Khóa luận tốt nghiệp chế tạo linh kiện pin mặt trời
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.38 MB, 102 trang )
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, chúng con xin chân thành cảm ơn thầy Trần Quang Trung, người đã
vô cùng tận tụy chỉ bảo chúng con trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại bộ
môn Vật Lý Chất Rắn. Thầy đã luôn bên cạnh chúng con đưa ra những lời khuyên vô
cùng quý báu. Kiến thức và kinh nghiệm mà thầy truyền đạt là những “tài sản” vô
cùng quý giá giúp chúng con tự tin bước vào đời. Ngoài ra, niềm say mê hết lòng vì
khoa học luôn là tấm gương sáng cho chúng con noi theo và bước đi trên con đường
khoa học chông gai.
Chúng con chân thành cảm ơn chú Đặng Thành Công, chú là người thầy luôn
bên cạnh giúp chúng con vượt qua những giai đoạn khó khăn nhất trong quá trình làm
khóa luận.
Chúng em xin cảm ơn chị Huỳnh Xuân Nguyễn, người chị luôn bên cạnh và
cho chúng em những lời khuyên quý giá, chỉnh sửa những lỗi nhỏ nhất để chúng em
hoàn thành khóa luận tốt nhất có thể.
Chúng con rất cảm ơn các quý thầy cô tại bộ môn Vật Lý Chất Rắn đã hết lòng
dạy dỗ những kiến thức quan trọng để sau này chúng con vững bước trên đường đời.
Cảm ơn các anh chị tại bộ môn Vật Lý Chất Rắn đã hỗ trợ về cơ sơ vật chất lẫn
tinh thần, hướng dẫn chúng em các bước cơ bản để làm quen với phòng thí nghiệm và
truyền đạt những kinh nghiệm khi chúng em bước đầu bỡ ngỡ.
Con cảm ơn cha và mẹ, gia đình là điểm tựa tinh thần mỗi lúc khó khăn, chia sẽ
những vui buồn trong cuộc sống. Gia đình là nơi bình yên khi tôi trở về.
Cảm ơn các bạn đã chia sẽ những vui buồn và góp ý cho chúng tôi làm tốt hơn
khóa luận của mình.
Chân thành cảm ơn !
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ 5
LỜI MỞ ĐẦU 10
!"#$%&'()'*
*'+,-./012034
4-56-7
4-&.83-9#+)-:;
4-<&=8)3-9)0+-:>
4*-)?.8?µ3-:@
AB%C()-
DE
FGHIGH0)0
@)0&BJ"0JK0500D/EL
*@-M0N,GHONK8GH&,:P
AB%C*
Q!0R0*
@Q9GSA)&E*;
*T53U()4
*B&'GS#./0,034
*T53U()@44
*VE+!()@4L
*
*VE+!#&WXA)Y+)&EY()4L
*Z&=E+!#&W()@4L
*Z&=<+!M&()47
*["YE+!#&WXA)Y+)&EY4;
* \BE"&/GH0]604;
* \&EMD4;
**TEM+,@L^
** 0500"YDYB0+"@L
**-M)R0WY56/+@L
** 500Y5&'+/"@L
PHẦN II: THỰC NGHIỆM 54
II.1.Khảo sát và chế tạo các đơn lớp bán dẫn cơ bản và các điện cực 56
Z_C&/-L7
/MEL7
@`/A"B@L>
@a0J-K0)0<07^
/ME7^
`/A"B7
*a00J-K0)0b<7*
*/ME7*
*`/A"B7L
4&EM5a<77
4/ME7;
4
4`/A"B7;
II.2 Chế tạo linh kiện pin mặt trời cơ bản dựa trên cấu trúc 1 tiếp xúc p-n 69
0c!2;
/ME;
`/A"B;*
0c!20Na0;7
/ME;;
0d0&"D/A;>
*@e5O()"fg;P
*@/ME>^
*@`/A"B>
II.3: Khảo sát sự thay đổi các tính chất và hiệu suất khi thêm một lớp a-SiH vào
cấu trúc pin 86
*@-56h Ui8)+)h)cG c)U)0ic0+.:>7
*"-@V8I:>>
*/ME>>
**!2033P
PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 92
PHỤ LỤC I : CÁC THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠT: 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO 100
L
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình I.1: Sân vận động ở Đài Loan sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện
Hình I.1.1a: mô hình Pin Mặt Trời đầu tiên
Bảng I.1.1b: Các loại Pin Mặt Trời hiện nay
Hình I.1.2: Mô hình cấu tạo Pin Mặt Trời tiếp xúc p-n cơ bản
Hình I.1.3a: Mô hình Pin tím (Violet Cell)
Hình I.1.3b: sơ đồ cấu tạo pin PERL
Hình 1.1.3c: Cấu trúc Pin Mặt Trời vô định hình Silic (a-Si:H) dạng tiếp xúc đơn p-i-n
Hình I.1.4.1a: Cấu trúc mạng tinh thể Silic
Hình I.1.4.1b: Liên kết cộng hóa trị trong nguyêntử Silic
Hình I.1.4.1c: Cấu trúc vùng năng lượng
Hình I.1.4.2a: các dạng biểu diển cho cấu trúc Silic vô định hình
Hình I.1.4.2b: a) Một( nút khuyết trong mạng Silic và (b) Liên kết bất bão hòa (dangling
bond).
Hình I.1.4.2c : Sự xuất hiện “đuôi” trong vùng cấm do mất trật tự xa của (a) a-Si:H và (b)
nc/µc- Si:H.
Hình I.1.4.3: Cấu trúc của nc/μc-Si.
Hình I.2.1.1a: sự phụ thuộc của nồng độ hạt tải thuần n
I
vào độ rộng vùng cấm E
g
và nhiệt độ
Hình I.2.1.1b: mô hình và giản đồ năng lượng của bán dẫn loại n
Hình I.2.1.1c: Mô hình và các mức năng lượng trong bán dẫn loại p
Bảng I.2.1.2: Các loại nguyên tố dùng doping cho đế Silic
Hình I.2.1.2a : Hai dạng pha tạp vào bên trong mạng tinh thể: thay thế (a) và (b) xen kẻ (c)
Hình I.2.1.2b: Sự phụ thuộc của nồng độ pha tạp vào nhiệt độ
7
Hình I.2.1.2c: Sự phụ thuộc của độ sâu khuếch tán vào thời gian lưu nhiệt
Hình I.2.1.3: Hàm mật độ trạng thái các hạt tải
Hình I.2.2.1a: Giản đồ năng lượng của (a) bán dẫn trực tiếp,( b) bán dẫn gián tiếp
Hình I.2.2.1b: hệ số hấp thụ của một số vật liệu
Hình I.2.2.1c: nồng độ hạt tải thay đổi khi có photon chiếu vào.
Hình I.2.2.1d: Photon chiếu qua bán dẫn có bề dày dx
Hình I.2.2.2a: Giản đồ vùng năng lượng khi bán dẫn ở trạng thái cân bằng
Hình I.2.2.2b: Trường hợp chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng.
Hình I.2.2.2c : Trường hợp hóa năng không chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng
Hình I.2.3.1: Các vùng sinh hạt tải trong Pin Mặt Trời.(chấm đen là electron, chấm trắng là lỗ
trống)
Hình I.2.3.2: Đặc trưng I-V của Pin Mặt Trời
Hình I.3.1.2: Xác định công suất cực đại của Pin
Bảng I.3.2.2: Công thoát một số điện cực thường dùng
Hình I.3.2.2a: trước và sau khi tiếp xúc kim loại và bán dẫn loại N
Hình I.3.2.2b: trước và sau khi tiếp xúc kim loại và bán dẫn loại P
Hình I.3.2.2c: Tạo tiếp xúc Ohmic bằng cách pha tạp đậm
Hình I.3.2.2d: Đặc trưng I-V của tiếp xúc Ohmic và Schottky
Hình I.3.3.1: Sự hao hụt năng lượng phổ chiếu sáng của mặt trởi chiếu xuống Trái Đất
Hình I.3.3.2a: Sử dụng hệ thấu kính hội tụ làm tăng hiệu suất Pin
Hình I.3.3b: bề mặt chống phản xạ dang kim tự tháp và một dạng Pin có bề mặt chống phản
xạ
Hình I.3.3c: Ánh sáng truyền qua Pin màng mỏng bi phản xạ trở lai
Hình II.1.1.1a: Máy siêu âm Jac Ultrasonic 1050 Jinwoo
;
Hình II.1.1.1b:lò sấy SPT 200
Hình II.1.1.1c: Hệ điều nhiệt bằng điện trở.
Bảng II.1.1.2a: bề mặt của mẫu Si sau khi rửa
Bảng II.1.1.2b: bề mặt của mẫu Si sau khi rửa và ăn mòn bề mặt
Hình II.1.1.2c: bề mặt của mẫu Si sau khi rửa và ăn mòn bề mặt
Hình II.1.2.1a: hệ thống hút chân không
Hình II.1.2.1b buồng nung mẫu
Hình II.1.2.1c hút chân không cho buồng
Hình II.1.2.1d: nung mẫu bằng lò Elektro Usarmar – RK42
Hình II.1.3.1a Hệ bốc bay chân không.
Hình II.1.3.1b:Buồng chân không của hệ bốc bay.
Hình II.1.4: Tạo tiếp xúc Ohmic bằng hiệu ứng xuyên hầm lượng tử.
Hình II.1.4.1: Các dạng mask
Hình II.1.4.2a:điện cực nhôm song song
Hình II.2a Các thành phần cơ bản của Pin Mặt Trời
Hình II.2b: Cấu trúc bề mặt
Hình II.2c: Cấu trúc phân lớp
Hình II.2.1a Sơ đồ khối các bước thực hiện pin p-n loại 1
Hình II.2.1b a) mẫu trước khi ăn mòn b )mẫu sau khi ăn mòn
Hình II.2.1.2a: Mẫu Al n+(P800N)-p-Al
Hình II.2.1.2b:Mẫu Al-n+(P800N)-p-p+(Al800N)-Al
>
Hình II.2.1.2c: Mẫu Al(200)-n+(P900CK)-p-p+(Al800N)-Al(200)
Hình II.2.1.2d: Mẫu Al(200)-n+(P900CK)-p-p+(Al800KK)-Al(200)
Hình II.2.1.2e: Mẫu Al(200)-n+(P900CK)-p-p+(Al800KK)-Al(200)
HìnhII.2.2.1: Etching bằng phương pháp thả nổi
Hình II.2.2.2a: Mẫu0,52mm Al(200)n+(P900CK)pp+(Al 500N
Hình II.2.2.2b: Mẫu0,38mm Al(200)n+(P900CK)pp+(Al 500N
Hình II.2.2.2c: Mẫu0,18mm Al(200)n+(P900CK)pp+(Al 500N)
Hình II.2.3.1: quá trình tạo ZnO bằng phương pháp sol-gen
Hình II.2.3.2a: phổ truyền qua của màng ZnO:Al bằng phương pháp sol-gen.
Hình II.2.3.2b: ảnh chụp SEM lớp ZnO
Hình II.2.3.2c: So sánh hai mẫu trước và sau khi phủ ZnO
Hình II.2.3.2d: Quá trình tái hấp thụ
Hình II.3.1a: Các quá trình chính trong PECVD.
Hình II.3.1b: Hệ PECVD bộ môn VLCR.
Hình II.3.2.2b: Phổ Raman của màng có R=5 và các đỉnh “fit” Gauses
Hình i.1.1: Máy Stylus profiler Veeco Detak 6M.
Hình i.2.1: Hệ đo Hall: (a) thân máy, (b) nam châm vĩnh cửu tạo từ trường, (c) bộ giữ mẫu.
Hình i.2.2: hình minh họa cách đo mẫu trong máy hall
Hình i.3.1: Máy đo hồng ngoại.
Hình i.3.2: Máy UV-Vis Jasco V530
Hình i.4.1: Hệ đo đặc trưng I-V pin mặt trời.
P
Hình i.4.2: cách mắc mạch đo đặc trưng I-V.
Hình i.5.1: Máy SEM JMS-6480LV. I-V.
^
LỜI MỞ ĐẦU
Năng lượng là một nhu cầu thiết yếu của con người để tồn tại và phát triển.
Trong đó, dạng năng lượng được sử dụng phổ biến nhất là điện năng vì chúng có thể
phục vụ cho hầu hết mọi lĩnh vực trong đời sống. Những nguồn điện phổ biến hiện nay
là thủy điện, điện hạt nhân, nhiệt điện… Nhưng nhìn chung những nguồn cung cấp
điện này không đáp ứng được yêu cầu của con người về lâu dài, đặc biệt là do những
hậu quả mà chúng để lại cho môi trường. Do đó con người phải tìm một nguồn năng
lượng mới để thay thế trong tương lai. Sử dụng năng lượng mặt trời là một giải pháp
hứa hẹn nếu chúng ta có thể khai thác một cách hiệu quả. Vì đây là một nguồn năng
lượng sạch và gần như vô tận. Từ khi pin mặt trời ra đời lần đầu tiên vào giữa thập
niên chín mươi đã mở ra một hướng mới cho việc sử dụng năng lượng mặt trời. Tuy
nhiên, cho đến nay Pin Mặt Trời vẫn chưa được sử dụng phổ biến do giá thành cao và
hiệu suất còn thấp. Các nhà khoa học và nhà sản xuất trên thế giới đã và đang không
ngừng tìm kiếm những giải pháp để nâng cao hiệu suất và giảm giá thành của Pin Mặt
Trời.
Riêng ở nước ta, tình trạng thiếu điện thường xuyên đã gây ra không ít thiệt hại cho
nền kinh tế và ảnh hưởng đến đời sống, sinh hoạt của người dân. Điều này đòi hỏi phải
có thêm nguồn năng lượng mới bổ sung vào những nguồn năng lượng hiện có.
Từ những lý do trên cùng với sự định hướng và dẫn dắt của Thầy hướng dẫn, trong đề
tài này chúng tôi thực hiện bước đầu tìm hiểu lý thuyết và tiến hành chế tạo Pin Mặt
Trời có cấu trúc cơ bản p-n và Pin Mặt Trời có cấu trúc p-i-n dựa trên đế Silic đơn tinh
thể loại p. Nhằm phục vụ cho việc chế tạo pin, chúng tôi cũng tiến hành chế tạo và
nghiên cứu một số tính chất của các đơn lớp n+ và p+ dựa trên phương pháp nhiệt
khuếch tán. Ngoài ra chúng tôi còn khảo sát thêm một số đặc trưng của các lớp điện
cực và lớp chống phản xạ bề mặt.
PHẦN I :GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI
I.1.Tìm hiểu về Pin Mặt Trời – các loại Pin Mặt Trời cơ bản
Các nguồn năng lượng trong tự nhiên ngày càng cạn kiệt. Cái thời của than, dầu
mỏ, khí đốt đang dần trôi qua (mặc dù có hơi chậm chạp). Đồng thời, việc sử dụng các
nguồn năng lượng này đã gây ra những tổn hại to lớn cho môi trường sống trên Trái
Đất. Vì vậy, việc tìm kiếm một nguồn năng lượng sạch đã trở thành nghiên cứu mũi
nhọn ở nhiều quốc gia, đặc biệt ở các nước phát triển. Nhiều nhà khoa học cho rằng
năng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng vô tận quý giá mà chúng ta cần chế ngự để
phục vụ cho con người cả về nhiệt năng lẫn điện năng.
Về mặt điện năng, ở nước ta hiện
nay, thủy điện đã gần như không đủ sức
phục vụ cho hơn 86 triệu người dân Việt
Nam. Giải pháp ở đây là gì? Giải pháp ở
đây không phải là tình trạng cắt điện
thường xuyên mà chúng ta cần nghĩ tới một
nguồn năng lượng bổ sung. Trên thế giới,
đã có rất nhiều nước sử dụng các nguồn
năng lượng điện khác như: năng lượng hạt
nhân, năng lượng mặt trời, năng lượng gió… Trong đó, năng lượng mặt trời được xem
là một giải pháp cho nguồn năng lượng sạch và vô tận. Hình I.1 mô tả một dạng sân
vận động kiểu mới ở Cao Hùng (Đài Loan), có khoảng 8.844 tấm pin mặt trời sẽ sản
xuất 1,14 triệu kWh điện mỗi năm (đủ để thắp sáng 3.300 bóng đèn và hai màn hình
tivi khổng lồ trong sân vận động). Lượng điện thừa sẽ được bán cho người dân trong
những ngày nóng nực của mùa hè. Nếu sử dụng than đá để sản xuất điện, sân vận động
Hình I.1: Sân vận động ở Đài Loan sử dụng
năng lượng mặt trời để sản xuất điện
này sẽ thải vào không khí 660 tấn khí CO
2
mỗi năm. Do vậy, việc chế tạo Pin Mặt Trời
nhằm tạo ra một nguồn năng lượng sạch và tiết kiệm chi phí sản xuất điện là nhu cầu
vô cùng cần thiết của con người.
I.1.1. Tìm hiểu chung về Pin Mặt Trời
Pin Mặt Trời là một thiết bị có thể chuyển đổi từ năng lượng quang sang năng
lượng điện gồm hai bước chính: hấp thụ quang và tách hạt tải tạo dòng quang điện.
Pin Mặt Trời có một lịch sử khá lâu đời, năm 1839 nhà vật lý người Pháp
Antoine-César Becquerel đã đánh dấu cho sự phát triển của công nghệ Pin Mặt Trời.
Khi ông quan sát hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect) thí nghiệm với một điện
cực rắn trong dung dịch điện phân, ông nhận ra rằng, điện thế tăng lên khi ánh sáng
chiếu vào điện cực. Đến năm 1883, Charles Fritts đã chế tạo Pin Mặt Trời đầu tiên
bằng cách mạ vàng lên selenium (chất bán dẫn). Năm 1941 Russell Ohl chế tạo Pin
Mặt Trời Silic đầu tiên với hiệu suất 1%. Năm 1954, ba nhà nghiên cứu người Mỹ
Gerald Pearson, Calvin Fuller và Daryl Chapin, đã thiết kế thành công Pin Mặt Trời
Silic với hiệu suất đạt 6%. Đây là Pin Mặt Trời dạng bảng đầu tiên. Phòng thí nghiệm
Bell đã công bố chế tạo đầu tiên Pin Năng Lượng Mặt Trời Mới và đầu tư vào các dịch
vụ công cộng của Bell Solar Battery bắt đầu với hệ thống nhà cung cấp điện thoại vào
ngày 4 tháng 10 năm 1955 [4]. Từ đó, Pin Mặt Trời được tập trung nghiên cứu và phát
triển rộng khắp, đặc biệt là ở các nước Mỹ, Nhật, Úc. Năm 1985 trường đại học
Unversity of New South Wales chế tạo Pin Mặt Trời hiệu suất đạt 20% và đến năm
1999 đạt hiệu suất 24,7%.
Hình I.1.1a: Mô hình Pin Mặt Trời đầu tiên
*
Cho đến nay, có rất nhiều dạng Pin Mặt Trời được chế tạo thành công bao gồm:
Pin Mặt Trời hữu cơ, Pin Mặt Trời vô cơ, Pin Mặt Trời cảm ứng chất màu (Bảng
I.1.1b).
I.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một Pin Mặt Trời cơ bản
Pin mặt trời Silic tiếp xúc p–n (có cấu tạo tương tự như một điốt) là cấu trúc Pin
Mặt Trời cơ bản nhất. Hình I.1.2 là sơ đồ cấu tạo Pin Mặt Trời bán dẫn Silic đơn tinh
thể hệ tiếp xúc p–n. Trong đó bán dẫn Silic loại n được chế tạo bằng cách khuếch tán
vào đơn tinh thể Silic những nguyên tố hóa trị V như Photpho, Antinium, Arsenic…
Bán dẫn Silic loại p được chế tạo bằng cách khuếch tán vào đơn tinh thể Silic những
nguyên tố hóa trị III như: Bo, Al…Trong phần sau, chúng tôi sẽ trình bày rõ hơn về
bán dẫn loại p, loại n cũng như quá trình chế tạo bán dẫn Silic loại p và loại n.
Bảng I.1.1b: Các loại Pin Mặt Trời hiện nay
4
Nguyên lý hoạt động cơ bản của Pin Mặt Trời chính là quá trình chuyển hóa
quang năng thành điện năng. Khi ánh sáng mặt trời bức xạ vào Pin, bán dẫn loại p và
loại n chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích gọi là quá trình hấp thụ
photon. Khi đó các electron và lỗ trống sinh ra tách về hai vùng của chuyển tiếp p-n và
được chuyển ra tải ngoài gọi là quá trình tách hạt tải tạo dòng quang điện. Hai quá
trình này sẽ được trình bày kỹ hơn trong phần sau.
I.1.3. Một số loại Pin Mặt Trời Silic tiếp xúc p-n
Nhằm mục đích giảm giá thành, tăng hiệu suất chuyển hóa của Pin nên ngoài
việc chế tạo nguyên liệu nền tốt, người ta còn sử dụng các công nghệ mới cho ra đời
nhiều loại Pin có cấu tạo khác nhau. Dưới đây là một vài loại Pin tiêu biểu:
Pin Tím (The Violet-Cell)
Một dạng Pin theo hình thức mối nối p-n với đế nền Silic do Lindmayer và
Allison đưa ra năm 1973. Đặc tính của Pin: V
OC
= 0,59 V, I
SC
= 40mA/cm
2
, hệ số lấp
đầy FF = 0,78, hiệu suất η= 13,5% đối với phổ AM0 (1353W/m
2
) [9].
Hình I.1.2: Mô hình cấu tạo Pin Mặt Trời tiếp xúc p-n cơ bản
L
Pin PERL (Passivated Emitter Rear Locally Diffused)
Đến năm 1980 với sự phát triển của vi điện tử, công nghệ màng mỏng đã nâng
hiệu suất chuyển hóa lên cao. Năm 1991, Pin PERL ra đời và đạt được hiệu suất cao:
V
OC
= 710mV, I
SC
= 41mA/cm
2
, hệ số lấp đầy FF= 0,83, hiệu suất chuyển đổi η=24%
[9].
Pin Mặt Trời vô định hình Silic (a-Si):
Một dạng cấu trúc Pin Mặt Trời vô định hình đơn lớp a-Si:H được mô tả trong hình
I.1.3c. Loại Pin này có ba lớp có ý nghĩa quan trọng là: lớp vô định hình loại P (a-P),
lớp bán dẫn thuần vô định hình (a-Si:H) và lớp vô định hình loại N (a-N) hình thành
dạng tiếp xúc p-i-n. Lớp pha tạp thường rất mỏng: lớp loại p dày khoảng 10nm, lớp
loại n khoảng 20nm [7].
Hình I.1.3b: sơ đồ cấu tạo pin PERL
Hình I.1.3a: Mô hình Pin tím (Violet Cell)
7
Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu về Pin Mặt Trời Silic với cấu trúc p-n cơ
bản và cấu trúc Pin p-i-n ứng dụng chế tạo Pin màng mỏng. Cụ thể hơn là nghiên cứu
quá trình pha tạp đậm loại p và loại n lên đế Silic. Trước khi đi sâu vào những phần
chính (quá trình pha tạp Si, nguyên lý hoạt động cũng như những yếu tố ảnh hưởng
đến hiệu suất của Pin Mặt Trời), chúng tôi sẽ giới thiệu về các loại Silic để tiện cho
việc nghiên cứu sau này.
I.1.4. Sơ lược về các loại Silic
Silic là nguyên tố nhiều thứ hai sau Oxy trên trái đất. Đây là cũng là một nguồn
tài nguyên phong phú, chiếm gần 30 % của vỏ địa cầu dưới dạng Silica (SiO
2
), và
là một hợp chất chính trong cát. Chúng ta có thể tổng hợp Si từ SiO
2
và nhiều nguồn
khác bằng các phương pháp khác nhau. Silic được sử dụng trong Pin Mặt Trời là các
đế Silic đơn tinh thể và màng Si:H nano/micro tinh thể hoặc vô định hình. Silic vô
định hình và Silic nano/micro tinh thể có thể được tạo ra dễ dàng hơn so với Silic đơn
tinh thể bằng phương pháp như PECVD, HWCVD… Đây cũng là nguyên nhân làm
giảm giá thành sản phẩm khi ứng dụng a-Si:H và µc Si:H làm Pin Mặt Trời.
Hình 1.1.3c: Cấu trúc Pin Mặt Trời vô định hình
Silic (a-Si:H) dạng tiếp xúc đơn p-i-n
;
I.1.4.1. Silic đơn tinh thể (c-Si, crystal Silicon)
Tinh thể Silic có cấu trúc mạng kim cương (lập phương tâm mặt), tinh thể có
màu sáng sẫm ánh kim. Mặc dù là một nguyên tố tương đối trơ, Silic vẫn có phản ứng
với các halogen và các chất kiềm loãng và không tác dụng với hầu hết axit (trừ tổ hợp
axit nitric và axit flodidric). Tinh thể Silic nguyên chất hiếm tìm thấy trong tự nhiên,
thông thường nó nằm trong dạng Silic dioxit (SiO
2
).
Một số thông số quan trọng của Silic đơn tinh thể: có 4 electron ở ngoài cùng,
điểm nóng chảy: 1687 K, độ rộng vùng cấm: 1,1 eV và ái lực điện tử = 4,05 eV ở nhiệt
độ phòng.
Hình I.1.4.1a: Cấu trúc mạng tinh thể
Silic
>
Silic được sản xuất công nghiệp bằng cách nung nóng Silica siêu sạch trong lò
luyện bằng hồ quang với các điện cực cacbon. Ở nhiệt độ trên 1900 °C, cacbon khử
Silica thành Silic theo phản ứng:
SiO
2
+ C → Si + CO
2
Silic lỏng được thu hồi ở đáy lò, sau đó nó được tháo ra và làm nguội. Silic sản xuất
theo công nghệ này gọi là Silic loại luyện kim và nó đạt trên 99% tinh khiết [3].
Phương pháp Czochralski thông thường được sử dụng để sản xuất các tinh thể
silic đơn có độ tinh khiết cao để sử dụng trong các thiết bị bán dẫn bằng silic ở trạng
thái rắn.
I.1.4.2.Silic vô định hình ( a-Si, amophous Silicon)
Silic vô định hình là một dạng không có cấu trúc tinh thể của Silic. Ta biết
trong tinh thể Silic thì cứ mỗi nguyên tử Si sẽ liên kết với 4 nguyên tử xung quanh để
tạo thành một cấu trúc mạng tuần hoàn. Trong Silic vô định hình cũng tương tự như
vậy, tuy nhiên do thiếu trật tự xa (do góc liên kết bị lệch so với góc 109,5
0
của tứ diện)
nên Silic vô định hình không là mạng tuần hoàn mà nó chỉ là “mạng ngẫu nhiên liên
tục” CRN (Continuous Random Network) (hình I.1.4.2a).
Hình I.1.4.1b: Liên kết cộng hóa
trị trong nguyêntử Silic
Hình I.1.4.1c: Cấu trúc
vùng năng lượng
P
CRN có thể chứa các khuyết tật, trong đó có một loại gọi là khuyết tật “phối
trí”. Khuyết tật này tạo thành là do nguyên tử có quá ít hoặc nhiều liên kết. Trong a-Si
thường thì các nguyên tử Si không có đủ liên kết để tạo thành lớp ngoài cùng là sp
3
và
đây có thể xem là sai hỏng chủ yếu trong Silic vô định hình có ba số phối trí. Các sai
hỏng này tạo nên các liên kết bất bão hòa (dangling bonds). a-Si thường có mật độ các
liên kết bất bão hòa cao (cứ 500 nguyên tử sẽ cho một liên kết bất bão hòa) (hình
I.1.4.2b) [3].
Mật độ sai hỏng cao trong vật liệu vô định hình làm cản trở hiện tượng quang
dẫn và sự pha tạp. Tuy nhiên Hydro nguyên tử có thể thụ động hóa các sai hỏng bằng
Hình I.1.4.2a: các dạng biểu diển cho cấu trúc Silic vô định hình
Hình I.1.4.2b: a) Một( nút khuyết trong mạng Silic
và (b) Liên kết bất bão hòa (dangling bond).
^
cách kết hợp với các liên kết bất bão hòa này và làm cho mật độ liên kết bất bão hòa
giảm đáng kể (Hydro khoảng 10at. % sẽ làm giảm mật độ liên kết bất bão hòa xuống
4-5 lần), điều này xảy ra tương tự với nc/µc tinh thể. Trong Pin Mặt Trời có sử dụng
vật liệu Si:H, một lớp Si:H thuần với mật độ khuyết tật thấp thường được xen giữa lớp
p và n nhằm làm giảm mật độ sai hỏng tại lớp tiếp giáp. Do có cấu trúc trật tự gần, nên
trong cấu trúc vùng năng lượng của a-Silic vẫn có các vùng năng lượng: vùng dẫn,
vùng hóa trị và vùng cấm. Tuy nhiên, do thiếu trật tự xa nên dẫn đến sự mở rộng của
hàm mật độ trạng thái. Kết quả là “đuôi vùng” của các trạng thái năng lượng định xứ
mở rộng vào trong vùng cấm. Hình I.1.4.2c(a) cho thấy sự hình thành đuôi vùng trong
a-Si và nc/µc- Si, các liên kết bất bão hòa tạo thành các trạng thái sai hỏng sâu trong
vùng cấm [3].
Hình I.1.4.2c : Sự xuất hiện “đuôi” trong vùng cấm do mất trật tự xa của (a) a-Si:H
và (b) nc/
µ
c- Si:H.
Tính chất quang học của a-Si có vai trò rất quan trọng trong chế tạo Pin Mặt
Trời. Do không có cấu trúc trật tự xa nên vectơ sóng
k
coi như được bảo toàn trong
chuyển mức điện tử. Vì vậy, a-Si thuộc loại bán dẫn chuyển mức trực tiếp. Hệ số hấp
thụ của a-Si trong vùng ánh sáng khả kiến lớn hơn rất nhiều so với Si đơn tinh thể.
Vấn đề này sẽ được mô tả rõ nét trong phần I.2.2.1.
I.1.4.3. Silic nano/ micro tinh thể (nc/ µ c-Si):
Silic nano/ micro tinh thể là một dạng có trật tự gần tương tự như a-Si. Tuy
nhiên pha nc/µc-Si có dạng những hạt tinh thể Silic rất nhỏ, các tinh thể nhỏ này kết tụ
thành dạng những cột có kích thước khoảng 50nm – 200nm (Hình I.1.4.3) .Giữa
những cột nhỏ này là pha vô định hình, khoảng trống và biên hạt. Silic nano tinh thể
còn được gọi là Silic micro tinh thể (µc-Si), điều này tùy thuộc vào kích thước của hạt
(2-5nm,10 à 80% tinh thể: nc-Si; 10-20nm, 10 à 100% tinh thể: µc-Si).
Trong màng mỏng Si thì nc-Si là vùng chuyển tiếp giữa a-Si và µc-Si. So với a-
Si thì nc/µc-Si có nhiều điểm vượt trội hơn, độ linh động của electron trong nc/µc-Si
cao hơn vì nó có cấu trúc tinh thể. Bên cạnh đó nc/µc-Si còn tăng khả năng hấp thụ
Hình I.1.4.3: Cấu trúc của nc/μc-Si.
ánh sáng đỏ và trong vùng hồng ngoại, điều này rất thuận lợi để áp dụng nc/µc-Si cho
Pin Mặt Trời. Một lợi điểm nữa cũng khá quan trọng của nc/µc-Si là nó bền hơn so với
a-Si vì nồng độ Hydro trong nc/µc-Si thấp hơn. Sự chuyển pha giữa a-Si và nc/µc-Si
phụ thuộc nhiều vào các điều kiện lắng đọng và loại đế đem phủ. Thực ra cho đến nay
những lý thuyết về a-Si và nc/µc-Si vẫn chưa được hiểu biết một cách rõ ràng [3].
I.2.Các quá trình vật lý chính của Pin Mặt Trời Silic
I.2.1. Các khái niệm cơ bản
Để nắm rõ được hoạt động chính của
một Pin Mặt Trời dạng nối p-n cơ bản ta cần
phải nắm được các khái niệm về bán dẫn thuần,
bán dẫn pha tạp, các cơ chế dẫn điện và hàm
phân bố hạt tải trong bán dẫn.
I.2.1.1. Bán dẫn thuần – bán dẫn pha tạp
Bán dẫn thuần
Trong các bán dẫn thuần, các electron và
lỗ trống tạo ra chỉ do sự đứt gãy các liên kết. Vì
vậy, nồng độ các electron n
I
bằng nồng độ các
lỗ trống p
I
. Các nồng độ đó gọi là nồng độ phần
tử tải thuần trong bán dẫn. Nồng độ phần tử tải
thuần là một hàm của năng lượng dao động
mạng tinh thể (với một bán dẫn cho trước n
I
tăng rất nhanh theo nhiệt độ). Nồng độ hạt tải thuần cũng là hàm của độ rộng vùng
cấm E
g
(ở cùng một nhiệt độ cho trước n
I
giảm rất nhanh khi độ rộng vùng cấm tăng
Hình I.2.1.1a: sự phụ thuộc của nồng
độ hạt tải thuần n
I
vào độ rộng vùng
cấm E
g
và nhiệt độ T
*
lên). Hình I.2.1.1a cho ta thấy sự phụ thuộc của nồng độ hạt tải thuần theo nhiệt độ và
độ rộng vùng cấm của vật liệu [6].
Phương trình liên hệ giữa nồng độ hạt tải thuần n
I
với độ rộng vùng cấm E
g
và
nhiệt độ T:
( ) ( ) ( )
. .exp
2
g
i c v
B
E
n N T N T
k T
T
−
=
÷
Bán dẫn pha tạp loại n
Bán dẫn thuần có thể chuyển sang bán dẫn loại n khi ta đưa các tạp chất nhóm
V vào đơn tinh thể (Si) với nồng độ cao hơn n
I
nhiều lần . Hình I.2.1.1b minh họa tạp
chất Phôtpho (có năm electron hóa trị) được pha tạp vào Silic (có 4 electron hóa trị).
Một electron thừa ra của nguyên tử Phôtpho không thể sắp xếp vào mạng tinh thể Silic
nên dễ dàng bức ra. Năng lượng ion hóa của Phôtpho trong Silic vào khoảng 0,05 eV,
mà trong điều kiện nhiệt độ phòng dao động mạng cũng đủ để cung cấp một năng
lượng như vậy. Do đó, gây ra hiện tượng ion hóa toàn bộ, tức là các electron dôi ra
không liên kết với mạng Silic đều bị ion hóa tạo ra một lượng electron dẫn. Trong điều
kiện ion hóa toàn bộ, nồng độ electron dẫn n bằng nồng độ tạp chất donor N
D
(donor là
tạp chất cho: cung cấp electron cho vùng dẫn của tinh thể Silic). Các ion donor được
ký hiệu bằng các điện tích dương nằm ở mức năng lượng thấp hơn đáy vùng dẫn một ít
[6].
Hình I.2.1.1b: mô hình và giản đồ năng lượng của bán dẫn loại n
4
Trong bán dẫn loại n: N
D
> N
A
(N
A
: nồng độ tạp chất Aceptor)
Phần tử tải điện cơ bản : n
n
=N
D
- N
A
Phần tử tải điện không cơ bản :
2
i
n
D A
n
p
N N
=
−
Bán dẫn pha tạp loại p
Bán dẫn thuần có thể chuyển thành bán dẫn loại p khi ta cho các tạp chất nhóm
III pha vào mạng tinh thể Silic với nồng độ cao hơn rất nhiều lần n
I
. Do tạp chất nhóm
III có ít hơn một electron hóa trị nên khi gắn vào mạng tinh thể Silic vẫn còn thiếu một
liên kết và ta xem như nó mang một lỗ trống. Lỗ trống này có năng lượng ion hóa xấp
xỉ bằng 0,05 eV nên tách ra khá dễ dàng. Khi xuất hiện ion hóa toàn bộ, nồng độ các lỗ
trống p bằng nồng độ tạp chất aceptor N
A
(aceptor là tạp chất nhận : nhận electron từ
vùng hóa trị của tinh thể Silic tức là cho vùng hóa trị lỗ trống). Các ion aceptor được
ký hiệu bằng các ion âm nằm ở mức năng lượng lớn hơn năng lượng ở đỉnh vùng hóa
trị một ít (hình I.2.1.1c) [6].
Trong bán dẫn loại p : N
A
> N
D
Phần tử tải điện cơ bản : p
p
= N
A
- N
D
Hình I.2.1.1c: Mô hình và các mức năng lượng trong bán dẫn loại p
L
Phần tử tải điện không cơ bản :
2
i
p
A D
n
n
N N
=
−
I.2.1.2: Pha tạp đậm n+ và p+ bằng phương pháp khuếch tán nhiệt
Trong việc chế tạo Pin Mặt Trời, các lớp p+ và n+ đóng vai trò rất quan trọng
trong việc làm tăng năng suất của Pin, vì vậy việc pha tạp tạo các lớp p+ và n+ cần
phải được quan tâm đặc biệt, trong đó pha tạp bằng phương pháp khuếch tán nhiệt là
một phương pháp rất cơ bản nhưng cũng rất hữu hiệu.
Pha tạp (doping) là quá đưa các phân tử tạp chất (dopant) khác loại vào trong 1
mạng tinh thể đồng nhất. Các dopant thường có nhiều hơn một electron hóa trị so với
nguyên tử trong tinh thể nếu pha tạp n và nhỏ hơn một electron hóa trị nếu pha tạp p.
Lưu ý rằng doping là một phương pháp pha tạp sau khi tinh thể đã được hình thành. Vì
vậy, các phương pháp tạo lớp n+ hoặc p+ trong quá trình nuôi tinh thể hoặc tạo màng
vật liệu đều không được xem là dopping.
Giới thiệu về phương pháp khuếch tán nhiệt
Hiện nay, doping bằng phương pháp nhiệt khuếch tán vẫn là phương pháp phổ
biến. Đây là phương pháp điều khiển một dòng khí các hạt dopants đến bề mặt chất
bán dẫn để các dopants khuếch tán sâu vào bên trong chất bán dẫn. Các thông số có
thể điều khiển được gồm có: Nhiệt độ tại bề mặt bán dẫn (với Si: thang nhiệt độ
doping chủ yếu từ 800-1200
0
C, còn GaAs thì 600-800
0
C), vận tốc dòng khí, nồng độ
dòng khí (số dopants trên một đơn vị diện tích bề mặt bán dẫn)
Đối với đế Silic, hai loại dopant tốt nhất dùng để doping loại p và loại n tương
ứng là Boron và Phốtpho. Các phân tử dopants có thể được tạo ra bằng nhiều cách
khác nhau: từ nguồn rắn (BN, As
2
O
3
và P
2
O
5
), nguồn lỏng ( BBr
3
,AsCl
3
,POCl
3
) hoặc
nguồn khí (B
3
H
3
,AsH
3
, PH
3
). Với mỗi loại nguồn ta sẽ có những cách thiết kế hệ khác
