Nghiên cứu khảnăngứng dụng của vật liệu mới bari đisilic (basi2) nhằm thay thế vật liệu silic truyền thống trong chếtạo pin năng lượng mặt trời

Tóm tắt kết quả nghiên cứu: - Đã khảo sát tổng quan về vật liệu BaSi2, một vật liệu mới có tiềm năng ứng dụng to lớn, thaythế vật liệu Si truyền thống trong ứng dụng pin mặt trời; - Đã c

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

BÁO CÁO TÓM TẮT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA VẬT

THẾ VẬT LIỆU SILIC TRUYỀN THỐNG TRONG CHẾ TẠO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Mã số: B2019-DN03-34 Chủ nhiệm đề tài: TS Mai Thị Kiều Liên

DaihocDaNang

DaihocDaNang

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN

CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

TT Họ và tên Đơn vị công tác và

lĩnh vực chuyên môn

Nội dung nghiên cứu cụ thể được giao

1 TS Mai Thị Kiều Liên

Khoa Vật lý, Trường Đại học

Sư phạm, ĐHĐN Chuyên môn: Khoa học vật liệu

Tham gia

3 TS Nguyễn Quý Tuấn Khoa Vật lý, Trường Đại học

Sư phạm, ĐHĐN Chuyên môn: Khoa học vật liệu

Tham gia

4 ThS Lê Thị Phương Thảo Khoa Vật lý, Trường Đại học

Sư phạm, ĐHĐN Chuyên môn: Khoa học vật liệu

phạm, Đại học Đà Nẵng

Tham gia nghiên cứu và góp ý về các kết quả nghiên cứu

GS TS Noritaka Usami

DaihocDaNang

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung

- Tên đề tài: Nghiên cứu khả năng ứng dụng của vật liệu mới - bari đisilic (BaSi 2 ) - nhằm thay thế vật liệu silic truyền thống trong chế tạo pin năng lượng mặt trời

- Mã số: B2019-DN03-34

- Chủ nhiệm: TS Mai Thị Kiều Liên

- Thành viên tham gia: TS Trần Thị Hồng, TS Nguyễn Quý Tuấn và ThS Lê Thị Phương Thảo

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm- Đại học Đà Nẵng

- Thời gian thực hiện: Từ tháng 08 năm 2019 đến tháng 08 năm 2021

đế (chất nền) trước khi lắng đọng màng mỏng BaSi2 Những kết quả thu nhận được là mới vàchưa từng được công bố bởi tác giả khác

4 Tóm tắt kết quả nghiên cứu:

- Đã khảo sát tổng quan về vật liệu BaSi2, một vật liệu mới có tiềm năng ứng dụng to lớn, thaythế vật liệu Si truyền thống trong ứng dụng pin mặt trời;

- Đã chế tạo thành công màng mỏng BaSi2trên các đế Si và Ge, sử dụng các kĩ thuật mới để điềuchỉnh đế trước khi lắng đọng màng;

- Đã phân tích được cấu trúc tinh thể, tính chất quang và điện của màng mỏng BaSi2trên các đế

Si và Ge điều chỉnh, so sánh với màng trên các đế phẳng, dựa vào kết quả đo SEM, hiệu ứng Hall,

và các phổ như Raman, XRD, µ-PCD, hồi đáp quang học, truyền qua, phản xạ, hấp thụ,… Cáckết quả thu được cho thấy rằng màng mỏng BaSi2bốc bay trên đế Si và Ge điều chỉnh là chất hấpthụ đầy hứa hẹn cho các ứng dụng pin mặt trời màng mỏng trong tương lai;

- Đã tối ưu hoá được điều kiện điều chỉnh các đế Si và Ge để thu được màng mỏng BaSi2trên các

đế này có cấu trúc tinh thể, tính chất quang và điện tốt nhất

- Đã chế tạo thành công dây nano Si trực tiếp trên đế Si (100) bằng phương pháp hoá học đơngiản ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển Đây là bước đầu để chế tạo dây nano BaSi2trong cácnghiên cứu tiếp theo

5 Tên sản phẩm:

-Mai Thi Kieu Lien and Noritaka Usami, Effect of Si substrate modification on improving the

crystalline quality, optical and electrical properties of thermally-evaporated BaSi 2 thin-films for solar cell applications, International Journal of Modern Physics B Vol 34, No 8 (2020) 2050068

(14 pages) DOI: 10.1142/S021797922050068X

-Mai Thi Kieu Lien, Chế tạo màng mỏng bari đisilic trên đế gecmani bằng phương pháp bốc

bay nhiệt và khảo sát một số tính chất của nó, Tạp chí Khoa học Trường Đại học Sư phạm

-ĐHĐN, 2019, 35(04), 66-72

- Mai Thi Kieu Lien, Effect of substrate modification on properties of thermally evaporated

barium disilicide thin-films, Journal of Science, The University of Danang - University of Science

DaihocDaNang

DaihocDaNang

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information

- Project title: Studying the applicability of a new material - barium disilic (BaSi 2 ) - to replace the traditional material of silicon for solar cells application.

- Project number: B2019-DN03-34

- Project leader: PhD Mai Thi Kieu Lien

- Members: PhD Tran Thi Hong, PhD Nguyen Quy Tuan and MSc Le Thi Phuong Thao

- Implementing institution: The University of Danang, University of Science and Education

- To propose a new treatment technique on the substrates in improving the properties of BaSi2

thin-films when using the thermal evaporation system

3 Creativeness and innovativeness

- The study on a new material, BaSi2, to replace the traditional Si material in solar cell fabrication

is currently only carried out by a few research groups, especially the fabrication of BaSi2thinfilms by vacuum evaporation method for industrial-scale applications In this study, we proposed

a new technique for surface treatment of substrates before the deposition of BaSi2thin films Theobtained results are new and have not been published by other authors

- Analyzed the crystal structure, optical and electrical properties of BaSi2thin films on modified

Si and Ge substrates, compared with those of the films on flat substrates, based on themeasurement results of SEM and Hall effect, and spectra of Raman, XRD, µ-PCD, opticalresponse, transmission, reflection, absorption, etc The obtained results show that BaSi2thin films

on the modified Si and Ge substrates are the promising absorbers for thin film solar cellapplications;

- Optimized the modification conditions for Si and Ge substrates to obtain BaSi2thin films onthese substrates with the best crystal structure, optical and electrical properties

- Successfully fabricated Si nanowires directly on Si(100) substrates by simple chemical process

at room temperature and atmospheric pressure This is the first step to fabricate BaSi2nanowires

in further studies

5 Products:

-Mai Thi Kieu Lien and Noritaka Usami, Effect of Si substrate modification on improving the

crystalline quality, optical and electrical properties of thermally-evaporated BaSi 2 thin-films for solar cell applications, International Journal of Modern Physics B Vol 34, No 8 (2020) 2050068

(14 pages) DOI: 10.1142/S021797922050068X

- Mai Thi Kieu Lien, Fabricating barium disilicide thin-films on germanium substrate and

investigating some of its properties, Journal of Science, The University of Danang - University

of Science and Education, 2019, 35(04), 66-72

- Mai Thi Kieu Lien, Effect of substrate modification on properties of thermally evaporated

barium disilicide thin-films, Journal of Science, The University of Danang - University of Science

and Education, 2019, 36(05), 21-25

- Mai Thi Kieu Lien, Fabrication of Si nanowires by a simple chemical process with very short

fabrication time, Journal of Science and Technology - University of Danang (Accepted for

DaihocDaNang

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

- The research results of this project are useful references for staff, students, and researchers onsolar cells using new materials, a new research topic that has received much attentionin on overthe world

- The research results of this project contribute to the development and improvement of the quality

of scientific research of the University of Danang

- The research results on the applicability of the new material BaSi2in the field of solar cells willeffectively solve the disadvantages of cost and complexity of the fabrication process It will openthe application potential on a large scale in the near future

DaihocDaNang

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Pin năng lượng mặt trời, thiết bị biến đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện, đã

và đang được nghiên cứu và khai thác nhằm ứng dụng trên phạm vi toàn cầu Tuy nhiên, khi triểnkhai ứng dụng các thiết bị này cần phải chú ý đến các vấn đề về sự an toàn, rẻ, bền, và thân thiện vớimôi trường Hiện tại, các pin năng lượng mặt trời hầu hết đều dựa trên vật liệu truyền thống là silic(Si) vì nó an toàn, ổn định, có sẵn với số lượng lớn trong tự nhiên Tuy nhiên, có hai nhược điểmchính khi sử dụng Si Thứ nhất, Si là chất bán dẫn có vùng cấm xiên nên nó có hệ số hấp thụ tươngđối thấp Để hấp thụ được ánh sáng mặt trời thì màng Si chế tạo phải đủ dày, điều này dẫn đến chiphí sản xuất cao Thứ hai, độ rộng vùng cấm của Si khá hẹp nên hạn chế hiệu suất của các pin mặttrời làm từ Si

Để cải thiện các nhược điểm của Si, pin mặt trời màng mỏng sử dụng các vật liệu khác có vùngcấm rộng hơn đã và đang được nghiên cứu và phát triển một cách mạnh mẽ Hai ví dụ điển hình làpin mặt trời làm từ cađimi telurua (CdTe) và đồng inđi gali điselen (CIGS) đã được thương mại hoá.Tuy nhiên, các vật liệu này vẫn còn thiếu một số tính chất quan trọng để triển khai trên quy mô toàncầu do chúng được tạo ra từ những nguyên tố hiếm và độc hại với chi phí cao Một vật liệu thay thế

Si lí tưởng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng phải có hệ số hấp thụ cao, thời gian sống của hạttải không cơ bản dài, và vùng cấm gần với giá trị lí tưởng 1,4 eV Bari đisilic (BaSi2) có đủ các tínhchất trên và là vật liệu đầy hứa hẹn có thể thay thế Si trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng.Việc nghiên cứu các tính chất của vật liệu mới BaSi2trong ứng dụng chế tạo pin mặt trời cònkhá mới mẻ và hạn chế Do đó, để tìm hiểu rõ hơn về các phương pháp chế tạo cũng như tìm ra kĩthuật mới nhằm cải thiện tính chất của BaSi2, đóng góp một phần thông tin khoa học cho lĩnh vực

chế tạo pin mặt trời, chúng tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng ứng dụng của vật liệu mới - bari đisilic (BaSi 2 ) - nhằm thay thế vật liệu silic truyền thống trong chế tạo pin năng lượng mặt trời”.

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết

Thu thập, tổng hợp các tài liệu, tư liệu, sách báo, các công trình khoa học đã nghiên cứu vềBaSi2

4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Các đế Si và Ge được điều chỉnh bằng phương pháp hoá học

- Màng mỏng BaSi2được lắng đọng trên các đế Si và Ge bằng phương pháp bốc bay nhiệt

- Chất lượng kết tinh, các tính chất quang và điện của màng BaSi2được khảo sát bằng các máy

đo hiện đại như nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét, máy đo phổ Raman, máy đo phổ phản xạ

và truyền qua, máy đo phổ phân rã bằng vi sóng, hệ đo hiệu ứng Hall, hệ đo tính chất hồi đáp quanghọc

5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu lí thuyết về vật liệu BaSi2

DaihocDaNang

- Chế tạo và tối ưu hoá các điều kiện điều chỉnh đế Ge

- Chế tạo và khảo sát chất lượng kết tinh và các tính chất của màng mỏng BaSi2trên đế Ge

- Cải thiện chất lượng kết tinh và các tính chất của màng mỏng BaSi2trên đế Ge và tìm ra điềukiện tối ưu

- Chế tạo và tối ưu hoá các điều kiện điều chỉnh đế Si

- Chế tạo và khảo sát chất lượng kết tinh và các tính chất của màng mỏng BaSi2trên đế Si

- Cải thiện chất lượng kết tinh và các tính chất của màng mỏng BaSi2trên đế Si và tìm ra điềukiện tối ưu

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho cán bộ, sinh viên, cao học viên,nghiên cứu sinh, và các nhà nghiên cứu thực nghiệm về pin năng lượng mặt trời sử dụng vật liệu mớithay thế vật liệu truyền thống, một hướng nghiên cứu mới đang thu hút được nhiều sự quan tâm trênthế giới

Các kết quả nghiên cứu về khả năng ứng dụng của vật liệu mới BaSi2trong lĩnh vực pin nănglượng mặt trời sẽ giải quyết hiệu quả các nhược điểm về chi phí tiêu tốn và độ phức tạp của quá trìnhchế tạo Nó sẽ mở ra tiềm năng ứng dụng trên quy mô rộng lớn trong tương lai gần

DaihocDaNang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về các vật liệu sử dụng để chế tạo pin năng lượng mặt trời dạng màng mỏng

Pin năng lượng mặt trời, thiết bị biến đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện, đã

và đang được nghiên cứu và khai thác nhằm ứng dụng trên phạm vi toàn cầu Tuy nhiên, khi triểnkhai ứng dụng các thiết bị này cần phải chú ý đến các vấn đề về sự an toàn, rẻ, bền, và thân thiện vớimôi trường Hiện tại, các pin năng lượng mặt trời hầu hết đều dựa trên vật liệu truyền thống là silic(Si) vì nó an toàn, ổn định, có sẵn với số lượng lớn trong tự nhiên Tuy nhiên, có hai nhược điểmchính khi sử dụng Si Thứ nhất, Si là chất bán dẫn có vùng cấm xiên nên nó có hệ số hấp thụ tươngđối thấp Để hấp thụ được ánh sáng mặt trời thì màng Si chế tạo phải đủ dày, điều này dẫn đến chiphí sản xuất cao Thứ hai, độ rộng vùng cấm của Si khá hẹp nên hạn chế hiệu suất của các pin mặttrời làm từ Si

Để khắc phục các nhược điểm của Si, pin mặt trời màng mỏng sử dụng các vật liệu thay thế vớivùng cấm rộng hơn đã được dày công nghiên cứu và phát triển Hai ví dụ điển hình là các pin mặttrời màng mỏng CdTe và CIGS đã được thương mại hóa Tuy nhiên, những vật liệu này thiếu một

số đặc tính quan trọng để có thể triển khai ở quy mô toàn cầu, điều này sẽ khiến chúng khó có thểdẫn đầu thị trường Vật liệu hấp thụ thay thế lí tưởng đối với pin mặt trời màng mỏng nên có hệ sốhấp thụ cao, thời gian sống của hạt tải không cơ bản dài và độ rộng vùng cấm xấp xỉ 1,4 eV Bariđisilic cấu trúc hệ thoi (BaSi2) có tất cả những tính chất trên và là vật liệu đầy hứa hẹn có thể thaythế Si trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

1.2 Cấu trúc tinh thể và cấu trúc vùng năng lượng của BaSi 2

BaSi2cấu trúc hệ thoi (các hằng số mạng: a = 0,891 nm, b = 0,672 nm, c = 1,153 nm) là cấu

trúc ổn định nhất ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển Ô cơ sở của BaSi2được thể hiện trong hình1.1

Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể BaSi 2

1.3 Các phương pháp chế tạo màng BaSi 2

Việc chế tạo màng BaSi2chất lượng cao là rất quan trọng cho các ứng dụng thiết bị Trong báocáo này, chúng tôi giới thiệu ba phương pháp chính để chế tạo màng BaSi2, cụ thể là epitaxy chùmphân tử, bốc bay chân không và phún xạ

1.3.1 Phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE)

Hệ thống MBE bơm ion được trang bị nguồn bốc hơi chùm điện tử cho Si và một tế bào Knudsentiêu chuẩn (K-cell) cho Ba Các nhóm nghiên cứu đã sử dụng kĩ thuật lắng đọng hai bước bao gồmepitaxy lắng đọng phản ứng (RDE) để tạo thành các khuôn mẫu và MBE (cùng lắng đọng Ba và Si)trên Si (111) và Si (001), như được thể hiện trong hình 1.2 Các khuôn mẫu hoạt động như các mầm

DaihocDaNang

tinh thể cho các lớp phủ ở trên Do đó, các lớp BaSi2định hướng dọc theo trục a có thể được lắng đọng trong một phạm vi nhiệt độ rộng từ 450 °C – 700 °C Nhiệt độ đế TStối ưu cho phương phápMBE để tạo ra màng BaSi2với chất lượng kết tinh tốt nhất là 580oC Tốc độ lắng đọng BaSi2xấp xỉ

1 nm/phút Lưu ý rằng các lớp BaSi2hướng trục a không phải là đơn tinh thể, mà là các lớp epitaxy

đa tinh thể

1.3.2 Phương pháp bốc bay chân không (VE)

Bốc bay chân không là một phương pháp thực tế để lắng đọng các màng mỏng trên bề mặt códiện tích lớn Quá trình này thường bao gồm bơm buồng chứa mẫu để đạt độ chân không ~ 10−5Torr

và làm nóng nguồn vật liệu đến nhiệt độ bốc bay Không giống như MBE, phương pháp này khôngđòi hỏi môi trường chân cao và do đó thiết bị đơn giản và không tốn kém Tốc độ lắng đọng có thểcao hơn MBE vài bậc Những ưu điểm này khá tương thích với công nghệ sản xuất trên quy mô rộng.Mặc dù thiết bị cho bốc bay chân không khá đơn giản, nhưng quá trình lắng đọng và phát triển màngkhá phức tạp, đặc biệt là khi sử dụng các nguồn vật liệu hợp chất như BaSi2 Áp suất hơi ở trạng tháicân bằng của các nguyên tố cấu thành nên hợp chất có thể rất khác nhau Thêm vào đó, phản ứng hóahọc giữa vật liệu nguồn và dụng cụ đựng vật liệu nguồn có thể xảy ra Cả hai vấn đề này sẽ dẫn đếnquá trình bốc bay không đồng nhất và do đó các màng tạo ra có thể không cùng pha với vật liệunguồn Hình 1.3 minh hoạ các quá trình hóa học có thể xảy ra trong quá trình lắng đọng BaSi2trên

đế Si bằng phương pháp bốc bay chân không sử dụng nguồn là các hạt BaSi2

1.3.3 Phương pháp phún xạ (sputtering)

Phún xạ là một phương pháp lắng đọng màng mỏng trên diện tích rộng khả thi khác Đã có nhiềunghiên cứu về sự hình thành của chất hấp thụ pin mặt trời bằng phương pháp phún xạ Tuy nhiên,chỉ có một vài báo cáo về sự hình thành màng BaSi2do phún xạ Màng BaSi2đơn pha có thể đượclắng đọng trên đế thủy tinh bằng phương pháp phún xạ tần số vô tuyến (RF) sử dụng bia BaSi2đatinh thể Ưu điểm của phương pháp phún xạ là tốc độ lắng đọng cao, vượt quá 30 nm/phút Phổ hồi

Hình 1.2 Minh hoạ kĩ thuật lắng đọng hai bước bao gồm RDE để tạo thành các khuôn mẫu và MBE để lắng đọng màng BaSi 2

Hình 1.3 Các phản ứng hoá học có thể xảy ra trong quá tình lắng đọng BaSi 2

trên đế Si bằng phương pháp bốc bay chân không các hạt BaSi 2

DaihocDaNang

1.4 Điều khiển loại hạt dẫn và nồng độ hạt dẫn của màng BaSi 2 bằng cách pha tạp chất

1.4.1 Màng BaSi 2 tinh khiết

Màng BaSi2tinh khiết được chế tạo bằng các phương pháp ở phần 1.3 đều là màng pha tạp loại

n Mật độ electron n thay đổi từ n ~ 1016cm-3đối với màng BaSi2lắng đọng bằng phương pháp MBE

đến n > 1018cm−3đối với màng BaSi2lắng đọng bằng phương pháp bốc bay chân không và phún xạ

Hình 1.4 cho thấy sự phụ thuộc vào nhiệt độ của độ linh động electron trong màng tinh khiết n-BaSi2

được lắng đọng bởi phương pháp MBE Ở 300 K, n = 5 × 1015cm−3 Độ linh động của electron lớn,xấp xỉ 800 cm2V−1s−1ở 300 K Đối với nồng độ tạp chất thấp hơn, độ linh động bị hạn chế bởi sự tán

xạ phonon ở nhiệt độ cao Tuy nhiên, độ dốc đo được hơi khác, có thể là do cơ chế tán xạ khác nhau

Cơ chế tán xạ trong BaSi2vẫn chưa được nghiên cứu

1.4.2 Màng BaSi 2 pha tạp nhóm 13 và 15

Cấu trúc cơ bản của pin mặt trời là một tiếp xúc pn Vì thế, việc điều khiển loại hạt tải của BaSi2

bằng cách pha tạp chất là cần thiết để tạo ra một pin mặt trời Sự thay thế một số nguyên tử Si trongBaSi2bằng một nguyên tố nhóm 13 (15) sẽ làm giảm (tăng) nồng độ electron hóa trị và khiến BaSi2

trở thành chất bán dẫn loại p- (n-) Bảng 1.1 tóm tắt các năng lượng điện tử được tính toán cho Ba8Si16

pha tạp với nguyên tố nhóm 13 (B, Al, Ga, hoặc In) hoặc nguyên tố nhóm 15 (N, P, As hoặc Sb)

1.4.3 Pha tạp ex-situ và in-situ

Pha tạp ex-situ là quá trình pha tạp màng sau khi màng đã được tạo thành Pha tạp ex-situ bằngcách cấy ion đã được sử dụng rộng rãi để kiểm soát các đặc tính điện của chất bán dẫn Đối với pha

tạp ex-situ loại p màng mỏng BaSi2trên Si, một nhóm nghiên cứu đã sử dụng nguồn BF2để cấy ion

Đối với pha tạp ex-situ loại n, việc cấy ion P hoặc As vào màng mỏng BaSi2lắng đọng trên Si đãđược nghiên cứu Ủ nhiệt nhanh ở 600 °C – 800 °C trong 30 giây được cho là hữu ích để loại bỏ hưhỏng do quá trình cấy ion tạo ra

Pha tạp in-situ là quá trình pha tạp diễn ra đồng thời với quá trình tạo màng Pha tạp in-situmàng BaSi2đã được thực hiện bằng cách lắng đọng đồng thời các nguyên tử Ba, Si và tạp chất trêncác khuôn mẫu BaSi2trong phương pháp RDE Bảng 1.2 tóm tắt loại hạt tải và nồng độ hạt tải caonhất đạt được cho đến nay đối với BaSi2pha tạp chất bằng các phương pháp ex-situ và in-situ

1.4.4 Các tính chất hấp thụ quang học

Quang phổ truyền qua thu được bằng cách sử dụng máy quang phổ JASCO U-best 570 Hệ sốhấp thụ của màng BaSi2lắng đọng bằng phương pháp MBE đạt 3×104cm−1ở 1,5 eV Giá trị này gầngiống với các mẫu được hình thành bằng các phương pháp bốc bay chân không và phún xạ RF Biênhấp thụ quang học gián tiếp với phát xạ phonon là 1,34 eV đã được suy ra từ thực nghiệm trên màngBaSi2 Mật độ dòng quang điện đạt 41,1 mA.cm−2khi chiếu sáng bởi ánh sáng AM1,5 vào một pinmặt trời BaSi2dày 2 µm Điều này cho thấy tiềm năng lớn của BaSi2trong các ứng dụng pin mặt trờimàng mỏng

Hình 1.4 Sự phụ thuộc vào nhiệt

độ của độ linh động electron trong màng tinh khiết n-BaSi 2 được lắng đọng bởi phương pháp MBE Ở

300 K, n = 5×10 15 cm −3 Các đường nét đứt biểu thị các đường chỉ dẫn hàm tương ứng.

DaihocDaNang

Bảng 1.1 Năng lượng điện tử được tính toán cho các màng BaSi 2 pha tạp chất

Bảng 1.2 Các kết quả thực nghiệm về BaSi 2 pha tạp Các nồng độ hạt tải trong bảng này là giá trị cao nhất được báo cáo.

1.4.5 Các tính chất của hạt tải không cơ bản

1.4.5.1 Thời gian sống của hạt tải không cơ bản

Sự tái tổ hợp của các hạt tải dư được tạo ra bởi quá trình quang học đóng vai trò rất quan trọngtrong việc kiểm soát hiệu suất pin mặt trời Đặc biệt, thời gian sống của các hạt tải không cơ bản

trong khối bán dẫn τblà thông số cơ bản để xác nhận tiềm năng ứng dụng của BaSi2như một chấthấp thụ trong pin mặt trời màng mỏng Phép đo phân rã quang dẫn được phát hiện bởi vi sóng (µ-PCD) đã được sử dụng rộng rãi để khảo sát quá trình tái tổ hợp của các hạt tải dư Cần lưu ý rằng

mật độ hạt tải dư phải thấp hơn nhiều so với mật độ hạt tải cơ bản (electron) trong n-BaSi2 Giá trị τb

cao nhất thu được là 14 µs trong n-BaSi2

1.4.5.2 Chiều dài khuếch tán của hạt tải không cơ bản

DaihocDaNang

Cùng với thời gian sống, chiều dài khuếch tán của hạt tải không cơ bản là thước đo để mô tả đặctính vật liệu hấp thụ Để tạo ra các pin mặt trời có hiệu suất cao hơn, chiều dài khuếch tán của hạt tảikhông cơ bản là thông số rất có ý nghĩa và thường được đo bằng kĩ thuật dòng điện cảm ứng chùmtia điện tử (EBIC) Trong phương pháp này, các hạt tải điện được tạo ra trong chiều dài khuếch táncủa BaSi2loại n sẽ được thu thập bởi điện trường dưới tiếp xúc Schottky và được xem như dòng điện

chạy trong mạch ngoài Giá trị đo được là ~1,5 µm trong BaSi2trên Si (001) và ~10 µm trong BaSi2

trên Si (111) Sự khác biệt về chiều dài khuếch tán của hạt tải không cơ bản có liên quan đến độchênh lệch điện thế qua các biên hạt Trên cơ sở các kết quả này, nhìn từ quan điểm của độ dài khuếchtán của hạt tải không cơ bản, có thể kết luận rằng BaSi2lắng đọng trên bề mặt Si (111) thích hợp hơn

so với bề mặt Si (001) trong các ứng dụng pin mặt trời

1.4.5.3 Các tính chất của biên hạt

Chiều dài khuếch tán của hạt tải không cơ bản, một trong những tham số chính xác định hiệu

suất của pin mặt trời, có giá trị ~10 µm đối với màng n-BaSi2trên đế Si (111) lắng đọng bằng phươngpháp MBE Giá trị này lớn hơn nhiều so với kích thước hạt của BaSi2(~ 0,2 µm), gợi ý rằng các biên

hạt không hoạt động như các tâm khuyết tật đối với hạt tải không cơ bản (lỗ trống) trong n-BaSi2

Một số tác giả cũng nghiên cứu sự phân bố điện thế của các biên hạt trong màng n-BaSi2được tạothành bằng phương pháp MBE trên đế Si đa tinh thể (mc-Si) Các kết quả chỉ ra rằng biên hạt BaSi2

được hình thành trên các bề mặt Si (111) không có ảnh hưởng tiêu cực đến các đặc tính của hạt tảikhông cơ bản, và do đó BaSi2được hình thành trên các lớp bên dưới, như Si hoặc Ge định hướng(111) và mc-Si định hướng (111), có thể được sử dụng như một lớp hoạt động của pin mặt trời

1.4.6 Pin mặt trời sử dụng tiếp xúc dị thể BaSi 2 /Si

Một đi-ốt sử dụng tiếp xúc đồng thể pn là cấu trúc đơn giản nhất của pin mặt trời Tuy nhiênviệc tạo ra tiếp xúc đồng thể BaSi2là điều không dễ dàng Vì vậy, một số nhóm tác giả chọn bắt đầu

bằng cấu trúc dị thể p-BaSi2/n-Si Hình 1.5 mô phỏng cấu trúc vùng năng lượng của một đi-ốt tiếp xúc p-BaSi2/n-Si khi p = 2,2×1018cm−3đối với p-BaSi2và n = 2,0×1015cm−3 đối với n-Si Các độ lệch ΔECvà ΔEVtrong hình 1.5 thúc đẩy sự tách các electron và lỗ trống được tạo ra trong quá trình

quang trong p-BaSi2, cũng như trong n-Si, đó là cách hoạt động của một pin mặt trời Do đó, nhóm

tác giả dự đoán rằng trong ứng dụng pin mặt trời BaSi2sẽ hữu ích khi đóng vai trò là chất chọn lọc

Hình 1.5 Mô phỏng cấu trúc vùng năng lượng của một đi-ốt tiếp xúc dị thể p-BaSi 2 /n-Si khi p = 2,2×10 18 cm −3

đối với p-BaSi 2 và n = 2,0×10 15 cm −3

đối với n-Si Do sự chênh lệch về nồng

độ hạt tải, vùng điện tích không gian kéo dài vào trong vùng n-Si.

DaihocDaNang

Thông số về hiệu suất chuyển đổi η được tóm tắt trong hình 1.7 η đạt tối đa 9,9%, giá trị cao nhất đã từng được báo cáo về bán dẫn hợp chất của Si Về độ ổn định của các pin mặt trời này, η

được đo cho càng nhiều điện cực càng tốt trong diện tích 1×1 cm2trên pin mặt trời p-BaSi2(20

nm)/n-Si, được phủ bởi lớp a-Si dày 2-3 nm, p ≈ 2×1018cm−3 Các mẫu pin mặt trời được lưu trữ cùng vớicác mẫu khác trong một tủ hút ẩm đơn giản với áp suất ~ 76 Torr trong nhiều khoảng thời gian khác

nhau lên đến 226 ngày kể từ khi được chế tạo Như hiển thị trong hình 1.7, η không bị suy thoái.

Trong thời gian bảo quản dài như vậy, O trong không khí có thể kết hợp với lớp BaSi2 Các phép tính

sử dụng nguyên lí thứ nhất tiết lộ rằng các nguyên tử O được cho là ở các vị trí trung gian 4c thay vì

các vị trí thay thế, khác với các nguyên tố nhóm 13 hoặc 15 và không tạo ra các trạng thái định xứtrong vùng cấm Đây có lẽ là một trong những lí do tại sao O (có thể tương tác mạnh với BaSi2)dường như không có ảnh hưởng bất lợi đến hiệu suất của pin mặt trời

Lưu ý rằng chúng ta có thể chuyển đổi từ đi-ốt cấu trúc dị thể p-BaSi2/n-Si thành cấu trúc đồng

thể BaSi2pn bằng cách tạo một lớp n-BaSi2trên lớp hấp thụ p-BaSi2tương đối dày được lắng đọng

trên đế Si với điện trở suất ρ nhỏ và xa hơn là cấu trúc song song BaSi2-pn/Si-pn Thay thế một nửa

vị trí Ba(1)bằng Sr có tính đẳng điện sẽ mở rộng vùng cấm của BaSi2thêm 0,1 eV Về mặt lí thuyết,việc mở rộng vùng cấm của BaSi2được thực hiện bằng cách thay Ba bằng Sr và bằng cách thay Sibằng C Với hiệu suất pin mặt trời đạt được như hiện tại thì vẫn còn nhiều cách để cải thiện hơn nữa

η trong các cấu trúc thiết bị BaSi2

Hình 1.7 Đồ thị phụ thuộc của η vào thời gian của các pin mặt trời p-BaSi 2 (20 nm)/n-Si được phủ một lớp a-Si dày 2 nm hoặc 3 nm với p = 2×10 18 cm −3

Hình 1.6 Đặc trưng J – V dưới ánh sáng AM1.5 Độ dày lớp p-BaSi 2 thay đổi từ 10, 20, 30 và 50 nm.

DaihocDaNang