Quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời

Môc lôc
Danh mục các bảng biểu ...................................................................... …….. . 3
Danh mục các hình vẽ ..................................................................................... . 4
Mở đầu ............................................................................................................ . 6
Chương I. Cơ sở vật lý học của pin mặt trời ............................................... . 8
1. Hiệu ứng quang điện .......................................................................... . 8
1.1. Hiệu ứng quang điện trên hệ thống hai mức năng lượng .......... . 8
1.2. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện ............................. . 11
1.3. Sự tạo thành hàng rào thế năng ............................................... …12
2.

t iệu bán d n ............................................................................... …13
2.1. Khái niệm ................................................................................. …13
2.2. Tính chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p – n ............................... …14

Chương II. Công ngh chế t o pin mặt trời ………………………………... 17
1. Cấu tạo và nguy n

hoạt đ ng của pin mặt trời …………………….17

1.1. Cấu tạo .................................................................................... …17
1.2. Nguy n

hoạt đ ng của pin mặt trời …………………………..18

1.3. Đường đặc trưng V-A sáng - Sự tạo dòng quang điện ...........…19
1.4. Hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời ....................... …21
2. Quy trình c ng nghệ chế tạo pin mặt trời từ Si ic ........................... …23
2.1. S đ quy trình c ng nghệ ………………… ………………….24
2.2.Chế tạo v t iệu bán d n ……………………..………………… 24
2.3. Tạo ớ p tiếp xúc p-n .............................................................… 27

2.4. ạo ớp tiếp

c điện ..............................................................….30

2.5. Phủ ớp chống ph n ạ ánh sáng ............................................….31
2.6. Đ ng g i các pin mặt trời thành mo đun ................................….32

1


3. M t số u hướng c ng nghệ mới trong s n uất pin mặt trời ………….33
3.1. Quy trình c ng nghệ màng m ng ……………………………….34
3.2. V t liệu vơ định hình ( Amorphous) ………………………..35
3.3. M t số pin mặt trời màng m ng ........................................... .. …37
Kết luận ………………………………………………………………...44
Tài li u tham khảo ……………………………………………………..45

2


D N

M CC C

N

I

B ng 2. 1. Các giá trị Eg, a và b của Si ic và GaAs ............................................ 22
B ng 2.2. Hiệu suất

thuyết của m t số pin mặt trời thế hệ mới ...................... 36

B ng 2.3. Các v t iệu đối với pin mặt trời màng m ng ..................................... 37

3


D N

M CC C

N

Hình 1.1. Các quá trình ượng tử trong hệ hai mức ........................................... 9
Hình 1.2. Các quá trình ượng tử trong hệ hai vùng năng ượng ......................... 9
Hình 1.3. Hiệu suất biến đổi quang điện phụ thu c vào đ r ng vùng
cấm của v t iệu bán d n ...................................................................................... 11
Hình 1.4. Bán d n năng ượng và p trước khi tiếp

c (electron

kí hiệu bằng chấm đen, ỗ trống-vịng trịn nh ) ................................................ 13
Hình 1.5. Sự tạo thành ớp tiếp
Hình 1.6. Biểu diễn s

c tiếp bán d n p - n ....................................... 13

ược các vùng năng ượng của

ectr n trong chất bán

d n ........................................................................................................................ 13
Hình 1.7. Các mạch điện đo đặc trưng V- A của tiếp xúc bán d n p-n ............... 14
Hình 1.8. Đặc trưng tối của tiếp xúc bán d n p-n ............................................... 15
Hình 2.1. Cấu tạo của m t tấm pin mặt trời ......................................................... 17
Hình 2.2. Cấu trúc của pin mặt trời silic và c chế tạo ra
dòng điện. Chấm đen là điện tử e - ; chấm trắng là lỗ trống h+ ......................... 18
Hình 2.3. Đường đặc trưng V-A sáng của tiếp xúc bán d n p-n ....................... 21
Hình 2.4. Sự phụ thu c của hiệu suất vào nhiệt đ ............................................. 23
Hình 2.5. S đ khối quy trình c ng nghệ chế tạo
Pin mặt trời từ Si ……………………………………..………………. 24
Hình 2.6. S đ chế tạo đ n tinh thể Si bằng phư ng pháp Cz ......................... 26
Hình 2.7. S đ chế tạo tinh thể Si bằng phư ng pháp vùng nổi ...................... 27
Hình 2.8. Phư ng pháp tạo bán d n tạp chất p-Si ................................................ 28
Hình 2.9. Tạo bán d n n-Si bằng phư ng pháp khuếch tán nhiệt....................... 29

4


Hình 2.10. Cấu trúc m t pin mặt trời tinh thể Si đã hồn thiện ........................ 32
Hình 2.11. Các lớp v t liệu trong modun trước khi ép (a) và modun pin
mặt trời hồn thiện (b) ......................................................................................... 33
Hình 2.12. ấm pin mặt trời màng m ng v định hình si icon
(Amorphous Silicon Phơtvoltaic .......................................................................... 34
Hình 2.13. Cơng nghệ chế tạo modun pin mặt trời vơ định hình a- Si .............. 35
Hình 2.14. Sự phụ thu c của hiệu suất quang điện vào đ r ng vùng
cấm của v t liệu ở 300K ........................................................................................ 35
Hình 2.15. C chế hoạt đ ng của pin mặt trời a- Si ............................................. 38
Hình 2.16. Tiết diện ngang của pin mặt trời loại a- SiC .................................... 38

Hình 2.17. S đ dây chuyền s n xuất pin mặt trời a-Si ...................................39
Hình 2.18. iết diện ngang của các cấu tr c hai và nhiều ớp tiếp

c .......................40

Hình 2.19. Cấu tr c gấp của m t pin mặt trời v định hình Si với sự àm
tăng đ hấp thụ tronh các màng m ng I(100nm) ................................................. 41
Hình 2.20. S đ vùng năng ượng của m t ớp tiếp

c khác chất c

cửa sổ nhiều ớp ................................................................................................... 41
Hình 2.21.Cấu tr c điển hình của m t pin mặt trời màng m ng CuInSe2 .............42

5


MỞ ĐẦ
rong những năm gần đây ngu n nhi n iệu h a thạch s n uất điện
năng đang dần dần cạn kiệt d n đến những khủng ho ng cho ngành c ng
nghiệp năng ượng điện, do đ cần thiết ph i c m t ngu n năng ượng để bổ
sung, thay thế như năng ượng gi , địa nhiệt, năng ượng hạt nhân, năng ượng
mặt trời…Để c thể cung cấp điện cho những vùng hẻo ánh, cho hoạt đ ng
của các vệ tinh và những vùng mà điện năng trong mạng ưới chưa vư n tới
được.
rong tất c các ngu n năng ượng tái tạo, ngu n năng ượng mặt trời à
phong ph và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí h u hiện nay của rái
đất.

iệt Nam à m t trong những nước nằm ở d i phân bố ánh nắng nhiều

nhất trong năm tr n b n đ bức ạ mặt trời của thế giới. Nước ta c m t d i
bờ biển dài h n 3.000km, c hàng nghìn đ o hiện c cư dân sinh sống mà
nhiều n i kh ng thể đưa điện ưới đến được. Sử dụng năng ượng mặt trời
như m t ngu n năng ượng tại chỗ để thay thế cho các dạng năng ượng
truyền thống đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư này à m t kế sách ớn ao
v cùng

nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phịng và phát triển văn hố giáo

dục... uy nhi n ở nước ta cho đến nay việc ứng dụng năng ượng mặt trời
chưa phát triển. Nguy n nhân chủ yếu à do giá c của điện mặt trời còn quá
cao so với thuỷ điện và nhiệt điện.

ì v y cần ph i nghi n cứu c i tiến c ng

nghệ chế tạo pin mặt trời sao cho chi phí thấp, nhằm gi m giá thành s n phẩm.
Do đ việc tìm hiểu về pin mặt trời và c ng nghệ chế tạo à nhu cầu hết sức
cần thiết cho ch ng ta, đ

à

do ch ng t i chọn đề tài “Quy trình cơng

6


ngh chế t o pin mặt trời” cho kh a u n tốt nghiệp đại học của mình.
Mục đích của đề tài à nghi n cứu các hiện tượng v t

được ứng dụng

trong pin mặt trời và c ng nghệ chế tạo pin mặt trời.
Đề tài được tiến hành dựa tr n việc phân tích tổng hợp các tài iệu và
các bài báo…về pin mặt trời, c ng nghệ s n uất pin mặt trời, v t iệu s n uất
pin mặt trời và các tài iệu c

i n quan kết hợp với sự hướng d n, sửa đổi t n

tình của giáo vi n hướng d n. Kh a u n đ hoàn thành với bố cục g m hai
chư ng sau:
Chương 1. Hi n tư ng vật lý đư c ứng dụng trong pin Mặt Trời.
rong chư ng này trình bày t m tắt về các hiện tượng v t
tính chất điện của v t iệu bán d n đ

và

à c sở hoạt đ ng của pin mặt

trời.
Chương 2. Quy trình cơng ngh chế t o pin mặt trời.
Đây à phần n i dung chính của kh a u n, trình bày chi tiết các bước
trong c ng nghệ chế tạo pin mặt trời tr n c sở Si ic. M t số u hướng c ng
nghệ hiện đại dựa tr n c sở v t iệu mới ( v t iệu v định hình, v t iệu c
cấu tr c nano…) cũng được trình bày trong chư ng này.
Kh a u n được kết th c bằng phần kết u n, n u t m tắt nhưng kết qu
đạt được của đề tài, đ ng g p của đề tài và danh mục các tài iệu tham kh o.
Sau đây à phần n i dung chính của kh a u n:

7

Chương I
IỆN TƯỢN
ĐƯỢC ỨN

D N

ẬT LÝ

TRON

PIN MẶT TRỜI

Năng ượng mặt trời là m t ngu n năng lượng sạch có thể nói là vơ

hạn. Người ta c thể biến đổi năng ượng đ thành đi n năng nhờ các thiết
bị quang bán d n gọi à pin mặt trời. Các pin mặt trời s n xuất điện năng
m t cách liên tục chừng nào cịn có bức xạ mặt trời tới nó. Các hệ thống
năng lượng pin mặt trời rất đ n gi n, khơng có phần chuyển đ ng, khơng địi
h i ph i b o dưỡng chăm sóc thường xuyên như các hệ thống năng lượng
khác…nên rất được quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng. Từ năm
1950 pin mặt trời đã trở thành ngu n điện phù hợp nhất cho các vệ tinh
nhân tạo và hiện nay là tàu vũ trụ. Đặc biệt từ cu c khủng ho ng dầu lửa
năm 1973, các hoạt đ ng nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ pin mặt trời đ
phát triển mạnh mẽ. Hiện nay s n xuất pin mặt trời đã trở thành m t trong các
ngành công nghiệp phát triển trên thế giới.
Chư ng này sẽ trình bày về các hiện tượng v t

được ứng dụng

trong c ng nghệ s n uất pin mặt trời. Các tính chất đặc biệt của v t iệu bán
d n ứng dụng trong pin mặt trời cũng được trình bày trong chư ng này.
1. Hi u ứng quang đi n trong ch t bán d n
Hiệu ứng quang điện là hiện tượng xuất hiện dịng điện trong v t rắn
khi có ánh sáng chiếu trên bề mặt v t rắn đó.
1.1. Hiệu ứng quang điện trên hệ thống hai mức năng lượng
Xét m t hệ hai mức năng lượng điện tử và trong đó E1 < E 2 (hình 1.1).

8


Hình 1.1. Các quá trình lượng tử trong hệ hai mức
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp h n E1. Khi bị chiếu
sáng bằng ánh sáng thích hợp điện tử sẽ hấp thụ m t lượng tử có giá trị
hν = E2 − E1 và chuyển ên mức năng lượng E2.
Trong các v t rắn, do tư ng tác rất mạnh của mạng tinh thể ên điện tử
vành ngoài nên các mức năng lượng của n bị tách ra nhiều mức năng lượng
con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các
điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hóa trị mà bờ trên
của nó có năng lượng Ev. Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hồn toàn
trống hoặc chỉ bị chiếm m t phần gọi là vùng d n, bờ dưới của vùng năng
lượng là Ec . Cách ly giữa hai vùng hoá trị và vùng d n là m t vùng cấm có
đ r ng năng lượng E g , trong đó khơng có mức năng lượng cho phép của
điện tử ( hình 1.2).

Hình 1.2. Các quá trình lượng tử trong hệ hai vùng năng lượng

9

Khi chiếu sáng v t rắn có cấu trúc năng lượng nói trên, photon có
năng ượng h tới hệ thống và bị đ iện tử ở vùng hóa trị hấp thụ và nó
có thể chuyển lên vùng d n để trở thành điện tử tự do e- và để lại ở vùng
hóa trị m t lỗ trống có thể coi như hạt mang điện tích dư ng nguyên tố và
+
được kí hiệu h , lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình d n

điện.
Hiệu ứng lượng tử của q trình hấp thụ photon có thể mơ t bằng
phư ng trình sau:

e  h  e  h 

(1.1)

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng ượng của photon và
chuyển từ vùng hóa trị lên vùng d n, tạo ra cặp ®iện tử - lỗ trống là:
h 

hc



 Eg  Ec  EV

(1.2)

Từ đó có thể tính được bước sóng giới hạn λc của ánh sáng để có thể
tạo cặp điện tử - lỗ trống là:[1]

c 

hc
hc 1.24


 m
E c - E v Eg
Eg

(1.3)

Chú ý: Trong cơng thức này năng lượng được tính bằng đ n vị eV )
Trong thực tế các hạt d n bị kích thích điện tử và lỗ trống đều tự tham
gia vào quá trình “h i phục”, chuyển đ ng tới bờ của các vùng năng lượng:
Điện tử e gi i phóng năng lượng để chuyển tới bờ vùng d n, cịn lỗ trống
h+ tới bờ Ev. Q trình h i phục chỉ x y ra trong kho ng thời gian rất ngắn
10-12 ÷10-1 giây và gây ra dao đ ng mạng. Năng lượng bị tổn hao trong quá
trình h i phục sẽ là (hv−Eg)
m ại khi chiếu sáng v t rắn, điện tử ở vùng h a trị hấp thụ năng ượng

10


photon và chuyển n vùng d n tạo ra cặp điện tử - ỗ trống tức à đ tạo ra m t
hiệu điện thế. Hiện tượng đ được gọi à hiệu ứng quang điện trong.
1.2. Hiệu suất của quá trình biến đổi quang điện
ừ các trình bày ở tr n ta c thể ác định được giới hạn

thuyết của

hiệu suất  biến đổi năng ượng quang điện của hệ thống hai mức.[1]
c



E g  J 0 ( ) d 
0





0

 hc 
J 0 ( )   d 


(1.4)

rong đ J0(  ) à m t đ photon c bước song  ; J0(  )d  à tổng số
photon tới c bước s ng trong kho ng    + d  ; hc/  à năng ượng của
photon. ử số của (1.4) à năng ượng hữu ích mà điện tử hấp thụ của photon
trong quá trình quang điện, còn m u số à tổng năng ượng của photon tới hệ.
Như v y,  à m t hàm số của Eg (vì  c cũng à hàm số của Eg) như được
trình bày trong hình 1.3.

Hình 1.3. Hiệu suất biến đổi quang điện phụ thuộc vào độ rộng vùng
cấm của vật liệu bán d n - [1]

11


Như thấy tr n hình 1.3,  có giá trị cực đại  max  0,44 xung quanh
giá trị Eg = 1,24 e . Kết qu này c tính tổng quát và áp dụng cho các hệ 2
mức năng ượng bất kỳ.
Năng ượng tổn hao trong m t quá trình biến đổi quang điện chủ yếu do
2 nguyên nhân sau:
- Các photon c năng ượng hv < Eg hay  >  c kh ng bị điện tử hấp
thụ để tạo cặp e- - h+, c thể àm v t rắn n ng n.
- Do quá trình phục h i, điện tử và ỗ trống gi i ph ng năng ượng
 E = hv – Eg cho mạng tinh thể v t rắn để tới đáy các vùng năng ượng.

1.3. Sự tạo thành hàng rào thế năng
ừ tr n ta thấy rằng khi được chiếu sáng trong v t rắn c thể được tạo ra
các cặp điện tử và ỗ trống e-/h+ i n kết yếu với nhau.
Để tạo ra dòng điện, trước hết cần tách e- và h+ kh i iên kết cặp và sau
đ bắt ch ng chuyển đ ng c hướng. Hiệu ứng này c thể thực hiện nhờ m t
điện trường E nào đ , ví dụ như sử dụng điện trường định ứ tr n ớp tiếp

c

p – n giữa hai oại bán d n.
Hình 1.4 là các s đ các vùng năng ượng của hai oại bán d n n và p.
Trong bán d n oại n, m t đ hạt d n điện tử nn rất ớn so với m t đ
pn (nn >>pn).

ỗ trống

ì v y người ta thường gọi điện tử à hạt d n c b n, còn ỗ

trống à hạt d n kh ng c b n. M t cách gần đ ng thì m t đ điện tử n n gần
bằng m t đ tạp chất nguy n tử donor ND được pha vào bán d n tinh khiết.
Còn trong bán d n oại p, ỗ trống ại à hạt d n c b n. M t đ

ỗ trống p p ại

rất ớn h n m t đ e ectron np , pp >> np , đ d n chủ yếu do ỗ trống c m t
đ pp , n gần bằng m t đ nguy n tử tạp chất Acceptor N A được pha vào bán
d n tinh khiết.

12


Hình 1.4. Bán d n năng lượng và p
trước khi tiếp xúc (electron kí hiệu bằng
chấm đen, lỗ trống-vịng trịn nhỏ) – [1]

Hình 1.5. Sự tạo thành lớp
tiếp xúc tiếp bán d n pn – [1]

2. ật li u bán d n
2.1. khái niệm
M t cách đ n gi n ch ng ta c thể em, các bán d n à những tinh thể mà về
mặt cấu tr c vùng năng ượng c m t miền hoá trị bị chiếm đầy và tr n n c
m t miền trống gọi ( à miền d n) vùng cấm nằm giữa hai miền c giá trị (dưới
vào ba e , ví dụ như Si ic c đ r ng vùng cấm à ΔEg = 1,12 eV, Gemani
ΔEg = 0,66 e , ở nhiệt đ phịng).

Hình 1.6. Biểu diễn sơ lược các vùng năng lượng của êlectrôn trong
chất bán d n

13


Xét về mặt tính chất d n điện bán d n c điện trở suất trung bình giữa
kim oại và điện m i. Điện trở suất của kim oại nằm trong kho ng 10-8Ωm
đến 1010 Ωm điện trở suất bán d n nằm trong kho ng10-4 đến 1010 Ωm (ví dụ
Gecmani c điện trở suất từ 5.10- 6 đến 0.047 Ωm tuỳ theo c ng nghệ chế tạo
và nhiệt đ , cadmi Sunfua c điện trở suất trong kho ng 10 -5Ωm đến 1010
Ωm). Các v t iệu bán d n c điện trở suất ớn h n 10 -8Ωm được coi à điện
m i (như Mice, tuỳ theo thành phần cấu tạo, c điện trở suất từ 10 -11Ωm đến
1014Ωm, thuỷ tinh từ 10-6Ωm đến 1013Ωm).
2.2. Tính chỉnh lưu của chuyển tiếp p - n
Ta xét tính chất của lớp tiếp xúc khi chưa ®ược chiếu sáng.
Đặt m t ngu n thế ngoài vào m t lớp tiếp xúc p-n và nghiên cứu sự
phụ thu c của dòng điện qua lớp tiếp xúc vào hiệu điện thế đặt vào nó như
hình 1.7 a

a)

b)

Hình 1.7. Các mạch điện đo đặc trưng V- A của tiếp xúc bán d n p-n – [1]

Trước hết xét trường hợp ngu n thế ngoài phân cực ngược lớp tiếp
xúc p-n, cực dư ng của ngu n ngoài đặt vào bán d n n, cực âm đặt vào bán
d n p ( hình 1.7.a). Khi đó, điện trường ngồi E0 và điện trường tiếp xúc
Etx cùng chiều.

14


Điện trường tổng hợp E = Etx + E0 trên miền tiếp xúc rất lớn khiến
hàng rào thế năng ở lớp tiếp xúc được nâng cao lên, do v y nó càng ngăn
khơng cho dịng các hạt t i điện c b n qua lớp tiếp xúc. Ở trạng thái này,
mặc dù dịng các hạt t i khơng c b n được gia tốc mạnh, nhưng do m t đ
nh nên dịng các hạt t i khơng c b n nhanh chóng đạt tới trạng thái bão
hịa và có giá trị rất nh Is.
Đổi phân cực ngu n ngoài, tức là phân cực thu n lớp tiếp xúc p-n ( cực
dư ng của ngu n thế ngoài vào bán d n p, cực âm vào bán d n n ). Khi ®ó
điện trường ngồi và điện trường tiếp xúc ngược chiều nhau, nên điện trường
tổng hợp E = E0 − Etx < Etx . Kết qu là hàng rào thế ở miền tiếp xúc gi m,
dòng các hạt t i điện có m t đ lớn qua lớp tiếp xúc tăng rất nhanh (theo quy
lu t hàm số mũ- công thức 1.5 ) theo hiệu điện thế ngoài.
Đường cong biểu diễn sự phụ thu c của dòng điện qua lớp tiếp xúc
p-n và hiệu điện thế ngồi đặt vào nó khi lớp tiếp xúc p-n khơng bị chiếu
sáng như sau:

Hình 1.8. Đặc trưng tối của tiếp xúc bán d n p-n - [4]
Đường cong khi lớp tiếp xúc không được chiếu sáng được gọi là
đường đặc trưng tối Vôn - Ampe (V-A) của lớp tiếp xúc và nó được mơ t
bằng phư ng trình diode bán d n thơng thường:[4]

15


qV 


I d  I s exp
1
KT 


(1.5)

Trong đ :
Id: Dòng qua lớp tiếp xúc p-n
Is: Dòng điện ngược bão hòa
V: Hiệu điện thế đặt vào lớp tiếp xúc p-n
k: Hằng số Boltzmann
T: Nhiệt đ của lớp tiếp xúc p-n
q: Điện tích nguy n tố (q = 1, 6.10 −19 C ) .
Dòng điện ngược bão hòa Is phụ thu c vào m t đ các hạt t i không
c b n nP, pn, vào đ dài khuếch tán Ln, Lp và thời gian sống của chúng.
Tóm lại ở trạng thái không chiếu sáng, lớp tiếp xúc p-n là m t phần
tử thụ đ ng, không tạo ra năng lượng và có tính chất chỉnh lưu, chỉ cho dịng
điện qua khi phân cực thu n đường đặc trưng V-A tối ( hình 1.8) là đường
đặc trưng của diode bán d n thơng thường. Chư ng tiếp theo sẽ trình bày về
pin mặt trời: cấu tạo, nguy n

hoạt đ ng, quy trình c ng nghệ chế tạo và

m t số u hướng c ng nghệ mới.

16


Chương II

CÔN

N

Ệ C Ế TẠO PIN MẶT TRỜI

1. Nguyên lý pin mặt trời
1.1. ấu tạo

Hình 2.1. Cấu tạo của một tấm pin mặt tr i
M t ớp tiếp

c bán d n p - n c kh năng biến đổi trực tiếp năng

ượng bức ạ Mặt rời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện b n trong
gọi à pin Mặt rời. Pin mặt trời được s n uất và sử dụng phổ biến hiện nay
à các pin Mặt rời được chế tạo từ v t iệu tinh thể bán d n si icon (Si) c
h a trị 4. ừ tinh thể Silic tinh khiết, để c v t iệu tinh thể bán d n Si oại n,
người ta pha tạp chất donor à phot pho (p) c h a trị 5. Còn để c v t iệu
bán d n tinh thể oại p thì tạp chất acceptor được dùng để pha vào Bi và Bo c
h a trị 3. Đối với pin mặt trời từ v t iệu Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện
thế hở mạch giửa hai cực vào kho ng 0,55 , còn dòng đo n mạch của n
dưới bức ạ mặt trời 1000

m2 vào kho ng (25 30) mA cm2. Hiện nay

người ta cũng đưa ra thị trường các pin mặt trời bằng v t iệu Si v định hình

17

(a-Si). Pin Mặt rời a-Si c ưu điểm tiết kiệm được v t iệu trong s n uất do
đ c thể c giá thành rẻ h n. uy nhi n, so với pin Mặt rời tinh thể thì hiệu
suất biến đổi quang điện của n thấp và kém ổn định khi àm việc ngồi trời.
Ngồi Si, người ta cịn nghi n cứu và thử nghiệm các oại v t iệu khác
c nhiều hứa h n như hệ bán d n nh m III-

, sunfit cadmi- đ ng (CuCdS),

ga ium-arsenit (GaAs),…. uy nhi n, hiện nay việc ngi n cứu chế tạo và sử
dụng các pin Mặt rời từ các v t iệu khác Si chỉ mới ở phạm vi và quy m
thí nghiệm.
M t hướng khác nhằm nâng cao hiệu suất biến đổi quang điện của pin
Mặt rời à thiết kế, chế tạo các pin Mặt rời g m m t số ớp tiếp

c p-n để

tăng cường kh năng hấp thụ photon c năng ư ng khác nhau trong phổ bức
ạ Mặt rời. iếp theo chung ta sẽ tìm hiểu sự chuyển đổi ánh sáng thành
dòng điện của pin mặt trời.
1.2.

guy n

hoạt đ ng của pin m t tr i

Ta xét pin mặt trời được chế tạo từ v t liệu tinh thể bán d n silic (Si).
Khi m t photon chạm vào mẩu Si, sẽ có thể có nhiều hiệu ứng x y ra như :
tán xạ, truyền qua, hấp thụ…Đối với quá trình hoạt đ ng của pin mặt trời ta

chỉ quan tâm tới quá trình hấp thụ photon của mẩu Si.

Hình 2.2. Cấu trúc của pin mặt tr i silic và cơ chế tạo ra dòng điện. Chấm
đen là điện tử e - ; chấm trắng là lỗ trống h+ - [1]

18


Năng lượng của photon được hấp thụ bởi Si. Điều này thường x y ra
khi năng lượng của photon lớn h n năng ượng cần để đưa electron lên mức
năng lượng cao h n. Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được
truyền đến các hạt electron trong tinh thể. Thơng thường các e- này ở lớp
ngồi cùng và thường được liên kết với các nguyên tử lân c n vì thế khơng
thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích và có thể di chuyển tự do
trong bán d n khi đó nguyên tử sẽ thiếu m t electron và gọi là “lỗ trống”. Lỗ
trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạch di chuyển
đến điền vào lỗ trống. Cứ tiếp tục như v y lỗ trống di chuyển xuyên suốt
mạch bán d n và sinh ra m t dịng điện. Đây chính là nguyên lý hoạt đ ng của
pin mặt trời.
1.3. Đư ng đ c trưng V-A sáng - Sự tạo dòng quang điện
Chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n. Dưới tác dụng của ánh sáng các cặp
điện tử lỗ trống dược tạo thành và do tác dụng của điện trường tiếp xúc Etx
nên các cặp bị tách ra và bị gia tốc về các phía đối diện và tạo ra m t suất
điện đ ng quang điện. Nếu nối các đầu bán d n loại n và p bằng m t dây d n
thì trong dây có m t dịng điện gọi là dịng quang điện và có thể cho ở ngồi
m t cơng suất hữu ích. Suất điện đ ng quang điện xuất hiện trong lớp tiếp
xúc p-n khi chiếu sáng nó, phụ thu c vào b n chất các bán d n, vào nhiệt đ
lớp tiếp xúc và vào bước sóng và cường đ ánh sáng tới.
Hiện tượng xuất hiện suất điện đ ng quang điện trên lớp tiếp xúc bán
d n p-n khi chiếu sáng được gọi là hiệu ứng quang điện bên trong. Cần chú ý

rằng chỉ có các cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra ở miền tiếp xúc hoặc cách
bờ miền tiếp xúc m t kho ng LD được gọi là đ dài khuếch tán trung bình
của cặp e - / h + thì mới bị điện trường tiếp xúc tách ra và tạo ra dòng quang
điện.

19


LD là hàm của hai tham số: đ linh đ ng của hạt t i điện µ ( Tốc đ
chuyển đ ng / m t đ n vị cường đ điện trường) và thời gian sống trung
bình τ của cặp trước khi bị tái hợp:
LD = f (L P , Ln )
1

1

LDn  (

kT
 n n ) 2  ( Dn  n ) 2
q

LDp  (

kT
 p p ) 2  ( D p p ) 2
q

1

Trong đó đại ượng D 

(2.1)

1

kT
 với q là điện tích nguyên tố, gọi là số
q

khuếch tán của hạt d n. Như v y dòng quang diện I ph tỷ lệ với tổng số
photon bị hấp thụ và có thể được biểu diễn bởi công thức: [1]
c

I ph  q  J 0 ( )d

(2.2)

0

Trong đó  là m t hệ số và được gọi là hiệu suất góp của lớp tiếp
xúc.
Người ta cũng có thể viết: I ph  q N ph

với

c

I ph  q  J o ( )d 

(2.3)

o

Ở đ â y  là số cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra trong giới hạn
bước sóng λ c . Ta hãy nghiên cứu đường đặc trưng V- A của lớp tiếp xúc p-n
khi được chiếu sáng. Như đã nói ở trên, dưới tác dụng của m t chùm sáng có
cường đ khơng đổi, trong mạch xuất hiện m t dịng quang điện. Nó là dịng
chuyển đ ng của các hạt d n không c b n, luôn luôn có chiều qua lớp tiếp
xúc từ n sang p và có giá trị Iph. Dịng tổng c ng qua lớp tiếp xúc p-n khi
®ặt m t ngu n thế ngồi V có thể biểu diễn bởi tổng đ ại số của hai dòng,
dòng quang điện Iph và dòng diode Id như sau:

20


I  I ph  I d  I ph  I s [ exp

qV
 1]
kT

(2.4)

Đường đặc trưng I = f (V) theo (1.8) gọi là đường đặc trưng V-A
sáng của tiếp xúc bán d n p-n và được biểu diễn như hình sau:

Hình 2.3. Đư ng đặc trưng V-A sáng của tiếp xúc bán d n p-n - [4]
Như v y m t lớp tiếp xúc bán d n p-n khi ®ược chiếu sáng có thể trở
thành m t máy phát điện mạch ngồi hữu ích. Thiết bị sử dụng hiệu ứng

quang điện trong trên lớp bán d n p-n để biến đổi trực tiếp năng lượng của
ánh sáng mặt trời thành điện năng được gọi là pin quang điện hay pin mặt
trời. iếp theo ch ng ta sẽ tìm hiểu về hiệu suất biến đổi quang điện của pin
mặt trời.
1.4. Hiệu suất biến đổi quang điện của pin m t tr i.
C ng suất đỉnh của pin mặt trời à c ng suất do pin mặt trời phát ra khi
n

àm việc ở điểm àm việc tối ưu dưới bức ạ c cường đ 1000

nhiệt đ phòng 250 c. C ng suất đỉnh được đo bằng

p

m2 và ở

hay kWp.

Hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời là tỉ số giữa công suất
điện đỉnh và tổng năng lượng bức xạ pin mặt trời ở m t nhiệt đ cho trước
được tính theo cơng thức:


popt
AE 0

100% 

21

(2.5)


rong đ :  - Hiệu suất biến đổi quang điện
A- Diện tích bề mặt pinmặt trời được chiếu sáng(m2)
m2)

E0- Cường đ bức ạ chuẩn = 1000(

Đối với pin mặt trời tinh thể si thư ng mại,  thường vào kho ng (12 
15%). rong phịng thí nghiệm,  đ đạt đến (20  22%).
Như ta đ n i, nhiệt đ

nh hưởng

n các đặc trưng của pin mặt

trời.Cụ thể à, dòng quang điện tăng theo nhiệt đ với giá trị 0,1% khi nhiệt
đ tăng 10 hay 0,03mA/0 C.cm2. Sự tăng dòng quang điện của pin mặt trời à
do sự gi m đ r ng vùng cấm của v t iệu Eg khi nhiệt đ tăng theo định u t:
Eg T   E0  0  

aT 2
T b

(2.6)

ới a và b à các hằng số phụ thu c vào v t iệu, E g(0) à đ r ng vùng
cấm của v t iệu ở =00K. Dưới đây à giá trị của Eg(0), a và b của m t số v t
iệu pin mặt trời điển hình.

Eg(0)(eV)

a(10-4eV)

b(0K)

Si

1,16

7

1100

GaAs

1,52

5,8

300

Bảng 2.1. Các giá trị Eg, a và b của Si và GaAs - [7]
hế hở mạch

oc gi m m t cách tuyến tính với sự tăng nhiệt đ vì

dịng bão hịa Is tăng theo hàm mũ. Dòng b o hòa à dòng các hạt t i c b n
được tạo ra do kích thích nhiệt. Sự phụ thu c của dịng b o hòa vào nhiệt đ

c thể biểu diễn như sau.
 Eg 
I s  I 0exp  

 KT 

22

(2.7)


I 0  I s (t  )  qALD g0

trong đ :

I0 đ ng vai trò à hệ số tỉ ệ. (g0 à hệ số kích thích nhiệt, A à diện tích bề
mặt)

Hình 2.4. Sự phụ thuộc của hiệu suất vào nhiệt độ - [1]
Kết qu

à c ng suất cực đại c thể của pin mặt trời bị gi m kho ng

0,35% khi nhiệt đ tăng 10 C vì thế hiệu suất của pin mặt trời cũng gi m với
hệ số như v y. Hình 2.4, biểu diễn sự gi m hiệu suất biến đổi quang điện
theo nhiệt đ đối với các v t iệu Si và GaAs. Sau đây à quy trình c ng nghệ
chế tạo pin mặt trời tr n c sở Silic.
2. Quy trình cơng ngh chế t o pin mặt trời trên cơ sở silic.
Kho ng 90% các pin mặt trời được s n xuất và ứng dụng hiện nay
được chế tạo từ Silic (Si), dưới dạng đ n tinh thể, đa tinh thể hoặc vơ định

hình nhưng chủ yếu là dạng tinh thể. Vì v y dưới đây ta chỉ nghiên cứu công
nghệ chế tạo pin mặt trời tinh thể Si.

23


2.1. S đ quy trình c ng nghệ

Hình 2.5. Sơ đ khối qu trình cơng ngh ệ chế tạo pin mặt
tr i trên cơ s

Si

2.2. hế tạo vật iệu bán d n
2.2.1. Sơ lọc cát thạch anh để có silic có độ sạch kĩ thuật
Cát dùng làm v t liệu ban đầu chế tạo Si và ph i là cát giàu thạch anh
SiO2 ( hàm lượng SiO2 vào kho ng 90% hoặc cao h n). Trong lò h quang
nhiệt đ cao, SiO2 được cho ph n ứng với cacbon (C) để cho silic (Si) có đ
sạch kĩ thu t theo ph n ứng:
SiO2 + 2C = Si+ 2CO

(2.8)

Silic sau khi được làm sạch trong lị h quang có đ sạch kĩ thu t
(hàm lượng Si ≥ 98,99 % ).

24


2.2.2. Tinh chế silic để có độ sạch bán d n

Để silic có được đ sạch bán d n người ta thường dùng quá trình
trichlorosilan. Quá trình trichlorosilan là m t q trình tiêu chuẩn để làm
sạch Silic đã có đ sạch kĩ thu t (như ta đã trình bày ở trên). Quá trình này
như sau:
Trong m t thùng đựng b t Si có đ sạch kĩ thu t người ta đổ axit
clohydric l ng vào và dùng chất xúc tác là đ ng, Si và HCl ph n ứng với
nhau theo phư ng trình sau đây:
Si + 3 HCl → SiHCl3 + H2

(2.9)

Sau đó bằng phư ng pháp chưng cất nhiệt người ta tạo được SiHCl3
dưới dạng hạt khô và tiếp đó dùng phư ng pháp bốc h i người ta thu được
Si có đ sạch bán d n:
SiHCl3→ Si

Khí bốc h i

(2.10)

S n phẩm thu được là v t liệu đa tinh thể g m các hạt đ n tinh thể Si
nh có hàm lượng Si bán d n ( ≥ 99,99 % ).
2.2.3. Tạo đơn tinh thể Silic
Có thể tạo các đ n tinh thể Si dưới dạng thanh, dạng tấm hoặc dạng
băng. Các công nghệ tạo đ n tinh thể được dùng phổ biến là công nghệ
Czochralski, công nghệ vùng nổi và công nghệ trao đổi nhiệt. Dưới đây
chúng ta sẽ giới thiệu các công nghệ đó.
a. Kỹ thuật tạo đơn tinh thể Si bằng phương pháp Czochralski (Cz)
Trong kỹ thu t này người ta gắn vào đầu của m t hình trụ m t mầm
đ n tinh thể Si và nó được nhúng vào m t n i Si nóng ch y ( hình 2.6). Sau

đó thanh mầm Si vừa được kéo lên vừa quay cần với m t tốc đ được kiểm
soát chặt chẽ (thường tốc đ kéo và quay nh h n 10 cm/ giờ). Si l ng bị
kéo lên, kết tinh dần và tạo thành th i Si đ n tinh thể (dùng quá trình kéo

25