Nghiên cứu chế tạo màng ZnO pha tạp

ZnO có t
t c 3 dng c
u trúc: haxagonal wurtzite, zinc blende, rocksalt (hình I.1.1). Trong ó, haxagonal wurtzite có tính ch
t nhit ng lc n  nh nh
t trong i u kin nhit  và áp su
t môi trưng xung quanh; zinc blende ch kt tinh ưc trên  có c
u trúc lp phương và dng rocksalt ch tn ti  áp su
t cao

1 Màng dẫn điện trong suốt ZnO:Al

1.1.Những đặc trưng cơ bản về màng mỏng ZnO:

ZnO có tất cả 3 dạng cấu trúc: haxagonal wurtzite, zinc blende, rocksalt (hình I.1.1) Trong đó, haxagonal wurtzite có tính chất nhiệt động lực ổn định nhất trong điều kiện nhiệt độ và áp suất môi trường xung quanh; zinc blende chỉ kết tinh được trên đế

có cấu trúc lập phương và dạng rocksalt chỉ tồn tại ở áp suất cao [10]

(

(a) (b) (c)

Cấu trúc haxagonal wurtzite (hình I.1.2) gồm hai mạng lục giác xếp chặt lồng vào nhau của cation Zn2+ và anion O2- dịch chuyển bởi chiều dài liên kết dọc theo trục

Mỗi mạng con có 4 nguyên tử trên một ô đơn vị (hình I.1.3), mỗi nguyên tử của một loại (nhóm II) được bao bọc xung quanh bởi 4 nguyên tử của loại khác (nhóm IV)

và ngược lại, tạo thành một khối tứ diện:

Trong mỗi ô đơn vị của ZnO có chứa 2 nguyên tử Oxy và 2 nguyên tử Zn ở các vị trí

Zn (0 0 0) và Zn (2/3, 1/3,1/2) ; O (0 0 u) và O (2/3, 1/3,1/2+u ) Với các thông số đặc trưng cho cấu trúc mạng tinh thể a = b = 0,3249 nm, c = 0,5205 nm

379,04

13

=+

Tinh thể ZnO có nhiệt độ nóng chảy cao (1.9750C), khối lượng riêng 5,606 g/cm3, không tan trong nước, không mùi ZnO ở dạng bột có màu trắng, rất dễ tan trong dung dịch axít và tan được trong dung dịch kiềm Ngoài ra, tinh thể ZnO còn có tính áp điện và nhiệt sắc

Theo lý thuyết, một vật liệu không thể vừa trong suốt vừa dẫn điện vì tính dẫn điện tỉ lệ thuận với nồng độ hạt dẫn tự do n, trong khi đó tính trong suốt lại tỉ lệ nghịch với n Nhưng trên thực tế, các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo được hai loại vật liệu vừa trong suốt vừa dẫn điện là: polyme dẫn và Oxít trong suốt dẫn điện ZnO nằm trong số ít những Oxít có đặc tính đặc biệt này Nhưng nó chỉ có thể đạt được màng có

độ dẫn điện và trong suốt cao bằng cách pha tạp thích hợp một cách có kiểm soát để tạo ra sự suy biến electron trong vật liệu có năng lượng vùng cấm rộng (Eg >3eV hay cao hơn)

Hình I.1 3: Ô đơn vị của ZnO

Các chất thường sử dụng để pha tạp cho ZnO là Al, Li, N, … Chúng sẽ đóng vai trò khác nhau trong quá trình tạo hạt tải [11, 12] Do giới hạn của luận văn, các tính chất đặc trưng chi tiết của ZnO:Al được trình bày trong phần sau

1.2 Sai hỏng trong tinh thể ZnO:Al

Trong phần trên ta đã xét cấu trúc mạng tinh thể lý tưởng, tức là mạng trong đó

toàn bộ các phần tử cấu tạo nên vật rắn nằm ở các vị trí nút mạng đều tuân theo quy

luật đối xứng, tuần hoàn trong không gian tinh thể Tuy nhiên, trong tinh thể thực luôn tồn tại các sai hỏng cấu trúc

Để hiểu rõ hơn về sự pha tạp Al vào mạng tinh thể ZnO và bản chất của việc tăng khả năng dẫn điện của màng ZnO:Al, ta xét sự tạo thành sai hỏng trong vật liệu

1.2.1 Sai hỏng về mặt cấu trúc

Trong tinh thể ZnO luôn có những nguyên tử (hoặc ion) có khả năng di chuyển

ra khỏi vị trí nút mạng và đi vào vị trí xen kẽ giữa nút mạng, hoặc dời khỏi mạng tinh thể, để lại vị trí trống (nút khuyết) ở nút mạng cân bằng cũ

Có hai dạng sai hỏng điểm chủ yếu (hình I.1.4) là sai hỏng Frenkel và sai hỏng

1.2.2 Sai hỏng điện tử, sự tạo thành vật liệu bán dẫn

Sai hỏng điện tử là sự khác biệt cấu trúc lớp vỏ điện tử ngoài cùng so với lớp vỏ liên kết bền vững, xảy ra khi các electron hoá trị bị kích thích lên mức năng lượng cao hơn Sự kích thích này có thể tạo một electron trong vùng dẫn hoặc một lỗ trống trong vùng hoá trị

Khi pha tạp Al vào mạng tinh thể ZnO, các ion dương Al3+và Zn2+ có bán kính ion gần bằng nhau (0,53 A0 và 0,72 A0), do đó ion Al3+ dễ dàng thâm nhập vào mạng lưới ZnO bằng cách thay thế ion Zn2+ mà không phân thay đổi cấu trúc của đơn vị cấu thành

Hình I.1.4 : Sự sai hỏng điểm trong cấu trúc tinh thể

Hơn nữa, việc giảm số lượng nút khuyết hoặc Oxy hóa do không khí cũng ảnh hưởng mạnh đến tính dẫn điện của ZnO tinh khiết Những biến đổi đó được xem là do

độ linh động của electron hơn là do mật độ hạt mang điện Điều này gây ra bởi sự hấp phụ hóa học hoặc sự giải phóng Oxy từ biên hạt Sự hấp phụ Oxy tại biên hạt tạo ra một lớp không gian mang điện tích dương dưới bề mặt của ZnO Lớp này bắt giữ electron, dẫn đến việc giảm độ linh động và nồng độ electron và do đó làm giảm tính dẫn điện

Sự gia tăng nồng độ hạt tải trong màng ZnO pha tạp Al cũng liên quan đến việc

mở rộng độ rộng vùng cấm, đó chính là hiệu ứng Moss-Burstein Cấu trúc vùng năng

lượng của ZnO:Al có dạng parabol như hình I.1.5 [5]

Hình I.1.5: Sự thay đổi độ rộng vùng cấm ZnO khi pha tạp Al

Khi chưa pha tạp, vùng dẫn của ZnO hầu như không bị chiếm bởi điện tử nào

Do đó điện tử từ đỉnh vùng hóa trị có thể hấp thụ lượng tử ánh sáng có năng lượng Eg

và chuyển mức thẳng lên đáy vùng dẫn

Tuy nhiên khi pha tạp Al làm tăng điện tử tự do, do Al chiếm dần các mức dưới cùng của vùng dẫn Theo nguyên lí Pauli, hệ các fermion không cho phép tồn tại hơn một hạt trong một trạng thái lượng tử, do đó các electron ở đỉnh vùng hóa trị và lân cận quanh đó không thể nhảy lên chiếm các trạng thái tại đáy vùng dẫn – vốn đã có các electron dẫn, mà chỉ có các electron nằm xa đỉnh vùng hóa trị hơn mới có thể chuyển

mức thẳng lên chiếm các trạng thái trống trên vùng dẫn Các electron này đòi hỏi lượng

tử ánh sáng có năng lượng cao hơn, do đó độ rộng vùng cấm tăng lên Độ tăng của độ

rộng vùng cấm theo hiệu ứng Burnstein-Moss được tính bằng công thức (1.1):

Nếu độ dày màng đủ lớn thì độ dẫn của chúng gần giống như độ dẫn của vật liệu

khối Theo định luật Ohm dưới dạng vi phân, dòng điện tỉ lệ với điện trường E theo

Với n, µ là nồng độ và độ linh động của hạt tải

Từ đó, cho chúng ta thấy độ dẫn điện phụ thuộc vào hai yếu tố: nồng độ hạt tải

và độ linh động Và quá trình ủ nhiệt ảnh hưởng sâu sắc đến hai yếu tố trên

1.3.2 Ảnh hưởng của quá trình ủ nhiệt lên độ dẫn điện của màng ZnO:Al

Màng ZnO tạo thành bằng phương pháp Sol-gel khi chưa ủ nhiệt có rất nhiều lỗ trống Oxy, do đó rất nhiều Zn thừa ra 02 electron Các electron này đóng góp vào nồng

độ hạt tải n và tham gia vào quá trình dẫn điện Tuy nhiên, màng ZnO lúc này có vi cấu trúc rất không đồng nhất, các quá trình tán xạ xảy ra mạnh làm độ linh động µ của hạt tải không cao Do đó độ dẫn điện (σ = nµq) không lớn và kết quả là màng ZnO mới phủ có điện trở tương đối cao Ngoài ra, cũng do vi cấu trúc của màng không đồng nhất

và độ gồ ghề lớn mà màng tán xạ ánh sáng mạnh, nhất là ở vùng bước sóng ngắn, làm giảm độ trong suốt của màng

Màng ZnO sau khi đã ủ nhiệt trong khí trơ (Nitơ…) hoặc chân không thì

vi cấu trúc màng trở nên đồng nhất, tán xạ của điện tử giảm nên độ linh động µ tăng

Do đó độ dẫn điện (σ = nµq) tăng lên so với màng ZnO mới phủ

Còn màng ZnO sau khi đã ủ nhiệt trong không khí, hệ số khuếch tán D của quá trình Oxy khuếch tán từ không khí vào màng tăng Oxy tràn vào lấp các lỗ trống, do đó số Zn dư sẽ giảm, nồng độ hạt tải n giảm Nhưng vi cấu trúc màng trở nên đồng nhất, tán xạ của điện tử giảm nên độ linh động µ tăng Hiện tượng suy giảm nồng

độ hạt tải và gia tăng độ linh động µ sẽ cạnh tranh nhau Nếu lựa chọn nhiệt độ ủ thích hợp, sẽ hạn chế được sự giảm hạt tải và tăng được độ linh động µ, kết quả là độ dẫn điện (σ = nµq) tăng, màng sẽ vẫn dẫn điện tốt mà lại trong suốt Do đó, việc lựa chọn

“cửa sổ” nhiệt độ khi nung và môi trường khí trong lò nung là rất quan trọng [5,10,15]

1.4 Tính chất quang của màng mỏng ZnO:Al

ZnO là loại bán dẫn chuyển mức thẳng với độ rộng vùng cấm khá lớn (3,35 eV), tinh thể bất đẳng hướng có một trục quang học và có độ truyền qua cao (>80%) trong vùng ánh sáng khả kiến Do đó tinh thể ZnO là trong suốt, hấp thu riêng ở bước sóng lớn hơn 370nm, với chiết suất cỡ 2,008 nên độ truyền qua giảm mạnh khi bước sóng

nhỏ hơn 0,4 µm Việc tăng hàm lượng pha tạp Al đóng vai trònâng cao khả năng phản

xạ, đồng thời giảm độ truyền qua trong vùng hồng ngoại [13]

vô cơ với điện cực trên (top electrode) là ZnO:Al đã được khảo sát

2 Nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời:

Pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn để tạo ra

dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời Điều đó có nghĩa là, khi chất bán dẫn hấp

thụ photon có năng lượng thích hợp sẽ sinh hạt tải (đối với bán dẫn vô cơ) hoặc các excition (đối với bán dẫn hữu cơ) Nhờ vào điện trường vùng nghèo của chuyển tiếp P-

N, các hạt tải bị cuốn về các điện cực tương ứng (lỗ trống sẽ bị cuốn về phía P và electron sẽ bị cuốn về phía N) qua tải và tạo thành dòng điện Ngược lại, đối với bán dẫn hữu cơ, năng lượng liên kết exciton lớn làm cho cặp electron và lỗ trống dịch chuyển đồng thời trong cấu trúc vật liệu, khó có khả năng phân ly trừ khi có điều kiện kích thích

Hình I.2.1: Nguyên lí hoạt động của PMT vô cơ

Đó là sự chênh thế ở vùng tiếp giáp của bán dẫn aceptor và donor (ở pin nhị lớp) hay sự chênh lệch công thoát của hai điện cực (ở pin đơn lớp) đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân ly exciton Tất nhiên, độ chênh này phải đủ lớn so với năng lượng liên kết

N P Kim loại TCO

P N

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ photon sinh hạt tải (exciton), phân ly hạt tải và truyền hạt tải Đây là những quá trình cơ bản trong PMT

2.1 Hấp thụ photon, sinh hạt tải

Trong PMT vô cơ, quá trình hấp thụ photon, sinh hạt tải là quá trình quan trọng nhất Nó chỉ xảy ra khi động lượng và năng lượng được bảo toàn Điều đó có nghĩa là năng lượng photon được hấp thụ phải lớn hơn năng lượng vùng cấm Eg của bán dẫn và

sự chuyển mức của các electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn chỉ xảy ra giữa hai trạng

thái có cùng vectơ sóng k

Vật liệu bán dẫn có thể được chia làm hai loại: bán dẫn chuyển mức trực tiếp và

bán dẫn chuyển mức gián tiếp (Hình I.2.3) [17]

Hình I.2.2: Nguyên lí hoạt động của PMT hữu cơ đơn lớp

Hình I.2.3: Giản đồ năng lượng của (a)bán dẫn trực tiếp,(b) bán dẫn gián tiếp

Bán dẫn chuyển mức trực tiếp là những chất bán dẫn mà cực tiểu vùng dẫn có

cùng vị trí vectơ sóng k với cực đại vùng hóa trị (như GaAs) (Hình I.2.3a) Hệ số hấp

thụ của vật liệu chuyển mức trực tiếp được cho bởi công thức (1.4) [1, 2, 17]:

α( )hω ∝(hω - Eg)1/2 (1.4) Những chất bán dẫn có cực tiểu vùng dẫn và cực đại vùng hóa trị không ở cùng

vị trí vectơ sóng k(như Silic) được xem là bán dẫn chuyển mức gián tiếp (Hình

I.2.3b) Đối với loại bán dẫn này, ngoài việc sinh hạt tải khi hấp thụ một photon có năng lượng
ω≥ Eg thì quá trình này còn phải được hấp thụ hoặc phát xạ thêm một phonon (dao động mạng) với năng lượng
Ω Các quá trình hấp thụ và phát xạ photon, phonon được mô tả như sau[17]:

• Chất bán dẫn có thể hấp thụ đồng thời photon γ và phonon Γ:

pγ = pe + ph + pΓ ω

= Ee + Eh +
ΩVới: pγ, pΓ, pe, ph tương ứng là động lượng của photon γ, phonon Γ, electron và lỗ trống; Ee và Eh tương ứng là năng lượng của electron và lỗ trống

Hệ số hấp thụ α(
ω) của bán dẫn chuyển mức gián tiếp được xác định ở (1.5):

α ω( )
∝(
ω−E g ± Ω
)2 (1.5) Trong đó: dấu “+” biểu thị sự hấp thụ đồng thời photon và phonon, dấu “-” tương ứng với quá trình phát xạ phonon

Từ biểu thức (1.4) và (1.5), cho chúng ta thấy rằng, hệ số hấp thụ của bán dẫn chuyển mức gián tiếp nhỏ hơn so với vật liệu bán dẫn trực tiếp vì xác suất xảy ra quá trình hấp thụ phonon thích hợp trong tinh thể là rất thấp Đây chính là nhược điểm của Silic so với các loại bán dẫn chuyển mức trực tiếp được dùng trong PMT Vì lớp hấp thụ bằng vật liệu Silic phải dày hơn so với những vật liệu chuyển mức trực tiếp khác

Ngược lại sự dễ dàng sinh hạt tải trong bán dẫn vô cơ khi hấp thụ photon, hầu hết vật liệu hữu cơ chỉ hấp thụ một phần ánh sáng tới (khoảng 30%) do độ rộng vùng cấm quá rộng (thường lớn hơn 2.0eV) Vì thế, để tăng cường khả năng hấp thụ photon thì phải tăng độ dày của lớp bán dẫn nhưng như thế làm hạn chế khả năng phân ly của exciton (độ dày khuếch tán nhỏ hơn độ dày màng)

Trong quá trình hấp thụ ánh sáng tới luôn có hiện tượng phản xạ ở mặt ngoài của linh kiện Đó cũng là nguyên nhân làm giảm khả năng hấp thụ Vì thế, nghiên cứu

và sử dụng màng chống phản xạ cũng là một giải pháp làm tăng khả năng hấp thụ photon

2.2 Phân ly hạt tải:

Sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon, lượng hạt tải sinh ra sẽ di chuyển về phía các điện cực Đối với quá trình chuyển tiếp này, lớp tiếp xúc P-N đóng vai trò vô cùng quan trọng

2.2.1 Chuyển tiếp P-N trong tối:

Sự chênh lệch về nồng độ các hạt tải điện khi một bán dẫn loại P tiếp xúc với một bán dẫn loại N làm xảy ra các quá trình khuếch tán như sau: điện tử khuếch tán từ vùng N sang vùng P và lỗ trống khuếch tán từ vùng P sang vùng N Kết quả là trong vùng N xuất hiện các ion đôno dương không được trung hòa và các ion acxepto âm trong vùng P không được trung hòa bởi lỗ trống tạo thành điện trường ε0hướng từ miền N sang miền P Điện trường này hạn chế quá trình khuếch tán của các hạt tải điện cho nên đến một lúc nào đó hệ sẽ đạt tới trạng thái cân bằng Khi đó, mức Fermi là

hằng số trong toàn hệ (hình I.2.4) [1, 17]

Hiệu thế tiếp xúc ϕ và độ rộng vùng nghèo w được cho bởi công thức (1.6) và (1.7):

D A 2 i

n nkTln

ni, nA, nD tương ứng là nồng độ hạt tải thuần, axepto và đôno

ε, ε0 tương ứng là hằng số điện môi của chất bán dẫn và của chân không

Hình I.2.4: Sự phân bố điện tích và năng lượng trong chuyển tiếp P-N ở điều

kiện cân bằng khi chưa chiếu sáng

Ở điều kiện cân bằng nhiệt với môi trường (xét ở điều kiện bức xạ 300K), không có dòng điện tích nào có thể đi qua chuyển tiếp p-n nếu không có nguồn năng lượng kích thích từ bên ngoài Điều này có nghĩa là:

JQ = Je + Jh = 0 (1.8) Với JQ, Je, Jh tương ứng là mật độ dòng tổng cộng, mật độ dòng electron và mật độ dòng lỗ trống [17]

2.2.2 Chuyển tiếp P-N khi được chiếu sáng

Khi chuyển tiếp P-N được chiếu sáng thì mức Fermi sẽ “tách” thành hai mức

EFC và EFV tương ứng được gọi là chuNn mức Fermi của điện tử và lỗ trống

Giả sử chuyển tiếp P-N được nối với hai điện cực và sự tái hợp tại hai bề mặt này rất lớn Khi đó nồng độ electron tại tiếp xúc bên trái và lỗ trống tại tiếp xúc bên phải của chuyển tiếp P-N khi được chiếu sáng cũng bằng với nồng độ của chúng khi chưa chiếu sáng Kết quả là hai chuNn mức Fermi EFC và EFV sẽ có cùng giá trị tại hai tiếp xúc, (EFt = EFC và EFp = EFV) Nhưng do electron là hạt tải thiểu số trong vùng P và

lỗ trống là hạt tải thiểu số trong vùng N nên hai chuNn mức Fermi EFC và EFV của

chuyển tiếp P-N trong trạng thái không cân bằng sẽ có dạng như trong hình I.2.5

Với qV là độ chênh lệch giữa hai chuNn mức Fermi, ε là điện trường tại vùng điện tích không gian trong điều kiện không cân bằng

Khi đó, nếu thế tiếp xúc của chuyển tiếp P-N có giá trị lớn hơn hoặc bằng thế chênh lệch V giữa hai chuNn mức Fermi EFC và EFV thì:

EFt – EFp = EFC - EFV = qV (1.9) Trường hợp thứ hai, thế tiếp xúc ϕ của chuyển tiếp p-n có giá trị nhỏ hơn thế V giữa hai chuNn mức Fermi EFC và EFV Lúc này EFt – EFp < EFC - EFV = qV như mô tả

trong hình I.2.6 [17]

Hình I.2.5: Tiếp xúc P-N khi được chiếu sáng, trường hợp chuyển hóa hoàn toàn

thành điện năng

Hình I.2.6: Chuyển tiếp p-n khi chiếu sáng, trường hợp không chuyển hóa hoàn

toàn thành điện năng

Thế chênh lệch giữa hai đuôi vùng chính là thế mạch hở của PMT: EFt - EFp = qVoc Trong trường hợp hóa năng chuyển hóa hoàn toàn thành điện năng, nó cũng chính là thế chênh giữa hai chuNn mức Fermi [17, 18]

hai chất khác nhau luôn tồn tại những trạng thái bề mặt) Hình I.2.7 mô tả chuyển tiếp

P-N của hai bán dẫn khác nhau khi chưa hình thành tiếp xúc và khi đã hình thành tiếp xúc dị chất [2, 17, 18] Phần gián đoạn giữa hai đáy vùng dẫn và hai đỉnh vùng hóa trị được cho bởi công thức (1.10) và (1.11):

ϕ = V1 + V2 (1.12) Với V1 và V2 là độ cong của hai bán dẫn khi tiếp xúc với nhau trong điều kiện cân bằng

Riêng đối với bán dẫn hữu cơ, hằng số điện môi của polymer dẫn thường rất nhỏ nên năng lượng liên kết của exciton lớn Do đó, các exciton sinh ra do hấp thụ quang trong PMT hữu cơ thường rất bền và chuyển động tự do mà không phân ly ngoại trừ có điều kiện kích thích Đó là sự chênh thế giữa các lớp tiếp xúc Tuy nhiên, nếu độ chênh này không đủ thì exciton sẽ nhảy từ vật liệu có độ rộng vùng cấm lớn sang vật liệu có vùng cấm nhỏ hơn mà không tách hạt tải Vì vậy, quá trình lựa chọn vật liệu thích hợp là điều cần thiết khi tiến hành nghiên cứu và chế tạo PMT hữu cơ

Hình I.2.7: Tiếp xúc p-n dị chất

3 Cấu trúc pin mặt trời vô cơ

Hiện nay, pin mặt trời vô cơ có thể được phân loại theo sơ đồ hình I.3.1 Trong đó, loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể Đó là loại vật liệu có nhiều đặc tính thuận lợi cho quá trình nghiên cứu và rẻ tiền hơn các vật liệu bán dẫn vô cơ khác Để hiểu hơn về nguyên lý làm việc của pin mặt trời loại này chúng ta cần biết một vài đặc điểm của chất bán dẫn Silic

3.1 Một số đặc trưng cơ bản về vật liệu Silic:

Silic (Si) là bán dẫn nguyên tố nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev Nó được xem là nguyên tố phổ biến thứ hai sau Oxy trong tự nhiên, chiếm khoảng 25% khối lượng vỏ trái đất Si tồn tại dưới dạng hợp chất trong đất đá, cát và các loại quặng Hợp chất phổ biến của Si là SiO2 SiO2 nguyên chất thường gặp trong thạch anh, và cát thạch anh là nguyên liệu chính để chế tạo Si

Hình I.3.1: Các loại pin mặt trời vô cơ

Trong PMT, các đế Silic được sử dụng là Si đơn tinh thể và màng Si:H

nano/micro tinh thể hoặc vô định hình Silic vô định hình và Silic nano/micro tinh thể

có thể được tạo ra dễ dàng hơn so với Silic đơn tinh thể bằng các phương pháp như PECVD, HWCVD… Đây cũng là nguyên nhân làm giảm giá thành sản phNm khi ứng dụng a-Si:H và µc Si:H làm PMT

3.1.1 Silic đơn tinh thể (c-Si, crystal)

Tinh thể Silic có cấu trúc mạng kim cương (lập phương tâm mặt), tinh thể có màu sáng sẫm ánh kim, có độ rộng vùng cấm là 1,1eV và ái lực điện tử 4,05eV tại nhiệt độ phòng Mặc dù là một nguyên tố tương đối trơ nhưng Silic vẫn có phản ứng với các halogen, các chất kiềm loãng và không tác dụng với hầu hết axit (trừ tổ hợp axit nitric và axit flodidric)

Silic được sản xuất công nghiệp bằng cách nung nóng Silica siêu sạch trong lò luyện bằng hồ quang với các điện cực Cacbon Ở nhiệt độ trên 1900 °C, Cacbon khử

Hình I.3.2: Liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử Si và cấu trúc vùng năng

lượng trong tinh thể Si

Silic lỏng được thu hồi ở đáy lò, sau đó nó được tháo ra và làm nguội Silic sản xuất theo công nghệ này gọi là Silic loại luyện kim và đạt trên 99% tinh khiết Tinh thể Silic dùng trong bán dẫn thường được nuôi bằng phương pháp Czochralski, vì Silic nuôi bằng phương pháp này có độ tinh khiết rất cao

3.1.2 Silic vô định hình ( a-Si, amophous )

Silic vô định hình (hình I.3.3) không là mạng tuần hoàn mà chỉ là “mạng ngẫu

nhiên liên tục” CRN (Continuous Random Network) Điều này có nghĩa là, mỗi nguyên tử Si vẫn liên kết với 4 nguyên tử xung quanh để tạo nên cấu trúc tinh thể nhưng thiếu trật tự xa (do góc liên kết bị lệch so với góc 109,50 của tứ diện)

Hình I.3.3: Mạng Silic vô định hình.

Do sự thiếu trật tự ấy, CRN có thể chứa các khuyết tật, trong đó có một loại gọi

là khuyết tật “phối trí” Khuyết tật này tạo thành là do nguyên tử có quá ít hoặc nhiều liên kết Trong a-Si thường thì các nguyên tử Si không có đủ liên kết để tạo thành lớp ngoài cùng là sp3 và đây có thể xem là sai hỏng chủ yếu trong Silic vô định hình có ba

số phối trí Các sai hỏng này tạo nên các liên kết bất bão hòa (dangling bonds) (Hình

I.3.4b) a-Si thường có mật độ các liên kết bất bão hòa cao (cứ 500 nguyên tử sẽ cho một liên kết bất bão hòa)[7]

Hình I.3.4: (a) Một nút khuyết trong mạng Silic (b) Liên kết bất bão hòa

(dangling bond)

Mật độ sai hỏng cao trong vật liệu vô định hình làm cản trở hiện tượng quang dẫn và sự pha tạp Tuy nhiên Hydro nguyên tử có thể thụ động hóa các sai hỏng bằng cách kết hợp với các liên kết bất bão hòa này và làm cho mật độ liên kết bất bão hòa giảm đáng kể (Hydro khoảng 10at % sẽ làm giảm mật độ liên kết bất bão hòa xuống 4-

5 lần), điều này xảy ra tương tự với nc/µc tinh thể Trong PMT có sử dụng vật liệu Si:H, một lớp Si:H thuần với mật độ khuyết tật thấp thường được xen giữa lớp P và N nhằm làm giảm mật độ sai hỏng tại lớp tiếp giáp Do có cấu trúc trật tự gần, nên trong cấu trúc vùng năng lượng của a-Silic vẫn có các vùng năng lượng: vùng dẫn, vùng hóa trị và vùng cấm Tuy nhiên, do thiếu trật tự xa nên dẫn đến sự mở rộng của hàm mật độ trạng thái Kết quả là “đuôi vùng” của các trạng thái năng lượng định xứ mở rộng vào

trong vùng cấm Hình I.3.4a cho thấy sự hình thành đuôi vùng trong a-Si và nc/µc- Si,

các liên kết bất bão hòa tạo thành các trạng thái sai hỏng sâu trong vùng cấm [7,8]

Hình I.3.5: Sự xuất hiện “đuôi” trong vùng cấm do mất trật tự xa của

(a) a-Si:H và (b) nc/µc- Si:H

Tính chất quang học của a-Si có vai trò rất quan trọng trong chế tạo PMT Do

không có cấu trúc trật tự xa nên vectơ sóng k coi như được bảo toàn trong chuyển mức điện tử Vì vậy, a-Si thuộc loại bán dẫn chuyển mức trực tiếp Hệ số hấp thụ của a-Si trong vùng ánh sáng khả kiến lớn hơn rất nhiều so với Si đơn tinh thể [8]

3.1.3 Silic nano/ micro tinh thể (nc/ µc-Si)

Silic nano/ micro tinh thể là một dạng có trật tự gần tương tự như a-Si Tuy nhiên pha nc/µc-Si có dạng những hạt tinh thể Silic rất nhỏ, các tinh thể nhỏ này kết tụ

thành dạng những cột có kích thước khoảng 50nm – 200nm (hình I.3.6) Giữa những

cột nhỏ này là pha vô định hình, khoảng trống và biên hạt Silic nano tinh thể còn được gọi là Silic micro tinh thể (µc-Si), điều này tùy thuộc vào kích thước của hạt (2-5nm,10

 80% tinh thể: nc-Si; 10-20nm, 10  100% tinh thể: µc-Si) [7]

Hình I.3.6: Cấu trúc của nc/µc-Si

Trong màng mỏng Si thì nc-Si:H là vùng chuyển tiếp giữa a-Si và µc-Si So với a-Si thì nc/µc-Si có nhiều điểm vượt trội hơn, độ linh động của electron trong nc/µc-Si cao hơn vì nó có cấu trúc tinh thể Bên cạnh đó nc/µc-Si còn tăng khả năng hấp thụ ánh sáng đỏ và trong vùng hồng ngoại, điều này rất thuận lợi để áp dụng nc/µc-Si cho PMT Một lợi điểm nữa cũng khá quan trọng của nc/µc-Si là nó bền hơn so với a-Si vì nồng độ Hydro trong nc/µc-Si thấp hơn Sự chuyển pha giữa a-Si và nc/µc-Si phụ thuộc nhiều vào các điều kiện lắng đọng và loại đế đem phủ Thực ra cho đến nay những lý thuyết về a-Si và nc/µc-Si vẫn chưa được hiểu biết một cách rõ ràng [7]

3.2 Cấu trúc pin mặt trời vô cơ:

3.2.1 PMT “cổ điển” (pin p-n)

Pin này gồm một chuyển tiếp p-n với đế Silic đơn tinh thể, một điện cực sau, một điện cực lưới ở mặt trước và bề mặt được phủ một lớp chống phản xạ Ưu điểm của nó là hiệu suất khá cao và bền với môi trường Nhưng do được làm từ đế Silic đơn

tinh thể nên pin có giá thành cao (hình I.3.7)

3.2.2 PMT màng mỏng (p-i-n hoặc n-i-p)

Cấu trúc pin chỉ từ vài chục µm, gồm nhiều lớp mỏng a-Si:H và nc/µc Si:H phủ lên một đế thủy tinh, một lớp chống phản xạ và các điện cực Lớp “i” (intrinsic) trong cấu trúc pin loại này là lớp Si:H thuần đóng vai trò hấp thụ ánh sáng để tạo ra hạt tải điện còn hai lớp n-Si:H và p-Si:H mỏng hai bên có nhiệm vụ phân ly hạt tải Ưu điểm của loại pin này là rẻ tiền, dễ chế tạo nhưng hiệu suất chưa cao và kém bền Cấu trúc này được minh họa trong hình I.3.8 [7]

Hình I.3.7: PMT p-n trên đế Silic đơn

Hình I.3.8: Cấu trúc PMT màng mỏng

4 Các dòng hạt tải điện và đặc trưng I-V:

Trong phần này, chúng tôi cố gắng trình bày tính chất chung nhất của hai loại PMT vô

cơ và hữu cơ

4.1 Các dòng hạt tải điện:

Khi chuyển tiếp p-n được chiếu sáng, các cặp electron và lỗ trống có thể được sinh ra khắp nơi trong chất bán dẫn Nhưng chỉ những cặp electron và lỗ trống được sinh ra trong vùng nghèo và vùng lân cận (-Lh ≤ x ≤ Le) mới đóng góp vào dòng điện đi ra tải ngoài Cơ bản có thể chia làm ba vùng sinh hạt tải như sau:

Vùng thứ nhất trong khoảng x < -Lh và x > Le, những cặp electron và lỗ trống được sinh ra trong những khoảng này xem như không đóng góp vào dòng điện

Vùng thứ hai là vùng điện tích không gian, electron sinh ra trong vùng này sẽ bị điện

trường đNy về vùng n và lỗ trống tương tự sẽ bị đNy về vùng p (dòng (2) trên hình

I.4.1) Ở vùng thứ ba, nơi mà những electron sinh ra trong vùng p ở một khoảng không vượt quá độ dài khuếch tán electron Le và lỗ trống sinh ra trong vùng n không vượt quá

độ dài khuếch tán lỗ trống Lh sẽ bị cuốn về vùng đối diện, nghĩa là electron bị cuốn về

vùng n còn lỗ trống bị cuốn về vùng p (dòng (3) trong hình I.4.1)

Hình I.4.1: Các dòng điện tử đóng góp vào dòng điện trong PMT (chấm đen là

electron; chấm trắng là lỗ trống) khi chiếu sáng

(3) (2)

+ + + +

- - -

-w

E

(2) (3)

Như vậy, bên ngoài khoảng độ dài khuếch tán electron Le về bên phải hoặc bên ngoài

độ dài khuếch tán của lỗ trống Lh về bên trái tương ứng chỉ có dòng electron và dòng lỗ trống Dòng điện tích tổng cộng JQ bao gồm dòng electron trong vùng n và dòng lỗ trống trong vùng p Đây chính là dòng điện được tạo ra trong PMT [17]

Mật độ dòng tổng cộng JQ, tính theo mật độ dòng lỗ trống (tương tự có thể tính với dòng electron), xét trong khoảng (-Lh; Le) vì chỉ những hạt tải điện sinh ra trong vùng này mới đóng góp vào dòng điện, được cho bởi:

∆Gh là thành phần sinh ra khi được chiếu sáng thì:

Gh = Gh0 + ∆Gh Tốc độ tái hợp Rh được cho bởi:

n

n n R

h i

h e h

2

Vì EFC – EFV = 0 trong điều kiện cân bằng ở 300K nên: Gh0 = Rh0

Ta có thể viết lại phương trình (14):

kT

E E G

e J

FC h

kT

eV L

L eG J

e

h

L

L h h

e h

Trong biểu thức trên, thành phần thứ nhất biểu thị cho dòng bão hòa ngược trong PMT

ở trạng thái cân bằng, thành phần thứ hai biểu thị cho dòng điện tử sinh ra khi được chiếu sáng Vì thế người ta mong thành phần thứ hai đạt giá trị lớn nhất có thể Ngoài

ra, trong điều kiện thực tế ta còn phải xét đến trường hợp tái hợp tạp chất

5.2 Đặc trưng I-V:

Phương trình (1.18) là phương trình đặc tuyến I – V của tiếp xúc p-n:

Khi V = 0 (trường hợp đoản mạch) ta thu được dòng đoản mạch Jsc:

Le

L h Q

h h

J dx G e dx G e

Khi chưa chiếu sáng (∆Ge,h = 0) và trường hợp thế phân cực nghịch rất lớn (exp(eV/kT) << 1) ta tìm được dòng bão hòa ngược:

J Q =−eG e0,h(L e +L h)=−J s (1.20) Dòng đoản mạch Jsc và dòng bão hòa ngược là hai thành phần cơ bản của đặc tuyến I –

V của tiếp xúc p-n:

.1

0,

ta đạt được thế mạch hở:

J e

kT

V ln 1 (1.24)

Đặc tuyến I – V là một đặc trưng quan trọng giúp xác định đặc tính điện cũng như hiệu

suất PMT Nó biểu diễn sự thay đổi của dòng theo thế áp (hình I.4.2) [17]

Hình I.4.2: Đặc tuyến I – V của PMT trong tối (đường đứt nét) và khi chiếu

mp

Q mp

Q

V

J dV

S Q

V

J kT

eV kT

e J dV

sc 1 exp (1.28) Thay vào (1.26) ta tìm được:

mp mp

V J

V J

Theo lý thuyết, hệ số lấp đầy được ước tính có giá trị cao nhất vào cỡ 0,8 – 0,9 [3] Công suất cực đại được xác định là diện tích hình chữ nhật dưới đường đặc trưng I – V

(phần sậm màu) như trong hình I.5.1

Hiệu suất η của PMT được định nghĩa là: η = Pra / Pvào

hay

vào

sc oc

P

FF J V

=

Hình I.5.1: Xác định điểm công suất cực đại

Với Pvào là công suất của ánh sáng tới, người ta thường dùng phổ AM1.5 để đo hiệu suất của PMT, phổ này có công suất cỡ 1KW/m2 [17]

Đồng thời, trên giản đồ đặc tuyến I – V (khi được chiếu sáng), ta có thể xác định được các thông số sau đây:

• Thế mạch hở VOC là thế ra cực đại mà một pin Mặt Trời có khả năng cung cấp cho tải khi dòng quang điện bằng không, người ta thường chấp nhận giới hạn trên của VOC là độ rộng vùng cấm Eg của vật liệu đóng vai trò hấp thụ quang

• Dòng ngắn mạch JSC là dòng ra cực đại mà một pin có thể cấp cho mạch ngoài khi thế cấp bằng không

• Năng lượng cực đại Pmax(Jmp,Vmp)

5.2 Mạch điện tương đương và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất:

5.2.1 Mạch điện tương đương:

Mạch điện tương đương là mô hình gồm các thành phần điện (diode, điện trở,

nguồn dòng,…) được sử dụng để mô tả đặc trưng điện của một PMT (hình I.5.1) Dựa

vào mô hình mạch điện tương đương, chúng ta hoàn toàn đánh giá được hiệu suất của pin cũng như ước lượng ảnh hưởng của các cơ chế mất mát [17,19]

Hình I.5.2: a) Cấu trúc pin Mặt Trời và b) Mạch điện tương đương

Trong đó:

• Nguồn dòng Jsc : đặc trưng cho dòng sinh ra trong PMT khi được chiếu sáng

• Diod D1 đặc trưng cho thành phần có chứa JS1 là dòng bão hòa ngược khi ta chỉ xét đến tái hợp vùng – vùng

• Hai diod D2 nối tiếp nhau đặc trưng cho thành phần có chứa JS2 là dòng khi ta xét đến tái hợp do tạp chất

• Điện trở Rp đặc trưng cho những mất mát do tái hợp tại những tiếp giáp (chuyển tiếp p-n, A/D, giữa bán dẫn với các điện cực hay là các biên hạt)

• Điện trở RS đặc trưng cho tất cả những mất mát do sự sụt thế khi đi qua khối pin

và những kết nối giữa pin với tải (đối với PMT vô cơ) hay trở kháng của vật liệu (đối với PMT hữu cơ)

Ở phương trình (1.21), ta chỉ xét trường hợp tái hợp vùng – vùng để tính toán mật độ dòng tổng cộng JQ Nhưng đó chỉ là trường hợp lý tưởng, trên thực tế còn phải xét tới

sự tái hợp tạp chất Người ta tính được mật độ dòng tái hợp tạp chất này là:

kT

eV n

n ew

kT

eV J

Trở lại sơ đồ mạch tương đương hình I.5.2b, áp dụng định luật Kirchoff:

.1

2exp1

1

p

S Q SC

S Q S

S Q S

Q

R

R I V I kT

R I V e I

kT

R I V e I

Hình I.5.3: Hiệu suất của PMT theo năng lượng vùng cấm

Đối với PMT hữu cơ, độ rộng vùng cấm ít ảnh hưởng đến hiệu suất nhưng vị trí của các mức LUMO và HUMO có ảnh hưởng rất lớn như đã trình bày ở trên

5.2.2.2 Ảnh hưởng của R P :

Trong PMT, người ta mong muốn điện trở Rp có giá trị càng lớn càng tốt (Rp 

∞) để dòng Isc càng ít đổ qua điện trở này Tức là mật độ sai hỏng tại bề mặt rất thấp

hay điện trường tách hạt tải và độ linh động của hạt tải lớn [19]

5.2.2.3 Ảnh hưởng của R s :

Một PMT chế tạo tốt thì điện trở RS này càng nhỏ, thế mạch hở càng ít bị “rớt” tại đây Đặc biệt, trong PMT hữu cơR s ∼107Ω, chính điều này làm quá trình đo đạc trở nên khó khăn Nó đòi hỏi vôn kế phải có trở kháng nội lớn hơn 10 Ω7 để tránh hiện tượng sụt áp và nhiễu [19]

5.2.2.4 Hiệu ứng lọc quang học:

Trong bán dẫn, exciton chỉ có thể phân ly ở một vùng gọi là vùng hoạt tính (Active region) Chỉ có những hạt tải tồn tại trong vùng hoạt tính mới có khả năng dịch chuyển về điện cực và đóng góp vào quá trình dẫn điện Điều này là do độ linh động thấp của hạt tải điện Tuy nhiên, việc hấp thụ photon lại diễn ra trong vùng khác gọi là

“vùng lọc quang học” (optical filter) trước khi đến vùng hoạt tính để phân ly tạo hạt tải

(hình I.5.4)

Hình I.5.4: Cấu trúc linh kiện hữu cơ với vùng hoạt tính và vùng lọc quang học

Có hai khuynh hướng hình thành vùng hoạt tính như sau:

• Quá trình phân ly exciton xảy ra trong toàn khối như hình I.5.5a Nhưng độ linh

động của hạt tải thường nhỏ nên vùng hoạt tính phải có độ dày tương đương với quãng đường tự do của electron (lỗ trống có quãng đường tự do lớn hơn electron)

• Quá trình phân ly xảy ra gần điện cực theo hai cách phụ thuộc vào chủng lọai

polymer dẫn sử dụng (thiên về hướng điện môi hay bán dẫn)

Điện trường tiếp giáp giữa điện cực và vật liệu bán dẫn làm uốn cong vùng Exciton

dễ dàng phân ly do điện trường nội này Nên quá trình phân ly cũng như chuyển vận hạt tải đến điện cực được xem là dễ dàng hơn

Hình I.5.5: Hai xu hướng hình thành vùng hoạt tính phụ thuộc vào loại polyme sử

dụng

Trong kỹ thuật chế tạo, chúng ta sẽ cố gắng tạo linh kiện theo mô hình I.5.5b Có

thể bằng cách làm giảm công thoát của kim loại hay dùng lớp tiếp xúc trung gian chẳng hạn như LiF,… Việc lựa chọn vật liệu có vùng hoạt tính và vùng lọc quang học với độ dày thích hợp quyết định rất lớn đến hiệu suất pin Nếu vùng hoạt tính và vùng lọc quang học quá dày, xác suất tái hợp trên đường đi rất lớn Nhưng nếu độ dày của hai vùng này quá nhỏ, việc hấp thụ và phân ly hạt tải sẽ kém hiệu quả [19]

Tạo màng ZnO:Al bằng phương pháp sol-gel thỏa mãn hầu hết các yêu cầu trên Đây cũng là hướng nghiên cứu đang được nhiều phòng thí nghiệm quan tâm

Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm các bước sau:

• Tạo màng ZnO:Al bằng phương pháp sol-gel với các thông số kỹ thuật khác nhau như: hàm lượng pha tạp, chế độ ủ nhiệt, dung môi và chất tạo phức để tìm ra thông số chế tạo tối ưu trong các ứng dụng cụ thể nêu trên

• Đánh giá cấu trúc, hình thái học bề mặt, tính chất điện, quang của màng ZnO:Al theo các điều kiện chế tạo khác nhau

• Chế tạo pin mặt trời Si và khảo sát sự ảnh hưởng của màng ZnO:Al với vai trò

là lớp chống phản xạ lên hiệu suất của pin

1 Phương pháp chế tạo màng ZnO:Al

1.1 Tiến trình thực nghiệm

Màng dẫn điện trong suốt được chế tạo bằng phương pháp Sol-gel với mục đích ứng dụng vào linh kiện quang – điện đòi hỏi phải có các tính chất cơ bản sau: màng phải có độ truyền qua trên 80% và có độ dẫn thấp (vài chục - vài trăm Ohm) Với mục đích này, chúng tôi chọn chế tạo màng ZnO là một bán dẫn có độ rông vùng cấm lớn (trên 3 eV), thỏa mãn tính trong suốt đòi hỏi nhưng tính dẫn điện của màng ZnO rất kém (100 k Ώ đến vài MΏ) Vấn đề giải quyết làm tăng độ dẫn điện nhưng không phá

vỡ cấu trúc màng được thực hiện thông qua 2 bước sau:

Thứ nhất: pha tạp vào màng các donor Al bằng cách chọn nồng độ pha tạp Al3+

để thay thế cho Zn2+ sao cho tỉ lệ pha tạp không phá vỡ đi cấu trúc của ZnO thông qua quá trình khảo sát các thông số chế tạo như: hàm lượng pha tạp, chế độ ủ nhiệt, dung môi và chất tạo phức

Thứ hai: lấy Oxy thừa trong cấu trúc màng ZnO:Al để làm tăng độ dẫn bằng cách ủ nhiệt trong chân không cao Tuy nhiên, chúng tôi cũng phải lựa chọn thông số thích hợp để không phá vỡ đi cấu trúc của ZnO

Trước khi bước vào các tiến trình thực nghiệm, chúng tôi đưa ra một số khái niệm, định nghĩa của các thuật ngữ dùng trong phương pháp Sol-gel

Sol –gel là một phương pháp hóa học ướt tổng hợp, các hệ huyền phù dạng hạt keo rắn phân tán trong chất lỏng, sau đó tạo thành nguyên liệu lưỡng pha gồm bộ khung chất rắn chứa dung môi cho đến khi xảy ra quá trình chuyển tiếp Sol-gel

Quá trình Sol-gel bao gồm các phản ứng hoá học từ khi dung dịch đến sản phNm cuối cùng ở trạng thái rắn Từ “sol” là xuất phát từ “solution” (dung dịch), còn từ “gel” bắt nguồn từ danh từ “gelation” (sự đông đặc)

Nếu điều chỉnh một cách chính xác những thông số trong suốt quá trình, ta có thể tạo ra những dạng vật liệu khác nhau bao gồm: bột, sợi, khối và màng mỏng Trong đó, màng mỏng với những ứng dụng trong quang học và quang điện tử được chú ý nhiều nhất vì màng có thể tạo ra dễ dàng bằng kỹ thuật nhúng, quay và phun Đồng thời còn vì tính dẫn điện và tính trong suốt về quang học của các màng làm từ vật liệu oxide

1.1.1 Precursor

Precursor là những phần tử ban đầu tạo hạt keo, được tạo thành từ kim loại hay

á kim, liên kết với một số ligand khác nhau Precursor có thể là chất vô cơ kim loại hay hữu cơ kim loại Trong đề tài này chúng tôi sử dụng precursor là chất hữu cơ kim loại Zn(CH3COO)2 để điều chế sol dùng tạo màng ZnO:Al

1.1.2 Sol:

Các hạt keo là sản phNm của phản ứng thủy phân - ngưng tụ, có kích thước từ 1

nm đến 10 nm được gọi là sol Vì kích thước nhỏ nên lực tương tác giữa chúng là lực tương tác Val Der Waals Các phân tử trong dung dịch va chạm lẫn nhau làm các hạt chuyển động ngẫu nhiên Brown Sau thời gian bảo quản tới hạn, các hạt sol liên kết với nhau dẫn đến sự đông tụ tạo thành các hạt keo

Tùy thuộc vào chất xúc tác có mặt trong dung dịch, hạt sol phát triển theo những hướng khác nhau hay nói cách khác hình thái hạt sẽ khác nhau Xúc tác axít làm tăng chiều dài hoặc tạo sự phân nhánh ngẫu nhiên của chuỗi polymer Xúc tác bazơ tạo sự kết tụ phân nhánh của các cluster nên cấu trúc hạt đặc xít hơn cấu trúc axít

1.1.3 Gel:

Khi các hạt sol kết tụ, pha rắn và lỏng liên kết chặt chẽ hơn tạo thành chất kết dính gọi là gel Khi tăng nồng độ dung dịch, thay đổi pH, hoặc tăng nhiệt độ, rào cản tĩnh điện tương tác giữa các hạt hạ thấp và các hạt kết tụ với nhau tạo thành gel

1.1.4 Chế tạo màng ZnO:Al

Màng ZnO:Al được chế tạo từ precusor Zn(CH3OO)3.2H2O, dung môi là 2- Methoxyethanol (2-ME) hoặc Ethanol với chất tạo phức là Monoethanolamin (MEA) hay Diethanolamin (DEA) và nguồn cung cấp tạp Al là Al(NO)3.9H2O, theo lưu đồ tiến trình chế tạo như hình II.1.1 Quá trình chế tạo màng ZnO:Al gồm các bước sau: tạo sol, xử lí đế, tạo màng và ủ nhiệt

Nguồn gốc các hóa chất sử dụng:

Zn(CH3OO)3.2H2O, Trung quốc, 99%

Al(NO3)3.9H2O , Trung quốc, 99%

Dung môi 2- Methoxyethanol (2-ME), Merk, 99,5%

Dung môi Ethanol, Merk, 99,9%

Chất tạo phức Monoethanolamin (MEA), Merk 99%

Chất tạo phức Diethanolamin (DEA) Merk 99%

Dung môi 2-Methoxyethanol 2 ME( )

Ethanol

−

Zn(CH3COO)2.2H2O Al(NO3)3.9H2O

Khuấy 30 phút

Monoethanolamin MEADiethanolamin DEAKhuấy 2 giờ

Dung dịch trong suốt

Phủ quay

Nung 5000C,1giờ trong không khí

Nung 500 0 C, 1giờ, trong chân không

1.1.4.1 Tạo sol:

Sol được chế tạo từ các hóa chất như đã trình bày ở phần trên (II-1.1.4) Trước tiên, Zn(CH3COO)2.2H2O và Al(NO3)3.9H2O được hòa tan trong dung môi bằng máy khuấy từ (hình II.1.2 ) trong vòng 30 phút Phương trình phân li của precusor trong dung môi thể hiện ở phương trình (2.1) [20]

Sau khi hòa tan, dung dịch thu được có màu trắng đục là do phản ứng nghịch (2.2) sinh ra Zn(OH)2 có kết tủa màu trắng

Vì thế, để tránh phản ứng tái hợp xảy ra, chúng tôi nhỏ giọt chất tạo phức vào dung dịch, xảy ra phản ứng (2.3) Dưới tác dụng của chất tạo phức, dung dich được tạo thành cuối cùng là dung dịch trong suốt Với mỗi chất tạo phức khác nhau, phản ứng