Nghiên cứu và chế tạo màng chống phản xạ bằng vật liệu Si3Nx SiOx dùng cho pin năng lượng mặt trời

MỞ ĐẦU Trong các thành phần cấu tạo nên tế bào quang điện pin mặt trời, màng chống phản xạ phủ trên bề mặt của tế bào quang điện đóng vai trò hạn chế sự phản xạ lại của ánh sáng tới.. Số

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 Tổng quan pin mặt trời đơn tinh thể 2

1.1 Pin mặt trời một tiếp xúc p-n 2

1.2 Cấu trúc vật liệu tạo tế bào quang điện một lớp tiếp xúc p-n 4

1.2.1 Cấu trúc mạng và cấu trúc vùng năng lượng 4

1.2.2 Sự hấp thụ photon 4

1.2.3 Vật liệu bán dẫn c-Si loại i, n và p 6

1.2.4 Sự thất thoát hạt tải do tái hợp 9

1.2.5 Tiếp xúc p-n 10

1.3 Nguyên lý họat động 14

1.3.1 Dòng quang điện 14

1.3.1 Đặc tuyến J-V 16

Chương 2 Vật lý lắng đọng hơi hóa học plasma tăng cường 19

2.1 Tổng quan về plasma 19

2.2 Phóng điện phát quang không cân bằng 20

2.3 Cấu trúc buồng plasma sử dụng 21

2.4 Mô hình phản ứng của các chất sử dụng tạo màng 21

Chương 3 Tính toán quang học 24

3.1 Tổng quan về sóng ánh sáng 24

3.1.1 Sóng điện từ tự do 24

3.1.2 Hiện tượng phân cực 26

3.1.3 Cường độ ánh sáng phân cực 27

3.1.4 Phổ bức xạ mặt trời 28

3.2 Xây dựng ma trận truyền cho hệ quang học 30

3.2.1 Hệ số phản xạ và truyền qua 30

3.2.2 Công thức Fresnel 31

3.2.3 Tương tác của sóng phẳng với môi trường 33

3.2.4 Sự phản xạ của sóng phân cực thẳng 35

3.2.5 Tính toán với hệ màng đa lớp 37

Chương 4 Màng đơn lớp oxit silic 43

4.1 Thực nghiệm màng oxit silic 43

4.1.1 Thiết bị sử dụng 43

4.1.2 Chiết suất màng phụ thuộc các điều kiện plasma 43

4.2 Tối ưu hóa chống phản xạ 48

4.2.1 Tính toán 48

4.2.2 So sánh phương pháp 49

4.2.3 Tính toán tối ưu 53

Chương 5 Màng hai lớp chống phản xạ cho pin mặt trời 59

5.1 Lựa chọn chiết suất và tính toán tối ưu 59

5.1.1 Tính toán tối ưu 59

5.1.2 Số liệu thực nghiệm 62

5.2 Đánh giá và so sánh 62

5.2.1 Đánh giá 62

5.2.2 Sự dịch chuyển đáy phổ 63

5.2.3 So sánh độ phản xạ tính toán các loại màng 65

Kết luận và hướng phát triển 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 73

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

PECVD plasma enhance chemical vapour deposition, lắng đọng hơi hóa học

plasma tăng cường

ARC anti reflection coating, màng chống phản xạ

AM 1.5 Air mass 1.5, phổ mật độ năng lượng mặt trời xiên góc qua bề dày khí

quyển gấp 1,5 lần so với phương thẳng đứng

c-Si mono crystal silicon, silic cấu trúc đơn tinh thể

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 : Năng lượng liên kết trong lắng đọng SiO x N y :H [14] 22 Bảng 2: Bề dày và tốc độ phủ màng SiO x khi nhiệt độ đế 3000C, áp suất buồng 1000mTorr, công suất RF 20W, thời gian phủ 5 phút 44 Bảng 3: Bề dày và tốc độ phủ màng SiO x ở điều kiện nhiệt độ đế 3000C, công suất RF 20W, tỉ lệ

N 2 O/SiH 4 là 35, thời gian phủ 5 phút 46 Bảng 4: Báo cáo màng chống phản xạ hai lớp 62 Bảng 5: Qui ước kí hiệu bề dày màng so sánh 65

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1-1: Mật độ năng lượng bức xạ mặt trời trung bình trong ngày tại Việt Nam[11] 2

Hình 1-2: Cấu trúc tế bào quang điện (solar cell) một tiếp xúc p-n 3

Hình 1-3: (a) Cấu trúc mạng lập phương tâm mặt của Si, hằng số mạng a0 0,543nm, ba vector cơ sở a a a1, 2, 3mô tả ô nguyên thủy.(b) Cấu trúc vùng dẫn bán dẫn c-Si [9] 4

Hình 1-4: Hệ số hấp thụ và chiều dài hấp thụ của bán dẫn c-Si[13] 6

Hình 1-5: Nồng độ hạt tải, mật độ trạng thái, hàm phân bố Fermi-Dirac ở trạng thái cân bằng.a) Bán dẫn thuần i.b) Bán dẫn loại n.c) Bán dẫn loại p 1) Các mức năng lượng, 2) Mật độ trạng thái, 3) Phân bố Fermi-Dirac, 4) Mật độ hạt tải ở các vùng năng lượng 8

Hình 1-6: Các cơ chế tái hợp.a) vùng-vùng b) Auger c) do khuyết tật[10] 9

Hình 1-7: Tiếp xúc p-n trạng thái cân bằng nhiệt[1] 11

Hình 1-8: Biểu đồ vùng năng lượng của tiếp xúc p-n cân bằng nhiệt [1] 12

Hình 1-9: Biểu đồ vùng năng lượng a) thiên áp ngược, b) thiên áp thuận [1] 13

Hình 1-10: Dòng hạt tải trong tế bào quang điện ở điều kiện a) Chiếu sáng hở mạch, b) Chiếu sáng ngắn mạch[13] 14

Hình 1-11: Sự thu hạt tải cho dòng quang điện [10] 15

Hình 1-12: Giá trị tính toán xác suất thu hạt tải phụ thuộc a) độ dài khuyếch tán b)tốc độ tái hợp bề mặt, L là độ dài khuyếch tán hạt thiểu số, S là tốc độ tái hợp hạt tải tại bề mặt[13] 16 p Hình 1-13: Đặc tuyến J-V của tế bào quang điện lý tưởng 17

Hình 1-14: Xác định công suất cực đại 18

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

Hình 2-2: Oxford instrument – Plasmalab80plus 21

Hình 2-3: Mô hình lắng đọng tạo màng 22

Hình 3-1: Mô tả toán học của sóng vô hướng dao động điều hòa tuần hoàn theo thời gian và không gian (Code 1 và Code 2) 24

Hình 3-2: Sóng điện từ tự do 25

Hình 3-3 : Hai cách mô tả toán học của sóng phẳng đều phù hợp với dạng thực của nó 26

Hình 3-4: Sóng phân cực được coi là sự chồng chập của hai sóng phân cực có phương phân cực vuông góc với nhau E0x  E0y Tương ứng với các độ lệch pha giữa hai thành phần ta có sóng phân cực khác nhau[9] 27

Hình 3-5: Phổ mật độ năng lượng bức xạ từ mặt trời [7] 29

Hình 3-6 : Sóng tương tác với bề mặt [17] 30

Hình 3-7: Sóng ánh sáng tương tác với mặt tiếp giáp 31

Hình 3-8: Khi phần ảo của chiết suất khác không, sóng tắt dần khi đi vào môi trường có sự hấp thụ 34

Hình 3-9: Sự phản xạ sóng phân cực TM và TE với góc tới khác nhau từ không khí vào kính 35

Hình 3-10: Sự phản xạ sóng phân cực TM và TE tương ứng với góc tới khác nhau đi từ kính ra không khí Có xuất hiện hiện tượng phản xạ toàn phần với cả hai sóng 36

Hình 3-11: Môi trường khúc xạ có sự hấp thụ 37

Hình 3-12: Qui ước về kí hiệu sử dụng tính toán 38

Hình 3-13 : Hình trên mô tả sóng theo chiều âm (backward ) và chiều dương (forward ) tại mặt tiếp giáp (interface) va sau khi qua quãng đường d (Chú ý rằng, sóng là số phức).(a) : Xây dựng

ma trận truyền qua mặt tiếp giáp (b) : Xây dựng ma trận truyền qua bề dày 39

Hình 3-14: Tính toán độ lệch pha hai sóng tại hai bề mặt mặt tiếp giáp cùng tọa độ z 41

Hình 4-1: Các mẫu được phủ được khảo sát điều kiện tỉ lệ khí tiền chất chênh lệch khá lớn 44

Hình 4-2: Chiết suất thay đổi theo tỉ lệ khí N2O:SiH4 trong điều kiện nhiệt độ đế 3000C, áp suất buồng 1000mTorr, công suất RF 20W 45

Hình 4-3: Khi tăng tỉ lệ khí tiền chất N2O:SiH4 thì chiết suất có xu hướng giảm, trong điều kiện nhiệt độ đế 3000C, áp suất buồng 1000mTorr, công suất RF 20W 45

Hình 4-4: Tốc độ phủ thay đổi theo điều kiện áp suất buồng 46

Hình 4-5: Chiết suất màng SiOx thay đổi theo điều kiện áp suất buồng 47

Hình 4-6: Chiết suất có xu hướng giảm khi áp suất buồng tăng 47

Hình 4-7: Sóng tới xiên góc phản xạ và truyền nhiều lần tại các mặt tiếp giáp màng đơn lớp 49

Hình 4-8: Xét sự phản xạ lại một lần tại một bề dày màng Tìm độ lệch pha hai sóng phản xạ đầu tiên tại mặt tiếp giáp với môi trường tới của màng và biểu diễn qua thành phần pha tương ứng bề dày 50

Hình 4-9: Phổ hệ số phản xạ và phổ phản xạ màng SiN – PECVD đế c-Si tại bề dày ¼ sóng 600nm là 75.5 nm với phổ bức xạ chiếu tới Globaltilt được tính cho trường hợp chiếu vuông góc Đồ thị “He so R” được tính theo phương pháp số, “Type Crys” lấy theo công thức [10] 53

Hình 4-10: Phổ hệ số phản xạ và phổ phản xạ màng SiN – Pecvd đế c-Si tại bề dày ¼ sóng 500nm 54

Hình 4-11: So sánh phổ Reflection % mẫu SiO2pres12 tại bề dày 343,92nm 55

Hình 4-12: Kết quả tính toán hệ số phản xạ là hàm của bề dày và bước sóng 56

Hình 4-13: Hệ số phản xạ lấy theo toàn bộ bước sóng tương ứng với bề dày xác định màng chống phản xạ SiNx, số photon phản xạ cực tiểu là 9% ứng với bề dày 80nm ứng với phổ AM 1.5 Global 57

Hình 4-14: Sự phản xạ của các bước sóng và tối ưu bề dày màng SiO2 cho việc chống phản xạ 58 Hình 4-15: Sự phản xạ của các bước sóng và tối ưu ARC bề dày màng SiO2 58

Hình 5-1: Chiết suất vật liệu sử dụng tạo màng chống phản xạ 59

Hình 5-2: Tỉ lệ photon phản xạ lại với phổ chiếu tới AM 1.5 Global theo các bề dày khác nhau (d1 là bề dầy lớp SiOx, d2 là bề dầy lớp SiNx) 60

Hình 5-3: Bề dày tối ưu là d_SiO: 84 nm, d_SiN: 64 nm, tỉ lệ số photon phản xạ lại 6.95% 61

Hình 5-4: Phổ phản xạ tính toán ứng với Bề dày tối ưu là d_SiO: 84 nm, d_SiN: 64 nm 61

Hình 5-5 : Phổ hệ số phản xạ R% Khi chú ý tới chiết suất của c-Si là phức thì đường tính toán có khác đi R% = 8.23 62

Hình 5-6: Phổ hệ số phản xạ R% Khi chú ý tới chiết suất của c-Si là phức thì đường tính toán có khác đi R% = 8.38 63

Hình 5-7: Sự dịch chuyển của đáy phổ hệ số phản xạ R 64

Hình 5-8: Dịch chuyển đáy phổ hệ số phản xạ R về vị trí bước sóng 600nm 64

Hình 5-9: Trường hợp chiếu vuông góc Hệ số phản xạ ứng với các bề dày khác nhau của hai màng khi đã xét tới sự hấp thụ của Silicon Không có sự khác biệt nhiều với các bản ¼ sóng kết hợp với bề dày tối ưu trường hợp một màng 65

MỞ ĐẦU

Trong các thành phần cấu tạo nên tế bào quang điện (pin mặt trời), màng chống phản

xạ phủ trên bề mặt của tế bào quang điện đóng vai trò hạn chế sự phản xạ lại của ánh sáng tới Do đó, ánh sáng phản xạ lại từ bề mặt về phía tiếp xúc p-n (chuyển tiếp p-n (xem 1.2.5)) được tăng cường Dẫn đến, tế bào quang điện có thể sản sinh dòng quang điện lớn hơn, hay hiệu suất chuyển hoán năng lượng lớn hơn (xem 1.3.1 và 1.3.2)

Màng chống phản xạ sử dụng vật liệu SiNx và SiOx được chế tạo từ máy PECVD PlasmaLab 80plus tạo thành hai lớp màng phủ bên trên đế Silic đơn tinh thể Khi ta phủ màng SiOx chiết suất thấp hơn màng SiNx phía bên trên thì ta đã có sự tăng cường phản xạ lại từ bề mặt đi về phía tiếp xúc p-n Đặc biệt khi góc tới (góc hợp với phương pháp tuyến của bề mặt) đủ lớn thì ta có hiện tượng phản xạ toàn phần, sự chống phản xạ lại môi trường tới (không khí) xảy ra tốt nhất ( mục 3.2.4), ánh sáng phản xạ lại từ bề mặt về phía tiếp xúc p-n được tăng cường là điều mà ta mong muốn Tuy nhiên, ta không thể cứ mãi quay bề mặt của tế bào quang điện khi ánh sáng thay đổi phương tới Mặt khác ánh sáng tới là ánh sáng tự nhiên, trong đề tài ta coi nó là sự kết hợp của hai sóng phân cực s và p (xem 3.1 và 3.1.4 ,3.2.2), khi góc tới của tia sáng

từ không khí càng lớn thì góc khúc xạ và phản xạ tại các mặt tiếp giáp (Hình 4-7) càng lớn mà ta cần quan tâm năng lượng ánh sáng phản xạ lại từ bề mặt tới tiếp xúc p-n (xem công thức (3.7), (3.8),(3.14),(3.20)) Do đó, hệ số phản xạ (công thức (3.20)) là giá trị cần quan tâm cực tiểu hóa, và giá trị của nó nhỏ nhất ứng với trường hợp phản

xạ lại từ môi trường chiết suất cao tới chiết suất thấp ứng với góc tới bằng không Như thế, trường hợp chiếu vuông góc được chọn để khảo sát tính toán tìm thông số phù hợp cho màng chống phản xạ Tương ứng với các điều kiện Plasma khác nhau thì ta nhận được màng có chiết suất khác nhau, và được trình bày ở mục 4.1 Nhận thấy sự phản

xạ của màng đơn lớp, và trong trường hợp của đề tài là hai lớp là thay đổi phức tạp khi chiết suất và bề dày thay đổi Nếu ta sử dụng hai chiết suất cố định tương ứng với hai màng, bề dày từng mẫu ta có thể kiểm soát từ quá trình phủ màng như sự trình bày ở phần thực nghiệm mục 4.1 thì số bước thực nghiệm có thể lên tới 10000 phép thử nếu mỗi bề dày màng khảo sát chênh lệch nhau 10nm và bề dày lớn nhất là 1000nm Như vậy việc tính toán dự đoán sự phản xạ để tìm thông số tối ưu về bề dày và chiết suất định hướng thực nghiệm là cần thiết Do phổ mật độ năng lượng (mục 3.1.4) có giá trị năng lượng tới của các bước sóng khác nhau là khác nhau, nên đại lượng cần cực tiểu hóa chính là hệ số phản xạ tổng hợp được trình bày ở mục 4.2 Trong quá trình thực hiện, nhận thấy chiết suất màng là đại lượng ảnh hưởng quan trọng tới giá trị cực tiểu phản xạ Sự truyền qua và phản xạ trong tính toán ứng với mô hình màng phẳng tuyệt đối (do trong tính toán coi bề dày như nhau tại mọi điểm), màng là môi trường đồng nhất và đẳng hướng, sóng ánh sáng là sóng phân cực thẳng phân cực s và phân cực p Yếu tố quan trọng trong phương pháp tính toán là hệ số phản xạ biên độ Fresnel, từ đó

ta có hệ số phản xạ tương ứng ứng với năng lượng phản xạ lại

Chương 1 Tổng quan pin mặt trời đơn tinh thể 1.1 Pin mặt trời một tiếp xúc p-n

Năng lượng bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng sạch và có thể coi là vô tận Hiện nay có nhiều phương pháp sử dụng năng lượng này cho các ứng dụng như một nguồn nhiệt năng và nguồn điện năng Về mặt điện năng, nguồn năng lượng này là giải pháp khả thi cho bổ sung cho nhu cầu điện năng phục vụ gia đình , chiếu sáng công cộng, vùng sâu xa hải đảo vốn hiện được sản xuất chủ đạo từ năng lượng hóa thạch và thủy điện đang gần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường Việt Nam là một trong những quốc giá có vị trí địa lý phù hợp để phát triển nguồn năng lượng này với thời gian chiếu sáng 1800-2100 giờ một năm ở các tỉnh phía Bắc và 2000-2600 giờ với các tỉnh phía Nam [11] Số liệu mật độ năng lượng mặt trời chiếu tới các địa phương từ khu vực phía Bắc tới Nam như Hình 1-1

Hình 1-1: Mật độ năng lượng bức xạ mặt trời trung bình trong ngày tại Việt Nam[11] Năng lượng ánh sáng mặt trời có thể chuyển hóa trực tiếp thành điện năng bởi pin mặt trời Thành phần quan trọng trên một tấm pin mặt trời là tế bào quang điện (solar cell) Có nhiều loại tế bào quang điện, có thể được tạo từ đế (wafer) Silicon đơn tinh thể hoặc đa tinh thể hoặc pin mặt trời màng mỏng ( sử dụng silic vô định hình, CdTe, GaAs, CIS), và pin mặt trời silicon ribbons[12] Pin mặt trời được tạo từ đế silicon là phổ biến nhất do độ bền của vật liệu bán dẫn này, và cũng là vật liệu được sử dụng nhiều trong công nghiệp điện tử nên tạo nguồn cung cấp có tính kinh tế Trong các loại

đế silic, đế tế bào quang điện silic đơn tinh thể được sử dụng khá phổ biến, đế này được cắt từ thanh silic tạo từ phương pháp mọc Czochralski (Cz) hoặc Floatzone (Fz)

và được pha tạp trong quá trình mọc mầm để tạo thành đế loại n hoặc loại p.Khi chất

3.5 4.3 5.2 5.8

6.4 5.9 6.5 5.7 5.2

4.2

3.1 2.5

5.1

6.3 6.6

5.7

5 4.9 5.1 5

4.8 4.5 4.3 4.6

pha tạp là Boron thì tạo ra vật liệu đế bán dẫn loại p Từ loại đế này, người ta có thể tạo thành tế bào quang điện bằng nhiều cách khác nhau Trong số đó là tế bào quang điện có một lớp tiếp xúc giữa hai bán dẫn loại p và bán dẫn loại n có cùng một cấu trúc tinh thể Cấu trúc một tế bào quang điện một lớp tiếp xúc p-n tiêu biểu được mô tả như Hình 1-2

Hình 1-2: Cấu trúc tế bào quang điện (solar cell) một tiếp xúc p-n

Để tạo thành tế bào quang điện từ loại đế này, ta có các bước cơ bản sau đây : (1) làm sạch bề mặt bằng hóa chất (như HR, acetone), (2) khắc ăn mòn bề mặt (texture) trong dung dịch KOH để tạo các kim tự tháp giảm phản xạ, (3) khuyếch tán Photpho nhiệt độ cao lên mặt trên của đế để hình thành tiếp xúc p-n, tiếp xúc này đóng vai trò quan trọng trong việc thu các hạt tải dư khi tế bào hấp thụ photon để tạo ra dòng điện, (4) phủ lớp chống phản xạ (ARC) Khi đó ta có được tế bào quang điện một lớp tiếp xúc p-n,(5) để sử dụng ta phủ tiếp xúc kim loại lên mặt trước (thường là bạc Ag) và mặt sau (thường là nhôm Al) của tế bào quang điện để nối với các tế bào quang điện khách tạo thành tấm pin mặt trời rồi nối với tải tiêu thụ

Để có một tế bào quang điện, thì một lớp tiếp xúc p-n đã có thể đóng vai trò là một

tế bào quang điện Nhưng để có được nhiều hạt tải dư nhận được từ sự hấp thụ photon ánh sáng hay nâng cao hiệu suất chuyển hoán của tế bào quang điện, người ta đưa ra nhiều cấu trúc pin khác nhau đều dựa trên sự cấu thành của các tiếp xúc p-n và sự hạn chế thất thoát hạt tải do điện trở, do sự tái hợp hạt tải ở bề mặt cũng như trong thế tích của tế bào quang điện, và do sự thất thoát quang học Mục đích của luận văn

“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ BẰNG VẬT LIỆU SiNx SiOx DÙNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” là sử dụng hai vật liệu silic nitrit (silicon nitride) và oxit silic (silicon dioxide) chế tạo bằng phương pháp phủ hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD) với bề dày tối ưu chống phản xạ để giảm sự thất thoát quang học dẫn đến nâng cao hiệu suất chuyển hoán tổng hợp của pin

1.2 Cấu trúc vật liệu tạo tế bào quang điện một lớp tiếp xúc p-n

1.2.1 Cấu trúc mạng và cấu trúc vùng năng lượng

Silic là chất bán dẫn nguyên tố thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn Mendeleev, là nguyên tố phổ biến thứ hai sau Oxi, khi các nguyên tử silic liên kết với nhau tạo thành

Hình 1-3: (a) Cấu trúc mạng lập phương tâm mặt của Si, hằng số mạng a0 0,543nm, ba vector cơ sở a a a1, 2, 3mô tả ô nguyên thủy.(b) Cấu trúc vùng dẫn bán dẫn c-Si [9] mạng tinh thể có kiểu cấu trúc mạng kim cương với ô cơ sở dạng lập phương tâm mặt Silic đơn tinh thể (c-Si) có ứng suất Young 133-188 GPa, độ dẫn nhiệt

149W m.  .K nên bền về mặt cơ học Khi các nguyên tử silic sắp xếp lại với nhau thành mạng tinh thể thì các mức năng lượng gián đoạn khã dĩ của các electron của chúng xen phủ với nhau tạo thành các vùng năng lượng khã dĩ của các electron trong mạng tinh thể Trong không gian năng lượng – vector sóng electron E-k, cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu khối bán dẫn c-Si là cấu trúc vùng cấm xiên, vị trí tương ứng cùng vector sóng k đáy vùng dẫn E cvà đỉnh vùng hóa trị E Vlà khác nhau như Hình 1-3b Vùng dẫn và vùng hóa trị tách biệt nhau phân cách bởi vùng cấm không có trạng thái năng lượng khã dĩ cũa electron chiếm chỗ , với giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ

Sự hấp thụ photon ánh sáng có nhiều cơ chế hấp thụ khác nhau Ta quan tâm tới

sự hấp thụ photon liên quan tới sự chuyển mức năng lượng của electron giữa các vùng năng lượng cho phép, do bởi sự hấp thụ này liên quan tới sự hình thành hạt tải dư [10]

[2], là các hạt tải cần thiết khi tế bào quang điện hoạt động Sự hấp thụ này được gọi là hấp thụ cơ bản, tuận theo qui tắc chọn lọc là thỏa mãn định luật bảo toàn năng lượng

và định luật bảo toàn động lượng Với bán dẫn silic, sự chuyển mức của electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn liên quan tới ba hạt : electron, photon và phonon Vector sóng tương ứng với thành phần động lượng k của electron Khác vật liệu có cấu trúc vùng dẫn thẳng, khi hấp thụ photon với năng lượng photonE g thì sự dịch chuyển mức năng lượng của electron lên vùng dẫn có cùng giá trị vector sóng, không có sự thay đổi về động lượng, vật liệu bán dẫn vùng cấm xiên, sự dịch duyển từ đỉnh vùng hóa trị E V lên mức năng lượng đáy vùng dẫn E c kèm theo dao động mạng (phonon) tương ứng với sự phát sinh hay hấp thụ phonon có năng lượng phonon và vector sóng

phonon

k Sự dịch chuyển được mô tả như Hình 1-3b, đầu tiên electron sẽ dịch chuyển thẳng lên mức giả bền có cùng vị trí vector sóng, sau đó là sự phát sinh hay hấp thụ phonon kèm theo để electron tiến tới đáy vùng dẫn

Định luật bảo toàn động lượng trong trường hợp chuyển mức xiên có dạng :

0 ( )

I W cm , do sự hấp thụ photon của chùm sáng, cường độ ánh sáng sẽ giảm dần theo độ sâu x kể từ bề mặt của bán dẫn Do đó cường độ ánh sáng đơn sắc tần số  theo độ sâu x giảm theo qui luật hàm mũ là :

0

Hệ số  là hệ số hấp thụ photon của vật liệu Với bán dẫn Si thì hệ số hấp thụ photon tương ứng với các bước sóng (trong chân không) khác nhau được trình bày ở Hình 1-4 Nhận thấy, với các photon có năng lượng nhỏ hơn độ rộng vùng cấm

g

nm

E eV

nhỏ hơn rất nhiều so với các photon có năng lượng lớn hơn E g

Hình 1-4: Hệ số hấp thụ và chiều dài hấp thụ của bán dẫn c-Si[13]

Do bởi sự hấp thụ photon ánh sáng với bước sóng (chân không) của vật liệu là khác nhau nên quãng đường mà chùm ánh sáng với các bước sóng đó đi được trong vật liệu

là khác nhau Người ta quan tâm tới quãng đường mà cường độ sáng giảm đi 36% độ lớn hay còn 1/e so với cường độ sáng ban đầu, quãng đường đó được gọi là chiều dài hấp thụ được xác định bởi 1/ ( cm) Chiều dài hấp thụ của Silic được trình bày ở Hình 1-4, các bước sóng càng ngắn thì càng dễ bị hấp thụ ở khoảng cách gần với bề mặt hơn, với bước sóng 1000nm thì chiều dài hấp thụ của nó là 140 m , cho nên người ta thường chọn các đế Silic có bề dày trên 200 m [10] Với các bước sóng dài thì hệ số hấp thụ quá bé và liên quan tới các cơ chế hấp thụ khác nên không có tính kinh tế khi xét với bề dày quá lớn

1.2.3 Vật liệu bán dẫn c-Si loại i, n và p

Ta xét bán dẫn ở trạng thái cân bằng hay cân bằng nhiệt là không có lực ngoài như

do điện trường, từ trường, nguồn nhiệt tác dụng lên chất bán dẫn Khi một electron nhận năng lượng nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, thì nó sẽ để lại một trạng thái trống ở vùng hóa trị tương đương một điện tích dương +e Khi nhiệt độ T > 0K, các electron ở vùng hóa trị có thể nhảy vào trạng thái trống đó và tạo ra vị trí trống mới

Sự chuyển động này tương đương với điện tích dương +e chuyển động trong vùng hóa

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

trị Ta gọi điện tích này là lỗ trống Trong chất bán dẫn, có hai loại hạt tải điện là electron và lỗ trống Vì dòng điện trong chất bán dẫn được xác định bằng dòng điện tử trong vùng dẫn và dòng lỗ trống trong vùng hóa trị Do đó, mật độ các phần tử mang điện này ở trạng thái cân bằng là đặc trưng quan trọng của bán dẫn và giá trị của nó có liên quan tới hàm phân bố Fermi-Dirac là:

1 ( )

2

C

m kT N

2

V

m kT N

độ trạng thái, 3) Phân bố Fermi-Dirac, 4) Mật độ hạt tải ở các vùng năng lượng

Khi ta pha tạp tạp chất hóa trị 5 như photpho với nồng độ tạp chất cho N D ở mức năng lượng E D (xem Hình 1-5b1&2) vào silic ta được bán dẫn loại n có nồng độ

0 0

n  p ( hạt tải đa số là điện tử, hạt tải thiểu số là lỗ trống ) Nếu pha tạp tạp chất có hóa trị 4 như Bo với nồng độ tạp chất nhận N A ở mức năng lượng E A (xem Hình 1-5c1&2) vào silic ta được bán dẫn loại p có nồng độ n0  p0 (hạt tải đa số là lỗ trống, hạt tải thiểu số là điện tử) Khi đó nồng độ hạt tải không còn cân bằng, mức năng lượng Fermi dịch chuyển khi nồng độ pha tạp thay đổi (Hình 1-5:3&4)

Nồng độ điện tử cân bằng nhiệt :

cóN D N A, nồng độ chất cho hiệu dụng khi đó là N DN A[1] Ở nhiệt độ phòng, đa số các mức cho nhận này là bị ion hóa hoàn toàn nên điều kiện trung hòa điện tích là

n N  p N Hạt tải thiểu số khi đó được xác định

2 0 0

i

n p n

 , nồng độ điện tử là :

2 2 0

2 2 0

i

n n p

 , công thức này có thể áp dụng với trường hợp N D 0

1.2.4 Sự thất thoát hạt tải do tái hợp

Hạt tải dư xuất hiện do nguồn kích thích bên ngoài như photon ánh sáng hay mất cân bằng nhiệt Một khi, nguồn kích thích này không còn thì các hạt tải dư này sẽ mất

đi do tái hợp Ta có sự tái hợp vùng-vùng, tái hợp do khuyết tật, tái hợp Auger, dangling bond

Hình 1-6: Các cơ chế tái hợp.a) vùng-vùng b) Auger c) do khuyết tật[10]

Tái hợp vùng-vùng (radiative recombination) là sự dịch chuyển ví dụ một điện tử từ vùng dẫn về vùng hóa trị, tương ứng với sự mất đi một lỗ trống Với bán dẫn Silic sự

tái hợp mô tả như Hình 1-6a Khi một điện tử chuyển động trong khối bán dẫn, nó có thể gặp lỗ trống, chúng tái hợp lại dẫn tới sự hủy cặp hạt tải này Sự tái hợp liên quan tới thời gian sống của hạt tải, nhưng sự tái hợp của hạt tải trong tinh thể không ảnh hưởng mạnh bởi sự tái hợp vùng-vùng này [10]

Sự tái hợp Auger có ảnh hưởng mạnh tới thời gian sống của hạt tải trong vật liệu bán dẫn pha tạp nồng độ cao, đặc biệt quan trọng với bán dẫn vùng cấm thẳng Quá trình này liên quan tới ba hạt tải, được trình bày như Hình 1-6b Trong quá trình tái hợp với lỗ trống, điện tử truyền năng lượng cho điện tử khác ở vùng dẫn (Hình 1-6a) hay vùng hóa trị (Hình 1-6b), làm dịch chuyển điện tử này lên mức năng lượng cao hơn Sau đó điện tử bị kích thích này mất dần năng lượng do tương tác trong mạng và trở về năng lượng ban đầu Thời gian sống hạt tải ứng với cơ chế tái hợp này tỉ lệ nghịch với nồng độ hạt tải 2

1

 , hay nó phụ thuộc mạnh vào nồng độ pha tạp Tái hợp do khuyết tật (tái hợp Shockley,Read&Hall) là do các sai hỏng trong mạng hay do nguyên tử tạp chất tồn tại trong mạng làm phá vỡ liên kết lý tưởng dẫn đến sự hình thành mức năng lượng khã dĩ cho điện tử tồn tại trong vùng cấm (Hình 1-6c) Mức năng lượng do khuyết tật này đóng vai trò như một bước đệm, bẫy điện tử và lỗ trống gặp nhau để hủy cặp ( hoặc đóng vai trò là bước đệm phát sinh hạt tải, để điện tử

từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn thông qua bước đệm này)

Các cơ chế tái hợp trên đồng thời ảnh hưởng tới thời gian sống của hạt tải thì thời gian sống của hạt tải xác định bởi 1 1 1 1

   

Các thiết bị bán dẫn dựa trên vật liệu Si, thường có nồng độ pha tạp dưới 17 3

10 cm , thì sự tái hợp bức xạ (radiative recombination) gần như không đóng vai trò, và thời gian sống của hạt tải phụ thuộc vào độ tinh khiết của bán dẫn Chỉ với nồng độ pha tạp trên 18 3

10 cm thì sự tái hợp Auger mới đóng vai trò chính Với nồng độ vào khoảng

, với 0 400 s là thời gian sống của hạt tải trong bán dẫn thuần [10]

Trong trạng thái cân bằng nhiệt, nồng độ điện tử và lỗ trống là xác định Tuy nhiên

sự tái hợp và sinh cặp đồng thời diễn ra Với sự sinh cặp và tái hợp vùng- vùng trực tiếp thì tốc độ sinh và tái hợp của electron và lỗ trống là bằng nhau, và hai tốc độ này cũng bằng nhau ở trạng thái cân bằng nhiệt

1.2.5 Tiếp xúc p-n

1.2.5.1 Tiếp xúc p-n trạng thái cân bằng

Tiếp xúc p-n là khối xây dựng cơ bản trong linh kiện bán dẫn và lý thuyết tiếp xúc p-n là cơ bản trong Vật lý linh kiện bán dẫn Linh kiện bán dẫn được cấu hình từ các tiếp xúc p-n cấu hình khác nhau Tế bào quang điện cũng cấu thành từ tiếp xúc p-n này, ta xét cấu trúc cơ bản của tiếp xúc p-n là sự thành lập từ tiếp xúc vật lý của hai

khối bán dẫn p và n có nồng độ pha tạp đồng nhất trong mỗi khối ở trạng thái cân bằng nhiệt (không có kích thích bên ngoài như nguồn nhiệt, thế áp vào, tiếp xúc với kim loại) Khi tiếp xúc được hình thành, sự chênh lệch đột ngột về nồng độ hai loại hạt tải làm phát sinh một gradient nồng độ làm dịch chuyển các hạt tải đa số khuyếch tán qua vùng đối diện (mật độ dòng J n diff &J p diff ) Dẫn đến sự xuất hiện một vùng ở hai bên mối nối trong đó chỉ có những ion âm của nguyên tử nhận (nồng độ N A) ở bên khối bán dẫn p, và những ion dương của nguyên tử cho (nồng độ N D) ở bên khối bán dẫn n (Hình 1-7a) Các ion dương và âm này tạo thành một điện trường tiếp xúc ( /V cm)chống lại sự khuyếch tán của các hạt tải đa số, tức điện trường này tạo nên dòng dịch (dòng trôi J n drif &J p drif ) của hai loại hạt tải thiểu số chống lại dòng khuyếch tán sao cho dòng điện tổng cộng ở vùng này bằng không (Hình 1-7a) Do sự tồn tại của điện trường này tác dụng lên hạt tải và quét nó ra xa tiếp xúc p-n, nên lân cận tiếp xúc p-n

là không có điện tích tự do (electron và lỗ trống) Vùng lân cận tiếp xúc p-n này được gọi là vùng điện tích không gian hay vùng nghèo

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

Jn-diff : dòng khuyếch tán electron

Jn-drif Jp-drif : dòng dịch lỗ trống Jp-diff

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

 là điện trường tương ứng mật độ điện tích trên

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

1.2.5.2 Tiếp xúc p-n dưới thiên áp thuận và ngược

Khi đặt điện áp ngoài V A(hiệu điện thế cực p đối với n) thì điện trường ngoài làm thay đổi điện trường tổng cộng trong toàn khối p-n cũng như vùng nghèo Do đó, rào điện thế V bi thay đổi thành rào điện thế V total như Hình 1-9 mô tả Bề rộng W của vùng nghèo và mật độ dòng các hạt tải cũng thay đổi theo V A Khi thiên áp thuận (điện thế đặt lên cực p lớn hơn cực n) thì điện trường tổng cộng giảm, rào thế giảm, bề rộng vùng nghèo giảm, điện trở của tiếp xúc p-n giảm Tại vùng nghèo dòng khuyếch tán tăng, dòng dịch gần như không đổi Khi thiên áp nghịch (điện thế đặt lên cực n lớn hơn cực p) thì điện trường tổng cộng tăng, rào thế tăng, bề rộng vùng nghèo tăng, điện trở của tiếp xúc p-n tăng Tại vùng nghèo, dòng khuyếch tán giảm, dòng dịch cũng hầu như không đổi

Hình 1-9: Biểu đồ vùng năng lượng a) thiên áp ngược, b) thiên áp thuận [1]

Mật độ dòng điện qua tiếp xúc p-n là tổng cộng hai dòng điện lỗ trống và điện tử thay đổi theo điện thế V A áp vào, được mô tả bởi phương trình Shockley :

L N L N

  là dòng bão hòa ngược Đồ thị mô tả sự biến đổi này là

đặc tuyến J-V Do tế bào quang điện có cấu tạo từ tiếp xúc p-n nên đồ thị được mô tả ở Hình 1-13 (ứng với I L 0) Dòng bão hòa ngược (saturation current) này còn được gọi là dòng tối (dark current) khi ta khảo sát đặc tuyến J-V của tế bào quang điện Giá trị J0 càng lớn tương ứng với sự tái hợp hạt tải lớn

1.3 Nguyên lý họat động

1.3.1 Dòng quang điện

Sự hấp thụ photon của bán dẫn được nêu ở mục 1.2.2.1 tạo ra hạt tải dư (điện tử và

lỗ trống) Khi đó nồng độ điện tử và lỗ trống lớn hơn giá trị cân bằng nhiệt của chúng

là n n0 nvà p p0p, với nvà plà nồng độ hạt tải dư ( 2

0 0 i

npn p n ) Như vậy, nguồn photon ánh sáng đóng vai trò như nguồn bơm hạt tải dư và nhờ tính chất điện trường vùng nghèo của tiếp xúc p-n đã đề cập ở mục 1.2.5 phân tách electron di chuyển về phía bán dẫn n và lỗ trống di chuyển về phía bán dẫn p khi chúng tiến tới vùng này Do đó cấu trúc của tế bào quang điện như Hình 1-2 đóng vai trò là một nguồn điện khi được được chiếu sáng

Nhưng nếu vẫn chiếu sáng và không nối với mạch ngoài, sự tạo ra hạt tải dư do hấp thụ quang thì nồng độ electron ở bán dẫn n và lỗ trống ở bán dẫn p sẽ tăng lên Điều này dẫn tới hình thành một điện trường mới ngược chiều với điện trường vốn hình thành ở vùng nghèo, làm cho điện trường tổng cộng giảm xuống Điện trường vùng nghèo là rào cản với dòng khuyếch tán, thì sự giảm điện trường khi này làm tăng dòng khuyếch tán Như thế, điều kiện cân bằng mới (J n p drif/  J n p diff/  ) xuất hiện đồng thời với sự xuất hiện hiệu điện thế ở hai đầu bán dẫn p và n (Hình 1-10a) gọi là thế hở mạch V OC

Khi ta chiếu sáng tế bào quang điện, và nối tắt mạch ngoài, thì dòng điện ngắn mạch I SCthu được chính là dòng quang điện I L(Hình 1-10b)

Hình 1-10: Dòng hạt tải trong tế bào quang điện ở điều kiện a) Chiếu sáng hở mạch, b) Chiếu

sáng ngắn mạch[13]

Sự hấp thụ photon tạo ra hạt tải dư để tạo thành dòng quang điện có thể xảy ra ở các

vị trí khác nhau trong khối bán dẫn của tế bào quang điện như ở cực phát (emitter) là bán dẫn n thu được dòng J E( ) , ở vùng nghèo là dòng J SCR( ) , ở cực nền là J B( )

Thì dòng quang điện thu được là tổng hợp của các dòng này [10] (Hình 1-11) Với vật liệu có hệ số hấp thụ photon ứng với sóng bước sóng (xem Hình 1-4), và mật độ dòng năng lượng photon tới 2

CP x phụ thuộc vào vị trí và bước sóng [13] Do đó, mật độ dòng quang điện được xác định bởi

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

Xác suất thu hạt tải CP(x) phụ thuộc vào độ dài khuyếch tán L n&L p, và tốc độ tái hợp bề mặt (mặt trước và sau) n ( )( / )

Hình 1-12: Giá trị tính toán xác suất thu hạt tải phụ thuộc a) độ dài khuyếch tán b)tốc độ tái hợp bề mặt, L p là độ dài khuyếch tán hạt thiểu số, S là tốc độ tái hợp hạt tải tại bề mặt[13]

1.3.2 Đặc tuyến J-V

Hiệu suất chuyển hoán quang năng thành điện năng là thông số quan trọng của tế bào quang điện Thông số này nhận được khi ta có khảo sát đặc tuyến J-V của tế bào quang điện như Hình 1-13

Khi chưa chiếu sáng, tức I L 0, đặc tuyến J-V tương tự như diode tiếp xúc p-n Khi tăng dần V A, ban đầu J tăng chậm và có giá trị nhỏ gần giá trị J0 Khi chiếu sáng, dòng quang điện xuất hiện, tức I L 0, thì dòng điện qua tế bào quang điện khi đó là dòng tổng cộng của dòng diod (mục 1.2.5.2) và dòng quang điện (mục 1.3.1) :

a)

b)

Hình 1-13: Đặc tuyến J-V của tế bào quang điện lý tưởng

Do đó, các phát biểu của hai đại lượng này là như nhau Từ đặc tuyến này ta có các thông số quan trọng của tế bào quang điện là dòng ngắn mạch J SC, thế hở mạch V OC, công suất cực đại Pmax, hiệu suất , hệ số lấp đầy FF để đánh giá các đặc tính của tế bào quang điện

I I

có độ dài khuyếch tán hạt thiểu số lớn, nồng độ pha tạp lớn [10]

1.3.2.3 Công suất cực đại

Công suất tiêu tán ra tải mạch ngoài là :  / 

0 V A V T 1

PV I I V e  I V (1.19) Công suất cực đại tại dP dV/ A 0 Tương ứng tại điểm công suất cực đại là dòng

m

I và điện áp V m (xem Hình 1-13):

 /  0 /

L T A

I V dP

  là năng lượng của một photon được

chuyển thành điện năng tại điểm công suất cực đại [23] Để thuận tiện quan sát, ta có thể sử dụng bảng tính excel để tính, và đảo trục để có giá trị dòng điện dương và đặc tuyến J-V như Hình 1-13 có thể có dạng như Hình 1-14 (Số liệu chỉ mang tính minh họa), và qua đó là khớp hàm (fitting) để ước lượng dòng tối

Hình 1-14: Xác định công suất cực đại

Pm

Vm

Im

Chương 2 Vật lý lắng đọng hơi hóa học plasma tăng cường 2.1 Tổng quan về plasma

Plasma là một dạng thứ 4 của vật chất chứa các hạt trung hòa và tích điện bao gồm một vài hay tất cả các hạt sau : electron, ion dương, ion âm, nguyên tử, phân tử Xét trung bình, thì điện tích của khối plasma là trung hòa do nếu có điện tích nào đó không cân bằng thì dẫn đến sự hình thành điện trường mà điện trường này có xu hướng làm triệt tiêu sự không cân bằng Tổng điện tích dương và điện tích âm trong khối plasma

là cân bằng nhau

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

Hệ plasma trong phòng thí nghiệm được tạo bởi hai điện cực song song là phổ biến Hai điện cực được nối một với nguồn xoay chiều hoặc một chiều, một nối với đất Trong buồng phản ứng, ta chia thành hai phần, phần plasma là nơi tạo ra các hạt phản ứng, và vùng đệm (không có plasma) là vùng chuyển các hạt phản ứng từ vùng plasma đến nới cần phủ màng (như Hình 2-1) Trong vùng chứa plasma giá trị của điện trường bé thường là bằng 0, phía ngoài điện trường mạnh[19]

Phương pháp lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD) được sử dụng phổ biến cho việc tạo màng cách điện Silicon Nitride và Silicon dioxide Ưu điểm của PECVD là hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn so với hệ lắng đọng hơi hóa học thông thường (CVD) Chẳng hạn, để phủ màng Silicon nitride bằng hệ nhiệt CVD thì yêu cầu nhiệt độ 0 0

700 900 C, trong khi với hệ PECVD thì nhiệt độ đó chỉ vào khoảng 250-3000C [19] Do việc sử dụng sóng điện từ cho vào môi trường của hệ CVD, và sự thay thế việc kích thích các hạt phản ứng bằng nhiệt bởi kích thích bằng điện thông qua các điện tử Ngoài ra hệ PECVD còn được phát triển để phủ các loại màng polycrystal silicon, epitaxial Silicon, epitaxial gallium asenide …

2.2 Phóng điện phát quang không cân bằng

Phóng điện phát quang không cân bằng được định nghĩa là khí bị ion hóa từng phần chứa mật độ thể tích của các điện tích dương và điện tích âm bằng nhau của các hạt ( các ion và electron) và các mật độ khác nhau ở trạng thái cơ bản hay kích thích của các hạt trên Khí ion hóa từng phần này có thể tạo ra ở nhiệt độ cao, hay trong điện từ trường mạnh thông qua va chạm với điện tử Trong plasma nhiệt, các ion, electron và hạt trung hòa ở trạng thái cân bằng nhiệt cục bộ Trong plasma không cân bằng hay plasma lạnh thì các electron và ion có năng lượng cao hơn các hạt trung hòa

Hầu hết sự phóng điện phát quang sử dụng trong công nghiệp vi điện tử là khí chịu tác động của sóng điện từ và chúng là sự phóng điện phát quang không cân bằng ( hay plasma lạnh) Điện trường ban đầu gia tốc một số hạt electron tồn tại trong khối khí Mặc dù điện trường cũng tác động tới các ion, tuy nhiên chúng không bị ảnh hưởng như electron do khối lượng chúng lớn hơn nhiều Các electron bị gia tốc không mất năng lượng nhiều trong các va chạm đàn hồi với các hạt trong khí do sự chênh lệch khối lượng lớn Hơn nữa, các electron này cũng không mất nhiều năng lượng trong các

va chạm không đàn hồi (như kích thích, ion hóa), cho tới khi các electron này đạt tới năng lượng ngưỡng ( ví dụ 11,56eV để kích thích và 15,8eV để ion hóa khí Argon) Tuần tự, các electron này tăng dần năng lượng bởi tác động của điện trường

Khi năng lượng của các electron này đủ lớn sẽ ion hóa và kích thích các hạt khí, và tạo thêm các electron tự do Tương tự, các electron tạo thêm này cũng chịu gia tốc bởi điện trường Do đó, quá trình này xảy ra như thác lũ và nhanh đồng thời tạo trạng thái phóng điện phát quang bền Trong trạng thái bền này, sự phát quang liên tục bị mất các hạt điện tích (như electron, ion) tại điện cực và các bề mặt trong buồng, nhưng cũng có được sự tạo thêm các hạt điện tích từ sự ion hóa Ngoài ra, sự tạo thêm electron tự do bởi sự phát xạ thứ cấp từ điện tích dương bị bắn mạnh vào thành bình hay điện cực, hiện tượng này đóng vai trò chính trong sự duy trì phóng điện phát quang

Các va chạm không đàn hồi giữa electron năng lượng cao và các hạt khí làm tăng khả năng phản ứng của các hạt khí, như các hạt trung hòa ở trạng thái kích thích và các gốc tự do (radical) Ở đây, năng lượng electron đóng vai trò tạo phản ứng và hạt điện tích cũng như các gốc phản ứng mà không cần nâng nhiệt Các hạt sản phẩm phản ứng tồn tại trong plasma có rào thế thấp hơn đối với các quá trình lý hóa so với các hạt tạo

ra chúng dẫn đến phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn Hệ PECVD sử dụng các hạt sản phẩm phản ứng này để tạo màng lắng đọng ở nhiệt độ thấp hơn so với hệ nhiệt CVD Các hạt tích điện trong phóng điện phát quang cũng có sự ảnh hưởng tới tính chất của màng lắng đọng

Có nhiều trường hợp va chạm không đàn hồi giựa electron và các hạt khí trong phóng điện phát quang Chẳng hạn các quá trình đóng vai trò đa số trong hệ PECVD :

A e A e

Ion hóa : A e  A 2e

2.3 Cấu trúc buồng plasma sử dụng

Hình 2-2: Oxford instrument – Plasmalab80plus Thiết bị Plasmalab80Plus là thiết bị phủ màng dựa trên cơ chế lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD) được sử dụng để tạo màng SixNy-H và màng SixOy-N với các tiền chất N NH SiH N O2, 3, 4, 2 Trạng thái plasma được tạo nhờ vào tần

số sóng điện từ RF dưới 1MHz sẽ làm các ion trong plasma có thể chuyển động theo

sự thay đổi của tần số với quãng đường lớn hơn so với RF là 13,5MHz, sử dụng tần số 13,5 MHz này giúp tránh được sự bắn phá của các ion lên bề mặt màng Ngoài ra, màng SiNx tạo ra bằng phương pháp này có khả năng thụ động hóa bề mặt tốt, làm giảm tốc độ tái hợp bề mặt của các hạt tải điện, tránh được sự thất thoát hạt tải cho tế bào quang điện[16] Màng SiOx có thể được phủ ngay sau khi phủ màng SiNx mà không cần đưa mẫu ra ngoài nhờ vào việc tùy chỉnh trong phần mềm PC2000 để lựa chọn loại khí đưa vào buông phản ứng

2.4 Mô hình phản ứng của các chất sử dụng tạo màng

Cơ chế lắng đọng PECVD có thể coi gồm năm bước chính [14]:

Hình 2-3: Mô hình lắng đọng tạo màng Bước 1 : sự va chạm với các electron sơ cấp với các khí phản ứng để tạo thành các ion và gốc tự do Sự ion hóa do va chạm với electron và sự tạo thành các gốc tự do của khí silan và nitrous oxide có thể biểu diễn như sau :

Bảng 1 : Năng lượng liên kết trong lắng đọng SiOx Ny:H [14]

Liên kết Năng lượng liên kết (kJ/mol)

m

SiH so với gốc O, tức thiếu hụt gốc O để hình thành liên kết Si-O Do đó, các liên kết

Si-H và Si-N sẽ hình thành Tuy nhiên, khi giảm tỉ lệ này cũng có nghĩa là giảm đồng thời số lượng gốc O và N hay các gốc phản ứng có dạng SiH m sẽ làm có quá trình phủ PECVD thành màng giàu Silic SiO N x y:H

Bước 3 : Sự hấp thụ các hạt phản ứng lên bề mặt đế, do sự phản ứng với các nguyên

tử ở bề mặt đế hoặc cũng có thể phản ứng với các mãnh hấp thụ chúng Phản ứng hóa học này có thể tăng cường do hiện tượng bắn phá ion dương lên bề mặt với sự hỗ trợ của điện trường do điện thế gia tốc giữa vùng plasma và đất làm cho các nguyên tử bề mặt đế thêm linh động [18] Sự tồn tại đồng thời các liên kết Si-H, N-H, và Si-OH tạo khả năng loại trừ các chất như H2&H O2 Ở trường hợp này, các liên kết như Si-N, Si-

Si, Si-O-Si có thể hình thành ở bề mặt thông qua các phản ứng :

2 2 2 2

Chương 3 Tính toán quang học 3.1 Tổng quan về sóng ánh sáng

Mục đích của luận văn là tạo ra màng chống phản xạ ánh sáng tới bằng vật liệu silic nitrit (Silicon Nitride) và oxit silic (Silicon dioxide) được tạo từ hệ thống phủ hơi hóa học tăng cường plasma, Oxford Plasmalab80Plus ứng dụng cho pin mặt trời Cực tiểu phản xạ làm tăng khả năng hấp thụ photon ánh sáng để chuyển hóa thành dòng quang điện để có pin mặt trời hiệu suất cao hơn (mục 1.3.2.5) Do đó, việc nắm bản chất sóng hạt của ánh sáng và sự phản xạ, truyền qua của ánh sáng với các vật liệu sử dụng cần được quan tâm để chọn mô hình tính toán phù hợp với vật liệu sử dụng (ở đề tài này là màng chống phản xạ cho pin mặt trời dựa trên đế silic đơn tinh thể) Việc tính toán sự phản xạ (hoặc truyền qua) của ánh sáng để sử dụng cho màng chống phản xạ giúp ước lượng vùng cực tiểu phản xạ ứng với các thông số màng (bề dày, chiết suất) Như thế giảm bớt thời gian thực nghiệm khi ta ngắm vào khoảng khảo sát định trước ứng với cực tiểu phản xạ quan tâm, cũng như khi sử dụng với vật liệu điện môi tạo màng khác hay loại đế khác

3.1.1 Sóng điện từ tự do

Ánh sáng được biết đến với bản chất sóng qua các hiện tượng như giao thoa, nhiễu

xạ Một sóng đơn sắc truyền chiều dương của trục Ox với vận tốc v trong môi trường đồng chất không suy hao là sóng có tần số ( )

Hình 3-1: Mô tả toán học của sóng vô hướng dao động điều hòa tuần hoàn theo thời gian và

không gian (Code 1 và Code 2)

Mawxell chứng minh sóng ánh sáng lan truyền trong môi trường không có mật độ điện tích và phân bố mật độ dòng điện j là sóng ngang có bản chất là sóng điện từ với thành phần điện trường E và từ trường H dao động cùng pha và vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng n hợp thành tam diện thuận [4]

  , n chỉ phương Ox, , ,   lần lượt

là hằng số điện môi, độ từ thẩm, suất dẫn điện

Hình 3-3 : Hai cách mô tả toán học của sóng phẳng đều phù hợp với dạng thực của nó

Khái quát hóa sóng ánh sáng truyền trên phương n bất kỳ [4]

0 0

Sóng (3.4) cũng có thể biểu diễn ở dạng phức sau [3] :EE0 exp[ ( i k xt)] hai cách biểu diễn thì modul của chúng đều bằng E0  E Mexp(i0) E M Hệ số phản xạ ánh sáng tỉ lệ với bình phương biên độ sóng nên khi tính hệ số phản xạ R theo hai cách biểu diễn kết quả nhận được là như nhau

3.1.2 Hiện tượng phân cực

Sóng ánh sáng tự nhiên không có phương dao động của các thành phần điện trường cũng như từ trường theo qui luật xác định Tuy nhiên cũng tồn tại các sóng có phương dao động theo qui luật xác định sau khi đi qua hay phản xạ ở một số vật liệu Ta có các sóng phân cực Phân cực của sóng là đặc trưng cho phương dao động của vector cường

độ điện trường E Sóng ánh sáng là sóng ngang, nó có nhiều trường hợp phân cực khác nhau: phân cực thẳng, phân cực tròn, phân cực ellip (Hình 3-4) Giả sử với sóng truyền trên phương z, thì sóng này được coi là sự chồng chập của hai sóng có phương dao động x và y :

E z t E z t E z t  E i tkz  e  E i tkz  e

Tùy vào độ lệch pha yx hay  x y thì ta có sóng phân cực thẳng, tròn trái, tròn phải, ellip với giả sử và mô tả như Hình 3-4 Khi chúng đồng pha thì ta có sóng phân cực thẳng,E z t( , ) dao động trên một phương xác định

Hình 3-4: Sóng phân cực được coi là sự chồng chập của hai sóng phân cực có phương phân cực vuông góc với nhau E0x  E0y Tương ứng với các độ lệch pha giữa hai thành phần ta có

sóng phân cực khác nhau[9]

Sóng ánh sáng phân cực ellipse, phân cực tròn có đầu mút vector E từ một điểm bất

kỳ trên phương truyền sóng quay với tần số góc không đổi và vạch ra đường ellipse [3] Phân cực tròn hay ellipse ta có thể coi là sự chồng chập của hai sóng phân cực thẳng có phương phân cực vuông góc với nhau

3.1.3 Cường độ ánh sáng phân cực

Khái niệm về cường độ sáng có nhiều định nghĩa khác nhau theo các quan niệm về năng lượng hay quan trắc và sóng điện từ tuy nhiên tất cả đều mang ý nghĩa năng lượng Dòng năng lượng sóng điện từ được xác định bởi vector : 2

( / )

P E H W m [6] gọi là vector Poynting hay mật độ dòng năng lượng [4] Năng lượng truyền theo hướng của vector này, vuông góc với E và H Cường độ sáng I là năng lượng chiếu tới bề mặt vuông góc với vector Poynting và có giá trị bằng trung bình theo thời gian của vector Poynting Với biểu diễn phức của trường điện từ thì vector Poynting có dạng :

 Năng lượng photon khi biểu diễn ở đơn

vị eV thường được xác định theo công thức[9] :

gồm cả tán xạ và hấp thụ, sự thay đổi cục bộ trong khí quyển như mây, hơi nước, không khí ô nhiễm và yếu tố tọa độ xem xét tới Ta có các phổ mật độ năng lượng ánh sáng mặt trời khác như như Hình 3-5

Hình 3-5: Phổ mật độ năng lượng bức xạ từ mặt trời [7]

Căn cứ vào cường độ năng lượng bức xạ mặt trời chiếu tới trong một đơn vị thời gian và đơn vị diện tích tương ứng với các bước sóng khác nhau làm đầu vào cho việc tối ưu hóa bề dày cho màng chống phản xạ đơn lớp và hai lớp sử dụng vật liệu Silicon Nitride và Silicon Dioxide Ta không sử dụng hoàn toàn hết dữ liệu của phổ, do vật liệu ta sử dụng làm pin mặt trời là Silic đơn tinh thể có độ rộng vùng cấm là 1,1242

g

E  eV tương ứng với bước sóng lớn nhất có thể hấp thụ là

3 1.24

Để chọn bề dày màng ta cần xem xét tới sự phản xạ hoặc truyền qua của các bước sóng tương với các lớp và sự đáp ứng của lớp tiếp giáp p-n của pin tương ứng với các bước sóng đó Mặt trời là một nguồn sáng ở xa nên ta sử dụng mô hình sóng phẳng là chùm tia song song có mặt sóng (mặt đồng pha) vuông góc với phương truyền sóng cho ánh sáng tới tương tác với màng [3]

3.2 Xây dựng ma trận truyền cho hệ quang học

3.2.1 Hệ số phản xạ và truyền qua

Các hệ số phản ánh sự khác biệt giữa cường độ sáng tới và thoát ra khi màng được chiếu sáng là quan trọng để ta xác định tính chất màng Tính chất quang của bề mặt và mặt tiếp giáp giữa các môi trường là rất quan trọng đối với toàn bộ tính chất quang của vật vì tia sáng trước tiên đập vào bề mặt vật, sau đó tương tác với vật liệu chứa bên trong khối thể tích vật

Hình 3-6 : Sóng tương tác với bề mặt [17]

Sau khi tương tác với vật, sóng ánh sáng có thể thoát ra khỏi vật theo nhiều hướng khác nhau Ta có thể coi tia sáng thoát ra theo các kiểu : truyền qua mẫu, phản xạ gương, tán xạ phân tán ở bề mặt hay bên trong khối thể tích vật, hấp thụ ở bề mặt hoặc trong khối thể tích vật

Hệ số truyền qua : T I T I E là tỉ lệ giữa cường độ tia sáng truyền qua trên cường

độ tia sáng chiếu tới Hệ số phản xạ: RI R I E là tỉ lệ giữa cường độ tia sáng phản xa trên cường độ tia sáng chiếu tới Nếu môi trường không hấp thụ hay làm tán xạ phân tán thì tổng hệ số truyền qua và phản xạ là bằng 1 theo định luật bảo toàn năng lượng Nhưng trong thực tế, một phần của tia tới khi qua vật vẫn chịu tán xạ tiêu tán, ta gọi hệ

số tán xạ này là SI S I E là tỉ lệ cường độ phần tia sáng tham gia tán xạ tiêu tán trên cường độ tia tới Ngoài ra, với sự hấp thụ ta có hệ số AI A I E Như vậy, khi xét tới tán xạ tiêu tán và hấp thụ thì ta có :

1

T   R A S

Thất thoát quang học là L    S A 1 T R Các hệ số T,R,A,S này đặc trưng cho tính chất quang của vật do chất liệu của vật cũng như dạng hình học của vật Các hệ số này có giá trị tương ứng với từng bước sóng Các giá trị T, R có thể đo đạc thông qua

máy phổ kế UV/Vis/ NIR, với hệ số thất thoát quang học thì cần mô hình toán học cho cấu trúc của vật Trong mô hình tính toán cho màng, ta coi L bằng không

3.2.2 Công thức Fresnel

Ta tiến hành khảo sát sự lan truyền của sóng phẳng qua các màng có mặt tiếp giáp song song với nhau Việc tính toán độ truyền qua và phản xạ của màng mỏng là việc tiêu chuẩn khi xét tới phổ màng mỏng Sóng điện từ đầu tiên là tương tác với bề mặt của màng, do đó, bước đầu tiên cần tìm hiểu là tìm hiểu hiện tượng xảy ra với sóng điện từ tại bề mặt và mặt tiếp giáp Sóng tới đập vào bề mặt mặt tiếp giáp với góc như hình mô tả Ta giả sử mặt tiếp giáp là tuyệt đối phẳng Môi trường ở hai phía mặt tiếp giáp là đồng nhất, đẳng hướng và không từ tính Chiết suất môi trường thứ nhất là 1

n ( thực hoặc phức ), môi trường thứ hai là n2( thực hoặc phức )

Hình 3-7: Sóng ánh sáng tương tác với mặt tiếp giáp Với mô tả Hình 3-7, ta có sóng truyền qua ở môi trường thứ hai, và hai sóng ở môi trường thứ nhất là sóng tới và sóng phản xạ, ký hiệu (e), (r), (t) cho sóng tới, phản xạ

và truyền qua Góc khúc xạ  là góc giữa phương pháp tuyến với mặt tiếp giáp và tia truyền qua Góc khúc xạ và góc tới có quan hệ với nhau thông qua định luật Snell, trong thuyết điện từ trường nó là hệ quả trực tiếp của yêu cầu thành phần nằm ngang của vector sóng k phía trên và dưới mặt tiếp giáp là bằng nhau Định luật Snell có thể viết dưới dạng phức[17] :

có phương vuông góc với mặt phẳng sóng tới ( sóng s hay sóng TE) như Hình 3-7

Ta sẽ xem xét các sóng phẳng này riêng biệt tương ứng với vector đơn vị trùng phương dao động là e s&e Khi đó các sóng tới, phản xạ và truyền qua được biểu p

diễn thông qua chúng là :

Các hệ số này chính là hệ số biên độ Fresnel, được xác định bởi chiết suất, góc tới

và góc khúc xạ ở hai bên mặt tiếp giáp môi trường là :

3.2.3 Tương tác của sóng phẳng với môi trường

Việc chọn biểu diễn sóng như (3.5) với sử dụng chiết suất dạng phức có thể mô tả thuận lợi cho cả môi trường có suy hao cường độ sáng như đế Silic và môi trường không suy hao là màng SiNx và SiOx mà ta sử dụng Tác dụng đó thể hiện ở vector sóng k, khi ánh sáng đi vào các môi trường có chiết suất khác một thì bước sóng cũng như vận tốc pha của chúng thay đổi Vector sóng k trong môi trường chiết suất n sai

1 Chiết suất phức trong vật lý chất rắn định nghĩan n iKthay vì n n iK

khác với khi sóng trong chân không k0 là : 0

ở mục 3.2.2 ta sẽ tìm được sóng phản xạ lại qua hệ màng và đế Silic

Hình 3-8: Khi phần ảo của chiết suất khác không, sóng tắt dần khi đi vào môi trường có sự

hấp thụ

Sự suy biến cường độ sáng đối với sóng lan truyền trong môi trường có suy hao được biết tới qua định luật Lambert : định luật hấp thụ phụ thuộc tần số với hệ số hấp thụ là

ω

α(ω) = 2 κ(ω)

Với  là tần số góc của ánh sáng