Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc sunphua (p sns, n sns2, n xn2s3) định hướng ứng dụng trong pin mặt trời thế hệ thứ 3 mới thân thiện

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------------

O C TUN
NGHIấN CU CH TO V MT S TNH CHT VT
Lí CA CC LP MNG BN DN H THIC
SUNPHUA (p-SnS), (n-SnS2), (n-Sn2S3) NH HNG NG
DNG TRONG PIN MT TRI TH H TH 3 MI
THN THIN VI MễI TRNG

Luận văn thạc sỹ khoa học

Ngời hớng dẫn khoa học
ts. Phỳc Hi

Hà Nội- 2011


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................... 4
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................10
1.1 Pin Mặt trời .................................................................................................10
1.1.1 Nguyên tắc hoạt động của pin Mặt trời ..............................................10
1.1.2 Hiệu suất của pin Mặt trời ..................................................................11

1.1.3 Sự phát triển của pin Mặt trời ............................................................22
1.2 Màng bán dẫn họ thiếc sunphua (p-SnS, n-SnS2 và n-Sn2S3) ....................28
1.2.1 Màng SnS ...........................................................................................28
1.2.1.1 Đặc điểm hình thái, cấu trúc của màng SnS ................................28
1.2.1.2 Tính chất quang của màng SnS ....................................................31
1.2.1.3 Tính chất điện của màng SnS .......................................................33
1.2.2 Màng SnS2 và Sn2S3 ...........................................................................34
1.2.2.1 Đặc điểm hình thái, cấu trúc của màng SnS2 và Sn2S3.................34
1.2.2.2 Tính chất quang của màng SnS2 và Sn2S3 ....................................37
1.2.2.3 Tính chất điện của màng SnS2 và Sn2S3 .......................................39
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ...............................................................................41
2.1 Thực nghiệm chế tạo các màng thiếc sunphua ...........................................41
2.1.1 Hệ phun nhiệt phân ............................................................................41
2.1.2 Quy trình chế tạo các màng thiếc sunphua trên hệ phun nhiệt phân..43
2.2 Các phương pháp khảo sát màng ................................................................44
2.2.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)...........................................44
2.2.2 Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDAX).........................45
2.2.3 Phương pháp UV-Vis .........................................................................46
2.2.4 Phương pháp đo hiệu ứng Hall...........................................................47
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................51
3.1 Nghiên cứu chế tạo màng thiếc sunphua (SnS, SnS2 và Sn2S3) bằng
phương pháp phun nhiệt phân. ..................................................................................51
3.2 Tính chất Vật lý của màng SnS. .................................................................58

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
1

Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
3.2.1 Tính chất Vật lý của màng SnS không pha tạp ..................................58
3.2.2 Tính chất Vật lý của màng Sn1-xCuxS (x =0, 0,10 và 0,15). ..............63
3.3 Tính chất Vật lý của màng SnS2. ................................................................73
3.4 Tính chất Vật lý của màng Sn2S3. ...............................................................77
KẾT LUẬN ...............................................................................................................81
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA LUẬN VĂN ....................................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................85

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
2


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng III.1: Kết quả phân tích thành phần của một số màng thiếc sunphua. ...........56
Bảng III.2: Thông số công nghệ chế tạo các màng thiếc sunphua ...........................57
Bảng III.3: Thành phần các nguyên tố trong màng SnS trước và sau khi ủ .............62
Bảng III.4: Kết quả phân tích phổ tán sắc năng lượng của màng Sn1-xCuxS ...........64
Bảng III.5: Bề rộng năng lượng vùng cấm Eg của các màng Sn1-xCuxS ...................71
Bảng III.6: Kết quả phân tích thành phần các màng Sn1-xCuxS trước và sau khi ủ .71
Bảng III.7: Kết quả phân tích hiệu ứng Hall bằng phương pháp Van Der Pauw ....72
của màng Sn0.90Cu0.10S ..............................................................................................72

Bảng III.8: Giá trị bề dày và bề rộng năng lượng vùng cấm Eg của ........................77
các màng SnS2, CdS và In2S3.....................................................................................77

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
3


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình I.1: Cấu tạo một pin Mặt trời đơn giản. ..........................................................10
Hình I.2: Cấu trúc vùng năng lượng tại T > 0K của bán dẫn vùng cấm trực tiếp (a)
và gián tiếp (b). .........................................................................................................12
Hình I.3: Quá trình hấp thụ photon có năng lượng h = E2 – E1> Eg trong bán dẫn
vùng cấm trực tiếp. ....................................................................................................13
Hình I.4: Quá trình hấp thụ photon trong bán dẫn vùng cấm gián tiếp với photon
tới có năng lượng hv < E2 – E1 và photon tới có năng lượng hv > E2 – E1..............14
Hình I.5: Các quá trình tái hợp trong chất bán dẫn. ................................................16
Hình I.6: Các trạng thái bề mặt tại bề mặt của chất bán dẫn hoặc mặt phân cách
giữa hai vật liệu khác nhau. ......................................................................................18
Hình I.7: Đặc trưng I-V của pin Mặt trời. ................................................................21
Hình I.8: Thế hệ pin Mặt trời thứ nhất dựa trên tinh thể Si .....................................23
Hình I.9: Pin Mặt trời thế hệ thứ 2 ...........................................................................24
Hình I.10: Sơ đồ cấu trúc pin Mặt trời dựa trên hợp chất bán dẫn CIGS. ..............26
Hình I.11: Pin Mặt trời dựa trên vật liệu hữu cơ. ....................................................28
Hình I.12: Cấu trúc của màng SnS. ..........................................................................29

Hình I.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng SnS chế tạo bằng ...............................29
phương pháp phun nhiệt phân. .................................................................................29
Hình I.14: Ảnh SEM chụp bề mặt các màng SnS chế tạo bằng phương pháp phun
nhiệt phân tại các nồng độ dung dịch a) 0,03M và b) 0,1 M [38]............................30
Hình I.15: Sự thay đổi của tỷ lệ Sn/S theo nồng độ dung dịch [38]. ........................31
Hình I.16: Phổ truyền qua của màng SnS chế tạo bằng ...........................................31
phương pháp phun nhiệt phân. .................................................................................31
Hình I.17: Sự biến thiên của năng lượng vùng cấm theo nhiệt độ của màng SnS chế
tạo bằng phương pháp phun nhiệt phân. ..................................................................32
Hình I.18: Sự thay đổi của độ linh động Hall và mật độ hạt tải theo nhiệt độ.........34
Hình I.19: Cấu trúc màng SnS2. ................................................................................35
Hình I.20: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng SnS2 chế tạo bằng phương pháp nóng
chảy [49]. ..................................................................................................................35
Hình I.21: Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng Sn2S3 chế tạo bằng phương pháp phun
nhiệt phân. .................................................................................................................36

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
4


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
Hình I.22: Phổ truyền qua T và phản xạ R của màng Sn2S3 chế tạo bằng phương
pháp phun nhiệt phân. ...............................................................................................37
Hình I.23: Phổ truyền qua T của màng SnS2 chế tạo bằng phương pháp phun nhiệt
phân [31]. ..................................................................................................................38
Hình I.24: Đồ thị biểu diễn (αhν)2 phụ thuộc vào hν [27]. .......................................38

Hình I.25: Đồ thị biểu diễn log ρ theo 1000/T của màng SnS2 [43]. .......................40
Hình II.1: Sơ đồ khối mô tả hệ phun nhiệt phân. ......................................................42
Hình II. 2: Các tín hiệu và sóng điện từ phát ra từ mẫu đo. .....................................45
Hình II.3: Sơ đồ nguyên lý hệ đo UV-Vis hai chùm tia. ...........................................47
Hình II.4: Sơ đồ nguyên tắc phép đo hiệu ứng Hall. ................................................48
Hình II.5: Các cách thiết lập cho mẫu đo hiệu ứng Hall. ........................................49
Hình III.1: Quá trình hình thành màng bằng phương pháp phun nhiệt phân. .........52
Hình III.2: Các khả năng hình thành hạt với các hình thái khác nhau ....................53
trong phương pháp phun nhiệt phân [9]...................................................................53
Hình III.3: Quá trình kết tinh của chất tạo màng từ giọt dung dịch chứa tiền chất
trong phương pháp phun nhiệt phân [29].................................................................53
Hình III.4: Hình thái bề mặt các màng thiếc sunphua được chế tạo tại các điều kiện
công nghệ khác nhau.................................................................................................55
Hình III.5: Phổ tán sắc năng lượng EDS của màng SnS. .........................................56
Hình III.6: Ảnh mapping mô tả sự phân bố các nguyên tố của màng SnS. ..............57
Hình III.7: Ảnh AFM chụp bề mặt màng SnS sau khi chế tạo. .................................58
Hình III.8: Hệ số hấp thụ α của màng SnS sau khi chế tạo. .....................................59
Hình III.9: Hệ số hấp thụ α của màng SnS sau khi ủ t = 0, 2 và 4h. ........................60
Hình III.10: Đồ thị (αhν)2phụ thuộc vào hν của màng SnS. .....................................61
Hình III.11: Đồ thị (αhν)2phụ thuộc vào hν của màng SnS sau khi ủ. ......................61
Hình III.12: Ảnh SEM bề mặt các màng a) Sn0.95Cu0.05S, b) Sn0.90Cu0.10S và c)
Sn0.85Cu0.15S được lắng đọng bằng phương pháp phun nhiệt phân. .........................63
Hình III.13: Ảnh AFM chụp bề mặt màng Sn0.90Cu0.10S. ..........................................63
Hình III.14: Phổ tán sắc năng lượng EDS của màng Sn0.90Cu0.10S. .........................64
Hình III.15: Ảnh mapping bề mặt màng Sn0.90Cu0.10S. .............................................65
Hình III.16: Phổ hấp thụ của các màng Sn1-xCuxS theo hν.......................................65
Hình III.17: Đồ thị (αhν)2 phụ thuộc vào hν của màng Sn1-xCuxS. ...........................66
Hình III.18: Phổ hấp thụ của các màng Sn1-xCuxS sau khi ủ 2h tại 200 oC. .............67
Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
5


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
Hình III.19: Phổ hấp thụ của màng Sn0.90Cu0.10S sau khi ủ 2h. ................................67
Hình III.20: Phổ hấp thụ của màng Sn0.95Cu0.05S trước khi ủ, ủ 2h và 4h. ...............68
Hình III.21: Phổ hấp thụ của màng Sn0.90Cu0.10S không ủ, ủ 2h và 4h.....................68
Hình III.22: Phổ hấp thụ của màng Sn0.85Cu0.15S không ủ, ủ 2h và 4h.....................69
Hình III.23: Đồ thị (αhν)2 phụ thuộc vào hν của màng Sn0.95Cu 0.05S. ......................69
Hình III.24: Đồ thị (αhν)2 phụ thuộc vào hν của màng Sn0.90Cu 0.10S. ......................70
Hình III.25: Đồ thị (αhν)2 phụ thuộc vào hν của màng Sn0.85Cu 0.15S. ......................70
Hình III.26: Ảnh SEM và phổ tán sắc năng lượng EDS của màng SnS2. .................73
Hình III.27: Ảnh mapping thể hiện sự phân bố của các nguyên tố trong màng SnS2.
...................................................................................................................................74
Hình III.28: Phổ truyền qua và bề dày của màng SnS2. ...........................................74
Hình III.29: Ảnh FESEM và phổ tán sắc năng lượng EDS của màng CdS. .............75
Hình III.30: Ảnh AFM và phổ tán sắc năng lương EDS của màng In2S3. ................75
Hình III.31: Phổ truyền qua của các màng SnS2, CdS và In2S3 theo bước sóng λ. ..76
Hình III.32: Đồ thị (αhν)2 phụ thuộc vào hν của các màng SnS2,CdS và In2S3. .......77
Hình III.33: Ảnh SEM và phổ tán sắc năng lượng EDS của màng Sn2S3. ................78
Hình III.34: Ảnh mapping thể hiện sự phân bố các nguyên tố màng Sn2S3. ............79
Hình III.35: Phổ truyền qua của màng Sn2S3 theo bước sóng λ...............................79
Hình III.36: Đồ thị (αhν)2 phụ thuộc vào hν của màng Sn2S3...................................80

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011

6


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường

MỞ ĐẦU
Trong xã hội ngày nay, khi mà nền kinh tế càng phát triển thì cuộc sống của
con người ở ngay trong từng hộ gia đình càng bị lệ thuộc vào các thiết bị điện như
máy tính, điều hòa, tủ lạnh hay bình nóng lạnh,… Trái ngược với sự phát triển đó
các nguồn năng lượng hóa thạch mà chúng ta đã sử dụng từ lâu như than đá, dầu mỏ
đang ngày càng cạn kiệt và thậm chí cả nguồn năng lượng từ gió, từ nước (được biết
đến là tài nguyên vô tận) như thủy điện, thủy triều dù đã hoạt động hết công suất có
thể cũng không đủ khả năng đáp ứng nhu cầu điện của xã hội hiện nay. Không chỉ
vậy, trong thành phần của than đá và dầu mỏ có chứa rất nhiều cacbon mà khi cháy
tạo ra cacbon oxit, đây được coi là nguyên nhân chính gây lên hiện tượng nóng dần
lên của Trái đất và còn gây ô nhiễm môi trường. Để giải bài toán năng lượng này,
nhiều nguồn năng lượng sạch như năng lượng Mặt trời, năng lượng hạt nhân, năng
lượng địa nhiệt,… đã được nghiên cứu ứng dụng vào thực tế. Năng lượng hạt nhân
có công suất lớn nhất và được coi gần như “phi cacbon”. Hiện nay nguồn năng
lượng này chiếm tới 20 % điện năng mà chúng ta sử dụng. Tuy nhiên, khả năng ô
nhiễm, gây nguy hiểm đến con người khi xảy ra sự cố hạt nhân là rất nghiêm trọng,
chưa kể việc xử lý rác thải hạt nhân cũng đang là một bài toán phức tạp và tốn kém.
Hơn nữa, chi phí để xây dựng và bảo trì nhà máy năng lượng hạt nhân là rất lớn và
đang ngày càng tăng lên. Trong khi đó, năng lượng Mặt trời là nguồn năng lượng tự
nhiên có trữ lượng dồi dào lại chưa được khai thác triệt để. Năng lượng Mặt trời
được sản sinh ra chủ yếu là do các phản ứng hạt nhân bên trong lòng nó phát ra và
theo tính toán thì quá trình này sẽ còn kéo dài khoảng 5 tỷ năm nữa, vì vậy có thể
nói năng lượng Mặt trời là một nguồn năng lượng vô tận. Theo thống kê mỗi giây

Mặt trời bức xạ xuống bề mặt Trái đất một lượng năng lượng rất lớn cỡ 17,57.1016 J
hay tương đương năng lượng sinh ra khi đốt cháy 6 triệu tấn than đá. Mặc dù vậy,
chúng ta mới chỉ sử dụng được một phần rất nhỏ trong tổng số lượng năng lượng
khổng lồ nói trên. Thêm vào đó các chuyên gia về năng lượng tái tạo cho biết trong
vòng vài năm gần đây, chi phí sản xuất các tấm thu năng lượng Mặt trời đã giảm

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
7


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
khoảng 50-70 %. Jigar Shah, chủ một công ty kinh doanh năng lượng Mặt trời đồng
thời là giám đốc điều hành tổ chức Carbon War Room cho biết: "Với các tấm pin
quang năng, Trung Quốc đang làm điều mà họ đã làm tương tự với máy tính và điện
thoại iPhone - đó là giảm giá thành". Các thiết bị pin Mặt trời hiện nay được chế tạo
dựa trên các chất bán dẫn như Si, GaAs, CdTe, CIS (Copper Indium Diselenide) và
CIGS (Copper Indium Gallium Diselenide)… đã cho hiệu suất quá trình chuyển đổi
bức xạ Mặt trời thành điện năng cao nhưng do sự khan hiếm, giá thành cao (In, Ga)
hay độc hại (Cd, Se) mà vấn đề nghiên cứu tìm kiếm các vật liệu mới có hệ số hấp
thụ α > 104 cm-1, rẻ tiền, thân thiện với môi trường vẫn đang được tiếp tục triển
khai.
Hệ vật liệu thiếc sunphua (SnS, SnS2 và Sn2S3) được tạo nên từ các nguyên
tố Sn và S không độc hại, có trữ lượng dồi dào trong tự nhiên và các quá trình xử lý
chúng thân thiện với môi trường. Trong hệ vật liệu thiếc sunphua, SnS có hệ số hấp
thụ α > 104 cm-1và Eg = 1,3 eV thích hợp làm lớp hấp thụ trong pin Mặt trời, SnS2
có hệ số truyền qua cao và bề rộng vùng cấm rộng lên tới 3,0 eV rất thích hợp làm

lớp truyền qua trong pin Mặt trời. Bởi vậy“Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất
Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định
hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ thứ 3 mới thân thiện với môi trường”
là một đề tài khoa học có tính thực tiễn cao và đã được chọn làm đề tài của luận văn
thạc sỹ này. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu chế tạo các màng bán dẫn họ thiếc
sunphua bằng phương pháp phun nhiệt phân, phân tích một số tính chất vật lý của
các màng đã chế tạo bằng các phương pháp như SEM, AFM, EDS, phổ hấp thụ và
truyền qua UV-Vis, hiệu ứng Hall...Với mục tiêu đó, luận văn được trình bày bao
gồm các phần chính như sau:
Mở đầu
Chương 1- Tổng quan
Trình bày về cơ sở vật lý của pin Mặt trời. Tổng quan về vật liệu hấp thụ và
các thế hệ pin Mặt trời. Tổng quan về hệ vật liệu thiếc sunphua (SnS, SnS2 và
Sn2S3).

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
8


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
Chương 2- Thực nghiệm
Trình bày chi tiết về phương pháp phun nhiệt phân và thực nghiệm chế tạo
màng bằng phun nhiệt phân. Các phương pháp phân tích tính chất Vật lý của màng.
Chương 3- Kết quả và thảo luận
Chương này trình bày các kết quả nghiên cứu chế tạo và tính chất Vật lý của
màng SnS, SnS2 và Sn2S3 bằng phương pháp phun nhiệt phân. Bên cạnh đó, các kết

luận về sự thay đổi của hệ số hấp thụ α và bề rộng năng lượng vùng cấm Eg khi
khảo sát sự pha tạp Cu vào màng SnS cũng được trình bày. Ngoài ra, các kết quả so
sánh tính chất quang giữa các màng SnS2, CdS và In2S3 được chế tạo bằng phương
pháp phun nhiệt phân nhằm tìm kiếm khả năng thay thế của SnS2 cho các màng
CdS độc hại hay In2S3 đắt đỏ trong các ứng dụng của pin Mặt trời cũng như các
thiết bị quang điện tử khác cũng được đưa ra trong chương này.
Kết luận
Tài liệu tham khảo

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
9


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Pin Mặt trời
Pin Mặt trời, một cách đơn giản có thể coi là một diode bán dẫn được thiết kế
và xây dựng để hấp thụ và chuyển đổi năng lượng ánh sáng Mặt trời thành điện
năng với hiệu suất lớn nhất. Cấu trúc của một pin Mặt trời thông thường có thể
được mô tả như trên hình I.1.

Hình I.1: Cấu tạo một pin Mặt trời đơn giản.
1.1.1 Nguyên tắc hoạt động của pin Mặt trời
Pin Mặt trời hoạt động dựa trên nguyên tắc của hiệu ứng quang điện trong.
Khi ánh sáng chiếu tới bề mặt pin một phần sẽ truyền qua lớp cửa sổ, là chất bán

dẫn loại n, đi vào bên trong còn một phần sẽ bị phản xạ trở lại. Photon ánh sáng
chiếu tới có năng lượng:
E = hυ =

hc

λ

(1.1)

Trong đó: h là hằng số Plank h = 6,625.10-34, c là vận tốc ánh sáng trong
chân không c = 3.108 m/s và λ là bước sóng ánh sáng chiếu tới.
Để photon ánh sáng có thể truyền qua lớp cửa sổ ta phải có điều kiện E < Eg
(Eg là khoảng cách năng lượng giữa đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn hay còn gọi
là bề rộng vùng cấm). Bởi vậy việc chọn lớp vật liệu làm lớp cửa sổ sao cho các

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
10


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
photon ánh sáng có thể truyền qua được nhiều nhất đồng thời lại có chiết suất phù
hợp để hạn chế sự phản xạ ngược trở lại sẽ giúp nâng cao hiệu suất của pin.
Sau khi đi qua lớp cửa sổ, photon ánh sáng chiếu tới sẽ bị hấp thụ bởi lớp
hấp thụ là chất bán dẫn loại p. Nguyên tắc của sự hấp thụ này là các photon ánh
sáng có năng lượng lớn hơn bề rộng khe năng lượng vùng cấm E > Eg sẽ kích thích

các điện tử trong vùng hóa trị chuyển lên vùng dẫn. Kết quả của kích thích này là sự
hình thành nên các cặp điện tử - lỗ trống và do tác dụng của điện trường tiếp xúc Etx
(điện trường được hình thành sau quá trình khuyếch tán các hạt tải cơ bản của hai
lớp bán loại p và n tại bề mặt tiếp xúc của chúng) các cặp điện tử - lỗ trống bị tách
ra và gia tốc về phía đối diện tạo ra một suất điện động quang điện.
Suất điện động này sẽ tạo ra một dòng điện khi ta nối hai cực của pin bằng
một dây dẫn và khi đó dòng điện sẽ cho ở mạch ngoài một công suất hữu ích.
1.1.2 Hiệu suất của pin Mặt trời
Theo nguyên tắc hoạt động nêu trên, sau khi hấp thụ ánh sáng Mặt trời các
thiết bị pin Mặt trời sẽ chuyển hóa năng lượng Mặt trời (quang năng) thành điện
năng thông qua một hệ thống các quá trình từ việc điện tử hấp thụ năng lượng, bị
kích thích tạo cặp điện tử lỗ trống cho tới quá trình các hạt tải không cơ bản bị gia
tốc về hai phía tạo thành dòng điện. Bởi vậy hiệu suất của pin Mặt trời phải được
xác định dựa trên việc xem xét các quá trình Vật lý diễn ra bên trong các lớp vật
liệu bán dẫn sử dụng chế tạo pin Mặt trời.
Trong chất bán dẫn, các điện tử chuyển động tương tự như chuyển động của
một hạt bị giới hạn trong hộp ba chiều có cấu trúc bên trong phức tạp bởi các trường
điện tích xung quanh hạt nhân nguyên tử và các liên kết yếu của các điện tử. Đặc
tính động của điện tử được thiết lập từ hàm sóng Ψ, nhận được từ việc giải phương
trình Schodinger không phụ thuộc thời gian:
∇ 2ψ +

2m
r
⎡ E − U ( r ) ⎤⎦ψ = 0
2 ⎣
h

(1.2)

ở đây m là khối lượng của điện tử, ħ là hằng số Plank rút gọn, E là năng
r

lượng của điện tử và U ( r ) là thế năng tuần hoàn trong chất bán dẫn. Đi tìm lời giải

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
11


Nghiên cứu chế
N
c tạo và một
m số tính chất Vật lýý của các lớ
ớp màng bánn dẫn họ thhiếc
suunphua (p-S
SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định
đ
hướngg ứng dụng trong pin Mặt
M trời thếế hệ
t 3 mới thhân thiện vớ
thứ
ới môi trườnng
phư
ương trình này sẽ choo biết cấu trrúc vùng năng lượng (các mức năng
n
lượngg cho
phéép của điện
n tử, các mốối liên hệ ggiữa năng lư

ượng và độộng lượng của
c điện tử)) của
chấất bán dẫn. Cấu trúc vùùng năng lư
ượng đơn giản
g của mộột chất bán dẫn
d được mô
m tả
như
ư trong hình
h I.2.

Hìình I.2: Cấuu trúc vùng năng lượngg tại T > 0K
K của bán dẫn
d vùng cấấm trực tiếpp (a)
vàà gián tiếp (b).
(
Theo hình
h
vẽ này các điện tử
ử sẽ chiếm các
c vị trí từ
ừ đáy lên tớ
ới đỉnh của vùng
v
hóaa trị và tại nhiệt
n
độ T > 0K các trạạng thái gần
n đỉnh vùngg hóa trị cóó thể bị trốnng do
mộột vài điện tử
t đã bị kícch thích nhiiệt chuyển lên

l vùng dẫẫn. Những trạng
t
thái trống
t
này
y được coi như những hạt mang đđiện dươngg và được gọi
g là các lỗ
ỗ trống với khối
lượ
ợng hiệu dụ
ụng dương. Khi cực tiểểu vùng dẫnn và cực đạii vùng hóa trị có cùngg một
r
giáá trị của vécctơ sóng k như
n trên hìnnh I.2 a thì bán
b dẫn đượ
ợc gọi là báán dẫn trực tiếp,
ngư
ược lại gọi là bán dẫnn gián tiếp. Điều này có
c ý nghĩa đặc biệt qu
uan trọng trong
t
quáá trình hấp thụ ánh sánng ở bán dẫẫn. Hấp thụụ ánh sáng llà hiện tượnng cơ bản trong
t
nguuyên tắc hooạt động củủa pin Mặt trời, đây làà quá trình kích thích một điện tử
t từ
vùnng hóa trị lêên vùng dẫnn tạo ra cácc cặp điện tử
ử - lỗ trốngg trong vật liệu
l hấp thụụ của
pin
n Mặt trời. Trong

T
quá trình này, ccả năng lượ
ợng và độnng lượng củ
ủa tất cả cácc hạt
phảải được bảoo toàn. Và do động lư
ượng của photon
p
( pλ = h / λ ) là rất nhỏ soo với
độnng lượng tinh thể (p = h/l) nên qquá trình hấấp thụ photton phải bảảo toàn về động
đ
lượ
ợng của điệện tử. Hệ sốố hấp thụ đđối với mộtt photon năăng lượng h  tỷ lệ vớii xác
Họ
ọc viên: Đàoo Đức Tuânn

2
Khóaa : 2009 – 2011


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
suất P12 của chuyển dịch từ trạng thái đầu có năng lượng E1 tới trạng thái cuối có
năng lượng E2 của một điện tử, với mật độ của các điện tử trong trạng thái đầu và
mật độ của các trạng thái cho phép trong trạng thái cuối, và được diễn tả theo mối
liên hệ sau:
α ( hν ) ≈ ∑ P12 gV ( E1 )g C ( E 2 )

(1.3)

Trong chất bán dẫn vùng cấm trực tiếp như GaAs, GaInP, CdTe và
Cu(InGa)Se2, quá trình hấp thụ cơ bản được mô tả như trong hình I.3

Hình I.3: Quá trình hấp thụ photon có năng lượng h = E2 – E1> Eg trong bán dẫn
vùng cấm trực tiếp.
Trong (I.3) E1, p1 và E2, p2 lần lượt là năng lượng và động lượng của điện tử
ở trạng thái đầu và trạng thái cuối. Vì động lượng của điện tử bảo toàn nên p1 ≈ p2 =
p và sự bảo toàn về năng lượng cho ta h = E2 – E1
Do giả thiết các vùng năng lượng có dạng parabol nên
p2
EV − E1 =
2m*p

(1.4)

p2
2mn*

(1.5)

E2 − EC =

Với m *p và m n* lần lượt là khối lượng hiệu dụng của lỗ trống và điện tử
Từ các phương trình trên ta có:

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
13

Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
hν − E g =

p2 ⎛ 1
1 ⎞
⎜⎜ * + * ⎟⎟
2 ⎝ mn m p ⎠

(1.6)

và hệ số hấp thụ đối với dịch chuyển trực tiếp là [32]

α ( hν ) ≈ A* ( hν − Eg )

1/2

(1.7)

Trong chất bán dẫn vùng cấm gián tiếp như Si và Ge, do vị trí đỉnh vùng hóa
r
trị và đáy vùng dẫn không có cùng một giá trị của vecto sóng k nên để đảm bảo sự
bảo toàn về động lượng của điện tử, quá trình hấp thụ photon cần có sự tham gia
của một hạt khác. Các hạt phonon, đặc trưng cho các dao động mạng, là các hạt có
năng lượng thấp nhưng lại có động lượng tương đối cao vì vậy chúng là các hạt
thích hợp có thể tham gia để đảm bảo sự bảo toàn trong quá trình hấp thụ photon.
Quá trình hấp thụ ánh sáng khi đó có thể xảy ra cùng với sự hấp thụ hoặc phát xạ
phonon, điều này được mô tả như trong hình I.4.

Hình I.4: Quá trình hấp thụ photon trong bán dẫn vùng cấm gián tiếp với photon
tới có năng lượng hv < E2 – E1 và photon tới có năng lượng hv > E2 – E1.
Khi đó hệ số hấp thụ trong trường hợp có hấp thụ phonon sẽ được tính theo
công thức :
α a ( hν ) =

A ( hν − Eg + E ph )
e

E ph / kT

2

−1

(1.8)

và trong trường hợp có phát xạ phonon theo công thức

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
14


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
α e ( hν ) =

A ( hν − Eg − E ph )
1− e

2

− E ph / kT

(1.9)

Trong trường hợp xảy ra cả hai quá trình hấp thụ và phát xạ phonon, hệ số
hấp thụ được viết tổng quát là:
α ( hν ) = α a ( hν ) + α e ( hν )

(1.10
Vì vậy đối với chất bán dẫn vùng cấm gián tiếp hệ số hấp thụ không chỉ phụ
thuộc vào mật độ các điện tử điền đầy trạng thái đầu và mật độ các điện tử trống
trong trạng thái cuối mà còn phụ thuộc vào sự có mặt của các phonon với động
lượng thích hợp. Chính vì vậy, hệ số hấp thụ của các chuyển tiếp gián tiếp là tương
đối nhỏ so với chuyển tiếp trực tiếp.
Quá trình hấp thụ ánh sáng sẽ tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống trong chất
bán dẫn với tốc độ là một hàm của vị trí bên trong pin Mặt trời.
G ( x ) = (1 − s ) ∫ (1 − r ( λ ) ) f ( λ ) α ( λ ) e−α x dλ
λ

(1.11

ở đây s là hệ số che phủ của lưới điện cực, r(λ) là sự phản xạ, α(λ) là hệ số
hấp thụ, f(λ) là thông lượng photon tới (số photon tới trên một đơn vị diện tích bề
mặt trên một giây tại từng bước sóng) và giả sử là ánh sáng chiếu tới tại x = 0.

Trong quá trình hấp thụ ánh sáng, có thể xảy ra quá trình hấp thụ của các hạt
tự do. Đây là quá trình các điện tử trong vùng dẫn hấp thụ năng lượng của một
photon và chuyển lên trạng thái trống có năng lượng cao hơn trong vùng dẫn, và do
nó chỉ xảy ra đáng kể đối với các photon có năng lượng E < Eg nên trong pin Mặt
trời có một lớp chuyển tiếp p-n thì nó không ảnh hưởng tới sự tạo cặp và có thể bỏ
qua. Tuy nhiên, sự hấp thụ các hạt tự do này lại được xét đến trong hệ thống các
tandem cell mà ở đó một pin Mặt trời với vùng cấm rộng Eg1 được đặt trên một pin
Mặt trời với vùng cấm nhỏ hơn (Eg2 < Eg1). Các photon với năng lượng quá thấp để
hấp thụ trong pin Mặt trời thứ nhất (hv < Eg1) có thể truyền tới pin Mặt trời thứ 2 và
có thể bị hấp thụ ở đây nếu hν  > Eg2.
Sau quá trình hấp thụ ánh sáng tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống, dưới tác
dụng của điện trường tiếp xúc tạo ra bởi chuyển tiếp p-n các hạt điện tử và lỗ trống

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
15


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
sẽ di chuyển về hai điện cực của pin hình thành dòng điện, pin Mặt trời có hiệu suất
cao khi dòng chuyển dời của các hạt này lớn. Tuy nhiên, sau khi được tạo ra, các
hạt điện tử và lỗ trống có thể bị tái hợp thông qua các cơ chế: tái hợp qua các bẫy
(khuyết tật) trong vùng cấm, tái hợp phát xạ (tái hợp vùng-vùng), và tái hợp Auger
như được mô tả trong hình I.5.

Hình I.5: Các quá trình tái hợp trong chất bán dẫn.
Tốc độ tái hợp qua các khuyết tật được xác định theo công thức

RSLT =

(

τ SLT,n p + ni e( E − E
i

T

pn − ni2

) / kT

)

(

+ τ SLT, p n + ni e(

ET − Ei ) / kT

)

(1.12

ở đây thời gian sống của các hạt tải được xác định theo công thức
τ SLT =

1
συth N T

(1.13

Tốc độ tái hợp tỷ lệ nghịch với thời gian sống của các hạt tải, sự tái hợp này
tăng khi mật độ khuyết tật tăng. Trong trường hợp vật liệu loại p (p ≈ p0

 n0), nồng

độ pha tạp thấp và năng lượng của khuyết tật ở gần giữa vùng cấm (ET ≈ Ei), tốc độ
tái hợp có thể được viết như sau:
RSLT ≈

n − n0

τ SLT,n

(1.14

Chú ý rằng, tốc độ tái hợp chỉ phụ thuộc duy nhất vào hạt tải không cơ bản
(hay còn được gọi là hạt tải hạn chế), điều này là hợp lý vì có rất nhiều các hạt tải
Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
16


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
không cơ bản hơn các hạt tải cơ bản và mỗi loại trong số chúng là cần thiết cho sự

tái hợp.
Nếu các điều kiện phun cao chiếm ưu thế (p ≈ n
RSLT ≈

 p0, n0) ta có

n
p
≈
τ SLT, p + τ SLT, n τ SLT, p + τ SLT, n

(1.15

Trong trường hợp này, thời gian sống tái hợp hiệu dụng là tổng của thời gian
sống của cả hai hạt tải và do đó nó có thời gian sống dài hơn so với trong trường
hợp mức phun thấp chiếm ưu thế. Tuy vậy với một số lượng lớn các lỗ trống và các
điện tử tồn tại trong điều kiện mức phun cao chiếm ưu thế, sự tái hợp vẫn sẽ xảy ra
với tốc độ cao. Điều này có thể coi là đáng kể trong vùng cơ sở của các pin Mặt
trời, đặc biệt đối với các pin Mặt trời hội tụ, vì vùng cơ sở là lớp được pha tạp ít
nhất.
Tái hợp vùng – vùng (tái hợp phát xạ) có thể hiểu đơn giản là quá trình
ngược lại của phát xạ quang và sự tái hợp này xảy ra nhiều hơn trong chất bán dẫn
vùng cấm trực tiếp. Tốc độ tái hợp được xác định bởi công thức
Rλ = B ( pn − ni2 )

Nếu chất bán dẫn là loại n (n

(1.16

 p0) ở mức phun thấp (p0   p    n0) thì

 n0

tốc độ tái hợp phát xạ có thể được viết theo thời gian sống hiệu dụng τ λ, p như sau
Rλ ≈

p − p0

τ λ, p

(1.17

ở đây
τ λ, p =

1
n0 B

(1.18

Tái hợp Auger là một quá trình tương tự như tái hợp phát xạ nhưng ở đây
trong quá trình tái hợp, năng lượng được truyền cho một hạt khác (có thể trong
vùng dẫn hoặc trong vùng hóa trị) như trong hình I.5. Tốc độ tái hợp Auger được
xác định theo công thức
RAuger = ( Λ n n + Λ p p ) ( pn − ni2 )

Học viên: Đào Đức Tuân

(1.19

Khóa : 2009 – 2011
17


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
Trong chất bán dẫn loại n ở mức phun thấp (giả sử Λ n và Λ p là các độ lớn có
thể so sánh được), tốc độ tái hợp Auger có thể viết lại thành
RAuger ≈

p − p0

(1.20

τ Auger, p

với thời gian sống hiệu dụng:
τ Auger, p =

1
Λ n n02

(1.21

Mỗi quá trình tái hợp có thể xảy ra song song với nhau và với số lượng lớn
trong vùng cấm, do đó tốc độ tái kết hợp tổng cộng phải là tổng các tốc độ tái hợp
của mỗi quá trình:
⎡
⎤

R = ⎢ ∑ RSLT,i ⎥ + Rλ + RAuger
⎣ trapsi
⎦

(1.22

khi đó thời gian sống hiệu dụng của các hạt tải không cơ bản đối với một vật
liệu bị pha tạp ở mức phun thấp sẽ là
⎡
1 ⎤ 1
1
= ⎢∑
⎥+ +
τ ⎢⎣ trapsi τ SLT,i ⎥⎦ τ λ τ Auger
1

(1.23

Các quá trình tái hợp đã nói ở trên phổ biến trong các pin Mặt trời chuyển
tiếp đồng chất, còn trong các pin Mặt trời có chuyển tiếp được hình thành bởi các
vật liệu khác nhau còn có sự tái hợp qua các khuyết tật bề mặt như hình I.6.

Hình I.6: Các trạng thái bề mặt tại bề mặt của chất bán dẫn hoặc mặt phân cách
giữa hai vật liệu khác nhau.
Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
18

Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
Tốc độ tái hợp qua các khuyết tật bề mặt này được xác định theo công thức
như trong [34] RS = Sp (p – p0) trong vật liệu loại n và RS = Sn (n- n0) trong vật liệu
loại p. Sp và Sn là các vận tốc tái hợp bề mặt hiệu dụng.
Sự tái hợp là quá trình tự nhiên, diễn ra sau quá trình phát sinh cặp điện tử lỗ trống nhờ hấp thụ ánh sáng. Quá trình này làm giảm số lượng hạt tải (điện tử và
lỗ trống) được tạo ra và do đó làm giảm cường độ dòng quang điện (dòng khuếch
tán của các hạt tải không cơ bản). Trong trường hợp hoạt động ổn định của pin Mặt
trời, sự khuếch tán của các hạt tải không cơ bản có thể được biểu diễn thông qua
phương trình khuếch tán của các hạt tải không cơ bản như được viết dưới đây:
qμ p

r
d
d2 p
pE − qD p 2 = q ( G − R )
dx
dx

(1.24

qμn

r
d
d2n
nE + qDn 2 = q ( R − G )
dx
dx

(1.25

( )

( )

Trong các vùng đủ xa so với chuyển tiếp p-n của pin Mặt trời (các vùng gần
như trung hòa) điện trường là rất nhỏ. Khi xem xét hạt tải không cơ bản (các lỗ
trống trong vật liệu loại p và các điện tử trong vật liệu loại n) và ở mức phun tạp
thấp (Δp = Δn

 ND, NA) thì dòng cuốn có thể được bỏ qua so với dòng khuếch tán.

Khi đó tốc độ tái hợp có thể được viết đơn giản là :
R=

nP − nP0

τn

=

ΔnP

=

ΔpN

(1.26

τn

trong vùng loại p và
R=

p N − pN 0

τp

(1.27

τp

trong vùng n.
ΔpN và ΔnP là sự biến thiên của các nồng độ hạt tải không cơ bản, thời gian
sống các hạt tải không cơ bản, τn và τp được đưa ra trong (1.23). Trong các phương
trình trên, các ký tự “P” và “N” được sử dụng để chỉ các đại lượng tương ứng trong
các vùng loại p và loại n, còn các ký tự “p” và “n” là chỉ các đại lượng liên quan với
các lỗ trống và các điện tử.
Các phương trình (1.24) và (1.25) có thể được viết rút gọn lại thành
Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
19


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường

Dp

d 2 ΔpN ΔpN
−
= −G ( x )
τp
dx 2

(1.28

Dn

d 2 ΔnP ΔnP
−
= −G ( x )
τn
dx 2

(1.29

trong vật liệu loại n và

trong vật liệu loại p.
Sử dụng các điều kiện biên của pin Mặt trời cùng với phương trình phát sinh
hạt tải ta có thể viết lại phương trình (1.28) và (1.29) thành
Δ p N ( x ) = AN sinh ⎡⎣ ( x + x N ) / L p ⎤⎦ + B N cosh ⎡⎣ ( x + x N ) / L p ⎤⎦ + Δ p ′N ( x )

(1.30

trong vật liệu loại n và

Δ n P ( x ) = AP sinh ⎡⎣ ( x − x P ) / Ln ⎤⎦ + B P cosh ⎡⎣ ( x − x P ) / Ln ⎤⎦ + Δ n ′P ( x )

(1.31

trong vật liệu loại p.
Mật độ dòng các hạt tải không cơ bản trong các vùng gần như trung hòa
được coi là dòng khuếch tán và được biểu diễn qua công thức
r
dΔp N
J p , N ( x ) = − qD p
dx

(1.32

và
r
d Δ nP
J n , P ( x ) = − qDn
dx

(1.33

Khi đó dòng tổng cộng sẽ là
I = A ⎡⎣ J p ( x ) + J n ( x ) ⎤⎦

(1.34

ở đây A là diện tích của pin Mặt trời
Dòng các hạt tải không cơ bản này cũng chính là dòng điện được tạo ra sau
khi pin Mặt trời hấp thụ ánh sáng. Với mỗi thiết bị pin Mặt trời khác nhau thì cường

độ dòng điện tạo ra cũng khác nhau và để đặc trưng cho khả năng chuyển hóa năng
lượng ánh sáng Mặt trời thành điện năng người ta đưa ra đại lượng hiệu suất của pin
Mặt trời.
Hiệu suất của pin Mặt trời được định nghĩa là công suất lớn nhất tạo ra bởi
pin Mặt trời chia cho tổng công suất của các photon ánh sáng chiếu tới.

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
20


Nghiên cứu chế
N
c tạo và một
m số tính chất Vật lýý của các lớ
ớp màng bánn dẫn họ thhiếc
suunphua (p-S
SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định
đ
hướngg ứng dụng trong pin Mặt
M trời thếế hệ
t 3 mới thhân thiện vớ
thứ
ới môi trườnng
Giả sử gọi Pin là tổ
ổng công suuất của ánh sáng chiếu tới, ta có:
Pinn = ∫
λ

hc
Φ 0 ( λ ) dλ
λ

(1.335

Dưới táác dụng củaa ánh sáng chiếu tới, pin
p Mặt trờii sản sinh raa một công suất
Pouut được xác định bằng tích của điệện thế và dòng điện. G
Giá trị này đạt
đ lớn nhấất khi
mậật độ dòng điện
đ
và điệện áp có giáá trị tương ứng là Imp và Vmp đượ
ợc thể hiện trên
đườ
ờng đặc trư
ưng mật độ dòng
d
điện và
v điện áp như
n hìnhI.7.

Hìnnh I.7: Đặc trưng I-V của
c pin Mặtt trời.
Khi đó
ó ta có thể xác định đđược hiệu suất của qquá trình ch
huyển đổi năng
n
lượ

ợng quang đối
đ với một pin Mặt trờ
ời theo công
g thức:
η=

(I

V

mp mp

)

(1.336

Pin

Theo công thức trrên, để xác định hiệu suất
s của pinn Mặt trời, ta
t phải xác định
đượ
ợc các giá trị
t Imp và Vmp. Việc xáác định cácc giá trị Vmpp và Imp phải dựa vào việc
giảải phương trrình vi phânn
∂ ( IV
V)
∂P
∂I ⎤
⎡

=
= ⎢I +V
=0
∂V V =V
∂V V =Vmp
∂V ⎥⎦ V =V
⎣
mp

(1.337

mp

đ rồi từ đó
đ xác địnhh Imp. Công việc
Để tìm giá trị Vmpp tại đó côngg suất cực đại,
này
y không đơn
n giản vì thhế hiệu suấtt của pin Mặt trời thườ
ờng được xáác định dựaa trên
đườ
ờng đặc trư
ưng I-V thôn
ng qua các ggiá trị Voc và
v Isc.
Họ
ọc viên: Đàoo Đức Tuânn

2
Khóaa : 2009 – 2011

Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
η=

FFVoc I sc
Pin

(1.38

Trong công thức trên, Voc là điện áp hở mạch, Isc là dòng điện ngắn mạch và
số hạng FF được gọi là hệ số điền đầy, có thể coi nó là tỷ lệ giữa hai hình chữ nhật
trong hình I.7. Giá trị của hệ số điền đầy luôn nhỏ hơn 1 và được xác định theo [18]
FF =

Voc −

kT
ln [ qVoc / kT + 0.72]
q
Voc + kT / q

(1.39

Từ công thức này ta có thể thấy rằng khi tăng Voc thì giá trị của FF cũng tăng
do đó việc thiết kế pin Mặt trời hiệu suất cao phải đảm bảo hai mục tiêu quan trọng
là
™ Có tốc độ tái hợp nhỏ nhất

™ Có hệ số hấp thụ các photon lớn nhất (E > Eg)
Rõ ràng rằng, trái với sự phức tạp của các biểu thức mô tả sự hoạt động của
pin Mặt trời thì nguyên tắc cơ bản của nó lại rất dễ hiểu. Đó đơn giản chỉ là sự hình
thành các cặp điện tử - lỗ trống bên trong pin Mặt trời sau khi pin Mặt trời hấp thụ
các photon ánh sáng chiếu tới và tập hợp nó lại trước khi nó bị tái kết hợp.
Với nguyên tắc đơn giản và hai yên cầu trên, pin Mặt trời đã trải qua nhiều
năm phát triển với nhiều thế hệ pin Mặt trời có hiệu suất chuyển đổi năng lượng
cao.
1.1.3 Sự phát triển của pin Mặt trời
Các pin Mặt trời Si lần đầu tiên được chế tạo thành công khi phòng thí
nghiệm Bell báo cáo tính nhạy của Si với áng sáng Mặt trời. Những thập niên sau
đó, pin Mặt trời tiếp tục phát triển và được đưa vào sử dụng trong không gian trên
vệ tinh thông tin liên lạc đầu tiên. Hiện nay theo phương thức, vật liệu chế tạo mà
pin Mặt trời được chia thành nhiều thế hệ khác nhau. Thế hệ pin Mặt trời đầu tiên
được sử dụng là các thế hệ pin Mặt trời dựa trên tinh thể Si. Đây là thế hệ được sử
dụng nhiều nhất trong các lĩnh vực thương mại, chiếm 89.6 % sản phẩm pin Mặt
trời năm 2007. Đặc điểm của thế hệ pin Mặt trời loại này là có kích thước lớn với

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
22


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường
một lớp Si dùng để hấp thụ có bề dày cỡ hàng chục micromet. Ngoài ra do Si có bề
rộng vùng cấm nhỏ Eg = 1.1 eV, giá trị này đảm bảo cho pin Mặt trời có khả năng
hấp thụ nhiều ánh sáng và tạo ra số lượng cặp điện tử - lỗ trống lớn. Tuy nhiên, điều

này cũng làm các hạt tải động bị mất một lượng năng lượng lớn dưới dạng nhiệt.
Bên cạnh đó, một nhược điểm lớn của thế hệ này là do việc chế tạo lớp hấp thụ đòi
hỏi phải có bề dày lớn mà lại là dạng tinh thể nên giá thành của nó cao hơn các thế
hệ pin Mặt trời khác vì tốn nhiều nguyên vật liệu. Hiệu suất đạt được của thế hệ pin
Mặt trời này khá cao (13 – 16%).

Hình I.8: Thế hệ pin Mặt trời thứ nhất dựa trên tinh thể Si
Để khắc phục nhược điểm của thế hệ đầu tiên thế hệ pin Mặt trời thứ 2 dựa
trên các màng mỏng đa tinh thể và Si vô định hình đã được chế tạo. Ở thế hệ này,
vật liệu dùng để chế tạo các pin Mặt trời là Si đa tinh thể hoặc Si vô định hình nên
quá trình chế tạo dễ dàng hơn, không đòi hỏi độ tinh khiết cao như chế tạo đơn tinh
thể Si. Điều này làm giảm giá thành của các pin Mặt trời thế hệ này. Tuy nhiên, do
bản chất của vật liệu đa tinh thể, trong cấu trúc tồn tại các biên hạt có khả năng làm
hạn chế sự di chuyển của các hạt tải. Vì vậy mà hiệu suất của pin Mặt trời thế hệ
này thường không cao chỉ đạt cỡ 11%.

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
23


Nghiên cứu chế tạo và một số tính chất Vật lý của các lớp màng bán dẫn họ thiếc
sunphua (p-SnS, n-SnS2, n-Sn2S3) định hướng ứng dụng trong pin Mặt trời thế hệ
thứ 3 mới thân thiện với môi trường

Hình I.9: Pin Mặt trời thế hệ thứ 2
Bên cạnh việc sử dụng vật liệu Si đa tinh thể, thế hệ thứ 2 này còn sử dụng
vật liệu Si vô định hình trong chế tạo pin Mặt trời. Điểm nổi bật của công nghệ này
là có thể chế tạo các pin Mặt trời dạng màng mỏng để làm lớp hấp thụ nhưng do là

được chế tạo từ vật liệu Si vô định hình nên các pin Mặt trời thế hệ này không ổn
định và có hiệu suất thấp hơn so với thế hệ đầu tiên.
Thế hệ pin Mặt trời thứ 3 được dựa trên các hợp chất bán dẫn nhóm II-VI,
III-V. Điểm khác biệt của thế hệ này so với thế hệ thứ nhất và thứ hai là thông qua
các phương pháp chế tạo cùng sự phong phú của các nguyên tố hoá học có thể tạo
ra các lớp vật liệu có bề rộng vùng cấm thích hợp nhất cho việc hấp thụ năng lượng
Mặt trời và chuyển hoá thành năng lượng điện. Trong số đó phải kể tới các hợp chất
như CdTe, CuInSe2, Cu(In,Ga)Se (viết tắt là CIS, CIGS). Đây là các vật liệu đã
được nghiên cứu chế tạo và được ứng dụng cho kết quả tốt trong các hệ thống pin
Mặt trời với hiệu suất cao.
™ CdTe (Cadmium Telluride): Cadmium Telluride là một hợp chất ổn định
trong giản đồ pha Cd-Te nên nó có thể được chế tạo theo nhiều phương
pháp khác nhau. Hợp chất này được tổng hợp lần đầu tiên năm 1947 bởi
Frerichs [16] từ phản ứng giữa các hơi Cd và Te trong khí hidro. Khi
được pha tạp bởi các nguyên tố khác nhau CdTe sẽ thể hiện tính chất như
một chất bán dẫn loại n hoặc p. Vật liệu bán dẫn CdTe có bề rộng năng

Học viên: Đào Đức Tuân

Khóa : 2009 – 2011
24