Ứng dụng SnO2 trong pin mặt trời màng mỏng

SnO2 có dạng bột trắng , không tan trong nước. Tỷ trọng ở 300 K là 6.95gm3 Hệ số dẫn nở nhiệt : 0.02 oC1. SnO2 là chất bán dẫn loại n, có độ rộng vùng cấm Eg = 3,6 4,3 eV. SnO2 có khả năng bền hóa học , bền cơ học rất cao, nó chỉ bị ăn mòn bởi kiềm đậm đặc.

Báo cáo môn Vật liệu quang điện tiên tiến

Đề tài: Ứng dụng SnO2 trong pin mặt trời màng mỏng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-Viện Vật Lý Kỹ

Thuật -1

TỔNG QUAN VỀ SnO2

 Cơ bản về thiếc đioxit (SnO2)

 Cấu trúc tinh thể SnO2

 Tiềm năng và ứng dụng

3

Cơ bản về thiếc đioxit (SnO2)

• SnO2 có dạng bột trắng , không tan trong nước.

• Tỷ trọng ở 300 K là 6.95g/m3

• Hệ số dẫn nở nhiệt : 0.02 oC-1

• SnO2 là chất bán dẫn loại n, có độ rộng vùng cấm

Eg = 3,6 -4,3 eV

• SnO2 có khả năng bền hóa học , bền cơ học rất cao,

nó chỉ bị ăn mòn bởi kiềm đậm đặc

Tính chất vật lý

4

• Trong mạng tinh thể SnO2 tồn tại nhiều sai hỏng,

do sự hiện diện của các nút khuyết oxi tạo điều

kiện cho 2 điên tử trong nguyên tử Sn thành điện

tử tự do, từ đó hình thành hai mức donor cách

đáy vùng dẫn lần lượt là 0,03eV và 0,15eV, đạt

trạng thái oxi hóa tại nhiệt độ 200o C và 400o C

• Độ linh động trong oxit SnO2 ở nhiệt độ 500K và

300K lần lượt là 80 và 200 cm2 /V.s

5

• SnO2 là tinh thể phân cực bất đẳng hướng, có cấu trúc

rutile tương tự như một số oxit khác (TiO2, GeO2, )

• Mỗi ô đơn vị tetragonal chứa 2 nguyên tử Sn và 4 nguyên

tử oxy Bao quanh nguyên tử Sn có 6 nguyên tử O Các

nguyên tử O tạo thành hình bát diện với tâm là nguyên tử

Sn Liên kết giữa các nguyên tử là liên kết ion mạnh.

• Thông số mạng a=b=4,7384 Ao và c=3,1871 Ao Tỉ số c/a

=0,6726.

Cấu trúc tinh thể SnO2

6

• Trong cấu trúc đơn tinh thể SnO2, mặt (110)

có năng lượng bề mặt nhỏ hơn so với các

mặt (100) ,(101) , (001), do đó sẽ ưu tiên

mọc theo mặt (110)

• Phân tích cấu trúc vật liệu SnO2 sẽ dùng

phương pháp nhiễu xạ tia X

• Trên hình bên cho ta thấy xuất hiện đỉnh

phổ với cường độ mạnh nhất ở góc quét 2θ

7

Tiềm năng ứng dụng

• SnO2 được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hiện nay

 Lớp mỏng SnO2 phủ lên cửa kính máy bay có tác dụng gia nhiệt cửa kính và làm tan băng,

bốc hơi sương mù

 Làm điện cực trong suốt trong đèn phát quang và đèn hình máy tính, pin mặt trời.

 Làm chất phủ bảo vệ chống ăn mòn trên các đồ thủy tinh

 Được sử dụng làm chất mờ đục trong công nghệ gốm

 Dùng làm dò khí…v.v

• Ở đây bài thuyết trình chủ yếu tập trung về :

Ứng dụng SnO2 trong pin mặt trời màng mỏng.

8

SnO2 trong pin mặt trời màng mỏng:

Đặc điểm màng SnO2

- Màng có cấu trúc tính thể định hướng ưu tiên các

mặt (110), (101), (211)

- Là màng mỏng trong suốt có tính truyền qua, dẫn

điện tốt, độ bền hóa học, độ bền cơ học cao

Ứng dụng làm anot trong pin mặt trời

mảng mỏng

9

TÓM TẮT – GiỚI THIỆU

10

Tóm Tắt

• Các điện cực trong thiếc dioxide (SnO2) trên kính được khắc sâu thêm trong HCl pha loãng: dung dịch Cr để có độ mài

mòn bề mặt lớn hơn và đặc tính tán xạ ánh sáng tốt hơn cho các ứng dụng pin mặt trời màng mỏng Các thông số quy trình về tỷ lệ hỗn hợp HCl/Cr, nhiệt độ khắc và thời gian khắc đã được kiểm tra Sau quá trình khắc, đo độ mài mòn bề mặt, truyền mờ và độ che phủ của kính SnO2 Nó đã được tìm thấy rằng tốc độ ăn mòn đã được tăng lên với các bổ sung trong quá trình khắc của Cr và nhiệt độ khắc Các tham số khắc chế bề mặt tối ưu là 0,15% trọng lượng Cr trong 49% HCl, nhiệt độ 90°C, và thời gian 30 giây Hơn nữa, các pin mặt trời màng mỏng silic có cấu trúc p-i-n được chế tạo trên kính SnO2 kết cấu bằng cách sử dụng hóa chất nóng trong dây nóng

11

12

• Đối với điện cực trong suốt, yêu cầu của bộ phim TCO là độ phủ thấp để giảm thiểu tổn thất hiện tại, độ tiếp xúc thấp với các lớp bán dẫn, và sự truyền ánh sáng tới lớn

• Để sử dụng hoàn toàn ánh sáng tới, một kỹ thuật quan trọng của cái gọi là ánh sáng đã được phát triển bằng cách sử dụng TCO với kết cấu bề mặt thích hợp Chỉ ra rằng một thiết kế đặc biệt của các màng TCO đóng một vai trò quan trọng trong việc tăng cường hoạt động của các pin mặt trời màng mỏng TCO kết cấu bề mặt có thể phân tán ánh sáng rất nhiều và tăng độ dài đường dẫn quang học hiệu quả trong các lớp hoạt động Do đó, điều này sẽ cải thiện cả độ hấp thụ quang học và mật độ dòng điện trong các pin mặt trời màng mỏng Sau đó, các chất TCO kết cấu ngẫu nhiên khác nhau đã được đề xuất để làm tăng sự tán xạ ánh sáng

13

• Phần lớn các màng mỏng Si dựa trên thủy tinh được chuẩn bị trên kính SnO2 (SnO2: F) pha tạp bằng flo do bề mặt thô ráp của chúng Hơn nữa, ZnO trực tiếp lắng đọng hoặc kết cấu là một phương pháp hấp dẫn khác để chế tạo chất nền TCO thô Bằng cách sử dụng ZnO được tạo cấu trúc, hiệu suất lượng tử của các pin mặt trời màng mỏng trên toàn bộ dải phổ có thể tăng lên.Có thể đạt được sự cải thiện hơn nữa trong việc giảm các tổn thất hấp thụ hấp thụ của chất mang

tự do trong hồng ngoại / hồng ngoại và sự hấp thụ xung quanh cạnh quang học ZnO trong vùng xanh dương / UV

Sơ đồ sơ đồ các hiệu ứng tán xạ ánh sáng trong kính TCO mịn 14

• SnO2, một trong những loại pin TCO phổ biến nhất, thường được chuẩn bị bằng cách tích tụ hơi hóa học áp suất khí quyển với bề mặt có kết cấu nguyên bản Một phương pháp để tạo ra một mô hình hoặc để loại bỏ các lớp SnO2 bằng cách khắc ướt Nguyên liệu của phương pháp này bao gồm 3 lít 50% HCl và 20 g crôm kim loại (Cr) Hỗn hợp được làm nóng đến 90°C với sự khuấy liên tục để hòa tan Cr Trình tự phản ứng tổng thể của phương pháp khắc.

• Dưới đây chúng tôi chọn kính SnO2 được sản xuất hàng loạt như chất nền thường được sử dụng cho các ứng dụng quang điện tích hợp xây dựng Sau đó việc kết cấu hóa học ướt được thực hiện bằng cách sử dụng dung dịch HCl pha loãng: Cr để đạt được độ nhám bề mặt lớn hơn và các tính chất tán xạ ánh sáng tốt hơn cho các ứng dụng pin mặt trời màng mỏng

15

THỰC NGHIỆM

16

 Dung dịch HCl pha loãng 49%

 Nhiệt độ mài mòn từ 27-100oC

 Thời gian khắc (tetch) tăng từ 1-300s

Các ảnh hưởng của điều kiện khắc lên sự biểu diễn quang điện của phim SnO2 đã được nghiên cứu chi tiết

18

Quy trình chế tạo

Một chất kiềm chống ăn mòn được sàng lọc

trên bề mặt của đĩa

Dung môi để chống lại sự ăn mòn

Dung dịch bao gồm 3 lít 49%HCl và 20g Cr

Sấy khô

Làm nóng đến 90oC và khuấy trong 4 phút

Rửa và sấy

19

Các chuỗi phản ứng tổng thể của hoạt động khắc như sau

Cro -> Cr++ trong dung dịch axit nóng

Cr++ -> Cr+++ bởi quá trình oxy hóa khi bề mặt tiếp xúc với không khí

20

 Giới thiệu về công nghệ hấp thụ hóa học đường dây nóng (HWCVD)

• Công nghệ mới để chứa các vật liệu ở nhiệt độ thấp mà không sử dụng plasma để phân hủy khí nguồn

• Dựa vào một sợi filament nóng để phân hủy các loại khí (không bắn

phá ion như trong PECVD)

• Lợi ích:

 Giảm chi phí sản xuất

 Nhiệt độ thấp hơn lắng đọng

 Tăng trưởng nhanh và có thể kiểm soát được

 Kiểm soát hình thái bề mặt trong quá trình tăng trưởng

=> HWCVD đại diện cho một sự thay thế PECVD

2.Lắng đọng cấu trúc Si p-i-n

21

• Việc lắng đọng film trên bề mặt ở nhiệt độ phòng:

o Thứ nhất, quá trình lắng đọng có giới hạn có thể được sử dụng (vì nhiệt độ nền

thấp làm tăng cơ chế như vậy)

o Thứ hai, các chất nền nhạy với nhiệt độ có thể được tráng mà không gặp khó

khăn

o Cuối cùng, có thể đạt được nhiệt độ sợi dây cao hơn đáng kể với mức tiêu hao

điện năng thấp, cho phép khai thác nhiều hơn các hóa chất CVD.

22

Các thông số chính của lắng đọng film Si bao gồm:

• Nhiệt độ dây: 1700oC

• Nhiệt độ nền: 300oC

• Áp suất làm việc: 100 mTorr

• Chất phụ gia với tốc độ dòng chảy tương ứng

3.Hình thành điện cực ngược

• Sau khi đặt cấu trúc p-i-n, lớp Ag dày 500 nm và lớp Al dày 1 μm đã được trồng theo tuần tự như điện cực lưng bằng cách bốc hơi tia electron và sau đó ủ ở

500°C để đạt được một tiếp xúc ohmic

Các pin mặt trời màng Si được chế tạo với cấu trúc lớp Si / SnO2 / p-i-n Si / Ag-Al kết hợp với kích thước tế bào là 5x5 mm2

24

KẾT QUẢ - KẾT LUẬN

25

• Tỉ lệ Cr 0.15-0.45 cho kết quả khắc ổn định và

cao

• Qúa trình ăn mòn xảy ra từ 60°C trở lên

• Phản ứng ăn mòn xảy ra nhanh khi tăng nhiệt

độ, khi tăng nhiệt độ từ 60°C đến 100°C , vận

• 1-120 giây, độ nhám RMS của SnO2 trước tiên

tăng lên và sau đó giảm

• Giá trị RMS cao nhất là 286,3 nm đã thu được

bằng cách sử dụng mẫu A trong 30 giây

• Khoảng thời gian từ 120-300s giá trị RMS tăng

lên Nguyên nhân do sự phá hủy bề mặt do thời

gian ăn mòn quá dài

27

• Hình 5 (c) và 6 (c), một số lỗ nhỏ xuất hiện trong hạt SnO2 khi đã tăng lên 120 giây.

• Đối với mẫu khắc 300 giây, kích thước của lỗ được tăng lên đến vài trăm nm như thể hiện trong hình 5 (d)

Để kiểm tra độ tối ưu, dùng cách màng a-Si (500nm) lắng đọng trên SnO2 khắc và không khắc.

• Khả năng hấp thụ ánh sáng của màng được cải thiện rõ rệt với màng Si trên đến SnO2 đã khắc.

• Đặc biệt, với mẫu A được khắc trong 30s có khoảng hấp thụ sáng cao hơn các mẫu khác với bước sóng từ 400-800nm.

31

So sánh pin mặt trời p-i-n chế tạo bằng HWCVD trên kính gốc và trên đế SnO2 với lớp hấp thụ nội tại

500nm :

33

Hiệu suất của pin mặt trời được tăng lên từ 4,04 đến 4,39% với thời gian khắc 0s đến 30s.

34

Kết luận

• Bề mặt SnO2 khắc thành công bằng kỹ thuật ăn mòn axit.

• Với kính SnO2 đã khắc, hiệu suất PMT đạt 4,39%

• Lượng Cr pha tạp, nhiệt độ, thời gian ăn mòn ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt SnO2

Tư liệu tham khảo

1. Texture-Etched SnO2 Glasses Applied to Silicon Thin-Film Solar Cells  

2. B Stannowski, J K Rath, and R E I Schropp, “Thin-film transistors deposited by hot-wire chemical vapor deposition,” Thin  

Solid Films, vol 430, no 1-2, pp 220–225, 2003

3. S K Soni, A Phatak, and R O Dusane, “High deposition rate device quality a-Si:H films at low substrate temperature by

HWCVD technique,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol 94, no 9, pp 1512–1515, 2010  

4. B Schroeder, “Status report: solar cell related research and development using amorphous and microcrystalline silicon

deposited by HW(Cat)CVD,” Thin Solid Films, vol 430, no 1-2, pp 1–6, 2003  

5. J Müller, B Rech, J Springer, and M Vanecek, “TCO and light trapping in silicon thin film solar cells,” Solar Energy, vol 77, no  

6, pp 917–930, 2004….v.v

36

Cảm ơn cô và các bạn đã chú ý lắng nghe

37