Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang điện”

Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ .......................................................................................................... 5
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ..................................................................................................... 9
BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ....................................................................................... 10
MỞ ĐẦU…. ............................................................................................................................. 11
A. Tình hình chung về hướng nghiên cứu của đề tài hiện nay ...................................... 11
B. Mục tiêu và phương hướng nghiên cứu của đề tài ..................................................... 12
C. Nội dung và cấu trúc báo cáo ....................................................................................... 14
1 TỔNG QUAN..................................................................................................................... 16
1.1 Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ........................................ 16
1.2 Silic (Si), silic vơ định hình (a-Si). ............................................................................. 19
1.2.1

Đặc trưng của vật liệu silic........................................................................... 19

1.2.2

Mơ hình mật độ trạng thái của vật liệu a-Si:H ............................................. 22

1.2.3

Các tính chất quang-điện của vật liệu a-Si:H ............................................... 24

1.3 Silic tinh thể micro (µc-Si) và nano (nc-Si)............................................................... 30
1.3.1

Màng mỏng silic tinh thể kích thước micro và nano.................................... 31

1.3.2

Màng mỏng silic tinh thể kích thước micro và nano được pha tạp .............. 35

1.3.3

Chuyển pha từ silic vô định hình thành silic tinh thể micro và nano ........... 36

1.4 Mối nối p-n, mối nối dị thể, cấu trúc pin màng mỏng tiếp xúc dị thể .................... 37
1.4.1

Chuyển tiếp p-n ............................................................................................ 37

1.4.2

Chuyển tiếp p-n khi chiếu sáng .................................................................... 38

1.4.3

Các thông số đặc trưng ................................................................................. 39

1.4.4

Tiếp xúc dị thể .............................................................................................. 42

2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT........................................................................................... 45
2.1 Giới thiệu chung về phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma
(PECVD) sử dụng chế tạo màng mỏng tại PTN Công nghệ Nano (LNT) ............. 45
2.1.1

Đặc điểm ...................................................................................................... 45

2.1.2

Quá trình phản ứng tạo trạng thái plasma và bụi plasma ............................. 48

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

1


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

2.2 Thiết kế mặt nạ chắn sáng cho điện cực mặt trước của tấm pin mặt trời và
màng chống phản xạ ................................................................................................... 50
2.2.1

Lưới điện cực mặt trước ............................................................................... 50

2.2.2

Các tính tốn lý thuyết về điện cực của pin mặt trời .................................... 51

2.2.3

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

2.3 Nghiên cứu quy trình chế tạo điện cực ..................................................................... 63
2.3.1

Kim loại làm điện cực trong pin mặt trời màng mỏng ................................. 63

2.3.2

Phương pháp phún xạ nguồn kích thích một chiều (DC) ............................. 66

2.3.3

Phương pháp bốc bay chùm điện tử ............................................................. 67

2.3.4

Phương pháp in màng kim loại (screen printing) ......................................... 68

3 THỰC NGHIỆM ............................................................................................................... 71
3.1 Nguyên vật liệu và hóa chất ....................................................................................... 71
3.2 Thiết bị thí nghiệm và đánh giá màng mỏng ............................................................ 71
3.2.1

Hệ thống PECVD Cluster ............................................................................ 71

3.2.2

Quang phổ kế Raman ................................................................................... 76

3.2.3

Phổ ký ellipsometry...................................................................................... 81

3.2.4

Thiết bị phún xạ chùm ion ........................................................................... 83

3.2.5

Thiết bị tạo màng bằng phương pháp bốc bay chùm điện tử ....................... 83

3.2.6

Thiết bị in màng kim loại ............................................................................. 84

3.2.7

Thiết bị gia nhiệt nhanh RTA....................................................................... 85

3.2.8

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) .................................................................. 85

3.2.9

Thiết bị đo hiệu suất và các thông số pin mặt trời ....................................... 86

3.3 Quy trình thực nghiệm chế tạo màng mỏng silic và màng chống phản xạ
Indium Tin Oxide (ITO) ............................................................................................ 87
3.3.1

Công đoạn làm sạch đế silic ......................................................................... 87

3.3.2

Công đoạn chế tạo màng mỏng silic ............................................................ 89

3.3.3

Thống kê và đánh giá các mẫu màng mỏng silic được chế tạo .................... 89

3.3.4

Quy trình phủ màng chống phản xạ ITO ..................................................... 93

4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .............................................................................................. 94
4.1 Kết quả khảo sát về đặc trưng của plasma ............................................................... 94
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

2


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

4.1.1

Tốc độ chế tạo của màng mỏng silic ............................................................ 94

4.1.2

Giá trị hiệu điện thế tự bão hòa (DC Bias) ................................................... 96

4.2 Kết quả khảo sát điều kiện chế tạo màng mỏng silic vơ định hình, tinh thể
micro và nano .............................................................................................................. 97

4.3 Đánh giá các thông số ảnh hưởng đến chất lượng lớp màng silic chế tạo ........... 103
4.3.1

Các yếu tố có thể ảnh hưởng lên q trình tạo màng ................................... 75

4.3.2

Đánh giá ảnh hưởng của điều kiện lắng đọng lên độ dày màng. ............... 103

4.3.3

Đánh giá ảnh hưởng của điều kiện lắng đọng lên tỉ lệ pha tinh thể. .......... 105

4.3.4
Đánh giá ảnh hưởng của điều kiện lắng đọng tới kích thước của tinh thể
silic……………………………………………………………………. ..................... 107
4.3.5

Kết quả quy trình pha tạp màng mỏng silic được chế tạo .......................... 108

4.4 Kết quả chế tạo màng chống phản xạ ITO ............................................................. 110
4.4.1

Khảo sát vận tốc phủ màng chống phản xạ ITO ........................................ 110

4.4.2

Đánh giá điện trở bề mặt màng chống phản xạ ITO .................................. 111

4.4.3

Đánh giá độ phản xạ và độ truyền qua của màng chống phản xạ
ITO…………………………………………………………………….. .................... 112
4.5 Chế tạo điện cực bằng 2 phương pháp quang khắc và screen printing............... 113
4.5.1

Thiết kế lưới điện cực mặt trước ................................................................ 114

4.5.2
Kết quả chế tạo điện cực mặt trước và mặt sau bằng phương pháp quang
khắc......................................................................................................................... .... 116
4.5.3

Kết quả chế tạo điện cực trên và dưới bằng phương pháp in lụa ............... 117

4.5.4

Kết quả khảo sát ủ nhiệt tạo tiếp xúc Ohmic ............................................. 118

4.5.5

Gia cơng tạo hình tấm pin mặt trời 8x8 cm2 bằng thiết bị cắt rìa .............. 119

4.6 Kết quả đánh giá các thông số của pin mặt trời được chế tạo .............................. 119
4.6.1

Hiệu suất của tấm pin mặt trời màng mỏng 8x8 cm2 ................................. 120

4.6.2

Đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ pha tinh thể silic lên giá trị mật độ dòng..... 123

KẾT LUẬN ........................................................................................................................... 125
A. Các kết quả nghiên cứu đạt được .............................................................................. 125
B. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài ...................................................................... 126
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................... 128
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

3


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

CÁC PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM............................................................................................... 130
Phụ Lục 1: Danh sách các sinh viên được đào tạo trong đề tài .................................. 131
Phụ Lục 2: Bài báo đăng trên tạp chí, kỷ yếu Hội nghị trong và ngoài nước ............. 132
Phụ Lục 3: Chứng nhận đăng ký Sở hữu Trí tuệ ........................................................ 133
Phụ Lục 4: Thuyết minh và Hợp đồng thực hiện đề tài .............................................. 134

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

4


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1- 1 Bản đồ bức xạ năng lượng mặt trời ở khu vực châu Á ..........................................17
Hình 1- 2 Tinh thể silic pha tạp phosphous và boron ............................................................19
Hình 1- 3 Cấu trúc mạng của a) silic tinh thể và b) silic vơ định hình [1] ...........................21
Hình 1- 4 Các khuyết tật cơ bản trong mạng c-Si và a-Si .....................................................21

Hình 1- 5 Mơ hình của phân bố mật độ trạng thái của a-Si:H [1]........................................23
Hình 1- 6 Hệ số hấp thụ của a-Si:H ......................................................................................25
Hình 1- 7 Sự gia tăng mật độ khuyết tật phụ thuộc vào thời gian phơi sáng ........................28
Hình 1- 8 Độ dẫn ở nhiệt độ phịng của a-Si:H loại n và loại p............................................29
Hình 1- 9 Mạng a-Si:H có pha tạp phốt pho .........................................................................29
Hình 1- 10 Cấu trúc lớp màng có pha µc-Si:H và nc-Si:H ...................................................31
Hình 1- 11 Q trình phát triển pha µc-Si:H và nc-Si:H ......................................................32
Hình 1- 12 Sự phụ thuộc của mật độ tạo mầm tinh thể vào đế phủ [1] .................................33
Hình 1- 13 Hệ số hấp thụ theo năng lượng photon của c-Si, a-Si:H và µc-Si:H [1] ............34
Hình 1- 14 Mặt cắt ngang một lớp silic cấu trúc tinh thể micro ...........................................36
Hình 1- 15 Điều kiện phản ứng để hình thành pha µc-Si [7] ................................................37
Hình 1- 16 Chuyển tiếp p-n và giản đồ vùng năng lượng......................................................38
Hình 1- 17 Giản đồ năng lượng của tiếp giáp p-n khi chiếu sáng, hình thành chuẩn mức
Fermi [8]. ...............................................................................................................................38
Hình 1- 18 Đặc tuyến IV của một pin mặt trời khi khơng chiếu sáng (đường cong phía
trên) và khi chiếu sáng (đường cong dưới). ...........................................................................40
Hình 1- 19 Mơ hình 2 diode của pin mặt trời. .......................................................................41
Hình 1- 20 Ảnh hưởng mạnh của điện trở rò lên thừa số lấp đầy và suất điện động (điện
thể hở mạch Voc ) của pin mặt trời. ........................................................................................41
Hình 1- 21 Ảnh hưởng mạnh của điện trở nội Rs lên thừa số lấp đầy và dòng điện ngắn
mạch Isc của pin mặt trời. .......................................................................................................42
Hình 1- 22 Giản đồ năng lượng mơ tả các loại tiếp xúc dị thể a) Tiếp xúc dị thể loại I“staddling heterojunction”; b) Tiếp xúc dị thể loại II - “staggerd heterojunction”; c)
Tiếp xúc dị thể loại III- “broken-gap heterojunction”...........................................................43

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

5


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

Hình 1- 23 Giản đồ năng lượng của hai loại bán dẫn loại n độc lập. b) Giản đồ năng
lượng khi hai bán dẫn hình thành tiếp xúc dị thể cùng loại hạt dẫn n-N heterojunction. . ...43
Hình 2- 1 Biểu đồ mật độ trung bình, điện trường và điện thế sau khi hình thành các
“sheath” [10] .........................................................................................................................48
Hình 2- 2 Điện cực mặt trước của pin mặt trời .....................................................................50
Hình 2- 3 Các loại điện trở trong pin mặt trời ......................................................................51
Hình 2- 4 Cấu trúc của lớp dẫn điện trên pin mặt trời có diện tích 2nab .............................52
Hình 2- 5 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa hai nhánh phụ đến mất mát năng lượng do
điện trở của lớp bán dẫn n trong pin mặt trời. ......................................................................56
Hình 2- 6 Sự phụ thuộc của P vào số lượng nhánh phụ n và chiều rộng nhánh phụ w1 cho
đế silic SeG-Si tròn d= 100mm ..............................................................................................58
Hình 2- 7 Cơ chế phản xạ trên màng mỏng ...........................................................................60
Hình 2- 8 Chiết suất của silic ................................................................................................61
Hình 2- 9 Rào thế của lớp tiếp xúc kim loại - bán dẫn loại n ................................................63
Hình 2- 10 Rào thế và thế hoạt động của từng kim loại kim loại đối với hai loại bán dẫn
n-Si .........................................................................................................................................64
Hình 2- 11 Sự di chuyển của điện tử qua lớp tiếp xúc a) Hiệu ứng đường hầm, b) Hiệu
ứng nhiệt ................................................................................................................................65
Hình 2- 12 Sự phụ thuộc của điện trở tiếp xúc vào nồng độ pha tạp và rào thế kim loạibán dẫn...................................................................................................................................66
Hình 2- 13 Nguyên lý và sơ đồ thiết bị phún xạ một chiều (DC sputtering)..........................67
Hình 2- 14 Nguyên lý và sơ đồ thiết bị bốc bay chùm điện tử ...............................................68
Hình 2- 15 Minh họa về phương pháp in lụa .........................................................................68
Hình 2- 16 Nguyên lý in của công nghệ in màng kim loại (hình chiếu cạnh) .......................69
Hình 3- 1 Hệ thống PECVD Cluster được lắp đặt tại LNT ............................................. 72
Hình 3- 2 Sơ đồ hệ thống PECVD .................................................................................... 72
Hình 3- 3 Sơ đồ hệ thống cung cấp khí cho buồng phản ứng ........................................... 73
Hình 3- 4 Sơ đồ cấu tạo lị phản ứng ................................................................................ 73
Hình 3- 5 Các kiểu điện cực.............................................................................................. 74
Hình 3- 6 Ảnh hưởng của bụi tới chất lượng lớp màng .................................................... 75

Hình 3- 7 Cấu tạo máy Raman Spectroscopy ................................................................... 77
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

6


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

Hình 3- 8 Mơ phỏng ngun lí tán xạ Raman ................................................................... 77
Hình 3- 9 Ngun lí của phương pháp phổ ký Raman ...................................................... 78
Hình 3- 10 Biểu diễn các mức năng lượng trong phổ Raman .......................................... 79
Hình 3- 11 Vùng phổ Raman của cấu trúc amorphous và microcrystalline silicon ......... 80
Hình 3- 12 Máy quang phổ Raman LABRAM 300 ........................................................... 81
Hình 3- 13 Thiết bị phổ ký ellipsometry và sơ đồ cấu trúc của thiết bị ............................ 82
Hình 3- 14 Thành phần phân cực s, p so với mặt phẳng ánh sáng tới. ............................ 82
Hình 3- 15 Thiết bị phún xạ chùm ion tại LNT ................................................................. 83
Hình 3- 16 Thiết bị bốc bay bằng chùm điện tử tại LNT. ................................................. 84
Hình 3- 17 Các bộ phận chính của thiết bị in màng kim loại MSP 485 ........................... 84
Hình 3- 18 Khn in dùng trong q trình tạo điện cực cho pin mặt trời 5inch.............. 85
Hình 3- 19 Thiết bị gia/hạ nhiệt nhanh RTA AW610 ........................................................ 85
Hình 3- 20 Kính hiển vi điện tử quét JSM-6480 LV.......................................................... 86
Hình 3- 21 Hệ đo khảo sát đặc tính của pin mặt trời tại LNT. ......................................... 87
Hình 3- 22 Qui trình làm sạch đế wafer silic.................................................................... 88
Hình 3- 23 Khn để mẫu ................................................................................................. 88
Hình 4- 1 Tốc độ lắng đọng phụ thuộc vào áp suất lắng đọng ......................................... 94
Hình 4- 2 Bụi plasma trong buồng phản ứng ................................................................... 95
Hình 4- 3 Quá trình hình thành bụi plasma ...................................................................... 95
Hình 4- 4 Điện thế nội tại DC Bias thay đổi theo áp suất khí .......................................... 97
Hình 4- 5 Phổ Raman tham khảo của a-Si:H ................................................................... 98
Hình 4- 6 Phổ Raman tham khảo của µc-Si:H và nc-Si:H ............................................... 98

Hình 4- 7 Phổ Raman của màng silic vơ định hình .......................................................... 99
Hình 4- 8 Phổ Raman của màng silic tinh thể nano ......................................................... 99
Hình 4- 9 Phổ Raman của màng silic tinh thể micro ...................................................... 100
Hình 4- 10 Giản đồ pha vơ định hình-tinh thể tại giá trị áp suất phản ứng 0.6 torr...... 100
Hình 4- 11 Phổ Raman của serie mẫu với mật độ công suất 0.05 W/cm2, tỉ lệ pha loãng
SiH4/H2 là 2/198. Áp suất khí phản ứng được thay đổi trong khoảng từ 0.6 đến 3 torr . 101
Hình 4- 12 Giản đồ pha với hướng dịch chuyển của đường chuẩn theo chiều tăng của áp
suất khí ............................................................................................................................ 102
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

7


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

Hình 4- 13 Quy trình chế tạo các lớp màng mỏng silic vơ định hình, silic tinh thể micro
và nano ............................................................................................................................ 102
Hình 4- 14 Xây dựng mơ hình vật liệu bằng phần mềm DeltaPsi .................................. 103
Hình 4- 15 Chiều dày màng chuẩn hóa .......................................................................... 104
Hình 4- 16 Phản ứng tạo màng theo cấu trúc đảo.......................................................... 105
Hình 4- 17 Quy trình tạo bụi plasma .............................................................................. 105
Hình 4- 18 Vị trí 9 điểm khảo sát trên mẫu bằng phương pháp quang phổ ellipsometry
......................................................................................................................................... 106
Hình 4- 19 Giản đồ pha của các mẫu với điều kiện lắng đọng khác nhau ..................... 106
Hình 4- 20 Vị trí của đỉnh phổ Raman đặc trưng theo áp suất khí................................. 107
Hình 4- 21 Kích thước hạt tinh thể nano tạo thành theo áp suất khí .............................. 108
Hình 4- 22 Nguyên lý pha tạp phosphorous của silic ..................................................... 109
Hình 4- 23 Điện trở suất màng theo nồng độ pha tạp .................................................... 110
Hình 4- 24 Mối liên hệ giữa vận tốc phủ và công suất phún xạ tại các điều kiện lưu lượng
khí argon 4,6,8 sccm........................................................................................................ 111

Hình 4- 25 Mối liên hệ giữa điện trở bề mặt và cơng suất phún xạ tại các điều kiện lưu
lượng khí argon 4,6,8 sccm ............................................................................................. 112
Hình 4- 26 Độ phản xạ của màng ITO tại các lưu lượng khí 4,6,8 sccm với cơng suất
phún xạ 50W .................................................................................................................... 113
Hình 4- 27 Độ truyền qua của màng ITO tại các lưu lượng khí 4,6,8 sccm với cơng suất
phún xạ 50W .................................................................................................................... 113
Hình 4- 28 Lưới điện cực cho tồn đế silic SeG-Si......................................................... 115
Hình 4- 29 Lưới điện cực 8cmx8cm ................................................................................ 115
Hình 4- 30 Lưới điện cực 8cmx8cm với các nhánh hình thang ...................................... 116
Hình 4- 31 Mặt nạ xương cá dùng để tạo điện cực mặt trước. ....................................... 116
Hình 4- 32 Quy trình gia nhiệt dùng trong nung kết khối keo kim loại .......................... 119
Hình 4- 33 Pin mặt trời chế tạo trên đế SeG-Si .............................................................. 119
Hình 4- 34 Pin mặt trời màng mỏng HIT chế tạo tại LNT.............................................. 120
Hình 4- 35 Đặc trưng I-V của các mẫu pin mặt trời đã chế tạo ..................................... 122
Hình 4- 36 Sự phụ thuộc của giá trị mật độ dòng ngắn mạch vào tỉ lệ pha tinh thể trong
lớp màng lắng đọng ........................................................................................................ 123
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

8


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1- 1 Giá trị tích µτ của một số loại vật liệu sử dụng trong pin mặt trời [1] ...............35
Bảng 2- 1 Ảnh hưởng của chiều rộng điện cực đến diện tích che phủ S và năng lượng mất
mát do điện trở P’loss cho đế silic vuông 50mmx100mm ........................................................58
Bảng 2- 2 Ảnh hưởng của chiều cao điện cực đến diện tích che phủ điện cực và năng
lượng mất mát do điện trở P’loss cho đế silic vuông 50mmx100mm.......................................59
Bảng 3- 1 Các nguyên vật liệu và hóa chất sử dụng trong đề tài nghiên cứu .......................71

Bảng 3- 2 Mẫu chế tạo để khảo sát tốc độ lắng đọng của màng phụ thuộc vào tổng áp
suất khí phản ứng. ..................................................................................................................89
Bảng 3- 3 Mẫu chế tạo để khảo sát ảnh hưởng của công suất nguồn plasma và tỉ lệ pha
tạp SiH4/H2 đến điều kiện hình thành cấu trúc vơ định hình và tinh thể micro. ....................90
Bảng 3- 4 Mẫu chế tạo để khảo sát ảnh hưởng của tổng áp suất khí phản ứng đến điều
kiện hình thành cấu trúc vơ định hình và tinh thể micro. ......................................................91
Bảng 3- 5 Mẫu chế tạo để khảo sát độ đồng đều 9 điểm .......................................................92
Bảng 3- 6 Mẫu chế tạo để khảo sát điện trở suất theo nồng độ pha tạp PH3........................92
Bảng 3- 7 Điều kiện thực nghiệm phủ màng ITO ..................................................................93
Bảng 4- 1 Tốc độ lắng đọng phụ thuộc vào áp suất lắng đọng .............................................94
Bảng 4- 2 Điện thế nội tại DC Bias thay đổi theo áp suất khí ...............................................96
Bảng 4- 3 Vị trí đỉnh phổ Raman đặc trưng theo áp suất khí ..............................................101
Bảng 4- 4 Chiều dày màng chuẩn hóa .................................................................................104
Bảng 4- 5 Kích thước hạt tinh thể nano tạo thành theo áp suất khí ....................................108
Bảng 4- 6 Điện trở suất màng theo nồng độ pha tạp ...........................................................109
Bảng 4- 7 Ảnh hưởng của áp suất phún xạ lên vận tốc phủ màng(nm/phút).......................111
Bảng 4- 8 Độ truyền qua và độ phản xạ của màng ITO tại các công suất 50W..................112
Bảng 4- 9 Thông số lắng đọng các lớp màng mỏng silic ứng dụng trong pin mặt trời HIT121
Bảng 4- 10 Hiệu suất các mẫu pin .......................................................................................122
Bảng 4- 11 Bảng độ chính xác phép đo hiệu suất ................................................................122

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

9


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
KÝ HIỆU

a-si:H
nc-Si:H
µc-Si:H
PMT
HIT
ARC
BSF
Dangling bond
Develop
DI
Emulsion

Pin mặt trời
Polished SeG-Si
Rs
Rsh
RTA
SEM
VOC

DIỄN GIẢI
Silic vơ định hình hydro thụ động hóa
Silic tinh thể nano hydro thụ động hóa
Silic tinh thể micro hydro thụ động hóa
Pin mặt trời
Heterojunction Intrinsic Thin –layer / Màng mỏng mối nối dị thể
Anti-Reflection Coatings: Màng chống phản xạ
Back Surface Field: tiếp xúc p-p+ tại mặt sau pin mặt trời
Các liên kết bất bão hòa trên bề mặt đế silic
Dung dịch ăn mòn lớp cảm quang đã bị biến đổi bởi quá trình chiếu UV

Deionized water: nước được khử ion
Loại keo chuyên dụng được dùng để phủ lên trên lụa in để ngăn không
cho keo kim loại thấm qua trong phương pháp in màng kim loại
Fill factor: Hệ số điền đầy
Isopropanol: (CH3)2CH-OH
Màng Indium-Tin-Oxide (In2O3-SnO2)
JShort-Circuit : Dòng ngắn mạch của pin mặt trời
Quy trình quang khắc
Quá trình loại bỏ lớp cảm quang trong quy trình quang khắc
Laboratory for Nanotechnology : Phịng Thí Nghiệm Cơng Nghệ Nano
Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition: phương pháp bốc bay hơi
hóa học tăng cường plasma
Pin năng lượng mặt trời
Đế silic loại SeG-Si đã được đánh bóng bề mặt
Rseri : Điện trở nội của pin mặt trời
Rshunt : Điện trở rò của pin mặt trời
Rapid Thermal Annealing: thiết bị gia nhiệt nhanh
Scanning Electron Microscope: kính hiển vi điện tử quét
VOpen-Circuit : Thế hở mạch của pin mặt trời

WR

Weighted Reflectance: hệ số phản xạ trung bình

FF
IPA
ITO
JSC
Lithography
Lift-off

LNT
PECVD

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

10


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

MỞ ĐẦU
A. Tình hình chung về hướng nghiên cứu của đề tài hiện
nay
Hiện nay silic màng mỏng thường được chế tạo ở dạng vơ định hình, dạng này tuy có độ
hấp thụ photon cao nhưng điện trở suất lớn, dẫn đến độ dẫn truyền điện tử thấp và cấu trúc
khơng bền, do đó khó sử dụng trong các ứng dụng quang điện. silic vơ định hình là một tập
hợp các nguyên tử Si được sắp xếp một cách ngẫu nhiên. Độ đồng đều về khoảng cách giữa
các nguyên tử chỉ thế hiện nếu xét trên cấu trúc mạng không gian 3 chiều, cịn nếu theo một
chiều bất kì thì giá trị đại lượng này không ổn định. Cấu trúc của silic vơ định hình khơng có
các nút mạng với vị trí cố định do đó rất khó để có thể định nghĩa một khuyết tật trong mạng
silic vô định hình. Trong silic vơ định hình thì khơng thể xác định được các dạng khuyết tật
này vì các vị trí nút mạng đã bị lệch. Thay vào đó chúng biểu thị bằng các liên kết bất bão
hoà. Mỗi nguyên tử Si trong mạng silic vơ định hình có thể có nhiều hơn một liên kết bất bão
hoà, các liên kết này có khả năng “bắt” các điện tử hoặc ion làm khả năng di chuyển của các
hạt tải cũng sẽ khó khăn. Ngồi ra, vấn đề lớn nhất với vật liệu silic vơ định hình là sự mất ổn
định khi bị phơi sáng trong thời gian dài, có thể làm giảm hiệu suất của thiết bị tới 30% và
mật độ lỗ trống trong cấu trúc khá thấp. Pin mặt trời sử dụng vật liệu là silic vơ định hình có
hiệu suất vào khoảng 8-10%. Độ rộng vùng cấm của nguyên từ silic vơ định hình vào khoảng
1.7- 1.8 eV nên silic vơ định hình hấp thụ chủ yếu photon ánh sáng trong vùng bước sóng
dưới 700 nm, bỏ qua một vùng phổ rất rộng từ trên 700 nm đến 1750 nm. Điều này ảnh hưởng

không nhỏ đến hiệu suất của pin mặt trời silic vơ định hình. Trong cấu trúc pin mặt trời màng
mỏng mối nối dị thể, silic vô định hình sẽ được pha tạp để tạo ra mối nối p-n với wafer silic.
Đồng thời nó cũng đóng vai trò là lớp dẫn truyền điện tử từ mối nối p-n ra ngồi điện cực. Do
đó nếu sử dụng vật liệu silic vơ định hình có điện trở cao, sẽ rất khó khăn trong việc tập trung
điện tử đến bề mặt màng tiếp xúc với điện cực để tạo thành dòng điện. Đây cũng là một
nguyên nhân khiến pin mặt trời màng mỏng vật liệu silic vơ định hình có hiệu suất thấp.
Tóm lại, vật liệu màng mỏng silic vơ định hình truyền thống có một số nhược điểm sau đây
cần khắc phục:
 Điện trở suất cao, khả năng dẫn truyền hạt mang điện kém
 Cấu trúc mạng không ổn định
 Độ rộng vùng cấm cao (1.7-1.8 eV) nên dải hấp thụ ánh sáng mặt trời hẹp
(<700 nm)
 Hiện tưởng suy giảm hiệu năng khi bị phơi sáng
 Khó ứng dụng vào cấu trúc pin mặt trời màng mỏng
 Khó tạo tiếp xúc tốt với các lớp màng kim loại để tạo điện cực
 Cần phủ thêm các lớp màng trung gian để tiếp xúc với điện cực.
 Mục đích của sáng chế là tạo ra một loại màng mỏng silic có cấu trúc mới thay
thế silic màng mỏng được chế tạo ở dạng vơ định hình.

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

11


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

Để thực hiện mục đích này, đề tài nhằm đề xuất một quy trình chế tạo lớp màng mỏng
tinh thể nano silic bằng phương pháp PECVD để ứng dụng vào cấu trúc pin mặt trời màng
mỏng giúp cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
Nền công nghiệp pin mặt trời tại Việt Nam chỉ giới hạn trong khoảng 50 công ty thương

mại và lắp ráp các tấm pin ngoại nhập mà chưa có cơng ty nào tham gia vào hoạt động sản
xuất chế tạo. Do đó nếu được đầu tư vào nghiên cứu và áp dụng những kết quả nghiên cứu
vào sản xuất chế tạo sẽ tạo thêm nguồn công ăn việc làm cho xã hội bên cạnh việc bổ sung
một nguồn năng lượng xanh, sạch, vô tận vào cơ cấu nguồn điện quốc gia.

B. Mục tiêu và phương hướng nghiên cứu của đề tài
 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu và chế tạo vật liệu silic màng mỏng dưới dạng vơ định
hình và tinh thể micro hoặc nano, áp dụng vào chế tạo pin mặt trời có cấu trúc mối nối dị thể.
Nhóm nghiên cứu dự kiến đạt được một số kết quả như sau:
a) Quy trình chế tạo và khảo sát tính chất của màng mỏng silic vơ định hình và tinh thể
micro nano bằng phương pháp PECVD bao gồm các số liệu, kết quả đo đạc đáng tin cậy
b) Quy trình ứng dụng các dạng màng mỏng silic vơ định hình và tinh thể micro-nano
vào cấu trúc pin mặt trời mối nối dị thể HIT
c) Quy trình chế tạo và khảo sát tính chất của lớp màng dẫn điện trong suốt chống phản
xạ Indium Tin Oxide (ITO) bao gồm các số liệu, kết quả đo đạc đáng tin cậy
d) Quy trình thiết kế và chế tạo điện cực bao gồm các số liệu, kết quả đo đạc đáng tin cậy
e) 02 bài báo đăng trên các tạp chí khoa học trong nước hoặc kỷ yếu hội nghị quốc tế, 01
bài báo đăng trên tạp chí quốc tế.
f) 01 giải pháp hữu ích/ sáng chế thuộc lĩnh vực nghiên cứu.
Đế silic và các quy trình chế tạo
Đề tài tiến hành nghiên cứu lắng đọng màng mỏng silic vơ định hình và tinh thể micronano trên loại đế silic là Polished SeG-Si tròn đường kính 100mm. Polished SeG-Si là loại đế
silic đơn tinh thể có độ tinh khiết 11N (99. 999999999%) và đã được đánh bóng bề mặt
(polished) chun dùng trong cơng nghiệp chế tạo bán dẫn (SeG: Semiconductor grade
Silicon).
Ban đầu các thông số cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng của màng phủ được chúng tơi
khảo sát trong quy trình lắng đọng trên đế Polished SeG-Si. Sau đó thì từ các kết quả nghiên
cứu thu được, nhóm nghiên cứu áp dụng lên quy trình lắng đọng trên đế As-cut SoG-Si cũng
như các loại đế khác như kính hoặc polymer nhằm giảm giá thành sản phẩm.

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

12


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

Yêu cầu của quá trình lắng đọng
Đế phải được nung nóng trong buồng chân khơng khoảng từ 40-60 phút để đạt tới nhiệt
độ lắng đọng cần thiết. Để tránh tình trạng các khí cịn dư lại trong những lần vận hành trước,
buồng phản ứng phải được bơm chân không cho tới áp suất khoảng 10-7 Torr. Dùng khí argon
rửa buồng trong vòng 5 phút nhằm tạo ra sự đồng đều nhiệt giữa các vách buồng, điện cực và
đế trước mỗi quy trình phủ. Để đạt được lớp phủ đồng nhất, chất lượng các khí phản ứng cũng
phải đạt được độ tinh khiết cao. Hỗn hợp khí SiH4/H2 được đưa qua một bộ lọc để giảm tới
mức tối thiểu hàm lượng khí oxy trong đó. Khí được đưa vào buồng, áp suất trong buồng
được điều chỉnh cho phù hợp. Sau khi thực hiện quá trình phủ, mẫu sẽ được để nguội từ từ ở
môi trường chân không trong 30 phút nhằm tránh bị oxi hoá.

 Phương hướng nghiên cứu
Như đã phân tích ở trên, có rất nhiều thơng số trong q trình lắng đọng có thể ảnh
hưởng đến chất lượng của lớp màng phủ. Do đó nhóm nghiên cứu đã tiến hành chọn lọc và
nghiên cứu những thông số đặc trưng nhất có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất lớp màng mỏng
lắng đọng và phù hợp với điều kiện nghiên cứu tại Việt Nam.Với tiêu chí này, chúng tơi đã
tập trung vào nghiên cứu các đặc trưng của plasma, kiểm sốt các thơng số lắng đọng để điều
khiển được thành phần, chất lượng lớp màng mỏng lắng đọng.
Chúng tôi cũng đã tiến hành nghiên cứu về quá trình chế tạo điện cực trong pin mặt trời.
Các nghiên cứu lý thuyết trên thế giới giúp chúng tôi xác định kim loại làm điện cực mặt
trước, mặt sau Từ đó chúng tơi tiến hành mô phỏng và thiết kế nên cấu trúc điện cực thích
hợp với kim loại làm điện cực đã chọn và điện trở bề mặt có thể chế tạo sao cho mất mát do
điện trở của pin mặt trời là thấp nhất.

Hai quy trình chế tạo điện cực khác nhau cũng đã được khảo sát: một quy trình chế tạo
điện cực bằng các phương pháp lithography, phún xạ và bốc bay chùm điện tử và quy trình
thứ hai chế tạo điện cực bằng phương pháp in màng kim loại và gia nhiệt nhanh RTA. Ưu
điểm của quy trình thứ nhất là có độ sạch cao, nhưng nó chỉ cho phép chế tạo các điện cực có
bề dày nhỏ (< 1µm).
Trong quy trình sử dụng phương pháp in lụa và gia nhiệt nhanh, bề dày điện cực nằm
trong khoảng 20µm tới 50µm, từ đó cho phép giảm diện tích che phủ của lưới điện cực mặt
trước và làm giảm đáng kể điện trở của điện cực. Một lợi điểm khác của quy trình in màng
kim loại là nó sử dụng q trình gia nhiệt nhanh để khuếch tán nhơm làm điện cực tại mặt sau
vào bên trong đế silic. Việc này một mặt sẽ làm cho điện trở tiếp xúc kim loại và bán dẫn tốt
hơn, mặt khác sẽ tạo ra vùng bán dẫn p nồng độ cao (p+) tại mặt sau của pin.
Vùng tiếp xúc p-p+ tại mặt sau của pin sẽ tạo ra một điện trường tại mặt sau của đế silic
(back surface field - BSF) ngăn cản các hạt mang điện thiểu số (trong trường hợp này là điện
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

13


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

tử) di chuyển tới mặt sau của đế silic và thực hiện sự tái hợp trên bề mặt đế silic. Nói cách
khác thì lớp BSF tạo ra nhờ q trình gia nhiệt nhanh đã một phần thụ động hóa mặt sau của
đế silic.
Để làm giảm độ phản xạ có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của pin mặt trời màng
mỏng mối nối dị thể, lớp phủ dẫn điện trong suốt ITO cũng được nghiên cứu nhằm tìm ra
thơng số chế tạo tối ưu, thích hợp ứng dụng nâng cao hiệu suất pin.

C. Nội dung và cấu trúc báo cáo
Đề tài nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic với độ dày ở kích thước nano bằng phương
pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma đã thu được các kết quả sau:

1. Quy trình lắng đọng màng mỏng silic vơ định hình
2. Quy trình lắng đọng màng mỏng silic tinh thể kích thước micro
3. Quy trình lắng đọng màng mỏng silic tinh thể kích thước nano
4. Quy trình kiểm sốt chất lượng lớp màng lắng đọng thơng qua các thơng số của
thiết bị PECVD
5. Quy trình chế tạo màng dẫn điện trong suốt Indium Tin Oxide (ITO)
6. Quy trình mô phỏng và chế tạo điện cực bằng quang khắc và in lụa.
Báo cáo nghiệm thu bao gồm 4 chương:
Chương 1: Chương này trước tiên trình bày các phân tích lý thuyết tổng quan về vật liệu
silic, màng mỏng và phương pháp chế tạo màng.
Đồng thời chương này cũng trình bày tồn bộ các phân tích lý thuyết về từng quy trình
chế tạo được nghiên cứu trong đề tài, từ đó đưa ra định hướng nghiên cứu ban đầu cho từng
quy trình chế tạo.
Chương 2: Chương này trình bày chi tiết về mục đích cũng như quy trình thực nghiệm của
từng quy trình chế tạo đã được liệt kê trong chương 1.
Chương 3: Chương này trình bày và phân tích các kết quả nghiên cứu thu được từ các thực
nghiệm tiến hành trong chương 2. Các kết quả nghiên cứu bao gồm
1/ Nghiên cứu đặc trưng của trạng thái plasma trong thiết bị PECVD Cluster
2/ Điều kiện lắng đọng để hình thành màng mỏng silic với các cấu trúc khác nhau như vơ
định hình, tinh thể micro, tinh thể nano…Nghiên cứu về q trình chuyển pha từ vơ định hình
sang tinh thể. Nghiên cứu phương pháp kiểm soát chất lượng lớp màng mỏng silic bằng cách
điều chỉnh thông số lắng đọng của quy trình PECVD
3/ Thiết lập quy trình chế tạo màng ITO với độ dày 100 nm, điện trở bề mặt 12 Ω/□, độ
truyền qua là 69% và độ phản xạ trung bình thu được là 15%.
4/ Thiết lập quy trình chế tạo điện cực bằng phương pháp bốc bay chùm điện tử và
phương pháp phún xạ DC tạo ra điện cực Ag ở mặt trước với bề dày 620 nm và điện cực Al ở
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

14

Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

mặt sau với bề dày 1µm. Điện cực được chế tạo bởi phương pháp in màng kim loại và có bề
dày trung bình 30µm
Chương 4: Chương này tóm tắt các kết quả nghiên cứu đã đạt được trong chương 3 và đề ra
các phương hướng nghiên cứu tiếp theo cho đề tài

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

15


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

1 TỔNG QUAN
1.1 Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề
tài.
Hiện nay, nguồn năng lượng chính mà con người đang sử dụng là dầu mỏ chiếm
41.27%. Việc khai thác các giếng dầu sẽ đạt mức tối đa trong khoảng năm 2010-2015, và sau
đó nguồn nhiên liệu này sẽ cạn kiệt dần [1]. Người ta cũng tiên đoán nếu dầu hỏa được tiếp
tục khai thác với tốc độ như hiện nay thì lượng dầu sản xuất được sẽ rất nhỏ và không đủ cung
cấp cho nhu cầu thế giới năm 2050. Như vậy nguồn năng lượng nào sẽ đảm nhận vai trị duy
trì và phát triển thế giới? Điện hạt nhân đã từng là một niềm hy vọng và là cứu cánh cho cuộc
khủng hoảng năng lượng tương lai, nhưng do tính khơng an tồn và bản chất của q trình
khơng thuận nghịch của phản ứng hạt nhân đã cho những kết quả không mong đợi. Minh
chứng cho sự lo ngại này, cuộc khủng hoảng hạt nhân/rị rỉ phóng xạ tại nhà máy điện hạt
nhân tại Fukushima, Nhật Bản sau thảm họa sóng thần khiến chúng ta phải cân nhắc hơn ý
định phụ thuộc vào nguồn năng lượng khá nguy hiểm này. Thủy điện cũng vậy. Ban đầu, các
nhà khoa học nghĩ rằng thủy điện là một nguồn năng lượng sạch và là nguồn năng lượng tái

tạo do tính tuần hồn của nước. Nhưng trong 20 năm trở lại đây, các khoa học gia đã nhận
định đúng đắn về thảm họa môi trường do thủy điện gây ra.
Sự cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch đang là một trong những vấn đề lớn mà nhân
loại thế kỷ 21 đối mặt và năng lượng đã trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhiều chính phủ
trên thế giới. Không giống như cuộc khủng hoảng năng lượng những năm 1937 và 1979 cuối
cùng đã được “hạ nhiệt” khi giá dầu ổn định và giảm căng thẳng chính trị; thì ngày nay vấn đề
này được xem là cuộc khủng hoảng lâu dài thường trực đến kinh tế, chính trị và chỉ được giải
quyết bằng việc tìm ra các nguồn năng lượng tái tạo, thân thiện với môi trường. Theo quan
điểm của Matthew Simmon, chủ tịch và giám đốc điều hành ngân hàng đầu tư năng lượng
Simmon và quốc tế (Houston, TX) “Dù lượng dầu mỏ thế giới có thể sản xuất đạt đỉnh hay
khơng cũng khơng cịn thật sự liên quan; mà điều quan trọng là lượng cầu chắc chắn sẽ nhanh
chóng vượt qua lượng cung. Chúng ta cần ủng hộ các giải pháp thay thế như năng lượng mặt
trời và phát triển cơ sở hạ tầng bằng số tiền đáng kinh ngạc”.
Năng lượng mặt trời xét về lâu dài mới là giải pháp cho tương lai. Bên cạnh nguồn năng
lượng vơ tận từ mặt trời thì tính thân thiện với mơi trường của nó cũng là một điểm cộng để
phát triển:
 Khơng làm ơ nhiễm khơng khí.
 Khơng tạo ra hiệu ứng nhà kính.

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

16


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

 Không tạo ra chất thải rắn và các khí như các nguồn năng lượng hạt nhân, than đá và khí
đốt.
 Các hệ thống năng lượng mặt trời có thể thiết lập ngay tại khi dân cư hay ngay trên nóc
của các tịa nhà, phân xưởng v.v…

Hình 1- 1 Bản đồ bức xạ năng lượng mặt trời ở khu vực châu Á
Với đường bờ biển dài trên 3.260km, gần xích đạo, lượng bức xạ trung bình
5kW/m²/ngày, hằng năm các vùng ở phía Bắc Việt Nam có khoảng 1.400-2.000 giờ nắng và
các vùng miền Trung và một số vùng miền Nam có từ 2.000 - 3.000 giờ nắng. Do đó Việt
Nam có tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời rất lớn, tuy nhiên việc ứng dụng năng lượng
mặt trời tại Việt Nam còn rất hạn chế. Phổ biến là ứng dụng năng lượng mặt trời ở dạng nhiệt
với thiết bị đun nước nóng. Việc sử dụng năng lượng mặt trời dạng điện thông qua việc sử
dụng pin mặt trời mới chỉ dừng ở mức thử nghiệm. Hiện nay, do nhu cầu cao về điện và hạn
chế trong hoạt động cung cấp điện đã khiến giá điện đẩy lên tới mức 1.506 đồng/kWh, tương
đương 7,2 cent/kWh, ngang bằng với giá điện thế giới, đã và đang gây ra áp lực rất lớn lên sự
phát triển của nền kinh tế. Điều này càng làm tăng tính cấp thiết của việc tìm ra một nguồn
năng lượng mới. Nếu có thể sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng khổng lồ
vô tận, thì đó sẽ là một động lực quan trọng thúc đẩy nền kinh tế phát triển.
Nền công nghiệp pin mặt trời tại Việt Nam chỉ giới hạn trong khoảng 50 công ty thương
mại và lắp ráp các tấm pin ngoại nhập mà chưa có cơng ty nào tham gia vào hoạt động sản
xuất chế tạo. Do đó nếu được đầu tư vào nghiên cứu và áp dụng những kết quả nghiên cứu
vào sản xuất chế tạo sẽ tạo thêm nguồn công ăn việc làm cho xã hội bên cạnh việc bổ sung
một nguồn năng lượng xanh, sạch, vô tận vào cơ cấu nguồn điện quốc gia. Theo đà phát triển
của dân số, năng lượng mặt trời là giải pháp khả thi nhất để tránh một cuộc khủng hoảng năng
lượng sẽ diễn ra trong tương lai gần. Với mong muốn làm chủ công nghệ, hạ giá thành sản
phẩm, các nhà khoa học nước ta đã và đang nghiên cứu loại sản phẩm mới này. Tuy nhiên đến
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

17


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

nay kết quả đạt được vẫn chưa cao, hiệu suất chuyển đổi quang điện còn thấp, chưa thể triển

khai ứng dụng vào cuộc sống. Mặt khác, do sự phát triển kinh tế, sự đầu tư của chính phủ về
việc phát triển cơ sở vật chất, thiết bị nghiên cứu, thiết bị đánh giá,…có thể thấy việc nghiên
cứu chế tạo pin mặt trời vơ cùng cấp thiết và có ý nghĩa thiết thực.
Hiệu ứng quang điện đã được phát hiện năm 1839 bởi nhà vật lý người Pháp A. E.
Becquerel. Tuy nhiên Russell Ohl được coi là người phát minh ra PMT bán dẫn, 1946 khi
đang nghiên cứu về transistor và hiệu suất của pin khoảng 1%. Đến năm 1945, tại phịng thí
nghiệm Bell, Calvin Souther Fuller and Gerald Pearson đã phát triển PMT đơn tinh thể
khuếch tán tạo tiếp xúc p-n có hiệu suất 6% [1]. Từ đó trở đi mọi nỗ lực không ngừng cố gắng
nâng cao hiệu suất của PMT và giảm giá thành đã có được những thành công đáng kể. Từ thế
hệ PMT đầu tiên cho đến PMT thế hệ thứ ba với rất nhiều loại nguyên vật liệu khác nhau (vô
cơ lẫn hữu cơ) hiệu suất đã vượt qua 30% và giá thành ngày càng giảm xuống.
Các thế hệ PMT đã được phát triển:
 Thế hệ thứ nhất: đế silic tinh thể, chuyển tiếp p-n. Cấu trúc đơn giản gồm một lớp
chuyển tiếp p-n trên đế silic, điện cực sau và điện cực lưới mặt trước. Đồng thời mặt
trước của pin cũng được phủ một lớp màng chống phản xạ. Pin hoạt động ổn đinh, bền
với môi trường nhưng do sử dung đế silic nên giá thành còn cao và hiệu suất giới hạn
31%. Hiểu biết và công nghệ cho PMT thế hệ I đã gần như hoàn chỉnh. Đây là loại
pin chủ yếu trên thị trường.
 Thế hệ thứ hai: PMT màng mỏng (a-Si, µ-Si, Si, SiC, GeSi, CdS, CdTe, CuInSe2,
CuInGaSe2,…) trên đế thủy tinh hoặc loại lai tạo giữa màng mỏng (vd: màng silic vơ
định hình) trên đế silic tạo các tiếp xúc dị thể (Heterojunction). Giá thành hạ so với
PMT thế hệ 1.
 Thế hệ thứ ba: các loại pin mặt trời được xếp vào thế hệ thứ ba là loại pin có khả năng
vượt qua giới hạn Shockley–Queisse hiệu suất 31-41%. Các loại pin này có cấu trúc
đa lớp, nhiều vùng cấm , nano tinh thể, pin có cấu trúc song song…
 Thế hệ thứ tư: các loại pin có ngun tắc hoạt động khơng dựa trên tính chất bán dẫn
như các loại PMT polymer, organic hay thuốc nhuộm nhạy sáng.
Những ưu điểm quan trọng nhất mang tính đổi mới sáng tạo của đề tài là:
 Cho phép giảm chiều dày, giảm khối lượng vật liệu silic sử dụng dẫn đến giảm giá
thành sản phẩm.

 Nghiên cứu chế tạo các dạng vật liệu mới như màng mỏng silic tinh thể micro và nano
có khả năng kết hợp các ưu điểm của cả 2 dạng vật liệu truyền thống là silic vơ định
hình và silic tinh thể.
 Lớp màng mỏng có thể được lắng đọng ở nhiệt độ cực kì thấp với những công nghệ như
PECVD, HWCVD… mở ra khả năng sử dụng những loại vật liệu đế giá rẻ như kính,
chất dẻo, sợi. Vật liệu sử dụng đều ở những dạng còn khá mới nên hiệu suất của thiết

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

18


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

bị hứa hẹn sẽ được cải tiến hơn nữa bằng cách nâng cao chất lượng của các lớp vật
liệu.
 Mở rộng diện tích bề mặt và khả năng tùy biến của thiết bị.

1.2 Silic (Si), silic vơ định hình (a-Si).
1.2.1

Đặc trưng của vật liệu silic

 Silic – vật liệu chủ yếu chế tạo pin mặt trời.
Vật liệu chính cho tế bào quang điện được dùng để chuyển hoá năng lượng mặt trời
thành điện năng là silic (Si). Silic là một nguyên tố nhiều thứ hai sau oxy trên quả địa cầu.
Đây là cũng là một nguồn thiên nhiên phong phú gần như vơ tận. Nó chiếm gần 30 % của vỏ
quả đất dưới dạng silica (SiO2), và là một hợp chất chính trong cát. Nhìn xung quanh, ta thấy
tính hữu dụng của silica hiện hữu từ công nghệ "thấp" như bê tông, thủy tinh đến công nghệ
cao như transistor, chip vi tính và các linh kiện điện tử khác. Có thể nói rằng silic, hay đi từ

nguyên thủy - cát, là xương sống của nền văn minh hiện đại. Nói khác hơn, ngồi đá cát của
thiên nhiên có thể thấy sự hiện diện của nguyên tố silic hầu hết ở tất cả mọi nơi từ những tòa
nhà chọc trời đến những linh kiện điện tử thu nhỏ cho thiết bị vi tính ở thang nanomét (nhỏ
hơn sợi tóc 100.000 lần).

 Silic pha tạp Phosphous và Boron
Năm 1954, tại Phòng thí nghiệm Bell đã phát hiện ra rằng silic được pha tạp với tạp
chất nào đó sẽ rất nhạy với ánh sáng, từ đây mở ra 1 kỷ nguyên mới cho công nghệ chế tạo
pin mặt trời dựa trên tinh thể silic. Như đã nói ở trên, Si có 4 điện tử hóa trị nên sẽ hình thành
nên 4 liên kết hóa trị với 4 nguyên tử Si xung quanh [2]. Khi silic được pha tạp phosphous, vì
nguyên tử phosphous có 5 điện tử hóa trị nên khi thay thế nguyên tử silic sẽ có 1 điện tử dư
thừa (điện tử tự do) trong mạng tinh thể, loại bán dẫn được pha tạp như vậy gọi là bán dẫn
loại n và nguyên tử phosphous được gọi là donor.Ngược lại, khi silic được pha tạp boron, vì
boron có 3 điện tử hóa trị nên khi thay thế nguyên tử silic sẽ có 1 lỗ trống được tạo ra, loại
bán dẫn này gọi là loại p và nguyên tử boron được gọi là aceptor (Hình 1-2).

Hình 1- 2 Tinh thể silic pha tạp phosphous và boron
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

19


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

 Silic vơ định hình hydro hóa (a-Si:H)
Kể từ khi những nghiên cứu về tính chất điện cũng như ứng dụng của a-Si:H được bắt
đầu vào những năm 1950s-1960s, nó đã trở thành một loại vật liệu rất hứa hẹn cho ngành
quang điện.
Các nghiên cứu trước đó về phương pháp sản xuất a-Si (silic vơ định hình khơng bị
hydro hố) như phún xạ hoặc bốc bay khơng sử dụng hydro đã bị rất nhiều khuyết tật điện tử,

điều này ngăn cản sự thể hiện các tính chất của bán dẫn.
A-Si:H lần đầu tiên được sản xuất bởi sự phân ly silan (SiH4) trong môi trường plasma
và các yếu tố thành phần sẽ được lắng đọng lên bề mặt của một đế nung nóng. Phương pháp
này gọi là phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasm, PECVD (Plasma Enhanced
Chemical Vapour Deposition) và ngày nay được sử dụng rộng rãi.
Cho đến nay, a-Si:H đã trở thành một trong 3 loại vật liệu chủ lực của pin mặt trời sử
dụng cơng nghệ màng mỏng [3] (hai loại vật liệu cịn lại là CdTe và CIGs). Tuy a-Si:H không
thể so sánh với CIGs hay CdTe về mặt hiệu suất nhưng lại cho hiệu quả kinh tế cao hơn. Khả
năng hấp thụ ánh sáng với bước sóng ngắn giúp pin làm bằng a-Si:H có khả năng thích nghi
với hầu hết các ứng dụng trong nhà cũng như ngồi trời. Quy trình chế tạo cũng rất linh hoạt,
bằng cách thay đổi các điều kiện như áp suất, nhiệt độ, thành phần khí, lưu lượng khí, ta có
thể thay đổi được tính chất của lớp màng sản phẩm, thậm chí có thể chuyển từ dạng
amorphous sang dạng micro, nano hay polycrystalline. Hơn nữa, hầu hết các quá trình CVD
đều được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ cao, a-Si:H thường chỉ cần nhiệt độ khoảng từ 200300°C, có thể sử dụng các đế bằng chất dẻo. Đây là một ưu điểm hồn tồn khơng thể ứng
dụng đối với CdTe hay CIGs.
Chittick và các cộng sự [4] đã tiến hành lắng đọng a-Si:H lên một bề mặt đế được nung
nóng lần lượt các giá trị trong khoảng từ 25 đến 650°C. Khảo sát điện trở suất của vật liệu
giảm từ 1014 Ωcm khi đế ở nhiệt độ phòng cho đến dưới 105 Ωcm khi đế được nung nóng lên
500°C hoặc cao hơn. Một dải giới hạn hấp thụ được xác định từ 0,75 – 1,5µm mà hiện nay đã
chứng minh được có liên quan đến mật độ trạng thái của a-Si:H và có khả năng hấp thụ các
photon có năng lượng trong khoảng 0,8 – 1,65eV. Và cuối cùng tính nửa bền của a-Si:H cho
thấy, điện trở suất của một mẫu tiếp xúc với không khí sẽ ngày càng tăng và sau một khoảng
thời gian sẽ đạt tới giá trị không đổi.
Vấn đề lớn nhất với vật liệu a-Si:H là sự mất ổn định khi bị phơi sáng trong thời gian
dài, có thể làm giảm hiệu suất của thiết bị tới 30% và mật độ lỗ trống trong cấu trúc khá thấp.
Pin mặt trời sử dụng vật liệu là a-Si:H có hiệu suất vào khoảng 8-10% [3]. Đi tiên phong
trong công nghệ này là Sharp với một dự án 160MW (2008) với các thiết kế cấu trúc song
song a-Si:H/µc-Si:H.
C-Si là một cấu trúc mạng sắp xếp có trật tự của các nguyên tử silic, xác suất để tìm
thấy một nguyên tử silic ở các khoảng cách lặp đi lặp lại trong mạng c-Si là khá lớn. Ngược

lại, a-Si:H là một tập hợp các nguyên tử Si và H được sắp xếp một cách ngẫu nhiên. Độ đồng
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

20


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

đều về khoảng cách giữa các nguyên tử chỉ thế hiện nếu xét trên cấu trúc mạng không gian 3
chiều, cịn nếu theo một chiều bất kì thì giá trị đại lượng này khơng ổn định.

Hình 1- 3 Cấu trúc mạng của a) silic tinh thể và b) silic vơ định hình [1]
Cấu trúc của a-Si:H khơng có các nút mạng với vị trí cố định do đó rất khó để có thể
định nghĩa một khuyết tật trong mạng a-Si:H. Đối với c-Si, khuyết tật điểm có thể gồm khuyết
tật nút trống, khuyết tật xen kẽ và khuyết tật thay thế nhưng trong a-Si:H thì khơng thể xác
định được các dạng khuyết tật này vì các vị trí nút mạng đã bị lệch. Thay vào đó chúng biểu
thị bằng các liên kết bất bão hồ.

Hình 1- 4 Các khuyết tật cơ bản trong mạng c-Si và a-Si
Hình 1-4 biểu diễn các khuyết tật cơ bản trong cấu trúc của silic tinh thể và các khuyết
tật tương đương trong cấu trúc của silic vơ định hình. Trong cấu trúc lý tưởng, 1 nguyên tử
silic sẽ liên kết với 4 nguyên tử silic khác quanh nó, nhưng nếu xảy ra khuyết tật, nó sẽ chỉ có
3 liên kết hoặc ít hơn [3].
Mỗi ngun tử Si trong mạng silic vơ định hình có thể có nhiều hơn một liên kết bất bão
hồ, các liên kết này có khả năng “bắt” các điện tử hoặc ion. Một mạng a-Si:H hoàn hảo là
khi mỗi liên kết bất bão hồ được thụ động hố bằng một nguyên tử Hydro. Tuy nhiên trong
thực tế, một phần các liên kết này sẽ không “bắt” được hydro. Quá trình hydro hố silic vơ

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

21


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

định hình sẽ làm giảm số lượng các liên kết chưa bị thụ động hố, giúp nó có những tính chất
của một loại vật liệu điện tử.
Cấu trúc ngẫu nhiên của mạng a-Si:H có cả tác động tích cực và tiêu cực tới tính bán
dẫn của nó. a-Si:H sẽ hấp thụ tốt hơn ánh sáng có bước sóng dưới 700 nm so với silic tinh thể
nhưng đồng thời khả năng di chuyển của các hạt tải cũng sẽ khó khăn.

 Đặc trưng của hydro trong a-Si:H.
Hydro đóng vai trị là chất thụ động hoá các khuyết tật (các liên kết bất bão hồ) trong
mạng a-Si:H. Do đó sự liên kết và tính ổn định của nó rất được quan tâm nghiên cứu. Phương
pháp quang phổ hấp thụ hồng ngoại được dùng để cung cấp thơng tin về cấu hình liên kết SiHx trong mạng a-Si:H.
Ba dải hấp thụ hồng ngoại đặc trưng quan sát thấy trong phổ a-Si:H là một đỉnh ở 640
-1
cm (đặc trưng cho dao động dọc của các liên kết Si-H, H-Si-H và Si-H3), một đỉnh kép tại
840-890cm-1 (đặc trưng cho dao động lên xuống của các liên kết H-Si-H) và một dải các đỉnh
hấp thụ trong khoảng 2000-2200cm-1(đặc trưng cho dao động kéo dãn của các liên kết Si-H)
[1]

1.2.2

Mơ hình mật độ trạng thái của vật liệu a-Si:H

 Định nghĩa mật độ trạng thái
Một yếu tố cơ bản để xác định phân bố và nồng độ của các hạt tải trong một vật liệu bán
dẫn là thông tin về phân bố của các trạng thái năng lượng, hay còn gọi là mật độ trạng thái.
Đối với một tinh thể silic cấu trúc lí tưởng, vùng hoá trị và vùng dẫn được ngăn cách bởi một

khe cấm xác định rõ ràng, Eg. Hạt tải không thể nào nằm trong mức năng lượng của vùng cấm
được.
Do sự rối loạn về khoảng cách trong mạng a-Si:H, các trạng thái năng lượng trong vùng
dẫn và vùng hoá trị sẽ mở rộng về phía khe cấm và hình thành những vùng trạng thái được gọi
là “vùng lề dưới”. Ngoài ra, những khuyết tật trong mạng a-Si:H có thể khiến cho các trạng
thái năng lượng chiếm vị trí ở trung tâm khe cấm. Điều này có nghĩa là mật độ trạng thái của
a-Si:H là phân bố liên tục, khơng có ranh giới phân chia rõ ràng giữa vùng cấm và vùng hố
trị. Các trạng thái năng lượng mà trong đó hạt tải được xem như những hạt tự do được mô tả
bằng những hàm sóng mở rộng trên tồn cấu trúc mạng. Các trạng thái này không bị giới hạn
và được gọi là trạng thái mở rộng.
Sự rối loạn trong cấu trúc mạng làm cho các hàm sóng của trạng thái khuyết tật được
xác định và chúng được gọi là các trạng thái cơ lập.

 Mơ hình mật độ trạng thái
Nói chung, phân bố của các trạng thái năng lượng trong a-Si:H được đặc trưng bởi 3
vùng khác nhau [1] :
1)Các trạng thái mở rộng nằm phía trên của biên di động của vùng dẫn.
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

22


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

2)Các trạng thái mở rộng nằm phía dưới biên di động của vùng hố trị.
3)Các trạng thái bị cơ lập nằm ở giữa các biên di động.

Hình 1- 5 Mơ hình của phân bố mật độ trạng thái của a-Si:H [1].
Vùng dẫn và vùng hoá trị được biểu diễn bằng 2 đường parabol phụ thuộc vào năng
lượng của electron. Các trạng thái khuyết tật được đại diện bởi hai phân bố Gaussian, chênh

lệch nhau một mức năng lượng U (dương và không đổi). Như đã biết, liên kết bất bão hoà là
dạng khuyết tật chủ yếu trong mạng a-Si:H. Các liên kết này có thể ở 3 trạng thái tích điện
âm, trung hồ hoặc tích điện dương. Năng lượng chênh lệch giữa các trạng thái được biểu thị
bằng 2 giá trị E+/0 và E0/- gọi là các giá trị năng lượng chuyển đổi. Hai phân phối Gaussian
D+/0 và D0/- biểu thị cho phân bố trạng thái năng lượng tương ứng với sự chuyển đổi trạng
thái tích điện của các liên kết bất bão hồ.

 Các thống kê mơ tả quá trình sản sinh-tái hợp điện tử -lỗ trống trong vật
liệu silic
Phân bố Gaussian được sử dụng để mô tả các trạng thái khuyết tật của a-Si:H cho thấy
sự rối loạn trong cấu trúc là một hàm trạng thái chứ không chỉ nằm ở những trạng thái xác
định với mức năng lượng cụ thể. Tuy nhiên phân bố Gaussian chỉ biểu thị cho trạng thái
khuyết tật chứ không chứa bất kì thơng tin nào về nguồn gốc của các khuyết tật đó. Lí thuyết
cho thấy khuyết tật trong mạng lưới vơ định hình được biểu thị bằng các liên kết khơng bềnliên kết bất bão hồ có thể mơ tả được phân bố của chúng giả định rằng năng lượng của các
trạng thái khuyết tật sẽ biến thiên trong một khoảng do những rối loạn vốn có trong mạng lưới
nguyên tử khiến cho khuyết tật có thể hình thành với những trạng thái tích điện khác nhau.
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

23


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

Kết quả là tổng mật độ trạng thái khuyết tật là tổng của ba phân bố năng lượng Dh, Dz và De,
tương ứng với các khuyết tật tích điện dương, trung hồ và tích điện âm [1].
Mơ hình xây dựng cho phép ta dự đoán rằng tổng số liên kết bất bão hoà trong một lớp
a-Si:H nội tại sẽ tăng lên khi mức Fermi thay đổi vị trí của nó và vị trí của mức Fermi sẽ
quyết định đến sự phụ thuộc năng lượng của phân bố mật độ khuyết tật.
Các trạng thái năng lượng trong vùng cấm đóng vai trò như những cái bẫy và là nơi diễn
ra q trình tái tổ hợp. Do đó sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất điện của a-Si:H. Trái

ngược với chất bán dẫn tinh thể, quá trình tái tổ hợp chỉ chịu ảnh hưởng duy nhất của một
mức năng lượng trong vùng cấm. Đối với a-Si:H, tất cả các trạng thái năng lượng vùng cấm
cũng đều sẽ có ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình sản sinh- tái hợp.
Rất nhiều kĩ thuật thực nghiệm đã được tiến hành để thu thập thông tin về mật độ trạng
thái trong a-Si:H. Tuy nhiên khơng có phương pháp trực tiếp nào để có thể xác định giá trị
trên, mà chỉ có thể xác định gián tiếp thông qua các phép đo thuộc tính quang, thuộc tính điện,
hoặc các tính chất tại vùng phân cách của bề mặt lớp a-Si:H.

 Hiện tượng cơ lập trong mạng silic vơ định hình
Trong mạng vơ định hình, thế năng liên kết của các nguyên tử lớn hơn trong mạng tinh
thể, tuỳ thuộc vào vị trí vật lý của nó so với những nguyên tử khác.Một nguyên tử cô lập hơn
các nguyên tử khác khi độ dài liên kết hoặc góc liên kết của nó lớn hơn bình thường và đó gọi
là hiện tượng cơ lập hố.Thế liên kết càng lớn, ngun tử càng bị cơ lập và cần cung cấp năng
lượng lớn hơn để các hạt mang có thể di chuyển ra khỏi vị trí đó.
Các ngun tử trong mạng a-Si:H khơng bị cơ lập hố hồn tồn nhưng phần lớn đều bị
cơ lập ở một mức độ nhất định.Vì c-Si là mạng tinh thể tuần hồn nên khơng có hiện tượng
này, khe năng lượng của tất cả các nguyên tử đều có cùng giá trị. Còn trong mạng a-Si:H, thế
năng liên kết càng lớn thì khe năng lượng sẽ càng khơng có giới hạn rõ ràng, do đó a-Si:H sẽ
có khả năng hấp thụ ánh sáng có bước sóng lớn hơn so với c-Si.
Mặc dù vấn đề về độ linh động của dòng các hạt dẫn thấp, a-Si:H vẫn chứng tỏ rằng nó
là một loại vật liệu quang điện đầy hứa hẹn. Sự suy giảm các tính chất điện gây ra bởi trạng
trái cơ lập cũng là nguyên nhân gây ảnh hưởng đến sự hấp thụ quang học của vật liệu, mà khả
năng hấp thụ trực tiếp ánh sáng có bước sóng dưới 700-750 nm của a-Si:H là một ví dụ. Vùng
hấp thụ của a-Si:H do vậy trùng với vùng phát xạ cực đại trong quang phổ mặt trời AF1.5
nằm ở lân cận bước sóng 500 nm [3]

1.2.3

Các tính chất quang-điện của vật liệu a-Si:H

 Tính chất quang của vật liệu a-Si:H
Các tính chất quang học của a-Si:H được đặc trưng bởi hệ số hấp thụ, chiết suất và độ
rộng vùng cấm quang học.

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

24


Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo màng mỏng silic cấu trúc nano dùng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng quang-điện”

Hình 1- 6 Hệ số hấp thụ của a-Si:H
Hình 1-6a cho thấy hệ số hấp thụ đặc trưng của a-Si:H là một hàm phụ thuộc vào năng
lượng photon trong khi hình 1-6b, hệ số hấp thụ của a-Si:H được so sánh với hệ số hấp thụ
của a-SiGe:H, a-SiC:H loại p và c-Si. Trong vùng nhìn thấy của quang phổ mặt trời, a-Si:H
hấp thụ gấp 100 lần so với c-Si, điều này có nghĩa là chỉ cần 1 lớp a-Si:H dày khoảng 1µm sẽ
hấp thụ được 90% năng lượng mặt trời có thể sử dụng. Trong thực tế, độ dày của một pin mặt
trời a-Si:H chỉ vào khoảng 0.3µm, mỏng gấp 1000 lần so với một pin mặt trời c-Si [1].
Quá trình chuyển tiếp quang học đến và đi từ các trạng thái cô lập là được phép trong
một khoảng linh động và có thể được quan sát bằng cách đo hệ số truyền qua ở các mức năng
lượng xảy ra sự hấp thụ mạnh. Do đó các phép đo hấp thụ quang học cũng có thể cung cấp
một số thông tin về chất lượng vật liệu đặc biệt là về các khuyết tật trong mạng lưới vơ định
hình.
Ở hình 1-6a, phổ hấp thụ của a-Si:H được chia làm 3 vùng. Vùng A, sự hấp thụ xảy ra
chủ yếu là do sự chuyển đổi giữa các trạng thái mở rộng của vùng dẫn và vùng hoá trị. Hệ số
hấp thụ trong vùng này thường cao hơn 103-104cm-1 và được do bằng phương pháp quang
phổ phản xạ và quang phổ truyền qua. Vùng B kéo dài từ α ~ 1-103cm-1, hệ số hấp thụ phụ
thuộc vào năng lượng photon theo một hàm mũ. Vùng này được gọi là biên Urbach, sự hấp
thụ chủ yếu là do quá trình chuyển đổi trạng thái giữa hai vùng lề dưới của vùng hoá trị và
vùng dẫn. Hệ số hấp thụ trong vùng này được tính bằng cơng thức:

α = α0 exp(E/E0)
(1.1)
Trong đó α0 là hằng số, E0 là năng lượng Urbach. Một cách hình học thì E0 đặc trưng
cho độ dốc của hàm mũ khu vực lề dưới vùng hoá trị. Tuy nhiên hiểu một cách bản chất về
cấu trúc thì E0 đặc trưng cho sự hỗ loạn của mạng lưới nguyên tử vô định hình của a-Si:H. E0
càng nhỏ thì sự hỗn loạn càng giảm.

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Mậu Chiến - PTN CN Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM

25