Nghiên cứu động học quá trình lắng đọng lớp hấp thụ của pin mặt trời màng CIGS trong phương pháp điện hóa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_______________________

Đặng Thị Bích Hợp

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH LẮNG ĐỌNG
LỚP HẤP THỤ CỦA PIN MẶT TRỜI MÀNG CIGS
TRONG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_______________________

Đặng Thị Bích Hợp

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH LẮNG ĐỌNG
LỚP HẤP THỤ CỦA PIN MẶT TRỜI MÀNG CIGS
TRONG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA

Chuyên ngành: Vật lý Nhiệt
Mã số: (Đào tạo thí điểm)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS. Phạm Hồng Quang
2. PGS. TS. Đỗ Thị Kim Anh

Hà Nội – 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác

Tác giả


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin kính gửi tới PGS. TS. Phạm Hồng Quang và PGS. TS. Đỗ
Thị Kim Anh những lời cảm ơn sâu sắc nhất. Các Thầy là người đã trực tiếp hướng
dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới các thầy cô trong Bộ môn Vật lý
Nhiệt độ thấp, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG Hà Nội đã
tạo những điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Đỗ Phúc Quân và NCS. Lưu Mạnh Quỳnh,
những người đã rất nhiệt tình cùng tôi thực hiện các phép đo đạc và vận hành các
thiết bị thí nghiệm.
Tôi cũng xin gửi tới TS. Ngô Đình Sáng, TS. Vũ Văn Khải, TS. Trần Hải Đức,
ThS. Đỗ Quang Ngọc lời cảm ơn chân thành vì sự quan tâm, động viên cũng như các
ý kiến đóng góp, các thảo luận khoa học trong quá trình hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Phòng Vật lý Khí quyển
cũng như Lãnh đạo Viện Vật lý Địa cầu, Viện Hàn lâm KHCN Việt Nam đã luôn
động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian thực hiện luận án.

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới đề tài QG 10-15 đã có những hỗ trợ về kinh phí
trong quá trình tôi làm thực nghiệm.
Cuối cùng, tôi đặc biết bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Bố, Mẹ, Anh, Chị, Em
và đặc biệt là Chồng tôi, những người đã luôn mong mỏi, động viên, giúp tôi thêm
nghị lực để hoàn thành luận án này!
Hà Nội, tháng 10 năm 2015

Tác giả


MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục …………………………………………………………………………...1
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt…………………………….……………….5
Danh mục các bảng ……………………………………………………………....6
Danh mục các hình ảnh, đồ thị ……………………………………………..…….7
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................11
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG CIGS ……18
1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS ............19
1.1.1. Cấu trúc cơ bản của PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS ................................19
1.1.2. Sơ đồ vùng năng lượng của PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS ....................21
1.1.3. Nguyên lý hoạt động của PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS .......................21
1.1.4. Đặc trưng dòng-thế (I-V) của PMT .............................................................23
1.2. Lớp hấp thụ CIGS ..............................................................................................25
1.2.1. Tính chất quang điện ...................................................................................25
1.2.1.1. Sự hấp thụ ánh sáng ..............................................................................25
1.2.1.2. Sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm vào thành phần của CIGS ..........25
1.2.2. Cấu trúc tinh thể ..........................................................................................26

1.2.3. Giản đồ pha và các thông số nhiệt động học ...............................................27
1.3. Một số phương pháp lắng đọng chế tạo màng mỏng CIGS ...............................30
1.3.1. Đồng bốc bay từ các nguồn nguyên tố ........................................................30
1.3.2. Selen hóa của lớp tiền chất kim loại ............................................................31
1.3.3. Bốc bay từ các nguồn hợp chất ...................................................................32
1.3.4. Lắng đọng hơi hóa học ................................................................................33
1.4. Phương pháp lắng đọng điện hóa một bước chế tạo màng mỏng CIGS ............33
1.4.1. Cơ chế lắng đọng màng CIGS .....................................................................35
1.4.2. Vai trò của các tham số trong lắng đọng điện hóa màng CIGS ..................36

1


1.5. Nhiệt động học quá trình lắng đọng điện hóa màng mỏng ................................37
1.5.1. Động học điện cực .......................................................................................37
1.5.2. Quá trình lắng đọng điện hóa của các hợp chất ..........................................39
CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .............................................43
2.1. Phương pháp chế tạo mẫu ..................................................................................43
2.2. Nghiên cứu cơ chế lắng đọng màng CIGS .........................................................44
2.2.1. Kỹ thuật Vol-Ampe Vòng (Cyclic Voltammetry - CV) .............................48
2.2.2. Kỹ thuật cân vi lượng tinh thể thạch anh trong điện hóa (EQCM) .............50
2.3. Nghiên cứu cấu trúc và hình thái bề mặt của màng mỏng .................................54
2.3.1. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng (EDS) ............54
2.3.2. Phân tích cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X .....................56
2.4. Đo độ dày màng mỏng bằng phương pháp Stylus Profiler ................................57
2.5. Đo đặc trưng quang - điện ..................................................................................58
2.6. Kỹ thuật ủ xử lý nhiệt.........................................................................................58
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................59
3.1. Nghiên cứu cơ chế tạo pha CuSex trong quá trình điện hóa bằng phương pháp
EQCM .......................................................................................................................59

3.1.1. Thực nghiệm phép đo EQCM kết hợp CV và lắng đọng màng CuSex .......60
3.1.2. Vai trò của chất tạo phức axit sulfamic trong sự tạo pha CuSex trong chế độ
quét thế ..................................................................................................................63
3.1.2.1. Cơ chế lắng đọng của Cu - Nghiên cứu EQCM kết hợp CV................63
3.1.2.2. Cơ chế lắng đọng của hệ Cu –Se. Nghiên cứu EQCM kết hợp CV .....66
3.1.3. Vai trò của chất axit sulfamic trong sự tạo pha CuSex trong chế độ thế
không đổi ...............................................................................................................72
3.1.3.1. Lắng đọng tại thế không đổi .................................................................72
3.1.3.2. Thành phần của các mẫu lắng đọng ở chế độ thế không đổi ................75
3.2. Nghiên cứu lắng đọng Ga (hệ CuGaSe2) trên các đế Mo và ITO ......................77
3.2.1. Thực nghiệm về lắng đọng Ga (hệ CuGaSe2) trên các đế Mo và ITO ........78
3.2.2. Các kết quả CV ............................................................................................79

2


3.2.2.1. Đặc trưng I-V của các đơn chất Cu, Ga và Se ......................................79
3.2.2.2. Đặc trưng I-V của hệ 3 nguyên Cu-Ga-Se............................................83
3.2.3. Kết quả lắng đọng của màng CuGaSe2 .......................................................84
3.3. Nghiên cứu cơ chế lắng đọng điện hóa màng mỏng CIGS bằng phương pháp
Vol-Ampe Vòng (CV)...............................................................................................86
3.3.1. Thực nghiệm về lắng đọng điện hóa màng mỏng CIGS bằng phương pháp
Vol-Ampe Vòng (CV) ...........................................................................................87
3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất tạo phức axit sulfamic lên quá trình lắng đọng
điện hóa lớp hấp thụ CIGS - Các kết quả CV .......................................................88
3.3.2.1. Đặc trưng I-V của các đơn chất Cu, Ga, In và Se ................................88
3.3.2.2. Đặc trưng I-V của hệ 2 nguyên Cu- Se.................................................92
3.3.2.3. Đặc trưng I-V của hệ bốn Cu-In-Ga-Se ................................................95
3.3.3. Ảnh hưởng của nồng độ chất tạo phức axit sulfamic acid lên thành phần
màng CIGS ............................................................................................................96

3.3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ axit sulfamic lên thành phần màng mỏng
CIGS trước khi xử lý nhiệt ................................................................................96
3.3.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ axit sulfamic lên thành phần màng mỏng
CIGS sau khi xử lý nhiệt....................................................................................97
3.3.4. Ảnh hưởng của nồng độ axit sulfamic lên độ dày, hình thái học và độ kết
tinh màng CIGS .....................................................................................................97
3.4. Chế tạo màng mỏng CIGS với hợp thức Cu(In0.7Ga0.3)Se2 và khảo sát đặc trưng
quang điện ...............................................................................................................102
3.4.1. Thực nghiệm chế tạo màng mỏng CIGS với hợp thức Cu(In0.7Ga0.3)Se2
và khảo sát đặc trưng quang điện ........................................................................102
3.4.2. Chế tạo màng mỏng CIGS với hợp thức Cu(In0.7Ga0.3)Se2 .......................103
3.4.2.1. Sự phụ thuộc vào điện thế của thành phần màng CIGS .....................103
3.4.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ ion Cu2+ lên thành phần màng CIGS ..........104
3.4.3. Chế tạo thử nghiệm tế bào PMT đơn giản dựa trên màng mỏng CIGS với
hợp thức Cu(In0.7Ga0.3)Se2 ...................................................................................106

3


3.4.3.1. Cấu tạo của PMT Al/CIGS/ITO/soda-lime glass ...............................107
3.4.3.2. Nguyên lý hoạt động của PMT Al/CIGS/ITO/soda-lime glass .........108
3.4.3.3. Khảo sát đặc trưng quang điện ...........................................................109
KẾT LUẬN CHƯƠNG III ...................................................................................111
KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................112
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN ……………………………………………………………...….113
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................114

4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu,

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

CE

Counter Electrode

Điện cực đếm

CV

Cyclic Voltammetry

Quét thế vòng

CVD

Chemical Vapour Deposition

Lắng đọng hơi hóa học

dc

Direct current

Dòng điện một chiều

ED

Electrochemical Deposition

Lắng đọng điện hóa

EDS

Energy Dispersive Spectroscopy

Phổ tán sắc năng lượng

EMF

Electromotive force

Lực điện động lực

EQCM

Electrochemical Quartz Crystal Cân vi lượng tinh thể thạch anh

chữ viết tắt

Microbalance

trong lắng đọng điện hóa

FF

Fill factor (%)

Hệ số điền đầy

J SC

Short

circuit

open

density Mật độ dòng đoản mạch

(mA/cm2)
MBE

Molecular Beam Epitaxy

Epitaxi chùm phân tử

PMT

Solar cell

Pin mặt trời

PV

Photovoltaic

Quang điện

RE

Reference Electrode

Điện cực so sánh

SCE

Satured Calomel Electrode

Điện cực calomel bão hòa

SEM

Scanning Electron Microscopy

Hiển vi điện tử quét

SHE

Standard Hydrogen Electrode

Điện cực chuẩn hydro

TCO

Transparent Conducting oxide

Oxit dẫn điện trong suốt

VOC

Open circuit voltage (V)

Thế hở mạch

WE

Working Electrode

Điện cực làm việc

CIGS

Copper indium gallium (di)selenide
(CuInxGa(1-x)Se2 )

Vật liệu bán dẫn gồm đồng, indi,
gali, và selen

ITO

Tin oxide doped Indium

Oxit thiếc pha tạp Indi

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Một số kết quả sử dụng làm nguồn Se trong phương pháp Selen hóa ........31
Bảng 3.1: Giá trị x mô tả thành phần của màng phát triển trong quá trình lắng đọng
với chế độ thế không đổi được đo bằng EDS. ..........................................................75
Bảng 3.2: Thành phần mẫu CuGaSe2 lắng đọng trên hai đế ITO và Mo tại các điện
thế khác nhau.............................................................................................................84
Bảng 3.3: Thành phần của màng mỏng CIGS chưa ủ được chế tạo ở -0,9 V trong
dung dich chứa axit sulfamic với nồng độ khác nhau được đo bằng EDS. ..............96
Bảng 3.4: Thành phần của màng mỏng CIGS sau ủ được chế tạo ở -0,9 V trong
dung dich chứa axit sulfamic với nồng độ khác nhau được đo bằng EDS. ..............97
Bảng 3.5: Thành phần của màng CIGS lắng đọng ở các điện thế khác nhau được đo
bằng EDS.................................................................................................................104
Bảng 3.6: Thành phần trước khi ủ của các mẫu CIGS được lắng đọng ở -0.9 V từ
dung dịch có nồng độ ion Cu2+ khác nhau được đo bằng EDS ...............................105
Bảng 3.7: Thành phần sau khi ủ của các mẫu CIGS được lắng đọng ở -0.9 V từ
dung dịch có nồng độ ion Cu2+ khác nhau được đo bằng EDS ...............................105

6


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Độ rộng vùng cấm thay đổi theo hằng số mạng của một số chất bán dẫn ....18
Hình 1.2: Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ α vào năng lượng photon của một số chất
bán dẫn .....................................................................................................................18
Hình 1.3: Cấu trúc một PMT màng mỏng CIGS ......................................................19
Hình 1.4: Sơ đồ vùng năng lượng của PMT dạng ZnO/CdS/CIGS ..........................21

Hình 1.5: Sự tạo thành dòng điện của các điện tử-lỗ trống ......................................22
Hình 1.6: Sơ đồ minh họa đặc trưng dòng –thế của PMT trong điều kiện chiếu sáng
và không chiếu sáng ……………………………………………………………….24
Hình 1.7: Mạch điện tương đương của một PMT thực .............................................23
Hình 1.8: Hiệu suất theo lý thuyết (“Wirkungsgrad”) như một hàm của năng lượng
vùng cấm …………………………………………………………………………..26
Hình 1.9: Cấu trúc tinh thể Cu(In,Ga)Se2 (màu đỏ: Cu, màu vàng: Se, màu xanh:
In/Ga) ........................................................................................................................26
Hình 1.10: Giản đồ pha của hệ Cu-Se .......................................................................27
Hình 1.11: Gian đồ pha của hệ Ga-Se ……………………………………………..28
Hình 1.12: Giản đồ pha của hệ Cu-In-Se ………………………………………….28
Hình 1.13: Giản đồ pha của hệ Cu-In-Ga-Se (Ch- pha α (chalcopyrite), P1- pha β,
P2- pha γ và Zb – pha δ (zincblende); đường liền nét – được xác định bằng thực
nghiệm, đường đứt nét – mặc nhiên công nhận) ......................................................29
Hình 1.14: Hệ đồng bốc bay chế tạo CIGS ………………………………………..30
Hình 2.1: Cấu tạo hệ lắng đọng điện hóa một bước..................................................43
Hình 2.2: Các dạng vận chuyển khối lượng ……………………………………….45
Hình 2.3: Đặc trưng dòng – điện thế điển hình của quá trình oxy hóa khử ……….49
Hình 2.4: Cảm biến tinh thể thạch anh với lớp phủ vàng .........................................51
Hình 2.5: (a)- đường cong nạp của các lớp phủ khác nhau trên điện cực tinh thể
thạch anh, (b)- sơ đồ mạch tương đương xác định f và Q của tinh thể thạch anh…52
Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo EQCM …………………………………………………...53

7


Hình 2.7: Hệ EQCM sử dụng trong nghiên cứu …………………………………..54
Hình 2.8: Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét ..................................................55
Hình 2.9: Sơ đồ quá trình nhiễu xạ tia X ………………………………………….56
Hình 2.10: Đặc trưng I-V để xác định các thông số hoạt động của một PMT .........58

Hình 3.1: Cảm biến QSX 301 – standard gold: (a) mặt sau và (b) mặt trước của cảm
biến EQCM ...............................................................................................................60
Hình 3.2: CV của dung dịch nền với axit sulfamic có nồng độ khác nhau...............63
Hình 3.3: CV của dung dịch CuCl2 với axit sulfamic có nồng độ khác nhau...........64
Hình 3.4: Sự thay đổi khối lượng của cảm biến EQCM theo thế quét đối với dung
dịch chứa CuCl2 và axit sulfamic với nồng độ khác nhau. .......................................65
Hình 3.5: Đương lượng M/z theo thế quét đối với dung dịch chứa CuCl2 và axit
sulfamic với nồng độ khác nhau. ..............................................................................66
Hình 3.6: Đường đặc trưng V-A của dung dịch chứa CuCl2, H2SeO3 và axit
sulfamic với nồng độ khác nhau…………………………………………………...67
Hình 3.7. Sự thay đổi khối lượng của cảm biến EQCM theo thế quét đối với dung
dịch chứa CuCl2, H2SeO3 và axit sulfamic với nồng độ khác nhau. .........................67
Hình 3.8. Đương lượng (M/z) theo thế quét đối với dung dịch chứa CuCl2, H2SeO3
và axit sulfamic với nồng độ khác nhau. ...................................................................68
Hình 3.9: Các đồ thị được đo đối với dung dịch CuCl2, H2SeO3 (không chứa axit
sulfamic):(a) đường đặc trưng V-A, (b) sự thay đổi khối lượng của cảm biến EQCM
theo thế quét, (c) đương lượng (M/z) theo thế quét ..................................................69
Hình 3.10: Các đồ thị được đo đối với dung dịch CuCl2, H2SeO3 và 20 mM axit
sulfamic):(a) đường đặc trưng V-A, (b) sự thay đổi khối lượng của cảm biến EQCM
theo thế quét, (c) đương lượng (M/z) theo thế quét ..................................................70
Hình 3.11: Các đồ thị được đo đối với dung dịch CuCl2, H2SeO3 và 40 mM axit
sulfamic):(a) đường đặc trưng V-A, (b) sự thay đổi khối lượng của cảm biến EQCM
theo thế quét, (c) đương lượng (M/z) theo thế quét ..................................................71
Hình 3.12: Đồ thị Δf - ΔQ được đo trong dung dịch chứa axit sulfamic với nồng độ
khác nhau ở thế lắng đọng -0,3 V ............................................................................73

8


Hình 3.13: Đồ thị Δf - ΔQ được đo trong dung dịch chứa axit sulfamic với nồng độ

khác nhau ở thế lắng đọng -0,6 V .............................................................................74
Hình 3.14: Đồ thị Δf - ΔQ được đo trong dung dịch chứa axit sulfamic với nồng độ
khác nhau ở thế lắng đọng -0,9 V .............................................................................75
Hình 3.15: Ảnh SEM của mẫu được lắng đọng ở -0,9 V từ dung dịch chứa axit
sulfamic với nồng độ: a) 20 mM và b) 40 mM. ........................................................77
Hình 3.16: Các đường CV của dung dịch nền với điện cực làm việc: (1) ITO và (2)
Mo .............................................................................................................................80
Hình 3.17: Các đường CV của dung dịch chứa 15 mM CuCl2 với điện cực làm việc:
(1) ITO và (2) Mo .....................................................................................................81
Hình 3.19: Các đường CV của dung dịch chứa 20 mM H2SeO3 với điện cực làm
việc: (1) ITO và (2) Mo .............................................................................................82
Hình 3.20: Các đường CV của dung dịch chứa 15 mM CuCl2, 24 mM Ga(NO3)3 và
20 mM H2SeO3 với điện cực làm việc là 2 đế: (1) ITO và (2) Mo. ..........................83
Hình 3.21: Phổ EDS của màng CGS được lắng đọng tại -0,9 V trên đế Mo ............85
Hình 3.22: Ảnh SEM của màng CGS được lắng đọng tại -0,9 V trên đế Mo ..........86
Hình 3.23: Đặc trưng I-V của dung dịch CuCl2 với nồng độ axit sulfamic khác nhau
...................................................................................................................................89
Hình 3.24: Đặc trưng I-V của dung dịch InCl3 với nồng độ axit sulfamic khác nhau
...................................................................................................................................90
Hình 3.24*: Hình phóng to của phần nằm trong vòng tròn nét đứt của hình 3.24. ..90
Hình 3.25: Đặc trưng I-V của dung dịch GaCl3 với nồng độ axit sulfamic khác nhau.
...................................................................................................................................91
Hình 3.26: Đặc trưng I-V của dung dịch H2SeO3 với nồng độ axit sulfamic khác
nhau. ..........................................................................................................................92
Hình 3.27: Đặc trưng I-V của dung dịch chứa 20mM CuCl2, 20mM H2SeO3 với
nồng độ axit sulfamic khác nhau ...............................................................................93
Hình 3.28: Đặc trưng I-V của hệ 4 nguyên Cu-In-Ga-Se cho các dung dịch với nồng
độ khác nhau của axit sulfamic .................................................................................95

9

Hình 3.29: Ảnh chụp SEM bề mặt và mặt cắt ngang của mẫu (trước khi ủ) được
lắng đọng từ dung dịch chứa axit sulfamic với nồng độ: a, a') 0 mM; b, b') 20 mM
và c, c') 40 mM ..........................................................................................................99
Hình 3.30: Ảnh chụp SEM bề mặt và mặt cắt ngang của mẫu (sau khi ủ) được lắng
đọng từ dung dịch chứa axit sulfamic với nồng độ: a, a') 0 mM; b, b') 20 mM và c,
c') 40 mM ..................................................................................................................99
Hình 3.31: Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu CIGS: a) trước ủ và b) sau ủ .......100
Hình 3.32: Phổ EDS của màng CIGS được lắng đọng tại -0,9 V ...........................106
Hình 3.33: Ảnh SEM chụp bề mặt của màng CIGS được lắng đọng tại -0,9 V .....106
Hình 3.34: Sơ đồ cấu tạo của PMT cấu trúc Al/CIGS/ITO/soda-lime glass ..........107
Hình 3.35: Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của chuyển tiếp dị chất CIGS/ITO khi
có chiếu sáng trong điều kiện hở mạch. ..................................................................108
Hình 3.36: Đặc trưng dòng-thế của PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS với hợp thức
Cu(In0.7Ga0.3)Se2 dưới điều kiện chiếu sáng (đường liền nét) và không chiếu sáng
(đường nét đứt) ........................................................................................................109

10


MỞ ĐẦU
Năng lượng mặt trời sẽ trở thành nguồn năng lượng chính trên hành tinh vào
năm 2025, nhờ những cải tiến trong công nghệ quang điện và liên kết hóa học. Tỷ lệ
chuyển đổi năng lượng mặt trời trung bình cũng sẽ tăng vọt. Đây là một trong những
ý tưởng được trình bày trong báo cáo "Thế giới năm 2025 - 10 Dự đoán Đổi mới" của
một nhóm chuyên gia phân tích khoa học thuộc hãng Thomson Reuters [71].
Thật vậy, vấn đề năng lượng đã và đang trở thành đề tài không phải của riêng
một quốc gia nào mà là mối quan tâm của toàn thế giới. Ngày nay, sự nóng lên toàn
cầu là một chủ đề nóng của nhân loại. Nguyên nhân chính của hiện tượng này là do

nhiên liệu hóa thạch bị đốt cháy đã thải khí CO và CO2 vào khí quyển gây ra hiệu ứng
nhà kính. Ngày 11/3/2011, cả thế giới bàng hoàng trước thảm họa kép động đất-sóng
thần tàn phá khu vực Đông Bắc của Nhật Bản khiến khoảng 19.000 người thiệt mạng
hoặc mất tích và châm ngòi cho cuộc khủng hoảng điện hạt nhân tồi tệ nhất trên thế
giới kể từ sau thảm họa Chernobyl năm 1986. Năm 2012, chính tại Việt Nam, hàng
loạt trận động đất đã xảy ra xung quanh thủy điện Sông Tranh II (Quảng Nam). Tuy
các trận động đất này chưa gây thiệt hại nặng về người và tài sản nhưng đã khiến hơn
62.000 dân trong khu vực này luôn sống trong hoang mang lo sợ, không thể yên tâm
làm ăn. Như vậy, bên cạnh việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế cho các nguồn
năng lượng hóa thạch ngày một cạn kiệt thì vấn đề an ninh năng lượng đang hết sức
nóng bỏng và là bài toán thách thức giới khoa học công nghệ trên toàn thế giới. Trước
thực trạng như vậy, giải pháp tối ưu được các nhà khoa học đưa ra chính là năng
lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời - nguồn năng lượng sẵn có và sạch
(không phát thải khí nhà kính).
Vì vậy, nghiên cứu chế tạo và ứng dụng pin mặt trời (PMT) hiện đang là một
trong những hướng nghiên cứu trọng điểm được ưu tiên hàng đầu của hầu hết các quốc
gia trên toàn thế giới, trong đó có Việt Nam. PMT hoạt động dựa trên cơ chế hiệu ứng
quang điện, chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng mà không qua bất
kỳ một bước trung gian nào. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhiều loại vật

11


liệu khác nhau đã được thử nghiệm cho PMT. Hiện nay, loại PMT thương mại nhất
được sử dụng cho những ứng dụng trên mặt đất là “PMT tấm Si” (đơn tinh thể và đa
tinh thể). Thế hệ PMT này chiếm một phần đáng kể trên thị trường PMT thế giới
(chiếm hơn 80% và hiệu suất chuyển đổi năng lượng lên đến gần 25%) [28]. Thế hệ
thứ hai và có triển vọng nhất hiện nay là PMT màng mỏng. Thị trường của loại PMT
màng mỏng dự kiến sẽ tăng đáng kể trong những năm sắp tới [27]. Nhìn chung, hiệu
suất chuyển đổi của loại pin này thấp hơn của PMT tinh thể Silicon, tuy nhiên một số

loại có hiệu suất cao hơn (như GaAs đạt ~ 27,6% [37]). Nhiều nghiên cứu gần đây
cũng đang hướng vào thế hệ PMT thứ ba, sử dụng nhiều loại vật liệu mới như: lớp hấp
thụ là các chất nhạy sáng phủ lên vật liệu TiO2 có cấu trúc nano (hiệu suất chuyển đổi
khoảng 11-12%); các tế bào quang điện hữu cơ (hiệu suất chuyển đổi ~ 6-7%) [27].
Ưu điểm chính của PMT màng mỏng là độ dày của chúng chỉ bằng một phần
rất nhỏ so với các loại PMT khác. Vì vậy, chúng cung cấp nhiều sự lựa chọn hơn
cho các thiết kế và chế tạo thiết bị. Chính kích thước màng mỏng là yếu tố làm giảm
chi phí sản xuất, giảm tạp chất và các sai hỏng tinh thể của lớp, đồng thời dễ dàng
hơn trong việc sản xuất hàng loạt. Công nghệ màng mỏng đã làm cho PMT loại này
trở nên hấp dẫn hơn khi chúng có thể được sử dụng như tấm lợp mái nhà, tấm ốp bề
ngoài các tòa nhà, phủ trên nóc các phương tiện giao thông vận tải v.v... Ngoài ra,
chúng còn rất lí tưởng cho các ứng dụng không gian vũ trụ và thị trường điện tử
xách tay do trọng lượng nhẹ. PMT màng mỏng sử dụng chất bán dẫn có vùng cấm
thẳng làm vật liệu hấp thụ. Loại vật liệu này có nhiều ưu điểm hơn các tinh thể
silicon với vùng cấm nghiêng. Bởi vì vùng cấm nghiêng đòi hỏi lớp hấp thụ phải
dày mới hấp thụ đầy đủ ánh sáng, do đó chúng gặp bất lợi về độ dài khuếch tán và
động học tái tổ hợp của các điện tử. Hiệu suất chuyển đổi của pin được quyết định
bởi chất lượng của lớp hấp thụ.
Trong số các loại vật liệu hấp thụ dành cho pin màng mỏng hiện nay thì
Cu(In/Ga)(Se/S)2) - hơ ̣p chấ t bán dẫn thuô ̣c hê ̣ Cu-chalcopyrite có lẽ là vật liệu triển
vọng nhất với hiệu suất chuyển đổi tối đa trong phòng thí nghiệm đạt ~ 20% [65].
Ngoài ra chúng có hệ số hấp thụ ánh sáng cao nhất (1 × 105/cm) so với các PMT

12


màng mỏng khác [34]. PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS đã chứng minh sự ổn định
lâu dài tuyệt vời với độ chịu bức xạ cao. Với khả năng ứng dụng rộng rãi, tuổi thọ
cao và hơn hết là chi phí sản xuất rẻ, PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS đang thu hút
rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới để nâng cao hiệu suất chuyển đổi (tối đa

theo lý thuyết có thể đạt ~ 30% [78]).
Hiện nay, điện mặt trời đang trên đà phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế
giới, đặc biệt ở các nước công nghiệp phát triển như: Đức, Mỹ, Trung Quốc, Tây Ban
Nha, Italy, Nhật… Trong số đó có mô ̣t số trung tâm nghiên cứu ma ̣nh về PMT màng
mỏng CIGS, điể n hiǹ h là NREL (Mỹ), Đa ̣i ho ̣c tổ ng hơ ̣p Col orado (Mỹ), Đa ̣i ho ̣c
tổ ng hơ ̣p Uppsala (Thụy Điển), Đa ̣i ho ̣c Quố c gia Chonnam (Hàn Quốc).
Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực nhiệt đới, hàng năm nhận được
lượng bức xạ mặt trời rất lớn. Ngoài ra, nước ta nằm trải dài theo bờ biển với nhiều
hòn đảo có dân sinh sống hoặc có các đơn vị quân đội đồn trú thường xuyên. Việc
đưa điện lưới quốc gia đến các đảo này gặp nhiều khó khăn. Do đó, việc khai thác
năng lượng mặt trời để đáp ứng các nhu cầu sinh hoạt trên các đảo này có ý nghĩa lớn
không chỉ về mặt kinh tế mà cả về an ninh quốc phòng. Rõ ràng, tiềm năng và nhu
cầu khai thác điện mặt trời của nước ta rất lớn. Hiện nay, ở nước ta có các nhóm
nghiên cứu PMT tại một số đơn vị nghiên cứu uy tín đang tập trung vào thế hệ PMT
thứ ba, như: Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam với hướng nghiên cứu chấm lượng tử ứng dụng cho PMT; Phòng thí
nghiệm Phân tích và Đo lường vật lý, Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà
Nội; Phòng thí nghiệm Công nghệ nano thuộc Trường Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí
Minh theo hướng nghiên cứu PMT dùng vật liệu chính là TiO2 được nhúng vào dung
dịch tạo màu với hợp chất hữu cơ chứa kim loại có màu xanh… Tuy PMT dựa trên
lớp hấp thụ CIGS đã được nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới nhưng lại là lĩnh vực
rấ t mới mẻ ở Viê ̣t Nam . Tính đến nay, chỉ có 3 nhóm đang nghiên cứu về loại pin
này, đó là: nhóm của GS. TS. Võ Thạch Sơn (ĐH Bách khoa Hà Nội) sử dụng
phương pháp Spray ILGAR (đề tài KC.05.06/11-15) [74], [75], [76]; nhóm của TS.
Nguyễn Duy Cường đang nghiên cứu bằng phương pháp in (gạt) (đề tài Nafosted

13


103.02-2013.36) [62]; và nhóm của chúng tôi do PGS. TS. Phạm Hồng Quang chủ trì

đang nghiên cứu về PMT màng mỏng CIGS (dưới sự hỗ trợ kinh phí của quỹ
NAFOSTED 103.02.59.09 và QG 10-15). Bước đầu nhóm đã đạt được một số kết
quả khả quan và đã có một NCS bảo vệ thành công luận án tiến sĩ [1].
Mục tiêu chính của các nhóm nghiên cứu về PMT màng mỏng CIGS là nâng
cao hiệu suất chuyển đổi và giảm thiểu chi phí sản xuất. Trong các lớp cấu thành
nên một PMT màng mỏng CIGS, lớp hấp thụ CIGS là lớp quan trọng hơn cả và
quyết định phần lớn đến hiệu suất chuyển đổi của pin. Các kỹ thuật hiện có để chế
tạo lớp hấp thụ CIGS có thể chia thành 2 nhóm: nhóm các phương pháp cần chân
không và nhóm các phương pháp không cần chân không [67]. Nhóm thứ nhất gồm
có: đồng bốc bay từ các nguyên tố riêng rẽ, bốc bay từ hợp chất, lắng đọng hơi hóa
học, phún xạ catot, epitaxy chùm phân tử, lắng đọng điện tử xung, lắng đọng bằng
xung laze. Ưu điểm của nhóm này là tạo được mẫu có chất lượng tốt, dễ điều khiển
thành phần mẫu. Nhược điểm của nhóm này là cần thiết bị đắt tiền, nguyên liệu đắt
tiền, hiệu suất sử dụng nguyên liệu thấp và qui mô chế tạo nhỏ. Nhóm thứ hai bao
gồm: lắng đọng điện hóa, lắng đọng bởi nhiệt phân, phun sơn nhiệt. Nhóm này có
ưu điểm là đơn giản, có thể chế tạo qui mô lớn, nguyên liệu ban đầu rẻ, hiệu suất sử
dụng nguyên liệu cao [22], [46]. Tuy nhiên, nhược điểm của nhóm này là chất
lượng mẫu không cao (xốp, kích thước hạt tinh thể nhỏ, độ bám dính hạn chế và
khó khống chế thành phần mong muốn).
Trong các phương pháp không chân không, phương pháp lắng đọng điện hóa
đang tỏ ra có nhiều triển vọng. Nhược điểm chủ yếu của màng CIGS được chế tạo
bằng phương pháp này là giàu Cu, chất lượng tinh thể kém và tồn tại pha Cu-Se
[36], [47]. Tuy nhiên các nhược điểm này đã có hướng khắc phục, bằng cách ủ xử
lý nhiệt. Qúa trình ủ màng ở nhiệt độ cao giúp làm hạt có kích thước đồng đều. Do
vậy, lắng đọng điện hóa đang là phương pháp hấp dẫn đối với các nhóm nghiên cứu
về PMT màng mỏng CIGS trên thế giới và càng tỏ ra thích hợp với điều kiện trang
thiết bị và kinh tế của Việt Nam. Và đây cũng là phương pháp chính được lựa chọn
của nhóm nghiên cứu chúng tôi. Có hai phương pháp lắng đọng điện hóa khác nhau

14

để tạo màng CIGS: lắng đọng điện hóa một bước là phương pháp cung cấp tất cả
các thành phần từ cùng một chất điện phân trong một bước thực hiện duy nhất và
lắng đọng điện hóa nhiều bước là phương pháp lắng đọng lần lượt mỗi thành phần
từ các chất điện phân khác nhau. Để đơn giản hóa việc chế tạo màng mỏng và giảm
các chất độc hại, phương pháp lắng đọng điện hóa một bước thường được sử dụng
hơn. Tuy nhiên lắng đọng điện hóa một bước các màng CIGS gặp nhiều khó khăn
do sự khác biệt về thế khử của mỗi thành phần. Một trong những phương pháp hiệu
quả nhất để khắc phục trở ngại này là thêm chất tạo phức vào dung dịch điện phân
bởi vì chất tạo phức có thể đưa thế khử của các nguyên tố xích lại gần nhau hơn.
Bên cạnh đó, chất tạo phức có thể làm thay đổi cơ chế lắng đọng của màng, tạo
thuận lợi cho quá trình lắng đọng mong muốn và hạn chế quá trình lắng đọng không
mong muốn. Luận án của Ngô Đình Sáng – một thành viên trong nhóm nghiên cứu
của chúng tôi đã tìm ra được axit sulfamic (H3NSO3) là chất tạo phức phù hợp trong
lắng đọng tạo màng CIGS [1]. Luận án này tiếp tục phát triển nghiên cứu để hiểu
chi tiết hơn cơ chế lắng đọng lớp hấp thụ CIGS trong phương pháp điện hóa, cụ thể
là nghiên cứu vai trò của chất tạo phức này trong việc cải thiện chất lượng màng
CIGS, chủ yếu là để thu được màng với hợp thức tối ưu. Đặc biệt, trong hướng
nghiên cứu này chúng tôi có sử dụng kỹ thuật cân vi lượng tinh thể thạch anh kết
hợp điện hóa (EQCM). EQCM là một thiết bị hóa lý đặc biệt tiên tiến, được trang bị
lần đầu tiên và duy nhất hiện tại ở Việt Nam. Chúng tôi là một trong những nhóm
đầu tiên có cơ hội sử dụng kỹ thuật tiên tiến này trong nghiên cứu.
Trên cơ sở các vấn đề đã trình bày ở trên, chúng tôi chọn đề tài của luận án
là: “Nghiên cứu động học quá trình lắng đọng lớp hấp thụ của pin mặt trời
màng CIGS trong phương pháp điện hóa”.
Đối tượng nghiên cứu: Lớp hấp thụ CIGS của PMT.
Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu vai trò của chất tạo phức axit sulfamic
trong việc cải thiện chất lượng màng CIGS, chủ yếu là để thu được màng với hợp
thức tối ưu.

15


Nội dung của luận án: Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chất tạo phức
axit sulfamic trong quá trình chế tạo lớp hấp thụ CIGS ứng dụng cho PMT. Xây
dựng một sự cân đối thông lượng các thành phần, thế lắng đọng để chế tạo màng
CIGS với hợp thức mong muốn CuIn0,70G0,30Se2. Chế tạo PMT với lớp hấp thụ
CIGS và khảo sát tính chất quang điện của nó.
Phương pháp nghiên cứu: Luận án được tiến hành bằng phương pháp thực
nghiệm. Các lớp CIGS được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng điện hóa một
bước. Cơ chế lắng đọng màng CIGS được nghiên cứu bằng phương pháp Vol-Ampe
vòng (CV) và EQCM. Các tính chất của mẫu được nghiên cứu thông qua các phép đo
nhiễu xạ tia X (XDR), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng
(EDS), đặc trưng quang điện.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Luận án là một công trình khoa học nghiên
cứu về lớp hấp thụ CIGS ứng dụng cho PMT. Những kết quả nghiên cứu của luận
án cho thấy vai trò quan trọng của chất tạo phức axit sulfamic trong quá trình lắng
đọng màng mỏng CIGS, đóng góp thêm những thông số mới trong lắng đọng màng
hợp thức CIGS.
Bố cục của luận án: Luận án được viết thành 122 trang, bao gồm mục lục,
phần mở đầu, 3 chương nội dung và phần kết luận. Cuối cùng là tài liệu tham khảo
và danh mục các công trình khoa học liên quan đến luận án đã công bố trong quá
trình nghiên cứu. Cấu trúc cụ thể như sau:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về pin mặt trời dựa trên lớp hấp thụ CIGS
Chương 2: Phương pháp thực nghiệm
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Kết luận chung
Tài liệu tham khảo

Các công trình khoa học của tác giả liên quan đến luận án

16


Các kết quả chính của luận án được công bố trong 06 bài báo, trong đó có 02
bài đăng trên tạp chí quốc tế và 04 bài đăng trên tạp chí trong nước, tham gia gửi
bài 02 hội nghị quốc tế và 02 hội nghị trong nước.

17


CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI DỰA TRÊN LỚP HẤP THỤ CIGS
PMT màng mỏng được phát triển từ những năm 1970 với mục đích ban đầu là
đạt được một tỉ lệ “công suất/trọng lượng” cao hơn cho các ứng dụng không gian vũ
trụ. Ngày nay, động lực thúc đẩy cho sự phát triển PMT màng mỏng chủ yếu là tiềm
năng của chúng trong việc giảm thiểu chi phí sản xuất và sử dụng vật liệu. Các
PMT màng mỏng đầu tiên dựa trên cấu trúc Cu2S/CdS, chúng kém ổn định do độ
khuếch tán cao của Cu. Các pin silicon vô định hình (a-Si:H) bắt đầu thâm nhập vào
thị trường PMT trong những năm 1980 nhưng đang ngày càng bị thách thức bởi
PMT màng mỏng dựa trên CdTe và Cu(In,Ga)Se2. Một trong những vấn đề tồn tại
của loại pin silicon vô định hình là hạn chế khả năng sử dụng của chúng trong
ngành công nghiệp điện tử.

Hình 1.1: Độ rộng vùng cấm thay đổi Hình 1.2: Sự phụ thuộc của hệ số hấp
theo hằng số mạng của một số chất bán thụ α vào năng lượng photon của một số
dẫn [81]

chất bán dẫn [34]

Hiệu suất cao nhất của PMT dựa trên lớp hấp thụ CuIn1-xGaxSe2 (viết tắt là
Cu(In,Ga)Se2 hoặc CIGS) được công bố là 20.3% trong điều kiện chiếu sáng của
ánh sáng mặt trời tự nhiên [64] và đạt 21.5% dưới ánh sáng mặt trời hội tụ [79].

18


PMT CIGS được phát triển từ các pin đơn tinh thể CuInSe2 (CIS) vào những năm
1970, sau đó được chế tạo dưới dạng màng mỏng CIS và cuối cùng vào những năm
1990 trở thành PMT CIGS với sự bổ sung Ga. Sự bổ sung Ga là giải pháp để tăng
độ rộng vùng cấm (nằm giữa CuInSe2 (1,04 eV) và CuGaSe2 (1,7 eV)) với một giá
trị tối ưu (hình 1.1) và nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng [10], [68]. Một
trong các ưu điểm vượt trội của pin CIGS so với pin đơn tinh thể Silic là ánh sáng
mặt trời được hấp thụ với hiệu suất cao hơn trong hợp chất này nhờ cấu trúc vùng
cấm thẳng của hợp chất CIGS (hình 1.2). Với độ dày cỡ vài micromet, lớp hấp thụ
CIGS hấp thụ hầu hết các photon của ánh sáng mặt trời.
Với những ưu điểm nổi trội như đã nêu trên mà ngày nay có rất nhiều nhóm
nghiên cứu đang nỗ lực để phát triển công nghệ sản xuất PMT màng mỏng CIGS
chất lượng, giá thành thấp. Nhóm chúng tôi cũng chọn lớp hấp thụ CIGS làm đối
tượng nghiên cứu.
Chương này giới thiệu ngắn gọn về cấu trúc cơ bản và nguyên lý hoạt động
của PMT màng mỏng CIGS, các tính chất của lớp CIGS và một số phương pháp
lắng đọng để chế tạo lớp CIGS. Ngoài ra, phương pháp lắng đọng điện hóa một
bước chế tạo màng mỏng CIGS và nhiệt động học quá trình lắng đọng điện hóa
màng CIGS cũng được trình bày trong chương tổng quan này.
1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS
1.1.1. Cấu trúc cơ bản của PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS
PMT dạng CIGS có cấu trúc nhiều lớp, như được mô tả trên hình 1.3. Ánh
sáng được hấp thụ trong lớp CIGS. Lớp hấp thụ của PMT dạng CIGS thường được

lắng đọng trên lớp dẫn điện đế Mo. Lớp Mo tạo nên một liên kết tốt với lớp đế thủy
tinh và đóng vai trò như là mặt sau của lớp tiếp xúc điện. Nó còn đóng vai trò như
một rào cản khuếch tán để kiểm soát sự khuếch tán của các phần tử từ lớp thủy tinh
vào lớp hấp thụ.
Mặt trước của lớp tiếp xúc điện là lớp oxit dẫn điện trong suốt (TCO), thường
là Al-ZnO được lắng đọng bằng phương pháp phún xạ hoặc lắng đọng hơi hóa học.

19


Lớp này cần phải trong suốt để cho phép ánh sáng mặt trời tiếp cận lớp hấp thụ và
phải là chất dẫn tốt để giảm thiểu sự tổn thất dòng.
Lớp đệm giúp điều chỉnh đáy vùng dẫn giữa lớp TCO và lớp hấp thụ. Nếu đáy
vùng dẫn của hai lớp này bị lệch đáng kể (tức là không thẳng hàng) thì khả năng
hoạt động của pin sẽ bị giảm [70]. Hiện nay pin CIGS có hiệu suất chuyển đổi cao
nhất sử dụng lớp mỏng CdS làm lớp đệm. Lớp này thường được lắng đọng bằng
phương pháp lắng đọng bể hóa học. Tuy nhiên, vì CdS rất độc hại nên cần hạn chế
tối đa trong sử dụng. Hiện nay, người ta cũng tìm ra một số hợp chất thay thế CdS
và chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như: In(OH)xSy, Zn(OH)xSy, ZnSe,
ZnS bằng phương pháp CBD; ZnS, ZnSe bằng phương pháp bốc bay.

Hình 1.3: Cấu trúc một PMT màng mỏng CIGS
Tóm lại, một cấu trúc pin có hiệu suất chuyển đổi cao nhất hiện nay gồm có:
lớp đế thủy tinh soda-lime, lớp dẫn điện đế Mo, lớp hấp thụ CIGS được chế tạo
bằng phương pháp đồng bốc bay 3 bước, CdS được lắng đọng bể hóa học, lớp dẫn
điện trong suốt Al-ZnO, lưới dẫn điện Ni/Al được chế tạo bằng phương pháp bốc
bay chùm điện tử và lớp chống phản xạ MgF2 [18].

20

1.1.2. Sơ đồ vùng năng lƣợng của PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS
Sơ đồ vùng năng lượng của một PMT có cấu trúc ZnO/CdS/CIGS được biểu
diễn trong hình 1.4. Các photon có năng lượng nhỏ hơn 3,3 eV sẽ đi qua lớp cửa sổ
ZnO. Những photon có năng lượng nằm trong khoảng từ 2,4 – 3,3 eV sẽ bị hấp thụ
bởi lớp đệm CdS. Sự hấp thụ của lớp đệm CdS có thể được hạn chế bằng cách giảm
độ dày của lớp này hoặc pha tạp với các nguyên tố khác để tăng độ rộng vùng cấm.
Hầu hết các photon sẽ đi đến lớp CIGS và bị hấp thụ mạnh ở lớp này. CIGS là chất
bán dẫn có vùng cấm thẳng với hệ số hấp thụ ánh sáng rất lớn (1 × 105/cm) và do đó
nó có độ dài hấp thụ rất ngắn. Độ rộng vùng cấm của lớp hấp thụ CIGS từ 1,0 – 1,7
eV tùy thuộc vào tỉ lệ In/Ga. Độ rộng vùng cấm tối ưu của lớp này là 1,4 eV tương
ứng với tỉ lệ In/Ga = 70/30 [1]. Giá trị này trùng với cực đại của phổ năng lượng
mặt trời.

Hình 1.4: Sơ đồ vùng năng lượng của PMT dạng ZnO/CdS/CIGS
1.1.3. Nguyên lý hoạt động của PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS [23]
PMT hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong của lớp tiếp xúc p-n khi
được chiếu sáng. PMT dựa trên lớp hấp thụ CIGS thì lớp hấp thụ thường là bán dẫn
loại p và lớp đệm (nằm trên lớp hấp thụ CIGS) là bán dẫn loại n.
Dưới ánh sáng mặt trời các nguyên tử trong chất bán dẫn sẽ hấp thụ các
photon từ bức xạ mặt trời. Nếu năng lượng các photon đủ lớn, một điện tử ở vùng

21