Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vô định hình tinh thể silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mô phỏng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI
DỊ THỂ VƠ ĐỊNH HÌNH/TINH THỂ SILIC CĨ CẤU TRÚC
EMITTER PHÍA SAU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG

GVHD:

TS. ĐÀO VĨNH ÁI

SVTH:

HỒ CƠNG OANH KIỀU

MSSV:

16130032

Khố:

2016 - 2020

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2020


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu trường Đại học Sư

phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo ra mơi trường học tập thuận lợi nhất
cho sinh viên. Em xin cảm ơn đến các Thầy, Cô trong Khoa Khoa học Ứng dụng,
những người luôn tận tâm truyền đạt kiến thức, quan tâm động viên em trong suốt
bốn năm học vừa qua, giúp em có đủ kiến thức để hồn thành khóa luận này.
Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Đào Vĩnh Ái hiện đang công
tác tại Phịng thí nghiệm FM&D, Viện nghiên cứu Khoa học Cơ bản và Ứng dụng,
Trường Đại học Duy Tân. Thầy đã định hướng cho em biết hướng đi của đề tài và
trong suốt q trình hồn thành luận văn thầy luôn theo sát từng bước, truyền đạt cho
em kiến thức về chuyên môn cũng như tác phong làm việc. Cảm ơn Thầy vì đã giúp
đỡ em rất nhiều để em có thể hồn thiện khóa luận tốt nghiệp này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô, anh, chị đang làm việc tại
Phịng thí nghiệm FM&D, Viện nghiên cứu Khoa học Cơ bản và Ứng dụng, Trường
Đại học Duy Tân đã chỉ dạy, tạo điều kiện thuận lợi để em có thể sử dụng cơ sở vật
chất, máy móc và thiết bị trong q trình làm khóa luận tốt nghiệp này.
Cảm ơn các bạn Hà Minh Trí, Lê Văn Tài, Nguyễn Thị Thu Uyên, Nguyễn
Thị Kim Loan, Đặng Công Thuận, Cù Phạm Thành Hiếu, Trịnh Ngọc Lễ đã giúp đỡ,
động viên em trong học tập và quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Đặc biệt là
bạn Lê Thị Như Quỳnh và Dương Anh Tú - hai người bạn tốt nhất đã đồng hành cùng
em trong bốn năm qua, những người giúp em lấy lại động lực trong những lúc khó
khăn nhất để có thể hồn thành khóa luận này.
Cuối cùng con xin gửi lời cảm ơn đến ba mẹ và anh trai đã luôn tin tưởng, yêu
thương, chăm sóc con để con có thể yên tâm học tập. Xin chúc tất cả mọi người luôn
mạnh khỏe và đạt được nhiều thành công!

Xin chân thành cảm ơn
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 thánh 08 năm 2020
Sinh viên

Hồ Công Oanh Kiều

v


MỤC LỤC
Trang bìa
Nhiệm vụ khóa luận tốt nghiệp ...........................................................................................i
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn ................................................................................... ii
Nhận xét của giáo viên phản biện..................................................................................... iv
Lời cảm ơn............................................................................................................................ v
Lời cam đoan....................................................................................................................... vi
Mục lục ...............................................................................................................................vii
Danh mục các từ viết tắt ....................................................................................................ix
Danh mục bảng biểu......................................................................................................... xiv
Danh mục các biểu đồ và hình ảnh.................................................................................. xv
LỜI MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................................4
1.1. Tổng quan về pin mặt trời. .......................................................................................... 4
1.2. Các thông số đặc trưng của pin mặt trời ..................................................................... 6
1.2.1. Mật độ dòng ngắn mạch....................................................................................... 7
1.2.2. Thế hở mạch......................................................................................................... 8
1.2.3. Công suất cực đại, hiệu suất, hệ số lấp đầy của pin mặt trời ............................... 8
1.3. Giới thiệu sơ lược về pin mặt trời Silic..................................................................... 10
1.4. Sơ lược về pin mặt trời dị thể vô định hình/tinh thể Silic ......................................... 11
1.5. Ưu điểm và quá trình tối ưu hóa của pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic có
cấu trúc emitter phía sau .................................................................................................. 16
1.5.1. Ưu điểm.............................................................................................................. 16
1.5.2. Q trình tối ưu hóa ........................................................................................... 18

CHƯƠNG 2. PHẦM MỀM MÔ PHỎNG AFORS - HET .................................... 23
2.1. Giới thiệu phần mềm AFORS - HET........................................................................ 23

2.2. Mơ hình quang .......................................................................................................... 23
2.3. Mơ hình điện ............................................................................................................. 23
2.4. Ưu điểm của phần mềm AFORS - HET ................................................................... 25

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 26
3.1. Cấu trúc của pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía
sau trong phầm mềm mơ phỏng AFORS - HET .............................................................. 26
3.2. Sự ảnh hưởng của cơng thốt điện tử lớp oxit dẫn điện trong suốt đến hiệu suất của
pin mặt trời dị thể vô định hình/tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía sau ..................... 26
vii


3.3. Sự ảnh hưởng của lớp a-Si:H(n+) đến hiệu suất của pin mặt trời dị thể vơ định
hình/tinh thể có cấu trúc emitter phía sau ........................................................................ 31
3.3.1. Sự ảnh hưởng của nồng độ pha tạp trong lớp a-Si:H(n+)................................... 31
3.3.2. Sự ảnh hưởng của độ dày lớp a-Si:H(n+ ) ........................................................... 36
3.4. Sự ảnh hưởng của lớp hấp thụ c-Si(n) đến hiệu suất của pin mặt trời dị thể vơ định
hình/tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía sau ................................................................ 41
3.4.1. Sự ảnh hưởng của mật độ oxy trong lớp hấp thụ c-Si(n) ................................... 41
3.4.2. Sự ảnh hưởng của điện trở suất của lớp hấp thụ c-Si(n) .................................... 44
3.4.3. Sự ảnh hưởng của độ dày lớp hấp thụ c-Si(n).................................................... 46

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................. 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 53

viii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Aa-Si:H(n +)
Aa-Si:H(p)
Ac-Si(n)
AFORS HET
AM1.5
a-Si:H
a-Si:H(i)
a-Si:H(n+)
a-Si:H(p)
a-Si:H/c-Si
ATCO
BSF
c-Si(n)
D
Dod
Dp,eff
E
EC
EF
EG
Eg,a-Si(n)

Tiếng anh
Absorption coefficient in the aSi:H(n+)
Absorption coefficient in the
emitter
Absorption coefficient in the cSi(n)
Automat FOR Simulation of
HETerostructures
Air mass 1.5 (solar spectrum)

Hydrogenated amorphous
Silicon
Intrinsiic amorphous Silicon
hydrogenated
Amorphous Silicon
hydrogenated type n
Amorphous Silicon
hydrogenated type p
Amorphous/crystalline Silicon
hetero-junctions
Absorption coefficient in the
TCO
Back Surface Field
Crystalline Silicon type n
Diffusion coefficient
Density of oxygen defects
Hole diffusion coefficient in
the c-Si(n)
Light intensity
Conduction band energy edge
Fermi energy
Bandgap energy
The band-gap of c-Si(n)

Tiếng việt
Hệ số hấp thụ của lớp a-Si:H(n+)
Hệ số hấp thụ của lớp emitter
Hệ số hấp thụ của lớp c-Si(n)
Phần mềm mô phỏng tự động cho
pin mặt trời dị thể

Phổ mặt trời
Silic vơ định hình được hiđro hóa
Silic thuần vơ định hình được
hiđro hóa
Silic vơ định hình loại n pha tạp
được hiđro hóa
Silic vơ định hình loại p được
hiđro hóa
Tiếp xúc dị thể vơ định hình/tinh
thể Silic
Hệ số hấp thụ của lớp TCO
Lớp bán dẫn mặt sau
Silic tinh thể loại n
Hệ số khuếch tán
Mật độ oxy
Hệ số khuếch tán của lỗ trống
trong vùng c-Si(n)
Cường độ ánh sáng
Năng lượng vùng dẫn
Mức Fecmi
Năng lượng vùng cấm
Năng lượng vùng cấm của c-Si(n)

ix


Eg,a-Si:H(n +)

The band-gap of a-Si:H(n+)

Eph
EV
FE
FF
FSF
G(x,t)
Gn(x,t)
Gp(x,t)
HIT

Photon of energy
Valence band energy edge
Front emitter
Fill factor
Front Surface Field
Electron - hole pair generation
Electron generation
Hole generation
Heterojunction with Intrinsic
Thin layer
Transmitted light intensity
Interdigitated Back - Contacted
Tin - doped Indium oxide
Indium tin oxide
Incident light intensity
Current density
Saturation current density
Diode current density
Current density at the
maximum power point

I
IBC
In2O3 :Sn
ITO
I0
J
J0
Jd
Jmax
Jph
Jsc
Jsh
k

Photocurrent density

Short-circuit current density
Shunt current density
Boltzmann’s constant

Năng lượng vùng cấm của aSi:H(n+)
Năng lượng của photon
Năng lượng vùng hóa trị
Emitter đặt ở phía trước
Hệ số lấp đầy
Lớp bán dẫn mặt trước
Tốc độ tạo cặp điện tử - lỗ trống
Tốc độ tạo điện tử
Tốc độ tạo lỗ trống

Cấu trúc dị thể với lớp bán dẫn
thuần
Cường độ ánh sáng truyền qua
Pin mặt trời cấu trúc răng lược
Oxit Indi pha tạp thiếc
Oxit Indi pha tạp oxit thiếc
Cường độ ánh sáng tới
Mật độ dòng ra
Mật độ dòng bão hòa ngược
Mật độ dịng qua diode
Mật độ dịng tại cơng suất cực đại
Mật độ dòng sáng
Mật độ dòng ngắn mạch
Mật độ dịng song song
Hằng số Boltzman (1,381×10-23
J/K)

Ldiff

Carrier diffusion length

Lp,eff

Hole diffusion length in the c-

N
n’
n

Si(n)

Majority carrier dopant
concentration
Electron concentration
The diode ideality factor

Độ dài khuếch tán của hạt mang
điện
Độ dài khuếch tán hiệu dụng của
lỗ trống trong vùng c-Si(n)
Nồng độ hạt tải đa số được pha
tạp
Nồng độ điện tử
Thừa số lí tưởng của diode

x


ni

Intrinsic carrier concentration

𝑁𝐴−

Ionized acceptor
concentration
Effective density of states in
conduction band of a-Si:H
Effective density of states in
conduction band of c-Si(n)
Doping density

The effective donor density in
the a-Si:H(n+)
Ionized donor
concentration
The effective donor density in
the c-Si(n)
Effective density of states in
valence band of a-Si:H
Effective density of states in
valence band of c-Si(n)
National Renewable Energy
Laboratory
Hole concentration
Power
The total incident light power
striking the solar cell
Maximum Power
Electronic charge

𝑁𝑐1
𝑁𝑐2
Nd
+
𝑁𝐷,𝑒𝑓𝑓
𝑁𝐷+
ND,eff
𝑁𝑣1
𝑁𝑣2
NREL
p

P
Pin
Pmax
q
QE
R
RE
RF
RF PECVD

Rs

Quantum efficiency
Resistivity
Rear emitter
Front reflectance
Radio frequency plasma
enhanced chemical vapor
deposition
Series resistance

Nồng độ hạt tải trong bán dẫn
thuần
Nồng độ ion acceptor
Mật độ trạng thái hiệu dụng trong
vùng dẫn của a-Si:H(n+)
Mật độ trạng thái hiệu dụng trong
vùng dẫn của c-Si(n)
Nồng độ pha tạp
Mật độ donor hiệu dụng trong

vùng a-Si:H(n+)
Nồng độ ion donor
Mật độ donor hiệu dụng trong
vùng c-Si(n)
Mật độ trạng thái hiệu dụng trong
vùng hóa trị của a-Si:H(n+)
Mật độ trạng thái hiệu dụng trong
vùng hóa trị của c-Si(n)
Phịng thí nghiệm năng lượng tái
tạo quốc gia
Nồng độ lỗ trống
Cơng suất của pin mặt trời
Tổng công suất chiếu xạ ánh sáng
từ mặt trời đến pin
Cơng suất cực đại
Điện tích của điện tử (1,602×10 -19
C)
Hiệu suất lượng tử
Điện trở suất
Emitter đặt ở phía sau
Phản xạ mặt trước
Lắng đọng hơi hóa học tăng
cường plasma sử dụng tần số xoay
chiều
Điện trở nối tiếp
xi


Rsh
S e,a-Si:H(n +)

T
t
Ta-Si:H(n +)
Ta-Si:H(p)
Tc-Si(n)
TTCO
Top
TCO
V
VD
Vmax

Shunt resistance
The effective surface
recombination velocity in the aSi:H(n+)
Thickness
Temperature

Voc
ʋoc

a-Si:H(n+) thickness
a-Si:H(p) thickness
c-Si(n) thickness
TCO thickness
Optimized thickness
Transparent Conductive Oxide
Voltage
Built-in potential

Voltage at maximum power
point
Open-circuit voltage
Normalized Voc

ZnO:Al
ϵ
η

Aluminum-doped zinc oxide
Dielectric constant of Silicon
Solar cell efficiency

μc-Si:H(n)

α
ρ
τbulk

n-type hydrogenated
microcrystalline Silicon
n-type microcrystalline Silicon
oxide Silicon oxide
p-type microcrystalline Silicon
oxide Silicon oxide
Absorption cofficient
Resistivity
Bulk lifetime

T CO

Φ(λ)

Work-function
Photon flux

μc-SiO:H(n)
μc-SiO:H(p)

Điện trở song song
Tốc độ tái hợp hiệu dụng tại bề
mặt a-Si:H(n+)
Độ dày
Nhiệt độ làm việc của pin mặt trời
(K)
Độ dày của lớp a-Si:H(n+)
Độ dày của lớp a-Si:H(p)
Độ dày của lớp c-Si(n)
Độ dày của lớp TCO
Dộ dày tối ưu
Oxit dẫn điện trong suốt
Điện thế
Thế tiếp xúc
Thế tại cơng suất cực đại
Thế hở mạch
Voc chuẩn hóa
Oxit kẽm pha tạp nhôm
Hằng số điện môi của Silic
Hiệu suất chuyển đổi của pin mặt
trời
Lớp Silic đa tinh thể được hidro

hóa loại n
Lớp oxit Silic đa tinh thể được
hidro hóa loại n
Lớp oxit Silic đa tinh thể được
hidro hóa loại p
Hệ số hấp thụ
Điện trở suất
Thời gian sống của hạt tải trong
lớp hấp thụ
Cơng thốt điện tử
Thơng lượng photon trong phổ
mặt trời
xii


λ
χ
ψ
∆EC
∆EV

Wavelength
Electron affinity
Electric potential
Conduction band offset
Valence band offset

Bước sóng
Ái lực điện tử
Điện thế

Độ lệch vùng dẫn
Độ lệch vùng hóa trị

xiii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số đầu vào trong pin mặt trời dị thể a-Si:H/c-Si emitter phía
sau sử dụng trong phần mềm AFORS - HET ............................................................... 24

xiv


DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH
Hình 1. (a) Cấu trúc pin mặt trời dị thể IBC và (b) Quá trình sản xuất pin mặt trời dị
thể IBC ..................................................................................................................................2
Hình 1.1. Sơ đồ thể hiện các thế hệ pin mặt trời.............................................................4
Hình 1.2. Báo cáo hiệu suất các loại pin mặt trời được cập nhật đến năm 2020 ........6
Hình 1.3. (a) Sơ đồ tương đương của pin mặt trời; (b) Đặc trưng dịng thế J - V ......7
Hình 1.4. Đường đặc trưng J - V và giá trị cực đại của pin mặt trời khi được chiếu
sáng........................................................................................................................................9
Hình 1.5. Biểu đồ cấu trúc vùng năng lượng của tiếp xúc p - n ................................ 11
Hình 1.6. Sơ đồ các lớp của pin mặt trời cơ bản.......................................................... 12
Hình 1.7. Sơ đồ các lớp đối xứng trong pin mặt trời dị thể ........................................ 13
Hình 1.8. Sơ đồ phân bố năng lượng của các lớp khi tiếp xúc với nhau .................. 14
Hình 1.9. Quá trình chế tạo pin mặt trời truyền thống và pin mặt trời dị thể........... 14
Hình 1.10. (a) Hiệu suất pin mặt trời dị thể và pin mặt trời c-Si khi tăng nhiệt độ, (b)
Hiệu suất của pin mặt trời dị thể và c-Si trong ngày .................................................... 15
Hình 1.11. (a) Cấu trúc pin mặt trời dị thể với thiết kế emitter mặt sau; (b) Cấu trúc
pin mặt trời dị thể với thiết kế emitter mặt trước ......................................................... 16

Hình 1.12. Cấu trúc pin mặt trời dị thể: (a) emitter phía trước (b) emitter phía sau.
Hướng di chuyển của dòng điện (biểu thị bằng hướng mũi tên) và mật độ dòng trong
lớp hấp thụ (biểu thị bằng màu sắc) ứng với (c) emitter phía trước, (d) emitter phía
sau ....................................................................................................................................... 17
Hình 3.1. Cấu trúc của pin mặt trời dị thể có lớp emitter phía sau dùng trong phần
mềm mơ phỏng AFORS - HET ...................................................................................... 26
Hình 3.2. Các thông số đặc trưng của pin mặt trời dị thể ứng với các giá trị ΦTCO thay
đổi từ 3,7 eV đến 4,3 eV .................................................................................................. 27
Hình 3.3. Giản đồ cấu trúc vùng năng lượng của pin mặt trời dị thể ứng với ΦTCO =
3,7 eV và Φ TCO = 4,3 eV .................................................................................................. 28
Hình 3.4. a) Mật độ điện tử, b) mật độ lỗ trống ở vị trí tương ứng trong pin mặt trời
dị thể khi thay đổi cơng thốt điện ΦTCO = 3,7 eV và ΦTCO = 4,3 eV........................ 29
Hình 3.5. Hiệu suất lượng tử của pin mặt trời dị thể khi tăng giá trị ΦTCO từ 3,7 eV
đến 4,3 eV.......................................................................................................................... 30
Hình 3.6. Đường đặc trưng J - V của pin mặt trời dị thể khi tăng giá trị ΦTCO từ 3,7
eV đến 4,3 eV.................................................................................................................... 31
Hình 3.7. Các đặc trưng của pin mặt trời tương ứng với các nồng độ pha tạp Nd trong
lớp a-Si:H(n+) và cơng thốt điện tử ΦTCO khác nhau.................................................. 32
Hình 3.8. Giản đồ cấu trúc vùng năng lượng của pin mặt trời dị thể khi thay đổi nồng
độ pha tạp trong lớp a-Si:H(n +)....................................................................................... 33

xv


Hình 3.9. (a) Đường cong biểu diễn tốc độ tái hợp cặp điện tử - lỗ trống ở các vị trí
tương ứng trong pin mặt trời dị thể, (b) Hiệu suất lượng tử trong pin mặt trời dị thể ở
hai trường hợp Nd = 510 15 cm-3 và Nd = 510 18 cm-3................................................... 34
Hình 3.10. Đường đặc trưng J - V của pin mặt trời dị thể ứng với nồng độ pha tạp Nd
= 510 15 cm-3 và Nd = 510 18 cm-3 .................................................................................. 35
Hình 3.11. Các đặc trưng của pin mặt trời dị thể khi thay đổi độ dày lớp a-Si:H(n+ )

............................................................................................................................................. 36
Hình 3.12. (a) Đường cong biểu diễn tốc độ tái hợp cặp điện tử - lỗ trống; (b) Hiệu
suất lượng tử trong pin mặt trời dị thể ở khi lớp a-Si:H(n+) khi Ta-Si:H(n +) = 5 nm và Ta+
Si:H(n ) = 10 nm ................................................................................................................... 37
Hình 3.13. Đường đặc trưng J - V của pin mặt trời dị thể ứng với Ta-Si:H(n +) = 5 nm và
Ta-Si:H(n +) =10 nm ............................................................................................................... 38
Hình 3.14. Hiệu suất của pin mặt trời dị thể tương ứng với độ dày lớp a-Si:H(n+),
ΦTCO khác nhau với nồng độ pha tạp (a) Nd = 510 15 cm-3, (b) Nd = 510 16 cm-3, (c) Nd
= 510 17 cm-3 và (d) Nd = 510 18 cm-3............................................................................ 39
Hình 3.15. Cấu trúc pin mặt trời bị lỗi khi lớp TCO tiếp xúc trực tiếp với lớp c-Si(n)
do lớp a-Si:H(n +) phủ khơng đều.................................................................................... 40
Hình 3.16. Các đặc trưng của pin mặt trời dị thể tương ứng khi thay đổi điện trở suất
và mật độ oxy Dod trong lớp hấp thụ c-Si(n) ................................................................. 41
Hình 3.17. (a) Đường cong biểu diễn tốc độ tái hợp; (b) Hiệu suất lượng tử trong pin
mặt trời dị thể khi mật độ oxy trong lớp c-Si(n) có giá trị lần lượt là 110 10 cm-3 và
11011 cm-3......................................................................................................................... 42
Hình 3.18. Đường đặc trưng J - V của pin mặt trời dị thể ứng với các giá trị Dod =
11010 cm-3 và Dod = 110 11 cm-3 .................................................................................... 43
Hình 3.19. Tốc độ tái hợp cặp điện tử - lỗ trống trong pin mặt trời dị thể ứng với giá
trị điện trở suất ρ = 0,5 Ωcm và ρ = 5 Ωcm................................................................... 44
Hình 3.20. Hiệu suất lượng tử của pin mặt trời dị thể ứng với giá trị điện trở suất ρ
từ 0,5 Ωcm đến 5 Ωcm ..................................................................................................... 45
Hình 3.21. Đặc trưng J - V của pin mặt trời dị thể ứng với các giá trị ρ = 0,5 Ωcm và
ρ = 5 Ωcm .......................................................................................................................... 46
Hình 3.22. Đặc trưng của pin mặt trời dị thể khi thay đổi độ dày và điện trở suất của
lớp hấp thụ c-Si(n) ............................................................................................................ 47
Hình 3.23. (a) Đường cong biểu diễn tốc độ tái hợp; (b) Hiệu suất lượng tử trong pin
mặt trời dị thể khi độ dày lớp hấp thụ c-Si(n) ở giá trị lần lượt là 150 μm và 250 μm
............................................................................................................................................. 48
Hình 3.24. Đường đặc trưng J - V của pin mặt trời dị thể ứng với độ dày lớp hấp thụ

c-Si(n) bằng 150 μm và 250 μm ..................................................................................... 49
Hình 3.25. Đường đặc trưng J - V và cơng suất của pin mặt trời dị thể vơ định
hình/tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía sau ở các điều kiện tối ưu ...................... 50

xvi


LỜI MỞ ĐẦU
Năng lượng đóng vai trị quan trọng trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống,
sự phát triển kinh tế và xã hội của mỗi quốc gia. Năng lượng hóa thạch đang được sử
dụng chủ yếu nhưng do nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao nguồn năng
lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt [1]. Bên cạnh đó, nguồn ngun liệu hóa thạch
cịn gây ra nhiều vấn đề ô nhiễm môi trường cũng như các tác hại tiêu cực đến sức
khỏe con người [2]. Do đó, con người phải chuyển sang khai thác sử dụng nguồn
năng lượng tái tạo có sẵn trong tự nhiên bao gồm: năng lượng sinh học, năng lượng
mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng hydro, năng lượng gió, năng lượng biển.
Trong số những nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời được chuyển đổi thành
điện năng qua hiệu ứng quang điện được xem là nguồn năng lượng tối ưu nhất [3].
Những năm gần đây, các nghiên cứu về pin mặt trời gia tăng nhanh chóng do
nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng bền vững, sạch và an toàn tăng lên. So với pin
mặt trời đồng thể truyền thống, pin mặt trời dị thể a-Si:H/c-Si hiện rất đang được
quan tâm nghiên cứu vì hiệu suất chuyển đổi cao (24,7 % [4]), nhiệt độ chế tạo thấp
(≤ 200 0C), độ bền nhiệt cao [5 - 7]. Do đó, việc nâng cao hiệu suất pin là vấn đề được
quan tâm và chú trọng.
Đối với loại pin mặt trời dị thể có dạng cấu trúc răng lược mặt sau IBC
(Interdigitated Back - Contacted) như trong Hình 1a, có hiệu suất đạt tới 26,7 % với
diện tích pin là 180,4 cm2 [8], loại pin này được chế tạo ở nhiệt độ thấp (xấp xỉ 200 0 C)
[9]. Tuy nhiên, quá trình tổng hợp cấu hình IBC phức tạp được thể hiện trong Hình
1b, do đó chi phí sản xuất cao và khó triển khai trong sản xuất thương mại [10].
Đối với pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic có thể chia thành 02 loại

chính đó là: pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic emitter phía trước và pin
mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic emitter phía sau [11]. Đối với pin mặt trời
dị thể vơ định hình/tinh thể Silic emitter phía trước, các nhà nghiên cứu đã khơng
ngừng nỗ lực để cải thiện hiệu suất, năm 2014 Taguchi và các cộng sự đã chế tạo
được pin đạt hiệu suất 24,7 %, thế hở mạch Voc = 750 mV, hệ số lấp đầy FF = 83,2
%, dòng ngắn mạch 40,1 mA [4, 12]. Nhưng một hạn chế của pin emitter phía trước
đó là: khó có thể cân bằng giữa tính chất điện và tính chất quang của lớp a-Si:H(p)
[12]. Độ dẫn của lớp a-Si:H(p) thấp hơn so với lớp a-Si:H(n) khi xét cùng độ dày
[11]. Trong cấu trúc pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic emitter phía trước
thì lớp a-Si:H(p) nằm ở mặt trước trước nên khi muốn tăng độ dẫn của lớp a-Si:H(p)
phải tiến hành pha tạp, nhưng khi tăng pha tạp sẽ dẫn đến vấn đề tái hợp cặp điện tử
- lỗ trống, giảm thế hở mạch Voc. Có thể tăng độ dẫn lớp a-Si:H(p) bằng cách tăng độ
1


dày, nhưng khi tăng độ dày lại dẫn đến vấn đề hấp thụ kí sinh, làm giảm Jsc ảnh hưởng
đến hiệu suất của pin [13].

Hình 1. (a) Cấu trúc pin mặt trời dị thể IBC, (b) Quá trình sản xuất pin mặt trời dị
thể IBC

Còn đối với pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic emitter phía sau được
đánh giá rất triển vọng vì nó khắc phục được một số nhược điểm của pin mặt trời dị
thể emitter phía trước. Trong pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic emitter
phía sau, lớp emitter được đặt ở phía sau của đế Silic vì vậy ít tổn thất quang học hơn,
cụ thể là do lớp a-Si:H(n) có hệ số hấp thụ cao hơn so với lớp a-Si:H(p) nên sẽ tăng
lượng ánh sáng đi vào lớp hấp thụ c-Si(n) [14]. Do đó, pin mặt trời dị thể vơ định

2

hình/tinh thể Silic emitter phía sau có nhiều lựa chọn hơn về thiết kế cấu trúc, hình
thái bề mặt [15]. Cho đến năm 2015, Watahiki và cộng sự đã trình bày thiết kế của
pin có emitter phía sau và đạt được hiệu quả 23,43 % [16]. Bivour và các cộng sự đã
nhận thấy rằng thiết kế lớp emitter phía sau sẽ dễ dàng hơn cho việc lựa chọn TCO
và thiết kế lưới điện cực kim loại phía trước [11, 17]. Từ những lí do trên, trong nhiều
năm qua đã có nhiều cơng trình nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới liên
quan đến pin mặt trời dị thể có cấu trúc emitter phía sau [18]. Nhìn chung các cơng
trình nghiên cứu đều dựa trên kết quả thu được từ thực nghiệm. Khi tiến hành các
nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể emitter phía sau, các nhà nghiên
cứu phải tiêu tốn rất nhiều thời gian, ngun vật liệu và cơng sức để tiến hành nhiều
thí nghiệm để thu được tấm pin có hiệu suất mong muốn. Như vậy, có thể thấy rằng
các cơng trình nghiên cứu mơ phỏng có vai trị rất lớn trong việc chế tạo pin mặt trời
có hiệu suất cao. Các kết quả trong mô phỏng sẽ được áp dụng trong nghiên cứu thực
nghiệm, việc này giúp tiết kiệm được rất nhiều thời gian, cơng sức, cũng như chi phí
chế tạo pin mặt trời có hiệu suất cao. Nhưng hiện nay có rất ít cơng trình nghiên cứu
bằng phương pháp mơ phỏng một cách tổng thể các đặc trưng của pin mặt trời dị thể
vơ định hình/tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía sau. Từ những lí do trên, luận văn
thực hiện cứu đề tài: “Nghiên cứu nâng cao hiệu suất pin mặt trời dị thể vơ định
hình/tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía sau bằng phương pháp mơ phỏng”.
Luận văn này sẽ nghiên cứu sự ảnh hưởng của lớp oxit dẫn điện trong suốt TCO, lớp
a-Si:H(n+) và lớp hấp thụ c-Si(n) đến các đặc trưng của pin mặt trời dị thể vơ định
hình/tinh thể Silic có cấu trúc emitter phía sau.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về pin mặt trời.
Pin mặt trời thu hút được nhiều sự chú ý bởi tận dụng được nguồn năng lượng

tự nhiên vô tận. Pin mặt trời hay pin quang điện là một linh kiện quang điện chuyển
đổi năng lượng ánh sáng mặt trời chiếu vào thành điện năng bằng hiệu ứng quang
điện. Pin mặt trời được phát hiện lần đầu tiên bởi Alexandre Edmond Becquerel vào
năm 1839 [19]. Quá trình nghiên cứu để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời được
thực hiện không ngừng trong suốt thời gian sau đó. Năm 1883, Charles Charles Fritts
đã mô tả về pin mặt trời Selenium đầu tiên bằng việc phủ lên bán dẫn Selenium một
lớp vàng mỏng tạo điện cực, loại pin này cho hiệu suất dưới 1 % [3]. Năm 1958,
Mandelkorn tại Signal Corps Laboratories tạo ra pin mặt trời Silicon n-n-p, có khả
năng chống lại bức xạ cao và phù hợp cho các ứng ụng trong vũ trụ [20]. Năm 1972,
Hovel và Woodall đã mô tả pin mặt trời AlGaAs/GaAs với hiệu suất 18 - 20 % [21].
Năm 1997, Sanyo bắt đầu sản xuất hàng loạt pin mặt trời dị thể a-Si:H/c-Si [22]. Cho
đến nay pin mặt trời vẫn đang được tiếp tục phát triển và ứng dụng nhiều trong đời
sống với các vật liệu khác nhau.

Hình 1.1. Sơ đồ thể hiện các thế hệ pin mặt trời

Dựa theo vật liệu, công nghệ và xu hướng thị trường, các thế hệ pin mặt trời
được phát triển như Hình 1.1, bao gồm:

4


Thế hệ thứ nhất: pin mặt trời dạng khối, sử dụng Silic dạng khối. Đây là loại
pin sử dụng phổ biến nhất trên thị trường hiện nay. Trong công nghiệp, pin sử dụng
Silic đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất 20,4 % còn đối với Silic đa tinh thể thì hiệu suất
giảm cịn khoảng 12 - 14 %. Hạn chế của pin mặt trời thế hệ thứ nhất là chi phí vật
liệu cao và quy trình sản xuất phải xử lý nhiệt cao [23], [24].
Thế hệ thứ hai: pin mặt trời màng mỏng, sử dụng ba họ vật liệu chính như:
Silic vơ định hình kết hợp với tinh thể (a-Si/μc-Si), Cadmium-Telluride (CdTe),
Copper - Indium - Gallium - Diselenide (CIGS). Pin mặt trời thế hệ thứ hai có giá

thành thấp hơn so với pin mặt trời thế hệ thứ nhất. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng
của loại pin này lớn hơn 19 %. Mặc dù pin mặt trời thế hệ này có hiệu suất khơng cao
bằng thế hệ thứ nhất, tuy nhiên pin sử dụng vật liệu có hệ số hấp thụ cao nên khả năng
hấp thụ photon của lớp hấp thụ rất tốt. Bên cạnh đó, giá thành rẻ, diện tích bề mặt
lớn, gọn nhẹ và có thể tích hợp nhiều chức năng hơn. Trong thế hệ thứ hai này, pin
mặt trời Silic vơ định hình phát triển nhất do quá trình chế tạo đơn giản (a-Si được
lắng đọng ở nhiệt độ thấp). Khuyết điểm lớn nhất của pin mặt trời Silic vơ định hình
là sự suy giảm chất lượng nhanh chóng sau một thời gian sử dụng [24].
Thế hệ thứ ba: pin mặt trời dạng nano tinh thể, pin quang - điện - hóa, pin mặt
trời có thành phần hữu cơ như pin mặt trời nhuộm, pin mặt trời polymer. Ưu điểm
lớn nhất của pin mặt trời thế hệ này là giá thành rẻ hơn hẳn hai thế hệ trước, việc lắp
đặt và vận chuyển rất dễ dàng, kích thước và hình dạng của hệ rất phong phú và có
thể tùy chỉnh theo nhu cầu sử dụng. Tuy nhiên, hiệu suất thường không cao, chất
lượng suy giảm nhanh và q trình chế tạo có thể gây ơ nhiễm môi trường [24].
Thế hệ thứ tư: pin mặt trời lai vô cơ - hữu cơ, được chế tạo từ vật liệu nano tinh
thể phủ trên nhựa nền. Thế hệ pin mặt trời này cải thiện được hiệu suất so với pin mặt
trời thế hệ thứ ba và thân thiện với môi trường hơn. Pin mặt trời thế hệ thứ tư đang là
hướng nghiên cứu được chú trọng hiện nay ở các nước phát triển [24].
Trong nhiều năm qua, khả năng sản xuất pin mặt trời với nhiều vật liệu khác
nhau đã tăng cao và có chi phí hợp lý hơn. Cho đến nay, vật liệu Silic tinh thể và Silic
vô định hình được sử dụng rộng rãi hơn so với các vật liệu khác trong lĩnh vực quang
điện. Do đó, pin mặt trời Silic vẫn là linh kiện quang điện được chú ý bởi tính phổ
biến của vật liệu và sự phù hợp về chi phí sản xuất. Trong pin mặt trời Silic thì pin
màng mỏng được chú ý hơn, chiếm 10 - 15 % thị trường quang điện [25].
Hiện nay, bên cạnh phát triển pin mặt trời Silic thì pin mặt trời hữu cơ, pin
lượng tử và chấm lượng tử vẫn đang được phát triển thêm [26]. Quá trình nghiên cứu
phát triển pin mặt trời nói riêng và cơng nghệ quang điện nói chung vẫn ổn định trong
5

nhiều thập kỉ qua. Các linh kiện quang điện chủ yếu dựa trên vật liệu bán dẫn, gồm
04 thế hệ khác nhau có hiệu suất chuyển đổi năng lượng tốt nhất từ 1976 đến nay
được ghi nhận trong Hình 1.2. Biểu đồ này được cơng bố bởi phịng thí nghiệm năng
lượng tái tạo quốc gia của Bộ năng lượng Hoa Kỳ. Trong biểu đồ các màu cho thấy
các công nghệ khác nhau. Xu hướng hiện nay chủ yếu nghiên cứu về các pin mặt trời
màng mỏng [27 - 28].

Hình 1.2. Báo cáo hiệu suất các loại pin mặt trời được cập nhật đến năm 2020 [28]

1.2. Các thông số đặc trưng của pin mặt trời
Khi được chiếu sáng, nếu nối bán dẫn p và n của một tiếp xúc p - n bằng dây
dẫn, thì pin mặt trời phát ra một dịng quang điện Jph . Vì vậy trước hết pin mặt trời có
thể xem tương đương như một “nguồn dịng”.
Lớp tiếp xúc bán dẫn p - n có tính chất chỉnh lưu tương đương như một diode,
khi không chiếu sáng vẫn có một sự chênh lệch rất nhỏ về điện tích ở hai đầu pin mặt
trời do có một số lượng nhỏ hạt tải được sinh ra do chuyển động nhiệt, điều này tạo
ra ở mạch ngồi một dịng điện gọi là dòng tối Jd . Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do
điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dịng điện được gọi là dòng rò. Đặc
trưng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc p - n người ta đưa vào đại lượng điện trở Rsh . Khi

6


dịng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện
cực, các tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở Rs
nối tiếp trong mạch (có thể là điện trở trong của pin mặt trời ). Như vậy, một pin mặt
trời được chiếu sáng có sơ đồ tương đương như Hình 1.3a:
Từ sơ đồ tương đương, phương trình đặc trưng dịng - thế của pin mặt trời
được thể hiện như sau [28]:
q(V  RS J  V  RS J


J  J ph  J d  J sh  J ph  J 0 exp
 1 
nkt
Rsh



(a)

Jd

Jph

+
_

Rs

(1)

(b)

J

Jsh

+

Rsh

V

_

Hình 1.3. (a) Sơ đồ tương đương của pin mặt trời; (b) Đặc trưng dòng thế J - V [29]

Thông thường, đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở song song Rsh rất lớn vì
vậy có thể bỏ qua số hạng cuối trong biểu thức (1). Đường đặc trưng mật độ dòng thế (J - V) của pin mặt trời cho bởi biểu thức có dạng như đường cong trong Hình
1.3b. Phép đo mật độ dịng - thế (J - V) dưới điều kiện chiếu sáng là phép đo cơ sở để
đánh giá chất lượng của pin mặt trời. Hiệu suất quang điện của pin mặt trời có thể
được minh họa nhờ đường cong J - V. Có ba điểm quan trọng trên đường đặc trưng
này:
 Mật độ dòng ngắn mạch Jsc
 Thế hở mạch Voc
 Cơng suất cực đại Pmax
1.2.1. Mật đợ dịng ngắn mạch
Mật độ dòng ngắn mạch (mật độ dòng của hạt tải thiểu số bên trong pin mặt
trời) là mức cường độ dịng điện khi pin mặt trời khơng được kết nối với tải (R = 0)
7


và hai cực của pin kết nối trực tiếp với nhau, lúc đó hiệu điện thế mạch ngồi của pin
V = 0. Từ biểu thức (1.1) ta có [30]:
qR J

 RJ
J sc  J ph  J 0 exp s sc  1  s sc
nkt


 Rsh

(2)

Mật độ dòng ngắn mạch Jsc phụ thuộc rất lớn vào số photon được hấp thụ. Ở
điều kiện chiếu sáng bình thường thì điện trở nối tiếp Rs có thể bỏ qua và Jd = 0. Khi
đó: Jsc = Jph = α E. Như vậy ở điều kiện bình thường, mật độ dịng ngắn mạch Jsc của
pin mặt trời tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng.
Ta thấy mật độ dòng tối Jd ngược chiều với dịng ngắn mạch Jsc, do đó ta đưa
vào giá trị mật độ dòng tổng cộng J được xác định theo phương trình (3) [30]:
qV 

J  J sc  J d  J sc  J 0 exp
1
nkt 


(3)

1.2.2. Thế hở mạch
Thế hở mạch Voc của pin được đo trong điều kiện mạch hở, không được kết
nối với tải (điện trở R = ∞), khơng có dịng điện chạy ở mạch ngồi (J = 0) và giả
thiết Rsh rất lớn, ta được biểu thức xác định Voc như sau [29]:
q.V
q.V 



0  J ph  J 0 exp oc  1  J ph  J 0 exp oc   J 0
nkt

nkt 



q.V 

 J ph  J 0  J 0 exp oc 
nkt 


 Voc 

nkt J ph
ln(
 1)
q
J0

(4)

Trong biểu thức ta thấy Voc phụ thuộc vào nhiệt độ một cách trực tiếp (thừa số
T ở trước biểu thức) và gián tiếp qua dòng bão hòa J0 . Trong pin mặt trời, thế hở
mạch Voc bị ảnh hưởng bởi sự tái hợp của các điện tích. Vì vậy, nếu tốc độ tái hợp
cặp điện tử - lỗ trống giảm thì thế hở mạch Voc sẽ có giá trị tốt [29].
1.2.3. Cơng suất cực đại, hiệu suất, hệ số lấp đầy của pin mặt trời
Công suất của pin mặt trời được xác định theo phương trình (5):
P = J.V

(5)

Pin mặt trời có thể hoạt động trong một dải thế V và dải dòng J rộng. Do đó,
J nhận các giá trị từ 0 đến Jsc, V nhận các giá trị từ 0 đến Voc. Bằng cách thay đổi giá
8


Mật đợ dịng (mA/cm2 )

trị của tải ngồi từ điện trở R = 0 (điều kiện ngắn mạch: V = 0; J = Jsc) đến giá trị điện
trở R rất cao (điều kiện hở mạch: J = 0; V = Voc) và tại hai giá trị này ta có P = 0, ta
có thể biểu diễn mối liên hệ giữa mật độ dòng J và điện thế V của pin như Hình 1.4
[28].

Điện thế (V)

Hình 1.4. Đường đặc trưng J - V và giá trị cực đại của pin mặt trời khi được
chiếu sáng

Tại mỗi điểm trên đường đặc trưng J - V cho biết cơng suất có thể thu được
của pin mặt trời, điểm có giá trị điện thế và mật độ dòng đạt cực đại tương ứng Vmax,
Jmax gọi là điểm cơng suất cực đại. Phần diện tích (J.V)max gọi là giá trị cơng suất cực
đại Pmax.
Khi đó, người ta định nghĩa hệ số lấp đầy như là một thước đo cho cơng suất có
thể đạt được của pin mặt trời, xác định bởi tỉ số giữa (J.V)max và Jsc.Voc, kí hiệu là FF
theo biểu thức sau [29]:
FF 

J max .Vmax
J sc .Voc

(6)

(Các thông số quang điện gồm Jsc, Voc và công suất cực đại Pmax được xác định
từ đường đặc trưng J - V).

9


Hệ số lấp đầy FF của pin mặt trời cho biết xu hướng biến đổi của dòng điện.
Hệ số lấp đầy có giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến 1, thông thường nhỏ hơn 1. Giá
trị của hệ số lấp đầy FF nhỏ hơn 1 có nguyên nhân do điện trở nội của pin, sự tái hợp
cặp điện tử - lỗ trống và một số nguyên nhân khác. Giá trị của FF càng lớn thì cơng
suất của pin cung cấp càng lớn.
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời kí hiệu là η được sử dụng để
so sánh trực tiếp giữa công suất điện do pin tạo ra với công suất ánh sáng chiếu tới
pin, được xác định bởi tỉ số giữa công suất cực đại và công suất chiếu xạ. Biểu thức
được mô tả như sau [29]:



J max .Vmax J SC .VOC .FF

Pin
Pin

(7)

Trong đó, Pin là công suất chiếu xạ mặt trời dưới điều kiện cường độ bức xạ
và nhiệt độ nhất định. Thường được tính dưới điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (STC:
Standard Test Condition) là cường độ bức xạ 1 kW/m2 và nhiệt độ 25 0C. Giá trị 
càng lớn thì khả năng chuyển đổi năng lượng của pin càng tốt, giá trị của  là một

trong những tiêu chí quan trọng đánh giá chất lượng của pin mặt trời.
Như vậy, luận văn tập trung nghiên cứu bốn thông số đặc trưng quyết định nên
tính chất hoạt động của pin mặt trời là: mật độ dòng ngắn mạch Jsc, thế hở mạch Voc,
hệ số lấp đầy FF và hiệu suất chuyển đổi η. Để đạt hiệu suất chuyển đổi cao thì thực
hiện tối ưu hóa các thơng số đặc trưng trên và cho đến hiện nay đã có nhiều cơng
trình nghiên cứu q trình tối ưu pin mặt trời [28].
1.3. Giới thiệu sơ lược về pin mặt trời Silic
Từ đầu thế kỷ XX, pin mặt trời Silic liên tục được chú ý là một trong những
linh kiện quan trọng để tận dụng năng lượng mặt trời. Pin mặt trời Silic được chia
thành hai nhóm chính: pin mặt trời Silic tinh thể (pin mặt trời truyền thống) dựa trên
lớp hấp thụ tinh thể c-Si và pin mặt trời Silic màng mỏng. Pin mặt trời dựa trên lớp
hấp thụ c-Si là một trong những nhóm chính được sản xuất bằng Silic đơn tinh thể
và đa tinh thể có tiếp xúc p - n được tạo hình thành khi hai lớp bán dẫn tinh thể tiếp
xúc nhau (Hình 1.5). Hiệu suất của pin mặt trời Silic tinh thể khoảng 16 - 18 % và
15 - 17 % đối với Silic vơ định hình [31]. Ưu điểm của pin mặt trời Silic tinh thể là
độ linh động và thời gian sống của các hạt tải cao hơn so với các pin mặt trời dựa
trên các vật liệu khác, dẫn đến độ bền và tính ổn định cao cho linh kiện. Tuy nhiên,
giảm chi phí sản xuất là thách thức lớn đối với pin mặt trời Silic tinh thể, vì giá thành
của Silic tinh thể cao và quá trình sản xuất mất nhiều năng lượng (~ 800 - 900 0C).
10


Đối với những hạn chế này, pin mặt trời Silic màng mỏng được giới thiệu. So với pin
mặt trời truyền thống thì pin màng mỏng có chi phí và q trình xử lý nhiệt độ thấp
hơn (~ 600 0C). Nhưng hiệu suất thấp (khoảng 6 - 9 %) và không bền là hạn chế chính
của pin mặt trời màng mỏng. Cải thiện hiệu suất và độ bền của pin mặt trời Silic
màng mỏng là một yêu cầu thiết yếu, đó là lý do để tiếp cận pin mặt trời dị thể [28].

Hình 1.5. Biểu đồ cấu trúc vùng năng lượng của tiếp xúc p - n

Pin mặt trời Silic dị thể sử dụng vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm
khác nhau để hình thành chuyển tiếp p - n. So với pin mặt trời truyền thống, pin mặt
trời dị thể kết hợp nhiều lợi thế như: được chế tạo ở nhiệt độ thấp, thế mạch mở Voc
cao và hệ số suy giảm do nhiệt độ thấp nên pin có hiệu suất cao và bền hơn [32].
1.4. Sơ lược về pin mặt trời dị thể vơ định hình/tinh thể Silic
Pin mặt trời dị thể đầu tiên với cấu trúc ITO/a-Si(n-i-p)/a-Si(n)/poly cSi(p)/Al được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1983 bởi Hamakawa, cấu trúc có sự
hình thành chuyển tiếp p - n giống với pin mặt trời Silic truyền thống [7]. Đến năm
1991, Sanyo đưa ra cấu trúc pin dị thể cải tiến hơn với sự xuất hiện lớp bán dẫn thuần
a-Si:H được thêm vào giữa hai lớp c-Si và a-Si, cấu trúc này được gọi tắt là pin mặt
trời dị thể HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer - HIT) [22]. Pin mặt trời dị
thể cơ bản gồm TCO/a-Si:H(p)/a-Si(i)/c-Si(n) như Hình 1.6.
Lớp a-Si có khuyết tật rất nhiều vì vậy bằng cách hydro hóa a-Si, mật độ
khuyết tật giảm đáng kể. Các màng Silic vơ định hình (a-Si:H) có độ dày vài nanomet
có độ rộng vùng cấm lớn hơn so với c-Si và chúng có thể được pha tạp tương đối dễ

11


dàng để tạo thành loại n hoặc loại p. Theo nghiên cứu của Sanyo, các liên kết chưa
bão hòa trên bề mặt c-Si tạo nên số lượng lượng lớn các sai hỏng tại mặt tiếp xúc
[33]. Các sai hỏng này trở thành tâm tái hợp hạt tải, là một trong những nguyên nhân
giảm hiệu suất pin mặt trời. Người ta thêm các lớp a-Si:H(i) có tác dụng thụ động các
liên kết chưa bão hòa tại bề mặt. Độ dẫn điện của màng a-Si:H rất kém và không thể
dùng để thu thập hạt mang điện về các các điện cực. Vì lý do này, một màng oxit dẫn
điện trong suốt (TCO) được phủ lên trên các lớp Silic vơ định hình có tác dụng tạo
điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển hạt mang điện, hình thành tiếp xúc Ohmic
tại TCO/a-Si:H(p) và TCO/a-Si:H(n+) và hoạt động như lớp phủ chống phản xạ
(tương tự SiNx) [33].

Hình 1.6. Sơ đồ các lớp của pin mặt trời cơ bản

Pin mặt trời dị thể ngày càng được hồn thiện và có cấu trúc đối xứng như
Hình 1.7. Trong đó, lớp a-Si:H(i) được lắng đọng lên hai mặt lớp hấp thụ c-Si(n).
Tiếp theo, các lớp Silic vơ định hình a-Si (p và n) lần lượt được lắng đọng làm lớp
emitter (loại p) ở mặt trước và lớp bán dẫn loại n ở mặt sau. Cuối cùng, lắng đọng
lớp oxit dẫn điện trong suốt TCO. Về cơ bản, pin mặt trời dị thể đã tận dụng sự khác
biệt về độ rộng vùng cấm của lớp a-Si:H(p) và lớp bán dẫn mặt sau BSF so với lớp
c-Si tạo ra rào thế để đưa điện tử, lỗ trống di chuyển về điện cực mong muốn.
Theo Hình 1.8, cấu trúc vùng năng lượng của ở điều kiện cân bằng nhiệt giải
thích sự xuất hiện rào thế ở các mặt tiếp xúc p - n. Tại vùng điện tích khơng gian do
tiếp xúc p - n tạo thành đã cho phép một lượng đáng kể hạt tải thiểu số (điện tử trong
12


lớp p và lỗ trống trong lớp n) khuếch tán cùng chiều điện trường về điện cực không
mong muốn. Tuy nhiên, sự chênh lệch năng lượng vùng cấm của lớp a-Si loại p hoặc
n (1,7 eV) và lớp c-Si(n) (1,1 eV) dẫn đến việc hình thành các rào thế tại mặt tiếp
xúc dị thể a-Si:H/c-Si để hạn chế quá trình di chuyển trên [32].

Hình 1.7. Sơ đồ các lớp đối xứng trong pin mặt trời dị thể

Có thể thấy rằng, tại mặt tiếp xúc với lớp a-Si:H(p) rào thế ΔEC ngăn cản
electron di chuyển về điện cực trước và trong khi đó ΔEv cho phép lỗ trống vượt qua
rào thế bằng hiện tượng xuyên hầm và phát xạ nhiệt [32]. Tương tự, tại mặt tiếp xúc
với lớp bán dẫn mặt sau, ΔEc thấp hầu như không ảnh hưởng electron di chuyển và
ΔEv cao chặn các lỗ trống di chuyển về điện cực mặt sau. Đây là một trong những
thuận lợi cho việc thu các điện tử về các điện cực. Bên cạnh đó, lớp a-Si:H góp phần
trong việc hình thành rào thế và hạn chế tái hợp trong quá trình hạt tải di chuyển.
Có thể thấy rằng, tại mặt tiếp xúc giữa c-Si(n) với lớp a-Si:H(p) rào thế ΔEC
ngăn cản điện tử di chuyển về điện cực trước và trong khi đó ΔEv cho phép lỗ trống

vượt qua rào thế bằng hiện tượng xuyên hầm và phát xạ nhiệt [32]. Tương tự, tại mặt
tiếp xúc giữa c-Si(n) và lớp bán dẫn mặt sau, ΔEc thấp hầu như không ảnh hưởng đến
sự di chuyển của điện tử về điện cực phía sau và ΔEv cao chặn các lỗ trống di chuyển
về điện cực mặt sau. Bên cạnh đó, lớp a-Si:H góp phần trong việc hình thành rào thế
và hạn chế tái hợp trong quá trình hạt tải di chuyển [32].

13