MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT của PIN mặt TRỜI sử DỤNG dây NANO (NANOWIRE SOLAR CELL) BẰNG PHẦN mềm ATLAS (có code)

Khi có năng lượng từ ánh sáng mặt trời thì các chất bán dẫn có thể sinh ra dòng điện để chúng ta có thể sử dụng thông qua sự biến đổi pha tạp của chất bán dẫn với một số chất, từ đó dùng

MÔ PHỎNG HIỆU SUẤT CỦA PIN MẶT

TRỜI SỬ DỤNG DÂY NANO

(NANOWIRE SOLAR CELL) BẰNG

PHẦN MỀM ATLAS

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời được biết đến là nguồn năng lượng đến từ mặt trời Hằng ngàymặt trời luôn tỏa ra một nguồn năng lượng khổng lồ thật là một điều tốt khi chúng

ra biết khai thắc nguồn năng lượng khổng lồ đó trong nhiều năm Trong những nămtrở lại gần đây thì tại Việt Nam đã bắt đầu khai thác nguồn năng lượng mặt trời từcác công nghệ của nước ngoài trong quá trình hội nhập và phát triển của công nghệmột cách mạnh mẽ trong thế kỷ thứ hai mươi mốt

Năng lượng mặt trời được biết đến là từ mặt trời phát ra Mặt trời giống như nhữngngôi sao khác trong vũ trụ là một ngôi sao được sinh ra từ hydro và helium Trongmặt trời được gọi là lõi mặt trời trong đây hình thành phản ứng hạt nhân Trong sựphản ứng hạt nhân tại lõi mặt trời thì áp suất cũng như là nhiệt độ mặt trời khiến chocác phân tử hydro tách rời và kết hợp với hạt nhân tạo nên quá trình nhiệt hạch phát

ra một nguồn năng lượng khổng lồ chính là năng lượng mặt trời Năng lượng mặttrời là nguồn năng lượng sạch từ tự nhiên được lấy từ mặt trời

Năng lượng mặt trời được phát triển và khai thác mạnh ở các nước Châu Phi vàChâu Á Theo như Hiệp hội năng lượng sạch Việt Nam, nước ta là một trong nhữngquốc gia có ánh sáng mặt trời nhiều nhất trong biểu đồ bức xạ, với các tỉnh TâyNguyên và Nam Trung Bộ số giờ năng lên tới hàng ngàn giờ Bức xạ mặt trời trungbình 150 kcal/cm2

Vào những năm thế kỉ gần đây các nhà khoa học nghiên cứu cách sử dụng nănglượng mặt trời Đây là một bước phát triển vượt bậc của khoa học kĩ thuật nhằm choviệc khai thác năng lượng mặt trời một cách hiệu quả hơn Có những lúc thiếu hụtnguồn năng lượng từ khoáng sản thì việc khai thác các nguồn năng lượng từ tựnhiên là một cách hữu hiệu Ánh sáng của mặt trời rất quen thuộc trong người dân.Nhờ có tấm pin năng lượng mặt trời mà nguồn năng lượng tự nhiên ấy được chuyểnhóa thành điện năng để phục vụ cho đời sống con người Nguồn điện được sử dụngtrong đời sống dân sinh và cũng như giảm gánh nặng cho mạng lưới điện quốc giacũng như người dân có thể bán điện này cho nhà nước.

Giá cả của tấm pin mặt trời khá rẻ Vì chi phí lắp đặt pin mặt trời trong các họ giađình, nhà xưởng với giá rất hợp lý Với vốn đầu tư hợp lý cùng với chi phí sửa chữakhông, với tuổi thọ của pin mặt trời lên tới 25 năm Pin năng lượng mặt trời giúpcho khách hàng tiết kiệm hàng tháng rất nhiều so với dùng hệ thống điện lưới.Một điểm chính mà pin mặt trời được biết đến một cách phổ biến trong mỗi người

là pin mặt trời tạo ra nguồn năng lượng thân thiện với môi trường

Hình 1-1: Nhà máy phát điện mặt trời ở Nellis ở Hoa Kỳ [1]

1.2 Bố cục của đồ án tốt nghiệp được chia thành bốn chương

 Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời

 Chương 2: Pin năng lượng mặt trời và nanowire trong năng lượng mặt trời

 Chương 3: Tổng quan về phần mềm ATLAS

 Chương 4: Mô phỏng và đánh quá kết quả

 Chương 5: Kết luận và phát triển đề tài

Hình 1-2: Nhân viên lắp đặt năng lượng mặt trời khai thác tại nhà dân [2]

CHƯƠNG 2 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NANOWIRE

1.3 Pin mặt trời truyền thống Silic

1.1.1 Các loại pin năng lượng mặt trời

 Pin mặt trời dạng monocrystalline

- Là pin mặt trời được làm chủ yếu bằng các chất bán dẫn Silic tronghình dạng ống dẫn tinh khiết cùng với đó được cắt thành nhiều miếngmỏng Những tấm pin mặt trời này sử dụng vật liệu là Silic đơn tinhthể

- Cũng vì được hình thành từ Silic đơn tinh thể thì sẽ có rất nhiểukhoảng trống cho các điện tử chạy qua từ điều đó giúp cho hiệu quảsuất của loại pin này rất lớn

- Chi phí đắt vì quá trình chế tạo Silic đơn tinh thể khó khăn

 Pin mặt trời polycrystalline

- Khác với pin mặt trời monocrystalline thì pin mặt trời này được làmtan chảy Silic vào nhau để làm một tấm pin mỏng Nhưng các Silicnày được là các Silic đa tinh thể hoặc ở nhiều tinh thể

- Cũng vì được cấu tạo từ Silic đa tính thể thì không có nhiều khoảngtrống làm cho điện tử chạy qua một cách khó khăn hơn

- Chi phí thấp vì quá trình chế tạo Silic đơn tinh thể khó khăn

1.1.2 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời bao gồm có rất nhiều tế phần tử bán dẫn quang để hấp thụquang năng chuyển hóa thành điện năng Các bán dẫn quang này có tác dụng làchuyển ánh sáng thành điện năng Quá trình chuyển đổi năng lượng như vậy đượcgọi là hiệu ứng quang điện

1.4 Vật liệu pin mặt trời

1.1.3 Pin mặt trời dựa trên sự phát triển chất bán dẫn trên nền Silic

Silicon là một chất bán dẫn được dùng nhiều trong việc chế tạo các linh kiện điện

tử Được biết đến là chất trung gian trong việc truyền dẫn điện năng tùy thuộc vàonhiệt độ Nhưng để tăng mức độ dẫn điện của chất bán dẫn của Silicon người ta phatạp chất bán dẫn Silicon với một số chất khác để tăng tính dẫn điện của chất bándẫn

Khi có năng lượng từ ánh sáng mặt trời thì các chất bán dẫn có thể sinh ra dòng điện

để chúng ta có thể sử dụng thông qua sự biến đổi pha tạp của chất bán dẫn với một

số chất, từ đó dùng chất bán dẫn thành những tấm pin năng lượng mặt trời

Hình 2-3: Cấu tạo của pin năng lượng mặt trời [3]

Vì là loại chất bán dẫn loại N nên mức năng lượng Fermi nằm ở phía gần đáy củamiền dẫn Từ mức năng lượng Fermi chúng ta có thể biết được vùng nào thuộc bándẫn N Điều này làm cho biết được bán dẫn loại N là một loại chất bán dẫn phảichứa rất nhiều điện tích.[7]

 Bán dẫn loại P (P-type)

Ngược lại với chất bán dẫn loại N là chất bán dẫn loại P, cấu tạo cũng là pha tạpnhưng với chất thiếu electron từ đó những hạt nhân mới sẽ lấy đi điện tích từ chấtbán dẫn Từ khi sự nhường điện tích của chất bán dẫn cho chất bị thiếu điện tích, thìnhững phân tử chất bán dẫn sẽ tạo ra những lỗ trống Chất bán dẫn thiếu điện tử nhưvậy được mang điện tích dương là P

Khi mức năng lượng Fermi nằm ở gần đỉnh của miền hóa trị thì chất bán dẫn chứarất nhiều lỗ trống Có thể từ mức năng lượng Fermi chúng ta có thể biết được vùngtrong pin năng lượng mặt trời là vùng của bán dẫn loại P [7]

Hình 2-6: Biểu đồ năng lượng của bán dẫn loại P [7]

 Lớp tiếp xúc P-N

Lớp tiếp xúc được biết đến là lớp là sự tiếp xúc giữa bán dẫn loại P và bán dẫn loại

N Lúc đầu thì electron từ chất bán dẫn N sang chất bán dẫn P để phản ứng với lỗtrống để trung hòa điện

Hình 2-7: Hình ảnh minh họa lớp tiếp xúc (Depletopn layer) [7]

Nhưng khi có sự trung hòa về điện giữa hai lớp bán dẫn loại P và lớp bán dẫn loại Nthì điện tích nằm gần nhau tại mặt tiếp xúc giữa lớp P và lớp N sẽ tạo ra một trườngđiện từ Vì khu vực này bề mặt tiếp xúc lớp P và lớp N đã trung hòa về điện, chính

vì điều này mà khi các electron cố gắng đi qua đều bị trường điện từ tại đây ngăncản

Nhưng với mức năng lượng khác nhau thì các điện tích từ bán dẫn N sang bán dẫn Pthì sẽ sinh ra dòng điện nội trong khi không có nguồn năng lượng từ ánh sáng chiếuvào pin mặt trời

Hình 2-8: Mức năng lượng của lớp tiếp xúc P và N [7]

Từ hình ảnh trên ta có thể thấy được nằm ở phía bên trái bức hình là bán dẫn P vànằm bên phải bức hình là bán dẫn N Khi mà mức năng lượng Fermi được nối thẳng

từ bán dẫn loại N sang bán dẫn loại N thì đã tạo ra hai vùng đáy của miền dẫn và

đỉnh của miền hóa trị khác nhau Từ điều này giải thích cho điện áp tự sinh ra do sựchênh lệch điện tích giữa lớp tiếp xúc của hai loại bán dẫn [7]

1.1.4 Độ lệch giữa vùng miền dẫn và miền hóa trị

Hình 2-9: Hình ảnh miền năng lượng không bị lệch (direct bandgap) [8]

Sự đối xứng với nhau của miền dẫn và miền hóa trị là một trong những yếu tố cực

kì quan trọng trong việc chuyển hóa từ năng lượng điện năng qua quang năng vàngược lại

Từ hình ảnh trên ta có thể thấy được hai miền không có sự chênh lệch Từ đều nàylàm cho việc nguồn năng lượng cung cấp bởi ánh sáng được một cách hiệu quả,không cần nhiều năng lượng từ ánh sáng để tạo ra điện tích và lỗ trống

Hình 2-10: Hình ảnh cho thấy hai miền năng lượng bị lệch (indirect bandgap) [8]

Cũng từ hình trên ta có thể thấy được sự lệch đỉnh của hai miền năng lượng Từđiều này thì nếu muốn chuyển đổi năng lượng từ quang năng thành các điện tích và

lỗ trống thì cần phải có nhiều năng lượng hơn Điều này cho thấy sự không hiệu quảcủa việc sử dụng một cách hiệu quả nguồn năng lượng từ ánh sáng nhằm để cho sựchuyển hóa điện tích

1.1.5 Xác định số lượng điện tích và lỗ trống

Trạng thái mức năng lượng còn được biết như là tùy vào mức năng lượng sẽ có sốlượng điện tích nằm ở vùng năng lượng đó

Hình 2-11: Mức năng lượng của miền dẫn [7]

Trạng thái mức năng lượng này được biểu diễn qua công thức như sau:

(1.1)(1.2): là mức trạng thái năng lượng của miền dẫn, miền hóa trị

là khối lượng hiệu quả của điện tích, lỗ trống

: năng lượng

: hằng số Planck (h = 6.62607015 x 10-34 J.s)

: trạng thái của đáy của miền dẫn, đáy của miền hóa trịCông thức này cho ta biết được có khoảng bao nhiêu điện tích để đáp ứng cho mứcnăng lượng như thế

Từ điều đó có thể kết hợp với biểu đồ biểu diễn với mức năng lượng đó sẽ tạo thànhđược bao nhiêu điện tích cũng như là bao nhiêu điện tích chứa được ở từng mứcnăng lượng [7]

(1.3): là trạng thái mức năng lượng tạo ra được bao nhiêu điện tích.

: là năng lượng

: hằng số Boltzman (k = 8.617 x 10-5 eV/K): nhiệt độ Kelvin (K)

Mặt đẳng năng lượng đặc biệt xét tại 0oK ứng với công thức , dưới bề mặt này tất cảcác mức năng lượng thuộc các vùng năng lượng khác điều được lấp đầy bởi điệntích còn phía kia hoàn toàn là lỗ trống như hình 2-10 và hình 2-11 Mức năng lượngFermi nằm ở gần mức hóa trị và mức dẫn thì đã nói ở phần bán dẫn N và bán dẫn Pnhưng với mức năng lượng Fermi nằm ở giữa như hình 2-13 thì được gọi làIntrinsic Fermi được coi là mức để biết được bán dẫn N hay bán dẫn P [7]

Hình 2-12: Mức độ điện tích khi nhiệt độ bằng 0 o K [7]

Hình 2-13: Mức năng lượng điện tích khi nhiệt độ lớn hơn 0 0 K [7]

Từ những hình ảnh biểu đồ từ hình 2-9, hình 2-10, hình 2-11 từ đó chúng ta nhậnbiết số lượng điện tích được tạo ra bởi năng lượng mặt trời và số lượng điện tíchchứa được như hình 2-12, hình 2-13, hình 2-14

Hình 2-14: Số lượng điện tích khi mức Fermi nằm gần miền dẫn [7]

Hình 2-15: Số lượng điện tích khi mức Fermi nằm gần miền giữa [7]

Hình 2-16: Số lượng điện tích khi mức Fermi nằm gần miền hóa trị [7]

1.1.6 Nguyên lý tạo điện tích và lỗ trống

Khi mà mức nhiệt độ bằng không (T = 0oK), thì các điện tích gần như chỉ dao độngxung quanh các hạt nhân mà không có sự dao động quá nhiều Nhưng khi mà nhiệt

độ lớn hơn không (T 00K) thì lúc đó các điện tích di chuyển và giao động một cáchnhanh hơn Từ đó các điện tích nằm ở xa hạt nhân được bức ra vì điện tích nằmcàng xa hạt điện thì lực liên kết giữa hạt nhân và điện tích ngày càng giảm tạo điệntích tự do và các lỗ trống như hình 2-15

Hình 2-17: Sự hình thành điện tích tự do trong chất bán dẫn [9]

 Điện tích tự do sinh ra bởi nhiệt năng

Như ta được biết là khi mà nhiệt độ càng tăng lên thì điện tích được sinh ra từ chấtbán dẫn ngày càng nhiều Từ đó trong việc tạo ra điện năng từ quang năng thì cóloại Direct thermal

Hình 2-18: Direct thermal [7]

Direct thermal là một một trong sự tạo thành điện tích bằng nhiệt từ phía bên ngoài,thì điện tích là điện tích đi từ từ miền hóa trị đi một cách tự tiếp đến miền dẫn [7]

 Điện tích sinh ra từ quang năng

Những tia ánh sáng cung cấp cho các tia bức xạ cùng với tần số giao động, nguồnnăng lượng photon (hf) sẽ được chất bán dẫn hấp thụ từ đó tạo các cặp điện tích và

lỗ trống và công thức biểu diễn cho sự hấp thụ năng lượng photon từ đó giảm nănglượng tia photon khi đi qua chất bán dẫn, vậy sự chuyển hóa năng lượng từ photonthành điện năng như hình 2-17 [7]

Hình 2-19: Sự chuyển hóa từ năng lượng ánh sáng thành điện năng [7]

Hình 2-20: Hình ảnh trực quan của hấp thụ ánh sáng [7]

Từ hình 2-18 thì tia năng lượng ánh sáng được hấp thụ qua chất bán dẫn được biểudiễn theo công thức như sau:

(1.4): cường độ ánh sáng tại một tọa độ

: hệ số hấp thụ ánh sáng

: cường độ ánh sáng

Từ công thức trên ta giải tích phân ra được công thức như sau:

(1.5): tổng cường độ ánh sáng hấp thụ tại điểm tọa độ

: cường độ ánh sáng

: điểm tọa độ (lớn hơn 0)

Như công thức cường độ ánh sáng hấp thụ trong chất bán dẫn từ đó có thể tìm rađược công thức cặp điện tích và lỗ trống được tạo ra:

(1.6): số lượng cặp điện tích và lỗ trống từ photon tạo ra (số lượng/cm3-sec).: số lượng cặp điện tích và lỗ trống từ photon tạo ra tại

: điểm tọa độ (lớn hơn 0)

: hệ số hấp thụ ánh sáng

Bước sóng của ánh sáng

Và sau hình 2-19 cho ta biết được sự hấp thụ của chất bán đối từng bước sóng của tia năng lượng mặt trời.

Hình 2-21: Biểu đồ hiển thị sự hấp thụ ánh sáng đối với chất bán dẫn [7]

Bảng 2-1: Số liệu của Band gap, Electron mobility, Hole mobility, Band gap type [7]

Materia

l

Band gap (eV)

Electron mobility (cm 2 /(Vs))

Hole mobility (cm 2 /(Vs))

Band gap type

1.5 Các thông số của pin năng lượng mặt trời

Hình 2-22: Hình ảnh so sánh thông số đầu ra của tấm pin năng lượng trong các điều kiện

chiếu sáng khác nhau [6]

 Điện áp hở mạch (Voc) - Open Circuit Voltage

Điện áp hở mạch là điện áp được tính toán như là pin mặt trời không có kết nối vớitải, điện áp này có thể đo được bằng điện kế tại ngay hai đầu cực của tấm pin nănglượng mặt trời Do không có kết nối với tải thì không thể sinh ra dòng điện để đođược

Điện áp hở mạch là một trong các thông số quan trọng vì nó được biểu hiện chođiện áp tối đa khi tấm pin chuyển hóa quang năng thành điện năng trong điều kiệntiêu chuẩn Từ đó có thể xác định được tối đa một dãy pin năng lượng mặt trời cóthể kết nối được bao nhiêu tấm pin năng lượng dùng để kích điện hay là điều khiểnsạc [6]

 Dòng điện ngắn mạch (Isc) – Short circuit current

Dòng điện ngắn mạch là dòng điện được hình thành từ việc kết nối các pin nănglượng lại với nhau theo cùng đầu âm và dương, đây được hiểu như là dòng điện lớnnhất mà pin năng lượng có thể chuyển hóa được từ quang năng thành điện năngtrong điều kiện tiêu chuẩn [6]

 Điểm công suất cực đại (Pmax) - Maximum power point

Điểm công xuất cực đại tại đó công suất của hệ thống sinh ra cao nhất, tại điểmcong nhất như hình 2-20 Khi sử dụng bộ điều khiển sạc hay là bộ kích điện MPPTthì điểm công suất này chính là điểm công suất mà MPPT cố gắng để giữa cho côngxuất tối đa [6]

 Điện áp làm việc tại công suất cực đại (Vmpp) - Maximum power point

voltage

Vmpp là điện áp lúc công suất năng lượng mặt trời cho đầu ra là tốt nhất, điện áp này

có thể thấy được khi những tấm pin năng lượng mặt trời kết nối với bộ kích điệnMPPT trong điều kiện tiêu chuẩn [6]

 Dòng điện tại công suất cực đại (Impp) - Maximum Power Point Current

Impp được biết là dòng điện khi công suất đạt tốt nhất, đây là cường độ thực tế làchúng ta có thể đo được khi kết kết nối pin năng lượng mặt trời vào thiết bị MPPTtrong điều kiện là điều kiện chiếu sáng vào pin năng lượng mặt trời là tiêu chuẩn.[6]

 Hiệu suất của tầm pin ( – Module efficiency

Hiệu suất của tầm pin cho ta biết được khả năng chuyển hóa năng lượng từ mặt trờithành điện năng và hiệu suất có công thức như sau:

(1.7): dòng điện ngắn mạch

: điện áp hở mạch

: tỷ số giữa công suất cực đại ( )

: công suất ngõ ra

: công suất vào

1.6 Nanowire trong năng lượng mặt trời

1.1.7 Giới thiệu về nanowire

Trong những năm trở lại đây thì công nghệ nano ngày càng phát triển một cáchnhanh chóng một cách vượt bậc và cũng là chủ để nóng trong những năm gần đây.Với những yêu cầu càng cao thì dẫn đến sự phát triển một cách nhanh chóng thì, từ

đó yêu cầu những tấm pin năng lượng mặt trời ngày càng phải tốn càng ít chi phínhưng phải cho hiệu suất cao Đối mặt với vấn đề ấy những nhà khoa học cùng với

kĩ sư đã áp dụng công nghệ nano trong việc sản suất pin năng lượng mặt trời, sự ápdụng kĩ thuật này đã đáp được những yêu cầu ngày càng cao hiện nay

Nhưng trong pin năng lượng mặt trời đặc biệt được áp dụng công nghệ nano thìmức độ yêu cầu một cách tối thiểu là micronmet điều này dẫn đến tấm pin nănglượng mặt trời sẽ có kích thước rất là mỏng điều này dẫn đến việc quá trình sản xuấtmỗi tấm pin sẽ rất tốn chi phí vì công nghệ cao được áp dùng vào Với hai loại cấutạo thường dùng trong nanowire:

• Cấu tạo xuyên tâm (Radial)

• Cấu tạo hình trụ (Axial)

Hình 2-23: Cấu tạo xuyên tâm của nanowire solarcell [10]

Hình 2-24: Cấu tạo hình trụ trong nanowire solarcell [10]

1.1.8 Kỹ thuật trồng nanowire

Giới thiệu kỹ thuật VLS ( Vapor liquid solid )

Là một trong những kỹ thuật được Wagner và Ellis công bố lý thuyết vào năm 1964

Kỹ thuật này áp dụng cho sự hình thành nanowire trong khoảng 300nm nhưng đượckết hợp với một số hợp chất bán dẫn khác Kỹ thuật VLS này dựa trên sự phản ứnghóa học của các chất bán dẫn với nhau với những điều khiển áp suất, nhiệt độ đểhình thành nên những hình dạng cũng như cấu tạo của nanowire Những chất bándẫn này có thể ở dạng khí, chất lỏng, khối khí nóng Kỹ thuật VLS có nguyên lýnhư sau là được dùng vàng (Au) làm chất rắn là nơi xúc tác cho việc hình thànhnanowire cùng với môi trường không khí là silane (SiH4), vàng (Au) được dùngtrong kỹ thuất VLS có thể thay thế bằng cách chất khác như Cu, Al, Ti, Ga…

Sự phát triển nanowire trong kỹ thuật VLS được giải thích bởi Givargizov trongnăm 1975 và kỹ thuật này được áp dụng trong thực tiễn một cách thành công vàonằm 2010 bởi Schmidt et al [11]

Hình 2-25: Biểu đồ cho biết được nhiệt độ và phần trăm chất bán dẫn Silic phản ứng trong kỹ

thuật VLS [11]

Như hình 2-23 thì nhiệt độ đo được 363oC thì mức độ phân từ tham gia phản ứngcủa Si là 19% còn đối với Au thì 81% mức độ này sẽ sai lệch nhiều khi mà nhiệt độtrong khoảng nhiệt độ thấp hơn 700oC Nếu như hợp chất Au-Si rơi xuống bề mặtSiH4 thì SiH4 sẽ chuyển hóa thành Silic (Si) và khí hidro (H2), trong điều kiện môitrường phân tử thì các phân tử SiH4 đi phản ứng với Au và cho phân tử Si đi vàobên dưới bề mặt mà Au đang được đặt từ đó theo thời gian hình thành đượcnanowire được mọc lên như hình 2-24 [11]

Hình 2-26: Ảnh cho thấy được sự mọc lên của nanowire theo thứ tự (a), (b), (c), (d) [11]

1.1.9 Cấu tạo của nanowire

Qua mục 2.4.2 nanowire được cấu tạo và hình thành dựa trên phản ứng hóa họcmuốn hình thành cấu tạo của nanowire gồm hai phần chính để hình thành là lõi vàlớp phủ từ đó có thể hình thành cấu tạo nanowire theo cấu tạo hình trụ hoặc cấu tạoxuyên tâm như hình 2-25 [11]

Hình 2-27: Cấu tạo xuyên tâm nanowire (a, b, c) và cấu tạo hình trụ (d) với nhiều lớp chất

bán dẫn khác nhau [11]

Cấu tạo xuyên tâm nanowire

Với sự chiếu ánh sáng của mặt trời thì năng lượng mặt trời được hấp thụ qua bề mặtcủa pin năng lượng mặt trời và với kỹ thuật nanowire solar cell

Hình 2-28: Cấu tạo xuyên tâm nanowire trong mô phỏng (a) và trong thực tế (b) với kích

Thì trong sắp xếp các nanowire vơi cấu tạo xuyên tâm làm cho sự hấp thụ ánh sángtăng từ đó công suất tăng lên So với cấu tạo hình trụ nanowire với kết quả thực thế

có thể biết được là cấu tạo xuyên tâm nanowire cho ra hiệu suất lớn hơn rất nhiềuvới cấu tạo hình trụ nanowire Vì với cấu tạo xuyên tâm thì nanowire có bề mặt tiếpxúc của bản dẫn N và bán dẫn P được nhiều hơn từ đó hiệu suất chuyển hóa điệntích và lỗ trống rất là lớn

Cấu tạo hình trụ nanowire

Cấu tạo hình trụ nanowire cùng giống các thành phần cấu tạo giống với cấu tạoxuyên tâm nanowire nhưng với cấu tạo hình học khác nhau như hình 2-27

Hình 2-29: Cấu tạo hình trụ nanowire [13]

Như hình 2-27 thì có thể thấy được cấu tạo hình trụ nanowire không được như làcấu tạo xuyên tâm nanowire được dùng nhiều trong việc sản xuất pin năng lượngmặt trời, vì không có nhiều vùng tiếp xúc giống như cấu tạo xuyên tâm nanowire.Nên gần như trong thực tế cấu tạo xuyên tâm nanowire được dùng nhiều nhưng ởmột số lãnh vực nào đó thì cấu tạo hình trụ được sử dụng một cách rộng rãi

1.1.10 Hiện tượng bẫy ánh sáng trong nanowire solarcell

Hình 2-30: Nguyên lý hoạt động bẫy ánh sáng theo pin mặt trời truyền thống (a) và hoạt động

của bẫy ánh sáng nanowire solar cell(b) [12]

Hiện tượng bẫy ánh sáng như hình 2-29 trong nanowire khá giống với hiện tượngbẫy ánh sáng trong pin năng lượng mặt trời dùng những chất phản chiếu ánh sángbao phủ bề mặt của tấm pin năng lượng mặt trời

Với việc phủ bề mặt của tấm pin năng lượng mặt trời với những chất phản chiếu lạiánh sáng mặt trời nếu quá mỏng sẽ không thể nào giữa được các photon Vậy nếumuốn phản chiếu tia năng lượng mặt trời một cách hiệu quả thì phải làm sao choviệc phản xạ có hiệu quả và khoảng cách giữa các nanowire [12]

 Phản xạ ánh sáng

Trong phản xạ ánh sáng để tăng sự phản xạ là một điều cần thiết để làm được điều

đó thì càng phải coi tới sự khúc xạ giữa hai môi trường Khi mà bề mặt của chất bándẫn siêu hấp thụ ánh sáng không được bao phủ bởi lớp phản xạ ánh sáng thì việckhúc xạ ánh sáng là việc sẽ xảy ra Vậy thì chất bán dẫn siêu hấp thụ ánh sáng này

sẽ hấp thụ khoảng từ 10% tới 50% với ánh sáng có bước sóng () từ 400nm tới2000nm, từ điều đó cho thấy sẽ có một lượng lớn tia năng lượng ánh sáng sẽ thấtthoát đi.

Sự phản xạ ánh sáng sẽ giảm hiệu quả nếu như bề mặt môi trường là không khícùng với chất bán dẫn Việc phủ chất phản xạ ánh sáng càng dày thêm thì làm choviệc giao thoa ánh sáng giữa ánh sáng phản xạ và ánh sáng tới thì ánh sáng thực rađược hấp thụ thì được giao thoa mà sẽ làm cho một số trường hợp sẽ triệt tiêu lẫnnhau Nhưng mà việc phủ lớp phản xạ ánh sáng này chỉ phù hợp nếu như chỉ xéttrên một bước sóng Việc sắp xếp những nanowire một cách hợp lý sẽ làm tăng hiệuquả hấp thụ ánh sáng cũng như làm tăng hiệu suất [15]

Hình 2-31: Biểu độ hiệu suất của pin mặt trời truyền thống với nanowire và nanocone [15]

Pin mặt trời có nanowire

Cấu tạo của một tấm pin năng lượng mặt trời được thêm nanowire vào nhằm đểtăng hiệu suất hấp thụ của tấm pin mặt trời truyền thống như hình 2-31

Hình 2-32: Cấu tạo cơ bản của một tấm pin mặt trời có dùng nanowire [14]

Cũng như hình hình 2-31 thì một tấm pin năng lượng mặt trời có dùng nanowirecũng có nhiều lớp bao gồm:

 Metal là lớp kim dùng để dẫn điện trong pin năng lượng mặt trời ra hai điệncực của pin mặt trời những chất thường dùng như là: bạc (Au), nhôm (Al), ni(Niken)

 Transparent conducting oxide (TCO) là hợp chất dẫn điện cũng giống nhưbán dẫn P nhưng có tính trong suốt làm cho những tia tử ngoại (UV) và tiasáng nhìn thấy được (Visible light) có thể đi qua gần như không bị cản lạinhiều, gần giống với bán dẫn loại P thì có khả năng dẫn điện

 Lớp bán dẫn P dùng để có các lỗ trống khi mà điện tích ở lớp bán dẫn Nđược sinh ra và tạo thành dòng điện kết hợp với lỗ trống tại lớp bán dẫn P tạiđây.

 Polymer là lớp đêm mục đích để cố định nanowire không bị rung lắc và tránhcho các nanowire va chạm vào nhau dẫn đến các bề mặt nanowire bị hư tốnlàm giảm hiệu suất

 Isolation là lớp cách điện

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN PHẦN MỀM ATLAS

1.7 Giới thiệu phần mềm ATLAS

Phần mềm Atlas là phần mềm mô phỏng cấu trúc vật lý của vật liệu của chất bándẫn Phần mềm giúp cho người dùng thấy được sự diễn biến của vật liệu bán dẫntrong không gian hai chiều và ba chiều Từ điều đó có thể giúp cho người kỹ sưthiết kế thấy được bản thiết kế của mình trong sẽ diễn biến như thế nào trong môitrường thực tế, điều này giúp phần nào cho người kỹ sư thiết kế cũng như người học

có một cái nhìn trực quan hơn về vật liệu chất bán dẫn

1.8 Ứng dụng của ATLAS

Deckbuild trong phần mềm ATLAS cho phép người dùng mô phỏng như:

 Pin năng lượng mặt trời

 Cảm biến ảnh

 Nguồn phát laser

 Chuyển đổi điện quang

Những ứng dụng trên chỉ là một phần nhỏ những gì mà DeckBuild có thể mô phỏngđược

3.1 Sơ đồ sự hoạt động của phần mềm ATLAS

Hình 3-33: Sơ đồ khối của DeckBuild trong ATLAS [15]

Như sơ đồ khối ở hình trên thì muốn chạy mô phỏng và nhận được kết quả trongphần mềm ATLAS được chia thành hai phần quan trọng phải có:

- Các loại tệp tin chứa kết quả xuất ra kết quả bao gồm:

- Loại một là tệp tin hiển thị thời gian hoàn thành quá trình mô phỏng,quá trình xử lý dữ liệu, hiển thị các lỗi và các cảnh báo trong quá trình

mô phỏng

- Loại hai là tệp tin được lưu trữ những sự thay đổi dòng điện và điện

áp trong quá trình mô phỏng sự hoạt động của vật liệu bán dẫn

- Loại ba là tệp tin lưu trữ các giá trị sau khi hoàn thành quá trình môphỏng bao gồm các dữ liệu hoạt động của vật liệu trong không gianhai chiều và ba chiều

1.9 Cấu trúc lệnh trong chương trình

Tệp tin lưu trữ chương trình mô phỏng được quy định cấu trúc như sau

Hình 3-34: Cách viết ngôn ngữ miêu tả của chương trình [18]

Như hình ảnh 3-2 thì muốn cho chương trình hiểu được và chạy mô phỏng thìchúng ta phải tuân thủ các viết chương trình Ở đây thì muốn miêu tả thì một dòngchương trình được định nghĩa hai phần song song cùng nằm trên cùng một dòngchính là: STATEMENT, PARAMETER

 MESH

Ví dụ: z.mesh l=0 spacing=0.01

Là lệnh được dùng để vẽ cấu trúc hai chiều hoặc ba chiều của vật được cấu tạo bởivật liệu để chạy chương trình mô phỏng với đơn vị là micromet Lệnh MESH nàytrong phần mềm ATLAS thì thường dùng hai lệnh LOCATION, SPACING và cùngvới vẽ cấu trúc hình trục trong không gian ba chiều thì phải thêm lệnhCYLINDRICAL THREE.D

- LOCATION, SPACING được ATLAS hiểu như là khi có một điểmvới một khoảng cách thì sẽ tạo ra một đường thẳng Từ đó ta có thể

vẽ được hình muốn vẽ

Ví dụ: region num=1 material=GaAs acceptor=2e10 a.min=0 a.max=360 z.min=0z.max=1.10 r.min=0 r.max=0.19.

Trong ATLAS thì lệnh này được dùng để xác định vị trí và bao phủ của vật liệu bándẫn và những lệnh để miêu tả vùng REGION thì có các lệnh sau:

- NUMBER được chương trình hiểu là sẽ phân vùng REGION trongphần mềm ATLAS để tiện cho việc kiểm soát những chất bán dẫn ởtừng vùng như là cấu tạo, cấu trúc phân tử để cho ra mô phỏng mongmuốn

Là lệnh được xác định vùng vị trí điện cực trong mô phỏng

- NAME trong ELECTRON là tên của vùng điện cực trong mô phỏngdùng để cho việc lưu trữ dữ liệu đầu ra của mô phỏng cũng nhưchương trình sẽ hiểu được vùng điện cực nằm ở vị trí nào trong môphỏng

 DOPING

Ví dụ: doping region=1 uniform p.type conc=1e+10

Là lệnh nhận được vật chất khác pha với chất bán dẫn cũng nhưng cấu tạo trongvùng chất bán dẫn trong quá trình mô phỏng cũng như mực độ cấu trúc phân tử củachất bán dẫn trong mô phỏng được chương trình hiểu qua các lệnh sau REGION,UNIFORM, CONC

- REGION sẽ được chương trình hiểu sẽ có sự thay vùng đó sẽ có sựpha tạp của chất bán dẫn với hợp chất khác

- UNIFORM được hiểu như là mô hình phân tử của chất bán dẫn màUNIFORM ở đây chương trình hiểu như là cấu trúc bình thường củachất bán dẫn

- CONC lệnh này được xem như là mật độ phân tử trong bán dẫn

 MATERIAL

Ví dụ: material material=GaAs taun0=1.e-9 taup0=1.e-9 copt=1.5e-10

Là lệnh được chương trình hiểu như là chất bán dẫn nào được dùng trong quá trình

mô phỏng cũng như nồng độ pha tạp của chất bán dẫn trong quá trình mô phỏngMESH

- MATERIAL như là bài mô phỏng này được dùng chất bán dẫn nàotrong toàn bộ quá trình mô phỏng từ đầu đến cuối

- TAURN, TAURP là mật độ di chuyển của điện tích và lỗ trống trongquá trình mô phỏng

- COPT là mật độ kết hợp trở lại của lỗ trống và điện tích trong chấtbán dẫn

 BEAM

Ví dụ: beam num=1 z.origin=-2.0 raytrace=solarex14_1.str \

x.origin=0 y.origin=0 phi=0.0 theta=90 nx=10 nz=10

power.file=solarex14.spec

Là lệnh tạo và điều chỉnh nguồn sáng chiếu vào vật liệu bán dẫn cũng nhưng là

của chất bán dẫn Lệnh này cho phép điều chỉnh tia sáng trong không gian ba chiềucủa quá trình mô phỏng.

- NUM, ORIGIN, RAYTRACE, THETA, NX, NZ những lệnh này làđược dùng để điều khiển tia sáng của chiếu vào chất bán dẫn theohướng nào Với góc tới nằm ở khoảng bao nhiêu theo THETA trongkhông gian ba chiều thì là theo trục Z, cũng như là số lượng chùm tiaánh sáng trong một tia sáng thực tế là tích của NX và NZ và mức nănglượng của chùm tia sáng ấy theo tệp tin cho vào

 MODELS

Ví dụ: models fermi ni.fermi cvt srh

Được biết đến sẽ sử dụng cách thức trong việc để tính toán cơ chế vật lý của vật liệutrong quá trình mô phỏng cũng như là số lượng điện tích và lỗ trống được tạo ratrong chất bán dẫn

- Là những lệnh để cho chương trình ATLAS thực hiện công thức đểtính toán trong quá trình mô phỏng chất bán dẫn

Lệnh này được ra lệnh cho ATLAS thực hiện các cách để liên kết các kết quả vớihoặc cho thể hiểu như là cho mức ranh giới để thực hiện quá trình mô phỏng.

- LOG, PREVIOUS, OFF, INIT là tệp lệnh thực hiện tạo một tệp tin lưutrữ kết quả mô phỏng từ giá trị đầu tới giá trị cuối là so sánh với tệptin lưu trữ lúc đầu

- SOLVE = 1 được hiểu như là chương trình sẽ mô phỏng vật liệu bándẫn khi có sự chiếu sáng của năng lượng mặt trời

Ví dụ: extract init inf="solarex14_1.log"

extract name="Jsc" y.val from curve(v."anode", i."cathode") where x.val=0.0

extract name="Voc" x.val from curve(v."anode", i."cathode") where y.val=0.0 extract name="Pm" max(curve(v."anode", (v."anode" * i."cathode")))

extract name="Vm" x.val from curve(v."anode", (v."anode"*i."cathode") ) \

where y.val=$"Pm"

extract name="Im" $"Pm"/$"Vm"

Lệnh này sẽ lấy các kết quả trong tệp tin lưu trữ dữ liệu cho tra các kết quả màchúng ta mong muốn và được tính toán theo công thức được nhập vào như hình 3-3.1.10 MÔ PHỎNG

1.1.11 Sơ đồ giải thuật

Hình 3-35: Sơ đồ giải thuật của mô phỏng

1.1.12 Cấu trúc code mô phỏng

- Tạo vùng không gian cấu tạo của vật

- Phân vùng chất bán dẫn nằm ở vị trí nào

- Phân điện cực để đo kết quả mô phỏng

- Thiết lập mật độ pha tạp cho bán dẫn N, P

- Thiết lập công suất của chùm tia ánh sáng chiếu tới