(Luận văn thạc sĩ) 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 Mơ hình phản ứng của các chất sử dụng tạo màng................................................... 21

Chương 3

Tính tốn 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 mơi trường ............................................................. 33
3.2.4 Sự phản xạ của sóng phân cực thẳng ...................................................................... 35
3.2.5 Tính tốn 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 tốn ................................................................................................................. 48
4.2.2 So sánh phương pháp .............................................................................................. 49
4.2.3 Tính tốn tối ưu....................................................................................................... 53
Chương 5

Màng hai lớp chống phản xạ cho pin mặt trời ............................................... 59

5.1 Lựa chọn chiết suất và tính tốn tối ưu ...................................................................... 59
5.1.1 Tính tốn 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 tốn 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 SiOx Ny:H [14] ...................................................... 22
Bảng 2: Bề dày và tốc độ phủ màng SiOx khi nhiệt độ đế 3000C, áp suất buồng 1000mTorr, công
suất RF 20W, thời gian phủ 5 phút................................................................................................. 44
Bảng 3: Bề dày và tốc độ phủ màng SiOx ở điều kiện nhiệt độ đế 3000C, công suất RF 20W, tỉ lệ
N2O/SiH4 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 a0  0,543nm , ba vector
cơ sở a1 , a2 , a3 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: Dịng 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 tốn xác suất thu hạt tải phụ thuộc a) độ dài khuyếch tán b)tốc độ tái hợp
bề mặt, L p 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 cơng suất cực đại .......................................................................................... 18
Hình 2-1: Mơ hình lắng đọng hơi hóa học của buồng điện cực song song[19] ............................. 19
Hình 2-2: Oxford instrument – Plasmalab80plus ........................................................................... 21
Hình 2-3: Mơ hình lắng đọng tạo màng ......................................................................................... 22
Hình 3-1: Mơ tả tốn học của sóng vơ hướng dao động điều hịa tuần hồn theo thời gian và
khơng gian (Code 1 và Code 2) ...................................................................................................... 24
Hình 3-2: Sóng điện từ tự do. ......................................................................................................... 25
Hình 3-3 : Hai cách mơ tả tốn 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
vng góc với nhau E0 x  E0 y . 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 khơng, sóng tắt dần khi đi vào mơi trường có sự hấp
thụ ................................................................................................................................................... 34
Hình 3-9: Sự phản xạ sóng phân cực TM và TE với góc tới khác nhau từ khơng 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
khơng khí. Có xuất hiện hiện tượng phản xạ tồn phần với cả hai sóng. ....................................... 36
Hình 3-11: Mơi 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 mơ 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 tốn 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 3000C, 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 3000C, áp suất buồng 1000mTorr, cơng 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 vng 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 tốn hệ số phản xạ là hàm của bề dày và bước sóng. .............................. 56
Hình 4-13: Hệ số phản xạ lấy theo tồn 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 tốn 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 tốn 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 tốn 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 vng góc. Hệ số phản xạ ứng với các bề dày khác nhau của hai
màng khi đã xét tới sự hấp thụ của Silicon. Khơng 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 trị 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 dịng quang
điện lớn hơn, hay hiệu suất chuyển hốn 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 tồn phần, sự
chống phản xạ lại mơi trường tới (khơng 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 khơng 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 (cơng 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 khơng. Như
thế, trường hợp chiếu vng góc được chọn để khảo sát tính tốn 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 sốt từ q 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 tốn dự đốn sự phản xạ để tìm thơng 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 tốn ứng với mơ hình màng phẳng tuyệt
đối (do trong tính tốn 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 tốn 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 vơ 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 mơi 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
Mật độ năng lượng (kWh/m2 /ngày)

7

6.6

6.5

5.5

5.2

5.1

5
4.3

4.5
4
3.5
3

5.9

5.8

6

6.5

6.4

6.3

5.7
5

4.9

5.7
5.1

5

5.2
4.8

4.6
4.5
4.3
4.2

Hà Nội
Đà Nẵng

3.5

TP. Hồ Chí Minh

3.1
2.5

2.5
2

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 vơ 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
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 mơ 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 trị
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 trị 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 thốt 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 hồn Mendeleev, là
ngun 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 a0  0,543nm , ba
vector cơ sở a1 , a2 , a3 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
149W .m1.K 1 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 khơng 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 Ec và đỉnh vùng hóa trị EV là khác nhau như Hình
1-3b. Vùng dẫn và vùng hóa trị tách biệt nhau phân cách bởi vùng cấm khơng có trạng
thái năng lượng khã dĩ cũa electron chiếm chỗ , với giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ

4, 73.104 T 2 
Eg  1,17 
 eV , ở nhiệt độ 300K bề rộng vùng cấm silic vào khoảng

T

636



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  Eg thì sự dịch chuyển
mức năng lượng của electron lên vùng dẫn có cùng giá trị vector sóng, khơng có sự
thay đổi về động lượng, vật liệu bán dẫn vùng cấm xiên, sự dịch duyển từ đỉnh vùng
hóa trị EV lên mức năng lượng đáy vùng dẫn Ec kèm theo dao động mạng (phonon)
tương ứng với sự phát sinh hay hấp thụ phonon có năng lượng  phonon và vector sóng
k phonon . Sự dịch chuyển được mơ 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 :
(1.1)
k 'e  k e  k photon  k phonon
Vector sóng của điện tử thay đổi rất nhiều xấp xỉ với kích thước vùng Brillouin cỡ
7
10 cm1 , trong khi vectro sóng của photon có giá trị nhỏ cỡ 104 cm1 nên có thể bỏ qua
phần động lượng photon ở ta có :

k 'e  k e   k phonon . 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:
(1.2)
Ek '  Ek   photon   phonon
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 khơng 0
và tần số của sóng  của nó là E photon  h 

hc

0

, 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 Eg thì xác suất hấp thụ cao
hơn so với các photon có năng lượng nhỏ hơn hay lân cận giá trị Eg . Với chùm ánh
sáng tới có cường độ I 0 (W .cm2 ) , 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 :
(1.3)
I ( x)  I 0 e x


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 khơng) khác nhau được trình bày ở
Hình 1-4. Nhận thấy, với các photon có năng lượng nhỏ hơn độ rộng vùng cấm
Eg  1, 24eV hay có bước sóng chân khơng 0 

1.24
103  1103(nm) thì sự hấp thụ
Eg (eV )

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
1E-07
1E-08

1E+07
1E+05
1E+03
1E+01
1E-01
1E-03

Chiều dài hấp thụ (cm)

Hệ số hấp thụ (/cm)

nhỏ hơn rất nhiều so với các photon có năng lượng lớn hơn Eg .

Hệ số hấp thụ
Độ dài hấp thụ

1E-05
1E-07
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Bước sóng (nm)

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 khơng) 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 khơng 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 ngồi 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


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 dịng điện trong chất bán dẫn được xác định bằng dòng điện tử
trong vùng dẫn và dịng 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:
fF (E) 

1
E  EF

1  exp(
)
kT

(1.4)

Với k là hằng số Boltzmann, tại T=300K thì kT  0,0259eV , EF 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 E  EF được ưu tiên chiếm giữ
trước. Tại T=0K, tất cả các trạng thái năng lượng E  EF bị chiếm giữ, xác suất chiếm
các trạng thái năng lượng E  EF là bằng một, trạng thái năng lượng E  EF là bằng
không. Với T >0K, xác suất chiếm trạng thái E  EF là ½ , trạng thái năng lượng
E  EF là khác không và nhỏ hơn xác xuất chiếm trạng thái EF .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 F ( E ) , lỗ trống theo hàm 1  f F ( E ) . Với mơ hình hạt tự do
trong giếng thế, mật độ trạng thái lượng tử trong vùng dẫn được xác định :
NC ( E ) 

4  mn* 

E  Ec (trạng thái/cm3). Mật độ trạng thái lượng tử trong vùng hóa

h3

trị : NV ( E ) 

4  m*p 
3

EV  E (trạng thái/cm3). Với h là hằng số Plank, mn* và m*p là

h
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 n0 vùng dẫn và lỗ trống p0 ở vùng hóa trị. Chất bán dẫn tinh khiết là khơng 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 :

   EC  EV   
n0  p0  ni   NC NV exp 
 

kT




1/2

 2 mn* kT 
với NC  2 

2
 h

3

(1.5)

3/2

là mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn,ở T= 300K thì

 2 m*p kT
NC  2,5.10 cm , NV  2 
 h2

19

1/2


 E  
  NC NV exp  g  
 kT  






3/2

là mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng hóa

8
trị, ở T= 300K thì NV  1019 cm3 . Mức Fermi nội EFi nằm ở chính giữa vùng dẫn (giả
thiết m*p  mn* ) (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 N D ở mức
năng lượng ED (xem Hình 1-5b1&2) vào silic ta được bán dẫn loại n có nồng độ
n0  p0 ( 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 N A ở mức năng lượng E A (xem Hình
1-5c1&2) vào silic ta được bán dẫn loại p có nồng độ n0  p0 (hạt tải đa số là lỗ trống,
hạt tải thiểu số là điện tử). Khi đó nồng độ hạt tải khơng cịn 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 :
n0 

Emax



EC

   Ec  EF  
 EF  EFi 
NC ( E ) f F ( E )dE  NC exp 
  ni exp 


kT
 kT 



Nồng độ lỗ trống cân bằng nhiệt:

(1.6)


9
p0 

   EF  EV  
   EF  EFi  
N
(
E
)
1

f
(
E
)
dE

N
exp


n
exp






V
F
V
i

kT
kT





EV

(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 N D  N A , nồng độ chất cho hiệu dụng khi đó là N D  N A [1]. Ở nhiệt độ phòng, đa số
các mức cho nhận này là bị ion hóa hồn tồn nên điều kiện trung hịa điện tích là
n0  N A  p0  N D . Hạt tải thiểu số khi đó được xác định p0 

N  NA
 N  NA 
2
n0  D
  D
  ni
2
2



ni2
, nồng độ điện tử là :
n0

2

Với sự pha tạp  N D  N A 

(1.8)

ni thì n0   N D  N A  , công thức này có thể áp dụng với

trường hợp N A  0 . Tương tự, nồng độ lỗ trống bán dẫn bù loại p ở nhiệt độ phịng
cũng có thể được xác định:
N A  ND
 N  ND 
2
  A
  ni

2
2


2

p0 

Với sự pha tạp  N A  N D 

(1.9)

ni2
, cơng thức này có thể áp
ni thì p0   N A  N D  , n0 
p0

dụng với trường hợp N D  0 .

1.2.4 Sự thất thoát hạt tải do tái hợp
Hạt tải dư xuất hiện do nguồn kích thích bên ngồi như photon ánh sáng hay mất
cân bằng nhiệt. Một khi, nguồn kích thích này khơng cịn 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 mơ 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  Auger 1 n2 , 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 trị như một bước đệm, bẫy điện tử và lỗ
trống gặp nhau để hủy cặp ( hoặc đóng vai trị 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
1
1
1
gian sống của hạt tải xác định bởi  1   radiation
  Auger
  SRH
Các thiết bị bán dẫn dựa trên vật liệu Si, thường có nồng độ pha tạp dưới 1017 cm3 ,
thì sự tái hợp bức xạ (radiative recombination) gần như khơng 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 1018 cm3 thì sự tái hợp Auger mới đóng vai trị chính. Với nồng độ vào khoảng
1016  1018 cm3 , theo Kendall ước lượng thời gian sống của hạt tải vào khoảng
0
, với  0  400 s là thời gian sống của hạt tải trong bán dẫn thuần [10]

1

ND
7.1015

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 (khơng có kích thích bên ngồi 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 J ndiff & J p diff ). 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 N A ) ở bên khối

bán dẫn p, và những ion dương của nguyên tử cho (nồng độ N D ) 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
(dịng trơi J ndrif & J pdrif ) của hai loại hạt tải thiểu số chống lại dòng khuyếch tán sao
cho dịng điện tổng cộng ở vùng này bằng khơng (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 khơng có điện tích tự do (electron và lỗ trống). Vùng lân cận tiếp xúc p-n này được
gọi là vùng điện tích khơng gian hay vùng nghèo.
Jn-drif
Jp-diff

Jn-diff : dịng khuyếch tán electron
Jp-drif : dịng dịch lỗ trống

Hình 1-7: Tiếp xúc p-n trạng thái cân bằng nhiệt[1]


12
Ở nhiệt độ phịng, ta có phân bố mật độ điện tích khơng gian như Hình 1-7b. Giả sử
vùng điện tích khơng gian kết thúc đột ngột tại x   x p ở bán dẫn p, tại x  xn tại bán
dẫn n. Điều kiện liên tục N A x p  N D xn (mật độ điện tích dương và âm tương ứng hai
vùng điện tích khơng gian là bằng nhau). Mật độ điện tích khơng gian ứng với giả thiết
tiếp xúc của nồng độ thay đổi đột ngột như. Dựa vào phương trình Poisson :
d 2 ( x)    x 
d


2
dx
s

dx

(1.10)

Với  ( x)(V ) là điện thế ,   x (C / cm3 ) là mật độ điện tích,  s là hằng số điện mơi,
 (V / cm) là

điện

trường

tương

ứng

mật

độ

điện

tích

trên.

Ta có điện trường vùng nghèo khi khơng có điện thế áp vào hai cực p và n, ở vùng bán
dẫn p và n (Hình 1-7c):


eN a

s

x  x 
p

x p  x  0 và  

eN D

s

 xn  x 

0  x  xn

(1.11)

Điện trường có giá trị cực đại tại x  0 . 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 x   x p :
  x 

eN 
x 2  eN
eN A
(x  x p )2 .(x p  x  0) và   x   D  xn x    A x 2p .(0  x  x n ) (1.12)
s 
2  2 s
2 s

Giá trị của điện thế tại xn :
  x  xn  

e
N D xn2  N A x 2p   Vbi

2 s

(1.13)

và còn được gọi là thế rào gắn Vbi (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 J ndrif  J ndriff , J p drif  J p driff ). 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 n p  ni2 N A và nn  N D
 np 
 N A ND 
  VT ln 
 , với VT là thế nhiệt VT  kT q  29,5mV ở 300K
2
 nn 
 ni 

là Vbi  VT ln 

[10]. Khi N A  N D  1016 (cm3 ) thì Vbi  0,7(V ) . 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 VA (hiệu điện thế cực p đối với n) thì điện trường ngồi làm
thay đổi điện trường tổng cộng trong toàn khối p-n cũng như vùng nghèo. Do đó, rào
điện thế Vbi thay đổi thành rào điện thế Vtotal như Hình 1-9 mơ tả. Bề rộng W của
vùng nghèo và mật độ dòng các hạt tải cũng thay đổi theo VA . 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 dịng khuyếch tán
tăng, dịng dịch gần như khơng 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, dịng dịch cũng hầu
như khơng đổi.

EFip
EFp
EV

Jn-drif eVtotal  e(Vbi  VA )

EC

EC
e p

eVtotal  e(Vbi  VA )

Jn-drif
Jn-diff

eVA

Jp-drif
Jp-diff

EFip

en

e p

Jn-diff
eVA

en

EV
EFin

EFn
EFin

Jp-drif
Jp-diff

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 VA áp vào, được mơ tả bởi phương trình Shockley :



eV
J  J 0 exp( A )  1
kBT


 eDn ni2 eDp ni2
Với J 0  

LN
 n A Lp N D

(1.14)

 là dịng bão hịa ngược. Đồ thị mơ 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 mơ tả ở
Hình 1-13 (ứng với I L  0 ). 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 J 0 càng lớn tương ứng với sự tái hợp hạt tải lớn.


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 n  n0   n và p  p0   p , với  n và  p là nồng độ hạt tải dư ( np  n0 p0  ni2 ). Như

vậy, nguồn photon ánh sáng đóng vai trị 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 trị là một
nguồn điện khi được được chiếu sáng.
Nhưng nếu vẫn chiếu sáng và khơng nối với mạch ngồi, 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 ( J n / pdrif  J n / p diff ) 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 VOC .
Khi ta chiếu sáng tế bào quang điện, và nối tắt mạch ngoài, thì dịng điện ngắn
mạch I SC thu được chính là dịng quang điện I L (Hình 1-10b)

Hình 1-10: Dịng 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 J E ( ) , ở vùng nghèo là dòng J SCR ( ) , ở cực nền là J B ( ) .


15
Thì dịng quang điện thu được là tổng hợp của các dịng 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
dịng năng lượng photon tới I 0 (W / m2 ) (xem Hình 3-5), thì nồng độ hạt tải dư được
xác định  n  g ' ,  là thời gian sống hạt hải dư, với tốc độ sinh là
 I 0 e x

G ( x) 
1  R  (cm3s 1 ) , với R là hệ số phản xạ tại bước sóng  [1,9,12].Các
hc / 
hạt tải dư tạo thành khi đó có thể góp phần vào dịng quang điện J L với xác suất
CP( x) phụ thuộc vào vị trí và bước sóng [13]. Do đó, mật độ dịng quang điện được

xác định bởi
Wd
Wd
  I e x


J L  q  G ( x).CP( x)dx  q    0
1  R   .CP( x)d   dx
hc / 

0
0 


(1.15)

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

với Lp  Dp p , Dn và D p là hệ số khuyếch tán,  n , p là thời gian sống.

Hình 1-11: Sự thu hạt tải cho dịng quang điện [10]

Xác suất thu hạt tải CP(x) phụ thuộc vào độ dài khuyếch tán Ln & Lp , và tốc độ tái
hợp bề mặt (mặt trước và sau) Sn  

D d ( p)
Dn d ( n)
(cm / s) , S p   p
(cm / s) [10].
 n dx
 p dx

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

a)

b)

Hình 1-12: Giá trị tính tốn xác suất thu hạt tải phụ thuộc a) độ dài khuyếch tán b)tốc độ tái
hợp bề mặt, L p 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 I L  0 , đặc tuyến J-V tương tự như diode tiếp xúc p-n. Khi
tăng dần VA , ban đầu J tăng chậm và có giá trị nhỏ gần giá trị J 0 . Khi chiếu sáng, dòng
quang điện xuất hiện, tức I L  0 , thì dịng điện qua tế bào quang điện khi đó là dịng
tổng cộng của dòng diod (mục 1.2.5.2) và dòng quang điện (mục 1.3.1) :
J  J 0  eVA /VT  1  J L

(1.16)

Do đó đặc tuyến J-V dịch tịnh tiến theo chiều âm trục J một đoạn bằng J L như Hình
1-13. Dịng điện và mật độ dịng tỉ lệ với nhau bởi hệ số là diện tích tiết diện nên
phương trình dịng điện của tế bào quang điện cũng có dạng (1.16).


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 J SC , thế hở mạch VOC ,
công suất cực đại Pmax , hiệu suất  , hệ số lấp đầy FF để đánh giá các đặc tính của tế
bào quang điện.

1.3.2.1 Dịng ngắn mạch
Dịng ngắn mặch I SC (short circuit current) là dòng tại điện áp khơng VA  0 nên từ
(1.16) ta có: I SC   I L

(1.17)

Như thế, từ đặc tuyến J-V ta có thể ước lượng giá trị của dịng 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 khơng nối
mạch ngồi, tức I=0 từ (1.16) ta có :
 IL

VOC  VA ( I  0)  VT ln 

 I0



 1  VT ln


IL
I0

(1.18)

Với dòng bão hòa ngược I 0 (dòng tối) nhỏ ta có thể coi VOC  VT ln

I
IL
 VT ln SC .
I0
I0

Do sự tỉ lệ giữa VOC và I SC I 0 nên với mong muốn có dịng bão hịa nhỏ (xem mục

1.2.5.2) ta cần có VOC lớn. Để có dịng I 0 nhỏ thì theo ghi chú cơng 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

Cơng suất tiêu tán ra tải mạch ngồi là : P  VA I  I 0VA  eV

A /VT

 1  I LVA

(1.19)

Công suất cực đại tại dP / dVA  0 . Tương ứng tại điểm cơng suất cực đại là dịng
I m và điện áp Vm (xem Hình 1-13):


18





IV
dP
 I 0 eVm /VT  1  I L  0 m eVm /VT  0
dVA
VT

(1.20)

Từ (1.18), (1.19), (1.20) ta tìm được :

 V  V V
Pm  I mVm   I L  Voc  VT ln 1  m   OC T
Vm
 VT 






Em
   I L
q


(1.21)

V  V V 

Trong đó : Em  q  Voc  VT ln 1  m   OC T  là năng lượng của một photon được
Vm 
 VT 

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 dịng 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 dịng tối.

Im
Pm

Vm
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
FF 

I m .Vm
I sc .Voc

(1.22)

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

Pm
I .V .FF
100%  sc oc
Pin
Pin

(1.23)

P in là năng lượng ánh sáng tới trong đơn vị thời gian. Để tăng hiệu suất chuyển

hốn 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.


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 hịa 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 hịa do nếu có điện tích nào đó khơng
cân bằng thì dẫn đến sự hình thành điện trường mà điện trường này có xu hướng làm
triệt tiêu sự khơng cân bằng. Tổng điện tích dương và điện tích âm trong khối plasma
là cân bằng nhau.

Hình 2-1: Mơ hình lắng đọng hơi hóa học của buồng điện cực song song[19]

Hệ plasma trong phịng 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 (khơng 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 ngồi 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 thơng
thường (CVD). Chẳng hạn, để phủ màng Silicon nitride bằng hệ nhiệt CVD thì yêu
cầu nhiệt độ 7000  9000 C , trong khi với hệ PECVD thì nhiệt độ đó chỉ vào khoảng

250-3000C [19]. Do việc sử dụng sóng điện từ cho vào mơi trường của hệ CVD, và sự
thay thế việc kích thích các hạt phản ứng bằng nhiệt bởi kích thích bằng điện thơng
qua các điện tử. Ngồi ra hệ PECVD cịn được phát triển để phủ các loại màng
polycrystal silicon, epitaxial Silicon, epitaxial gallium asenide …