Nghiên cứu và chế tạo màng chống phản xạ bằng vật liệu Si3Nx SiOx dùng cho pin năng lượng mặt trời

iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ii
LỜI CẢM ƠN iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii
MỞ ĐẦU 1
Chương 1 Tổng quan pin mặt trời đơn tinh thể 2
1.1 Pin mặt trời một tiếp xúc p-n 2
1.2 Cấu trúc vật liệu tạo tế bào quang điện một lớp tiếp xúc p-n 4
1.2.1 Cấu trúc mạng và cấu trúc vùng năng lượng 4
1.2.2 Sự hấp thụ photon 4
1.2.3 Vật liệu bán dẫn c-Si loại i, n và p 6
1.2.4 Sự thất thoát hạt tải do tái hợp 9
1.2.5 Tiếp xúc p-n 10
1.3 Nguyên lý họat động 14
1.3.1 Dòng quang điện 14
1.3.1 Đặc tuyến J-V 16
Chương 2 Vật lý lắng đọng hơi hóa học plasma tăng cường 19
2.1 Tổng quan về plasma 19
2.2 Phóng điện phát quang không cân bằng 20
2.3 Cấu trúc buồng plasma sử dụng 21
2.4 Mô hình phản ứng của các chất sử dụng tạo màng 21
Chương 3 Tính toán quang học 24
3.1 Tổng quan về sóng ánh sáng 24
3.1.1 Sóng điện từ tự do 24
3.1.2 Hiện tượng phân cực 26
3.1.3 Cường độ ánh sáng phân cực 27
3.1.4 Phổ bức xạ mặt trời 28

3.2 Xây dựng ma trận truyền cho hệ quang học 30
3.2.1 Hệ số phản xạ và truyền qua 30
3.2.2 Công thức Fresnel 31
3.2.3 Tương tác của sóng phẳng với môi trường 33
3.2.4 Sự phản xạ của sóng phân cực thẳng 35
3.2.5 Tính toán với hệ màng đa lớp 37
Chương 4 Màng đơn lớp oxit silic 43
4.1 Thực nghiệm màng oxit silic 43
4.1.1 Thiết bị sử dụng 43
v

4.1.2 Chiết suất màng phụ thuộc các điều kiện plasma 43
4.2 Tối ưu hóa chống phản xạ 48
4.2.1 Tính toán 48
4.2.2 So sánh phương pháp 49
4.2.3 Tính toán tối ưu 53
Chương 5 Màng hai lớp chống phản xạ cho pin mặt trời 59
5.1 Lựa chọn chiết suất và tính toán tối ưu 59
5.1.1 Tính toán tối ưu 59
5.1.2 Số liệu thực nghiệm 62
5.2 Đánh giá và so sánh 62
5.2.1 Đánh giá 62
5.2.2 Sự dịch chuyển đáy phổ 63
5.2.3 So sánh độ phản xạ tính toán các loại màng 65
Kết luận và hướng phát triển 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO 68
PHỤ LỤC 73

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
PECVD plasma enhance chemical vapour deposition, lắng đọng hơi hóa học
plasma tăng cường
ARC anti reflection coating, màng chống phản xạ
AM 1.5 Air mass 1.5, phổ mật độ năng lượng mặt trời xiên góc qua bề dày khí
quyển gấp 1,5 lần so với phương thẳng đứng.
c-Si mono crystal silicon, silic cấu trúc đơn tinh thể


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 : Năng lượng liên kết trong lắng đọng SiO
x
N
y
:H [14] 22
Bảng 2: Bề dày và tốc độ phủ màng SiO
x
khi nhiệt độ đế 300
0
C, áp suất buồng 1000mTorr, công
suất RF 20W, thời gian phủ 5 phút 44
Bảng 3: Bề dày và tốc độ phủ màng SiO
x
ở điều kiện nhiệt độ đế 300
0

C, công suất RF 20W, tỉ lệ
N
2
O/SiH
4
là 35, thời gian phủ 5 phút 46
Bảng 4: Báo cáo màng chống phản xạ hai lớp 62
Bảng 5: Qui ước kí hiệu bề dày màng so sánh 65




viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1-1: Mật độ năng lượng bức xạ mặt trời trung bình trong ngày tại Việt Nam[11] 2
Hình 1-2: Cấu trúc tế bào quang điện (solar cell) một tiếp xúc p-n 3
Hình 1-3: (a) Cấu trúc mạng lập phương tâm mặt của Si, hằng số mạng
0
0,543a nm
, ba vector
cơ sở
1 2 3
,,a a a
mô tả ô nguyên thủy.(b) Cấu trúc vùng dẫn bán dẫn c-Si [9] 4
Hình 1-4: Hệ số hấp thụ và chiều dài hấp thụ của bán dẫn c-Si[13] 6
Hình 1-5: Nồng độ hạt tải, mật độ trạng thái, hàm phân bố Fermi-Dirac ở trạng thái cân bằng.a)
Bán dẫn thuần i.b) Bán dẫn loại n.c) Bán dẫn loại p. 1) Các mức năng lượng, 2) Mật độ trạng thái,
3) Phân bố Fermi-Dirac, 4) Mật độ hạt tải ở các vùng năng lượng. 8

Hình 1-6: Các cơ chế tái hợp.a) vùng-vùng. b) Auger. c) do khuyết tật[10] 9
Hình 1-7: Tiếp xúc p-n trạng thái cân bằng nhiệt[1] 11
Hình 1-8: Biểu đồ vùng năng lượng của tiếp xúc p-n cân bằng nhiệt [1] 12
Hình 1-9: Biểu đồ vùng năng lượng a) thiên áp ngược, b) thiên áp thuận [1] 13
Hình 1-10: Dòng hạt tải trong tế bào quang điện ở điều kiện a) Chiếu sáng hở mạch, b) Chiếu
sáng ngắn mạch[13] 14
Hình 1-11: Sự thu hạt tải cho dòng quang điện [10] 15
Hình 1-12: Giá trị tính toán xác suất thu hạt tải phụ thuộc a) độ dài khuyếch tán b)tốc độ tái hợp
bề mặt,
p
L
là độ dài khuyếch tán hạt thiểu số, S là tốc độ tái hợp hạt tải tại bề mặt[13]. 16
Hình 1-13: Đặc tuyến J-V của tế bào quang điện lý tưởng 17
Hình 1-14: Xác định công suất cực đại 18
Hình 2-1: Mô hình lắng đọng hơi hóa học của buồng điện cực song song[19] 19
Hình 2-2: Oxford instrument – Plasmalab80plus 21
Hình 2-3: Mô hình lắng đọng tạo màng 22
Hình 3-1: Mô tả toán học của sóng vô hướng dao động điều hòa tuần hoàn theo thời gian và
không gian (Code 1 và Code 2) 24
Hình 3-2: Sóng điện từ tự do. 25
Hình 3-3 : Hai cách mô tả toán học của sóng phẳng đều phù hợp với dạng thực của nó. 26
Hình 3-4: Sóng phân cực được coi là sự chồng chập của hai sóng phân cực có phương phân cực
vuông góc với nhau
00xy
EE
. Tương ứng với các độ lệch pha giữa hai thành phần ta có sóng
phân cực khác nhau[9]. 27
Hình 3-5: Phổ mật độ năng lượng bức xạ từ mặt trời [7] 29
Hình 3-6 : Sóng tương tác với bề mặt [17] 30
Hình 3-7: Sóng ánh sáng tương tác với mặt tiếp giáp 31

Hình 3-8: Khi phần ảo của chiết suất khác không, sóng tắt dần khi đi vào môi trường có sự hấp
thụ 34
Hình 3-9: Sự phản xạ sóng phân cực TM và TE với góc tới khác nhau từ không khí vào kính. 35
Hình 3-10: Sự phản xạ sóng phân cực TM và TE tương ứng với góc tới khác nhau đi từ kính ra
không khí. Có xuất hiện hiện tượng phản xạ toàn phần với cả hai sóng. 36
Hình 3-11: Môi trường khúc xạ có sự hấp thụ 37
Hình 3-12: Qui ước về kí hiệu sử dụng tính toán 38
ix

Hình 3-13 : Hình trên mô tả sóng theo chiều âm (backward ) và chiều dương (forward ) tại mặt
tiếp giáp (interface) va sau khi qua quãng đường d (Chú ý rằng, sóng là số phức).(a) : Xây dựng
ma trận truyền qua mặt tiếp giáp. (b) : Xây dựng ma trận truyền qua bề dày 39
Hình 3-14: Tính toán độ lệch pha hai sóng tại hai bề mặt mặt tiếp giáp cùng tọa độ z 41
Hình 4-1: Các mẫu được phủ được khảo sát điều kiện tỉ lệ khí tiền chất chênh lệch khá lớn 44
Hình 4-2: Chiết suất thay đổi theo tỉ lệ khí N2O:SiH4 trong điều kiện nhiệt độ đế 300
0
C, áp suất
buồng 1000mTorr, công suất RF 20W 45
Hình 4-3: Khi tăng tỉ lệ khí tiền chất N2O:SiH4 thì chiết suất có xu hướng giảm, trong điều kiện
nhiệt độ đế 300
0
C, áp suất buồng 1000mTorr, công suất RF 20W 45
Hình 4-4: Tốc độ phủ thay đổi theo điều kiện áp suất buồng 46
Hình 4-5: Chiết suất màng SiOx thay đổi theo điều kiện áp suất buồng 47
Hình 4-6: Chiết suất có xu hướng giảm khi áp suất buồng tăng 47
Hình 4-7: Sóng tới xiên góc phản xạ và truyền nhiều lần tại các mặt tiếp giáp màng đơn lớp 49
Hình 4-8: Xét sự phản xạ lại một lần tại một bề dày màng. Tìm độ lệch pha hai sóng phản xạ đầu
tiên tại mặt tiếp giáp với môi trường tới của màng và biểu diễn qua thành phần pha tương ứng bề
dày. 50
Hình 4-9: Phổ hệ số phản xạ và phổ phản xạ màng SiN – PECVD đế c-Si tại bề dày ¼ sóng

600nm là 75.5 nm với phổ bức xạ chiếu tới Globaltilt được tính cho trường hợp chiếu vuông góc.
Đồ thị “He so R” được tính theo phương pháp số, “Type Crys” lấy theo công thức [10] 53
Hình 4-10: Phổ hệ số phản xạ và phổ phản xạ màng SiN – Pecvd đế c-Si tại bề dày ¼ sóng 500nm
54
Hình 4-11: So sánh phổ Reflection % mẫu SiO2pres12 tại bề dày 343,92nm 55
Hình 4-12: Kết quả tính toán hệ số phản xạ là hàm của bề dày và bước sóng. 56
Hình 4-13: Hệ số phản xạ lấy theo toàn bộ bước sóng tương ứng với bề dày xác định màng chống
phản xạ SiNx, số photon phản xạ cực tiểu là 9% ứng với bề dày 80nm ứng với phổ AM 1.5 Global
57
Hình 4-14: Sự phản xạ của các bước sóng và tối ưu bề dày màng SiO2 cho việc chống phản xạ . 58
Hình 4-15: Sự phản xạ của các bước sóng và tối ưu ARC bề dày màng SiO2 58
Hình 5-1: Chiết suất vật liệu sử dụng tạo màng chống phản xạ 59
Hình 5-2: Tỉ lệ photon phản xạ lại với phổ chiếu tới AM 1.5 Global theo các bề dày khác nhau.
(d1 là bề dầy lớp SiOx, d2 là bề dầy lớp SiNx) 60
Hình 5-3: Bề dày tối ưu là d_SiO: 84 nm, d_SiN: 64 nm, tỉ lệ số photon phản xạ lại 6.95% 61
Hình 5-4: Phổ phản xạ tính toán ứng với Bề dày tối ưu là d_SiO: 84 nm, d_SiN: 64 nm 61
Hình 5-5 : Phổ hệ số phản xạ R%. Khi chú ý tới chiết suất của c-Si là phức thì đường tính toán có
khác đi. R% = 8.23 62
Hình 5-6: Phổ hệ số phản xạ R%. Khi chú ý tới chiết suất của c-Si là phức thì đường tính toán có
khác đi. R% = 8.38 63
Hình 5-7: Sự dịch chuyển của đáy phổ hệ số phản xạ R 64
Hình 5-8: Dịch chuyển đáy phổ hệ số phản xạ R về vị trí bước sóng 600nm 64
Hình 5-9: Trường hợp chiếu vuông góc. Hệ số phản xạ ứng với các bề dày khác nhau của hai
màng khi đã xét tới sự hấp thụ của Silicon. Không có sự khác biệt nhiều với các bản ¼ sóng kết
hợp với bề dày tối ưu trường hợp một màng 65


1

MỞ ĐẦU

Trong các thành phần cấu tạo nên tế bào quang điện (pin mặt trời), màng chống phản
xạ phủ trên bề mặt của tế bào quang điện đóng vai trò hạn chế sự phản xạ lại của ánh
sáng tới. Do đó, ánh sáng phản xạ lại từ bề mặt về phía tiếp xúc p-n (chuyển tiếp p-n
(xem 1.2.5)) được tăng cường. Dẫn đến, tế bào quang điện có thể sản sinh dòng quang
điện lớn hơn, hay hiệu suất chuyển hoán năng lượng lớn hơn (xem 1.3.1 và 1.3.2)
Màng chống phản xạ sử dụng vật liệu SiNx và SiOx được chế tạo từ máy PECVD
PlasmaLab 80plus tạo thành hai lớp màng phủ bên trên đế Silic đơn tinh thể. Khi ta
phủ màng SiOx chiết suất thấp hơn màng SiNx phía bên trên thì ta đã có sự tăng
cường phản xạ lại từ bề mặt đi về phía tiếp xúc p-n. Đặc biệt khi góc tới (góc hợp với
phương pháp tuyến của bề mặt) đủ lớn thì ta có hiện tượng phản xạ toàn phần, sự
chống phản xạ lại môi trường tới (không khí) xảy ra tốt nhất ( mục 3.2.4), ánh sáng
phản xạ lại từ bề mặt về phía tiếp xúc p-n được tăng cường là điều mà ta mong muốn.
Tuy nhiên, ta không thể cứ mãi quay bề mặt của tế bào quang điện khi ánh sáng thay
đổi phương tới. Mặt khác ánh sáng tới là ánh sáng tự nhiên, trong đề tài ta coi nó là sự
kết hợp của hai sóng phân cực s và p (xem 3.1 và 3.1.4 ,3.2.2), khi góc tới của tia sáng
từ không khí càng lớn thì góc khúc xạ và phản xạ tại các mặt tiếp giáp (Hình 4-7) càng
lớn mà ta cần quan tâm năng lượng ánh sáng phản xạ lại từ bề mặt tới tiếp xúc p-n
(xem công thức (3.7), (3.8),(3.14),(3.20)). Do đó, hệ số phản xạ (công thức (3.20)) là
giá trị cần quan tâm cực tiểu hóa, và giá trị của nó nhỏ nhất ứng với trường hợp phản
xạ lại từ môi trường chiết suất cao tới chiết suất thấp ứng với góc tới bằng không. Như
thế, trường hợp chiếu vuông góc được chọn để khảo sát tính toán tìm thông số phù hợp
cho màng chống phản xạ. Tương ứng với các điều kiện Plasma khác nhau thì ta nhận
được màng có chiết suất khác nhau, và được trình bày ở mục 4.1. Nhận thấy sự phản
xạ của màng đơn lớp, và trong trường hợp của đề tài là hai lớp là thay đổi phức tạp khi
chiết suất và bề dày thay đổi. Nếu ta sử dụng hai chiết suất cố định tương ứng với hai
màng, bề dày từng mẫu ta có thể kiểm soát từ quá trình phủ màng như sự trình bày ở
phần thực nghiệm mục 4.1 thì số bước thực nghiệm có thể lên tới 10000 phép thử nếu
mỗi bề dày màng khảo sát chênh lệch nhau 10nm và bề dày lớn nhất là 1000nm. Như
vậy việc tính toán dự đoán sự phản xạ để tìm thông số tối ưu về bề dày và chiết suất
định hướng thực nghiệm là cần thiết. Do phổ mật độ năng lượng (mục 3.1.4) có giá trị

năng lượng tới của các bước sóng khác nhau là khác nhau, nên đại lượng cần cực tiểu
hóa chính là hệ số phản xạ tổng hợp được trình bày ở mục 4.2 Trong quá trình thực
hiện, nhận thấy chiết suất màng là đại lượng ảnh hưởng quan trọng tới giá trị cực tiểu
phản xạ. Sự truyền qua và phản xạ trong tính toán ứng với mô hình màng phẳng tuyệt
đối (do trong tính toán coi bề dày như nhau tại mọi điểm), màng là môi trường đồng
nhất và đẳng hướng, sóng ánh sáng là sóng phân cực thẳng phân cực s và phân cực p.
Yếu tố quan trọng trong phương pháp tính toán là hệ số phản xạ biên độ Fresnel, từ đó
ta có hệ số phản xạ tương ứng ứng với năng lượng phản xạ lại.
2

Chương 1
Tổng quan pin mặt trời đơn tinh thể
1.1 Pin mặt trời một tiếp xúc p-n
Năng lượng bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng sạch và có thể coi là vô tận. Hiện
nay có nhiều phương pháp sử dụng năng lượng này cho các ứng dụng như một nguồn
nhiệt năng và nguồn điện năng. Về mặt điện năng, nguồn năng lượng này là giải pháp
khả thi cho bổ sung cho nhu cầu điện năng phục vụ gia đình , chiếu sáng công cộng,
vùng sâu xa hải đảo vốn hiện được sản xuất chủ đạo từ năng lượng hóa thạch và thủy
điện đang gần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường. Việt Nam là một trong những quốc
giá có vị trí địa lý phù hợp để phát triển nguồn năng lượng này với thời gian chiếu
sáng 1800-2100 giờ một năm ở các tỉnh phía Bắc và 2000-2600 giờ với các tỉnh phía
Nam [11]. Số liệu mật độ năng lượng mặt trời chiếu tới các địa phương từ khu vực
phía Bắc tới Nam như Hình 1-1

Hình 1-1: Mật độ năng lượng bức xạ mặt trời trung bình trong ngày tại Việt Nam[11]
Năng lượng ánh sáng mặt trời có thể chuyển hóa trực tiếp thành điện năng bởi pin
mặt trời. Thành phần quan trọng trên một tấm pin mặt trời là tế bào quang điện (solar
cell). Có nhiều loại tế bào quang điện, có thể được tạo từ đế (wafer) Silicon đơn tinh
thể hoặc đa tinh thể hoặc pin mặt trời màng mỏng ( sử dụng silic vô định hình, CdTe,
GaAs, CIS), và pin mặt trời silicon ribbons[12]. Pin mặt trời được tạo từ đế silicon là

phổ biến nhất do độ bền của vật liệu bán dẫn này, và cũng là vật liệu được sử dụng
nhiều trong công nghiệp điện tử nên tạo nguồn cung cấp có tính kinh tế. Trong các loại
đế silic, đế tế bào quang điện silic đơn tinh thể được sử dụng khá phổ biến, đế này
được cắt từ thanh silic tạo từ phương pháp mọc Czochralski (Cz) hoặc Floatzone (Fz)
và được pha tạp trong quá trình mọc mầm để tạo thành đế loại n hoặc loại p.Khi chất
3.5
4.3
5.2
5.8
6.4
5.9
6.5
5.7
5.2
4.2
3.1
2.5
5.1
6.3
6.6
5.7
5
4.9
5.1
5
4.8
4.5
4.3
4.6
2

2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
Mật độ năng lượng (kWh/m
2
/ngày)
Hà Nội
Đà Nẵng
TP. Hồ Chí Minh
3

pha tạp là Boron thì tạo ra vật liệu đế bán dẫn loại p. Từ loại đế này, người ta có thể
tạo thành tế bào quang điện bằng nhiều cách khác nhau. Trong số đó là tế bào quang
điện có một lớp tiếp xúc giữa hai bán dẫn loại p và bán dẫn loại n có cùng một cấu trúc
tinh thể. Cấu trúc một tế bào quang điện một lớp tiếp xúc p-n tiêu biểu được mô tả như
Hình 1-2

Hình 1-2: Cấu trúc tế bào quang điện (solar cell) một tiếp xúc p-n
Để tạo thành tế bào quang điện từ loại đế này, ta có các bước cơ bản sau đây : (1)
làm sạch bề mặt bằng hóa chất (như HR, acetone), (2) khắc ăn mòn bề mặt (texture)
trong dung dịch KOH để tạo các kim tự tháp giảm phản xạ, (3) khuyếch tán Photpho
nhiệt độ cao lên mặt trên của đế để hình thành tiếp xúc p-n, tiếp xúc này đóng vai trò
quan trọng trong việc thu các hạt tải dư khi tế bào hấp thụ photon để tạo ra dòng điện,

(4) phủ lớp chống phản xạ (ARC) . Khi đó ta có được tế bào quang điện một lớp tiếp
xúc p-n,(5) để sử dụng ta phủ tiếp xúc kim loại lên mặt trước (thường là bạc Ag) và
mặt sau (thường là nhôm Al) của tế bào quang điện để nối với các tế bào quang điện
khách tạo thành tấm pin mặt trời rồi nối với tải tiêu thụ.
Để có một tế bào quang điện, thì một lớp tiếp xúc p-n đã có thể đóng vai trò là một
tế bào quang điện. Nhưng để có được nhiều hạt tải dư nhận được từ sự hấp thụ photon
ánh sáng hay nâng cao hiệu suất chuyển hoán của tế bào quang điện, người ta đưa ra
nhiều cấu trúc pin khác nhau đều dựa trên sự cấu thành của các tiếp xúc p-n và sự hạn
chế thất thoát hạt tải do điện trở, do sự tái hợp hạt tải ở bề mặt cũng như trong thế tích
của tế bào quang điện, và do sự thất thoát quang học. Mục đích của luận văn
“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ BẰNG VẬT LIỆU SiNx
SiOx DÙNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” là sử dụng hai vật liệu silic
nitrit (silicon nitride) và oxit silic (silicon dioxide) chế tạo bằng phương pháp phủ hơi
hóa học tăng cường plasma (PECVD) với bề dày tối ưu chống phản xạ để giảm sự thất
thoát quang học dẫn đến nâng cao hiệu suất chuyển hoán tổng hợp của pin.
4

1.2 Cấu trúc vật liệu tạo tế bào quang điện một lớp tiếp xúc p-n
1.2.1 Cấu trúc mạng và cấu trúc vùng năng lượng
Silic là chất bán dẫn nguyên tố thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn Mendeleev, là
nguyên tố phổ biến thứ hai sau Oxi, khi các nguyên tử silic liên kết với nhau tạo thành

Hình 1-3: (a) Cấu trúc mạng lập phương tâm mặt của Si, hằng số mạng
0
0,543a nm
, ba
vector cơ sở
1 2 3
,,a a a
mô tả ô nguyên thủy.(b) Cấu trúc vùng dẫn bán dẫn c-Si [9]

mạng tinh thể có kiểu cấu trúc mạng kim cương với ô cơ sở dạng lập phương tâm
mặt. Silic đơn tinh thể (c-Si) có ứng suất Young 133-188 GPa, độ dẫn nhiệt
11
149 . .W m K

nên bền về mặt cơ học. Khi các nguyên tử silic sắp xếp lại với nhau
thành mạng tinh thể thì các mức năng lượng gián đoạn khã dĩ của các electron của
chúng xen phủ với nhau tạo thành các vùng năng lượng khã dĩ của các electron trong
mạng tinh thể. Trong không gian năng lượng – vector sóng electron E-k, cấu trúc vùng
năng lượng của vật liệu khối bán dẫn c-Si là cấu trúc vùng cấm xiên, vị trí tương ứng
cùng vector sóng
k
đáy vùng dẫn
c
E
và đỉnh vùng hóa trị
V
E
là khác nhau như Hình
1-3b. Vùng dẫn và vùng hóa trị tách biệt nhau phân cách bởi vùng cấm không có trạng
thái năng lượng khã dĩ cũa electron chiếm chỗ , với giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ
42
4,73.10
1,17
636
g
T
E eV
T







, ở nhiệt độ 300K bề rộng vùng cấm silic vào khoảng
1,12eV[2].
1.2.2 Sự hấp thụ photon
1.2.2.1 Sự chuyển mức
Sự hấp thụ photon ánh sáng có nhiều cơ chế hấp thụ khác nhau . Ta quan tâm tới
sự hấp thụ photon liên quan tới sự chuyển mức năng lượng của electron giữa các vùng
năng lượng cho phép, do bởi sự hấp thụ này liên quan tới sự hình thành hạt tải dư [10]
5

[2], là các hạt tải cần thiết khi tế bào quang điện hoạt động. Sự hấp thụ này được gọi là
hấp thụ cơ bản, tuận theo qui tắc chọn lọc là thỏa mãn định luật bảo toàn năng lượng
và định luật bảo toàn động lượng . Với bán dẫn silic, sự chuyển mức của electron từ
vùng hóa trị lên vùng dẫn liên quan tới ba hạt : electron, photon và phonon. Vector
sóng tương ứng với thành phần động lượng
k
của electron. Khác vật liệu có cấu trúc
vùng dẫn thẳng, khi hấp thụ photon với năng lượng
photon g
E


thì sự dịch chuyển
mức năng lượng của electron lên vùng dẫn có cùng giá trị vector sóng, không có sự
thay đổi về động lượng, vật liệu bán dẫn vùng cấm xiên, sự dịch duyển từ đỉnh vùng
hóa trị

V
E
lên mức năng lượng đáy vùng dẫn
c
E
kèm theo dao động mạng (phonon)
tương ứng với sự phát sinh hay hấp thụ phonon có năng lượng
phonon

và vector sóng
phonon
k
. Sự dịch chuyển được mô tả như Hình 1-3b, đầu tiên electron sẽ dịch chuyển
thẳng lên mức giả bền có cùng vị trí vector sóng, sau đó là sự phát sinh hay hấp thụ
phonon kèm theo để electron tiến tới đáy vùng dẫn.
Định luật bảo toàn động lượng trong trường hợp chuyển mức xiên có dạng :
'
e e photon phonon
k k k k

  
(1.1)
Vector sóng của điện tử thay đổi rất nhiều xấp xỉ với kích thước vùng Brillouin cỡ
71
10 cm

, trong khi vectro sóng của photon có giá trị nhỏ cỡ
41
10 cm


nên có thể bỏ qua
phần động lượng photon ở ta có :
'
e e phonon
k k k

  
. Dấu cộng ứng với dịch
chuyển kèm theo sự phát sinh phonon, dấu trừ ứng với sự hấp thụ phonon khi một
photon bị hấp thụ. Định luật bảo toàn năng lượng trường hợp chuyển mức xiên có
dạng:
'k k photon phonon
EE

  
(1.2)
Xác suất chuyển mức xiên thường nhỏ hơn so với chuyển mức thẳng. Do đó, ở bán
dẫn vùng cấm xiên, khi electron nhảy lên vùng dẫn thì xác suất chuyển mức của nó
nhỏ hơn so với bán dẫn vùng cấm thẳng hay thời gian tồn tại ở vùng dẫn của chúng sẽ
lâu hơn.
1.2.2.2 Hệ số hấp thụ
Năng lượng của photon ánh sáng tới tương ứng với bước sóng trong chân không
0


và tần số của sóng

của nó là
0
photon

hc
Eh



, h là hằng số Plank. Theo mục 1.2.2.1,
sự hấp thụ photon khi tương tác với bán dẫn là khác nhau với bước sóng khác nhau.
Với các photon có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm
g
E
thì xác suất hấp thụ cao
hơn so với các photon có năng lượng nhỏ hơn hay lân cận giá trị
g
E
. Với chùm ánh
sáng tới có cường độ
2
0
( . )I W cm

, do sự hấp thụ photon của chùm sáng, cường độ ánh
sáng sẽ giảm dần theo độ sâu x kể từ bề mặt của bán dẫn. Do đó cường độ ánh sáng
đơn sắc tần số

theo độ sâu x giảm theo qui luật hàm mũ là :
0
()
x
I x I e






(1.3)
6

Hệ số

là hệ số hấp thụ photon của vật liệu. Với bán dẫn Si thì hệ số hấp thụ
photon tương ứng với các bước sóng (trong chân không) khác nhau được trình bày ở
Hình 1-4. Nhận thấy, với các photon có năng lượng nhỏ hơn độ rộng vùng cấm
1,24
g
E eV
hay có bước sóng chân không
3
0
1.24
10 1103( )
()
g
nm
E eV


thì sự hấp thụ
nhỏ hơn rất nhiều so với các photon có năng lượng lớn hơn
g
E

.

Hình 1-4: Hệ số hấp thụ và chiều dài hấp thụ của bán dẫn c-Si[13]
Do bởi sự hấp thụ photon ánh sáng với bước sóng (chân không) của vật liệu là khác
nhau nên quãng đường mà chùm ánh sáng với các bước sóng đó đi được trong vật liệu
là khác nhau. Người ta quan tâm tới quãng đường mà cường độ sáng giảm đi 36% độ
lớn hay còn 1/e so với cường độ sáng ban đầu, quãng đường đó được gọi là chiều dài
hấp thụ được xác định bởi
1/ ( )cm

. Chiều dài hấp thụ của Silic được trình bày ở Hình
1-4, các bước sóng càng ngắn thì càng dễ bị hấp thụ ở khoảng cách gần với bề mặt
hơn, với bước sóng 1000nm thì chiều dài hấp thụ của nó là
140 m

, cho nên người ta
thường chọn các đế Silic có bề dày trên
200 m

[10]. Với các bước sóng dài thì hệ số
hấp thụ quá bé và liên quan tới các cơ chế hấp thụ khác nên không có tính kinh tế khi
xét với bề dày quá lớn.
1.2.3 Vật liệu bán dẫn c-Si loại i, n và p
Ta xét bán dẫn ở trạng thái cân bằng hay cân bằng nhiệt là không có lực ngoài như
do điện trường, từ trường, nguồn nhiệt tác dụng lên chất bán dẫn. Khi một electron
nhận năng lượng nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, thì nó sẽ để lại một trạng thái
trống ở vùng hóa trị tương đương một điện tích dương +e. Khi nhiệt độ T > 0K, các
electron ở vùng hóa trị có thể nhảy vào trạng thái trống đó và tạo ra vị trí trống mới.
Sự chuyển động này tương đương với điện tích dương +e chuyển động trong vùng hóa
1E-07

1E-05
1E-03
1E-01
1E+01
1E+03
1E+05
1E+07
1E-08
1E-07
1E-06
1E-05
1E-04
1E-03
1E-02
1E-01
1E+00
1E+01
1E+02
1E+03
1E+04
1E+05
1E+06
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
Chiều dài hấp thụ (cm)
Hệ số hấp thụ (/cm)
Bước sóng (nm)
Hệ số hấp thụ
Độ dài hấp thụ
7

trị. Ta gọi điện tích này là lỗ trống. Trong chất bán dẫn, có hai loại hạt tải điện là
electron và lỗ trống. Vì dòng điện trong chất bán dẫn được xác định bằng dòng điện tử
trong vùng dẫn và dòng lỗ trống trong vùng hóa trị. Do đó, mật độ các phần tử mang
điện này ở trạng thái cân bằng là đặc trưng quan trọng của bán dẫn và giá trị của nó có
liên quan tới hàm phân bố Fermi-Dirac là:
1
()
1 exp( )
F
F
fE
EE
kT



(1.4)
Với k là hằng số Boltzmann, tại T=300K thì
0,0259kT eV
,
F
E
là năng lượng
Fermi, không phải là mức năng lượng cho phép mà có ý nghĩa xác định phân bố thống
kê của điện tử (xem Hình 1-5:3). Các mức năng lượng
F
EE
được ưu tiên chiếm giữ
trước. Tại T=0K, tất cả các trạng thái năng lượng
F

EE
bị chiếm giữ, xác suất chiếm
các trạng thái năng lượng
F
EE
là bằng một, trạng thái năng lượng
F
EE
là bằng
không. Với T >0K, xác suất chiếm trạng thái
F
EE
là ½ , trạng thái năng lượng
F
EE
là khác không và nhỏ hơn xác xuất chiếm trạng thái
F
E
.Nồng độ hạt tải có
năng lượng E ở trạng thái cân bằng tích xác xuất chiếm trạng thái năng lượng E và mật
độ trạng trái lượng tử E ở các vùng. Xác suất chiếm trạng thái năng lượng E của
electron tuân theo hàm
()
F
fE
, lỗ trống theo hàm
 
1 ( )
F
fE

. Với mô hình hạt tự do
trong giếng thế, mật độ trạng thái lượng tử trong vùng dẫn được xác định :
 
*
3
4
()
n
Cc
m
N E E E
h



(trạng thái/cm
3
). Mật độ trạng thái lượng tử trong vùng hóa
trị :
 
*
3
4
()
p
VV
m
N E E E
h




(trạng thái/cm
3
). Với h là hằng số Plank,
*
n
m
và
*
p
m
là
khối lượng hiệu dụng của điện tử và lỗ trống trong tinh thể (xem Hình 1-5:2). Lấy tích
phân theo tất cả các mức năng lượng tương ứng trong các vùng ta có nồng độ hạt tải
electron
0
n
vùng dẫn và lỗ trống
0
p
ở vùng hóa trị. Chất bán dẫn tinh khiết là không có
pha tạp tạp chất hay khuyết tật trong mạng tinh thể, còn gọi là bán dẫn thuần (bán dẫn
nội), ký hiệu là i. Nồng độ điện tử và lỗ trống ở bán dẫn nội là bằng nhau và được xác
định bởi :
 
1/2
1/2
00
exp exp

g
CV
i C V C V
E
EE
n p n N N N N
kT kT

  



   









(1.5)
với
3/2
*
2
2
2
n

C
m kT
N
h





là mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn,ở T= 300K thì
19 3
2,5.10
C
N cm


,
3/2
*
2
2
2
p
V
m kT
N
h







là mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng hóa
8

trị, ở T= 300K thì
19 3
10
V
N cm


. Mức Fermi nội
Fi
E
nằm ở chính giữa vùng dẫn (giả
thiết
**
pn
mm
) (xem Hình 1-5a3&4).

Hình 1-5: Nồng độ hạt tải, mật độ trạng thái, hàm phân bố Fermi-Dirac ở trạng thái cân
bằng.a) Bán dẫn thuần i.b) Bán dẫn loại n.c) Bán dẫn loại p. 1) Các mức năng lượng, 2) Mật
độ trạng thái, 3) Phân bố Fermi-Dirac, 4) Mật độ hạt tải ở các vùng năng lượng.
Khi ta pha tạp tạp chất hóa trị 5 như photpho với nồng độ tạp chất cho
D
N
ở mức

năng lượng
D
E
(xem Hình 1-5b1&2) vào silic ta được bán dẫn loại n có nồng độ
00
np
( hạt tải đa số là điện tử, hạt tải thiểu số là lỗ trống ). Nếu pha tạp tạp chất có
hóa trị 4 như Bo với nồng độ tạp chất nhận
A
N
ở mức năng lượng
A
E
(xem Hình
1-5c1&2) vào silic ta được bán dẫn loại p có nồng độ
00
np
(hạt tải đa số là lỗ trống,
hạt tải thiểu số là điện tử). Khi đó nồng độ hạt tải không còn cân bằng, mức năng
lượng Fermi dịch chuyển khi nồng độ pha tạp thay đổi (Hình 1-5:3&4)
Nồng độ điện tử cân bằng nhiệt :
 
max
0
( ) ( ) exp exp
C
E
cF
F Fi
C F C i

E
EE
EE
n N E f E dE N n
kT kT




  





(1.6)
Nồng độ lỗ trống cân bằng nhiệt:

9

 
   
0
( ) 1 ( ) exp exp
V
E
F V F Fi
V F V i
E E E E
p N E f E dE N n

kT kT

   
   
   
   
   

(1.7)

Trong chế tạo tế bào quang điện sử dụng đế c-Si loại p, để tạo tiếp xúc p-n, ta pha
tạp Photpho lên mặt trên của đế để có bán dẫn loại n như ở Hình 1-2, tức cả hai loại
chất cho và nhận (electron) vào cùng cấu trúc tinh thể. Đây chính là bán dẫn bù loại n
có
DA
NN
, nồng độ chất cho hiệu dụng khi đó là
DA
NN
[1]. Ở nhiệt độ phòng, đa số
các mức cho nhận này là bị ion hóa hoàn toàn nên điều kiện trung hòa điện tích là
00AD
n N p N  
. Hạt tải thiểu số khi đó được xác định
2
0
0
i
n
p

n

, nồng độ điện tử là :

2
2
0
22
D A D A
i
N N N N
nn


  


(1.8)
Với sự pha tạp
 
D A i
N N n
thì
 
0 DA
n N N
, công thức này có thể áp dụng với
trường hợp
0
A

N 
. Tương tự, nồng độ lỗ trống bán dẫn bù loại p ở nhiệt độ phòng
cũng có thể được xác định:
2
2
0
22
A D A D
i
N N N N
pn


  


(1.9)
Với sự pha tạp
 
A D i
N N n
thì
 
0 AD
p N N
,
2
0
0
i

n
n
p

, công thức này có thể áp
dụng với trường hợp
0
D
N 
.
1.2.4 Sự thất thoát hạt tải do tái hợp
Hạt tải dư xuất hiện do nguồn kích thích bên ngoài như photon ánh sáng hay mất
cân bằng nhiệt. Một khi, nguồn kích thích này không còn thì các hạt tải dư này sẽ mất
đi do tái hợp. Ta có sự tái hợp vùng-vùng, tái hợp do khuyết tật, tái hợp Auger,
dangling bond

Hình 1-6: Các cơ chế tái hợp.a) vùng-vùng. b) Auger. c) do khuyết tật[10]
Tái hợp vùng-vùng (radiative recombination) là sự dịch chuyển ví dụ một điện tử từ
vùng dẫn về vùng hóa trị, tương ứng với sự mất đi một lỗ trống. Với bán dẫn Silic sự
10

tái hợp mô tả như Hình 1-6a. Khi một điện tử chuyển động trong khối bán dẫn, nó có
thể gặp lỗ trống, chúng tái hợp lại dẫn tới sự hủy cặp hạt tải này. Sự tái hợp liên quan
tới thời gian sống của hạt tải, nhưng sự tái hợp của hạt tải trong tinh thể không ảnh
hưởng mạnh bởi sự tái hợp vùng-vùng này [10]
Sự tái hợp Auger có ảnh hưởng mạnh tới thời gian sống của hạt tải trong vật liệu
bán dẫn pha tạp nồng độ cao, đặc biệt quan trọng với bán dẫn vùng cấm thẳng. Quá
trình này liên quan tới ba hạt tải, được trình bày như Hình 1-6b. Trong quá trình tái
hợp với lỗ trống, điện tử truyền năng lượng cho điện tử khác ở vùng dẫn (Hình 1-6a)
hay vùng hóa trị (Hình 1-6b), làm dịch chuyển điện tử này lên mức năng lượng cao

hơn. Sau đó điện tử bị kích thích này mất dần năng lượng do tương tác trong mạng và
trở về năng lượng ban đầu. Thời gian sống hạt tải ứng với cơ chế tái hợp này tỉ lệ
nghịch với nồng độ hạt tải
2
1
Auger
n

, hay nó phụ thuộc mạnh vào nồng độ pha tạp.
Tái hợp do khuyết tật (tái hợp Shockley,Read&Hall) là do các sai hỏng trong mạng
hay do nguyên tử tạp chất tồn tại trong mạng làm phá vỡ liên kết lý tưởng dẫn đến sự
hình thành mức năng lượng khã dĩ cho điện tử tồn tại trong vùng cấm (Hình 1-6c).
Mức năng lượng do khuyết tật này đóng vai trò như một bước đệm, bẫy điện tử và lỗ
trống gặp nhau để hủy cặp ( hoặc đóng vai trò là bước đệm phát sinh hạt tải, để điện tử
từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn thông qua bước đệm này).
Các cơ chế tái hợp trên đồng thời ảnh hưởng tới thời gian sống của hạt tải thì thời
gian sống của hạt tải xác định bởi
1 1 1 1
radiation Auger SRH
   
   
  

Các thiết bị bán dẫn dựa trên vật liệu Si, thường có nồng độ pha tạp dưới
17 3
10 cm
,
thì sự tái hợp bức xạ (radiative recombination) gần như không đóng vai trò, và thời
gian sống của hạt tải phụ thuộc vào độ tinh khiết của bán dẫn. Chỉ với nồng độ pha tạp
trên

18 3
10 cm
thì sự tái hợp Auger mới đóng vai trò chính. Với nồng độ vào khoảng
16 18 3
10 10 cm
, theo Kendall ước lượng thời gian sống của hạt tải vào khoảng
0
15
1
7.10
D
N




, với
0
400 s


là thời gian sống của hạt tải trong bán dẫn thuần [10]
Trong trạng thái cân bằng nhiệt, nồng độ điện tử và lỗ trống là xác định. Tuy nhiên
sự tái hợp và sinh cặp đồng thời diễn ra. Với sự sinh cặp và tái hợp vùng- vùng trực
tiếp thì tốc độ sinh và tái hợp của electron và lỗ trống là bằng nhau, và hai tốc độ này
cũng bằng nhau ở trạng thái cân bằng nhiệt.
1.2.5 Tiếp xúc p-n
1.2.5.1 Tiếp xúc p-n trạng thái cân bằng
Tiếp xúc p-n là khối xây dựng cơ bản trong linh kiện bán dẫn và lý thuyết tiếp xúc
p-n là cơ bản trong Vật lý linh kiện bán dẫn. Linh kiện bán dẫn được cấu hình từ các

tiếp xúc p-n cấu hình khác nhau. Tế bào quang điện cũng cấu thành từ tiếp xúc p-n
này, ta xét cấu trúc cơ bản của tiếp xúc p-n là sự thành lập từ tiếp xúc vật lý của hai
11

khối bán dẫn p và n có nồng độ pha tạp đồng nhất trong mỗi khối ở trạng thái cân bằng
nhiệt (không có kích thích bên ngoài như nguồn nhiệt, thế áp vào, tiếp xúc với kim
loại). Khi tiếp xúc được hình thành, sự chênh lệch đột ngột về nồng độ hai loại hạt tải
làm phát sinh một gradient nồng độ làm dịch chuyển các hạt tải đa số khuyếch tán qua
vùng đối diện (mật độ dòng
&
n diff p diff
JJ

). Dẫn đến sự xuất hiện một vùng ở hai bên
mối nối trong đó chỉ có những ion âm của nguyên tử nhận (nồng độ
A
N
) ở bên khối
bán dẫn p, và những ion dương của nguyên tử cho (nồng độ
D
N
) ở bên khối bán dẫn n
(Hình 1-7a). Các ion dương và âm này tạo thành một điện trường tiếp xúc
( / )V cm

chống lại sự khuyếch tán của các hạt tải đa số, tức điện trường này tạo nên dòng dịch
(dòng trôi
&
n drif p drif
JJ


) của hai loại hạt tải thiểu số chống lại dòng khuyếch tán sao
cho dòng điện tổng cộng ở vùng này bằng không (Hình 1-7a). Do sự tồn tại của điện
trường này tác dụng lên hạt tải và quét nó ra xa tiếp xúc p-n, nên lân cận tiếp xúc p-n
là không có điện tích tự do (electron và lỗ trống). Vùng lân cận tiếp xúc p-n này được
gọi là vùng điện tích không gian hay vùng nghèo.

Hình 1-7: Tiếp xúc p-n trạng thái cân bằng nhiệt[1]
Jn-diff : dòng khuyếch tán electron
Jn-drif
Jp-drif : dòng dịch lỗ trống
Jp-diff
12

Ở nhiệt độ phòng, ta có phân bố mật độ điện tích không gian như Hình 1-7b. Giả sử
vùng điện tích không gian kết thúc đột ngột tại
p
xx
ở bán dẫn p, tại
n
xx
tại bán
dẫn n. Điều kiện liên tục
A p D n
N x N x
(mật độ điện tích dương và âm tương ứng hai
vùng điện tích không gian là bằng nhau). Mật độ điện tích không gian ứng với giả thiết
tiếp xúc của nồng độ thay đổi đột ngột như. Dựa vào phương trình Poisson :
2
2

()
s
d x x d
dx dx
  

  
  
(1.10)
Với
( )( )xV

là điện thế ,
3
( / )x C cm


là mật độ điện tích,
s

là hằng số điện môi,
( / )V cm

là điện trường tương ứng mật độ điện tích trên.
Ta có điện trường vùng nghèo khi không có điện thế áp vào hai cực p và n, ở vùng bán
dẫn p và n (Hình 1-7c):
 
0
a
pp

s
eN
x x x x



   
và
 
0
D
nn
s
eN
x x x x



   
(1.11)
Điện trường có giá trị cực đại tại
0x 
. Điện thế
x


trong vùng nghèo (Hình 1-7d)
tìm được từ tích phân của điện trường
()x


theo x, với gốc điện thế tại
p
xx
:
2
( ) .(x x 0)
2
A
pp
s
eN
x x x


     
và
2
2
.(0 x x )
22
DA
n p n
ss
eN eN
x
x x x x



      



(1.12)
Giá trị của điện thế tại
n
x
:
 
22
2
n D n A p bi
s
e
x x N x N x V


     
(1.13)
và còn được gọi là thế rào gắn
bi
V
(built-in potential hay diffusion voltage) bằng độ
chênh lệch hai mức Fermi của hai vùng bán dẫn n và p, nó đảm bảo sự cân bằng về
nồng độ hạt tải đa số ví dụ là electron ở bán dẫn n với hạt tải thiểu số electron ở vùng p
[1] (tức
n drif n driff
JJ


,

p drif p driff
JJ


). Từ điều kiện cân bằng này, thế rào gắn có giá
trị xác định bởi nồng độ điện tử ở bán dẫn p và n tương ứng là
2
p i A
n n N
và
nD
nN
là
2
ln ln
p
AD
bi T T
ni
n
NN
V V V
nn
   
  
   
   
, với
T
V

là thế nhiệt
29,5
T
V kT q mV
ở 300K
[10]. Khi
16 3
10 ( )
AD
N N cm


thì
0,7( )
bi
VV
. Cấu trúc vùng dẫn của tiếp xúc p-n
được trình bày như Hình 1-8.

Hình 1-8: Biểu đồ vùng năng lượng của tiếp xúc p-n cân bằng nhiệt [1]
13

1.2.5.2 Tiếp xúc p-n dưới thiên áp thuận và ngược
Khi đặt điện áp ngoài
A
V
(hiệu điện thế cực p đối với n) thì điện trường ngoài làm
thay đổi điện trường tổng cộng trong toàn khối p-n cũng như vùng nghèo. Do đó, rào
điện thế
bi

V
thay đổi thành rào điện thế
total
V
như Hình 1-9 mô tả. Bề rộng W của
vùng nghèo và mật độ dòng các hạt tải cũng thay đổi theo
A
V
. Khi thiên áp thuận (điện
thế đặt lên cực p lớn hơn cực n) thì điện trường tổng cộng giảm, rào thế giảm, bề rộng
vùng nghèo giảm, điện trở của tiếp xúc p-n giảm. Tại vùng nghèo dòng khuyếch tán
tăng, dòng dịch gần như không đổi. Khi thiên áp nghịch (điện thế đặt lên cực n lớn hơn
cực p) thì điện trường tổng cộng tăng, rào thế tăng, bề rộng vùng nghèo tăng, điện trở
của tiếp xúc p-n tăng. Tại vùng nghèo, dòng khuyếch tán giảm, dòng dịch cũng hầu
như không đổi.


Hình 1-9: Biểu đồ vùng năng lượng a) thiên áp ngược, b) thiên áp thuận [1]
Mật độ dòng điện qua tiếp xúc p-n là tổng cộng hai dòng điện lỗ trống và điện tử
thay đổi theo điện thế
A
V
áp vào, được mô tả bởi phương trình Shockley :
0
exp( ) 1
A
B
eV
JJ
kT





(1.14)
Với
2
2
0
pi
ni
n A p D
eD n
eD n
J
L N L N





là dòng bão hòa ngược. Đồ thị mô tả sự biến đổi này là
đặc tuyến J-V. Do tế bào quang điện có cấu tạo từ tiếp xúc p-n nên đồ thị được mô tả ở
Hình 1-13 (ứng với
0
L
I 
). Dòng bão hòa ngược (saturation current) này còn được
gọi là dòng tối (dark current) khi ta khảo sát đặc tuyến J-V của tế bào quang điện. Giá
trị

0
J
càng lớn tương ứng với sự tái hợp hạt tải lớn.
()
total bi A
eV e V V

()
total bi A
eV e V V

J
n-drif
J
n-diff
J
n-drif
J
n-diff
J
p-diff
J
p-drif
J
p-diff
J
p-drif
n
e


n
e


p
e


p
e


E
C
E
V
E
C
E
Fip
E
Fin
E
Fip
eV
A
eV
A
E

Fp
E
V
E
Fn
E
Fin
14

1.3 Nguyên lý họat động
1.3.1 Dòng quang điện
Sự hấp thụ photon của bán dẫn được nêu ở mục 1.2.2.1 tạo ra hạt tải dư (điện tử và
lỗ trống). Khi đó nồng độ điện tử và lỗ trống lớn hơn giá trị cân bằng nhiệt của chúng
là
0
n n n


và
0
p p p


, với
n

và
p

là nồng độ hạt tải dư (

2
00 i
np n p n
). Như
vậy, nguồn photon ánh sáng đóng vai trò như nguồn bơm hạt tải dư và nhờ tính chất
điện trường vùng nghèo của tiếp xúc p-n đã đề cập ở mục 1.2.5 phân tách electron di
chuyển về phía bán dẫn n và lỗ trống di chuyển về phía bán dẫn p khi chúng tiến tới
vùng này. Do đó cấu trúc của tế bào quang điện như Hình 1-2 đóng vai trò là một
nguồn điện khi được được chiếu sáng.
Nhưng nếu vẫn chiếu sáng và không nối với mạch ngoài, sự tạo ra hạt tải dư do hấp
thụ quang thì nồng độ electron ở bán dẫn n và lỗ trống ở bán dẫn p sẽ tăng lên. Điều
này dẫn tới hình thành một điện trường mới ngược chiều với điện trường vốn hình
thành ở vùng nghèo, làm cho điện trường tổng cộng giảm xuống. Điện trường vùng
nghèo là rào cản với dòng khuyếch tán, thì sự giảm điện trường khi này làm tăng dòng
khuyếch tán. Như thế, điều kiện cân bằng mới (
//n p drif n p diff
JJ


) xuất hiện đồng thời
với sự xuất hiện hiệu điện thế ở hai đầu bán dẫn p và n (Hình 1-10a) gọi là thế hở
mạch
OC
V
.
Khi ta chiếu sáng tế bào quang điện, và nối tắt mạch ngoài, thì dòng điện ngắn
mạch
SC
I
thu được chính là dòng quang điện

L
I
(Hình 1-10b)

Hình 1-10: Dòng hạt tải trong tế bào quang điện ở điều kiện a) Chiếu sáng hở mạch, b) Chiếu
sáng ngắn mạch[13]
Sự hấp thụ photon tạo ra hạt tải dư để tạo thành dòng quang điện có thể xảy ra ở các
vị trí khác nhau trong khối bán dẫn của tế bào quang điện như ở cực phát (emitter) là
bán dẫn n thu được dòng
()
E
J

, ở vùng nghèo là dòng
()
SCR
J

, ở cực nền là
()
B
J

.
15

Thì dòng quang điện thu được là tổng hợp của các dòng này [10] (Hình 1-11). Với vật
liệu có hệ số hấp thụ photon ứng với sóng bước sóng

(xem Hình 1-4), và mật độ

dòng năng lượng photon tới
2
0
( / )WmI

(xem Hình 3-5), thì nồng độ hạt tải dư được
xác định
'ng


,

là thời gian sống hạt hải dư, với tốc độ sinh là
 
31
0
( ) 1 ( )
/
x
G x R cm s
hc
Ie









, với
R

là hệ số phản xạ tại bước sóng

[1,9,12].Các
hạt tải dư tạo thành khi đó có thể góp phần vào dòng quang điện
L
J
với xác suất
()CP x
phụ thuộc vào vị trí và bước sóng [13]. Do đó, mật độ dòng quang điện được
xác định bởi
 
00
0
( ). ( ) 1 . ( )
/
dd
WW
L
x
J q G x CP x dx q R CP x d dx
hc
Ie










  




  
(1.15)

trong đó
d
W
là bề dày diode, q là điện tích hạt tải. Theo mô hình diode lý tưởng và bỏ
qua sự tái hợp vùng nghèo, dòng quang điện có thể được xác định
()
L n p
J qG L L W  
[10], với
n n n
LD


là độ dài khuyếch tán của điện tử, tương tự
với
p p p
LD



,
n
D
và
p
D
là hệ số khuyếch tán,
,
np

là thời gian sống.

Hình 1-11: Sự thu hạt tải cho dòng quang điện [10]
Xác suất thu hạt tải CP(x) phụ thuộc vào độ dài khuyếch tán
&
np
LL
, và tốc độ tái
hợp bề mặt (mặt trước và sau)
()
( / )
n
n
D
dn
S cm s
n dx




,
()
( / )
p
p
D
dp
S cm s
p dx



[10].
Với những hạt tải (electron – lỗ trống) được sinh ra tại vùng nghèo thì xác xuất thu các
hạt tải này là một, do điện trường tại đó có tác dụng tách các hạt này và đưa chúng ra
khỏi vùng nghèo. Càng tiến xa vùng nghèo thì xác suất càng giảm nhanh và thấp nhất
tại bề mặt (mặt trước và mặt sau) do sự tái hợp bề mặt. Các hạt tải càng tạo gần bề mặt
thì xác suất tái hợp càng cao hay xác suất thu hạt tải càng thấp. Khi độ dài khuyếch tán
tăng thì xác suất thu hạt tải tăng nhanh (xem Hình 1-12).
16


Hình 1-12: Giá trị tính toán xác suất thu hạt tải phụ thuộc a) độ dài khuyếch tán b)tốc độ tái
hợp bề mặt,
p
L
là độ dài khuyếch tán hạt thiểu số, S là tốc độ tái hợp hạt tải tại bề mặt[13].
1.3.2 Đặc tuyến J-V
Hiệu suất chuyển hoán quang năng thành điện năng là thông số quan trọng của tế

bào quang điện. Thông số này nhận được khi ta có khảo sát đặc tuyến J-V của tế bào
quang điện như Hình 1-13
Khi chưa chiếu sáng, tức
0
L
I 
, đặc tuyến J-V tương tự như diode tiếp xúc p-n. Khi
tăng dần
A
V
, ban đầu J tăng chậm và có giá trị nhỏ gần giá trị
0
J
. Khi chiếu sáng, dòng
quang điện xuất hiện, tức
0
L
I 
, thì dòng điện qua tế bào quang điện khi đó là dòng
tổng cộng của dòng diod (mục 1.2.5.2) và dòng quang điện (mục 1.3.1) :
 
/
0
1
AT
VV
L
J J e J  
(1.16)
Do đó đặc tuyến J-V dịch tịnh tiến theo chiều âm trục J một đoạn bằng

L
J
như Hình
1-13. Dòng điện và mật độ dòng tỉ lệ với nhau bởi hệ số là diện tích tiết diện nên
phương trình dòng điện của tế bào quang điện cũng có dạng (1.16).
a)
b)
17


Hình 1-13: Đặc tuyến J-V của tế bào quang điện lý tưởng
Do đó, các phát biểu của hai đại lượng này là như nhau. Từ đặc tuyến này ta có các
thông số quan trọng của tế bào quang điện là dòng ngắn mạch
SC
J
, thế hở mạch
OC
V
,
công suất cực đại
max
P
, hiệu suất

, hệ số lấp đầy FF để đánh giá các đặc tính của tế
bào quang điện.
1.3.2.1 Dòng ngắn mạch
Dòng ngắn mặch
SC
I

(short circuit current) là dòng tại điện áp không
0
A
V 
nên từ
(1.16) ta có:
L
SC
II
(1.17)
Như thế, từ đặc tuyến J-V ta có thể ước lượng giá trị của dòng quang điện (do sự
tồn tải điện trở trong tế bào quang điện)
1.3.2.2 Thế hở mạch
Điện áp hở mạch ( open circuit voltage) là khi chiếu sáng tế bào nhưng không nối
mạch ngoài, tức I=0 từ (1.16) ta có :
00
( 0) ln 1 ln
LL
TT
OC A
II
V V I V V
II



    
(1.18)
Với dòng bão hòa ngược
0

I
(dòng tối) nhỏ ta có thể coi
00
ln ln
OC
SC
L
TT
I
I
V V V
II

.
Do sự tỉ lệ giữa
OC
V
và
0SC
II
nên với mong muốn có dòng bão hòa nhỏ (xem mục
1.2.5.2) ta cần có
OC
V
lớn. Để có dòng
0
I
nhỏ thì theo ghi chú công thức (1.14) ta cần
có độ dài khuyếch tán hạt thiểu số lớn, nồng độ pha tạp lớn [10].
1.3.2.3 Công suất cực đại

Công suất tiêu tán ra tải mạch ngoài là :
 
/
0
1
AT
VV
A A L A
P V I I V e I V   
(1.19)
Công suất cực đại tại
/0
A
dP dV 
. Tương ứng tại điểm công suất cực đại là dòng
m
I
và điện áp
m
V
(xem Hình 1-13):
18

 
//
0
0
10
mm
TT

V V V V
m
L
T
A
IV
dP
I e I e
dV V
    
(1.20)
Từ (1.18), (1.19), (1.20) ta tìm được :
ln 1
m OC T m
m m m L oc T L
Tm
V V V E
P I V I V V I
V V q


       





(1.21)
Trong đó :
ln 1

m OC T
m oc T
Tm
V V V
E q V V
VV


   





là năng lượng của một photon được
chuyển thành điện năng tại điểm công suất cực đại [23]. Để thuận tiện quan sát, ta có
thể sử dụng bảng tính excel để tính, và đảo trục để có giá trị dòng điện dương và đặc
tuyến J-V như Hình 1-13 có thể có dạng như Hình 1-14 (Số liệu chỉ mang tính minh
họa), và qua đó là khớp hàm (fitting) để ước lượng dòng tối.

Hình 1-14: Xác định công suất cực đại
1.3.2.4 Hệ số lấp đầy
Hệ số lấp đầy (fill factor) được xác định bởi
.
.
mm
sc oc
IV
FF
IV


(1.22)
1.3.2.5 Hiệu suất
Hiệu suất của tế bào quang điện được xác định bằng tỉ số giữa

100%
m sc oc
in in
P I V FF
PP


(1.23)
in
P
là năng lượng ánh sáng tới trong đơn vị thời gian. Để tăng hiệu suất chuyển
hoán năng lượng này, ta cần có tử số (1.23) cực đại. Trong luận văn này tập trung vào
việc giảm thất thoát photon do phản xạ tức là tăng tốc độ sinh hạt tải dẫn đến tăng
dòng quang điện cũng như thế hở mạch dẫn đến tăng hiệu suất chuyển hoán.
P
m
V
m
I
m
19

Chương 2
Vật lý lắng đọng hơi hóa học plasma tăng cường
2.1 Tổng quan về plasma

Plasma là một dạng thứ 4 của vật chất chứa các hạt trung hòa và tích điện bao gồm
một vài hay tất cả các hạt sau : electron, ion dương, ion âm, nguyên tử, phân tử. Xét
trung bình, thì điện tích của khối plasma là trung hòa do nếu có điện tích nào đó không
cân bằng thì dẫn đến sự hình thành điện trường mà điện trường này có xu hướng làm
triệt tiêu sự không cân bằng. Tổng điện tích dương và điện tích âm trong khối plasma
là cân bằng nhau.

Hình 2-1: Mô hình lắng đọng hơi hóa học của buồng điện cực song song[19]
Hệ plasma trong phòng thí nghiệm được tạo bởi hai điện cực song song là phổ biến.
Hai điện cực được nối một với nguồn xoay chiều hoặc một chiều, một nối với đất.
Trong buồng phản ứng, ta chia thành hai phần, phần plasma là nơi tạo ra các hạt phản
ứng, và vùng đệm (không có plasma) là vùng chuyển các hạt phản ứng từ vùng plasma
đến nới cần phủ màng. (như Hình 2-1). Trong vùng chứa plasma giá trị của điện
trường bé thường là bằng 0, phía ngoài điện trường mạnh[19].
Phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD) được sử dụng
phổ biến cho việc tạo màng cách điện Silicon Nitride và Silicon dioxide. Ưu điểm của
PECVD là hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn so với hệ lắng đọng hơi hóa học thông
thường (CVD). Chẳng hạn, để phủ màng Silicon nitride bằng hệ nhiệt CVD thì yêu
cầu nhiệt độ
00
700 900 C
, trong khi với hệ PECVD thì nhiệt độ đó chỉ vào khoảng
250-300
0
C [19]. Do việc sử dụng sóng điện từ cho vào môi trường của hệ CVD, và sự
thay thế việc kích thích các hạt phản ứng bằng nhiệt bởi kích thích bằng điện thông
qua các điện tử. Ngoài ra hệ PECVD còn được phát triển để phủ các loại màng
polycrystal silicon, epitaxial Silicon, epitaxial gallium asenide …