Chương 1 Tổng quan pin mặt trời đơn tinh thể 1.1 Pin mặt trời một tiếp xúc p-n Năng lượng bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng sạch và có thể coi là vô tận. Hiện nay có nhiều phương pháp sử dụng năng lượng này cho các ứng dụng như một nguồn nhiệt năng và nguồn điện năng. Về mặt điện năng, nguồn năng lượng này là giải pháp khả thi cho bổ sung cho nhu cầu điện năng phục vụ gia đình , chiếu sáng công cộng, vùng sâu xa hải đảo vốn hiện được sản xuất chủ đạo từ năng lượng hóa thạch và thủy điện đang gần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường. Việt Nam là một trong những quốc giá có vị trí địa lý phù hợp để phát triển nguồn năng lượng này với thời gian chiếu sáng 1800-2100 giờ một năm ở các tỉnh phía Bắc và 2000-2600 giờ với các tỉnh phía Nam [11].
Số liệu mật độ năng lượng mặt trời chiếu tới các địa phương từ khu vực phía Bắc tới Nam như Hình 1-1 7 6.5 Mật độ năng lượng (kWh/m2 /ngày) 5.5 Hà Nội 4 Đà Nẵng 3. Hồ Chí Minh 3 2.5 2 Hình 1-1: Mật độ năng lượng bức xạ mặt trời trung bình trong ngày tại Việt Nam[11] Năng lượng ánh sáng mặt trời có thể chuyển hóa trực tiếp thành điện năng bởi pin mặt trời. Thành phần quan trọng trên một tấm pin mặt trời là tế bào quang điện (solar cell). Có nhiều loại tế bào quang điện, có thể được tạo từ đế (wafer) Silicon đơn tinh thể hoặc đa tinh thể hoặc pin mặt trời màng mỏng ( sử dụng silic vô định hình, CdTe, GaAs, CIS), và pin mặt trời silicon ribbons[12].
Pin mặt trời được tạo từ đế silicon là phổ biến nhất do độ bền của vật liệu bán dẫn này, và cũng là vật liệu được sử dụng nhiều trong công nghiệp điện tử nên tạo nguồn cung cấp có tính kinh tế. Trong các loại đế silic, đế tế bào quang điện silic đơn tinh thể được sử dụng khá phổ biến, đế này được cắt từ thanh silic tạo từ phương pháp mọc Czochralski (Cz) hoặc Floatzone (Fz) và được pha tạp trong quá trình mọc mầm để tạo thành đế loại n hoặc loại p.Khi chất LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 pha tạp là Boron thì tạo ra vật liệu đế bán dẫn loại p. Từ loại đế này, người ta có thể tạo thành tế bào quang điện bằng nhiều cách khác nhau. Trong số đó là tế bào quang điện có một lớp tiếp xúc giữa hai bán dẫn loại p và bán dẫn loại n có cùng một cấu trúc tinh thể.
Cấu trúc một tế bào quang điện một lớp tiếp xúc p-n tiêu biểu được mô tả như Hình 1-2 Hình 1-2: Cấu trúc tế bào quang điện (solar cell) một tiếp xúc p-n Để tạo thành tế bào quang điện từ loại đế này, ta có các bước cơ bản sau đây : (1) làm sạch bề mặt bằng hóa chất (như HR, acetone), (2) khắc ăn mòn bề mặt (texture) trong dung dịch KOH để tạo các kim tự tháp giảm phản xạ, (3) khuyếch tán Photpho nhiệt độ cao lên mặt trên của đế để hình thành tiếp xúc p-n, tiếp xúc này đóng vai trò quan trọng trong việc thu các hạt tải dư khi tế bào hấp thụ photon để tạo ra dòng điện, (4) phủ lớp chống phản xạ (ARC). Khi đó ta có được tế bào quang điện một lớp tiếp xúc p-n,(5) để sử dụng ta phủ tiếp xúc kim loại lên mặt trước (thường là bạc Ag) và mặt sau (thường là nhôm Al) của tế bào quang điện để nối với các tế bào quang điện khách tạo thành tấm pin mặt trời rồi nối với tải tiêu thụ. Để có một tế bào quang điện, thì một lớp tiếp xúc p-n đã có thể đóng vai trò là một tế bào quang điện. Nhưng để có được nhiều hạt tải dư nhận được từ sự hấp thụ photon ánh sáng hay nâng cao hiệu suất chuyển hoán của tế bào quang điện, người ta đưa ra nhiều cấu trúc pin khác nhau đều dựa trên sự cấu thành của các tiếp xúc p-n và sự hạn chế thất thoát hạt tải do điện trở, do sự tái hợp hạt tải ở bề mặt cũng như trong thế tích của tế bào quang điện, và do sự thất thoát quang học.
Mục đích của luận văn “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ BẰNG VẬT LIỆU SiNx SiOx DÙNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” là sử dụng hai vật liệu silic nitrit (silicon nitride) và oxit silic (silicon dioxide) chế tạo bằng phương pháp phủ hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD) với bề dày tối ưu chống phản xạ để giảm sự thất thoát quang học dẫn đến nâng cao hiệu suất chuyển hoán tổng hợp của pin. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Cấu trúc vật liệu tạo tế bào quang điện một lớp tiếp xúc p-n 1.1 Cấu trúc mạng và cấu trúc vùng năng lượng Silic là chất bán dẫn nguyên tố thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn Mendeleev, là nguyên tố phổ biến thứ hai sau Oxi, khi các nguyên tử silic liên kết với nhau tạo thành Hình 1-3: (a) Cấu trúc mạng lập phương tâm mặt của Si, hằng số mạng a0 0,543nm , ba vector cơ sở a1 , a2 , a3 mô tả ô nguyên thủy.(b) Cấu trúc vùng dẫn bán dẫn c-Si [9] mạng tinh thể có kiểu cấu trúc mạng kim cương với ô cơ sở dạng lập phương tâm mặt. Silic đơn tinh thể (c-Si) có ứng suất Young 133-188 GPa, độ dẫn nhiệt 149W .K 1 nên bền về mặt cơ học. Khi các nguyên tử silic sắp xếp lại với nhau thành mạng tinh thể thì các mức năng lượng gián đoạn khã dĩ của các electron của chúng xen phủ với nhau tạo thành các vùng năng lượng khã dĩ của các electron trong mạng tinh thể.
Trong không gian năng lượng – vector sóng electron E-k, cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu khối bán dẫn c-Si là cấu trúc vùng cấm xiên, vị trí tương ứng cùng vector sóng k đáy vùng dẫn Ec và đỉnh vùng hóa trị EV là khác nhau như Hình 1-3b. Vùng dẫn và vùng hóa trị tách biệt nhau phân cách bởi vùng cấm không có trạng thái năng lượng khã dĩ cũa electron chiếm chỗ , với giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ 4, 73.104 T 2 Eg 1,17 eV , ở nhiệt độ 300K bề rộng vùng cấm silic vào khoảng T 636 1,12eV[2].2 Sự hấp thụ photon 1.1 Sự chuyển mức Sự hấp thụ photon ánh sáng có nhiều cơ chế hấp thụ khác nhau. Ta quan tâm tới sự hấp thụ photon liên quan tới sự chuyển mức năng lượng của electron giữa các vùng năng lượng cho phép, do bởi sự hấp thụ này liên quan tới sự hình thành hạt tải dư [10] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 [2], là các hạt tải cần thiết khi tế bào quang điện hoạt động. Sự hấp thụ này được gọi là hấp thụ cơ bản, tuận theo qui tắc chọn lọc là thỏa mãn định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn động lượng.
Với bán dẫn silic, sự chuyển mức của electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn liên quan tới ba hạt : electron, photon và phonon. Vector sóng tương ứng với thành phần động lượng k của electron. Khác vật liệu có cấu trúc vùng dẫn thẳng, khi hấp thụ photon với năng lượng photon Eg thì sự dịch chuyển mức năng lượng của electron lên vùng dẫn có cùng giá trị vector sóng, không có sự thay đổi về động lượng, vật liệu bán dẫn vùng cấm xiên, sự dịch duyển từ đỉnh vùng hóa trị EV lên mức năng lượng đáy vùng dẫn Ec kèm theo dao động mạng (phonon) tương ứng với sự phát sinh hay hấp thụ phonon có năng lượng phonon và vector sóng k phonon. Sự dịch chuyển được mô tả như Hình 1-3b, đầu tiên electron sẽ dịch chuyển thẳng lên mức giả bền có cùng vị trí vector sóng, sau đó là sự phát sinh hay hấp thụ phonon kèm theo để electron tiến tới đáy vùng dẫn.
Định luật bảo toàn động lượng trong trường hợp chuyển mức xiên có dạng : k 'e k e k photon k phonon (1.1) Vector sóng của điện tử thay đổi rất nhiều xấp xỉ với kích thước vùng Brillouin cỡ 10 cm1 , trong khi vectro sóng của photon có giá trị nhỏ cỡ 104 cm1 nên có thể bỏ qua 7 phần động lượng photon ở ta có : k 'e k e k phonon. Dấu cộng ứng với dịch chuyển kèm theo sự phát sinh phonon, dấu trừ ứng với sự hấp thụ phonon khi một photon bị hấp thụ. Định luật bảo toàn năng lượng trường hợp chuyển mức xiên có dạng: Ek ' Ek photon phonon (1.2) Xác suất chuyển mức xiên thường nhỏ hơn so với chuyển mức thẳng. Do đó, ở bán dẫn vùng cấm xiên, khi electron nhảy lên vùng dẫn thì xác suất chuyển mức của nó nhỏ hơn so với bán dẫn vùng cấm thẳng hay thời gian tồn tại ở vùng dẫn của chúng sẽ lâu hơn.2 Hệ số hấp thụ Năng lượng của photon ánh sáng tới tương ứng với bước sóng trong chân không 0 hc và tần số của sóng của nó là E photon h , h là hằng số Plank.1, 0 sự hấp thụ photon khi tương tác với bán dẫn là khác nhau với bước sóng khác nhau.
Với các photon có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm Eg thì xác suất hấp thụ cao hơn so với các photon có năng lượng nhỏ hơn hay lân cận giá trị Eg. Với chùm ánh sáng tới có cường độ I 0 (W .cm2 ) , do sự hấp thụ photon của chùm sáng, cường độ ánh sáng sẽ giảm dần theo độ sâu x kể từ bề mặt của bán dẫn. Do đó cường độ ánh sáng đơn sắc tần số theo độ sâu x giảm theo qui luật hàm mũ là : I ( x) I 0 e x (1.3) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Hệ số là hệ số hấp thụ photon của vật liệu. Với bán dẫn Si thì hệ số hấp thụ photon tương ứng với các bước sóng (trong chân không) khác nhau được trình bày ở Hình 1-4.
Nhận thấy, với các photon có năng lượng nhỏ hơn độ rộng vùng cấm 1.24 Eg 1, 24eV hay có bước sóng chân không 0 103 1103(nm) thì sự hấp thụ Eg (eV ) nhỏ hơn rất nhiều so với các photon có năng lượng lớn hơn Eg .