Pin mặt trời công nghệ và vật liệu

Trong những năm gần đây nguồn nhiên liệu hóa thạch sản xuất điện năng đang dần dần cạn kiệt dẫn đến những khủng hoảng cho ngành công nghiệp năng l-ợng điện, do đó cần thiết phải có một n

Luận văn tốt nghiệp đại học

Trang

Lời cảm ơn……… 2

Danh mục các bảng biểu và các hình vẽ……… 3

Mở đầu……… 5

Ch-ơng 1 Giới thiệu về công nghệ pin mặt trời 1.1 Hiệu ứng quang điện……… 7

1.2 Pin mặt trời……… 14

Ch-ơng2 Quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời trên cơ sở Silic 2.1 Sơ lọc cát thạch anh để có silic có độ sạch kĩ thuật……… 21

2.2 Tinh chế silic để có độ sạch bán dẫn……… 22

2.3 Tạo đơn tinh thể Silic ……… 22

2.4 Tạo các phiến đơn tinh thể Silic từ thỏi Silic……… 24

2.5 Tạo bán dẫn loại p và n và tạo tiếp xúc p-n ……….24

2.6 Tạo lớp tiếp xúc điện ……… 27

2.7 Phủ lớp chống phản xạ ánh sáng ……….28

2.8 Đóng gói các pin mặt trời thành modun ……… 29

Ch-ơng 3 Các vật liệu mới sản xuất pin mặt trời 3.1 Vật liệu vô định hình………31

3.2 Vật liệu nano………40

3.3 Vật liệu hữu cơ ( Polymer dẫn điện )………42

Kết luận………45

Tài liệu tham khảo……… 46

Lời cảm ơn

Khóa luận đ-ợc thực hiện tại tr-ờng Đại Học Vinh d-ới sự h-ớng dẫn của thầy giáo, Tiến Sĩ Nguyễn Hồng Quảng Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy đã nhiệt tình h-ớng dẫn tác giả trong suốt thời gian hoàn thành khóa luận

Nhân dịp này tác giả cũng xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm khoa Vật lí, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lí tr-ờng Đại Học Vinh, gia

đình và bạn bè đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành khoá luận này

Trong quá trình hoàn thành khóa luận, mặc dù đã rất nhiều cố gắng nh-ng chắc chắn không tránh khỏi khuyết điểm và hạn chế Tác giả rất biết

ơn và trân trọng những ý kiến phê bình và góp ý từ phía các thầy giáo, cô giáo, các bạn sinh viên cũng nh- tất cả các bạn đọc khác

Vinh tháng 5 năm 2009

Tác giả

Danh mục các bảng biểu :

Trang

Bảng 1.1 Các giá trị Eg, a và b của Si và GaAs……… 19

Bảng 3.1 Hiệu suất lý thuyết của một số vật liệu pin mặt trời……….32

Bảng 3.2 Các vật liệu đối với pin mặt trời màng mỏng……… 33

Danh mục các hình vẽ: Hình 1.1.……….8

Hình 1.2 ……… 8

Hình 1.3 Các mạch điện đo đặc tr-ng V- A của tiếp xúc bán dẫn p-n……10

Hình 1.4 Đặc tr-ng tối của tiếp xúc bán dẫn p-n……….11

Hình 1.5 Đ-ờng đặc tr-ng V-A sáng của tiếp xúc bán dẫn p-n………… 14

Hình 1.6 Mạng lưới pin mặt trời……… 14

Hình 1.7 Cấu trúc của pin mặt trời silic và cơ chế tạo ra dòng điện………15

Hình 1.8 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời……… 16

Hình 1.9 Đường đặc trưng sáng của pin mặt trời……….17

Hình 1.10 Sự phụ thuộc của hiệu suất vào nhiệt độ……….20

Hình 2.1 Sơ đồ chế tạo đơn tinh thể Si bằng phương pháp Cz……….23

Hình 2.2 Sơ đồ chế tạo tinh thể Si bằng phương pháp vùng nổi………… 24

Hình 2.3 Ph-ơng pháp tạo bán dẫn tạp chất p-Si……… 25

Hình 2.4 Tạo bán dẫn n-Si bằng phương pháp khuếch tán nhiệt………….26

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc một pin mặt trời Si điển hình……….29

Hình 2.6 Các lớp vật liệu trong modun của pin mặt trời……… 30

Hình 3.1 Sự phụ thuộc của hiệu suất quang điện vào độ rộng vùng cấm của vật liệu ở 300K………31

Hình 3.2 Công nghệ chế tạo modun pin mặt trời vô định hình a- Si…… 34

Hình 3.3 Tiết diện ngang của pin mặt trời loại a- SiC……….….35

Hình 3.4 Sơ đồ dây chuyền sản xuất pin mặt trời a-Si……….36

Hình 3.5 Tiết diện ngang của các cấu trúc hai và nhiều lớp tiếp xúc…… 37

Hình 3.6 Cấu trúc gấp của một pin mặt trời vô định hình Si……….…… 38

Hình 3.7 Sơ đồ vùng năng l-ợng của một lớp tiếp xúc khác chất có cửa sổ nhiều lớp……….39

Hình 3.8 Cấu trúc điển hình của pin mặt trời màng mỏng hệ CuInSe2 40

Hình 3.9 Lớp phủ vật liệu nano của tế bào pin mặt trời……… 41

Hình 3.10 Tập hợp điểm lượng tử (tinh thể nano) Si……… 41

Hình 3.11 Quang tử trong ánh sáng mặt trời đánh bật điện tử ra khỏi mạch polymer………43

Hình 3.12 Tiến trình phân ly của cặp điện tử- lỗ trống ……… 44

Mở đầu

Năng l-ợng mặt trời là một trong các nguồn năng l-ợng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh của chúng ta Năng l-ợng mặt trời có thể nói là vô tận

Trong những năm gần đây nguồn nhiên liệu hóa thạch sản xuất điện năng đang dần dần cạn kiệt dẫn đến những khủng hoảng cho ngành công nghiệp năng l-ợng điện, do đó cần thiết phải có một nguồn năng l-ợng để bổ sung, thay thế nh- năng l-ợng gió, địa nhiệt, năng l-ợng mặt trời…để có thể cung cấp điện cho những vùng hẻo lánh, cho hoạt động của các vệ tinh và những vùng mà điện năng trong mạng l-ới ch-a v-ơn tới đ-ợc Một trong những kĩ thuật sử dụng nguồn nhiên liệu tái tạo là sản xuất ra điện năng, mà sản phẩm đang thông dụng nhất trên thị tr-ờng hiện nay là pin mặt trời hay còn gọi là pin quang điện

Tuy nhiên công nghệ sản xuất pin mặt trời đang còn gặp rất nhiều những khó khăn và thách thức Một trong những lý do khiến công nghệ pin mặt trời ch-a đ-ợc sử dụng rộng rãi là giá thành còn khá cao Những phát triển mới trong khoa học vật liệu cho phép chế tạo các vật liệu mới có những tính năng tiên tiến và có khả năng thay thế những vật liệu đắt tiền, đặt ra triển vọng chế tạo pin mặt trời với hiệu suất cao hơn, nhờ đó góp phần giảm giá thành sản xuất điện mặt trời Do đó việc tìm hiểu về pin mặt trời và những vật liệu là nhu cầu hết sức cần thiết cho chúng ta Đó là lý do chúng

tôi chọn đề tài “ Pin mặt trời, công nghệ và vật liệu ” Mục đích của đề tài

là nghiên cứu công nghệ sản xuất pin mặt trời và hiệu suất biến đổi của các vật liệu mới dùng để sản xuất pin mặt trời

Bằng phương pháp nghiên cứu các tài liệu và các bài báo…về pin mặt trời, công nghệ sản xuất pin mặt trời, vật liệu sản xuất pin mặt trời và các tài liệu có liên quan kết hợp với sự h-ớng dẫn, sửa đổi tận tình của giáo viên h-ớng dẫn tôi đã hoàn thành khóa luận với bố cục gồm ba ch-ơng nh- sau:

Ch-ơng 1 Giới thiệu về công nghệ pin mặt trời, ch-ơng này trình bày tóm

tắt về lý thuyết của quá trình chuyển hóa năng l-ợng mặt trời thành dòng

điện và các thông số đặc tr-ng ảnh h-ởng đến hiệu suất của pin mặt trời

Ch-ơng 2 Quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời trên cơ sở Silic,

trong đó các b-ớc trong công nghệ chế tạo pin mặt trời bằng vật liệu thông

dụng Silic( Si ) đ-ợc mô tả một cách chi tiết

Ch-ơng 3 Các vật liệu mới sản xuất pin mặt trời

Đây là phần nội dung chính của khóa luận, sẽ trình bày tóm tắt các tính chất và hiệu suất biến đổi ánh sáng thành dòng điện của các vật liệu mới hiện nay đang hứa hẹn những thành công trong công nghệ đ-a vào sản suất pin mặt trời

Khoá luận đ-ợc kết thúc bằng phần kết luận, nêu tóm tắt những kết quả đạt đ-ợc của nghiên cứu và danh mục các tài liệu tham khảo

Sau đây là phần nội dung chính của khoá luận

Ch-ơng 1 Giới thiệu về công nghệ Pin mặt trời

Nh- đã trình bày ở phần mở đầu năng l-ợng mặt trời là một nguồn

năng l-ợng sạch có thể nói là vô hạn Trong công nghệ pin mặt trời, năng

l-ợng mặt trời đ-ợc biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang

điện bán dẫn, hay còn gọi là các pin mặt trời đ-ợc chế tạo từ các vật liệu bán

dẫn điện Các pin mặt trời sản xuất điện năng một cách liên tục chừng nào

còn có bức xạ mặt trời tới nó Các hệ thống năng l-ợng pin mặt trời rất đơn

giản, không có phần chuyển động, không đòi hỏi phải bảo d-ỡng chăm sóc

thường xuyên như các hệ thống năng lượng khác…nên là các hệ thống rất

đ-ợc quan tâm nghiên cứu, phát triển và ứng dụng Ngay từ năm 1950 pin

mặt trời đã trở thành nguồn điện tốt nhất cho các vệ tinh nhân tạo và hiện

nay là tàu vũ trụ Đặc biệt từ cuộc khủng hoảng dầu lửa năm 1973, các hoạt

động nghiên cứu hoàn thiện công nghệ pin mặt trời đã phát triển mạnh mẽ

Hiện nay sản xuất pin mặt trời đã trở thành một trong các ngành công nghiệp

phát triển trên thế giới

Phần sau sẽ giới thiệu tóm tắt về nguyên lý hoạt động, cấu tạo và các

đặc tr-ng cơ bản của pin mặt trời

Hiệu ứng quang điện là hiện t-ợng xuất hiện dòng điện trong vật rắn

khi có ánh sáng chiếu trên bề mặt vật rắn đó

1.1.1 Hiệu ứng quang điện trên hệ thống hai mức năng l-ợng

Xét một hệ hai mức năng l-ợng điện tử E1 và E2 trong đó

1 2

E  E ( hình 1.1)

E2

hv

điện tử chiếm đầy khi ở trang thái cân bằng gọi là vùng hóa trị mà bờ trên của nó có năng l-ợng Ev Vùng năng l-ợng phía trên tiếp đó hoàn toàn

trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bờ d-ới của vùng năng l-ợng là E c Cách ly giữa hai vùng hoá trị và vùng dẫn là một vùng cấm có

độ rộng năng l-ợng E , trong đó không có mức năng l-ợng cho phép của g

một lỗ trống có thể coi nh- hạt mang điện tích d-ơng nguyên tố và đ-ợc kí hiệu h, lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hiệu ứng l-ợng tử của quá trình hấp thụ photon có thể mô tả bằng ph-ơng trình sau:

e v hveh (1.1)

Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng l-ợng của photon và chuyển

từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống là:

Điện tử egiải phóng năng l-ợng để chuyển tới bờ vùng dẫn Ec, còn lỗ

trống h tới bờ Ev Quá trình hồi phục chỉ xảy ra trong khoảng thời gian

rất ngắn 1012101giây và gây ra dao động mạng Năng l-ợng bị tổn hao trong quá trình hồi phục sẽ là (hvE g)

Tóm lại khi chiếu sáng vật rắn, điện tử ở vùng hóa trị hấp thụ năng l-ợng photon và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp điện tử - lỗ trống tức là đã tạo ra một hiệu điện thế Hiện t-ợng đó đ-ợc gọi là hiệu ứng quang điện bên trong

1.1.2 Tính chỉnh l-u của lớp tiếp xúc bán dẫn

Ta xét tính chất của lớp tiếp xúc khi ch-a đ-ợc chiếu sáng

Đặt một nguồn thế ngoài vào một lớp tiếp xúc p-n và nghiên cứu sự phụ thuộc của dòng điện qua lớp tiếp xúc vào hiệu điện thế đặt vào nó nh- hình 1.3a ánh sáng

Hình 1.3 Các mạch điện đo đặc tr-ng V- A của tiếp xúc bán dẫn p-n

Tr-ớc hết xét tr-ờng hợp nguồn thế ngoài phân cực ng-ợc lớp tiếp xúc p-n, cực d-ơng của nguồn ngoài đặt vào bán dẫn n, cực âm đặt vào bán dẫn p ( hình 1.3.a) Khi đó, điện tr-ờng ngoài E0 và điện tr-ờng tiếp xúc Etx

cùng chiều

Điện tr-ờng tổng hợp E  Etx  E0 trên miền tiếp xúc rất lớn khiến

hàng rào thế năng ở lớp tiếp xúc đ-ợc nâng cao lên, do vậy nó càng ngăn không cho dòng các hạt tải điện cơ bản qua lớp tiếp xúc ở trạng thái này, mặc dù dòng các hạt tải không cơ bản đ-ợc gia tốc mạnh, nh-ng do mật độ nhỏ nên dòng các hạt tải không cơ bản nhanh chóng đạt tới trạng thái bão hòa và có giá trị rất nhỏ Is

Đổi phân cực nguồn ngoài, tức là phân cực thuận lớp tiếp xúc p-n ( cực d-ơng của nguồn thế ngoài vào bán dẫn p, cực âm vào bán dẫn n ) Khi

đó điện tr-ờng ngoài và điện tr-ờng tiếp xúc ng-ợc chiều nhau, nên điện tr-ờng tổng hợp E  E0  Etx  Etx Kết quả là hàng rào thế ở miền tiếp xúc

giảm, dòng các hạt tải điện có mật độ lớn qua lớp tiếp xúc tăng rất nhanh (theo quy luật hàm số mũ- công thức 1.4 ) theo hiệu điện thế ngoài

Đ-ờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của dòng điện qua lớp tiếp xúc

p-n vào hiệu điệp-n thế p-ngoài đặt vào p-nó khi lớp tiếp xúc p-p-n khôp-ng bị chiếu sáp-ng nh- sau:

Hình 1.4 Đặc tr-ng tối của tiếp xúc bán dẫn p-n

Đ-ờng cong khi lớp tiếp xúc không đ-ợc chiếu sáng đ-ợc gọi là

đ-ờng đặc tr-ng tối Vôn - Ampe (V-A) của lớp tiếp xúc và nó đ-ợc mô tả bằng ph-ơng trình diode bán dẫn thông th-ờng:

Is: Dòng điện ng-ợc bão hòa

V: Hiệu điện thế đặt vào lớp tiếp xúc p-n

Tóm lại ở trạng thái không chiếu sáng, lớp tiếp xúc p-n là một phần

tử thụ động, không tạo ra năng l-ợng và có tính chất chỉnh l-u, chỉ cho dòng

điện qua khi phân cực thuận Đ-ờng đặc tr-ng V-A tối ( hình 1.4) là đ-ờng

đặc tr-ng của diode bán dẫn thông th-ờng

1.1.3 Đ-ờng đặc tr-ng V-A sáng - Sự tạo dòng quang điện

Chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n D-ới tác dụng của ánh sáng các cặp điện

tử lỗ trống đ-ợc tạo thành và do tác dụng của điện tr-ờng tiếp xúc Etx nên các cặp bị tách ra và bị gia tốc về các phía đối diện và tạo ra một suất điện

động quang điện Nếu nối các đầu bán dẫn loại n và p bằng một dây dẫn thì trong dây có một dòng điện gọi là dòng quang điện và có thể cho ở ngoài một công suất hữu ích Suất điện động quang điện xuất hiện trong lớp tiếp xúc p-n khi chiếu sáng nó, phụ thuộc vào bản chất các bán dẫn, vào nhiệt độ lớp tiếp xúc và vào b-ớc sóng và c-ờng độ ánh sáng tới

Hiện t-ợng xuất hiện suất điện động quang điện trên lớp tiếp xúc bán dẫn p-n khi chiếu sáng đ-ợc gọi là hiệu ứng quang điện bên trong Cần chú ý rằng chỉ có các cặp điện tử - lỗ trống đ-ợc tạo ra ở miền tiếp xúc hoặc cách

bờ miền tiếp xúc một khoảng LD đ-ợc gọi là độ dài khuếch tán trung bình của cặp e h thì mới bị điện tr-ờng tiếp xúc tách ra và tạo ra dòng quang

Trong đó đại l-ợng D kT

q 

 với q là điện tích nguyên tố, gọi là hệ

số khuếch tán của hạt dẫn Nh- vậy dòng quang điện I phtỷ lệ với tổng số photon bị hấp thụ và có thể đ-ợc biểu diễn bởi công thức: [1]

ở đây Nph là số cặp điện tử - lỗ trống đ-ợc tạo ra trong giới hạn

b-ớc sóngc Ta hãy nghiên cứu đ-ờng đặc tr-ng V- A của lớp tiếp xúc p-n khi đ-ợc chiếu sáng Nh- đã nói ở trên, d-ới tác dụng của một chùm sáng có c-ờng độ không đổi, trong mạch xuất hiện một dòng quang điện Nó là dòng chuyển động của các hạt dẫn không cơ bản, luôn luôn có chiều qua lớp tiếp xúc từ n sang p và có giá trị Iph Dòng tổng cộng qua lớp tiếp xúc p-n khi

đặt một nguồn thế ngoài V có thể biểu diễn bởi tổng đại số của hai dòng, dòng quang điện Iph và dòng diode Id nh- sau:

Isc Voc

Hình 1.5 Đ-ờng đặc tr-ng V-A sáng của tiếp xúc bán dẫn p-n - [5]

Nh- vậy một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n khi đ-ợc chiếu sáng có thể trở thành một máy phát điện mạch ngoài hữu ích Thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện trong trên lớp bán dẫn p-n để biến đổi trực tiếp năng l-ợng của

ánh sáng mặt trời thành điện năng đ-ợc gọi là pin quang điện hay pin mặt trời Chúng ta sẽ nghiên cứu về đặc tr-ng của pin mặt trời ở phần tiếp theo

1.2 Pin mặt trời

Pin mặt trời là thiết bị bán dẫn chứa l-ợng lớn các diode n-p d-ới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện nhờ hiệu ứng quang điện trong .

Hình 1.6 Mạng l-ới pin mặt trời - [5]

Trong công nghệ pin mặt trời, năng l-ợng mặt trời đ-ợc biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện đ-ợc chế tạo từ các vật liệu bán dẫn điện Các pin mặt trời sản xuất ra điện năng một cách liên tục chừng nào còn có bức xạ mặt trời tới nó

D-ới đây chúng ta sẽ nghiên cứu nguyên lý hoạt động và các đặc tr-ng cơ bản của pin mặt trời

1.2.1 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời ( Sự chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện của pin mặt trời )

Ta xét pin mặt trời đ-ợc chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn silic (Si) Khi một photon chạm vào mẩu Si, sẽ có thể có nhiều hiệu ứng xảy ra nh- : tán xạ, truyền qua, hấp thụ…Đối với quá trình hoạt động của pin mặt trời ta chỉ quan tâm tới quá trình hấp thụ photon của mẩu Si

Hình 1.7 Cấu trúc của pin mặt trời silic và cơ chế tạo ra dòng điện Chấm

đen là điện tử e; chấm trắng là lỗ trống h - [3]

Năng l-ợng của photon đ-ợc hấp thụ bởi Si Điều này th-ờng xảy ra khi năng l-ợng của photon lớn hơn năng l-ợng cần để đ-a electron lên mức năng l-ợng cao hơn Khi photon đ-ợc hấp thụ, năng l-ợng của nó đ-ợc truyền đến các hạt electron trong tinh thể Thông th-ờng các enày ở lớp ngoài cùng và th-ờng đ-ợc liên kết với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron đ-ợc kích thích và có thể di chuyển tự do trong bán dẫn khi đó nguyên tử sẽ thiếu một electron và gọi là “lỗ trống” Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạch di chuyển

đến điền vào lỗ trống Cứ tiếp tục nh- vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn và sinh ra một dòng điện Đây chính là nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

1.2.2 Sơ đồ t-ơng đ-ơng của pin mặt trời

Nh- đã trình bày ở trên, có thể thấy rằng khi đ-ợc chiếu sáng nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc p-n bằng một dây dẫn, thì pin mặt trời phát ra một dòng quang điện I ph Vì vậy tr-ớc hết pin mặt trời có thể

xem t-ơng đ-ơng nh- một nguồn dòng

Hình 1.8 Sơ đồ t-ơng đ-ơng của pin mặt trời - [6]

Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chỉnh l-u t-ơng đ-ơng nh- một diode Tuy nhiên khi phân cực ng-ợc, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn nên vẫn có một dòng điện qua nó đ-ợc gọi là dòng rò Để đặc tr-ng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc p-n, ng-ời ta đ-a vào đại l-ợng điện trở sơn

sh

R (Shunt) Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc…Đặc trưng cho tổng điện trở của các lớp đó là một điện trở R snối tiếp trong mạch (có thể coi là điện trở trong của

pin mặt trời)

Từ sơ đồ t-ơng đ-ơng ta có thể viết đ-ợc ph-ơng trình đặc tr-ng sáng V-A của pin mặt trời nh- sau:

Thông th-ờng điện trở sơn Rsh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng

cuối trong biểu thức (1.9) Đ-ờng đặc tr-ng V-A của pin mặt trời cho bởi

biểu thức có dạng đ-ờng cong nh- hình vẽ sau:

Hình 1.9 Đ-ờng đặc tr-ng sáng của pin mặt trời

Có 3 điểm quan trọng trên đ-ờng đặc tr-ng này:

- Dòng đoản mạch Isc

- Thế hở mạch Voc

- Điểm làm việc công suất cực đại PM

1.2.3 Các tham số đặc tr-ng của pin mặt trời

Có 5 tham số ảnh h-ởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của pin mặt trời Đó là:

1 Điện trở nội Rs ( điện trở nối tiếp )

2 Điện trở sơn Rsh

3 Dòng bão hòa Is

4 C-ờng độ bức xạ mặt trời E

5 Nhiệt độ của pin T [1]

ở điều kiện bức xạ bình th-ờng ( không hội tụ ) các tham số trên có thể xem nh- các tham số độc lập, chỉ trừ dòng điện bão hòa và nhiệt độ T Điện trở Rsh đặc tr-ng cho dòng rò qua lớp tiếp xúc p-n, phụ thuộc

vào công nghệ chế tạo lớp tiếp xúc Thông th-ờng giá trị của Rshkhá lớn,

nên dòng rò có thể bỏ qua

Sự tăng Rshay giảmRsh ảnh h-ởng xấu đến công suất phát điện của

pin mặt trời Về mặt đồ thị, các điện trở này sẽ làm thay đổi dạng của đ-ờng

đặc tr-ng I = f (V) trong miền pin mặt trời làm việc nh- một nguồn thế Còn

điện trở sơn Rsh làm tăng góc nghiêng của đ-ờng đặc tr-ng trong miền pin

mặt trời làm việc nh- một nguồn dòng

1.2.4 Hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời

Công suất đỉnh của pin mặt trời là công suất do pin mặt trời phát ra khi nó làm việc ở điểm làm việc tối -u d-ới bức xạ có c-ờng độ 1000 2

/

W m

và ở nhiệt độ phòng 25o

C Công suất đỉnh đ-ợc đo bằng W hay p kW p

Hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời là tỉ số giữa công suất

điện đỉnh và tổng năng l-ợng bức xạ pin mặt trời ở một nhiệt độ cho tr-ớc

đ-ợc tính theo công thức: [1]

opt (100%)

o

P AE

  (1.10)

Trong đó : - Hiệu suất biến đổi quang điện (%)

A- Diện tích bề mặt pin mặt trời đ-ợc chiếu sáng ( 2

Nh- đã nói, nhiệt độ có ảnh h-ởng lên các đặc tr-ng của pin mặt trời

Cụ thể là, dòng quang điện tăng theo nhiệt độ với giá trị 0,1% khi nhiệt độ tăng 1oC hay 0,03mA/o C cm. 2 Sự tăng dòng quang điện của pin mặt trời là

do sự giảm độ rộng vùng cấm của vật liệu Eg khi nhiệt độ tăng theo định

Với a và b là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu, E g(0) là độ rộng vùng cấm

của vật liệu ở T 0o K D-ới đây là giá trị của E g(0), a và b của một số vật liệu pin mặt trời điển hình :

bản đ-ợc tạo ra do kích thích nhiệt Sự phụ thuộc của dòng bão hòa vào nhiệt

độ có thể biểu diễn nh- sau:

Hình 1.10 Sự phụ thuộc của hiệu suất vào nhiệt độ - [1]

Kết quả là công suất cực đại có thể của pin mặt trời bị giảm khoảng 0,35% khi nhiệt độ tăng 1oC và vì thế hiệu suất của pin mặt trời cũng giảm với hệ số nh- vậy Hình 1.12 biểu diễn sự giảm hiệu suất biến đổi quang điện theo nhiệt độ đối với các vật liệu Si và GaAs

Hiện nay Silic đang là vật liệu thông dụng trong công nghệ sản xuất pin mặt trời Trong ch-ơng tiếp theo ta sẽ trình bày về công nghệ sản xuất pin mặt trời bằng Silic ( Si )

Ch-ơng 2

quy trình công nghệ chế tạo pin mặt trời trên cơ sở silic

Khoảng 90% các pin mặt trời đ-ợc sản xuất và ứng dụng hiện nay

đ-ợc chế tạo từ Silic (Si), d-ới dạng đơn tinh thể, đa tinh thể hoặc vô định hình nh-ng chủ yếu là dạng tinh thể Vì vậy d-ới đây ta chỉ nghiên cứu công nghệ chế tạo pin mặt trời tinh thể Si Quy trình công nghệ chế tạo này bao gồm các công đoạn sau:

- Sơ lọc cát thạch anh SiO2 để có silic có độ sạch kĩ thuật (độ sạch luyện kim)

- Tiếp tục làm sạch để có silic có độ sạch bán dẫn

- Tạo các đơn tinh thể Si từ silic có độ sạch bán dẫn

- Pha tạp để có các bán dẫn loại n (Si-n) và p (Si-p) và tạo lớp tiếp xúc p-n

- Tạo các lớp tiếp xúc điện, điện cực và lớp chống phản xạ ánh sáng

- Tạo module (panel), kiểm tra, phân loại

Các công đoạn này sẽ đ-ợc trình bày chi tiết trong các phần tiếp theo

2.1 Sơ lọc cát thạch anh để có silic có độ sạch kĩ thuật

Cát dùng làm vật liệu ban đầu chế tạo Si và phải là cát giàu thạch anh SiO2 ( hàm l-ợng SiO2 vào khoảng 90% hoặc cao hơn) Trong lò hồ quang nhiệt độ cao, SiO2 đ-ợc cho phản ứng với cacbon (C) để cho silic (Si) có độ sạch kĩ thuật theo phản ứng:

SiO2 + 2C = Si+ 2CO (2.1)

Silic sau khi đ-ợc làm sạch trong lò hồ quang có độ sạch kĩ thuật ( hàm l-ợng Si  98,99 % )

2.2 Tinh chế silic để có độ sạch bán dẫn

Để silic có đ-ợc độ sạch bán dẫn ng-ời ta th-ờng dùng quá trình trichlorosilan Quá trình trichlorosilan là một quá trình tiêu chuẩn để làm sạch Silic đã có độ sạch kĩ thuật (nh- ta đã trình bày ở trên) Quá trình này nh- sau:

Trong một thùng đựng bột Si có độ sạch kĩ thuật ng-ời ta đổ axit clohydric lỏng vào và dùng chất xúc tác là đồng, Si và HCl phản ứng với nhau theo ph-ơng trình sau đây:

Si + 3 HCl SiHCl3 + H2 (2.2) Sau đó bằng ph-ơng pháp ch-ng cất nhiệt ng-ời ta tạo đ-ợc SiHCl3d-ới dạng hạt khô và tiếp đó dùng ph-ơng pháp bốc hơi ng-ời ta thu đ-ợc Si

có độ sạch bán dẫn:

SiHCl3 Si + Khí bốc hơi

Sản phẩm thu đ-ợc là vật liệu đa tinh thể gồm các hạt đơn tinh thể Si nhỏ có hàm l-ợng Si bán dẫn ( 99,99 % )

2.3 Tạo đơn tinh thể Silic

Có thể tạo các đơn tinh thể Si d-ới dạng thanh, dạng tấm hoặc dạng băng Các công nghệ tạo đơn tinh thể đ-ợc dùng phổ biến là công nghệ Czochralski, công nghệ vùng nổi và công nghệ trao đổi nhiệt D-ới đây chúng ta sẽ giới thiệu các công nghệ đó

2.3.1 Kỹ thuật tạo đơn tinh thể Si bằng ph-ơng pháp Czochralski (Cz)

Trong kỹ thuật này ng-ời ta gắn vào đầu của một hình trụ một mầm

đơn tinh thể Si và nó đ-ợc nhúng vào một nồi Si nóng chảy ( hình 2.1) Sau

đó thanh mầm Si vừa đ-ợc kéo lên vừa quay cần với một tốc độ đ-ợc kiểm soát chặt chẽ (th-ờng tốc độ kéo và quay nhỏ hơn 10 cm/ giờ) Si lỏng bị kéo lên, kết tinh dần và tạo thành thỏi Si đơn tinh thể (dùng quá trình kéo liên tục này có thể tạo ra đ-ợc các thỏi Si tinh thể có đ-ờng kính 15 cm và chiều dài 1,5 m)