Khóa luận tốt nghiệp chế tạo linh kiện pin mặt trời

Khóa luận tốt nghiệp Chế tạo pin mặt trời

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, chúng con xin chân thành cảm ơn thầy Trần Quang Trung, người đã

vô cùng tận tụy chỉ bảo chúng con trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại bộmôn Vật Lý Chất Rắn Thầy đã luôn bên cạnh chúng con đưa ra những lời khuyên vôcùng quý báu Kiến thức và kinh nghiệm mà thầy truyền đạt là những “tài sản” vôcùng quý giá giúp chúng con tự tin bước vào đời Ngoài ra, niềm say mê hết lòng vìkhoa học luôn là tấm gương sáng cho chúng con noi theo và bước đi trên con đườngkhoa học chông gai

Chúng con chân thành cảm ơn chú Đặng Thành Công, chú là người thầy luônbên cạnh giúp chúng con vượt qua những giai đoạn khó khăn nhất trong quá trình làmkhóa luận

Chúng em xin cảm ơn chị Huỳnh Xuân Nguyễn, người chị luôn bên cạnh vàcho chúng em những lời khuyên quý giá, chỉnh sửa những lỗi nhỏ nhất để chúng emhoàn thành khóa luận tốt nhất có thể

Chúng con rất cảm ơn các quý thầy cô tại bộ môn Vật Lý Chất Rắn đã hết lòngdạy dỗ những kiến thức quan trọng để sau này chúng con vững bước trên đường đời

Cảm ơn các anh chị tại bộ môn Vật Lý Chất Rắn đã hỗ trợ về cơ sơ vật chất lẫntinh thần, hướng dẫn chúng em các bước cơ bản để làm quen với phòng thí nghiệm vàtruyền đạt những kinh nghiệm khi chúng em bước đầu bỡ ngỡ

Con cảm ơn cha và mẹ, gia đình là điểm tựa tinh thần mỗi lúc khó khăn, chia sẽnhững vui buồn trong cuộc sống Gia đình là nơi bình yên khi tôi trở về

Cảm ơn các bạn đã chia sẽ những vui buồn và góp ý cho chúng tôi làm tốt hơnkhóa luận của mình

Chân thành cảm ơn !

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

LỜI MỞ ĐẦU 11

I.1.Tìm hiểu về Pin Mặt Trời – các loại Pin Mặt Trời cơ bản 12

I.1.1 Tìm hiểu chung về Pin Mặt Trời 13

I.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một Pin Mặt Trời cơ bản 14

I.1.3 Một số loại Pin Mặt Trời Silic tiếp xúc p-n 15

I.1.4 Sơ lược về các loại Silic 17

I.1.4.1.Silic đơn tinh thể (c-Si, crystal Silicon) 18

I.1.4.2.Silic vô định hình ( a-Si, amophous Silicon) 19

I.1.4.3.Silic nano/ micro tinh thể (nc/ c-Si): 22

I.2.Các quá trình vật lý chính của Pin Mặt Trời Silic 23

I.2.1 Các khái niệm cơ bản 23

I.2.1.1 Bán dẫn thuần – bán dẫn pha tạp 23

I.2.1.2: Pha tạp đậm n+ và p+ bằng phương pháp khuếch tán nhiệt 26

I.2.1.3: Sự phân bố hạt tải trong bán dẫn ở trạng thái cân bằng (bán dẫn đặt trong tối) 30

I.2.2 Các quá trình vật lý chính trong Pin Mặt Trời 32

I.2.2.1 Quá trình hấp thụ photon 32

I.2.2.2: Quá trình tách hạt tải, tạo dòng quang điện 38

I.2.3 Đặc trưng I-V của Pin Mặt Trời 42

I.2.3.1 Mật độ dòng chuyển tiếp trong nối p-n 42

I.2.3.2 Đặc trưng I-V của Pin Mặt Trời: 45

I.3 Hiệu suất của Pin Mặt Trời: 46

I.3.1.Hiệu suất chuyển đổi từ quang năng sang điện năng của Pin Mặt Trời 46

I.3.1.1 Xác định hiệu suất chuyển đổi của Pin: 46

I.3.1.2 Xác định công suất cực đại của Pin 47

I.3.2 Làm tăng hiệu suất chuyển đổi từ quang năng sang điện năng 48

I.3.2.1 Chọn vật liệu làm đế bán dẫn phù hợp 48

I.3.2.2 Chọn điện cực kim loại 48

I.3.2.3 Điện cực trong suốt: 51

I.3.3 Các phương pháp làm tăng khả năng tập trung ánh sáng vào Pin: 52

I.3.3.1 Sự hao hụt phổ năng lượng chiếu sáng: 52

I.3.3.2.Các Phương pháp tăng cường độ ánh sáng chiếu vào Pin: 52

PHẦN II: THỰC NGHIỆM 55

II.1.Khảo sát và chế tạo các đơn lớp bán dẫn cơ bản và các điện cực 57

II.1.1Xử lí bề mặt đế Si 57

II.1.1.1 Tiến trình thực nghiệm 57

II.1.1.2: Kết quả và thảo luận: 59

II.1.2: Tạo lớp n+Si bằng cách pha tạp Phôtpho 61

II.1.2.1 Tiến trình thực nghiệm 61

II.1.2.2 Kết quả và thảo luận 63

II.1.3 Tạo lớp p+Si bằng cách pha tạp Nhôm 64

II.1.3.1 Tiến trình thực nghiệm 64

II.1.3.2 Kết quả và thảo luận 66

II.1.4 Tạo điện cực lưới nhôm 67

II.1.4.1 Tiến trình thực nghiệm 68

II.1.4.2 Kết quả và thảo luận 69

II.2 Chế tạo linh kiện pin mặt trời cơ bản dựa trên cấu trúc 1 tiếp xúc p-n 70

II.2.1Tạo pin theo cấu trúc bề mặt 72

II.2.1.1 Tiến trình thực nghiệm 73

II.2.1.2 Kết quả và thảo luận 74

II.2.2 Tạo pin theo cấu trúc phân lớp 78

II.2.2.1 Tiến trình thực nghiệm 78

II.2.2.2 Các phép đo và kết quả 79

II.2.3:Ảnh hưởng của màng ZnO 81

II.2.3.1: Tiến trình thực nghiệm 81

II.2.3.2: Kết quả và thảo luận 83

II.3: Khảo sát sự thay đổi các tính chất và hiệu suất khi thêm một lớp a-SiH vào cấu trúc pin 86

II.3.1: Sơ lược về PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 86

II.3.2 Tạo màng Si:H loại i (thuần) 88

II.3.2.1 Tiến trình thực nghiệm 88

II.3.3 Tạo cấu trúc Pin p-i-n 91

PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 92

PHỤ LỤC I : CÁC THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠT: 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

DANH MỤC HÌNH VẼHình I.1: Sân vận động ở Đài Loan sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất điện

Hình I.1.1a: mô hình Pin Mặt Trời đầu tiên

Bảng I.1.1b: Các loại Pin Mặt Trời hiện nay

Hình I.1.2: Mô hình cấu tạo Pin Mặt Trời tiếp xúc p-n cơ bản

Hình I.1.3a: Mô hình Pin tím (Violet Cell)

Hình I.1.3b: sơ đồ cấu tạo pin PERL

Hình 1.1.3c: Cấu trúc Pin Mặt Trời vô định hình Silic (a-Si:H) dạng tiếp xúc đơn p-i-n

Hình I.1.4.1a: Cấu trúc mạng tinh thể Silic

Hình I.1.4.1b: Liên kết cộng hóa trị trong nguyêntử Silic

Hình I.1.4.1c: Cấu trúc vùng năng lượng

Hình I.1.4.2a: các dạng biểu diển cho cấu trúc Silic vô định hình

Hình I.1.4.2b: a) Một( nút khuyết trong mạng Silic và (b) Liên kết bất bão hòa (danglingbond)

Hình I.1.4.2c : Sự xuất hiện “đuôi” trong vùng cấm do mất trật tự xa của (a) a-Si:H và (b) nc/

c- Si:H

Hình I.1.4.3: Cấu trúc của nc/μc-Si

Hình I.2.1.1a: sự phụ thuộc của nồng độ hạt tải thuần nI vào độ rộng vùng cấm Eg và nhiệt độ Hình I.2.1.1b: mô hình và giản đồ năng lượng của bán dẫn loại n

Hình I.2.1.1c: Mô hình và các mức năng lượng trong bán dẫn loại p

Bảng I.2.1.2: Các loại nguyên tố dùng doping cho đế Silic

Hình I.2.1.2a : Hai dạng pha tạp vào bên trong mạng tinh thể: thay thế (a) và (b) xen kẻ (c)Hình I.2.1.2b: Sự phụ thuộc của nồng độ pha tạp vào nhiệt độ

Hình I.2.1.2c: Sự phụ thuộc của độ sâu khuếch tán vào thời gian lưu nhiệt

Hình I.2.1.3: Hàm mật độ trạng thái các hạt tải

Hình I.2.2.1a: Giản đồ năng lượng của (a) bán dẫn trực tiếp,( b) bán dẫn gián tiếp

Hình I.2.2.1b: hệ số hấp thụ của một số vật liệu

Hình I.2.2.1c: nồng độ hạt tải thay đổi khi có photon chiếu vào

Hình I.2.2.1d: Photon chiếu qua bán dẫn có bề dày dx

Hình I.2.2.2a: Giản đồ vùng năng lượng khi bán dẫn ở trạng thái cân bằng

Hình I.2.2.2b: Trường hợp chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng

Hình I.2.2.2c : Trường hợp hóa năng không chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng

Hình I.2.3.1: Các vùng sinh hạt tải trong Pin Mặt Trời.(chấm đen là electron, chấm trắng là lỗtrống)

Hình I.2.3.2: Đặc trưng I-V của Pin Mặt Trời

Hình I.3.1.2: Xác định công suất cực đại của Pin

Bảng I.3.2.2: Công thoát một số điện cực thường dùng

Hình I.3.2.2a: trước và sau khi tiếp xúc kim loại và bán dẫn loại N

Hình I.3.2.2b: trước và sau khi tiếp xúc kim loại và bán dẫn loại P

Hình I.3.2.2c: Tạo tiếp xúc Ohmic bằng cách pha tạp đậm

Hình I.3.2.2d: Đặc trưng I-V của tiếp xúc Ohmic và Schottky

Hình I.3.3.1: Sự hao hụt năng lượng phổ chiếu sáng của mặt trởi chiếu xuống Trái Đất

Hình I.3.3.2a: Sử dụng hệ thấu kính hội tụ làm tăng hiệu suất Pin

Hình I.3.3b: bề mặt chống phản xạ dang kim tự tháp và một dạng Pin có bề mặt chống phảnxạ

Hình I.3.3c: Ánh sáng truyền qua Pin màng mỏng bi phản xạ trở lai

Hình II.1.1.1a: Máy siêu âm Jac Ultrasonic 1050 Jinwoo

Hình II.1.1.1b:lò sấy SPT 200

Hình II.1.1.1c: Hệ điều nhiệt bằng điện trở

Bảng II.1.1.2a: bề mặt của mẫu Si sau khi rửa

Bảng II.1.1.2b: bề mặt của mẫu Si sau khi rửa và ăn mòn bề mặt

Hình II.1.1.2c: bề mặt của mẫu Si sau khi rửa và ăn mòn bề mặt

Hình II.1.2.1a: hệ thống hút chân không

Hình II.1.2.1b buồng nung mẫu

Hình II.1.2.1c hút chân không cho buồng

Hình II.1.2.1d: nung mẫu bằng lò Elektro Usarmar – RK42

Hình II.1.3.1a Hệ bốc bay chân không

Hình II.1.3.1b: Buồng chân không của hệ bốc bay

Hình II.1.4: Tạo tiếp xúc Ohmic bằng hiệu ứng xuyên hầm lượng tử

Hình II.1.4.1: Các dạng mask

Hình II.1.4.2a: điện cực nhôm song song

Hình II.2a Các thành phần cơ bản của Pin Mặt Trời

Hình II.2b: Cấu trúc bề mặt

Hình II.2c: Cấu trúc phân lớp

Hình II.2.1a Sơ đồ khối các bước thực hiện pin p-n loại 1

Hình II.2.1b a) mẫu trước khi ăn mòn b )mẫu sau khi ăn mòn

Hình II.2.1.2a: Mẫu Al n+(P800N)-p-Al

Hình II.2.1.2b:Mẫu Al-n+(P800N)-p-p+(Al800N)-Al

Hình II.2.1.2c: Mẫu Al(200)-n+(P900CK)-p-p+(Al800N)-Al(200)

Hình II.2.1.2d: Mẫu Al(200)-n+(P900CK)-p-p+(Al800KK)-Al(200)

Hình II.2.1.2e: Mẫu Al(200)-n+(P900CK)-p-p+(Al800KK)-Al(200)

HìnhII.2.2.1: Etching bằng phương pháp thả nổi

Hình II.2.2.2a: Mẫu0,52mm Al(200)n+(P900CK)pp+(Al 500N

Hình II.2.2.2b: Mẫu0,38mm Al(200)n+(P900CK)pp+(Al 500N

Hình II.2.2.2c: Mẫu0,18mm Al(200)n+(P900CK)pp+(Al 500N)

Hình II.2.3.1: quá trình tạo ZnO bằng phương pháp sol-gen

Hình II.2.3.2a: phổ truyền qua của màng ZnO:Al bằng phương pháp sol-gen

Hình II.2.3.2b: ảnh chụp SEM lớp ZnO

Hình II.2.3.2c: So sánh hai mẫu trước và sau khi phủ ZnO

Hình II.2.3.2d: Quá trình tái hấp thụ

Hình II.3.1a: Các quá trình chính trong PECVD

Hình II.3.1b: Hệ PECVD bộ môn VLCR

Hình II.3.2.2b: Phổ Raman của màng có R=5 và các đỉnh “fit” Gauses

Hình i.1.1: Máy Stylus profiler Veeco Detak 6M

Hình i.2.1: Hệ đo Hall: (a) thân máy, (b) nam châm vĩnh cửu tạo từ trường, (c) bộ giữ mẫu

Hình i.2.2: hình minh họa cách đo mẫu trong máy hall

Hình i.3.1: Máy đo hồng ngoại

Hình i.3.2: Máy UV-Vis Jasco V530

Hình i.4.1: Hệ đo đặc trưng I-V pin mặt trời

Hình i.4.2: cách mắc mạch đo đặc trưng I-V.

Hình i.5.1: Máy SEM JMS-6480LV I-V

LỜI MỞ ĐẦU

Năng lượng là một nhu cầu thiết yếu của con người để tồn tại và phát triển.Trong đó, dạng năng lượng được sử dụng phổ biến nhất là điện năng vì chúng có thểphục vụ cho hầu hết mọi lĩnh vực trong đời sống Những nguồn điện phổ biến hiện nay

là thủy điện, điện hạt nhân, nhiệt điện… Nhưng nhìn chung những nguồn cung cấpđiện này không đáp ứng được yêu cầu của con người về lâu dài, đặc biệt là do nhữnghậu quả mà chúng để lại cho môi trường Do đó con người phải tìm một nguồn nănglượng mới để thay thế trong tương lai Sử dụng năng lượng mặt trời là một giải pháphứa hẹn nếu chúng ta có thể khai thác một cách hiệu quả Vì đây là một nguồn nănglượng sạch và gần như vô tận Từ khi pin mặt trời ra đời lần đầu tiên vào giữa thậpniên chín mươi đã mở ra một hướng mới cho việc sử dụng năng lượng mặt trời Tuynhiên, cho đến nay Pin Mặt Trời vẫn chưa được sử dụng phổ biến do giá thành cao vàhiệu suất còn thấp Các nhà khoa học và nhà sản xuất trên thế giới đã và đang khôngngừng tìm kiếm những giải pháp để nâng cao hiệu suất và giảm giá thành của Pin MặtTrời

Riêng ở nước ta, tình trạng thiếu điện thường xuyên đã gây ra không ít thiệt hại chonền kinh tế và ảnh hưởng đến đời sống, sinh hoạt của người dân Điều này đòi hỏi phải

có thêm nguồn năng lượng mới bổ sung vào những nguồn năng lượng hiện có

Từ những lý do trên cùng với sự định hướng và dẫn dắt của Thầy hướng dẫn, trong đềtài này chúng tôi thực hiện bước đầu tìm hiểu lý thuyết và tiến hành chế tạo Pin MặtTrời có cấu trúc cơ bản p-n và Pin Mặt Trời có cấu trúc p-i-n dựa trên đế Silic đơn tinhthể loại p Nhằm phục vụ cho việc chế tạo pin, chúng tôi cũng tiến hành chế tạo vànghiên cứu một số tính chất của các đơn lớp n+ và p+ dựa trên phương pháp nhiệtkhuếch tán Ngoài ra chúng tôi còn khảo sát thêm một số đặc trưng của các lớp điệncực và lớp chống phản xạ bề mặt

PHẦN I :GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI

I.1.Tìm hiểu về Pin Mặt Trời – các loại Pin Mặt Trời cơ bản

Các nguồn năng lượng trong tự nhiên ngày càng cạn kiệt Cái thời của than, dầu

mỏ, khí đốt đang dần trôi qua (mặc dù có hơi chậm chạp) Đồng thời, việc sử dụng cácnguồn năng lượng này đã gây ra những tổn hại to lớn cho môi trường sống trên TráiĐất Vì vậy, việc tìm kiếm một nguồn năng lượng sạch đã trở thành nghiên cứu mũinhọn ở nhiều quốc gia, đặc biệt ở các nước phát triển Nhiều nhà khoa học cho rằngnăng lượng Mặt Trời là nguồn năng lượng vô tận quý giá mà chúng ta cần chế ngự đểphục vụ cho con người cả về nhiệt năng lẫn điện năng

Về mặt điện năng, ở nước ta hiện

nay, thủy điện đã gần như không đủ sức

phục vụ cho hơn 86 triệu người dân Việt

Nam Giải pháp ở đây là gì? Giải pháp ở

đây không phải là tình trạng cắt điện

thường xuyên mà chúng ta cần nghĩ tới một

nguồn năng lượng bổ sung Trên thế giới,

đã có rất nhiều nước sử dụng các nguồn

năng lượng điện khác như: năng lượng hạt

nhân, năng lượng mặt trời, năng lượng gió… Trong đó, năng lượng mặt trời được xem

là một giải pháp cho nguồn năng lượng sạch và vô tận Hình I.1 mô tả một dạng sânvận động kiểu mới ở Cao Hùng (Đài Loan), có khoảng 8.844 tấm pin mặt trời sẽ sảnxuất 1,14 triệu kWh điện mỗi năm (đủ để thắp sáng 3.300 bóng đèn và hai màn hìnhtivi khổng lồ trong sân vận động) Lượng điện thừa sẽ được bán cho người dân trongnhững ngày nóng nực của mùa hè Nếu sử dụng than đá để sản xuất điện, sân vận động

Hình I.1: Sân vận động ở Đài Loan sử dụng

năng lượng mặt trời để sản xuất điện

này sẽ thải vào không khí 660 tấn khí CO2 mỗi năm Do vậy, việc chế tạo Pin Mặt Trờinhằm tạo ra một nguồn năng lượng sạch và tiết kiệm chi phí sản xuất điện là nhu cầu

vô cùng cần thiết của con người

I.1.1 Tìm hiểu chung về Pin Mặt Trời

Pin Mặt Trời là một thiết bị có thể chuyển đổi từ năng lượng quang sang nănglượng điện gồm hai bước chính: hấp thụ quang và tách hạt tải tạo dòng quang điện

Pin Mặt Trời có một lịch sử khá lâu đời, năm 1839 nhà vật lý người PhápAntoine-César Becquerel đã đánh dấu cho sự phát triển của công nghệ Pin Mặt Trời.Khi ông quan sát hiệu ứng quang điện (photovoltaic effect) thí nghiệm với một điệncực rắn trong dung dịch điện phân, ông nhận ra rằng, điện thế tăng lên khi ánh sángchiếu vào điện cực Đến năm 1883, Charles Fritts đã chế tạo Pin Mặt Trời đầu tiênbằng cách mạ vàng lên selenium (chất bán dẫn) Năm 1941 Russell Ohl chế tạo PinMặt Trời Silic đầu tiên với hiệu suất 1% Năm 1954, ba nhà nghiên cứu người MỹGerald Pearson, Calvin Fuller và Daryl Chapin, đã thiết kế thành công Pin Mặt TrờiSilic với hiệu suất đạt 6% Đây là Pin Mặt Trời dạng bảng đầu tiên Phòng thí nghiệmBell đã công bố chế tạo đầu tiên Pin Năng Lượng Mặt Trời Mới và đầu tư vào các dịch

vụ công cộng của Bell Solar Battery bắt đầu với hệ thống nhà cung cấp điện thoại vàongày 4 tháng 10 năm 1955 [4] Từ đó, Pin Mặt Trời được tập trung nghiên cứu và pháttriển rộng khắp, đặc biệt là ở các nước Mỹ, Nhật, Úc Năm 1985 trường đại họcUnversity of New South Wales chế tạo Pin Mặt Trời hiệu suất đạt 20% và đến năm

1999 đạt hiệu suất 24,7%

Hình I.1.1a: Mô hình Pin Mặt Trời đầu tiên

Cho đến nay, có rất nhiều dạng Pin Mặt Trời được chế tạo thành công bao gồm:Pin Mặt Trời hữu cơ, Pin Mặt Trời vô cơ, Pin Mặt Trời cảm ứng chất màu (BảngI.1.1b)

I.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một Pin Mặt Trời cơ bản

Pin mặt trời Silic tiếp xúc p–n (có cấu tạo tương tự như một điốt) là cấu trúc PinMặt Trời cơ bản nhất Hình I.1.2 là sơ đồ cấu tạo Pin Mặt Trời bán dẫn Silic đơn tinhthể hệ tiếp xúc p–n Trong đó bán dẫn Silic loại n được chế tạo bằng cách khuếch tánvào đơn tinh thể Silic những nguyên tố hóa trị V như Photpho, Antinium, Arsenic…Bán dẫn Silic loại p được chế tạo bằng cách khuếch tán vào đơn tinh thể Silic nhữngnguyên tố hóa trị III như: Bo, Al…Trong phần sau, chúng tôi sẽ trình bày rõ hơn vềbán dẫn loại p, loại n cũng như quá trình chế tạo bán dẫn Silic loại p và loại n

Bảng I.1.1b: Các loại Pin Mặt Trời hiện nay

Nguyên lý hoạt động cơ bản của Pin Mặt Trời chính là quá trình chuyển hóaquang năng thành điện năng Khi ánh sáng mặt trời bức xạ vào Pin, bán dẫn loại p vàloại n chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích gọi là quá trình hấp thụphoton Khi đó các electron và lỗ trống sinh ra tách về hai vùng của chuyển tiếp p-n vàđược chuyển ra tải ngoài gọi là quá trình tách hạt tải tạo dòng quang điện Hai quátrình này sẽ được trình bày kỹ hơn trong phần sau.

I.1.3 Một số loại Pin Mặt Trời Silic tiếp xúc p-n

Nhằm mục đích giảm giá thành, tăng hiệu suất chuyển hóa của Pin nên ngoàiviệc chế tạo nguyên liệu nền tốt, người ta còn sử dụng các công nghệ mới cho ra đờinhiều loại Pin có cấu tạo khác nhau Dưới đây là một vài loại Pin tiêu biểu:

 Pin Tím (The Violet-Cell)

Một dạng Pin theo hình thức mối nối p-n với đế nền Silic do Lindmayer vàAllison đưa ra năm 1973 Đặc tính của Pin: VOC= 0,59 V, ISC= 40mA/cm2, hệ số lấpđầy FF = 0,78, hiệu suất η= 13,5% đối với phổ AM0 (1353W/m2) [9]

Hình I.1.2: Mô hình cấu tạo Pin Mặt Trời tiếp xúc p-n cơ bản

 Pin PERL (Passivated Emitter Rear Locally Diffused)

Đến năm 1980 với sự phát triển của vi điện tử, công nghệ màng mỏng đã nânghiệu suất chuyển hóa lên cao Năm 1991, Pin PERL ra đời và đạt được hiệu suất cao:

VOC= 710mV, ISC= 41mA/cm2, hệ số lấp đầy FF= 0,83, hiệu suất chuyển đổi η=24%[9]

 Pin Mặt Trời vô định hình Silic (a-Si):

Một dạng cấu trúc Pin Mặt Trời vô định hình đơn lớp a-Si:H được mô tả trong hình I.1.3c Loại Pin này có ba lớp có ý nghĩa quan trọng là: lớp vô định hình loại P (a-P), lớp bán dẫn thuần vô định hình (a-Si:H) và lớp vô định hình loại N (a-N) hình thành dạng tiếp xúc p-i-n Lớp pha tạp thường rất mỏng: lớp loại p dày khoảng 10nm, lớp loại n khoảng 20nm [7]

Hình I.1.3b: sơ đồ cấu tạo pin PERL Hình I.1.3a: Mô hình Pin tím (Violet Cell)

Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu về Pin Mặt Trời Silic với cấu trúc p-n cơbản và cấu trúc Pin p-i-n ứng dụng chế tạo Pin màng mỏng Cụ thể hơn là nghiên cứuquá trình pha tạp đậm loại p và loại n lên đế Silic Trước khi đi sâu vào những phầnchính (quá trình pha tạp Si, nguyên lý hoạt động cũng như những yếu tố ảnh hưởngđến hiệu suất của Pin Mặt Trời), chúng tôi sẽ giới thiệu về các loại Silic để tiện choviệc nghiên cứu sau này.

I.1.4 Sơ lược về các loại Silic

Silic là nguyên tố nhiều thứ hai sau Oxy trên trái đất Đây là cũng là một nguồntài nguyên phong phú, chiếm gần 30 % của vỏ địa cầu dưới dạng Silica (SiO2), và

là một hợp chất chính trong cát Chúng ta có thể tổng hợp Si từ SiO2 và nhiều nguồnkhác bằng các phương pháp khác nhau Silic được sử dụng trong Pin Mặt Trời là các

đế Silic đơn tinh thể và màng Si:H nano/micro tinh thể hoặc vô định hình Silic vôđịnh hình và Silic nano/micro tinh thể có thể được tạo ra dễ dàng hơn so với Silic đơntinh thể bằng phương pháp như PECVD, HWCVD… Đây cũng là nguyên nhân làmgiảm giá thành sản phẩm khi ứng dụng a-Si:H và c Si:H làm Pin Mặt Trời

Hình 1.1.3c: Cấu trúc Pin Mặt Trời vô định

hình Silic (a-Si:H) dạng tiếp xúc đơn p-i-n

I.1.4.1 Silic đơn tinh thể (c-Si, crystal Silicon)

Tinh thể Silic có cấu trúc mạng kim cương (lập phương tâm mặt), tinh thể cómàu sáng sẫm ánh kim Mặc dù là một nguyên tố tương đối trơ, Silic vẫn có phản ứngvới các halogen và các chất kiềm loãng và không tác dụng với hầu hết axit (trừ tổ hợpaxit nitric và axit flodidric) Tinh thể Silic nguyên chất hiếm tìm thấy trong tự nhiên,thông thường nó nằm trong dạng Silic dioxit (SiO2)

Một số thông số quan trọng của Silic đơn tinh thể: có 4 electron ở ngoài cùng,điểm nóng chảy: 1687 K, độ rộng vùng cấm: 1,1 eV và ái lực điện tử = 4,05 eV ở nhiệt

độ phòng

Hình I.1.4.1a: Cấu trúc mạng tinh thể

Silic

Silic được sản xuất công nghiệp bằng cách nung nóng Silica siêu sạch trong lòluyện bằng hồ quang với các điện cực cacbon Ở nhiệt độ trên 1900 °C, cacbon khửSilica thành Silic theo phản ứng:

I.1.4.2.Silic vô định hình ( a-Si, amophous Silicon)

Silic vô định hình là một dạng không có cấu trúc tinh thể của Silic Ta biếttrong tinh thể Silic thì cứ mỗi nguyên tử Si sẽ liên kết với 4 nguyên tử xung quanh đểtạo thành một cấu trúc mạng tuần hoàn Trong Silic vô định hình cũng tương tự nhưvậy, tuy nhiên do thiếu trật tự xa (do góc liên kết bị lệch so với góc 109,50 của tứ diện)nên Silic vô định hình không là mạng tuần hoàn mà nó chỉ là “mạng ngẫu nhiên liêntục” CRN (Continuous Random Network) (hình I.1.4.2a)

Hình I.1.4.1b: Liên kết cộng hóa

trị trong nguyêntử Silic

Hình I.1.4.1c: Cấu trúc

vùng năng lượng

CRN có thể chứa các khuyết tật, trong đó có một loại gọi là khuyết tật “phốitrí” Khuyết tật này tạo thành là do nguyên tử có quá ít hoặc nhiều liên kết Trong a-Sithường thì các nguyên tử Si không có đủ liên kết để tạo thành lớp ngoài cùng là sp3 vàđây có thể xem là sai hỏng chủ yếu trong Silic vô định hình có ba số phối trí Các saihỏng này tạo nên các liên kết bất bão hòa (dangling bonds) a-Si thường có mật độ cácliên kết bất bão hòa cao (cứ 500 nguyên tử sẽ cho một liên kết bất bão hòa) (hìnhI.1.4.2b) [3].

Mật độ sai hỏng cao trong vật liệu vô định hình làm cản trở hiện tượng quangdẫn và sự pha tạp Tuy nhiên Hydro nguyên tử có thể thụ động hóa các sai hỏng bằng

Hình I.1.4.2a: các dạng biểu diển cho cấu trúc Silic vô định hình

Hình I.1.4.2b: a) Một( nút khuyết trong mạng Silic

và (b) Liên kết bất bão hòa (dangling bond).

cách kết hợp với các liên kết bất bão hòa này và làm cho mật độ liên kết bất bão hòagiảm đáng kể (Hydro khoảng 10at % sẽ làm giảm mật độ liên kết bất bão hòa xuống4-5 lần), điều này xảy ra tương tự với nc/c tinh thể Trong Pin Mặt Trời có sử dụngvật liệu Si:H, một lớp Si:H thuần với mật độ khuyết tật thấp thường được xen giữa lớp

p và n nhằm làm giảm mật độ sai hỏng tại lớp tiếp giáp Do có cấu trúc trật tự gần, nêntrong cấu trúc vùng năng lượng của a-Silic vẫn có các vùng năng lượng: vùng dẫn,vùng hóa trị và vùng cấm Tuy nhiên, do thiếu trật tự xa nên dẫn đến sự mở rộng củahàm mật độ trạng thái Kết quả là “đuôi vùng” của các trạng thái năng lượng định xứ

mở rộng vào trong vùng cấm Hình I.1.4.2c(a) cho thấy sự hình thành đuôi vùng tronga-Si và nc/c- Si, các liên kết bất bão hòa tạo thành các trạng thái sai hỏng sâu trongvùng cấm [3]

Hình I.1.4.2c : Sự xuất hiện “đuôi” trong vùng cấm do mất trật tự xa của (a)

a-Si:H và (b) nc/c- a-Si:H.

Tính chất quang học của a-Si có vai trò rất quan trọng trong chế tạo Pin MặtTrời Do không có cấu trúc trật tự xa nên vectơ sóng k coi như được bảo toàn trongchuyển mức điện tử Vì vậy, a-Si thuộc loại bán dẫn chuyển mức trực tiếp Hệ số hấpthụ của a-Si trong vùng ánh sáng khả kiến lớn hơn rất nhiều so với Si đơn tinh thể.Vấn đề này sẽ được mô tả rõ nét trong phần I.2.2.1.

I.1.4.3 Silic nano/ micro tinh thể (nc/  c-Si):

Silic nano/ micro tinh thể là một dạng có trật tự gần tương tự như a-Si Tuynhiên pha nc/c-Si có dạng những hạt tinh thể Silic rất nhỏ, các tinh thể nhỏ này kết tụthành dạng những cột có kích thước khoảng 50nm – 200nm (Hình I.1.4.3) Giữanhững cột nhỏ này là pha vô định hình, khoảng trống và biên hạt Silic nano tinh thểcòn được gọi là Silic micro tinh thể (c-Si), điều này tùy thuộc vào kích thước của hạt(2-5nm,10 à 80% tinh thể: nc-Si; 10-20nm, 10 à 100% tinh thể: c-Si)

Trong màng mỏng Si thì nc-Si là vùng chuyển tiếp giữa Si và c-Si So với

a-Si thì nc/c-a-Si có nhiều điểm vượt trội hơn, độ linh động của electron trong nc/c-a-Sicao hơn vì nó có cấu trúc tinh thể Bên cạnh đó nc/c-Si còn tăng khả năng hấp thụ

Hình I.1.4.3: Cấu trúc của nc/μc-Si.

ánh sáng đỏ và trong vùng hồng ngoại, điều này rất thuận lợi để áp dụng nc/c-Si choPin Mặt Trời Một lợi điểm nữa cũng khá quan trọng của nc/c-Si là nó bền hơn so vớia-Si vì nồng độ Hydro trong nc/c-Si thấp hơn Sự chuyển pha giữa a-Si và nc/c-Siphụ thuộc nhiều vào các điều kiện lắng đọng và loại đế đem phủ Thực ra cho đến naynhững lý thuyết về a-Si và nc/c-Si vẫn chưa được hiểu biết một cách rõ ràng [3].

I.2.Các quá trình vật lý chính của Pin Mặt Trời Silic

I.2.1 Các khái niệm cơ bản

Để nắm rõ được hoạt động chính của một

Pin Mặt Trời dạng nối p-n cơ bản ta cần phải

nắm được các khái niệm về bán dẫn thuần, bán

dẫn pha tạp, các cơ chế dẫn điện và hàm phân

bố hạt tải trong bán dẫn

I.2.1.1 Bán dẫn thuần – bán dẫn pha tạp

 Bán dẫn thuần

Trong các bán dẫn thuần, các electron và

lỗ trống tạo ra chỉ do sự đứt gãy các liên kết Vì

vậy, nồng độ các electron nI bằng nồng độ các

lỗ trống pI Các nồng độ đó gọi là nồng độ phần

tử tải thuần trong bán dẫn Nồng độ phần tử tải

thuần là một hàm của năng lượng dao động

mạng tinh thể (với một bán dẫn cho trước nI

tăng rất nhanh theo nhiệt độ) Nồng độ hạt tải thuần cũng là hàm của độ rộng vùngcấm Eg (ở cùng một nhiệt độ cho trước nI giảm rất nhanh khi độ rộng vùng cấm tăng

Hình I.2.1.1a: sự phụ thuộc của nồng

độ hạt tải thuần n I vào độ rộng vùng cấm E g và nhiệt độ T

lên) Hình I.2.1.1a cho ta thấy sự phụ thuộc của nồng độ hạt tải thuần theo nhiệt độ và

Bán dẫn thuần có thể chuyển sang bán dẫn loại n khi ta đưa các tạp chất nhóm

V vào đơn tinh thể (Si) với nồng độ cao hơn nI nhiều lần Hình I.2.1.1b minh họa tạpchất Phôtpho (có năm electron hóa trị) được pha tạp vào Silic (có 4 electron hóa trị).Một electron thừa ra của nguyên tử Phôtpho không thể sắp xếp vào mạng tinh thể Silicnên dễ dàng bức ra Năng lượng ion hóa của Phôtpho trong Silic vào khoảng 0,05 eV,

mà trong điều kiện nhiệt độ phòng dao động mạng cũng đủ để cung cấp một nănglượng như vậy Do đó, gây ra hiện tượng ion hóa toàn bộ, tức là các electron dôi rakhông liên kết với mạng Silic đều bị ion hóa tạo ra một lượng electron dẫn Trong điềukiện ion hóa toàn bộ, nồng độ electron dẫn n bằng nồng độ tạp chất donor ND (donor làtạp chất cho: cung cấp electron cho vùng dẫn của tinh thể Silic) Các ion donor được

ký hiệu bằng các điện tích dương nằm ở mức năng lượng thấp hơn đáy vùng dẫn một ít[6]

Hình I.2.1.1b: mô hình và giản đồ năng lượng của bán dẫn loại

n

Trong bán dẫn loại n: ND > NA (NA : nồng độ tạp chất Aceptor)

Phần tử tải điện cơ bản : nn=ND - NA

Phần tử tải điện không cơ bản :

2

i n

D A

n p

xỉ bằng 0,05 eV nên tách ra khá dễ dàng Khi xuất hiện ion hóa toàn bộ, nồng độ các lỗtrống p bằng nồng độ tạp chất aceptor NA (aceptor là tạp chất nhận : nhận electron từvùng hóa trị của tinh thể Silic tức là cho vùng hóa trị lỗ trống) Các ion aceptor được

ký hiệu bằng các ion âm nằm ở mức năng lượng lớn hơn năng lượng ở đỉnh vùng hóatrị một ít (hình I.2.1.1c) [6]

Trong bán dẫn loại p : NA > ND

Phần tử tải điện cơ bản : pp = NA - ND

Hình I.2.1.1c: Mô hình và các mức năng lượng trong bán dẫn loại p

Phần tử tải điện không cơ bản :

2

i p

A D

n n





I.2.1.2: Pha tạp đậm n+ và p+ bằng phương pháp khuếch tán nhiệt

Trong việc chế tạo Pin Mặt Trời, các lớp p+ và n+ đóng vai trò rất quan trọngtrong việc làm tăng năng suất của Pin, vì vậy việc pha tạp tạo các lớp p+ và n+ cầnphải được quan tâm đặc biệt, trong đó pha tạp bằng phương pháp khuếch tán nhiệt làmột phương pháp rất cơ bản nhưng cũng rất hữu hiệu

Pha tạp (doping) là quá đưa các phân tử tạp chất (dopant) khác loại vào trong 1mạng tinh thể đồng nhất Các dopant thường có nhiều hơn một electron hóa trị so vớinguyên tử trong tinh thể nếu pha tạp n và nhỏ hơn một electron hóa trị nếu pha tạp p.Lưu ý rằng doping là một phương pháp pha tạp sau khi tinh thể đã được hình thành Vìvậy, các phương pháp tạo lớp n+ hoặc p+ trong quá trình nuôi tinh thể hoặc tạo màngvật liệu đều không được xem là dopping

 Giới thiệu về phương pháp khuếch tán nhiệt

Hiện nay, doping bằng phương pháp nhiệt khuếch tán vẫn là phương pháp phổbiến Đây là phương pháp điều khiển một dòng khí các hạt dopants đến bề mặt chấtbán dẫn để các dopants khuếch tán sâu vào bên trong chất bán dẫn Các thông số cóthể điều khiển được gồm có: Nhiệt độ tại bề mặt bán dẫn (với Si: thang nhiệt độdoping chủ yếu từ 800-12000C, còn GaAs thì 600-8000C), vận tốc dòng khí, nồng độdòng khí (số dopants trên một đơn vị diện tích bề mặt bán dẫn)

Đối với đế Silic, hai loại dopant tốt nhất dùng để doping loại p và loại n tươngứng là Boron và Phốtpho Các phân tử dopants có thể được tạo ra bằng nhiều cáchkhác nhau: từ nguồn rắn (BN, As2O3 và P2O5), nguồn lỏng ( BBr3 ,AsCl3 ,POCl3 ) hoặcnguồn khí (B3H3 ,AsH3, PH3) Với mỗi loại nguồn ta sẽ có những cách thiết kế hệ khác

nhau, trong đó hệ nhiệt khuếch tán bằng nguồn rắn là đơn giản nhất, còn nguồn khí làphức tạp và đòi hỏi sự tinh vi nhất [8][11].

 Cơ chế khuếch tán và phương trình khuếch tán

Sự khuếch tán của các dopants vào bên trong một mạng tinh thể thường đượcdiển tả bởi hai dạng: thay thế nút mạng (điền khuyết) hoặc xen kẻ vào các nút mạng

Bảng I.2.1.2: Các loại nguyên tố dùng doping cho đế Silic

(hình I.2.1.2a) Nếu nguyên tử dopant nhỏ hơn so với nguyên tử tinh thể, thì sự khuếchtán xen kẻ sẽ có xu thế xảy ra nhiều hơn [13].

Phương trình khuếch tán Flick mô tả [13]:

2 2

Trong đó, C được biết như là nồng độ các dopant trong một đơn vị thể tích D là

hệ số khuếch tán các dopant vào bên trong đế phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ:

Hình I.2.1.2a : Hai dạng pha tạp vào bên trong mạng tinh thể: thay thế (a) và (b) xen kẻ (c)

Độ sâu mà các dopant khuếch tán vào bên trong đế nền phụ thuộc chủ yếu vàochế độ lưu nhiệt trong quá trình doping (hình I.2.1.2c) [8].

Trong phần thực nghiệm sẽ trình bày rõ hơn về nhiệt độ doping và chế độ lưunhiệt để quá trình pha tạp đạt hiệu quả

Hình I.2.1.2b: Sự phụ thuộc của nồng độ pha tạp vào

nhiệt độ

Hình I.2.1.2c: Sự phụ thuộc của độ sâu

khuếch tán vào thời gian lưu nhiệt

I.2.1.3: Sự phân bố hạt tải trong bán dẫn ở trạng thái cân bằng (bán dẫn đặt trong tối)

 Hàm phân bố Fermi- Dirac

Sự phân bố của hạt tải trong điều kiện cân bằng (ở nhiệt độ không quá cao)được mô tả bởi hàm phân bố Fermi – Dirac:

  1 

1

F B

 Sự phân bố hạt tải trong bán dẫn khi chưa được chiếu sáng:

Đối với một chất bán dẫn bất kỳ, trong điều kiện cân bằng ở nhiệt độ T, nồng

độ electron trong vùng dẫn là [1]:

3 2 2

2( ) 2( n ) exp F exp( F c)

2

c

m kT N

2

v

m kT N

h





Trong bán dẫn thuần, ta biết nồng độ electron trong vùng dẫn n(T) luôn bằng nồng độ

lỗ trống trong vùng hóa trị p(T) nên ta có:

mô tả hàm mật độ trạng thái của bán dẫn ở trạng thái cân bằng Đối với bán dẫn thuần(hình a) ta thấy xác suất tồn tại hạt tải ở vùng dẫn và vùng hóa trị là như nhau Trongkhi đó, bán dẫn loại n (hình b) có mức Fermi dịch lên về phía vùng dẫn và xác suất tồntại hạt tải ở vùng dẫn lớn hơn rất nhiều so với vùng hóa trị Ngược lại với bán dẫn loại

n, ở bán dẫn loại p, mức Fermi dịch xuống gần vùng hóa trị và mật độ hạt tải ở vùnghóa trị lớn hơn vùng dẫn rất nhiều

I.2.2 Các quá trình vật lý chính trong Pin Mặt Trời

Như đã nói ở phần I.1.2, cơ chế hoạt động của Pin Mặt Trời là quá trình chuyểnhóa quang năng thành điện năng trải qua hai bước cơ bản bao gồm quá trình hấp thụphoton và quá trình tách hạt tải chuyển hóa thành dòng quang điện Sau đây, chúng tôi

sẽ trình bày rõ về hai quá trình này

I.2.2.1 Quá trình hấp thụ photon

Trong Pin Mặt Trời, việc sinh ra các cặp electron và lỗ trống bởi sự hấp thụphoton là quá trình quan trọng nhất Một electron ở vùng hóa trị khi hấp thụ mộtphoton với năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng vùng cấm Eg của vật liệu sẽ cókhả năng nhảy lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống trong vùng hóa trị Quá trình nàychỉ xảy ra khi điều kiện bảo toàn động lượng và năng lượng được thỏa mãn đồng thời.Điều kiện bảo toàn động lượng có nghĩa là sự chuyển mức của các electron từ vùnghóa trị lên vùng dẫn chỉ xảy ra giữa hai trạng thái có cùng vectơ sóng k Xác suất hấpthụ một photon có năng lượng   tỷ lệ với hệ số hấp thụ (  )

Hình I.2.1.3: Hàm mật độ trạng thái các hạt tải

Vật liệu bán dẫn có thể được chia làm hai loại: bán dẫn chuyển mức trực tiếp vàbán dẫn chuyển mức gián tiếp (Hình I.2.2.1a)

.

Bán dẫn chuyển mức trực tiếp là những chất bán dẫn mà cực tiểu vùng dẫn cócùng vị trí vectơ sóng k với cực đại vùng hóa trị (như GaAs) (hình a) Khi mộtelectron hấp thụ một photon với năng lượng    Eg, nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và đểlại một lỗ trống dưới vùng hóa trị Hệ số hấp thụ của vật liệu chuyển mức trực tiếpđược cho bởi công thức: [3]

Những chất bán dẫn có cực tiểu vùng dẫn và cực đại vùng hóa trị không ở cùng

vị trí vectơ sóng k(như Silic) được xem là bán dẫn chuyển mức gián tiếp (hình b).Đối với loại bán dẫn này, để một cặp electron và lỗ trống được sinh ra khi hấp thụ mộtphoton có năng lượng    Eg thì quá trình này phải được nhận thêm một dao độngmạng hay còn gọi là phonon với năng lượng  Với Ee,kin là động năng của phonon.Các quá trình hấp thụ và phát xạ photon, phonon được mô tả như sau:

Chất bán dẫn có thể hấp thụ đồng thời photon  và phonon :

 +  à e + h

Hình I.2.2.1a: Giản đồ năng lượng của (a) bán dẫn trực tiếp,( b) bán dẫn gián tiếp

p + p = pe + ph



 + = Ee + Eh Hoặc là phát xạ phonon :

 à e + h + 

p = pe + ph + p



 = Ee + Eh + .Với: p, p, pe, ph tương ứng là động lượng của photon , phonon , electron và lỗtrống; Ee và Eh tương ứng là năng lượng của electron và lỗ trống

Hệ số hấp thụ (  ) của bán dẫn chuyển mức gián tiếp là:

   E g 1

     

với dấu “+”: hấp thụ đồng thời photon và phonon, dấu “-“: phát xạ phonon

Do xác xuất nhận được một phonon thích hợp trong tinh thể thấp nên độ hấpthụ của bán dẫn chuyển mức gián tiếp nhỏ hơn so với vật liệu chuyển mức trực tiếp.Silic là vật liệu chuyển mức gián tiếp Do đó, để hấp thụ toàn bộ photon với nănglượng    Eg thì lớp hấp thụ bằng vật liệu Silic phải dày hơn so với những vật liệuchuyển mức trực tiếp Đây chính là nhược điểm của Silic so với các loại bán dẫnchuyển mức trực tiếp khác được dùng trong Pin Mặt Trời [3]

Từ hình I.2.2.1b ta thấy khi bước sóng ánh sáng tăng, hệ số hấp thụ giảm rấtnhanh và dần đến 0 khi năng lượng photon giảm dần đến năng lượng vùng cấm củabán dẫn Do vậy, tuy dải phổ của mặt trời rất rộng nhưng năng lượng photon chỉ đượchấp thụ trong một vùng phổ hẹp Hai vật liệu Germani và Silic rất phù hợp cho việclàm đế nền của Pin Mặt Trời (hệ số hấp thụ trải rộng trong vùng phổ Mặt Trời) Người

ta thường lựa chọn Silic vì giá thành của nó rẻ hơn nhiều so với Germani và nó cũngrất phù hợp đối với yêu cầu lựa chọn đế trong Pin Mặt Trời

a) Nồng độ electron và lỗ trống khi bán dẫn được chiếu sáng:

Khi bán dẫn được chiếu sáng, các cặp

electron-lỗ trống sinh ra làm cho nồng độ hạt tải

điện thay đổi rất đáng kể Ban đầu, động năng

của các hạt tải điện không cân bằng này lớn hơn

nhiều lần so với năng lượng nhiệt trung bình của

các hạt tải điện cân bằng Nhưng do tán xạ với

mạng tinh thể, chúng nhanh chóng thiết lập trạng thái cân bằng với mạng tinh thể

Hình I.2.2.1c: nồng độ hạt tải thay

đổi khi có photon chiếu vào.

Hình I.2.2.1b: hệ số hấp thụ của một số vật liệu

(nhường năng lượng 1eV sau khoảng 1000 lần va chạm mất khoảng 10-10 s) Sau đó,điện tử sẽ tồn tại trong thời gian sống của chúng trên vùng dẫn, tương tự với lỗ trống ởvùng hóa trị Lúc này nồng độ của các hạt tải điện lớn hơn giá trị của chúng ở trạngthái cân bằng (hình I.2.2.1c) [6].

Nồng độ electron trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị được mô tả:

Khi có ánh sáng chiếu vào, bán dẫn chỉ hấp thụ một phần cường độ ánh sáng,phần không hấp thụ được sẽ truyền qua Hình I.2.2.1d mô tả cường độ photonchiếu vào tại x và cường độ photon đi ra tại x+dx Với Iv0 là cường độ photon chiếuvào bán dẫn, Iv (x) là cường độ photon đi ra (energy/cm2-s)

Năng lượng bị hấp thụ trong khoảng dx được tính bằng :

Ta thấy rằng cường độ photon đi ra giãm theo hàm mũ của hệ số hấp thụ và bề dày củabán dẫn Nếu hệ số hấp thụ lớn, thì có khả năng ánh sáng có thể được hấp thụ đối vớimột bề dày nhỏ [6].

I.2.2.2: Quá trình tách hạt tải, tạo dòng quang điện

a) Khi Pin Mặt Trời chưa được chiếu sáng

Khi chưa được chiếu sáng, nồng độ của lỗ trống trong bán dẫn loại p lớn hơn rấtnhiều so với nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại n (pp >> pn) Nồng độ electron trongbán dẫn loại n lớn hơn rất nhiều so với nồng độ electron trong bán dẫn loại p (nn >>

np) Chính sự chênh lệch nồng độ này gây ra hiện tượng khuếch tán của các hạt tải đasố: lỗ trống khuếch tán từ P sang N, electron khuếch tán từ N sang P

Do sự xuất hiện của điện trường tiếp xúc Etx nên xuất hiện dòng trôi của hạt dẫnthiểu số ngược chiều với hạt dẫn đa số: lỗ trống ở bán dẫn loại N cuốn về phía cực âmcủa điện trường, electron trong bán dẫn loại P bị cuốn về phía cực dương của điệntrường Mật độ dòng trôi tổng cộng:

kt t

jj  j 

Đây chính là trạng thái cân bằng của chuyển tiếp p-n

Khi đạt trạng thái cân bằng, mức Fermi trong bán dẫn là hằng số, do đó cácmức năng lượng của vùng dẫn và vùng hóa trị bị uốn cong khi đi qua vùng điện tíchkhông gian và hình thành rào thế tiếp xúc Vtx Rào thế này duy trì sự cân bằng giữa các

lỗ trống tải điện cơ bản trong bán dẫn loại P và các electron tải điện không cơ bảntrong bán dẫn loại P, giữa các electron tải điện cơ bản trong bán dẫn loại N và các lỗtrống tải điện không cơ bản trong bán dẫn loại N Trong điều kiện cân bằng, rào thếtiếp xúc giữa bán dẫn loại N và bán dẫn loại P là một giá trị xác định và phụ thuộc vào

sự chênh lệch nồng độ của hai bán dẫn

Hình I.2.2.2a: Giản đồ vùng năng lượng khi

bán dẫn ở trạng thái cân bằng

Trong đó : εs : hằng số điện môi của bán dẫn

b) Khi Pin Mặt Trời được chiếu sáng:

Như đã đề cập ở mục I.2.2.2, khi chuyển tiếp p-n được chiếu sáng thì mức Fermikhông còn là hằng số trong toàn hệ mà sẽ “tách” thành hai mức EFC và EFV tương ứngđược gọi là chuẩn mức Fermi của điện tử và lỗ trống [10]

Giả sử chuyển tiếp p-n được nối với hai điện cực và sự tái hợp tại hai bề mặtnày rất lớn Dẫn đến nồng độ electron tại tiếp xúc bên trái và lỗ trống tại tiếp xúc bênphải của chuyển tiếp p-n khi được chiếu sáng cũng bằng với nồng độ của chúng khichưa chiếu sáng Kết quả là hai chuẩn mức Fermi EFC và EFV sẽ có cùng giá trị tại haitiếp xúc, tạm gọi là EFt và EFp Do electron là hạt tải thiểu số trong vùng p và lỗ trống là

Hình I.2.2.2b: Sự tách mức trong bán

dẫn loại n khi được chiếu sáng