ĐỀ TÀI THUYẾT TRÌNH CÁC LOẠI SOLAR CELLS, KHOA VẬT LÝ, TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

CÁC LOẠI SOLAR CELLS, KHOA VẬT LÝ, TRƯỜNG ĐẠI HỌC ,KHOA HỌC TỰ NHIÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA VẬT LÝ

BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG



ĐỀ TÀI THUYẾT TRÌNH CÁC LOẠI SOLAR CELLS

GVHD: TS Lê Trấn HVTH : Nguyễn Thị Hoài Phương Lớp : Cao học quang học – K21

TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2011

MỤC LỤC

I GIỚI THIỆU VÀ PHÂN LOẠI

II PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ THỨ I VÀ II

A Đơn tinh thể

B Màng mỏng

III PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ THỨ III

IV PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ THỨ IV

I GIỚI THIỆU VÀ PHÂN LOẠI

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối Thiết bị chỉ có hiệu suất 1%, Russell Ohl xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên năm 1946 Sven Ason Berglund đã có phương pháp liên quan đến việc tăng khả năng cảm nhận ánh sáng của pin

Nói đến pin mặt trời ai cũng nghĩ đến các tấm pin làm bằng bán dẫn silic, đã bắt đầu có từ những năm 1960 được dùng ở nhiều lĩnh vực, khá tiện lợi nhưng giá rất đắt Tuy đã có nhiều cải tiến nhằm tăng hiệu suất, hạ giá thành nhưng xu hướng dùng pin mặt trời silic để sản xuất

ra điện năng còn là quá tốn kém, không cạnh tranh được với các cách sản xuất điện năng phổ biến hiện nay

Từ năm 1991 đã xuất hiện một loại pin Mặt trời kiểu mới gọi là Pin Mặt trời chất màu nhạy

quang Qua hơn 15 năm phát triển, loại pin Mặt trời này đã chứng tỏ rằng, có thể dùng để sản

xuất ra điện cạnh tranh với điện bằng than, dầu mỏ…

Phân loại:

Sản lượng

Các thế hệ pin mặt trời

 Thế hệ thứ I:

- Silic đơn tinh thể ( c-Si)

 Thế hệ thứ II:

- Silic vô định hình (a-Si)

- Silic đa tinh thể ( poly- Si)

- Cadmium telluride ( CdTe)

 Thế hệ thứ III:

-Pin tinh thể nano (nanocrystal solar cell) -Photoelectronchemical (PEC) cell -Pin hữu cơ ( polymer solar cell) -Dye sensitized solar cell ( DSSC)

 Thế hệ thứ IV:

- Hydrid – inorganic crystals within a polymer matrix

II PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ THỨ I VÀ II

A ĐƠN TINH THỂ

1 Cấu tạo:

Vật liệu xuất phát để làm pin Mặt

trời silic phải là bán dẫn silic tinh khiết

Ở dạng tinh khiết số hạt tải (hạt mang

điện) là electron và số hạt tải là lỗ trống

như nhau Để làm pin Mặt trời từ bán

dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n

và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau

cho nó có được tiếp xúc p - n

Vật liệu xuất phát để làm pin Mặt trời

silic phải là bán dẫn silic tinh khiết Silic

đòi hỏi độ tinh khiết cao, điều này được

thực hiện bằng 2 cách:

 Nuôi cấy nhờ nấu chảy: một mẩu

nhỏ của vật liệu đơn tinh thể,

được gọi là mầm, được đưa vào tiếp xúc với bề mặt của cùng vật liệu trong pha lỏng và sau đó được kéo lên từ từ khỏi vật liệu nóng chảy Khi mầm được kéo chậm, sự đông đặc xuất hiện dọc theo giao diện rắn- lỏng

 Nuôi ghép: là quá trình ở đó một lớp mỏng đơn tinh thể được nuôi trên một nền đơn tinh thể Có hai loại nuôi ghép: đồng ghép và ghép khác loại

Để làm pin Mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p - n

Thực tế thì xuất phát từ một phiến bán dẫn tinh khiết tức là chỉ có các nguyên tử Si để có tiếp xúc p - n, người ta phải pha thêm vào một ít nguyên tử khác loại, gọi là pha tạp Qúa trình pha tạp để tạo thành bán dẫn loại n và loại p: pha tạp nguồn rắn/ khí và pha tạp ion:

 Sự khuếch tán tạp chất xuất hiện khi tinh thể bán dẫn được đặt trong môi trường khí nhiệt độ cao (1000 oC) chứa nguyên tử tạp chất mong muốn Sự khuếch tán tạp chất là quá trình mà nhờ đó các hạt tạp chất chuyển động từ vùng có nồng độ cao cạnh bề mặt tới vùng có nhiệt độ thấp hơn trong tinh thể Khi nhiệt độ giảm, các nguyên tử tạp chất bị

cố định lại vĩnh viễn thành các điểm mạng thay thế

 Nuôi cấy ion xảy ra tại nhiệt độ thấp hơn khuếch tán Một chùm chuẩn trực các ion khuếch tán được gia tốc có động năng trong dảy 50 eV hoặc lớn hơn và được gia tốc về phía tinh thể Những ion pha tạp năng lượng cao đi vào tinh thể và dừng lại ở một độ sâu trung bình tính từ bề mặt Một ưu điểm của cấy ion là có thể điều khiển được những nguyên tử ion đi vào một vùng đặc biệt của tinh thể Một nhược điểm của kĩ thuật này là những nguyên tử tạp chất tới va chạm với những nguyên tử tinh thể làm hỏng sự thay đổi vị trí mạng

Trong thực tế chế tạo, người ta lấy một mẫu bán dẫn tinh khiết pha tạp chất loại p với mật

độ tạp acceptor bằng Na (tạp chất loại p là chất của một nguyên tố thuộc nhóm III, ví dụ Al), sau

đó khuếch tán vào mẫu bán dẫn này tạp chất loại n với mật độ tạp donnor bằng Nd (tạp chất loại n là chất của một nguyên tố thuộc nhóm V, ví dụ P) với mật độ tạp Nd > Na từ một phía bề mặt mẫu Như vậy trên bề mặt mẫu này với độ sâu phụ thuộc vào quá trình khuếch tán ta có một lớp bán dẫn loại n Phía còn lại là lớp bán dẫn loại p Giữa hai lớp bán dẫn loại n và loại p hình thành một lớp chuyển tiếp p-n

Mật độ hạt dẫn trong một chất bán dẫn bất kì được xác định từ định luật khối lượng hiệu dụng: n.pn = p.np = ni2 với n: mật độ electron ở lớp n; np: mật độ electron ở lớp p; p: mật độ lỗ trống ở lớp p; pn: mật độ lỗ trống ở lớp n

Khi cho hai khối bán dẫn n và p tiếp xúc nhau, do có sự khác nhau về mật độ hạt dẫn nên

sẽ có sự khuếch tán của electron từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và sự khuếch tán của lỗ trống từ bán dẫn loại p sang loại n Trong quá trình khuếch tán này chúng sẽ tái hợp với các hạt

cơ bản tại miền chúng vừa tới Kết quả là trong bán dẫn loại n, tại vùng gần mặt tiếp xúc sẽ hình thành một miền điện tích dương, trong bán dẫn loại p, tại vùng gần mặt tiếp xúc cũng xuất hiện một miền điện tích âm Nếu mật độ tạp chất Nd = Na trong hai bán dẫn thì hai miền điện tích này có độ dày bằng nhau và chúng tạo thành một lớp chuyển tiếp với điện trở rất lớn Khi trạng thái cân bằng được thiết lập, ở lớp tiếp xúc hình thành một hiệu điện thế tiếp xúc UK (đối với Si vào cỡ 0,6V đến 0,7V Đây là hiệu thế sinh ra ở chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được) và tương ứng nó là một hàng rào thế Vbi Hàng rào thế Vbi cản sự khuếch tán của electron từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và sự khuếch tán của lỗ trống từ bán dẫn loại sang bán dẫn loại n Dưới tác dụng của điện trường lớp chuyển tiếp, các mức năng lượng của bán dẫn n tụt xuống, các mức năng lượng của bán dẫn p dịch lên phía trên Qúa trình dịch chuyển các mức năng lượng sẽ ngừng khi các mức Fecmi của hai bán dẫn trùng nhau Độ lớn của thế rào:

Vbi =  2 2

2 s N d p n N a n p

e





s: hằng số điện môi của chất bán dẫn

p n

Ep

eFp

Ev

Biểu đồ vùng năng lượng của tiếp xúc p-n trong cân bằng nhiệt

2 Nguyên lí hoạt động: Nếu

đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp

tiếp xúc p - n phơi cho ánh sáng

mặt trời chiếu vào thì photon của

ánh sáng mặt trời có thể kích

thích làm cho điện tử đang liên

kết với nguyên tử bị bật ra khỏi

nguyên tử, đồng thời ở nguyên

tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu

electron, người ta gọi là photon

đến tạo ra cặp electron - lỗ

trống Nếu cặp electron - lỗ trống

này sinh ra ở gần chỗ có tiếp p - n thì hiệu thế tiếp xúc sẽ đẩy electron về một bên (bên bán dẫn n) đẩy lỗ trống về một bên (bên bán dẫn p) Nhưng cơ bản là electron đã nhảy từ miền hoá trị (dùng để liên kết) lên miền dẫn ở mức cao hơn, có thể chuyển động tự do Càng có nhiều photon chiếu đến càng có nhiều cơ hội để electron nhảy lên miền dẫn

Đối với silic, để đưa electron từ miền hoá trị lên miền dẫn phải tốn năng lượng cỡ 1,1 eV Vậy năng lượng của photon đến phải bằng hoặc cao hơn 1,1eV một chút là đủ để kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ đó tham gia tạo thành dòng điện của pin Mặt trời

Photon ứng với năng lượng 1,1 eV có bước sóng cỡ 1 m tức là hồng ngoại Vậy photon có các bước sóng lục, lam, tử ngoai là có năng lượng lớn hơn năng lượng để kích thích điện tử của Si nhảy lên miền dẫn

Nếu ở bên ngoài ta dùng một dây dẫn nối bán dẫn loại n với bán dẫn loại p (qua một phụ tải như lèn LED chẳng hạn) thì electron từ miền dẫn của bán dẫn loại n sẽ qua mạch ngoài chuyển đến bán dẫn loại p lấp vào các lỗ trống Đó là dòng điện pin Mặt trời silic sinh ra khi được chiếu sáng Hiệu suất pin khoảng 28%

3 Sự hấp thụ photon: Khi chất bán dẫn được chiếu bằng ánh sáng, photon sáng có thể bị hấp

thụ hoặc truyền qua chất bán dẫn, phụ thuộc năng lượng photon và phụ thuộc năng lượng vùng cấm Eg Nếu năng lượng photon E bé hơn Eg, photon không dễ dàng bị hấp thụ Trong trường hợp này, ánh sáng được truyền qua vật liệu và chất bán dẫn xuất hiện là trong suốt Nếu E>

Eg, photon có thể tương tác với một điện tử hóa trị và nâng điện tử vào vùng dẫn Vùng hóa trị chứa nhiều điện tử và vùng dẫn chứa nhiều trạng thái trống Tương tác này tạo nên một điện tử trong vùng dẫn và một lỗ trống trong vùng hóa trị

Cường độ dòng photon tại vị trí x:

a: hệ số hấp thụ

Khảo sát silic có a = 1000 cm-1, độ dày của chất bán sẫn sẽ hấp thụ 90% năng lượng photon tới, trong trường hợp bước sóng tới là 1 mm là 0,023 cm; trường hợp bước sóng tới 0,5 mm là 2,3 mm

eFn

eVbi

x v

0

)

Hạn chế : vật liệu xuất phát là silic tinh khiết nên rất đắt

B MÀNG MỎNG

1 Cấu tạo:

 PMT MIS (metal – isnulator – semiconductor)

Cấu trúc pin gồm một lớp kim loại phủ lên trên đế Si (loại n hoặc p), giữa chúng là một lớp cách điện (insulator, thường là SiO2) và mặt trên cùng là điện cực trước Pin loại này đơn giản

nhưng có hiệu suất không cao

PMT MIS.

 Nguyên lý hoạt động và các quá trình vật lý chính của PMT

PMT p-n dùng đế Silic đơn tinh thể là PMT có cấu trúc cơ bản nhất mà từ đó ta có thể dễ dàng hiểu được nguyên lý hoạt động của các loại PMT khác

Cấu trúc PMT p-n, chấm đen là điện tử e - ; chấm trắng là lỗ trống h +

PMT loại này có cấu trúc đơn giản dựa trên một chuyển tiếp p-n (tương tự như diod), hai điện cực kim loại, trong đó điện cực trước được chế tạo dạng lưới kết hợp với một lớp điện cực trong suốt để ánh sáng có thể truyền qua và cuối cùng là lớp chống phản xạ nhằm mục đích nâng cao khả năng hấp thụ ánh sáng cho pin Vấn đề quan trọng là các lớp bán dẫn này phải

có bề dày thích hợp sao cho có thể hấp thụ càng nhiều các photon ánh sáng tới nhưng vẫn đủ mỏng để các hạt tải điện có thể di chuyển về hai điện cực mà không bị mất mát hết bên trong chất bán dẫn do tái hợp Lớp chống phản xạ và các điện cực cũng đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình hấp thụ và chuyển hóa năng lượng trong pin

Sự chuyển hóa năng lượng quang điện trong PMT gồm hai bước cơ bản

- Đầu tiên chất bán dẫn hấp thụ những photon với năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng vùng cấm Eg làm sinh ra những cặp electron và lỗ trống khi pin được phơi sáng Đây là quá trình chuyển hóa quang năng thành hóa năng

- Sau đó những cặp electron và lỗ trống này được phân ly và chuyển ra mạch ngoài Đây là quá trình chuyển hóa hóa năng thành điện năng

 Điện cực kim loại

Điện cực kim loại trong PMT thực ra là một tiếp xúc kim – loại bán dẫn, nó được chia làm hai loại: tiếp xúc Ohmic và tiếp xúc Schottky Tiếp xúc Ohmic cho phép trao đổi hạt tải đa số giữa bán dẫn và kim loại một cách dễ dàng trong khi tiếp xúc Schottky thì ngăn cản sự trao đổi hạt tải đa số giữa bán dẫn và kim loại Vì thế trong PMT người ta mong muốn các tiếp xúc kim – loại bán dẫn là tiếp xúc Ohmic

Sự tiếp xúc kim loại và bán dẫn loại n: cho kim loại có công thoát AM tiếp xúc với bán dẫn loại n có công thoát AS

 Nếu A M > A S thì các electron sẽ khuếch tán từ bán dẫn sang kim loại nhiều hơn sự khuếch tán của electron từ kim loại sang bán dẫn Khi cân bằng, mức Fecmi EFM của kim loại cân bằng với mức Fecmi EFS của bán dẫn, bán dẫn tích điện dương, kim loại tích điện âm tại hai phía của mặt tiếp xúc, hình thành tại miền tiếp xúc một điện trường hướng từ bán dẫn sang kim loại và tương ứng với một hiệu điện thế tiếp xúc UK, do đó thế năng của electron trong bán dẫn hạ thấp Điện trường trường tiếp xúc không thể làm thay đổi hoàn toàn phổ năng lượng của bán dẫn nhưng dưới tác dụng của điện trường EK của lớp tiếp xúc làm cho tất cả các mức năng lượng trong bán dẫn bị uốn cong Mật độ electron tại lớp tiếp xúc về phía bán dẫn giảm Các electron chuyển từ bán dẫn sang kim loại sẽ hình thành lớp nguyên tử bán dẫn nghèo electron và hình thành một lớp điện tích thể tích dương có độ dày bằng d Trong d hầu như không còn electron tự do và vì độ dày d lớn hơn quãng đường tự do của electron rất nhiều,

do đó miền d có điện trở rất lớn Vì vậy miền d gọi là lớp chặn hay lớp khóa Lớp điện tích thể tích trong kim loại mỏng hơn bề dày của lớp điện tích thể tích trong bán dẫn rất nhiều, do đó có

sự uốn cong các mức năng lượng nằm trong miền có độ dày d trong lớp khóa

Electron từ bán dẫn, dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc, electron có xu hướng bị đẩy ra xa mặt tiếp xúc Muốn thắng được lực điện trường tiếp xúc, electron cần nhận một công, công đó chuyển thành thế năng của electron Vì vậy càng dịch chuyển sâu vào vùng điện tích không gian (càng gần mặt tiếp xúc) thì thế năng (x) của electron càng tăng và tại mặt tiếp giáp thế năng của electron đạt tới giá trị cực đại (x)max = (0)=-e.UK Gía trị thế năng cực đại gọi là hàng rào thế cân bằng đối với các electron đi từ bán dẫn sang kim loại

Độ dày lớp khóa

n e

U

20

 với n: mật độ electron (hạt dẫn cơ bản) trong bán dẫn loại n

 Nếu A S > A M Khi đó electron từ kim loại khuếch tán sang bán dẫn và tạo thành tại lớp tiếp xúc một lớp điện tích âm của bán dẫn, kim loại tích điện dương Trường tiếp xúc hướng từ kim loại sang bán dẫn Thế năng (x) của electron giảm dần khi đi từ bán dẫn về mặt tiếp xúc, ngược lại so với trường hợp AM> AS

Mật độ electron trong lớp tiếp xúc của bán dẫn tăng, do đó độ dẫn điện của bán dẫn loại n tăng Kết quả là dòng điện đi qua lớp tiếp xúc kim loại-bán dẫn theo cả hai chiều thuận và ngược như nhau, như đi qua điện trở có độ dẫn tăng so với bán dẫn Tiếp giáp này được gọi là tiếp giáp mở hay tiếp giáp Ohmic, tiếp giáp tuyến tính, được ứng dụng làm đầu nối giữa các linh kiện bán dẫn với mạch ngoài Các kim loại thường dùng ở đây là chì, thiếc hoặc hợp kim của chúng và là vàng hoặc nhôm trong vi điện tử

Sự tiếp xúc kim loại-bán dẫn loại p: xét tương tự như trên với hai trường hợp:

 Khi A M < A S: kim loại tích điện dương vì electron khuếch tán từ kim loại sang bán dẫn nhiều hơn từ bán dẫn sang kim loại, bán dẫn tích điện âm Điện trường của lớp tiếp xúc hướng

từ kim loại sang bán dẫn và do đó thế năng của electron trong bán dẫn tăng lên Trên lớp tiếp xúc phía bán dẫn hình thành lớp nghèo hạt dẫn cơ bản là lỗ trống, điện trở rất lớn Do đó tiếp xúc trong trường hợp này là tiếp xúc chặn hay tiếp xúc khóa

 Khi A M > A S : kim loại tích điện âm, bán dẫn tích điện dương Điện trường tiếp xúc

hướng từ bán dẫn sang kim loại Thế năng của electron trong bán dẫn giảm dần Tại lớp tiếp xúc phía bán dẫn hình thành lớp giàu hạt dẫn cơ bản là lỗ trống Lớp tiếp xúc trong trường hợp này là lớp tiếp xúc Ohmic

3 Khuy ế t đ i ể m c ủ a pin m ặ t tr ờ i th ế h ệ II : là có hiệu suất chuyển hóa năng lượng ánh sáng

thành điện năng thấp hơn, tuổi thọ cũng thấp hơn so với pin thế hệ I trong khi đó mức độ độc hại của các hóa chất sử dụng trong quá trình chế tạo cao hơn

III PIN MẶT TRỜI THẾ HỆ THỨ III

A Pin mặt trời từ polyme

1 Cấu tạo:

Hình: Cấu tạo của pin mặt trời BHJ (bulk heterojunction)

Một trong những pin mặt trời hữu cơ là pin mặt trời polymer - fullerene (ví dụ C60) Các polymer này mang nối liên hợp (- C = C - C = C -) như polyacetylene (PA), polypyrrole (PPy), polyaniline (PAn), polythiophene (PT), poly (phenylene vinylene) (PPV) v.v và các polymer dẫn xuất Trong các polyme này, liên kết giữa các nguyên tử cacbon tạo thành khung cacbon

có các liên kết đôi – đơn xen kẽ, hình thành các liên kết π chạy dọc theo khung cacbon (hình 1) Các điện tử π không định chỗ đó lấp đầy toàn dải nên các polyme liên hợp là các bán dẫn Dải π bị lấp đầy được gọi là obital phân tử bị chiếm cao nhất (HOMO), và dải π* trống được gọi

là obital phân tử không bị chiếm thấp nhất (LUMO) Hệ thống liên kết π này khi bị kích thích thì một điện tử nhảy từ HOMO lên mức LUMO