/s, tương ứng gần bằng chuyển động nhiệt của điện tử. Đối với các trường hợp đặc biệt: a. SNO= SND = các điện tử ở bề mặt x = 0 (cm/s). b. SPO = SPD = các lỗ trống ở bề mặt x = 0 (cm/s). c. SPL = SNL= các điện tử ở bề mặt x = L (cm/s). d. SPL = SPL = các lỗ trống bề mặt x =L (cm/s). Tính chất của các lớp Độ dày của các lớp tương ứng được lấy từ các thiết bị thực nghiệm. Hệ số không điện và độ rộng của năng lượng cấm được lấy từ các tài liệu dựa trên cơ sở của các phép đo thực nghiệm [2]. Từ các tài liệu lý thuyết và thực nghiêm, ta có bảng giá trị của tính chất các lớp như sau: Bảng 2: Tính chất của các lớp trong pin mặt trời với lớp hấp thụ CIGS Các lớp ZnO CdS CIGS Độ dày 80 nm 50 nm 1000 nm – 3000 nm Hằng số điện môi 9,0 10 13,6 Độ linh động của điện tử 100 cm2/Vs 100 cm2/Vs 100 cm2/Vs Độ linh động của lỗ trống 25 cm2/Vs 25 cm2/Vs 25 cm2/Vs Nồng độ hạt tải ND = 1018 cm-3 ND = 1017 cm-3 NA = 2. 101 cm-3 Độ rộng vùng cấm 3,3 eV 2,4 eV 1 eV – 1,7 eV Mật độ trạng thái hiệu dụng NC 2,22 x 1018 cm-3 2,22 x 1018 cm-3 2,22 x 1018 cm-3 Mật độ trạng thái hiệu dụng NV 1,78 x 10-19 cm-3 1,78 x 10-19 cm-3 1,78 x 10-19 cm-3 Ái lực hoá học 4,0 eV 3,8 eV 3,8 – 4,1 eV Tốc độ hạt tải và mối liên hệ với mật độ trạng thái Với vật liệu đơn tinh thể CIGS tốc độ điện tử là: và đối với lỗ trống tốc độ: . Tỷ số tốc độ tương tự bằng tỷ số (mh*/me*) với me* = 0,2 m0; mh*=0,8 m0. Mật độ trạng thái trên vùng dẫn và mật độ trạng thái trên vùng hoá trị được tính theo công thức: (3.6) (3.7) Như vậy tỷ số về tốc độ tương đương với tỷ số mật độ trạng thái NC/NV. Nồng độ hạt tải Như trong phần cấu trúc các lớp của pin mặt trời thế hệ mới đã chỉ ra rằng: Lớp ZnO và lớp CdS là bán dẫn loại n và lớp CIGS là bán dẫn loại p. Nồng độ điện tử tự do và nồng độ lỗ trống tự do được xác định bởi công thức (2.7) và (2.8). Sự dịch chuyển năng lượng giữa các lớp (chuyển tiếp dị chất) Cho đến nay, phần lớn các công trình nghiên cứu mới chỉ xét loại chuyển tiếp p – n nghĩa là chuyển tiếp trong đó phần n và phần p đều từ một đơn tinh thể. Từ năm 1951, người ta bắt đầu nghiên cứu một loại chuyển tiếp p – n mới gọi là chuyển tiếp dị chất. Chuyển tiếp dị chất là chuyển tiếp được cấu tạo từ hai hay nhiều bán dẫn khác nhau[2]. Chuyển tiếp dị chất thường chế tạo bằng phương pháp epitaxy. Trong mục này, chúng ta chỉ khảo sát những nét cơ bản nhất của chuyển tiếp dị chất. Trên hình (7) và hình (8) là sơ đồ năng lượng của các mẫu bán dẫn cấu tạo nên PMT trước khi tiếp xúc và sau khi tiếp xúc: Hình 7: Sơ đồ phân bố năng lượng dị chất trước khi chúng tiếp xúc với nhau Hình 8: Sơ đồ phân bố năng lượng dị chất sau khi chúng tiếp xúc với nhau Bán dẫn loại n và bán dẫn loại p có độ rộng vùng cấm khác nhau, có hằng số điện môi tương đối khác nhau, có ái lực hoá học khác nhau. Do sự khác nhau về ái lực hoá học nên khi các lớp bán dẫn khi tiếp xúc với nhau có sự chênh lệch về năng lượng mặt tiếp xúc. Độ chênh lệch năng lượng mặt tiếp xúc đáy vùng dẫn được xác định bởi công thức: (3.8) (3.9) Hệ số hấp thụ Hệ số hấp thụ được xác định bởi xác suất hấp thụ photon, phụ thuộc vào xác suất chuyển mức điện tử giữa các vùng cho phép, số trạng thái điền đầy trong vùng hoá trị và số các trạng thái trống trên vùng dẫn. Những yếu tố đó phụ thuộc rất nhiều vào từng vật liệu. Như vậy, đối với từng vật liệu khác nhau sẽ có phổ hấp thụ khác nhau. Ta có phổ hấp thụ của các lớp trong PMT thế hệ mới như ở hình 9. Hình 9: Phổ hấp thụ đối với các lớp trong pin mặt trời thế hệ mới Các trạng thái sai hỏng AMPS – 1D sử dụng mô hình tái hợp Shockley-Read-Hall, mô hình tái hợp này được tìm ra vào năm 1952. Sau đây, chúng ta thảo luận về đại lượng trạng thái acceptor và trạng thái sai hỏng donor. Hình vẽ dưới đây: Hình 10: Các trạng thái chuyển tiếp của cặp điện tử và lỗ trống a: Trạng thái sai hỏng acceptor trung hoà. 1: Giữ một điện tử từ vùng dẫn. 2: Phát ra một lỗ trống từ vùng hoá trị. b: Trạng thái sai hỏng acceptor ion hoá. 3: Giữ một lỗ trống từ vùng hoá trị. 4: Phát ra một điện tử từ vùng dẫn. Chuyển tiếp 2 và chuyển tiếp 4 sinh ra một cặp điện tử - lỗ trống, chuyển tiếp 1 và chuyển tiếp 3 tái hợp một cặp điện tử - lỗ trống. Trong trạng thái cân bằng nhiệt động, cả hai cặp chuyển tiếp (2, 4) và (1, 3) là bằng nhau về số lượng cặp điện tử - lỗ trống. Dưới sự chiếu sáng hoặc thế hiệu dịch quá trình tái hợp chiếm ưu thế, từ đó mà quá trình tái hợp phụ thuộc vào độ tăng lên của nồng độ hạt tải tự do trong vùng dẫn. Vùng hoá trị ta coi nồng độ hạt tải tự do ở đây bằng 0. Xét trong trường hợp cơ bản, chỉ một trạng thái sai hỏng được cộng vào ba lớp trong cấu trúc của PMT thế hệ mới với lớp hấp thụ CIGS. Chúng ta giả thiết, trạng thái sai hỏng donor ở lớp ZnO và CIGS, trạng thái sai hỏng acceptor ở lớp CdS. Mục này dựa trên việc tìm ra loại sai hỏng vượt trội đặc trưng cho một thiết bị thực nghiệm. Mật độ trạng thái sai hỏng trung hoà và ion hoá Các trạng thái sai hỏng đóng góp vào điện tích không gian, nếu chúng bị iôn hoá: Trạng thái sai hỏng donor là trạng thái giữ một lỗ trống (mất một điện tử), chúng mang một điện tích dương đơn lẻ. Như vậy, trạng thái sai hỏng donor (acceptor) bị ion hoá có thể xác định thông qua hàm Fermi là: (3.10) (3.11) Các phương trình (3.10) và (3.11) chỉ các giá trị trong trạng thái cân bằng nhiệt động. Ví dụ như trong lớp CIGS (là bán dẫn loại p), tất cả đều là sai hỏng loại donor, mật độ acceptor nằm trong mẫu bằng nồng độ hạt tải mong muốn cộng thêm nồng độ lỗ trống cần thiết để iôn hoá sâu: NA = 2,01x1016 cm-3. Tương tự như vậy các giá trị ta chọn đối với lớp ZnO và CdS được đưa ra trong bảng: Bảng 3: Nồng độ trạng thái sai hỏng trong các lớp. Các lớp Nồng độ trạng thái mong muốn Trạng thái iôn hoá sâu Thông số đầu vào cần thiết ZnO 1018 cm-3 _ ND = 1018 cm-3 CdS 1017 cm-3 NAG = 1018 cm-3 ND = 1,1x1018 cm-3 CIGS 2x1016 cm-3 NDG = 1014 cm-3 NA = 2,01x1016 cm-3 Sự phân bố sai hỏng Trong tất cả các lớp, sai hỏng (donor = d, acceptor = a) là giả thiết để có một phân bố Gaussian theo năng lượng phá vỡ chúng (Ep (d,a)): (3.12) Gd,a là mật độ sai hỏng / năng lượng với E = EP(d,a) và σd,a là độ rộng phân bố trong thiết bị chuẩn, gd,a là tích phân của tất cả các năng lượng